范玉敏 湯人望 胡曉東 李紅祝

(浙江省普瑞科技有限公司 (浙江省造紙研究所)，浙江省特種纖維紙基功能材料技術(shù)研究重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，浙江杭州，311215)

聚乳酸 (poly-lactic acid，PLA)纖維是以玉米、小麥或紅薯等淀粉為原料，經(jīng)發(fā)酵獲得乳酸，然后通過聚合、紡絲得到的纖維［1］。PLA纖維截面通常為圓形，且表面光滑，密度為1.25 g/cm3，小于天然纖維和低熔點(diǎn)聚酯 (PET)纖維，玻璃化轉(zhuǎn)變溫度(Tg)一般為55～65℃，熔融溫度 (Tm)為160～170℃［2］。PLA纖維生產(chǎn)過程不使用和產(chǎn)生有毒物質(zhì)，其制品在土壤或海水的微生物作用下可降解為二氧化碳和水，對(duì)環(huán)境無害，是一種無毒、無害、可生物降解、可回收利用的綠色環(huán)保纖維［3］。PLA纖維制品在生物醫(yī)用及日用領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用，在生物醫(yī)用領(lǐng)域可用作手術(shù)縫合線、傷口輔料、韌帶加強(qiáng)纖維裝置、組織工程編織支架等，在日用領(lǐng)域可用作繩索、牙刷、過濾膜材、面料等［4］。

近些年，PLA纖維非織造產(chǎn)品日益增多，法國(guó)Fiberweb公司，以100%PLA開發(fā)熔噴的和紡粘的名牌非織造布Deposa。日本鐘紡合纖公司與吳羽合纖公司共同開發(fā)了由PLA生成的生物降解纖維/Lactron制成的三維立體非織造材料。尤尼吉卡公司使用Cargill Dow聚合體公司由玉米生產(chǎn)的PLA，通過熔融紡絲技術(shù)成功地制成了PLA紡粘非織造布。德國(guó)薩克森紡織研究所的Blechschmidt等人也對(duì)聚乳酸紡粘非織造工藝參數(shù)和產(chǎn)品性能進(jìn)行了探討［5］。天津工業(yè)大學(xué)紡織與服裝學(xué)院的任元林等人對(duì)PLA纖維非織造材料進(jìn)行了一定的研究，他們用的主要是紡粘法［6］。然而PLA纖維在濕法非織造材料中的性能及應(yīng)用研究少有報(bào)道［7］。本實(shí)驗(yàn)對(duì)PLA纖維濕法抄造性能進(jìn)行研究，旨在為PLA纖維在濕法非織造材料(功能紙)，尤其是在新型功能材料中的應(yīng)用提供參考。

1 實(shí)驗(yàn)

1.1 原料

單組分PLA纖維 (以下簡(jiǎn)稱單組分PLAF):1.3 dtex×6 mm，熔融溫度170℃;雙組分PLA纖維 (以下簡(jiǎn)稱雙組分PLAF):4.0 dtex×51 mm，人工剪短成12 mm左右，芯層熔融溫度130℃，皮層熔融溫度70℃;低熔點(diǎn)聚酯纖維 (以下簡(jiǎn)稱PETF):1.1 dtex×3 mm，熔融溫度110℃;水溶性聚乙烯醇纖維 (以下簡(jiǎn)稱PVAF):1.1 dtex×3 mm，水溶溫度70℃;分散劑聚丙烯酰胺。

1.2 儀器與設(shè)備

BK5000光學(xué)顯微鏡:重慶奧特光學(xué)儀器有限公司制造;ZQJI-B-2紙樣抄取器:陜西科技大學(xué)機(jī)械廠制造;DCP-KZ300A(R)電腦測(cè)控抗張?jiān)囼?yàn)機(jī):四川長(zhǎng)江造紙儀器有限責(zé)任公司制造;YG461E/1數(shù)字式透氣量?jī)x:寧波紡織儀器廠制造;HST-H3熱封試驗(yàn)儀:濟(jì)南蘭光機(jī)電技術(shù)有限公司制造。

1.3 實(shí)驗(yàn)方法

1.3.1 顯微鏡觀察PLA纖維形態(tài)

1.3.2 紙張的制備

實(shí)驗(yàn)中纖維配比為:

