（纺织材料与纺织品设计专业论文）丙烯酸丙烯酰胺共聚纤维及其吸水性能研究.pdf

摘唑 摘要 在较全面分析高吸水纤维特征及吸水机理、类型及制备方法、应用及 发展趋势的基础上，以含亲水性基团的丙烯酸、丙烯酰胺为单体，含活性 反应基团的不饱和单体为潜交联剂合成线性成纤聚合物，并采用先纺丝成 形而后交联的方法，制备出具有较高吸水保水性能的丙烯酸一丙烯酰胺共 聚物纤维。研究了潜交联剂种类、潜交联剂用量、交联温度及交联时间等 因素对交联后丙烯酸一丙烯酰胺共聚物吸水性能的影响，结果表明，以含 有活性羟基且具有不饱和双键的丙烯酸一2 一羟丙酯为潜交联剂，其用量为单 体质量1 w t ，在1 4 0 下交联3 0 m i n 所得丙烯酸一丙烯酰胺共聚物交联结 构较为完善，饱和吸水率可达4 0 0 9 g ，饱和吸献水率可达6 0 9 g 。 以过硫酸钟( k p s ) 为引发剂、丙烯酸2 羟丙酯( h q ) 为潜交联剂、 经球磨处理的酸活化海泡石为填料，采用水溶液聚合填充法制备海泡石填 充丙烯酸一丙烯酰胺共聚物( p a a m x ) ，并经后交联处理赋予其交联结构。 研究了k p s 用量、a a 中和度及海泡石用量对聚合反应动力学的影响，并 讨论了海泡石用量、交联温度和交联时间对c p a a m x 吸水性能的影响。 结果表明，本研究范围内的最佳聚合条件是：k p s 用量为0 5 w t ，a a 中 和度为6 0 ，海泡石用量为5 w t ；最佳交联条件为：交联温度为1 4 0 c ， 交联时间为3 0 m i n 。 对丙烯酸丙烯酰胺共聚物( p a a m ) 水溶液的流变行为进行拟合分析 发现，p a a m 水溶液的流变行为符合符合o s t w a l d d ew a l e 幂律方程，粘 均分子量和测试温度均对p a a m 水溶液的流变行为有较大影响。随p a a m 粘均分子量增大，溶液的表观粘度增大，非牛顿流动性突出：随测试温度 升高，溶液的表观粘度降低，非牛顿流动性突出。 对海泡石改性p a a m 悬浊液( p a a m x 悬浊液) 的流变行为进行拟合 分析发现，当海泡石用量较小时，p a a m x 悬浊液的流变行为符合 o s t w a l d - d ew a l e 幂律方程；当海泡石用量较大时，p a a m x 悬浊液的流变 行为符合h e r s c h e b u l k l e y 流动模型。海泡石用量和p a a m x 悬浊液的浓度 对悬浊液的流变行为均有一定影响。随海泡石用量增大，p a a m x 悬浊液 的表观粘度下降，其非牛顿流动性更为显著；随p a a m x 悬浊液的浓度增 大，其表观粘度增大，非牛顿性也明显增大。 以k p s 为引发剂、h q 为潜交联荆、经球磨处理的酸活化海泡石为填 j m世 利，采用水溶液聚合填充法制备p a a m x 悬浊液，以内啊为凝吲剂，经涮 法纺坦成形制备交联p a a m x 纤维( c p a a m x 纤维) 。研究了海泡石对纤 维形貌、化学结构、动念力学性能、热稳定性以及纤维吸水动力学的影响， 结果表明，c p a a m 纤维经海泡石填充改性后，其结构疏松，存在分却较 均匀的微孔结构，热稳定性、断裂强度和吸水性能均得到提高，同时化学 交联结构的缺陷得到补偿，凝胶分率增大。 以k p s 为引发剂、n ，羟甲基丙烯酰胺( h o ) 为潜交联剂、聚乙烯醇 ( p v a ) 为共混聚合物，采用水溶液聚合法制备p v a p a a m 共混物，以丙 酮为凝固剂，经湿法纺丝成形制各具备交联结构的p v a c p a a m 共混纤维； 以p v a 与p a a m 直接共混制备p v a p a a m * 共混纤维。研究了p v a 对纤 维形貌、化学结构、动态力学性能、热稳定性以及纤维的吸水动力学的影 响，结果表明，所得纤维结构致密，p v a 均匀分散在p a a m 基体中，相畴 尺寸约o 6 1 tm 2 5hm ；共混后两者的聚集态结构均发生变化，从而影响 了其大分子的链段运动；热交联处理使大分子链间形成稳定的化学交联结 构，纤维的饱和吸水率随交联温度升高、交联时间延长呈明显下降趋势； 纤维的保水率均超过7 0 ，达到使用要求；各项力学性能指标能够满足非 织造布的加工要求。 使用脂肪醇采用物理方法对丙烯酸一丙烯酰胺共聚纤维进行改性，制 备脂肪醇改性丙烯酸一丙烯酰胺共聚纤维：研究了脂肪酵的碳链长度、改 性溶液中异丙醇与水的混合体积比以及改性时间等因素对纤维吸水性能 的影响。结果表明，当改性溶液中异丙醇与水的混合体积比为1 1 、改性 时间为1 6 m i n 时，正辛醇改性丙烯酸一丙烯酰胺共聚纤维的吸水性能得 到较大改善。 