（纺织工程专业论文）聚乳酸针织物的性能测试及其悬垂性能研究.pdf

摘要 随着人们环保意识的增强，天然降解材料的开发和研究逐渐受到重视。聚乳 酸纤维( p l a 纤维) 就是一种性能较好的可生物降解的纤维，它是采用玉米等自然 资源为原料制取的纤维，从原料到废物完全可以再生利用。p l a 纤维原材料极 其丰富，又具有完全自然、循环型和能生物分解的特点，已被众多专家推荐为“2 1 世纪的环境友好循环材料，是一种极具发展潜力的生态型纤维。 由于聚乳酸纤维有许多突出优异的性能，如优异的吸湿性( 芯吸效应) 、良好 的机械性能、较低的可燃性、生产能耗低、可降解性、良好的手感以及良好的生 物相容性等等，给纺织工业开发新产品带来了新的发展机遇。 本课题首先对聚乳酸纤维的生产技术、纤维的结构与性能进行了详细的综 述。在此基础上，对五种不同混纺比的聚乳酸棉针织物的基本性能( 拉伸性能、 撕破性能、顶破性能、耐磨性能和悬垂性能) 进行了测试与分析，并借助f a s t 织物风格仪测试织物的抗弯性能和剪切性能。 课题的重点是评价五种聚乳酸棉针织物的悬垂性能，从研究评价体系、选 取评价指标到利用图像处理技术和m a t l a b 实现指标的数字化，选取的2 6 个悬垂 性能描绘指标都被转化成了可以分析的实测值。然后利用因子分析法从2 6 个指 标中提取出3 个可以综合反映所有描绘指标信息量的主因子，计算出五种织物的 悬垂性能总分。 随着人们生活需求的提高，以及产品生产成本的进一步下降，聚乳酸织物这 种天然生物降解产品必将有更多的新产品被开发，而随着针织物的外用化发展和 国外服饰文化的影响，针织服装将日益流行，聚乳酸针织物有着广阔的发展前景。 关键词：聚乳酸纤维；悬垂性能；图像处理；m a t l a b ；因子分析 a b s t r a c t w i t l lt h ei m p r o v e m e n to fe n v i r o n m e n t - p r o t e c t i n gc o n s c i o u s n e s s p e o p l et a k em o r e a t t e n t i o nt ot h ed e v e l o p m e n ta n ds t u d yo fn a t u r a lb i o d e g r a d a b l em a t e r i a l s p l af i b e r , w h i c hi sm a d ef r o mn a t u r a lr e s o u r c e sl i k ec o m - s t a r c h ，a n dc a l lb er e g e n e r a t e df r o m b e g i n n i n gt ot h ee n dd u r i n gt h ew h o l ep r o d u c t i o np r o c e s s ，i so n eo ft h em o s tp o p u l a r b i o d e g r a d a b l em a t e r i a l s t h i sf i b e rh a sb e e nr e g a r d e da s “e n v i r o n m e n t - f r i e n d l y m a t e r i a lo ft h e21s tc e n t u r y b e c a u s eo fi t sa b u n d a n tr a w - m a t e r i a la n du n i q u e p r o p e r t i e s p l af i b e rm a t e r i a lh a sm a n ye x c e l l e n tp r o p e r t i e s ，s u c ha se x c e l l e n tw i c k a b i l i t y , g o o dm e c h a n i c a lp r o p e r t i e s ，l o wf l a m m a b i l i t y , l o we n e r g yl o s s ，g o o dd e g r a d a b i l i t y , g o o dm i l d e wr e s i s t a n c e ，e x c e l l e n tu v r e s i s t a n c ea n ds oo n ，w h i c hp r o v i d e san e w c h a n c ef o rt h ed e v e l o p m e n to ft e x t i l ei n d