1、聚乙烯醇 PVA 快速溶解与检验方法 转发 评论 2008-06-09 12:21 聚乙烯醇的应用面与使用量，最近几年在国内都得到迅速发展。纺织业随着纯棉织物高档化和化纤物比重的增加，上浆的要求越来越高，PVA 的优异性能使它取得了主浆料之一的地位，目前我国用量最多的 PVA 品种仍是纺丝用完全醇解级 17981799 型。在实际使用过程中还存在一些问题，其中一个重要的问题就是溶解时间过长，耗汽量大，对 PVA 溶解程度还没有快速检测手段，如溶解不好，就会造成一系列质量问题。 国外已经采用变性 PVA 上浆，如 17491796 等，我国目前还没有专供浆纱用的 PVA 浆料生产厂，短时间内还不
2、能改变使用完全醇解级 PVA 的情况，为了进一步提高使用 PVA 的经济效益和浆纱质量，有必要研究 PVA 的快速溶解和检测方法。本文仅对这一问题作一些探讨供参考。 一、PVA 难溶解的实质和原因 1、目前溶解 PVA 的操作方法 因 PVA 溶解的好坏直接影响使用效果，所以各厂对溶解工作都比较重视，多采用高温煮沸和高速搅拌的溶解工艺。这一溶解方法的特点是投料之后很快就升温到溶解温度，溶解 PVA 的煮搅要 23 小时或更长的时间，才能达到使用要求。即使如此，溶液中仍常有 PVA 胶粒出现，影响质量，因此普遍感到 PVA 难溶解。 2、 PVA 难溶解的实质是溶解不均匀 为了研究解决 PVA
3、的溶解问题，我们首先观察分析了生产中 PVA 的全过程，结果发现，大部分絮状 PVA 中的小颗粒易被水浸润，在温度达到煮沸状态时，已能溶解成胶状流体，此时溶液中未溶解部分约占总量的 10%左右，形状是玻璃状浓胶块和白心胶块，测其固体浓度在 1520%及以上。此种浓胶块尤其是白心胶块不经过长时间的煮搅不能溶解分散，使用中就是这些胶块（粒）造成各种质量问题。若将这些胶块从 PVA 溶液中分离出来，再放入水中煮沸 1530 分钟就能溶解分散，这说明 PVA 难溶解问题，实质是某种原因造成的溶解不均匀。 3、溶解不均匀的原因是没有充分的溶胀 我国各维尼纶厂生产的完全醇解级 PVA，多数为蓬松絮状物，其
4、颗粒的大小和软硬程度差异很大，加之溶解方法不当，是造成不能均匀溶解的主要原因。 为了搞清形成难溶胶块的原因，我们在试验室做了如下一组对比实验。试样是从车间使用的 PVA 中筛选较大的颗粒（体积 0.30.8 厘米 3）若干备用。 试验（一）、取 20 粒 PVA 颗粒投入已煮沸的 400 毫升水中，并继续煮沸，几秒钟后可见全部颗粒形成白心胶块，8 分钟后白心消失变成玻璃状胶块，20 分钟后溶解分散完毕。 试验（二）、同样取 20 粒 PVA 投入已在水浴中加热至 98以上，400 毫升 8%的 PVA 溶液中，并继续煮沸搅拌，全部 PVA 颗粒也很快形成白心胶块，到 160 分钟后，全部白心才
5、能消失。 试验（三）、将上述 PVA 颗粒，先放在 60热水中充分的浸润溶胀，再分别取 20 粒投入试验（一）的水中和试验（二）PVA 溶液中，5 秒后全部白色消失，溶成玻璃状软胶体，一分钟内就全部稀释分散完毕。 上述这组试验说明：由于 PVA 大颗粒在溶解之前未能充分地浸润溶胀，在溶解时形成极难溶解的胶块。由此证明，PVA 能否均匀溶解的关键，是 PVA 颗粒在溶解之前能否吸足水分充分溶胀。 4、 PVA 浓溶液的胶体性质，使溶液中的胶块极难溶解 高聚物溶液的本质是真溶液，但由于分子量（或分子缠结后分子团）大，又能表现出某些胶体性质。PVA 溶液是否为胶体，至今说法不一。为了判断 PVA 水
