高强维纶的结构和性能

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摘要：

在介绍维纶发展历史和现状的基础上，叙述了高强维纶的研发思路和加工方法特征、结构和性能特征，介绍了高强维纶的应用领域和典型应用方法。

关键词：维纶；高强；结构；性能

国外军警作训服和厂矿工作服通常采用锦/棉织物，我国则以涤/棉为主。国内外现有工装面料的使用牢度均不高，导致对员工的劳动保护效果受到影响，并影响到军警的仪容和战术技术水平的发挥。一般而言，对位芳纶、超高分子量聚乙烯、聚芳酯等高强纤维因价格、加工性能及服用舒适性等问题，不用于普通工作服；而纺织纤维中缺乏价格适中的高强纤维来提高工作服、作训服的坚牢程度。为了开发适合于军警作训服和厂矿工作服的高强面料，并兼顾吸湿性、舒适性和加工性能，我们根据维纶理论强度高、吸湿性适中、资源丰富、产业化基础好的特点，开发了性价比高的高强维纶。

1维纶的历史和现状

维纶即聚乙烯醇缩甲醛纤维。聚乙烯醇（PVA）纤维因存在大量羟基，具有水溶性，不能作为服用纤维使用。日本化学家樱田一郎和朝鲜化学家李升基通过对PVA纤维热处理和缩甲醛化改性，于1939年获得耐热水性良好的聚乙烯醇缩甲醛纤维，并于1950年在日本实现了聚乙烯醇缩甲醛纤维的工业化生产，商品名为维尼纶（Vinylon），我国称之为维尼纶或维纶。目前聚乙烯醇纤维及聚乙烯醇缩甲醛纤维的生产国家主要有日本、朝鲜和我国。

1963年我国从日本可乐丽公司引进1万吨/年的维纶成套生产装置，在北京顺义县牛栏山建成北京维尼纶厂。1963―1980年间我国先后建成14个维尼纶厂，维纶年生产总能力达到16.5万吨。维纶具有耐酸、耐碱、耐盐、耐磨损、耐日照、耐腐、防霉、防虫蛀等优点，但着色不够鲜艳、面料不够挺括。因此，随着涤纶等熔纺合成纤维的工业化生产，维纶逐渐被逐出了服用纤维行列。目前我国聚乙烯醇纤维生产厂有四川维尼纶厂、福建纺织化纤集团有限公司、安徽皖维高新材料股份有限公司、兰州维尼纶集团有限责任公司、湖南省湘维有限公司等五家国有企业，以及福建永安市宝华林实业发展有限公司、浙江绍兴蛋白纤维有限公司、上海全宇生物科技遂平有限公司等三家民营企业，其产品主要有不耐热水的高强高模维纶应用于水泥增强；水溶性维纶应用于拌纺或生产无捻/低捻织物；与蛋白质混纺生产大豆蛋白纤维等。国外代表性厂商是日本可乐丽公司，其产品有凝胶纺的高强纤维、溶剂纺的低温水溶纤维等类型，性能水平较高，并且有细旦长丝产品。

维纶的纺丝方法包括普通湿法纺丝、干法纺丝、碱法纺丝、硼法凝胶纺丝和干湿法凝胶纺丝等。普通湿法纺丝纺得纤维强度为4.5 cN/dtex~5.5 cN/dtex；干湿法凝胶纺丝可以达到20 cN/dtex左右，最高达到24.3 cN/dtex（采用聚合度达7000的PVA），但加工成本较高。

2高强维纶的研发思路和工艺路线

为了研发具有高强耐磨特征的聚乙烯醇缩甲醛纤维，我们在硼法凝胶纺丝的基础上进行了如下改进：

在PVA纺丝液中加入硼化物，使PVA的羟基与硼原子发生螯合形成凝胶，由此减缓丝条与凝固浴之间的双向扩散速度，在慢速凝固条件下形成致密皮层，提高纤维的耐磨性；硼法凝胶纺丝使PVA的羟基与硼原子发生螯合形成凝胶，由此减缓氢键结合力，减少大分子的缠结，有利于实现高倍牵伸，从而提高纤维强度。

在前道施加高倍牵伸的基础上，在末道牵伸时实施超喂，即进行负牵伸，使纤维受控地实现有限度的解取向，从而提高纤维的断裂伸长率和断裂功，增加实际使用牢度和耐久性；采用长丝束醛化及机械卷曲工艺路线提高纤维的卷曲度，提高纤维可纺性。