u s t r y i nt h i sp a p e r , t h ep r o d u c t i o n ，t h es t r u c t u r ea n d p r o p e r t i e so fp l a f i b e rw e r e p r e s e n t e df i r s t l y o nt h eb a s i so ft h ei n t r o d u c t i o na b o v e ，w et e s t e da n da n a l y z e dt h e f u n d a m e n t a lp r o p e r t i e so fk n i t t e df a b r i cw i t hd i f f e r e n tb l e n d i n gr a t i o ，s u c ha st e n s i l e p r o p e r t y , a b r a s i o np r o p e r t ya n dd r a p ep r o p e r t yt h a ti ss t u d i e di nt r a d i t i o n a lw a y , a l s o t e s t e dt h e i rb e n d i n gp r o p e r t ya n dt e a r i n gp r o p e r t yt h r o u g hf a s tt e s t e r t h e p a p e rf o c u s e so ne v a l u a t i n gd r a p ep r o p e r t i e so ff i v ed i f f e r e n tp l a c o t t o n k n i t t e df a b r i c s t r a n s f e rt h ed e s c r i b i n gi n d e x e st h a tw e r es e l e c t e dt od e s c r i b ed r a p et o d a t at h a tc a l lb ea n a l y z e dt h r o u g hd i g i t a li m a g ep r o c e s s i n ga n dm a t l a b t h e nu t i l i z e t h ef a c t o ra n a l y s i sm e t h o dt oa b s t r a c t3m a i nf a c t o r sw h i c hc a nr e f l e c tm o s to ft h e i n f o r m a t i o no f 2 6i n d e x e sf r o ma l lo ft h ed e s c r i b i n gf a c t o r s ，a n dc a l c u l a t e dd r a p e s c o r e so ff i v ed i f f e r e n tp l a c o t t o nk n i t t e df a b r i c s f i n a l l ye x p l a i n e dt h et e s t i n gr e s u l t d e p e n do nb e n d i n gp r o p e r t ya n dt e a r i n gp r o p e r t y w i t ht h ei m p r o v e m e n to ft h el i v i n gd e m a n da n dt h ed e c r e a s eo ft h ep r o d u c t i o n c o s t ，p e o p l ew i l ld of u r t h e rs t u d yc o n c e r n i n gt ot h ep l ap r o d u c t s d u et ot h e i n f l u e n c eo ff o r e i g nf a s h i o nc u l t u r e ，k n i t t e df a b r i ch a sb e c o m em o r ep o p u l a r t h e r e f o r e p l ak n i t t e df a b r i cw i l lh a v ear o s yf u t u r e k e yw o r d s ：p l af i b e r ；d r a p ep r o p e r t y ；d i g i t a li m a g ep r o c e s s i n g ；m a t l a b ； f a c t o ra n a l y s i s 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作和取得的 研究成果，除了文中特别加以标注和致谢之处外，论文中不包含其他人已经发表 或撰写过的研究成果，也不包含为获得丞洼王些太堂或其他教育机构的学位或证 明而使用过的材料。