孫 嘉

(1.東華大學(xué)，上海 200051；2.太原理工大學(xué)，山西 太原 030000)

合成纖維經(jīng)過(guò)近幾十年的飛速發(fā)展, 在紡織纖維中占據(jù)了很大的比重, 已成為日常生活和工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)領(lǐng)域中不可缺少的原材料, 但絕大多數(shù)合成纖維的原料取自石油、煤炭等不可再生的資源, 使用丟棄后很難降解, 會(huì)長(zhǎng)期存留在環(huán)境中, 造成污染。為此,聚乳酸纖維作為可降解、原料可再生的綠色纖維材料成為了當(dāng)今世界研究開(kāi)發(fā)的熱點(diǎn)。目前聚乳酸纖維的紡絲成形加工大部分尚處于實(shí)驗(yàn)室研究階段, 只有極少數(shù)廠商進(jìn)入半商業(yè)化生產(chǎn)。如果要使聚乳酸纖維生產(chǎn)實(shí)現(xiàn)工業(yè)化,應(yīng)加緊開(kāi)發(fā)新的紡絲成形工藝, 對(duì)于熔融紡絲, 解決熔紡時(shí)的熱分解[1-7]問(wèn)題等, 將會(huì)極大地促進(jìn)聚乳酸纖維的生產(chǎn)和應(yīng)用。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

針對(duì)紡絲條件——牽伸倍數(shù)和紡絲溫度設(shè)計(jì)單因子試驗(yàn)，本實(shí)驗(yàn)以聚乳酸切片為原料,通過(guò)熔融紡絲—拉伸一步法制得聚乳酸纖維,研究紡絲溫度和牽伸倍數(shù)因素對(duì)聚乳酸纖維結(jié)構(gòu)、性能的影響,為大規(guī)模的生產(chǎn)提供一定的理論依據(jù)。

表1 牽伸倍數(shù)和紡絲溫度單因子試驗(yàn)

1.2 原料的制備

將聚乳酸切片放置真空轉(zhuǎn)鼓干燥，干燥溫度為110℃，干燥時(shí)間為20 h；將干燥好的切片置于拉條切粒機(jī)中進(jìn)行切粒[8-10]。

1.3 工藝流程

將切片均勻倒入加料口，隨后切片進(jìn)入螺桿內(nèi)加熱，熔融、均化，形成熔體；再進(jìn)入彎管，在計(jì)量泵中準(zhǔn)確計(jì)量，進(jìn)入噴絲組件，在22 mPa下形成熔體細(xì)流，遂于20℃空氣中自然冷卻、固化，經(jīng)過(guò)油輥上油，提高纖維抱合性以及防止產(chǎn)生靜電，將長(zhǎng)絲導(dǎo)入牽伸盤(pán)[11-13]，經(jīng)過(guò)兩組速度不同的牽伸盤(pán)使纖維被拉伸，獲得較高的取向度、結(jié)晶度，形成聚乳酸纖維。

1.4 聚乳酸纖維性能表征及測(cè)試儀器

1.4.1力學(xué)性能

測(cè)試儀器：YG(B)021h型化纖廠強(qiáng)力機(jī)。

測(cè)試條件：相對(duì)溫度20℃、相對(duì)濕度65%。

1.4.2粘均分子量

測(cè)試儀器:烏氏黏度計(jì)(直型) ,毛細(xì)管內(nèi)徑D:(0.037±0.001) cm。

測(cè)試條件:測(cè)量溫度 (25±0.1)℃;溶劑三氯甲烷。

用三氯甲烷作溶劑，于(25±0.1)℃的玻璃恒溫水浴中[14-16]，測(cè)該種溶液流經(jīng)a、b兩刻度所需時(shí)間t。在同樣條件下，測(cè)定純?nèi)軇┝鹘?jīng)a、b兩刻度所需時(shí)間。

計(jì)算公式如下:

(1)

1.4.3取向度

測(cè)試儀器: SCYⅢ型聲速取向儀。計(jì)算公式如下:

(2)

式中: fs 為纖維試樣的取向因子; Cu 為纖維無(wú)規(guī)取向時(shí)的聲速值; Co為纖維試樣的實(shí)測(cè)聲速值。

實(shí)驗(yàn)方法：將每組聚乳酸纖維各取5段長(zhǎng)度大于50 cm的試樣，置于聲速取向儀上將觸頭置于20 cm處測(cè)試聲速值，然后將觸頭移至40 cm處再測(cè)試其聲速值，測(cè)試完畢后儀器自動(dòng)打印結(jié)果。

1.4.4纖維的纖度

測(cè)試儀器：YG086型縷紗測(cè)長(zhǎng)機(jī)；FA1004B電子天平。

測(cè)試條件：相對(duì)溫度20℃，相對(duì)濕度65%。

實(shí)驗(yàn)方法：利用電子縷紗測(cè)長(zhǎng)儀繞取每組3個(gè)絲絞,每個(gè)絲絞長(zhǎng)10 m,首尾打結(jié)[19],利用電子天平稱重，計(jì)算公式如下：

