張巍峰

（紡織企業(yè)技術進步咨詢服務中心，北京 100020）

聚乳酸纖維（PLA）是由玉米淀粉經發(fā)酵所得的乳酸聚合而成的，亦稱玉米纖維[1]，是20 世紀90年代初由日本島津（Shimadzu）公司和鐘紡（Kanebo）公司聯(lián)合開發(fā)的一種可生物降解的化學纖維；“十二五”期間，我國剛剛完成PLA 纖維的合成方法及纖維制備工藝研究，并初步實現工業(yè)化生產。聚乳酸纖維性能優(yōu)良，可生物降解，廢棄后可在自然界中分解為CO2和H2O；燃燒時不產生毒氣，不會對環(huán)境產生污染[2-3]。因此，聚乳酸纖維是一種可生物降解的新材料，是名符其實的人工合成有機高分子“綠色產品”和“環(huán)保產品”[4]。

另外，聚乳酸纖維還兼有天然纖維和合成纖維的特點，如吸濕排汗均勻、快干、阻燃性低、煙塵小、熱散發(fā)小、無毒性、熔點低、回彈性好、折射指數低、色彩鮮艷、不滋長細菌和氣味保留指數低等。由聚乳酸纖維制成的織物具有良好的懸垂性和手感，制成的成衣穿著舒適，并具有耐穿、抗皺、抗紫外線、導濕和釋放人體氣味等特性，是極佳的高級休閑服飾和優(yōu)質舒適運動服的面料[5-7]。

1 聚乳酸纖維的合成及特點

1.1 聚乳酸的制備

使用玉米/馬鈴薯等谷物作為原料，發(fā)酵后制得乳酸，乳酸經縮合反應合成低分子質量的聚乳酸，再利用偶合劑將低分子質量的聚乳酸聚合成具有良好機械物質性、較高分子質量的聚乳酸，再通過化學改性提高物理性質，并使其纖維化制得聚乳酸纖維[8]。制備途徑有兩種：丙交酯開環(huán)聚合和直接聚合。反應過程如下所示：

1.2 聚乳酸纖維的特點

PLA 纖維是一種熱塑性聚合物纖維，熔點為175 ℃（PET約為267 ℃），結晶溫度為103 ℃，玻璃化溫度為58 ℃；強度為4.0～4.9 cN/dtex，斷裂延伸率為30%，吸濕率為0.5%～0.6%；具有良好的耐熱性和穩(wěn)定性，日曬500 h后仍能可保持90%的強力，而一般滌綸日曬200 h 后，強力就降低60%[9]。制得的織物質輕、手感柔軟和干爽，還具有蠶絲一樣柔和的光澤。由于結晶度高，織物尺寸穩(wěn)定性好，PLA纖維和PET一樣，容易進行紡織加工[10]，可制成長絲、短絲、單絲和非織造布，廣泛運用于紡織、醫(yī)療、農業(yè)等各個領域。聚乳酸的掃描電鏡測試結果如圖1所示。

由圖1可知，聚乳酸纖維面料的切截面呈扁平圓狀，中間近似圓形，縱向表面比較光滑、呈均勻柱狀，但表面有少數深淺不等的溝槽；其表層和內層具有不同的結構特點，表層較為緊密，切片表面光滑，而內層結構疏松，有空隙，具有皮芯結構。

2 高溫高壓染色

PLA纖維結構類似PET纖維，可以用分散染料進行染色。由于PLA 纖維在120 ℃左右就開始軟化失去強力，不能采用熱熔染色法進行染色，主要采用高溫高壓染色法和載體染色法。染色織物色譜齊全、色澤鮮艷、手感好，但染色牢度不及PET纖維。

2.1 材料和設備

材料：聚乳酸纖維（上海同杰生物材料有限公司），分散黃E-RGFL、分散黃SE-2GL、汽巴綏脫黃EL-F2G，C.I.紅60、C.I.54、C.I.79，醋酸、醋酸鈉、保險粉、純堿。

設備：Ti-Color Ⅱ型紅外染色小樣機（意大利ORINTEX 染色技術有限公司），CM-3600D 型電腦測色配色系統(tǒng)（意大利ORINTEX 染色技術有限公司），M228型耐皂洗牢度試驗機（錫萊-亞太拉斯有限公司）。

2.2 染色工藝

染色配方：分散染料用量x，醋酸/醋酸鈉調節(jié)pH，pH=2～11，浴比1∶30。工藝流程如下：

還原清洗配方：保險粉2 g/L，純堿1 g/L，浴比1∶50，溫度60～65 ℃，時間15 min。

3 結果與討論

3.1 溫度對染色的影響

染料用量2%（omf），浴比1∶30，pH=5，在不同溫度下染色30 min，測試纖維的染色K/S值，結果如表1所示。從表1 可知，PLA 纖維染色過程中，保溫溫度在80～110 ℃變化時，染色樣品的表面深度出現跨越式的增加，因為高結晶的PLA 纖維在染色溫度高于玻璃化溫度（Tg≈62 ℃）時，分子鏈段開始運動，產生孔隙，染料沿瞬時孔隙擴散進入纖維內部；溫度升高，染料的溶解度和擴散速度增加，有利于染料的上染，所以，染色溫度升高，K/S 值增加，而110 ℃與120 ℃的表面深度接近，并達到較高值。從纖維的物理性能上看，120 ℃染色的纖維已經沒有了光滑的手感和纖維的光澤，纖維中夾雜著小尺寸的熔融體，130 ℃染色的纖維熔融結塊，說明120 ℃下纖維已有了熱損傷。而在低溫染色時，不僅上染率低，色牢度也大大降低。