与我一同工作的同志对研究所做的任何贡献均已在论文中作 了明确地说明并表示了谢意。 学位论文作者签名：知眈怼 签名吼叩靴谤 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解丞洼王些太堂有关保留、使用学位论文的规定。特 授权丞洼王些太堂可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索， 并采用影印、缩影或扫描的复制手段保存、汇编以供查阅和借阅。同意学校向国 家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权说明) 学位做作者躲自璐题 签名眺中朔扬 导师签 签名日 豸 一一7 月珥f t 学位论文的主要创新点 一本课题研究聚乳酸棉针织物的性能。目前国内外对于聚乳酸纺织品的研究 主要集中在对聚乳酸纤维性能的研究、聚乳酸纤维生产工艺的研究，以及聚乳酸 纤维染色工艺的研究，而对于聚乳酸织物的性能特别是针织物的研究比较少。 二重点研究聚乳酸棉针织物的悬垂性能。侧重研究悬垂性能是受针织物外用 化和韩国、日本等国外时尚文化的影响而做出的选择。 三选取2 6 个描绘织物悬垂性能的指标，克服了传统的仅仅利用悬垂系数反映 织物悬垂性能的片面性，而且采用因子分析法统计五种不同混纺比聚乳酸棉针 织物的悬垂得分，直观地反映出悬垂性能的差异。 四、利用图像处理技术和m a t l a b 编程实现指标的数字化和可分析化。这种评价 织物悬垂性能的新方法是图像处理技术与纺织工业完美结合的一个体现。 第1 章绪论 1 1 聚乳酸纤维简介 第1 章绪论 众所周知，纤维是纺织工业的原材料。而合成纤维的开发使纺织原料更加丰 富，并且因为它具有天然纤维没有的许多特性及功能而得到广泛应用，曾一度在 2 0 世纪9 0 年代掀起了新合纤热潮。然而，进入2 l 世纪，随着人们对环境与可持续 发展的关注，具有环保功能的纤维必将倍受青睐。 聚乳酸纤维( p o l y - l a c t i c a c i df i b e r ) 即为环保型纤维的代表之一，它是以玉 米、小麦等含有淀粉的农作物为原料，经发酵转化成乳酸，再经聚合、熔融纺丝 而制成的合成纤维【i j 。 用玉米等农作物加工聚乳酸产品对综合利用资源，减少环境污染具有重要的 意义和开发价值。然而，随着以石油为原料的合成纤维产量的快速增长，石油过 度开采引起的能源枯竭，以及石油制品使用废弃物的不可自然分解性对环境造成 了极大的威胁。从环保的观点出发，对生物降解材料的研究和开发在全球己变得 非常活跃。聚乳酸纤维是一种性能较好的可生物降解纤维，其废弃物埋在地下， 在微生物的作用下会分解，生成二氧化碳和水，它们在阳光下通过光合作用又会 生成起始原料淀粉，淀粉就是聚乳酸的原料【2 】。可见p l a 纤维的原料是可再生的， 这样一个循环过程满足可持续发展的要求，聚乳酸纤维是一种极具发展潜力的纤 维新材料。 1 1 1 出现背景 由于曾被广泛应用的合成纤维大多由石油提取制得，而石油为不可再生资 源，因现代社会对其需求量极大已经面临枯竭的危险。2 0 0 2 年末推定的可采用年 数约为4 1 年，与经济增长率有关，预计石油在今后2 0 - 7 5 年间将处于供应不足的 境地。 而用于生产聚乳酸纤维的农作物原料极为丰富。根据各国农业部门资讯，仅 2 0 0 0 年几个主要农业国的玉米库存量就达1 亿吨以上，急需寻求消化渠道。以玉 米等农作物为原料生产聚乳酸纤维的工厂，是消化玉米等农作物库存量、创造较 好经济效益的最好途径。因此，从2 0 世纪9 0 年代起，人们便开始了以用于衣料、 生活用品材料和产业用材料的聚乳酸为中心工业生产技术及应用的开发。 第1 章绪论 聚乳酸纤维采用天然可再生的植物资源为原料，减少了对石油资源的依赖 性，同时具有优异的可降解性能，与常规的纤维材料相比，聚乳酸纤维还具有独 特的优异性能，随着人们对环境的f 1 益重视和聚乳酸树脂的大规模工业化生产以 及聚乳酸纤维应用领域的不断开发，这种纤维必将成为2 l 世纪最重要的纤维材料 之一。 1 1 2 发展历史 聚乳酸的研究和开发历史可以追溯到2 0 世纪3 0 年代，当时著名高分子化学家 c a r o t h e r s 曾对聚乳酸的合成做过报道。