关键词：潜交联剂，海泡石填充，聚乙烯醇，吸水性能 a b s t r a f l a b s t r a c t o nt h eb a s i so ft h ea n a l y s i so ft h ec h a r a c t e r i s t i ca n dm e c h a n i s m ，t y p e a n d p r e p a r a t i o nm e t h o d ，r e s e a r c h a n d a p p l i c a t i o nd e v e l o p m e n t o f s u p e r a b s r o b e n tf i b e r s ，a c r y l ea c i d ( a a ) a n da c r y l a m i d e ( a m ) w e r ec h o s e na s m o n o m e r sb e c a u s eo ft h eh y d r o p h i l i cs i d eg r o u po nt h e i rm o l e c u l e s 2 - h y d r o p r o p y la c r y l a t e ( h q ) w a su s e da sp o t e n t i a lc r o s s l i n k i n ga g e n td u et o i t sa c t i v a t i n gh y d r o x y lg r o u pa n di t su n s a t u r a t e db o n d c o p o l y ( a c r y l i ca c i d - a c r y l a m i d e ) ( p a a m ) w a sp r e p a r e db ya q u e o u ss o l u t i o np o l y m e r i z a t i o n ，a n d c p a a mf i b e r sw i t ht h r e e d i m e n s i o n a ln e t w o r ks t r u c t u r ew e r ep r e p a r e db y h e a tt r e a t m e n ta f t e rs p i n n i n go fp a a ma q u e o u ss o l u t i o n s e p i o l i t e - f i l l e d c p a a m ( c p a a m x ) f i b e r s ，p v a - c p a a mb l e n df i b e r sa n da l i p h a t i ca l c o h o l s m o d i f i e dc p a a mf i b e r sw e r em a d eb yi n t r o d u c i n gs e p i o l i t e ，p v aa n d a l i p h a t i ca l c o h o l si n t oc p a a mf i b e r s ，r e s p e c t i v e l y t h ef a c t o r s ，o nw h i c ht h e s t r u c t u r e sa n dp r o p e r t i e so ft h ef i b e r sd e p e n d e d ，t h er h e o l o g yo fp a a m a q e o u ss o l u t i o na n ds e p i o l i t e f i l l e d p a a ms u s p e n s i o n ，t h em e c h n i s mo f c r o s s l i n k i n ga n dt h ee f f e c to ft h r e e d i m e n s i o n a ln e t w o r ks t r u c t u r e o nt h e w a t e ra b s o r p t i v ep r o p e r t i e so ff i b e r sw e r es t u d i e d t h ee f f e c to fp o t e n t i a lc r o s s l i n k i n ga g e n tt y p ea n dc o n t e n t ，c r o s s l i n k i n g t e m p e r a t u r ea n dt i m eo nt h ew a t e ra b s o r p t i v ep