(Ⅰ)單組分 PLAF∶雙組分 PLAF=(80% ～30%)∶(20% ～70%)

(Ⅱ)單組分PLAF∶PETF=(80% ～50%)∶(20%～50%)

(Ⅲ)單組分PLAF∶雙組分PLAF∶PVAF=(80%～50%)∶(15% ～45%)∶5%

(Ⅳ)單組分 PLAF∶PETF∶PVAF=(80% ～50%)∶(15% ～45%)∶5%

干燥溫度為130℃。抄造好的紙張按 GB/T 10739—2002的規(guī)定在性能檢測(cè)前進(jìn)行恒溫恒濕處理。

1.3.3 紙張性能測(cè)試

紙張定量、厚度、抗張強(qiáng)度指標(biāo)按國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行測(cè)定［8］。

紙張熱封強(qiáng)度按照GB/T 25436—2010附錄A所述方法進(jìn)行測(cè)量:設(shè)定熱封機(jī)的溫度 (165±5)℃、壓力0.2 MPa，時(shí)間5 s，熱封刀寬度5 mm;切取寬度為15 mm、長(zhǎng)度至少為280 mm的試樣，應(yīng)確保夾持試樣時(shí)手不觸及試樣部分，將試樣的熱封面朝內(nèi)沿長(zhǎng)度對(duì)折成兩層，在距離試樣折線10 mm處進(jìn)行熱封。將熱封好的試樣按GB/T12914測(cè)定熱封強(qiáng)度，夾距為180 mm，熱封處應(yīng)在二夾距之間，當(dāng)熱封處全部分開時(shí)，進(jìn)行讀數(shù)，每個(gè)樣品測(cè)定10次，以算數(shù)平均值表示結(jié)果。

2 結(jié)果與討論

2.1 PLAF顯微鏡觀察

PLAF的顯微鏡照片如圖1和圖2所示。從圖1和圖2可以看出，PLAF表面光滑，粗細(xì)均勻;雙組分PLAF具有卷曲度。

圖1 單組分PLAF顯微鏡照片

圖2 雙組分PLAF顯微鏡照片

2.2 單、雙組分PLAF混合抄造紙張的物理性能

單組分PLAF和雙組分PLAF混合進(jìn)行濕法抄造紙張的物理性能如表1所示。單組分PLAF表面光滑，沒有鍵合作用，且熔融溫度高，未達(dá)到熔融溫度時(shí)纖維之間不會(huì)產(chǎn)生黏結(jié)作用，因此100%的單組分PLAF濕法抄造，即使在130℃下干燥，紙張也無法成形。雙組分PLAF是由較高熔點(diǎn)的芯層和較低熔點(diǎn)的皮層通過雙組分PLAF復(fù)合噴絲板擠壓而成，在較低溫度下就能熔融從而起到黏結(jié)作用。本實(shí)驗(yàn)所用的雙組分PLAF具有卷曲度，且纖維較長(zhǎng)，不易分散，制備紙張過程中易纏繞而絮聚，致使紙張中纖維分散不均，紙張強(qiáng)度下降。由表1可知，隨著單組分PLAF用量的降低，紙張強(qiáng)度先增加后降低，透氣度先降低后增加，兩種纖維各占50%時(shí)性能較優(yōu)，主要是因?yàn)榇藭r(shí)兩種纖維結(jié)合較好，雙組分PLAF較好地發(fā)揮黏結(jié)作用，紙張的強(qiáng)度最佳，同時(shí)紙張的緊度和勻度較好，使單位時(shí)間通過單位面積的空氣量降低，透氣度較低。

表1 單、雙組分PLAF混合抄造紙張的物理性能

2.3 單組分PLAF與雙組分PLAF或PETF混合抄造紙張的物理性能

按1.3.2中的纖維配比 (Ⅰ)、(Ⅱ)抄造紙張，紙張的物理性能如圖3～圖7所示。

圖3 雙組分PLAF、PETF用量對(duì)紙張緊度的影響

圖4 雙組分PLAF、PETF用量對(duì)紙張透氣度的影響

PETF長(zhǎng)度為3 mm，在水中易分散，成紙勻度較好，同時(shí)具有較低的熔點(diǎn)，在130℃的干燥溫度下能更好地熔融而起到良好的黏結(jié)作用。從圖3～圖7中可看出，單組分PLAF與PETF混合抄造紙張 (纖維配比 (Ⅱ))的緊度、強(qiáng)度整體趨勢(shì)優(yōu)于單組分PLAF與雙組分PLAF混合抄造的紙張纖維配比 (Ⅰ)，透氣度呈相反趨勢(shì)，主要是因?yàn)镻ETF與單組分PLAF混合，成紙均勻，緊度高，單位時(shí)間單位面積通過的空氣量少。

