王繼業(yè)，劉姝瑞，張明宇，譚艷君，霍倩

（1.西安工程大學紡織科學與工程學院，陜西西安710048；2.德永佳集團（東莞)有限公司，廣東東莞523000；3.偉格仕紡織助劑（江門)有限公司，廣東江門529000；4.西安工程大學科技成果轉(zhuǎn)化中心，陜西西安710048)

0 前言

聚乳酸纖維（Polylacticacid Fiber)，簡稱 PLA纖維，屬100%生物基合成纖維，是可再生、綠色、可100%生物降解的合成纖維材料[1]。聚乳酸纖維的基本原料為淀粉，主要從農(nóng)作物（如玉米)中提取，提取出的淀粉，經(jīng)酶或催化劑作用，轉(zhuǎn)化為葡萄糖，葡萄糖經(jīng)過菌種或微生物發(fā)酵（主要為乳酸菌)形成高純度乳酸，再經(jīng)縮聚、熔融紡絲制成聚乳酸纖維[2]。因其來源易栽植，無需使用石油、木材，同時可經(jīng)微生物作用，分解成CO2和水，使用過程無毒產(chǎn)生，不會對自然界帶來嚴重的破壞[3]。聚乳酸纖維的循環(huán)可再生過程見圖1所示。

圖1 聚乳酸的綠色循環(huán)再生過程

由圖1可知，聚乳酸纖維的生產(chǎn)過程，與纖維的加工技術(shù)結(jié)合，資源得到綜合利用，生產(chǎn)出的纖維紡織品及其衍生品，不僅對環(huán)境友好、體感舒適，且具備多種特殊功能，勢必在當今倡導資源保護、追逐時尚個性舒適的服飾材料方面，會成為引導新型紡織品的一股潮流。

1 聚乳酸纖維的基本結(jié)構(gòu)及性能

1.1 結(jié)構(gòu)與合成

聚乳酸纖維是由不低于85%（質(zhì)量)分子鏈的線型大分子形成的合成纖維，由發(fā)酵產(chǎn)生的乳酸基團單體，經(jīng)乳酸的直接聚合（180℃條件下)或丙交酯的開環(huán)聚合（先乳酸脫水環(huán)化再開環(huán)聚合)合成，熔點不低于135℃。兩種聚合方式，前者合成出的聚乳酸纖維的分子量低，分布寬，易氧化著色；后者合成的聚乳酸分子量高，適合做骨固定材料、成纖聚合物。聚乳酸纖維的結(jié)構(gòu)如下：

1.2 聚乳酸纖維性能及應用

圖2 聚乳酸纖維的表面形態(tài)

由圖2可看出，聚乳酸纖維表面有許多不規(guī)則的斑點和細小條紋，這些斑點和條紋有利于形成毛細管效應。

表1 聚乳酸纖維與其他纖維材料的性能對比

由表1可知，聚乳酸纖維的物理性能與滌綸和尼龍6接近。聚乳酸纖維表面有斷斷續(xù)續(xù)的條紋和無規(guī)則斑點，使得纖維表面有許多裂縫、孔洞形成，有易于毛細管效應。當水份存在時，PLA纖維出現(xiàn)良好的芯吸現(xiàn)象，纖維的水擴散性及潤濕性較好，因此聚乳酸纖維具有良好的吸濕導濕性。

聚乳酸纖維的耐紫外線性能好、耐氣候性性能好，但易光降解，經(jīng)自然光照500小時后，纖維的強力能降低45%，聚乳酸纖維不耐存儲，存儲時間越長，強力下降越大，使用過程中需特別留意使用周期及存儲環(huán)境條件。

在可降解的熱塑性高分子材料中，聚乳酸纖維的熔點最高，可燃性低，抗熱性最好，有良好的阻燃性，結(jié)晶度大，透明度好。

有研究者們對PLA纖維進行抗菌性評價，發(fā)現(xiàn)聚乳酸纖維具有抗菌性，洗滌10次以上，或與其他纖維混紡，抗菌性會依然保留。這可能是由于PLA纖維內(nèi)部的微量乳酸留存在纖維的表面，使得材料的表面保持弱堿性，細菌、霉菌等微生物無法附著及繁衍，這相較于其他可降解塑料的微生物易繁殖相反。