r o p e r t yo fc p a a mw a sf i r s t l y s t u d i e d t h er e s u l t ss h o w e dt h a tp e rg r a mc p a a m ，w h i c hw a sp r e p a r e db y c h o s i n gh qa sap o t e n t i a lc r o s s l i n k i n ga g e n tw i t hc o n t e n to f1w t a n dh e a t c r o s s l i n k i n ga t1 4 0 cf o r3 0m i n u t e s ，c o u l da b s o r b4 0 0gd i s t i l l e dw a t e ro r6 0 g0 9 n a c ls o l u t i o n t h ee f f e c to fp o l y m e r i z i n gc o n d i t i o n so nt h ec o p o l y m e r i z a t i o nk i n e t i c s a n dt h ed e p e n d e n c eo fw a t e ra b s o r p t i v ep r o p e r t i e so fp a a m xo ni t ss e p i o l i t e c o n t e n ta n dc r o s s l i n k i n gc o n d i t i o nw e r es t u d i e d t h eo p t i m a lp o l y m e r i z i n g c o n d i t i o n si nt h i sr e s e a r c hw e r e ：i n i t i a t o rc o n t e n to fo 5 w t a a n e u t r a l i z a t i o no f6 0 a n ds e p i o l i t ec o n t e n to f5 w t ，t h eo p t i m a lc r o s s l i n k i n g c o n d i t i o n si nt h i sr e s e a r c hw e r ec r o s s l i n k i n gf o r3 0 m i na t1 4 0 c t h er h e o l o g yo fp a a ma q u e o u ss o l u t i o na n ds e p i o l i t e f i l l e dp a a m s u s p e n s i o nw a si n v e s t i g a t e d t h ed e c r e a s eo fs h e a rv i s c o s i t yw i t hi n c r e a s i n g a b s t r a f t s h e a rr a t es h o w e dt h es h e a rs h i n n i n g l o w e ra v e r a g ev i s c o s i t ym o l e c u l a r w e i g h ta n dh i g h e rt e m p e r a t u r ew o u l dl e a dt oal o w e rs h e a rv i s c o s i t yo fp a a m a q u e o u ss o l u t i o n t h es h e a rv i s c o s i t yo fs e p i o l i t e f i l l e dp a a ms u s p e n s i o n d e c r e a s e dw i t ht h ei n c r e a s ei ns e p i o l i t ec o n t e n ta n di t sc o n c e n t r a t i o n t h es t u d yo fc p a a m xf i b e rs h o w e dt h ec o m p l e m e n t a r yo ft h eo r g a n i c p h a s ea n di n o r g a n i cp h a s ei nt h ef i b e r t h er e s u l t si n d i c a t e dt h a t ，t h eg e l f r a c t i o n ，t h e r m a ls t a b i l i t y , t e n s i l es t r e n g t ha n dw a t e ra b s o r p t i v ep r o p e r t yo f t h ef i b e rw e r ed e v e l o p e db yf i l l i n gs o m es e p i o l i t ei nt h ef i b e r 。