6、溶液是否为胶体，我们对各种浓度的 PVA 溶液进行了丁达尔效应观察，结果发现：PVA 固体浓度在 3%以下时，丁达尔效应确实微弱不明显，浓度达 8%，溶液中折射光带已非常清晰。这说明 PVA 水溶液浓度在 3%以上时表现出胶体的性质。尤其在下述两方面表现明显。 （1 ） PVA 溶液是具有很高粘度的溶液，随着浓度的增加粘度也直线增加（如图 1 图 1 PVA117 聚合度 1750 醇解度 98.5%所示）。在浓度达到一定高度时就会产生凝胶化（冻胶）现象。溶液中形成的胶块，其固体浓度均在 1520% 以上，粘度高达 1000 厘泊以上，这样高浓、高粘的胶块，水分是很难渗透到胶块内部去的，因此胶
7、块很难溶解分散。（2 ）上述试验（一）与（二）溶解时间的差异很大，其原因是 8%的PVA 溶液由 于分子缠结形成网状结构的类胶体（溶胶），在这种溶液中溶剂水分子运动受到限制，向胶块内部渗透就极慢（形成玻璃状浓胶块需更长时间才能溶解分散，因不易观察，未记时间）。 由于上述原因，在溶液中 PVA 一旦形成胶块，就很难靠水分的渗透而达到溶解分散。 二、PVA 快速溶解的机理和方法 1、 PVA 的溶解须经溶胀与分散两个阶段 高聚物在溶解时高分子链向溶剂方向的扩散，因分子链长受到很大的限制，而溶剂分子则容易渗透到高聚物中去，因此高聚物的溶解过程一般要经过浸润溶胀和溶解分散两个阶 （2） 。PVA 的溶
8、解也应分两个阶段进行，目前溶解 PVA 的方法，只强调溶解阶段的煮搅时间，而没有充分浸润溶胀的时间。 2、浸润 溶胀条件的筛选 为了确定完全醇解级 PVA 合理的浸润溶胀条件，我们作了如下对比试验（表 1） 浸润 排除气体 （厘 吸入水分 体积膨胀 （厘米 滤液固体浓度 备 注 米 3） (毫升) 3） (%) 温度A B C A B C A B C 30 2.8 0.6 1.0 207 161 192 250 210 235 1.90 1.45 1.75 滤液浑浊 PVA 为白色硬颗粒 40 3.2 1.5 1.5 217 176 202 260 225 255 2.00 1.50 1.95
9、 50 5.5 2.4 3.5 252 221 237 300 265 275 2.40 1.95 2.15 滤液稍清有气泡，PVA 稍变色比较软 60 5.7 3.3 4.5 292 231 340 340 280 285 3.15 2.01 2.41 滤液有泡沫，PVA 显表灰白色有弹性、柔软 70 7.5 5.0 4.6 432 350 342 470 350 306 6.01 5.51 5.50 产生大量溶胶块，少量白心胶块 80 8.0 7.5 480 480 500 500 7.35 7.05 产生大量白心胶块和溶胶块，其余大部分溶解为溶胶液。 表 1 中：（1）AB C 表示：北
10、京石家庄山西三个产地的 PVA1799； （2 ）每次浸泡分别取不同产地样品干重 40 克，用一定温度的定量水配成500 毫升，在恒温机械搅拌下浸泡 30 分钟，测定各项数据； （3 ）因每份试样按比重 1.23 计算的体积为 32.52 厘米 3， 实际排水体积为 38 厘 米 3 左右，所以每份试样颗粒内吸附的空所量约为 5.48 厘米 3，浸泡时总体积减少量即为排队气体量；（4 ）随着浸泡温度的升高，排除气体量、PVA 吸水量和体积膨胀量都成正比例增 加，经过充分的浸泡能使 PVA 吸入自身重量的 810 倍水，体积也膨胀到干燥时的真实体积的 810 倍； （5 ）603045 分钟的浸