正是因為PLA纖維具有良好的吸濕導濕性、抑菌性、阻燃性、生物可相容性、安全性、耐紫外線、耐氣候性，同時易加工，使用過程均無毒副作用，可在生物材料領(lǐng)域、紡織材料領(lǐng)域、復合材料等領(lǐng)域廣泛的應用。

2 聚乳酸纖維及其復合材料性能研究

2.1 聚乳酸纖維性能研究

聚乳酸纖維首先耐酸堿性差、易水解，染色性能差，但優(yōu)于滌綸；其次易光降解，室外暴曬纖維強力下降迅速。因此，在染色、纖維生產(chǎn)、使用加工過程中，我們需留意其酸堿性影響、水解性及光降解，并不斷研究克服這些缺點。

萍鄉(xiāng)學院的曾方等人，應用熔融紡絲法，以一定比例混合聚乳酸與聚3-羥基丁酸酯-4-羥基丁酸酯共聚物，制備聚乳酸共混纖維，并將其織成針織物[4]。對比純?nèi)樗崂w維織物，在織物風格測試（KES)中，共混針織物的 SMD、WT、2HG、2HG5 均減小。共混物的加入，針織物的表面粗糙度得到改善，共聚物于聚乳酸按40∶60比例混合時，織物表面粗糙度3.07μm，表面光滑，且測得針織物易剪切變形，剪切回復力好。

2.1.1 聚乳酸纖維濕熱水解研究

中原工學院李亮等人，研究了聚乳酸纖維在不同水解條件下的力學性能[5-6]。首先在不同pH值條件下處理聚乳酸纖維，并對其聚集態(tài)結(jié)構(gòu)、大分子結(jié)構(gòu)、纖維強力等進行了研究，發(fā)現(xiàn)在不同pH值的水溶液中，聚乳酸纖維的酯基均發(fā)生水解，在高pH值（強堿性)條件和低pH值（強酸性)條件下，水解反應劇烈，纖維表面變粗糙，質(zhì)量損失率高，PLA纖維的初始模量、斷裂強度、斷裂伸長率和屈服強度均下降，大分子平均分子質(zhì)量降低，聚集態(tài)結(jié)構(gòu)被破壞。同時堿性條件較酸性條件水解反應更劇烈，結(jié)構(gòu)、性能損傷也較大。建議在改性、整理、加工過程中控制pH值4～10，處理溫度為40℃～50℃，處理時間為25～40分鐘。

紹興文理學院錢紅飛和錢軍等人，研究了PLA纖維經(jīng)濕處理后，其結(jié)構(gòu)性能的變化。隨溫度升高，纖維的重量損失增加，強力損失增大，結(jié)晶度提高，酸堿加重水解程度。弱堿條件，水解由表層到里層，纖維明顯變細，并產(chǎn)生凹坑[7]。

長春工業(yè)大學褚明利等人研究了聚乳酸改性材料的穩(wěn)定性，在材料中分別加入1%擴鏈劑BDE（1，4-丁二醇二縮水甘油醚)和 1.8%PCDI（聚碳化二亞胺)，PLA材料的韌性分別提高219.8J/m和133.87J/m，耐水解性提高，拉伸強度下降小，并發(fā)現(xiàn)水解會促進樣品結(jié)晶度的增加[8]。

2.1.2 聚乳酸纖維的染整工藝研究

聚乳酸纖維雖屬于合成纖維的一種，可使用分散染料染色，但上染率較低，導致致大部分PLA面料染淺色，且鮮艷度差，同時聚乳酸纖維中的玉米纖維耐熱性差，熔點低，染色不耐高溫，所以需特別留意聚乳酸染整加工中的工藝條件。

紡企咨詢中心的張巍峰對分散染料上染聚乳酸纖維的高溫高壓染色和超臨界染色進行研究[9]，分析了溫度、時間、pH值和助劑等因素對聚乳酸纖維染色的影響，發(fā)現(xiàn)聚乳酸酸纖維染色色牢度良好，并給出高溫高壓染色的最佳工藝：染色溫度為110℃，保溫時間30分鐘，pH值4～5；超臨界染色的最佳工藝：染色溫度100℃，時間40分鐘，壓力20 MPa。