f i b e rw h i c h c o n t a i n e d3 w t s e p i o l i t eo b t a i n e dh i g h e rw a t e ra b s o r b e n c yw i t ht h ew a t e r r e t e n t i o no fm o r et h a n8 0 t h es t u d yo fp v a - c p a a mb l e n df i b e rs h o w e dt h ec h a n g i n go fc o n g e r y s t a t e so fb o t hp v aa n dp a a mm o l e c u l e sa f t e rm i x i n g c h e m i c a lc r o s s l i n k p o i n t sb e t w e e np a a mm o l e c u l e sw e r ef o r m e da f t e rh e a t t r e a t m e n t ，a n dt h e w a t e ra b s o r b e n c yo ff i b e r sd e c r e a s e dw i t ht h ei n c r e a s ei n c r o s s l i n k i n g t e m p e r a t u r ea n dt i m e t e n s i l ep r o p e r t i e so fp v a c p a a mb l e n df i b e r sw e r e a l s os t u d i e d t h er e s u l t ss h o w e dt h a tp v a c p a a mb l e n df i b e r sc o u l db eu s e d f o rn o n w o v e nm a n u f a c t u r e t h ed e p e n d e n c eo fm o d i f y i n ge f f e c t i v ea n dw a t e ra b s o r p t i v ep r o p e r t i e so f a l i p h a t i ea l c o h o l sm o d i f i e df i b e r so na l k y lc h a i nl e n g t ho fa l i p h a t i ca l c o h o l s a n dv o l u m er a t i oo fi s o p r o p y la l c o h o lt ow a t e r ( h m i x ) i nt h em o d i f i e dm i x t u r e w a ss t u d i e d i n c i p i e n t l y , t h em o d i f i e df i b e r sw i t hl o n g e ra l k y lc h a i nh a d h i g h e rm o d i l y i n ge f f e c t i v e w i t ht h ei n c r e a s ei nm o d i f y i n gt i m e t h em o d i f i n g e f f e c t i v eo ff i b e r sw i t hs h o r t e ra l k y lc h a i ni n c r e a s e dq u i c k l y i nt h i sr e s e a r c h ， t h ef i b e r sm o d i f i e db y1 一b u t a n o lm i x t u r ef o r1 。