2.4 添加PVAF混合抄造紙張的物理性能

按1.3.2中的纖維配比 (Ⅲ)、(Ⅳ)抄造紙張，紙張的物理性能如圖8～圖12所示。

圖5 雙組分PLAF、PETF用量對(duì)紙張抗張強(qiáng)度的影響

圖6 雙組分PLAF、PETF用量對(duì)紙張濕抗張強(qiáng)度的影響

圖7 雙組分PLAF、PETF用量對(duì)紙張熱封強(qiáng)度的影響

圖8 雙組分PLAF+PVAF、PETF+PVAF用量對(duì)紙張緊度的影響

圖9 雙組分PLAF+PVAF、PETF+PVAF用量對(duì)紙張透氣度的影響

圖10 雙組分PLAF+PVAF、PETF+PVAF用量對(duì)紙張抗張強(qiáng)度的影響

圖11 雙組分PLAF+PVAF、PETF+PVAF用量對(duì)紙張濕抗張強(qiáng)度的影響

圖12 雙組分PLAF+PVAF、PETF+PVAF用量對(duì)紙張熱封強(qiáng)度的影響

PVAF水溶溫度為70℃，較低溫度下就能發(fā)揮良好的黏結(jié)作用，在食品包裝紙等產(chǎn)品中有很好的應(yīng)用。從圖8～圖12中可以看出，PVAF的應(yīng)用明顯地提高了紙張的強(qiáng)度性能，與纖維配比 (Ⅰ)中單組分PLAF∶雙組分PLAF=50%∶50%混合抄造相比，纖維配比 (Ⅲ)中單組分PLAF∶雙組分PLAF∶PVAF=50%∶45%∶5%時(shí)的紙張抗張強(qiáng)度提高了38.7%，濕抗張強(qiáng)度提高了52.1%，熱封強(qiáng)度提高了42.0%。與纖維配比 (Ⅱ)中單組分PLAF∶PETF=50%∶50%混合抄造相比，纖維配比 (Ⅳ)中單組分 PLAF∶PETF∶PVAF=50% ∶45% ∶5% 時(shí)的紙張抗張強(qiáng)度提高了13.8%，熱封強(qiáng)度提高了39.8%。紙張強(qiáng)度的提高，為PLA纖維的應(yīng)用拓寬了領(lǐng)域。

3 結(jié)論

實(shí)驗(yàn)對(duì)聚乳酸 (PLA)纖維 (單組分、雙組分)、低熔點(diǎn)聚酯 (PET)纖維、水溶性聚乙烯醇(PVA)纖維混合濕法抄造紙張性能進(jìn)行了研究。

3.1 單組分PLA纖維的熔融溫度高，濕法抄造時(shí)干燥溫度達(dá)不到其熔融溫度要求，成形困難，應(yīng)用會(huì)受限。

3.2 雙組分PLA纖維、低熔點(diǎn)PET纖維、PVA纖維因其熔融溫度低，與單組分PLA纖維混合抄造時(shí)，能起到有效的黏結(jié)作用，提高了聚乳酸纖維應(yīng)用的可行性。

3.3 低熔點(diǎn)PET纖維的黏結(jié)效果優(yōu)于雙組分PLA纖維，水溶性PVA纖維的加入有利于紙張強(qiáng)度的進(jìn)一步提高。

4 展望

PLA纖維所具有吸濕透氣性、抗菌性、可降解性等優(yōu)良性能引起了人們的廣泛關(guān)注。作為新型環(huán)保纖維，未來將會(huì)在更多領(lǐng)域得到應(yīng)用，例如作為過濾材料用于口罩，作為茶葉、咖啡等食品的外包裝袋等。PLA纖維在濕法功能材料中的研究應(yīng)用目前很少，我們將繼續(xù)在應(yīng)用領(lǐng)域開展深入研究和探討。

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