(3)

式中：G為纖維的重量，單位為g；L為纖維的長(zhǎng)度，單位為m。

2 結(jié)果與討論

2.1 紡絲溫度對(duì)纖維性能的影響

2.1.1紡絲溫度對(duì)纖維可紡性的影響

在熔融紡絲過(guò)程中，固體高聚物需通過(guò)加熱熔融形成聚合物流體，該過(guò)程紡絲溫度對(duì)纖維的可加工性有較大的影響。

實(shí)驗(yàn)時(shí)，其他條件相同的狀態(tài)下，改變紡絲溫度，得到如表2所示現(xiàn)象。

表2 紡絲溫度對(duì)可紡性的影響

2.1.2粘均分子量

隨著紡絲溫度的提高，分子量呈現(xiàn)先增大后減小的狀態(tài)，說(shuō)明聚乳酸纖維對(duì)溫度的敏感度較高，紡絲溫度不宜過(guò)高。紡絲溫度與粘均分子量的關(guān)系如表3所示。

表3 紡絲溫度與粘均分子量的關(guān)系

由表3可知，隨著紡絲溫度的提高，PLA初生纖維粘均分子量呈現(xiàn)先升高后降低的狀態(tài)。并且在187℃時(shí)粘均分子量達(dá)到最大值，原因在于，當(dāng)紡絲溫度較低時(shí)，聚乳酸切片熔融不完全，絲條表面有毛絲，斷頭較多，致使絲條整體不均勻；當(dāng)溫度適當(dāng)提高時(shí)，推動(dòng)聚乳酸聚合反應(yīng)的進(jìn)行，分子量增加；紡絲溫度過(guò)高時(shí)，高溫的熔體會(huì)接觸到空氣中的氧氣和水分而導(dǎo)致大分子鏈發(fā)生熱降解和水解，相對(duì)分子量下降。由此看來(lái)，對(duì)聚乳酸纖維紡絲而言，適宜的紡絲溫度對(duì)保證成型纖維的質(zhì)量更有利。

2.1.3取向度

由實(shí)驗(yàn)得紡絲溫度對(duì)取向度的影響如表4所示。

表4 紡絲溫度與聲速的關(guān)系

由表4可知，紡絲溫度過(guò)低時(shí)，取向度較低，這是因?yàn)榈蜏靥幚淼木廴樗崂w維無(wú)法獲得足夠的能量使分子長(zhǎng)鏈更好地伸直,這意味著該纖維的無(wú)定形區(qū)較定型區(qū)占更大比例；當(dāng)紡絲溫度在193℃時(shí)，取向度相對(duì)較高，這是由于適當(dāng)?shù)厣邷囟饶艽偈狗肿优帕胁灰?guī)則區(qū)域規(guī)整化，因此可提高其取向度；當(dāng)紡絲溫度再提高時(shí)，大分子運(yùn)動(dòng)劇烈，大分子在纖維軸周圍排列很難定型，故其取向度下降。

2.1.4力學(xué)性能

紡絲溫度對(duì)斷裂伸長(zhǎng)與斷裂強(qiáng)力的影響較大，主要是溫度對(duì)聚乳酸大分子的排列、結(jié)晶度和取向度[18]有直接影響。結(jié)晶度與取向度對(duì)力學(xué)性能起著決定性的作用。紡絲溫度與斷裂伸長(zhǎng)率的關(guān)系如圖1所示，與斷裂強(qiáng)度的關(guān)系如圖2所示。

圖1 紡絲溫度與斷裂伸長(zhǎng)的關(guān)系

圖2 紡絲溫度對(duì)斷裂強(qiáng)度的影響

由圖1可知，斷裂伸長(zhǎng)率隨著紡絲溫度增加而先增加，然后減小，再增加，然后減小，這與取向度隨紡絲溫度的變化有一定的關(guān)系，由于聚乳酸纖維對(duì)溫度極其敏感，在外力不變的情況下，紡絲溫度較低時(shí)，纖維的無(wú)定形區(qū)較大，故其斷裂伸長(zhǎng)率加大；隨著紡絲溫度達(dá)到適宜的狀態(tài)，纖維的取向度有所上升，定型區(qū)相對(duì)加大，故斷裂伸長(zhǎng)率相對(duì)減小，當(dāng)紡絲溫度再增大時(shí)，纖維的成型性欠佳，絲條不均勻，致使斷裂伸長(zhǎng)率下降；由圖2可知，斷裂強(qiáng)度隨溫度的升高先增大后減小，并且在187℃時(shí)其斷裂強(qiáng)力達(dá)到最大值1.9 cN/dtex，這是因?yàn)?，?dāng)紡絲溫度在187℃時(shí)，聚乳酸纖維粘均分子量最大，而分子量是對(duì)聚乳酸纖維斷裂強(qiáng)度起決定性作用的結(jié)構(gòu)參數(shù)，分子量越大，斷裂強(qiáng)度越大。