6m i nw i t hh m i xo f1 1 o b t a i n e db e t t e rw a t e ra b s o r p t i v ep r o p e r t i e s k e y w o r d s ：p o t e n t i a lc r o s s l i n k i n ga g e n t ；s e p i o l i t e - f i l l e d ；p o l y ( v i n y la l c h 0 1 ) ； w a t e ra b s o r p t i v ep r o p e r t y 独创性声明 本人声叫所呈交的学位论文足本人住导师指导下进 j ：的研究工作和 取得的研究成果，除了文中特别加以标注和致谢之处9 1 、，论文中不包含其 他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得丞洼王、业盔堂或其他 教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我同工作的同志对本研究所 做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 学位论文作者签名丁远磐 签字日期：g 年三月2 乙日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解玉洼王些盔堂有关保留、使用学位论文的规 定。特授权丞鋈至些太堂可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据 库进行检索，并采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编以供查阅和 借阅。同意学校向有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权说明) 学位论文作者签名：j 逸各 导师签名： 签字日期：年； 月j 1 日 搬 签字日期： 6 年j 月。日 学位论文的主要创新点 、在丙烯酸、丙烯酰胺聚合体系中引入潜交联剂丙烯酸一2 一羟 丙酯，采用溶液聚合法制备出含潜交联剂的线性丙烯酸一 丙烯酰胺共聚物水溶液，可湿法纺丝或制备薄膜等，所得 样品经后交联处理后具有三维网状结构。 二、 以酸活化海泡石为填充粒子，对含潜交联剂的线性丙烯酸 一丙烯酰胺共聚物采用湿法纺丝，再经后交联处理，得到 吸水、保水性能改善的海泡石填充丙烯酸一丙烯酰胺共聚 纤维。 三、使用脂肪醇采用物理方法对丙烯酸一丙烯酰胺共聚纤维进 行改性，研究表明脂肪醇的引入削弱了纤维表层的凝胶效 应，并明显改善了纤维的吸水性能。 第一带前高 第一章前言 地球表面积的四分之三都被江、河、湖、海覆盖，地层内部、大气中 及动物、植物体内都有大量的水。水是生物生存的基本条件之一，没有水 就没有生命。水在工业、农业及国民经济的其它各个领域中都起着非常重 要的作用。水的获取、保存、利用和排除，自古以来一直是人类生存和发 展的重要课题。在长期的生产和生活过程中，人们经常使用一些物质如棉 花、多孔物质、木材等来吸收和储存水，这类能吸收和保持水的物质称为 吸水材料。一般的吸水材料如海绵虽价格低廉、易于获取，但吸水保水能 力低，只能吸收自重数倍到数十倍的水，一旦受外压作用极易流失，使用 受到限制。 1 9 6 6 年，美国农业部北方研究所的f a n t a 等1 。副研究淀粉接枝丙烯腈， 制成一类新型的功能高分子材料，它不仅吸水能力极强，可吸收自重数百 甚至上千倍的水，而且保水能力很好，在加压下不脱水或脱水很少，吸水 干燥后可反复使用。由于这类材料具有传统吸水材料难以比拟的优异吸水 性能，因而被称为高吸水材料。 高吸水材料自问世以来得到迅速发展。全球每年的需求量已达6 0 7 0 万吨，今后仍将以7 8 的速率增长1 4 5 l 。已有的高吸水材料多为粉状或 粒状的高吸水树脂，应用时将其均匀分散在基材上制成产品。但是，粉状 或粒状的高吸水树脂有许多不利之处，如生产和使用过程中粉术不固定， 易移动，铺展不均匀，易造成污染，而且吸水后形成的凝胶强度很低。 1 1高吸水纤维概述 高吸水纤维是种纤维状功能高分子材料，可吸收自重数十至数千倍 的水。与传统吸水材料如脱脂棉、纤维素纤维相比，它不但拥有极强的吸 水能力，而且保水性强，即使在较高外压作用下也几乎不失水。就形态而 言，高吸水纤维是由粉状或粒状高吸水树脂加工制成的又一种新型的功能 纤维材料。与粉状或粒状高吸水树脂相比，高吸水纤维的主要特点包括【6 l ： 比表面积大，吸水速率快；赋型性好，易于加工，可与其它纤维混纺 加工；产品柔软，力学性能好，不易脱落、迁移、堆积：吸水后纤维 凝胶不流动，能保持一定强度和完整性。作为功能纤维，还可通过各种技 第一章前 术或加工处理赋予高吸水纤维阻燃、抗静电、抗起球、防霉、抗菌、除臭、 防寒保暖等特性。因此，高吸水纤维在许多领域具有高吸水树脂不可替代 的广泛用途。 1 1 1 种类 高吸水纤维是上世纪8 0 年代中期出现的新型功能材料，目前只有同 本、美国有批量生产，开发的产品主要为非织造布。