王曉梅， 陳才深

(五邑大學(xué) 紡織服裝學(xué)院，廣東 江門 529020)

聚乳酸/聚丙烯共混紡粘纖維的制備及其性能

王曉梅， 陳才深

(五邑大學(xué) 紡織服裝學(xué)院，廣東 江門 529020)

為探尋聚乳酸用量對(duì)聚乳酸(PLA)/聚丙烯(PP)共混紡粘纖維性能的影響，以PLA和PP為原料，采用實(shí)驗(yàn)室紡粘小樣機(jī)制備了多種混比的PLA/PP共混紡粘纖維。采用掃描電子顯微鏡、電子單纖維強(qiáng)力儀、恒溫烘箱、接觸角測(cè)試儀、X射線衍射儀對(duì)所得各種纖維的形態(tài)特征、力學(xué)性能、吸濕性、接觸角、結(jié)晶度進(jìn)行測(cè)試和分析。結(jié)果表明：隨著PLA含量的增加，共混纖維的強(qiáng)力下降，斷裂伸長(zhǎng)增加，但斷裂功基本保持不變；隨著PLA含量的增加，纖維的回潮率增加，接觸角減小，結(jié)晶度下降；PLA質(zhì)量分?jǐn)?shù)為7%的共混紡粘纖維較純PP紡粘纖維的結(jié)晶度下降21%，吸濕性則達(dá)到純PLA纖維的水平。在PP紡粘非織造布中添加適量PLA，可在不降低其耐用性的同時(shí)，提高其吸濕性能。

聚丙烯； 聚乳酸； 共混紡粘纖維； 力學(xué)性能； 吸濕性能

聚丙烯(PP)原料因價(jià)格便宜，力學(xué)性能好，在紡粘非織造布生產(chǎn)時(shí)不用預(yù)先烘燥而得到了廣泛的應(yīng)用；但聚丙烯為非親水性聚合物，用它制造的非織造布廢棄后掩埋處理難以降解，因此，研究人員對(duì)其進(jìn)行了光降解的研究[1]。用聚乳酸(PLA)來制作紡粘非織造布則可解決廢棄后掩埋處理的降解問題，為此國(guó)內(nèi)外許多研究人員對(duì)聚乳酸紡粘非織造布的生產(chǎn)工藝和產(chǎn)品性能進(jìn)行了相關(guān)的研究[2-3]，結(jié)果表明，PLA紡粘非織造布可生物降解，產(chǎn)品性能好，應(yīng)用廣泛。但是，聚乳酸因價(jià)格較貴而不能完全取代聚丙烯。

本文將PLA和PP共混制備紡粘纖維。由于非織造布中纖維的性質(zhì)在很多方面直接影響著非織造布的性質(zhì)，因此，本文以紡粘生產(chǎn)所得的共混纖維作為研究對(duì)象，研究PLA用量對(duì)共混纖維力學(xué)性質(zhì)、吸濕性等的影響，以期為PP非織造布的生物降解以及制備性能優(yōu)良的PLA/PP高分子合金纖維提供一定的參考。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 實(shí)驗(yàn)材料

聚乳酸(PLA)，相對(duì)分子質(zhì)量為10萬～30萬，密度為1.248 g/cm3，熔點(diǎn)為175～180 ℃，深圳市光華偉業(yè)實(shí)業(yè)有限公司；聚丙烯(PP)，中國(guó)石化股份有限公司茂名分公司。

1.2 設(shè)備與儀器

FWF-011紡絲無紡布一體機(jī)，龍口市騰龍新型建材有限公司；DZF-6050型真空干燥箱，上海精宏實(shí)驗(yàn)設(shè)備有限公司；NoVaTMNano SEM 430超高分辨率場(chǎng)發(fā)射掃描電子顯微鏡，美國(guó)FEI公司；LLX-06B型電子單纖維強(qiáng)力儀，紹興元茂機(jī)電設(shè)備有限公司；X′Pert PRO多功能X射線衍射儀，荷蘭帕納科公司；Y802N型八籃恒溫烘箱，溫州大榮紡織標(biāo)準(zhǔn)儀器有限公司；JC2000A接觸角測(cè)量?jī)x，上海中晨公司。

1.3 實(shí)驗(yàn)方法

PLA的烘燥：將一定量的PLA放于DZF-6050型真空干燥箱中，先在溫度40 ℃時(shí)烘1 h，再升高干燥箱溫度至60 ℃烘1 h，繼續(xù)升溫至80 ℃烘8 h。

PLA/PP共混紡粘纖維的制備：將烘燥好的PLA和PP共混進(jìn)行紡粘生產(chǎn)(圓形噴絲孔)，PLA質(zhì)量分?jǐn)?shù)分別為0、0.5%、1%、2%、3%、4%、5%、7%。由于PLA的質(zhì)量分?jǐn)?shù)超過7%以后，斷絲現(xiàn)象較為嚴(yán)重，生產(chǎn)不能正常進(jìn)行，所以PLA的最大質(zhì)量分?jǐn)?shù)為7%。生產(chǎn)時(shí)各加熱區(qū)的溫度分別為190、210、210、230、220 ℃，計(jì)量泵轉(zhuǎn)速為20 r/min。因?yàn)楸疚难芯康氖羌徴忱w維的性質(zhì)，所以并不進(jìn)行熱軋?zhí)幚?，僅為收集纖維。

