简介
自1984年公布了第一篇有关通过凝胶纺丝制备高性能聚乙烯醇纤维的专利以来，已有不少研究成果相继发表。例如，以乙二醇、二甲基亚砜/水为溶剂，将平均聚合度为1700～5000的无规聚乙烯醇配置成凝胶状溶液，或者用硼酸交联聚乙烯醇水凝胶，可制成模量和强度分别为50～70GPa和1.8～2.8GPa的高强度聚乙烯醇纤维；以为1000～12900、间规聚乙烯醇含量为58%～64%的富含间规聚乙烯醇为原料聚合物，以DMSO/水为溶剂凝胶纺丝，或者用盐酸水溶液中和聚乙烯醇水凝胶以及用N-甲基吗啉氧化物/水混合物为溶剂，凝胶纺丝等均可制成模量29～50GPa、强度1.9～2.5GPa的高强度聚乙烯醇纤维。日本可乐丽公司多年来一直致力于新型聚乙烯醇纤维的研究与开发，1996年4月公开了他们研究开发高强度聚乙烯醇纤维的成果，1996年10月建成月产10t的中试装置，1998年4月开始工业规模生产商品名为“库拉纶-Ⅱ（Kuralon-Ⅱ）”的聚乙烯醇高强度纤维，其强度约14cN/dtex。
与聚乙烯纤维相比，虽然聚乙烯醇纤维的理论强度和模量分别约208cN/dtex和1980cN/dtex，但因其大分子中侧羟基可形成分子间或分子内氢键，使分子间作用力增大，在纺丝成形和后拉伸过程中聚乙烯醇大分子由折叠链向伸直链的转变过程更加困难。因此如何解决这一问题是制备高性能聚乙烯醇纤维的关键技术之一。
制备
超高相对分子质量聚乙烯（UHMWPE）纤维的出现，进一步促进了人们对高性能聚乙烯醇纤维的研究与开发。从纤维成形角度考虑，高强度聚乙烯醇纤维的成形一般多采用溶液纺丝法，如湿法、干法、干湿法以及凝胶纺丝等。常用的聚乙烯醇溶剂如二甲基亚砜、二甲基甲酰胺（DMF）、乙二醇、丙三醇、水或混合溶剂等，而凝固剂主要有甲醇、乙醇、丙酮、十氢萘等。
湿法加硼纺丝方法是制备高强度聚乙烯醇纤维较早采用的工艺技术，最早由日本仓敷人造丝公司于20世纪60年代末提出。在水溶液中聚乙烯醇易形成分子内和分子间氢键，使聚乙烯醇大分子呈无规线团状而相互缠结，容易产生胶粒并使溶液黏度增大，甚至形成凝胶。硼、铜、钛等化合物在适当条件下能与聚乙烯醇形成交联，可抑制纺丝过程中聚乙烯醇大分子结晶，有利于初生纤维的后拉伸。在PVA/水纺丝原液中加入硼酸，使其与聚乙烯醇形成交联结构，可有效抑制聚乙烯醇分子内或分子间氢键的形成以及减小大分子缠结程度等。例如，以碱性盐溶液为凝固剂湿法成形，硼酸交联，经中和、水洗、拉伸及热处理，最后可制成强度约13cN/dtex、耐120℃热水的高强度聚乙烯醇纤维。水洗时，结合在聚乙烯醇纤维上的硼酸很容易被除去。
为制备高强度聚乙烯醇纤维，目前多采用高聚合度的聚乙烯醇为成纤聚合物。例如，以平均聚合度为30000的聚乙烯醇为成纤聚合物，以聚乙二醇和丙三醇为溶剂凝胶纺丝，脱溶剂和热拉伸后可得强度达16cN/dtex的聚乙烯醇纤维；若以高聚合度聚乙烯醇凝胶纺丝，再经硼酸交联和高倍拉伸，则可制成强度高达23cN/dtex左右的高强度聚乙烯醇纤维；查（Cha）等以平均聚合度为5000的聚乙烯醇作原料，以DMSO/H2O=80/20混合物为溶剂，配置成浓度为6%的纺丝原液，凝胶纺丝后低温甲醇凝固成形，然后分别在160℃和200℃下两级拉伸45倍，制成最大强度和模量分别为2.8GPa和64GPa的聚乙烯醇纤维。但也有报道认为，可利用聚乙烯醇所特有的极性羟基基团，采用较低相对分子质量的聚乙烯醇制备高强度纤维，如以平均聚合度为1500的聚乙烯醇作原料聚合物，以丙三醇为溶剂，凝胶纺丝后经近20倍的热拉伸，可制成强度和模量分别约为14cN/dtex和36.5cN/dtex的高强度聚乙烯醇纤维。
在凝胶纺丝过程中，提高聚乙烯醇的相对分子质量和降低纺丝原液浓度对制备高强高模纤维是有利的。相对分子质量增大，纤维中大分子末端数减少，有利于完善纤维的微观结构；而降低原液浓度，则可有效地减小大分子缠结程度，有利于在后拉伸过程中使纤维形成具有伸直链特征的微观结构。