根据高吸水纤维原料 来源不同，可将其分为以下几大类： l 、纤维素类 纤维素是来源广泛、种类多、价格较低的可再生天然高分子，含有大 量羟基，且比表面积大，具有较强的吸水性和较快的吸水速率。 2 、聚丙烯酸类 丙烯酸类聚合物含有大量亲水性基团，是制备高吸水树脂的重要原料 之一。同本钟纺公司| 7 i 将含羧基、羟基和酰胺基的乙烯基单体与丙烯酸共 聚后，纺丝成形制得聚丙烯酸类高吸水纤维，其吸水性和吸赫水性优良， 纤维基本不着色。 3 、聚丙烯腈类 经交联处理的聚丙烯腈纤维表层水解后，可得到皮芯型聚丙烯腈类高 吸水纤维，如日本东洋纺公司8j 将聚丙烯腈纤维表面3 0 的官能团水解、 交联后制成一种具有皮芯结构的高吸水纤维一“l a n s e a l f ”，其吸水率可 达1 5 0 9 g 、吸盐水率可达5 0 9 g 。 4 、聚乙烯醇类 聚乙烯醇是一种含多羟基的亲水性聚合物。聚乙烯醇纤维经接枝共聚 丙烯酸后可制成吸水率较高的改性聚乙烯醇纤维。 此外，k i m 等p i 以戊二醛为交联剂、盐酸水溶液为凝固剂，将海藻酸 钠经湿法纺丝制成高吸水纤维：德国s t o c k h a u s e n 公司【m j 开发的高吸水纤 维“l y o c e l l ”吸水后可保持纤维形状且加压不失水；孙玉山等i 以丙烯酸 共聚物与聚乙烯醇共混物经湿法纺丝得到吸水纤维，其吸水率可达 1 0 8 6 9 g 纤维。 1 1 2 制备方法 高吸水纤维与其它纤维混合，可加工制成纱线、非织造布、筛状成型 体或胶片、发泡复合体等形态的产品。纤维吸水后具有一定的形态稳定性， 可广泛应用于土木建筑、防水堵水、绿化保水、医疗卫生和食品包装等方 始一市前吉 面。高吸水纤维的制备方法主要包括普通纤维改性法、高吸水树脂复合法、 亲水性聚合物纺丝法和共混或复合纺丝法等。 1 、普通纤维改性法 普通纤维改性法又可分为物理改性法和化学改性法两种。 物理改性法主要通过改变纤维横截面大小、形状及纤维平直度等方 法，增加纤维比表面积，从而提高其吸水能力，目前已开发出中空型、充 气型等多种形态的产品。同本帝人公司l l2 | 发明一种多孔中空吸水聚酯纤 维，从中空纤维的外侧到中空处有许多微孔，可制成具有吸水排汗功能的 运动服和工作服，如果在纤维中空处注入药剂，又可制成具有保健助能的 织物。曹达戈等| 引采用粗旦、多孑l 、多沟槽纺丝技术，纺制具有异型截面 的高蓬松、强收缩吸水纤维，可用作笔芯材料、装饰材料或服饰面料等。 化学改性法可分为三种： 羧甲基化法一如淀粉羧甲基化法、纤维素羧甲基化法等。s h o z o 等【j4 】将纤维素纤维羧甲基化后得到羧甲基化纤维素( c m c ) ，再经聚乙二 醇( h o ( c h 2 c h 2 0 ) n h ，n = 2 7 ) 交联制成吸水率达2 0 9 g 且不溶于水的高吸 水纤维素纤维。 亲水性单体接枝聚合法一主要以淀粉、纤维素等与丙烯酸盐或 丙烯酰胺接枝聚合为主。柯金炼等 1 5 a6 j 用过硫酸钳i 引发或辐射源6 0 c o 辐 照引发使丙烯酸与c m c 接枝聚合制备丙烯酸接枝纤维素纤维，其吸水率 可达3 5 0 9 g 左右。 化学基团水解反应法一化学基团主要指氰基、酯基、酰胺基等疏 水性基团或非离子性基团，这些基团的亲水性差。通过强碱水解反应，可 转变为亲水性较强的离子性基团。佐佐木等将纤度6 d t e x 、长度5 l m m 的聚丙烯腈纤维经表面水解制成水解型聚丙烯腈纤维，其吸水率约2 8 9 g ， 吸盐水率约1 l g g ；h a y a s h i 【l8 1 用胼和碳酸钠等对含1 w t 5 w t 具有酸性 基团的共聚丙烯腈纤维进行交联处理，再经水解制备具有吸水吸湿功能的 高吸水纤维，其吸水率约3 9 g ；林昆华等【l 叭开发了一种可将常规聚丙烯腈 纤维部分交联后在碱溶液中水解制备高吸水纤维的方法，用这种纤维与棉 纤维混合制得一种高吸水纸。 以上几种化学改性方法可相互组合制备高吸水纤维，如d e o 等1 2 【 l 以 k m n 0 4 一h n 0 3 引发丙烯脖与棉纤维接枝共聚，然后将接枝链上的腈基水 解，制备高吸水纤维。 2 、 高吸水树脂复合法 l i m 等i z h 在l r r o c e l l 纺丝溶液中添加超细粉状淀粉接枝高吸水树脂， 第一章前高 采用干湿法纺丝制备新型l y o c e l l 纤维，其吸水性能较原纤维提高7 8 倍；k a t z 等1 2 2 1 将高吸水树脂施覆于合成纤维表面制成高吸水纤维，与粉状 吸水树脂相比，不易脱落、迁移、堆积，可用于各种纺织或非织造布制品。 3 、 亲水性聚合物纺丝法 使含一个或两个羧基( 或可转变为羧基的官能团) 的a ，b 一不饱和单体 ( 如丙烯酸、马来酸酐等) 聚合，再用碱中和部分羧基后，与具有两个以上 活性基团的交联剂混合纺丝成形，经热交联后可制成高吸水纤维。