11、泡，是比较理想的浸润溶胀条件。 在上述试验室试验的基础上，我们又在实际生产中（高速搅拌），反复测定了浸润温度时间和溶解效果的关系，结果如表 2 所示。 表 2 浸泡温度（） 浸泡时间（分） 完全溶解需煮搅的时间（分） 溶液含气泡 备 注 2025 510 90150 很多 原方法 2530 960 90 稍多 测试一次无浸泡搅拌 45 6090 6090 不多 60 3045 1530 很少 改进后方法 75 3045 6090 较多 3、完全醇解级 PVA 快速溶解的方法 调和桶内放入定量水，PVA 搅拌均匀无团块后，开小汽慢慢升温到 60关汽，搅拌下保温浸润 3045 分钟，待 PVA 全
12、部变成青灰的白色，颗粒充分膨胀并有弹性后，再开大汽升温至沸，继续用小汽煮搅 3045 分钟，加水调整粘度或体积，然后取样按“快速检验方法”检验溶解程度，与传统溶解方法相比可缩短三分之二的汽煮时间。 4、充分溶胀能使 PVA 快速溶解的机理 PVA 溶解过程若干能自发进行，才能快速均匀地溶解。高聚物能自发进行溶解的条件式为：F M0 而 FM=HM-TSM（2） 式中 FM混合自由能变量； T溶解温度； HM混合焓变量； SM混合熵变量。 PVA 溶解时无明显吸热或放热现象，溶解时的温度也不变，所以上式中焓变 H和 T 可以忽略，这样影响 FM 值的只有 SM 值。即熵变 S绝对值越大越有利自发
13、溶解。 根据热力学观点，分子间作用力的变化，分子运动自由程度的变化都与熵变 S直接有关。 PVA 经过充分溶胀之后，大量水分子渗透到 PVA 结构内部，部分水分子与羟基 OH 进行缔合，并促使 PVA 结构体膨胀，结果是高分子间的距离加大，分子间的作用力减弱，分子的自由运动增大，这些因素变化都使熵变 S绝对值增加。因熵变值增加能促进 PVA 溶解的自发进行，故充分溶胀能使 PVA 快速溶解。 三、PVA 溶解程度的快速检验方法 在目前一般纺织厂还没有仪器能快速检验 PVA 溶解程度的情况下，为了及时了解 PVA 溶解情况，防止因溶解不好造成质量疵点及避免不必要的延长煮搅时间，经实践摸索总结了一
14、个 PVA 溶解程度的“快速检验方法”如下： 取需检验的 PVA 溶液 50 毫升，倒入 500 毫升烧杯中，再加入 60热水，将溶液稀释到 2%左右的浓度，搅拌均匀后用量筒取 PVA 稀溶液 20 毫升，均匀地倒在双层玻璃板的一侧（如图 2 所示），同时玻璃板倾斜 3045并左右摆动，使 PVA 溶液能均匀地布满所有方格形成薄膜，马上观察任一方角方格内有无突起部分，便可以判断 PVA 溶解程度，无 1.0 毫米 2PVA 突起，即可认为已经溶解好；若有，就是还未溶解好。检验操作要在 1530 秒内完成，全过程可在 3 分钟内完成。使用此法测试结果灵敏稳定，缺点是不能直接算出溶解程度百分率数值
15、。 四、结语 1、完全醇解级 PVA 难溶实质是溶解不匀问题，除因 PVA 颗粒差异大外，溶解前 PVA 颗粒未能吸足水份充分溶胀也是重要原因。 2、 PVA 的溶解必须经浸润溶胀和溶解分散两个阶段进行。浸润溶胀的工艺参数以 60浸泡 3045 分钟比较合适。 3、 PVA 在浸润溶胀阶段，由于水份的渗透和置换作用，使颗粒内部空隙吸附的大部分气体排出液外，故溶解后的溶液中气泡很少。 4、在目前纺织厂还没有先进仪器能快速检验 PVA 溶解程度的情况下，本文介绍的快速检验方法可供生产上试用。 5、本文提出的 PVA 溶解法，以浸泡代替部分汽煮时间，不但缩短了煮搅的时间， 而且溶液无胶块和气泡，明显改善了 PVA 溶液质量，比传统方法节约三分之二的蒸汽和三分之一的时间，可进一步提高使用 PVA 的经济效益。参考资料： 1、 北京有机化工厂研究所编译：聚乙烯醇的性质与应用；2、 周永元浆料化学与物理；3、 中山大学化学系：高分子化学；4、 HA 卡布咯考夫等编，虑宏正译： 物理化学与胶体化学 ；5、 俞振东：部分醇解级聚乙烯醇溶解时起泡机理的研究
