聚氯乙烯纖維熔融紡絲及其結構與性能

摘 要：為了通過熔融紡絲方法制備出性能優良的聚氯乙烯（PVC）纖維，在聚氯乙烯粉體共混改性造粒的基礎上，調整熔融紡絲的工藝參數，研究紡絲溫度和牽伸倍數等工藝條件對纖維結構與性能的影響，并對纖維的斷裂強度、斷裂伸長率、取向度、表面形貌、截面形貌以及耐酸、堿腐蝕性能、阻燃性能進行測試分析。結果表明：當噴絲板距離水浴1 cm距離、螺桿溫度為160 ℃、噴絲板溫度為190 ℃、熱水浴溫度為60 ℃、計量泵壓力為2 MPa、牽伸倍數為4倍時，制得的PVC纖維性能較好，其斷裂強度、斷裂伸長率、線密度分別為1.16 cN/dtex、32.1%、12 tex，并且具有優異的耐酸、堿腐蝕性能和阻燃性能。研究結果為制備高性能的PVC纖維提供了一種新的方法。

關鍵詞：聚氯乙烯纖維；熔融紡絲；力學性能；耐腐蝕性能；牽伸工藝

中圖分類號：TQ342+.51

文獻標志碼：A

文章編號：1009-265X（2024）07-0042-06

聚氯乙烯（PVC）纖維是由PVC或其共聚物制成的一種合成纖維，又稱為氯綸。PVC纖維具有強度高、難燃、對無機化學藥品穩定性好、耐酸、堿腐蝕性強、價格低廉等特點［1］。通常，PVC纖維通過濕法紡絲和干法紡絲制得，但濕法和干法紡絲都需要在丙酮等溶劑中溶脹，丙酮本身有毒，會對環境造成污染［2］。PVC熔點接近其分解溫度，一般難以直接通過熔法制備纖維。

國內外對PVC纖維紡絲研究文獻不多。馮凱等［3］對PVC纖維采用濕法紡絲工藝進行了研究，探究了紡絲溫度、凝固浴溫度、牽伸倍數等紡絲條件對纖維性能的影響，制備出了強度較高的PVC纖維。劉術佳等［4］研究了不同成型工藝下的PVC發用纖維熔融紡絲制備方法，結果表明最佳紡絲溫度為160～170 ℃、紡絲壓力為13.5 MPa。Park等［5］對拉伸溫度和拉伸比等各種參數進行研究，得出拉伸溫度和拉伸比分別為85～95 ℃和3.4時紗線性能較好。Kim等［6］對熔紡PVC纖維的后處理中熱定型條件和牽伸倍率對纖維結構與性能的影響進行了研究，結果表明經過熱定型處理且拉伸倍數越大的纖維結晶度越大。劉孟竹［7］研究了不同添加劑含量的PVC體系的流變性和熱穩定性，利用熔融紡絲方法制備出了熱穩定性改善的PVC纖維。上述研究只對PVC纖維的力學性能進行了探究，纖維的結構以及耐酸堿性、阻燃性能較少涉及。

本文在前述研究的基礎上，通過添加增塑劑、熱穩定劑、氯化聚氯乙烯（CPVC）對PVC進行共混改性造粒，并探究紡絲溫度、噴絲板溫度、計量泵壓力、牽伸倍數等工藝參數對PVC纖維成形的影響；對不同紡絲工藝制得的PVC纖維的結構與力學性能、耐酸堿性能、阻燃性能進行測試，最終來確定優化的PVC熔融紡絲工藝參數。

1 實驗

1.1 材料及儀器

PVC粉（DG-1300、平均聚合度為1221～1380），天津大沽化工股份有限公司；鄰苯二甲酸二辛酯（DOP）、硬脂酸甘油酯、硬脂酸丁酯、硬脂酸、磷酸三苯酯、氫氧化鈉，均為分析純，杭州高精細化工有限公司；硫酸（98%、分析純），三鷹化學試劑有限公司。

電子天平（SHANGPING FA 2004，梅特勒-托利多儀器（上海）有限公司）；數顯恒溫水浴鍋（HH-ZK2，鞏義市予華儀器有限責任公司）；雙螺桿擠出機（TSE-30A，南京瑞亞擠出機機械制造有限公司）；單螺桿紡絲機（SJ-Z40×25，常熟市蘇鴻機械有限公司）；五輥水浴牽伸機（常熟市蘇鴻機械有限公司）；熔體流動速率儀（RL-Z1B1，上海思爾達科學儀器有限公司）；電子單纖維強力儀（LLY-06E，萊州市電子儀器有限公司）；聲速取向儀（SCY-Ⅲ，上海東華凱利化纖高科技有限公司）；熱場發射掃描電子顯微鏡（ SEM，Ultra55，德國卡爾·蔡司股份公司）；氧指數測定儀（JF-3，南京炯雷儀器設備有限公司）。