英国 t e c h n i c a l a b s o r b e n t s 公司与钟纺公司合作生产的高吸水纤维“b e l lo a s i s ” 1 2 3 1 ，是以丙烯酸类不饱和单体为原料进行溶液聚合，中和部分羧基后，经 干法纺丝成形和交联后制成的，其吸水速率较快( 4 0 9 l5 s ) 、耐热性较好( 15 0 ) ，可与其它纤维混合制成非织造布。还可纺成粗支纱等。美国a r c o 公 司1 2 4 l 用n a o h 中和马来酸一异丁烯共聚物水溶液( 中和度5 5 ) ，经干法纺丝 成形经1 8 0 热交联处理1 0 m i n 后得到高吸水纤维，其商品名为 “f i b e r s o r b n o y o s h i l a t s u 【25 j 合成了一种具有良好纺丝可纺性的共聚丙烯酸， 所得纤维的吸水性能和吸盐水性能均较好。 4 、 共混或复合纺丝法 共混纺丝法是在纺丝之前，将亲水性物质混入聚合物熔体或浓溶液 中，纺丝成形后制成高吸水纤维的方法。邓新华等i “i 用聚丙烯酸和聚乙烯 醇共混制备的高吸水纤维，其吸水率达2 4 3 9 g 、吸盐水率5 8 9 g 。孙玉山 等】将丙烯酸共聚物与聚乙烯醇共混溶液经湿法纺丝，得到吸水率为 1 0 8 6 9 g 的吸水纤维。 复合纺丝法是指将两种或两种以上性质不同的纺丝溶液或熔体经特 殊结构的纺丝头组件挤出成形及适当后处理后制得纤维的方法。常见复合 纤维的横截面如图1 - l 所示。日本尤尼吉卡公司【2 7 】推出了一种吸水能力为 自重3 5 倍的同心圆( 即皮芯) 型复合高吸水纤维一h y g r a ，其皮层为聚 同心圆型偏心型嵌入型海岛型中空型 f i g 1 - ld i a g r a m m a t i cc r o s s s e c t i o nf i g u r e so fg e n e r a lb i c o m p o n e n tf i b e r s 图l 一1 常见复台纤维横截面示意蒯 第一章前高 酰胺，赋予纤维较好的力学性能，而芯层为具有特殊网络结构的聚合物 赋予纤维较好的吸放湿能力。孙玉山f 2 8 1 以丙烯酸共聚物为皮层或芯层，以 聚乙烯醇为芯层或皮层，经皮芯型于法复合纺丝和热交联等制成高吸水纤 维，其具有吸水率高、力学性能较好、工艺较简单以及生产成本较低等特 点。 1 1 3应用 自高吸水纤维问世以来，显示了广阔的市场潜力，大大地拓宽了高吸 水树脂的应用领域，在许多用途方面取代了粉状和粒状的高吸水树脂。目 前国外高吸水纤维及其制品的应用主要包括如下几个方面阻3 0 1 ： 1 、卫生医用材料 由于高吸水纤维具有良好的吸水、保水、吸氨等性能，因而适于用作 一次性尿布、卫生巾、医用敷料等。它不仅可使生理卫生用品保持较快、 较强的吸水性，还可使上述制品更薄、更柔软，无粒状物泄出，避免或减 轻皮肤湿疹等。 2 、农业、园艺用保水材料 高吸水纤维在农业及园艺方面有很好的应用前景。纤维吸水时发生膨 润，放湿时产生收缩，可使土壤透气性增加，有利于改良土壤。高吸水纤 维与其它合成纤维制成的非织造带状材料可用作俄景、苗木用保水材料。 3 、光缆、电缆包覆材料 用磺酸基、羧基等强亲水性基团取代纤维中的部分基团，制备耐盐、 耐热的高吸水纤维，可用于光纤通信、电缆包覆材料1 3 1 1 3 2j 。湖北省化学研 究所3 3 1 将高强聚酯纤维、聚酰胺纤维、聚丙烯纤维等浸渍( 甲基) 丙烯酸盐 类与( 甲基) 丙烯酸羟烷基酯的共聚物以及聚乙二醇等制成光缆或电缆用高 吸水溶胀型阻水纱。 4 、离子交换材料 高吸水纤维中含有一定量的阳离子交换基( 如c o o m ，m 为会属离 子) ，可用作弱酸型离子交换纤维。用高吸水纤维制成的离子交换材料， 具有交换速率快、再生时间短等特点，可去除水中的c u 2 + 、m 9 2 + 、c a 2 + 等金属离子t 3 4 l 。高吸水纤维织物浸渍碱性电解质后可制成耐用性碱性电 池。 5 、油水分离材料 高吸水纤维作为油水分离材料主要用于两个方面，一是除去润滑油等 工业用油中的微量水，二是与亲油材料复合，制成既能亲油、又易脱油的 第一章前言 材料，可用于船舶、陆上油污水的分离回收。 6 、保鲜材料 用高吸水纤维制成的非织造布与塑料薄膜复合制成的蔬菜水果包装 袋，可起到很好的保鲜作用。钟纺公司i3 5 i 开发出一种食品包装用高吸水纤 维，商品名为“b e l u a n s ”，已币式用作食品包装材料，并取得美国食品 与药物管理局( f d a ) 的认可。用陔纤维作肉类包装材判，安全性能好，可 吸收肉类血液和水。 