用长丝路线生产高强纤维的总流程为：PVA硼酸溶液碱性Na2SO4凝固浴纺丝中和水洗湿热拉伸干热拉伸缩甲醛化中和水洗上油机械卷曲干燥切断打包。

3高强维纶的结构特点

采用上述生产工艺制得的高强维纶具有如下结构特点：

1）结晶度高。高强维纶在缩醛化后的结晶度为81%左右，比普通维纶纤维高10%~15%；成品结晶度为71%左右，比普通维纶高8%~12%。

2）取向度高。采用声速法测得的高强维纶在缩醛化后的取向因子为0.9983，成品取向因子为0.9949。表现为比普通维纶高的取向度。

3）截面结构规整致密。如图1所示，高强维纶成品纤维截面呈豆形，而不是普通湿法纺丝所得维纶的锯齿形外观。由此说明在凝固过程中皮层和芯层是均衡收缩的，并且原来处于大直径的皮层要无皱曲地收缩到较小的周长，势必产生致密的皮层结构；从圆形截面最终变为豆形截面，并且芯层没有空隙，也意味着纤维中心部位的结构也是比较致密的。

图1高强维纶的截面扫描电镜照片

高强维纶的性能特点为：

高强维纶首先表现出优异的力学性能。表1所示为两个高强维纶样品的细度和强伸度指标及与普通维纶的对比情况。由表可知，高强维纶的强度约为普通维纶的1.7倍，且强度离散程度相当或略小；断裂伸长率稍小于普通维纶，断裂伸长率的离散程度小于普通维纶。在合理选择纺织加工方法后，断裂伸长率小的问题可以从增加纱中纤维的弯曲程度以及增加织物中纱线的屈曲波高等办法，来保证织物应有的延伸变形性能。

表1高强维纶力学性能抽样测试结果

高强维纶的耐热水性对于染整加工至关重要。PVA纤维在醛化前是不耐热水的，高强维纶成品的耐热水性RP值可以达到113℃~115℃。为了进一步确认高强维纶在染整加工中的耐热水性，纤维样品在下述条件下进行了试验：

模拟常压沸染条件，在100℃下经30 min水煮后，高强维纶的重量损失率为0.06%～0.11%，强度保持率为96.0%～97.8%；模拟皂煮条件，施加常规皂煮助剂，在85℃下经30 min水处理后高强维纶的重量损失率为0.64%～0.96%，强度保持率为96.1%～98.4%；模拟还原快速蒸化加工（在含NaOH 50 g/L，保险粉100 g/L的还原液中浸泡30 s后在135℃过热蒸汽汽蒸3.5 min）后纤维的减重率为0.04%～0.14%，强度保持率为96.1%～97.9%。

模拟定形加工和印花焙烘发色加工，对维纶样品在烘箱中进行干热处理。在175℃、6 min干热处理后高强维纶的强度保持率达到94.2%～99.0%；200℃、2 min干热处理后高强维纶的强度保持率为91.3%～98.0%。

在光老化箱中以相同的条件对普通涤纶、棉纤维和高性能维纶进行了192 h的氙灯照射试验，强度保持率分别为：高强维纶95%、涤纶83%、棉纤维70%。

上述试验结果说明高性能维纶具有很高的强度、良好的染整加工性能以及优于涤纶和棉花的耐光性能。目前工业化生产的高强维纶技术指标为：拉伸断裂强度≥8.0cN/dtex，断裂伸长率≥12%，水中软化点≥114℃，卷曲数≥15个/25mm。纤维规格有棉型、中长型和毛型产品。

4高强维纶的应用

根据高强维纶强度高、耐磨性能好、价格较低的特点 适合于钢铁、石油、水泥、化工、船舶、勘探、采掘、建筑、交通、运输、伐木等劳动强度较大的产业工人，及在制造业中从事车、钳、刨、焊等作业的就业者的工作服面料使用，并可根据具体工作场所的环境条件赋予抗油拒水、吸湿排汗、单向导湿、昆虫驱避、静电防护等功能。

目前已将含高强维纶的面料应用于军队和武警的作训服。在原涤棉作训服的基础上添加20%高强维纶，强度提高30%，耐平磨指标从原作训服标准规定的125次提高到了新标准规定的900次，增加了7.2倍。实际穿着使用的坚牢结实程度大幅度提高，并具有良好的热湿舒适性。

（作者单位：军需装备研究所）