1 9 4 4 年f i l a c h i e n e 在h o v e y , h o d g i n s ：及 b e g i i 研究的基础上，对聚乳酸的聚合方法进行了系统的研究。1 9 5 4 年d u p o n t 公 司采用新的聚合方法制备出了高分子量的聚乳酸。1 9 6 2 年美i 玉l c y a n a m i d 公司用 聚乳酸制成了性能优异的可吸收缝合线。2 0 世纪7 0 年代聚乳酸在人体内的易分解 性和分解产物的高度安全性得到了确认，作为少数被美国食品及药物管理局 ( f d a ) 批准的生物降解医用材料。 1 9 9 7 年，化学公d o w p o l y m e r s 看好聚乳酸纤维的后期发展，与美国知名谷 物公c a r g i l l 公司各出资5 0 合资组建c d p 公司，1 9 9 9 年开始在美国内布拉斯加 州建造年产1 4 万吨p l a 聚合物树脂的新工厂，并于2 0 0 2 年初正式投产，目前总产 量已达2 0 多万吨，营业额已达3 亿多美元，其中3 0 输往日本。 1 9 8 9 年，日本钟纺公司与岛津制作所合作开发玉米聚乳酸纤维，原料来源于 岛津制作所和c d p 公司，并于1 9 9 4 年开发出商品名为l a c t r o n 的纤维。1 9 9 8 年又开 发出用此纤维制造的系列服饰产品，并于长野冬季奥林匹克运动会上进行了展 示。2 0 0 0 年1 月，钟纺公司与c d p 合作，联合生产聚乳酸纤维树脂。此外，日本 的尤尼吉卡和仓敷公司也相继使用c d p 公司的p l a 聚合物纺制长丝、短纤或用纺 粘法生产非织造布产品。2 0 0 2 年4 月在瑞士日内瓦举办的非织造布贸易展览会 i n d e x 0 2 上，同本大阪的纤维生产商k a n e b og o h s e n 有限公司作了有关p l a 纤维的 报告。该公司目前的年生产能力为7 0 0 吨，并可能根据发展的需求扩大生产规模。 德国i i n v e n t af i s c h e r w c 公司的年产3 0 0 0 吨聚乳酸的实验装置也已获得成功， 并着手进行年产l 万吨的生产线的开发。 目前，在聚乳酸商业化生产中占主导地位的是美国的c a r g i l ld o w 。全球已有 近一百个公司参与- f c a r g i l ld o w 公司的p l a 的开发和p l a 纤维生产销售网，其中 包括日本东丽、伊藤忠以及中国台湾的远纺集团和上海世好公司等。而该公司将 也在不断地扩大生产规模使得聚乳酸的年产量达到4 5 万吨，以满足日益增加的市 场需求【2 ，3 一。 2 第1 章绪论 1 2 聚乳酸纤维的应用前景 由于聚乳酸纤维具有独特的性能优判3 ，5 一，它的应用前景主要涉及以下几个 方面，未来的市场拓展也应该从这几个方面来考虑。 聚乳酸纤维具有优良的物理机械性能，它可以与各种纤维混纺，生产的织物 吸湿透气，悬垂性、抗皱性和光泽性较好，织物穿着轻盈，手感柔软，有丝绸般 的质感，适合加工内衣等产品。 聚乳酸纤维有长丝、短丝、单丝和扁平丝等品种，并可进一步与其它长丝交 织，加工出各种仿丝绸产品，其产品风格独特。其与绵纤维混纺加工的面料，几 乎与涤绵混纺织物具有相同的性能，光泽较涤纶纤维混纺织物优良，且有蓬松的 手感，对皮肤不发粘。 聚乳酸纤维与羊毛和粘胶混纺加工的产品，有良好的形态保持性，较好的光 泽，丝绸般的手感。用纯玉米聚乳酸纤维加工的针织物有较高的收缩性，水汽吸 收能力好，经多次洗熨后仍能保持相对的稳定。 聚乳酸纤维的模量低，刚度小，悬垂性好，结合其丝绸般的手感用作女士外 衣可充分体现高贵、优雅的气质。另外，悬垂性好的优势也拓展了其在悬挂类织 物，如窗帘等方面的应用。 聚乳酸纤维的抗紫外线性能稳定，发烟量少，燃烧热低，在家用装饰市场有 较强的吸引力，因它的优异弹性，更加拓宽了其在该领域的应用。 聚乳酸纤维透气性好，可直接用于加工各种高档非织造布产品，因其优良的 生物相容性、低毒性和生物降解性，在医疗和医学领域上具有广泛的应用前景。 目前，利用它在人体内可降解的特性，可用于外科手术中的缝合线以及骨夹和骨 针等方面。 聚乳酸纤维弹性回复率高，加上它的玻璃化温度适宜，说明它的定型性能和 抗皱性能较好，适宜加工服用面料，尤其它的折射率低，耐紫外线好，不易退色， 洗涤后不变色，因此，适合加工贴身衣服、野外工作服和高档时装。 用微细旦聚乳酸纤维加工的织物有丝的感觉，悬垂性好，耐用性好，吸湿透 气性好，是加工休闲装的理想面料，聚乳酸纤维也可以加工个人护理用品，它天 然柔软，可以迅速将水分从皮肤中导出。 1 3 聚乳酸纤维开发现状及面临的问题 国内聚乳酸纤维的开发和应用研究基本处于起步阶段，且主要集中在医学领 域。