江南大學武奇奇，探討了載體染色和高溫高壓染色條件下，5只分散染料上染聚乳酸織物的性能[10-11]。發(fā)現(xiàn)在高溫高壓染色條件下，隨溫度升高，聚乳酸織物的染色深度加深，但當溫度超過110℃，織物強力下降20%。在載體染色條件下，酯氨類化合物能明顯提高聚乳酸織物的染色深度，K/S值超過高溫高壓染色，織物的耐皂洗色牢度良好，日曬牢度優(yōu)良，頂破強力下降，聚乳酸纖維的表面無損傷，晶體形態(tài)也無影響。載體染色的最佳工藝：0.25%的載體90BHC，2%（o.w.f)的分散紅SE-3B，浴比 1∶40，pH 值 5～6，90 ℃，40 分鐘條件下染色。在載體染色條件下，將合成的具有不同結(jié)構(gòu)的3只偶氮類分散染料上染聚乳酸纖維織物，發(fā)現(xiàn)此3只染料由于吸附聚集體作用，吸附等溫型曲線呈Nernest型，并建立上染聚乳酸織物的親和力模型。

因織造過程中亞麻/聚乳酸纖維混紡紗線易斷紗、破損，河北中紡劉亨昌和石家莊纖檢劉麗，探討了超聲波輔助整理工藝，其最佳工藝分為兩步，第一步，纖維素酶前處理工藝：酸性纖維素酶AL 2%（ o.w.f.)，浴比1∶20，pH 值 5，處理溫度 50 ℃，處理時間40分鐘；第二步，柔軟整理工藝：柔軟整理劑 DT-4500 2%（ o.w.f.)，浴比1∶20，處理溫度50℃，時間30分鐘。經(jīng)兩步處理后的混紡紗線初始模量降低63.74%，紗線手感柔軟、順滑、蓬松，可織性提高[12]。

2.2 聚乳酸復合材料性能研究

由于PLA纖維強力高，具有較高的生物兼容性，可在自然界中完全生物降解，因此在復合材料領(lǐng)域被大量使用，但因其耐旋光性，潮濕環(huán)境下的末端酯基分子鏈易水解，不耐酸不耐堿等原因，需與其他纖維進行復合，提高聚乳酸復合材料的性能，擴寬使用范圍。

2.2.1 復合材料的制備研究

楊丹等人，將棉稈皮纖維與聚乳酸按質(zhì)量比1∶1，在190℃熱壓15分鐘，制備了由聚乳酸包覆填充的，且柔軟的棉稈皮纖維網(wǎng)，該纖維網(wǎng)的拉伸性能良好、彎曲強度優(yōu)良、柔韌性優(yōu)異[13]。

莫達杰等人研究了PHBV/PLA/APP復合材料的熱學性能，發(fā)現(xiàn)當APP的質(zhì)量分數(shù)達到20%，玻璃化溫度降低6.27%，復合材料的冷結(jié)晶及熔融溫度均無影響；當APP的質(zhì)量分數(shù)為5%時，斷裂強度為3.49cN/dtex，達最大；當APP的質(zhì)量分數(shù)達到10%時，燃燒時無熔滴現(xiàn)象，極限氧指數(shù)為32.3%，阻燃等級達V-0級[14]。

上海交大杜思琦等人使用熱模壓一次成型黃麻/PLA復合材料，力學性能優(yōu)異，與黃麻/聚丙烯復合材料相比，黃麻/PLA復合材料的強度和模量均較高，同時可100%的生物降解[15]。

東華大學的鐘國翔等人，使用均質(zhì)分散法，再通過熔融共混和注塑成型，制備原纖化Lyocell/聚乳酸復合材料，發(fā)現(xiàn)4mm初始纖維長度的缺口沖擊強纖維度最大，原纖化后可提高復合材料的維卡軟化溫度，纖維初始長度為10 mm時，復合材料的維卡軟化溫度達到161.4℃[16]。

安徽理工大學徐煜軒對聚乳酸無鹵阻燃復合材料使用硫酸鋇、苯基磷酸（PHBA)、植酸（PA)進行阻燃、增韌改性[17]，發(fā)現(xiàn)制備改性的聚乳酸復合材料時，10%的超細硫酸鋇添加量，沖擊韌性達最大21.98kJ/m2，添加量增加，LOI提高越大；20%超細硫酸鋇的添加，復合材料的 LOI達 22.6%，UL-94阻燃等級達V-2級；但添加25%的硫酸鋇，LOI下降至21.8%。添加PHPA改性，隨添加量增加，LOI增大聚乳酸的熱穩(wěn)定性明顯提高，殘?zhí)悸试黾?，但力學性能降低。使用PA改性所制備的復合材料，隨添加量增加，LOI值提高到 30.5%，UL-94明顯提高，無熔滴現(xiàn)象，熱穩(wěn)定性得到明顯提升，殘?zhí)悸蚀蠓黾?，且有一定的增韌效果。