1.2 實驗

1.2.1 PVC粒料的制備

將0.4 kg CPVC、20 g磷酸三苯酯、60 g硬脂酸甘油酯、20 g硬脂酸丁酯、20 g硬脂酸以及200 mL鄰苯二甲酸二辛酯與1.6 kg的PVC粉放到高速攪拌機中充分混合，利用螺桿直徑30 mm、長徑比為40的雙螺桿擠出機熔融擠出、造粒。

1.2.2 PVC纖維的制備

紡絲機筒一區至三區溫度分別為190、160、160 ℃，計量泵溫度為160 ℃，機頭溫度為160 ℃，噴絲板溫度為160 ℃，噴絲頭直徑為0.35 mm。

PVC纖維的制備流程圖如圖1所示，由PVC改性樹脂為原料經單螺桿擠壓機擠出常溫水浴冷卻后牽伸輥以40 m/min的速度牽伸，于60 ℃水浴冷卻；第二組牽伸輥轉速為100 m/min，纖維在烘干機100 ℃下烘干；第三組牽伸輥轉速為100 m/min，100 ℃烘干；第四組牽伸輥轉速100 m/min，最終以100 m/min速度卷繞、上油。

1.3 測試與表征

1.3.1 熔融指數

利用熔體流動速率儀測試PVC粒料的熔融指數（MI）。測試載荷2.16 kg，溫度160、170、180、190、200、210、220 ℃。每個溫度下測試5次，取平均值。

1.3.2 力學性能

利用電子單纖維強力儀測試纖維的力學性能，拉伸速率100 mm/min，夾持距離20 mm，每種試樣測試20次，取平均值。

1.3.3 取向度

利用聲速取向儀測定不同牽伸倍數纖維的取向值。將纖維在溫度為25 ℃、相對濕度為60%的環境下放置24 h，使纖維的含水率均勻化。取一定長度的PVC纖維，測試聲速傳播時間，分別記為T20和T40，利用下面的公式計算聲速值C：

C=（L×10－3）/［（TL-T20+T40）×10-6］，

式中：L為纖維的長度；TL為聲波通過纖維所用的時間。

由Moseley公式計算纖維的聲速取向因子fs：

fs=1-Cu2/C2，

式中：C為聲波沿纖維軸線傳播的速度；Cu為聲波無取向傳播時的速度；fs為聲速取向因子。

1.3.4 耐酸堿腐蝕性能

取一定長度的PVC纖維，烘干后將其分別放置到30%百分含量的硫酸和氫氧化鈉中，在溫度40 ℃下處理24、48、72、96、120、168 h，取出后用去離子水沖洗后烘干，并利用電子單纖維強力儀對酸堿處理前后纖維的力學性能進行測試，對比酸堿處理前后纖維的粗細以及質量變化。

1.3.5 表面形貌

將纖維放置到液氮中冷凍0.5 h后進行脆斷，用導電膠將其貼在樣品臺的側面，采用場發射掃描電子顯微鏡觀察纖維的表面以及截面形態。

1.3.6 阻燃性能

利用氧指數測定儀，按照標準GB/T 2406.1—2008《塑料燃燒性能試驗方法" 氧指數法》測試PVC纖維的極限氧指數（LOI），測試3次，取平均值。

2 結果與討論

2.1 熔融指數

不同溫度下PVC粒料的熔融指數以及其熔融狀態如表1所示，從表1中可以看出，PVC粒料的熔融指數隨著溫度的升高而逐漸升高。當溫度低于190 ℃時，隨著溫度的升高，PVC原料中的分子鏈活動性增加，分子間作用力減弱，黏度降低，PVC的流動性能改善，擠出物表面更加光滑，可紡性改善；當溫度低于190 ℃時，擠出物表面粗糙；當溫度為190 ℃時，擠出物表面光滑；當溫度高于190 ℃后，擠出物氧化變黃。這是因為PVC原料的熱穩定性較弱，高于一定溫度后PVC與氧氣發生反應而導致聚合物鏈斷裂氧化變黃 ［8］。故當噴絲板溫度為190 ℃時，PVC纖維的可紡性較好，有利于熔融紡絲。