聚乙烯醇大分子的立体规整度对纤维强度和模量有很大影响，高间规度聚乙烯醇的凝胶纺丝与普通聚乙烯醇基本相同，但高间规聚乙烯醇分子间更易形成氢键而妨碍高倍拉伸，如能克服氢键障碍，就可制成高性能聚乙烯醇纤维。间规聚乙烯醇的熔点较高，如间规含量64%聚乙烯醇的熔点约265℃，比常规聚乙烯醇高30℃左右，更具产业价值。
1997年，日本可乐丽公司开始试销商品名为“库拉纶-Ⅱ（Kuralon-Ⅱ）”的高强度聚乙烯醇纤维，其强度约15cN/dtex（1.8GPa），预计目前该纤维品种的产量已达20000t/年。可乐丽公司采用如图7-9所示的“溶剂湿法冷却凝胶纺丝”技术制备高强度聚乙烯醇纤维，即首先将高相对分子质量聚乙烯醇溶解在有机溶剂（如二甲基亚砜）中配制成纺丝原液，纺丝成形后细流在另一种有机溶剂（如甲醇）浴中低温骤冷固化成凝胶原丝，脱除溶剂后得到横截面为圆形、结构均匀的初生纤维，经拉伸、热处理，使纤维大分子高度取向和结晶，制成高强度聚乙烯醇纤维。由图7-10可见，库拉纶-Ⅱ纤维具有规整的圆形横截面，纤维结构也比较均匀。日本把这种纺丝方法称为“世界上首次工业化的新型湿法纺丝方法”，把库拉纶-Ⅱ纤维称为“跨时代的新合纤”。
国内在聚乙烯醇纤维纺丝方法等方面也开展了一些有意义的研究工作，如东华大学与上海石化股份公司合作进行的高强高模聚乙烯醇凝胶纺丝研究；四川大学与中国石化集团公司开展的聚醋酸乙烯酯（PVAc）醇解直接纺丝工艺研究；北京服装学院的湿法交联纺丝工艺研究等都取得了较大进展。其中，聚醋酸乙烯酯醇解直接纺丝技术是部分醇解的聚醋酸乙烯酯/甲醇溶液为纺丝原液纺丝成形，在凝固浴中醇解的同时快速凝胶化，所得凝胶状初生纤维经高倍拉伸后可制成高强度聚乙烯醇纤维。纺丝过程中聚醋酸乙烯酯大分子侧基（—OCOCH3）进行醇解反应并形成羟基（—OH），通过硼化交联、凝胶等物理化学作用可以控制聚乙烯醇初生纤维不发生结晶，以便在后拉伸及热处理过程中形成比较理想的取向和结晶态结构，制成高强高模纤维。聚醋酸乙烯酯醇解纺丝制备高强度聚乙烯醇纤维的技术独具特色，受到学术界和产业界的关注。
应用
高强度聚乙烯醇纤维有良好的亲水性、黏结性、抗冲击性以及加工过程中易于分散等特性，所以作为增强材料在水泥、石棉板材、陶瓷建材及聚合物基复合材料等方面已有广泛应用。
用高强度聚乙烯醇纤维增强混凝土和建筑材料可有效地改善材料的抗冲击、抗弹性疲劳及防龟裂等性能。用高强度聚乙烯醇纤维制成的土工布抗拉强度高，抗蠕变性好，耐磨、耐化学腐蚀、耐微生物及导水性优良，在工程施工中可起到加筋、隔离、保护、排水及防漏作用，可用于各种水坝以及公路、铁路、桥梁、隧道、淤浆、沙地等工程的压沙隔水、加固、铺垫、稳固基础以及防水隔离等，能显著提高施工质量，降低工程成本。用环氧树脂将高强度聚乙烯醇纤维黏合成杆状物代替混凝土中的钢筋，用作土木建筑工程材料，可大大降低建筑构建的自重。尽管高强度聚乙烯醇纤维的抗张强度和模量尚不如开夫拉（Kevlar）、超高相对分子质量聚乙烯（UHMWPE）纤维等，但其断裂比功大、粘接性好、价格低廉等，在防护复合材料方面有可能部分替代价格较高的开夫拉纤维等。由于高强度聚乙烯醇纤维的断裂强度、抗冲击强度、耐气候性和耐海水腐蚀性等都比较好，适宜用作各种类型渔网、渔具、渔线、绳缆等，在海洋捕鱼及运输工具等方面有很好的应用市场。
前景
虽然目前有关高强度聚乙烯醇纤维的研究与开发已经取得了很大进展，实验室规模试制的纤维强度和模量最高可达4GPa和115GPa左右，但与UHMWPE纤维相比，纤维性能和生产技术等都还有很大差距。就化学结构而言，聚乙烯醇与聚乙烯的差异就在于前者含有羟基，羟基使聚乙烯醇具有较高熔点的同时，也使聚乙烯醇分子内和分子间易形成氢键，因此如何发挥和抑制羟基的作用，仍然是研究与开发高性能聚乙烯醇纤维的重要课题。