表1 不同溫度下染色纖維的表面深度（K/S值）

PLA 纖維不耐熱，溫度不僅影響染料的擴散速率，還影響纖維的其他性能。根據自由體積擴散模型的WLF方程式可得以下關系：

其中，aT稱為溫度T時的移動因子，DT為溫度為T時的擴散系數，為DTg溫度為Tg時的擴散系數，A、B為高分子物的特性常數[12]。

由WLF方程式可知，纖維的玻璃化溫度（纖維的結晶、取向或水、載體等的作用）越低，染料在纖維中的擴散速率越高。同時，當染色溫度高于玻璃化溫度后，染色溫度越高，染料在纖維中的擴散速率越高。但并不是溫度越高越好，隨著溫度的升高，染料在纖維與染液中的分配率減小，降低了染料對纖維的親和力，會降低染色的上染百分率。

綜合考慮以上因素，PLA 纖維染色溫度選擇110 ℃更適宜，更安全。

3.2 pH對染色的影響

染料用量2%（omf），浴比1∶30，不同的染色pH，110 ℃染色30 min，測試纖維的斷裂強力，結果如圖2所示。

從圖2可知，隨著染色pH的增大，織物的斷裂強力逐漸增大，當pH 達到4 之后，斷裂強力明顯下降。因為PLA是聚酯類纖維，在強酸或者強堿條件下會水解，影響纖維的強力。因此，PLA 纖維的染色應控制在pH=4～5。

染色pH還影響染色的色光。分散染料結構中含有酯基、酰胺基、氰基等基團的分散染料，在高溫堿性條件下，染料發(fā)生水解，引起染料的色光、上染百分率變化，此類結構的染料不適合在堿性條件下染色。另外，在堿性浴中羥基離子化，染料溶解度提高，導致染料色光變化等。而染浴pH過低時，含有氨基的分散染料中的氨基吸收一個質子，發(fā)生離子化，導致染料溶解度增大，供吸效應發(fā)生變化，進而影響染色性能及染色色光。

因此，分散染料染色時，染浴pH 在4～6，此時，染色織物的上染百分率較高，色澤鮮艷度好。

3.3 時間對染色的影響

染料用量2%（omf），浴比1∶30，pH=5，110 ℃，染色不同時間測試纖維的上染百分率，結果如圖3所示。

從圖3 可知，隨著時間的延長，上染百分率緩慢增加，到30～40 min內基本達到最高值；再延長染色時間，部分染料的上染百分率反而下降，如C.I.黃54 和C.I.藍79。說明上染30～40 min后，可能原來已被纖維吸附的染料又部分解吸下來；也可能是由于纖維在染色過程中，染浴冷結晶所致。在上染時間30～40 min內，有幾只染料的上染百分率曲線都趨于平坦，在此區(qū)域內染色有助于減少色差。在染色達60 min時，上染百分率增加的幅度并不顯著，如C.I.黃53。綜合考慮，上染時間以30～40 min為宜。

3.4 助劑對染色的影響

染色過程中需加入適當的分散劑和勻染劑，陰離子表面活性劑可使染料穩(wěn)定、均勻地分散在染液中，通過移染作用實現勻染；但加入助劑后，分散染料對PLA纖維的親和力下降，降低了分散染料在PLA纖維上的平衡上染百分率和飽和吸附量。

加入非離子表面活性劑能降低分散染料對聚乳酸纖維的親和力。因為非離子表面活性劑對分散染料有一定的增溶作用，使染料在染液中的分配量加大，提高了染料吸附滲透到纖維上的量，使上染過程中的染色熱增加，分散染料在染色過程中染色熵的絕對值減小。

3.5 浴比對染色的影響

浴比對染色織物也有影響，浴比小，節(jié)能節(jié)水，但浴比太小會使染色織物產生折皺、擦傷、染色不勻等缺點；浴比大，存在耗能耗水等缺點。因此，浴比選擇應根據設備運行情況及染物的形態(tài)（散纖維、紗線或織物）而定，在保證染色效果的前提下，浴比可適當減小。匹染設備浴比可在10∶1～30∶1。小浴比的染色有的可小到3∶1～5∶1。

3.6 色牢度

在染料用量2%(omf)、浴比1∶30、pH=5、110 ℃染色30 min 的條件下，測試纖維的色牢度，結果如表2所示。從表2 可以看出，用分散染料染色的聚乳酸纖維具有優(yōu)異的耐摩擦和耐皂洗色牢度，耐升華色牢度略差。

表2 聚乳酸纖維的色牢度

4 結論

（1）聚乳酸纖維高溫高壓染色的最佳染色工藝為：染色溫度110 ℃、染色pH=4～5、染色時間30 min。

（2）聚乳酸纖維超臨界染色的最佳染色工藝為：染色溫度100 ℃、時間40 min、壓力20 MPa。

（3）聚乳酸纖維具有良好的染色色牢度。