聚乳酸在国外研究开发起步较早，处于领先地位。目前世界上大型的生产聚 第1 章绪论 乳酸原料的企业主要集中在美国和西欧，因而聚乳酸的研究和开发也是以美国、 西欧和同本为主。主要生产商见表1 一l 表l 一1 乳酸及其聚合物主要生产商 据预测，聚乳酸在未来的几年中将得到巨大的发展，预计2 0 0 8 年聚乳酸的用 量将达到1 ，1 8 4 ，0 0 0 吨，2 0 1 0 年预计可达到1 ，8 4 2 ，0 0 0 吨，开发和利用聚乳酸 纤维也是其中一个重要的方面。但是，目前在聚乳酸纤维的研究中有许多问题亟 待解决。 1 】生产问题 聚乳酸纤维生产中的最大难题之一就是生产成本及销售价格过高。聚乳酸纤 维是绿色环保新纤维的发展方向，推向市场的关键是降低生产成本和销售价格； 另外，p l a 纤维在制造过程中如何提高聚乳酸分子量和降低聚合物单体残留量也 是难题之一，需大力开展工艺技术研究工作。第三，如何确定相关生产技术来生 产纤维并改善其性质、增强品质也是聚乳酸纤维今后能否发展的关键。 2 染色问题 正确选择分散染料可以生产从浅中等到深色为了获得满意的染色效果，仔 细选用温度和p h 值是关键。由于p l a 纤维的实际使用尚处于早期阶段，简单解 决现阶段p l a 纤维的染色性、色牢度是有困难的，随着对p l a 纤维的组织和结构 的深入研究，厂家应开发专门染p l a 的分散染料和助剂才能有良好的染色效果。 3 回收利用问题 第1 章绪论 加强聚乳酸纤维制品废弃物的回收再利用有着积极的现实意义。 1 4 论文研究的目的与意义 聚乳酸纤维属于生物降解高分子产品，具备了环保型纺织品的特征，而且具 有一些优良的性能特点，在服装面料及产业用纺织品领域有良好的发展前景，将 成为新世纪纤维生产与应用中的主导型产品之一。但由于该纤维目前只有美、日、 德等国的少数公司生产，应用范围有待进一步拓展。 国内外对于聚乳酸纺织品的研究主要集中：聚乳酸纤维性能的研究( 包括与 纺织加工与使用相关的纤维的物理、化学性能的研究、可降解性能的研究、及与 其它各类纤维的性能进行比较) 、聚乳酸纤维生产工艺的研究( 包括纤维的分子 结构、聚合方法、生产工艺等) ，以及聚乳酸纤维染色工艺的研究( 包括染色所 用染料、染色工艺条件、染色对于纤维性能的影响等) 。而对于聚乳酸织物的性 能研究比较少。 本文主要研究聚乳酸棉针织物的性能，涉及基本力学性能，如拉伸性能、 耐磨性能、撕裂性能，另外还通过f a s t 风格仪测试织物的抗弯和剪切性能。而 重点是研究聚乳酸棉针织物的悬垂性能。 聚乳酸纤维的独特性能决定了它广泛的用途，不仅可以作为服装用、还可以 用于装饰等领域。而无论是服装还是装饰材料，悬垂性能是一个需要考虑的方面。 而且随着针织物的逐渐外用化发展、以及受韩国、日本等国外文化的影响，针织 物用于外衣这种情况越来越流行，而一些国际知名的服装设计师也专门举办了针 织裙装的发布会。因此，研究针织物的悬垂性能已经成为一种必要。 1 5 论文研究的步骤与方法 ( 1 ) 聚乳酸纤维的生产与性能综述 通过查阅资料，研究当前加工乳酸、聚乳酸以及聚乳酸纤维的工艺，并了解 聚乳酸纤维的结构、外观形态和性能，包括基本性能和独特性能，作为下一步研 究的基础。 ( 2 ) 面料的制备与基本性能测试 本课题试织了五种不同混纺比的聚乳酸棉针织物，采用相同的组织结构。 分别测试了这五种不同混纺比织物的拉伸性能、撕裂性能、顶破性能、耐磨性能， 还用传统方法测试织物的悬垂性能，并对混纺比对这些基本性能的影响做简要的 分析。 第1 章绪论 ( 3 ) 利用f a s t 风格仪测试抗弯和剪切性能 测试抗弯性能和剪切性能是为研究织物悬垂性能打下基础。因为在影响织物 悬垂性能的各个因素中抗弯和剪切占据着主导作用，所以在这一部分重点研究五 种不同混纺比针织物的抗弯和剪切性能，为分析悬垂性能的差异提供理论依据。 ( 4 ) 聚乳酸棉针织物的悬垂性能研究 通过查阅相关资料，了解悬垂性能的特性和评价体系，合理选取评价指标， 并对其进行理论描述。选定评价指标后，借助数字图像处理技术和m a t l a b 编制 相关程序，实现评价指标的数字化。进而利用因子分析法从多个评价指标中选取 对悬垂性能影响最大，且能最大程度反映原始指标信息量的三个主因子。最后计 算各个因子得分及五种不同混纺比聚乳酸棉针织物的悬垂总分并作比较。同时 利用前一部分中抗弯性能和剪切性能的研究简要分析造成五种针织物悬垂总分 不同的原因。 6 第2 章聚乳酸纤维的生产与性能 第2 章聚乳酸纤维的生产与性能 2 1 聚乳酸纤维的生产概述 2 1 1 乳酸的制备 乳酸是制备p l a 的主要原料，其学名为2 羟基丙酸，即分子中既有羟基，又 有羧基，因此乳酸的缩聚并不需要第三单体。