1.4 測(cè)試方法

1.4.1 纖維形態(tài)特征觀察

利用掃描電子顯微鏡觀察纖維的形態(tài)特征。

1.4.2 力學(xué)性能測(cè)試

采用電子單纖維強(qiáng)力儀測(cè)試?yán)w維的力學(xué)性能，測(cè)試時(shí)預(yù)加張力為0.2 cN，夾持距離為10 mm，依據(jù)GB/T 14337—2008《化學(xué)纖維 短纖維拉伸性能實(shí)驗(yàn)方法》，夾持距離應(yīng)為20 mm；但是對(duì)于本文研究所生產(chǎn)的纖維，當(dāng)聚乳酸含量較大，夾持距離為20 mm時(shí)，纖維通常不能拉伸斷裂，因此，設(shè)置夾持距離為10 mm。

1.4.3 回潮率測(cè)試

利用八籃恒溫烘箱，在50 ℃條件下烘燥試樣至質(zhì)量恒定。

1.4.4 結(jié)晶度測(cè)試

采用多功能X射線衍射儀測(cè)試?yán)w維的結(jié)晶度。

1.4.5 接觸角測(cè)試

利用接觸角測(cè)量?jī)x測(cè)試?yán)w維的接觸角[4]。

2 結(jié)果與討論

2.1 纖維形態(tài)表征

圖1示出純PP和PLA質(zhì)量分?jǐn)?shù)為7%時(shí)纖維的掃描電鏡照片。可以看出，純PP纖維的表面比較光滑，而PLA質(zhì)量分?jǐn)?shù)為7%的纖維其表面凹凸不平。這是由于PP和PLA相容性差所導(dǎo)致[5]，因?yàn)樵诩徴忱w維生產(chǎn)時(shí)，PLA的存在影響了氣流對(duì)熔體細(xì)流的拉伸。

圖1 纖維的掃描電鏡照片(×10 000)Fig.1 SEM images of fibers in spunbonded nonwoven(×10 000). (a) Pure PP raw material; (b) Content of PLA is 7%

2.2 力學(xué)性能

圖2～4分別示出不同PLA質(zhì)量分?jǐn)?shù)時(shí)單纖維斷裂強(qiáng)力、斷裂伸長(zhǎng)率以及斷裂功的變化情況。

圖2 PLA質(zhì)量分?jǐn)?shù)對(duì)纖維斷裂強(qiáng)力的影響Fig.2 Influence of PLA content on break of single fiber

圖3 PLA質(zhì)量分?jǐn)?shù)對(duì)纖維斷裂伸長(zhǎng)率的影響Fig.3 Influence of PLA content on elongation at break strength of single fiber

圖4 PLA質(zhì)量分?jǐn)?shù)對(duì)纖維斷裂功的影響Fig.4 Influence of PLA content on work of fiber fracture

由圖2可看出，隨著PLA質(zhì)量分?jǐn)?shù)的增加，纖維的強(qiáng)力呈下降趨勢(shì)，PLA質(zhì)量分?jǐn)?shù)為7%時(shí)共混纖維的強(qiáng)力比純PP纖維的強(qiáng)力下降了19.5%，其原因是PLA與PP的相容性較差。圖1(b)的掃描電鏡照片也說明PLA的存在對(duì)纖維的強(qiáng)力有不利的影響。為了提高PLA與PP的相容性，采用羧基化聚丙烯與PLA進(jìn)行共混。結(jié)果表明，當(dāng)PLA質(zhì)量分?jǐn)?shù)小于50%，二者相容性較好；但當(dāng)PLA質(zhì)量分?jǐn)?shù)超過50%后，二者呈現(xiàn)明顯的“海島”結(jié)構(gòu)[6]。圖3示出：隨PLA質(zhì)量分?jǐn)?shù)的增加，纖維的斷裂伸長(zhǎng)率呈上升趨勢(shì)，PLA質(zhì)量分?jǐn)?shù)為7%的共混纖維其斷裂伸長(zhǎng)率比純PP的增加14%。斷裂伸長(zhǎng)率的增加對(duì)混紡纖維的斷裂功是有利的，本文測(cè)試結(jié)果也證實(shí)了這一點(diǎn)，即PLA質(zhì)量分?jǐn)?shù)的增加對(duì)斷裂功基本上沒有影響，見圖4。這說明聚丙烯紡粘非織造布中添加適量的PLA并不會(huì)降低產(chǎn)品的堅(jiān)牢度。