2.2 噴絲板溫度對纖維結構與性能的影響

當牽伸倍數2.5倍時，噴絲板溫度分別為160、170、180、190、200、210 ℃時纖維的斷裂強度、斷裂伸長率的變化如圖2所示，從圖2可以看出，隨著噴絲板溫度的升高，纖維的斷裂強度與斷裂伸長率均為先升高后降低。當噴絲板溫度較低時，纖維的斷裂強度較低，此時PVC分子鏈的活躍性低、運動束縛大，熔體流動性差。隨著溫度的升高，PVC分子鏈運動束縛降低，活動性提高，熔體流動性改善，表現為PVC纖維的可紡性改善，斷裂強度提高。當溫度升高到190℃以上時，PVC受熱開始分解，脫氯化氫，纖維變黃，從而強度降低。當噴絲板溫度為190 ℃時，PVC纖維的斷裂強度與斷裂伸長率均較高，力學性能較好。

2.3 牽伸倍數對纖維結構與性能的影響

紡絲溫度190 ℃，當纖維牽伸倍數大于4倍時，纖維牽伸時容易斷裂，故認定PVC纖維最大牽伸倍數為4倍。

牽伸倍數與纖維機械性能的關系曲線、牽伸倍數對纖維取向度的關系曲線分別如圖3和表2所示，從圖3和表2可以看出，隨著牽伸倍數的增加，纖維的斷裂強度增加、斷裂伸長率降低、取向度增加。這是因為PVC纖維在外力作用下沿著纖維取向方向伸長，取向度升高。纖維斷裂強度增加，線密度與斷裂伸長率降低。

由此可知，當噴絲板溫度為190 ℃、牽伸倍數為4倍時，制得的PVC纖維的斷裂強度最高，斷裂伸長率較低，纖維的力學性能較好，其斷裂強度、斷裂伸長率、線密度為1.16 cN/tex、32.1%、12 tex。

由于纖維的斷裂強度越高，制得的織物的抗撕裂強度越好且纖維的斷裂伸長率為10%到35%之間時，制得的織物不易變形。故上述紡絲條件下制得的纖維的性能最優。

2.4 PVC纖維的耐酸堿性能測試

PVC纖維在酸性溶液中處理不同時間后斷裂強度與斷裂伸長率的變化如圖4所示，從圖中可以看出：PVC纖維的斷裂強度、斷裂伸長率在處理早期有所下降，當處理72 h后斷裂強度與斷裂伸長率下降變緩，當處理超過120 h后兩者基本保持不變；隨著處理時間的增加，PVC纖維的質量和直徑均微幅降低，約0.5%。這是由于PVC纖維中的增塑劑和熱穩定劑等與硫酸溶液反應，C—C鍵被腐蝕，導致質量降低，但纖維整體質量和機械性能變化較小［9］。

PVC纖維堿性溶液處理不同時間后斷裂強度與斷裂伸長率的變化。如圖5所示，從圖中可以看出：PVC纖維的斷裂強度、斷裂伸長率在處理早期下降幅度較大，但在72 h后，斷裂強度與斷裂伸長率下降變緩慢，當處理超過120 h后斷裂強度與斷裂伸長率基本保持不變；PVC纖維在酸堿溶液中的失重率如圖6所示，從圖中可以看出，隨著堿處理時間的增加，PVC纖維的質量和直徑均有所降低，處理超過7 d后質量殘存率為90%，直徑降至85%。這是由于PVC樹脂及增塑劑、熱穩定劑等會與氫氧化鈉溶液發生物理或者化學反應，使纖維的結構遭到破壞，導致質量和性能有所降低［10］。由分析可知PVC纖維耐堿腐蝕性優良。

2.5 纖維表面及斷面形貌觀察

纖維的表面及截面形貌如圖7所示，從圖中可以看出，PVC纖維為規則的圓柱體，表面較為光滑，直徑約為0.11 mm。纖維表面和截面均能夠看到有少量的白色顆粒，這可能由PVC粉末與增塑劑混合后未完全溶脹造成［11］。

2.6 纖維的極限氧指數

PVC纖維燃燒現象為接近火焰收縮、熔融，在火焰中熔融燃燒，離開火焰熄滅，有刺激性刺鼻辛酸辣氣味，殘留物為黑褐色不規則硬塊。熔融紡絲制得的PVC纖維的極限氧指數為29%，高于濕法紡絲制得的PVC纖維（LOI為24%），這是由于增塑劑和熱穩定劑的添加導致PVC纖維的阻燃性能有所上升 ［12］。