乳酸的生产工艺路线有两种：一是 以石油为原料的合成法，这种方法已经被淘汰，因为石油为不可再生资源，而且 生产成本也比较高；二是以含淀粉的小麦、谷物、玉米、甜菜等农作物为原料的 发酵法。发酵法以其原料充足、生产成本低于合成法且原料利用率和转化率高而 为各国所采用。发酵法是将淀粉类谷物经水解生成葡萄糖、麦芽糖等糖类，再经 特殊酵母菌发酵方法制成。该技术生产工艺流程简单，最早由美国卡吉尔公司开 发并实现工业化生产。 2 1 2 聚乳酸的制备 聚乳酸( p l a ) 是由乳酸聚合而成的一种分子中带有酯键的脂肪族聚酯材料， 具有优良的物理性能和可生物降解性能。p l a 原料既可由乳酸( l a ) 脱水后聚合获 得，也可由丙交酯开环聚合获得。由于聚合单体的不同，因而通常还可将制成的 聚乳酸进一步分为聚左旋乳酸、聚右旋乳酸和聚消旋乳酸。 纺制聚乳酸纤维所采用的聚合物的原料是左旋乳酸。钟纺公司的研究结果表 明，聚乳酸树脂的分子量应在8 1 0 万内，纤维强力要达至u 4 0 9 t c x 以上才能满足后 道加工的要求【3 】。乳酸转化为聚乳酸主要有两条途径，一是丙交酯法，另一种是 直接法，如图2 1 所示。 丙交缬 图2 1 聚乳酸的两种合成途径 7 第2 章聚乳酸纤维的生产与性能 直接聚合法，又称一步法，就是由精制的乳酸直接进行聚合( 缩合) 的方法， 是制备聚乳酸最早也是最简单的方法，杜邦公司、日本三井化学公司都曾经使用 过。乳酸聚合时间的长短受催化剂的影响，聚合物分子量的高低则与聚合温度及 反应体系内的水分含量有关。但一步法制备的聚乳酸分子量一般较低，均分子量 一般小于5 0 0 0 。这样的聚乳酸很难满足加工高分子材料的需要，且聚合反应在高 于1 8 0 的条件下进行，该条件下得到的聚合物极易氧化着色，这也给后道加工 带来了不便【4 j 。 丙交酯法，又称两步法，是当今生产聚乳酸的主要方法。两步法生产聚乳酸 的生产工序为：第一步将乳酸脱水环化制成丙交酯；第二步将丙交酯开环聚合制 得聚乳酸，丙交酯的开环聚合属链式聚合反应。 对于两步法生产聚乳酸而言，乳酸的提纯和环化是制备丙交酯的难点，也是 制备聚乳酸的关键。目前有关乳酸两步法聚合的报道较多，但聚合条件和工艺参 数的选择随引发剂的不同而不同。两步法没有小分子的水生成，不需进行抽真空 排除小分子，聚合设备简单，因此目前世界上聚乳酸的制备大多采用丙交酯间接 聚合法。 2 1 3 聚乳酸纤维的制备 加工聚乳酸纤维分为溶液纺丝和熔融纺丝两种方法。 ( 1 ) 溶液纺丝 聚乳酸的溶液纺丝主要采用干纺一热拉伸工艺。纺丝原液的制备一般采用二 氯甲烷、三氯甲烷或甲苯作溶剂。溶液纺丝法的工艺较为复杂，溶剂回收难，纺 丝环境恶劣，同时所采用的溶液有毒，需经特殊处理，最终产品成本高，从而限 制了其应用。到目前为止采用溶液纺丝制备聚乳酸纤维还停留在实验阶段，尚未 见商业化生产报导。 ( 2 ) 熔融纺丝 熔融纺丝制备聚乳酸纤维的工艺流程为： 聚乳酸树脂一熔融纺丝一拉伸一热处理一聚乳酸纤维。 为了得到质量优良的纤维，对于p l a 聚合物的组成和质量以及技术都有要 求，采用分子量为3 3 0 0 0 0 的聚乳酸进行真空干燥，使其熔点达至u 1 8 6 ，结晶度 在7 5 的情况下进行熔融纺丝【6 1 。聚合物在氮气的保护下从螺杆中熔融挤出。所 制备的聚乳酸纤维的可纺性和拉伸性在很大程度上依赖于聚乳酸原料的质量，同 时由于熔融状态下聚乳酸会很快被水分解，因此在熔融纺丝前必须严格除去水 分。 采用熔融纺丝并不是很困难，各种用于生产涤纶的现行熔融纺丝设备都可采 第2 章聚乳酸纤维的生产与性能 用。虽然从得到的纤维性能来看，干纺纤维的机械性能优于熔纺，但熔纺不需要 溶剂和溶剂回收处理装置，对环境无污染，成本低，所以目前各国的研究开发主 要放在熔纺上。目前，采用熔融纺丝法生产的聚乳酸纤维己进入了商品化生产阶 段，熔融纺丝法生产聚乳酸纤维的工艺和设备正在不断地改进和完善，它己成为 聚乳酸纺丝成形；0 n t 的主流。 2 2 聚乳酸纤维的结构与外观形态 2 2 1 聚乳酸纤维的结构 p l a 和p e t 虽然两者都属于聚酯类，但p e t 是芳香族聚酯化合物，每一重 复链段是以苯环相连结，而p l a 属于脂肪族聚酯化合物，在其每一链段侧面连 结着- - c h 3 基团，这将会妨碍链段旋转，阻止酯基的氧原子接触，p l a 的分子构 象存在3 种异构体，即左旋的l p l a ，右旋的d p l a 以及内消旋的d ，l p l a 。 由发酵得到乳酸含有9 9 5 的左旋异构体，它使光的偏振面按逆时针方向旋 转。左旋含量高的乳酸聚合体是结晶体，可用来生产纤维等产品。d p l a 是顺 时针方向旋转的异构体，右旋含量高( 大于1 5 ) 的聚合物则生成非晶产品。