2.3 吸濕性能

纖維的吸濕性可直接用回潮率來表示，但也有研究人員采用接觸角來表示聚合物的親水性，尤其是應(yīng)用于PP的親水性研究方面[7-9]，接觸角越小，親水性越強(qiáng)。圖5示出共混纖維的回潮率隨PLA質(zhì)量分?jǐn)?shù)的變化情況。圖6示出接觸角的變化情況。從圖5可看出，纖維的回潮率隨著PLA質(zhì)量分?jǐn)?shù)的增加而上升，PLA的質(zhì)量分?jǐn)?shù)越大，纖維的吸濕性越好。PLA中沒有親水性的基團(tuán)和反應(yīng)性基團(tuán)，僅在端基中才有吸濕性基團(tuán)，因此，其本身吸濕性并不好，純PLA纖維的回潮率為0.4%～0.6%[10]。本文研究中PLA質(zhì)量分?jǐn)?shù)僅為7%的共混纖維其回潮率達(dá)0.55%，說明PLA的存在可提高纖維的吸濕性，而且還說明PLA可能對(duì)共混纖維的結(jié)晶度有影響。圖6表明：隨PLA質(zhì)量分?jǐn)?shù)的增加，纖維的接觸角呈下降趨勢(shì)，尤其是PLA僅僅添加0.5%時(shí)，接觸角從106.5°下降到98°，這說明PLA的添加有利于改善PP纖維的親水性，這個(gè)結(jié)果與回潮率的測(cè)試結(jié)果是一致的。

圖5 PLA質(zhì)量分?jǐn)?shù)對(duì)纖維回潮率的影響Fig.5 Influence of PLA content on moisture regain of fiber

圖6 PLA質(zhì)量分?jǐn)?shù)對(duì)纖維接觸角的影響Fig.6 Influence of PLA content on contact angle of fiber

2.4 結(jié)晶度

圖7示出共混纖維的結(jié)晶度隨PLA質(zhì)量分?jǐn)?shù)的變化情況?？梢钥闯觯S著PLA質(zhì)量分?jǐn)?shù)的增加，共混纖維的結(jié)晶度大體上呈下降趨勢(shì)，PLA質(zhì)量分?jǐn)?shù)為7%的共混纖維其結(jié)晶度相比于純PP纖維下降了約21%，這仍與PLA和PP的相容性差有關(guān)。共混纖維的結(jié)晶度下降，說明PLA質(zhì)量分?jǐn)?shù)增加時(shí)混紡纖維的吸濕性會(huì)增加，拉伸強(qiáng)度會(huì)減小，這個(gè)結(jié)果與前文所述性能測(cè)試結(jié)果完全吻合。

圖7 PLA質(zhì)量分?jǐn)?shù)對(duì)纖維結(jié)晶度的影響Fig.7 Influence of PLA content on crystallinity degree of fiber

3 結(jié) 論

1)PLA與PP共混制備紡粘纖維時(shí)，所得共混纖維相比純PP紡粘纖維的表面較不光滑。

2)共混纖維的拉伸斷裂強(qiáng)力隨PLA質(zhì)量分?jǐn)?shù)的增加而降低，斷裂伸長(zhǎng)率隨之上升，但斷裂功基本保持不變。

3)共混纖維的回潮率隨PLA質(zhì)量分?jǐn)?shù)的增加而增加，接觸角隨PLA質(zhì)量分?jǐn)?shù)的增加而減小，即PLA的添加有利于PP纖維吸濕性的改善。

4)共混纖維的結(jié)晶度隨PLA質(zhì)量分?jǐn)?shù)的增加而下降，這與纖維的吸濕性隨PLA的增加而增加的結(jié)果相一致。FZXB

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Preparation and properties of polylactic acid/polypropylene blend spunbonded fibers

WANG Xiaomei, CHEN Caishen

(SchoolofTextileandClothing,WuyiUniversity,Jiangmen,Guangdong529020,China)

In order to explore influences of polylactic acid(PLA) content on the properties of PLA/PP spunbonded fibers, PLA and PP polymers were chosen as the raw materials to prepare PLA/PP spunbonded fibers using laboratory spunbond equipment. The fiber morphology, tensile, hygroscopicity, contact angle and degree of crystallization of the produced fibers were invested by using the scanning electron microscope, electronic single fiber strength tester, constant temperature oven,contact angle tester and X-ray diffraction meter. The results show that with the increase of PLA content in the blends fiber, the fiber strength decreases, and elongation at break increases, but the work of fracture keeps constant.The fiber moisture regains increases, and the contact angle and the degree of crystallinity decreases with the increase of the PLA content. Compared with the pure PP spunbonded fiber, the degree of crystallinity of the blend fiber with PLA content of 7% decreases 21%, but the hygroscopicity reaches pure PLA fiber level. Therefore, the addition of proper content of PLA polymer to PP polymer can improve the moisture absorption performance of the spunbonded nonwovens, without reducing the durability.

polypropylene; polylactic acid; blend spunbonded fiber; tensile property; hygroscopicity

10.13475/j.fzxb.20160301505

2016-03-07

2016-06-23

王曉梅(1976—)，女，副教授，博士。研究方向?yàn)榧徔椉胺强椩煨庐a(chǎn)品新技術(shù)。E-mail:wxm@wyu.cn。

TS 176.9

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