2.2 牽伸倍數(shù)對(duì)纖維性能的影響

2.2.1可紡性分析

為了探討不同牽伸倍數(shù)對(duì)紡絲性能的影響，實(shí)驗(yàn)中采用變換牽伸倍數(shù)的方法進(jìn)行比較，分析結(jié)果如下：牽伸倍數(shù)為2倍、2.5倍和3倍時(shí)均有較好的可紡性，成絲卷繞性能良好。具體現(xiàn)象如表5所示 。

表5 不同牽伸倍數(shù)下的紡絲現(xiàn)象

2.2.2牽伸倍數(shù)對(duì)取向度的影響

由實(shí)驗(yàn)得牽伸倍數(shù)與聲速的關(guān)系如表6所示。

表6 牽伸倍數(shù)與聲速的關(guān)系

如表6所示為聚乳酸纖維的聲速值結(jié)構(gòu)參數(shù)。從中可以看出，隨著牽伸倍率的增加，聚乳酸纖維中大分子鏈沿纖維軸的取向排列程度增加。分子排列越規(guī)整，取向度越高。其原因可能有兩方面：第一方面是由于分子取向和應(yīng)力作用使纖維發(fā)生誘導(dǎo)結(jié)晶；另一方面是由于牽伸過(guò)程中與周圍介質(zhì)的熱和形變能量的轉(zhuǎn)換，會(huì)導(dǎo)致纖維溫度升高，并使纖維加快取向。聚合物受力拉伸取向的結(jié)果是伸直鏈段的數(shù)目增多，而折疊段的數(shù)目減少，致使這些大分子規(guī)則區(qū)增多，提高了聚合物纖維取向度。

2.2.3力學(xué)性能

圖3所示為不同牽伸倍數(shù)對(duì)聚乳酸纖維斷裂強(qiáng)力與斷裂伸長(zhǎng)的影響。

圖3 不同牽伸倍數(shù)對(duì)聚乳酸纖維斷裂伸長(zhǎng)和斷裂強(qiáng)力的影響

圖3顯示在一定加熱溫度下,長(zhǎng)絲的斷裂強(qiáng)度隨著牽伸倍數(shù)的增加而增大。這是因?yàn)殡S著牽伸倍數(shù)的增大，外力促使鏈段運(yùn)動(dòng)加快，使得聚乳酸纖維易于取向，大分子排列規(guī)則，所以聚乳酸纖維能更為均勻地承受外力作用,強(qiáng)度因而得到提高；隨著牽伸倍數(shù)的增加，纖維所受外力的增大致使卷曲的分子鏈伸展,纖維的取向度提高,分子排列規(guī)整;低溫處理的聚乳酸纖維無(wú)法獲得足夠的能量使分子長(zhǎng)鏈更好地伸直,這意味著該纖維的無(wú)定形區(qū)的尺寸相對(duì)于高溫處理的要大,一般來(lái)說(shuō),無(wú)定形區(qū)的增大更有利于聚乳酸纖維的變形,所以聚乳酸纖維的伸長(zhǎng)率隨著牽伸倍數(shù)的遞增而減小。

3 結(jié)論

3.1在紡絲溫度一定的條件下,聚乳酸纖維的斷裂強(qiáng)度隨著牽伸倍數(shù)的增加而增大，斷裂伸長(zhǎng)隨著牽伸倍數(shù)的增加而遞減。

3.2在一定的牽伸條件下,聚乳酸纖維的斷裂強(qiáng)度隨著紡絲溫度的增加而呈現(xiàn)先增加后減小的狀態(tài)；斷裂強(qiáng)度在紡絲溫度為187℃時(shí)達(dá)到最優(yōu)狀態(tài)。

3.3在紡絲溫度一定的條件下，牽伸倍數(shù)對(duì)粘均分子量的影響很小，而取向度隨著牽伸倍數(shù)的增加呈增加趨勢(shì)。

3.4牽伸倍數(shù)一定的條件下，紡絲溫度在187℃時(shí)，聚乳酸纖維的粘均分子量最大，紡絲溫度過(guò)高或過(guò)低會(huì)導(dǎo)致其粘均分子量下降。

4 展望

通過(guò)本次課題研究，可以看出聚乳酸纖維具有良好的可紡性和生物降解性，在國(guó)民經(jīng)濟(jì)各行業(yè)有著良好的發(fā)展前景。在今后的研究過(guò)程中還需要對(duì)復(fù)合纖維的內(nèi)部結(jié)構(gòu)以及纖維降解后強(qiáng)度變化做更進(jìn)一步的研究，以便對(duì)復(fù)合纖維在降解過(guò)程中的變化原因有更詳細(xì)地了解。此課題的研究將會(huì)為可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略提供一種良好的環(huán)境友好材料，為降低環(huán)境污染，解決“白色垃圾”等環(huán)境問(wèn)題開(kāi)辟一條全新的途徑，隨著研究的不斷深入，將對(duì)聚乳酸纖維的復(fù)合纖維染整工藝進(jìn)行研究，完善纖維的使用性能等。

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