聚左 旋乳酸( p l l a ) 的链构象、晶胞结构如图2 2 所示。 确 _ 附 图2 2 聚左旋乳酸的链构象、晶胞结构 由于其结构是非晶态的，d ，l p l a 降解快，强度耐久性差，只能用作药物缓 9 第2 卓聚乳赜纤维的生产与性能 释载体：l n j d p l a 发l p l a 的机械强度较好，可刚作医丌 缝台线，外科矫l f 材料。 其中l p l a 由于降解产物足左旋乳酸，因而能被人体完伞代谢，无毒、无组织反 应。山不同p l a 的分子构象会对最终纤维的性能产生影响，所以在p l a 形成时 控制这些构象的十h 对比例，就可以得到不同性能的聚台体，聚乳酸单体的聚台过 程见图2 3 。 c h h 呲h c 0 0 h n h2 - 3 檗乳酸单体聚合过料 2 22 聚乳酸纤维的外观形态 粲乳酸纤维坚卷曲状，通过短纤维和长纤维纺牲工序处理以得到良好的加t 性能。短纤维纺丝工序得到的聚乳酸纤维和其他热塑性纤维很相像，具有一定程 度的卷曲，光滑的表面，横截面为近似凼形且表匮】存有斑点，而聚乳酸纤维纵面 存在无规律的斑点及小连续性条纹，罔2 _ 4 为聚乳髓纤维截而形态罔2 5 聚乳睦 纤维的纵i f | j 形态。返些尢胤律的斑点厦不连续性条纹彤成的原凶 要是山于策乳 酸存在着大量的非结品部分，在水、细菌、氧气的存在下可以进行较快的分解 形成的。 蚓2 4 聚乳酸纤维横敲i i 形忐矧2 5 聚乳酸纤维纵而形态 2 3 聚乳酸纤维的基本性能 参考相关文献报导m8 ”，脱将聚乳酸的 笺性能jj 聚月自纤维发聚肚胺进行 第2 章聚乳酸纤维的生产与性能 表2 1 聚乳酸纤维与聚酷、聚酞胺纤维主要性能的比较 ( 1 ) 聚乳酸纤维的体积质量( 1 2 5 9 c m 3 ) 比涤纶的( 1 3 9 9 c m 3 ) 小，因此，其产品比 较轻盈； ( 2 ) 聚乳酸纤维的熔点比涤纶纤维低得多。由于它不耐高温，所以在某种用途和 加工上不适用。乳酸有l 型与d 型两种光学异构体。聚乳酸纤维中d 型异构体的含 量越高，纤维的结晶度越低，熔融温度也越低。若改变两种异构体在聚乳酸纤维 中含量的比例，可使纤维的熔融温度在1 3 0 至1 7 5 之间变化； ( 3 ) 虽然乳酸本身含有羟基等亲水性基团，但在乳酸在脱水缩聚时，失去了亲水 性基团，而形成了带有- - c h 3 的疏水型大分子，因此与涤纶等纤维相似，聚乳酸 也可认为是一种聚酯纤维，回潮率比较低。但是其具有芯吸效应，导湿透气性好， 有良好的服用舒适性； ( 4 ) 因具有高结晶性和取向性，聚乳酸纤维具有较高的强度，与聚酯和聚酞胺基 本相同，己完全达到作为纤维材料的水平； ( 5 ) 折射率低，其产品具有真丝般高雅得光泽； ( 6 ) 断裂强度和断裂伸长率与涤纶接近，但模量小( 与锦纶相近) ，属于高强、中 伸、低模型纤维。杨氏模量可以表征纤维的硬度，杨氏模量高，纤维发硬；杨氏 模量低，则纤维柔软。因此聚乳酸纤维制成的织物手感柔软、悬垂性很好； ( 7 ) 聚乳酸织物具有很好的抗紫外线( t r y ) 稳定性，它在紫外线下吸收值较低，能 保持不受侵害，适合于室外应用领域和室内装饰织物。 2 4 聚乳酸纤维的突出性能 由美国c a r g i l ld o w 公司生产的p l a 纤维已通过o e k o - - t e xs t a n d a r d1 0 0 认 第2 章聚乳酸纤维的生产与性能 证，这种纤维融合了天然纤维和合成纤维的特点，集两者的优点于一体。p i a 纤 维的性能是p l a 本身所独有的，因而无论其在加工过程中还是具体的最终应用均 能很好地保持。独有的特性包括：原料丰富、生产能耗低、耐燃性能、可降解性、 天然抑菌及皮肤相容性、吸湿快干和保暖性能等【3 , 5 , 7 , 8 , 9 】。 2 4 1 原料丰富 聚乳酸的生产原料可以再生，原料来源符合可持续发展的要求。聚乳酸以地 球上可不断再生而取之不竭的含有淀粉的农作物作为原料，发酵制得乳酸，进而 制得其环状二聚体一丙交酯，经聚合而得。因此，在这一点上将可以摆脱石油化 纤的原料威胁而与再生纤维素纤维相抗衡，而在原料选择方面又比主要选用天然 木材和棉籽绒类天然高纯度纤维素资源为原料的再生纤维素纤维更加普遍易得。 2 4 2 生产能耗低 聚乳酸纤维采用淀粉原料，生产纤维的能量消耗低于涤纶、锦纶、腈纶三大 合成纤维。其产品综合能耗是目前大类化学纤维生产中最低的。生产不同品种纤 维的能量消耗详见表2 2 。 表2 2 合成纤维生产能量消耗表 2 4 3 燃烧性能 纤维品种能量消耗) l j k g p l a p e t p a p a n 6 7 1 3 4 2 2 3 2 4 9 聚乳酸纤维在燃烧过程中，只有轻微的烟雾释出，发烟量很小，烟气中不存 在有害气体；燃烧放热量小，燃烧热是聚乙烯( p e ) 、聚丙烯( p p ) 的l 3 左右，虽然 它不是阻燃纤维，但与涤纶等相比，自熄时间短，火灾危险性小，聚乳酸纤维的 限氧指数是常用纤维中最高的，已接近于国家标准对阻燃纤维限氧指数的要求 ( 2 8 - 3 0 ) ，如表2 3 所示。 