2.2.2 復合材料性能研究

安徽工程大學楊莉等人研究了椰殼纖維/聚乳酸復合材料在堿處理和纖網(wǎng)層疊復合模壓成型的聯(lián)合工藝下的力學性能，發(fā)現(xiàn)堿處理可有效改善椰殼纖維和聚乳酸樹脂基體間的界面性能。隨堿溶液濃度的增加，椰殼纖維/聚乳酸復合材料的拉伸強度先增大后減小，彎曲強度影響最??；成型溫度對復合材料的拉伸強度影響最小，壓力對彎曲強度影響最大[18]。

黑龍江木材研究所劉一楠等人，研究水環(huán)境下，木纖維/聚乳酸復合材料的力學性能影響。因水環(huán)境使聚乳酸的分子鏈發(fā)生水解反應，少量木纖維的加入，復合材料的靜曲強度降低，拉伸強度降低，加入木纖維增多，兩者均有增加，但木纖維自身親水，吸水體積膨脹，干燥后收縮，不斷的吸水和干燥會對材料界面造成一定破壞，復合材料的拉伸性能和彎曲性能均下降，且隨加入木纖維的量越高，水環(huán)境下，復合材料的力學性能下降越明顯[19]。

湖南工業(yè)大學姚進等人，使用硅烷偶聯(lián)劑處理蘆葦纖維并將其作為填充料，與聚乳酸共混，制備蘆葦纖維/PLA復合材料。由于蘆葦纖維起到成核劑的作用，加快了復合材料的結(jié)晶速度，提高了蘆葦纖維/PLA復合材料的結(jié)晶度，不影響晶型；當溫度過低時，會影響分子鏈運動能力，結(jié)晶速度不升反降[20]。

3 聚乳酸纖維在紡織服裝面料方面的開發(fā)應用

因聚乳酸有與皮膚接近的弱酸性，使得聚乳酸纖維面料親膚舒適，滑爽懸垂，安全貼身，適用于內(nèi)衣面料、時裝、休閑裝、運動面料和衛(wèi)生保健面料等，在紡織服裝面料領(lǐng)域具有廣闊的應用前景。目前開發(fā)生產(chǎn)的含聚乳酸的面料朝著優(yōu)良的芯吸效果、吸濕排汗、抑菌防螨、防霉變方向發(fā)展，其抗靜電性能優(yōu)于滌綸、錦綸，抗污、抗皺性優(yōu)于棉纖維及其他纖維素纖維，同時不易燃燒、發(fā)煙量小、無毒、自熄時間短，適合高檔、舒適、功能性紡織品面料。

3.1 針織面料開發(fā)

河北科技大學張威采用75D/36F竹炭纖維和100D/36F聚乳酸纖維，在單面大圓機上進行編織，開發(fā)了一系列集吸濕快干、防紫外線、抑抗菌、蓄熱保暖、保健、抗起毛起球等多種功能為一體的提花針織面料，配合大圓機的三角排列機織針，可編織出適用于春夏秋冬四季、多種風格的針織面料[21]。

上海連晟紡織品公司的張連根等人使用原色聚乳酸及黑色黏膠混紡，得40S/1聚乳酸/黏膠50/50麻灰色紗，與40D低溫夢絲～交織成針織彈力平紋布。經(jīng)預定型（溫度120℃)、65℃水洗及成品定型（120℃)，成品面料的尺寸穩(wěn)定性好、彈性穩(wěn)定性優(yōu)良，服用性能良好[22]。

北京銅牛針織集團有限責任公司漆小瑾等人研究測試PLA纖維物理性能，確定混紡中羊絨的處理工藝，并紡聚乳酸/羊絨/Modal/棉35/10/30/25紗，織造相關(guān)針織面料，經(jīng)染整和后整理工藝生產(chǎn)的針織內(nèi)衣，測試結(jié)果均符合國家標準[23]。