3 結論

本文以DOP為增塑劑、硬脂酸甘油酯、硬脂酸丁脂、硬脂酸、磷酸三苯脂為添加劑，先對PVC樹脂進行改性，再對PVC熔融紡絲工藝進行優化研究，研究了不同紡絲溫度和不同牽伸倍數下纖維的結構與性能，得到最佳的制備方案。主要結論如下：

a）當噴絲板距離水浴池1 cm、螺桿溫度為160 ℃、噴絲板溫度為190 ℃、熱水浴溫度為60 ℃，計量泵壓力為2 MPa時，制得的PVC纖維性能最好，其斷裂強度、斷裂伸長率、線密度分別為1.16 cN/dtex、32.1%、12 tex。

b）制得的PVC纖維表面光滑，劃痕和凹槽較少，斷面較為平整，呈圓形；力學性能優良，可紡性較好；阻燃性能較好，為難燃纖維；纖維具有優秀的耐酸堿腐蝕性能，在酸堿溶液中質量與力學性能損失較小。

這次研究為制備高性能PVC纖維提供一種高效、經濟且較為環保的制備方法，用該方法能夠制得阻燃性能、耐腐蝕性能、力學性能較好的高性能PVC纖維。

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Melt spinning of polyvinyl chloride （PVC） fibers and their structure and properties

FAN" Yangrui1，" QIAN" Jianhua1，" YU" Deyou1，" GUO" Yuhai1，" DAI" Hongxiang2，" LI" Chengcai1

（1.College of Textile Science and Engineering（International Institute of Silk）， Zhejiang Sci-Tech University， Hangzhou 310018，

China;2.Hangzhou Quality and Technical Supervision and Testing Institute， Hangzhou 310019， China）

Abstract：

Polyvinyl chloride is a non-toxic， odorless， and widely used thermoplastic material. It has advantages such as good flame retardancy， acid and alkali resistance， low price， good physical properties， and electrical insulation. It is currently one of the most widely used plastics. However， due to its poor stability to light and heat， it can decompose and produce hydrogen chloride when exposed to sunlight above 100 ℃ or for a long time， causing discoloration and rapid decline in physical and mechanical properties. When applying， it is necessary to add plasticizers， heat stabilizers， and other additives to improve the stability of PVC materials to light and heat. The traditional methods for PVC spinning and forming are wet spinning and dry spinning， but both methods require PVC resin to swell in acetone. However， acetone itself is toxic， and solvent recovery is harmful to the environment. The melt spinning method lags behind other technologies due to the poor heat resistance of PVC and its thermal decomposition and carbonization at high temperatures.

This article used heat stabilizers and plasticizers to modify PVC resin to make it resistant to high temperatures and enable smooth melt spinning. The melt spinning process of PVC fibers was studied. The melt flow index instrument was used to test the melting temperature of PVC granules to preliminarily determine the optimal spinning temperature. The effects of different spinning temperatures and drafting ratios on the structure and properties of PVC fibers were studied. And research on the breaking strength， elongation at break， crystallinity， surface and cross-sectional morphology， as well as acid and alkali corrosion resistance and flame retardancy of the fibers were conducted. Through comparative experiments， it is found that the optimal comprehensive mechanical properties of PVC fibers are obtained when the screw temperature is 160 ℃ and the spinneret temperature is 190 ℃. When the drawing ratio is 4， the breaking strength and orientation of PVC fibers are the highest. The best spinning parameters obtained from the experiment are as follows： the spinneret is 1 cm away from the water bath， the screw temperature is 160 ℃， the spinneret temperature is 190 ℃， the hot water bath temperature is 60 ℃， the metering pump pressure is 2 MPa， and the drafting ratio is 4. Under such conditions， the PVC fibers prepared have the best performance， and their breaking strength， breaking elongation， and Linear density are 1.16 cN/dtex， 32.1%， and 12 tex， respectively; PVC fibers have excellent mechanical properties， good flame retardancy， and excellent resistance to acid and alkali corrosion. They have minimal loss of quality and strength in acid and alkali solutions， especially in acidic solutions.

The use of melt spinning technology to prepare PVC fibers has the advantages of simple process and low price. And the PVC fibers obtained through melt spinning have excellent properties and can be used to prepare corrosion-resistant and flame-retardant fabrics.

Keywords：

PVC fiber; melt spinning; mechanical properties; corrosion resistance; drafting process