7 、防结露材料 高吸水纤维具有呼吸性( 即吸放湿性能) ，可用于包装袋、室内墙纸、 天花板、空调器等领域，减少内部环境过湿而产生的结露，防止袋内、室 内物品发霉、变质等f 珀j 。 8 、吸热、阻火材料 高吸水纤维制品，在热的作用下，所吸收的水变为水汽，同时吸收大 量的热，从而达到防火、降温等作用。 1 1 4 发展趋势 高吸水纤维与水的接触表面积大，吸水速率快，力学性能较好，具有 较好的应用前景。但目前由于理论和技术上的原因，高吸水纤维的发展远 远不能满足实际需求，预计今后研究与开发的重点主要包括p 。”j ：拓宽 原材料范围，丰富产品种类，如研制可与无机材料混纺的复合材料，或从 纤维吸水、吸湿、保水、耐盐、吸放药剂等专项功能方面开发新产品； 创新纤维成形技术，多数高吸水树脂不溶于水和有机溶剂，也不能熔融， 现有的纺丝技术难以满足其纺丝成形的要求，如能进一步在纺丝技术上创 新，将为开发更多的高吸水纤维提供新的途径；加强应用开发研究，高 吸水纤维用途广泛，可以说是有水的地方就有其用武之地，如能不断拓宽 其应用领域，必将推动高吸水纤维的发展。 1 2 聚丙烯酸类高吸水纤维的吸水机理 聚丙烯酸类高吸水纤维( 简称交联聚丙烯酸纤维) 是一种纤维状和具 有交联结构的丙烯酸类聚合物，其吸水过程是水分子扩散进入纤维内部， 使交联网络溶胀的过程。交联聚丙烯酸纤维的吸水过程可分为四个阶段 4 0 - 4 2 1 ：初始阶段，吸水速率受分子扩散控制，此时只有少量水分子进入 纤维，纤维大分子尚未展开；第二阶段，吸水速率由分子扩散控制向热 第一章前苦 力学控制转化，有大量水分子进入纤维，大分子逐渐伸展，由共价键交联 点、物理交联区以及大分子缠结等构成纤维的网状结构；第三阶段，吸 水速率由动力学控制；第四阶段，即平衡阶段，纤维大分子处于饱和吸 水溶胀状态。 由吸水过程分析可见，当热力学推动力与交联网络的弹性回缩力平衡 时，纤维达到饱和吸水溶胀状态，所以纤维的饱和吸水率主要取决于纤维 与水分子之间的溶剂化作用和纤维的交联结构，而纤维的吸水速率取决于 水分子的扩散能力和体系的热力学状态，即纤维与水分子之问的溶剂化作 用和水分子的扩散系数。纤维与水分子之间的溶剂化作用影响热力学平衡 点和水分子在纤维中的传质推动力，纤维的交联结构则决定了纤维大分子 网络的弹性回缩力以及水分予的扩散能力 4 3 , 4 4 。 1 2 1吸水热力学 交联聚丙烯酸纤维的吸水溶胀过程实际上是三种作用力的平衡过程 1 4 5 5 0 1 ：在亲水性基团作用下，水分子向纤维内部扩散，导致三维交联网络 伸展，纤维体积溶胀；羧酸钠离子基团遇水发生离解，使交联网络内部的 钠离子浓度升高，导致纤维内外产生渗透压，交联网络迸一步伸展；交联 点之间分子链段的伸展降低了大分子网络的构像熵值，引起大分子网络的 弹性回缩作用，驱使网络收缩。当这三种作用力相互平衡时，交联聚丙烯 酸纤维就达到了溶胀平衡状态。 交联聚丙烯酸纤维的溶胀自由能出三部分组成i 引】：交联聚合物与溶 剂的混合自由能a g 。州大分子网络的弹性自由能a g 。聚合物网络 的离子渗透压所引起的自由能a g 。交联聚丙烯酸纤维的溶胀自由能可 表示为： g = g 。h + g 出+ g 删， ，11 、 、1j 达溶胀平衡时： 用化学位表示 g = 瓯h + 屹+ a , o 一= 0( 1 2 ) “= a u , 。+ 厶h e i ，+ ”i 强= 0 为建立交联聚丙烯酸纤维吸水过程的模型，需分别计算p i 。“。l 。 及a p i 。 1 、交联聚合物与溶剂的混合自由能 笫一章前高 根据聚合物溶液的点阵理论52 1 ，考虑到溶剂与聚合物溶质的相互作 用，交联聚合物与溶剂的混合化学位u 。可写成： 1 。= r r i n ( 1 一伊2 ) + ( 1 一 _ ) 妒2 + z 妒；) “ ( 1 4 ) 式中，( p 2 为交联聚合物在溶液中的体积分数；n 为交联聚合物的聚合度： x 为聚合物溶质与溶剂的相互作用参数，无因次量；r 为理想气体常数。 对于交联聚合物，其聚合度n 可看作无穷大，即1 n 一0 ，式( 1 4 ) 可简化为： a , u 。打= r t 1 n ( 1 一妒2 ) + 妒2 + z 妒；】 对于高度溶胀的聚丙烯酸纤维，聚丙烯酸的体积分数( p 2 一c o o h 一c o n h2 一o h 值得注意的是，若纤维大分子中含有两种或两种以上的亲水性基团， 特别是同时含有离子性基团和非离子性基团，因基团之间的协同效应和互 补效应，纤维的吸水性能可能会得到进一步提高，这对于成纤聚合物的分 子设计及合成具有重要意义【6 “。 毛细管效应是纤维通过毛细管吸附和扩散等物理作用吸附水分子的 物理过程。在此过程中，大分子网络得到一定程度的扩张，但因是物理过 程，水分子与纤维大分子的相互作用较弱