3.2 機織物的開發(fā)應用

蘇州大學的朱婭楠設(shè)計與織造了聚乳酸長絲與桑蠶絲交織的四大系列，并對織物進行了服用性能、風格測試分析探討[24]，發(fā)現(xiàn)隨著PLA的加入，透濕性增加，透氣性會降低，可通過降低織物的緊密度提升透氣性；隨PLA加入，折皺回復性略有降低，當經(jīng)線為桑蠶絲、緯線為聚乳酸長絲時進行編織，織物的折皺回復性能更好；隨PLA加入，抗起毛起球性能提升，且當PLA長絲作為經(jīng)線編織時，織物的起毛起球性能最好；隨PLA加入，織物剛性提高，如果想降低剛性，可適當降低織物的緊密度，當桑蠶絲作為經(jīng)線參與編織，無論緞紋還是2/2斜紋均可降低聚乳酸/桑蠶絲交織機織物的剛性。

蘇州大學馮雪為設(shè)計開發(fā)了PHA/聚乳酸復合纖維/絹絲混紡織物，并與純絹絲織物進行風格及性能對比分析[25]。與純絹絲織物相比，復合纖維的加入，使得輕薄型織物面料的硬挺度提升，平展度提高，面料更加滑爽，面料的光澤得到改善，但面料的柔順度和絲鳴感略有降低。對于厚重型的面料，與純絹絲織物進行對比，PHA/聚乳酸復合纖維的加入，混紡面料的織物透氣率降低，透濕量變化不大，抗起毛起球相近，絲鳴感降低。

德州學院高志強等人利用噴氣織機編織棉/甲殼素/PLA纖維提花面料，確定面料規(guī)格及編織工藝，設(shè)計小提花花型、織物組織及色彩搭配，制定了棉/甲殼素/聚乳酸纖維的小提花面料生產(chǎn)的主要技術(shù)措施[26]。

太原理工大學肖云超等人將聚乳酸長絲和不同混紡比例的亞麻/黏膠混紡紗并捻為復合紗，編織不同的織物組織結(jié)構(gòu)，開發(fā)出具有吸濕排汗功能的混紡面料。發(fā)現(xiàn)緞紋的吸濕排汗性最佳，隨黏膠含量增加，織物毛效增大，力學性能增強，透濕性和透氣性均減小[27]。

3.3 非織造材料的開發(fā)應用

因聚乳酸良好的生物兼容性和天然抑菌性，對人體使用安全，可用于生產(chǎn)無紡面料，例如以PLA為基材的衛(wèi)生用品，醫(yī)用免拆除手術(shù)縫合線、骨架材料等，同時廢棄物可100%降解[28]。

蘇州大學的馬振朕對聚乳酸非織造布使用納米銀進行抗菌整理，并測試金黃色葡萄球菌和大腸桿菌的抑菌效果，二者抑菌率均達99%以上，洗20次后，抑菌率達98%以上[29]。

華南理工大學的林曉珊使用聚乳酸非織造材料對微生物進行降解，發(fā)現(xiàn)PLA復合材料能夠快速降解檸檬酸桿菌等9種菌珠，11天降解率達21.5%，并建立降解體系[30]。

嘉興學院的金彬煒等人，對聚乳酸/竹炭纖維水刺無紡布，使用微生物發(fā)酵所得天然色素進行染色，上染率60.3%，摩擦色牢度4～5級，皂洗色牢度4～5級，抗金黃色葡萄球菌、大腸桿菌良好[31]。

4 結(jié)語

聚乳酸纖維以從大自然中來再到大自然中去的環(huán)保、可生物降解的性能，再加之其良好的抑菌性、安全性、生物兼容性，勢必會在生物醫(yī)學領(lǐng)域、紡織面料領(lǐng)域、防護衛(wèi)生領(lǐng)域得到廣泛應用。但其染色性能差、易水解、不耐酸堿等不利于生產(chǎn)的缺陷，還需要在不斷研究下得到改善。隨著國家對生物醫(yī)學、生物衛(wèi)生、公共衛(wèi)生防護的重視，以聚乳酸纖維為代表的環(huán)保、抑菌纖維材料，將會在其應用研究上克服自身缺陷，得到長足發(fā)展及廣闊應用。