1 2 第2 章聚乳酸纤维的生产与性能 表2 3 三种纤维燃烧性能对比 2 4 4 降解性能 据日本纤维科学杂志介绍，p l a 纤维的初始原料淀粉再生循环周期短， 平均为1 2 年。该纤维使用后的废弃物埋在土中或水中，可在微生物分解下生成 c 0 2 和h 2 0 ，它们在阳光下，通过光合作用又会生成起始原料淀粉这样一个循 环过程既能重新得到p l a 纤维的初始原料淀粉，又借助光合作用减少了空气中二 氧化碳的含量，循环过程见图2 6 。 i 生物降解1 日i 二氧化碳和水i 太阳能 h 物l 淀粉岛 一 l 产品l 臼l 聚乳酸纤维l 臼i 聚乳酸i 图2 - 6 聚乳酸的自然循环系统 研究表明，聚乳酸纤维降解不同于天然纤维直接微生物酶解的方式，聚乳酸 降解的根本原因是聚合物链上酯键的水解，它的降解方式是必须先行水解，之后 方可进行酶解。在自然环境下首先在无定形区发生简单的水解作用，使分子链破 裂而形成较低分子量的组份，p l a 末端羧基对其水解起自催化作用。水解到一定 程度后，在生物酶的作用下进一步分解成二氧化碳和水，从而使降解过程得以完 成。第一步的水解作用非常重要，在不同条件下的水解速度将有较大变化，水解 速率不仅与聚合物的化学结构、分子量及分子量分布、形态结构和样品尺寸有关， 而且依赖于外部水解环境，如环境温度、湿度、p h 值、微生物的种类及其生长 条件等，降解产生的二氧化碳随后在植物光合作用下，它们又会成为淀粉的起始 原料。聚乳酸材料使用后，可以进行自然降解，不会污染环境。 第2 章聚乳酸纤维的生产与性能 2 4 5 天然抑菌及与皮肤相容性 由于聚乳酸的特性，纤维本身不用；0 n - r 就在纤维表面形成自然、平稳的抗菌 环境，黄色葡萄球菌等难以繁殖。p l a 纤维表面的p h 值在6 6 5 ，为弱酸性，健 康的皮肤呈弱酸性，p l a 与弱酸性的皮肤相容性好。同时，人在运动时，体内的 糖转变成能量，并在体内( 肌肉) 形成了乳酸，而人体内原本就有乳酸，并且乳酸 可被人体分解吸收，作为碳素源被充分利用。因此，聚乳酸也被认为是对人体绝 对安全的材料，用它制成的织物不刺激皮肤。并且，p l a 汗衫已经日本产业皮肤 卫生协会的皮肤贴布试验，确认其有安全性。 聚乳酸的这种特性使其在医学领域得以广泛应用。从上世纪7 0 年代已用作外 科手术中的特殊器材、移植物与整形材料，如手术缝合线、骨夹、骨钉等以及作 为缓释药物的包囊材料等等。目前，聚乳酸在医用绷带、一次性手术衣、防粘连 膜、尿布、医疗固定装置等方面的应用也很普遍。 解放军总医院和清华大学联合开发研制的新型聚乳酸血管内支架代替进口 金属支架的工作，已经于2 0 0 3 年2 月份正式宣告成功。报道说，采用聚乳酸支架 避免了采用金属支架植入对血管的慢性损伤和机械性刺激。据统计大约有2 5 一 3 0 的患者在金属支架植入后的3 6 个月内会发生血管再狭窄，需要再行实施血 管搭桥术。研制者利用聚左旋乳酸的可调节降解速率的性能和它的生物相容性， 可有效抑制血管内膜增生。他们还在所实施的支架上进行了表面造孔和涂膜，使 支架上同时携带有抗血栓、抗血管增生等多种药物，可在支撑狭窄段血管的同时 缓缓释放药物，对局部血管病变进行治疗，并当狭窄段血管通畅内膜愈合完好后 支架自然降解，这为防止血管再狭窄的发生开辟了新的途径。 2 4 6 吸湿快干和保暖性能 冬暖夏凉乍一看是一对矛盾，但p l a 能根据不同的季节发挥不同的功能。冬 天穿用，保温性比棉及聚酯纤维高2 0 以上( 经热传导率试验) 。夏天穿用p l a 织 物，透湿性、水扩散性优异，吸汗快于，可通过蒸发迅速带走体热。并且一年四 季都有舒服的感觉。 2 5 本章小结 ( 1 ) 乳酸是制备p l a i 胜要原料，以含淀粉的小麦、谷物、玉米、甜菜等农作物 为原料发酵制得。 ( 2 ) 聚乳酸的制备大多采用丙交酯间接聚合法，而熔融纺丝法是生产聚乳酸纤维 1 4 第2 章聚乳酸纤维的生产与性能 普遍的加工方法。 ( 3 ) 聚乳酸纤维呈卷曲状，表面光滑，横截面为近似圆形且表面存有斑点，而纵面 存在无规律的斑点及不连续性条纹。 ( 4 ) 因具有高结晶性和取向性，聚乳酸纤维具有较高的强度；断裂强度和断裂伸 长率与涤纶接近，但模量小( 与锦纶相近) ，属于高强、中伸、低模型纤维。 ( 5 ) 聚乳酸纤维的杨氏模量低，纤维很软，以其为原料制成的织物手感柔软、悬 垂性很好。 ( 6 ) 聚乳酸纤维有很多独特的性能，包括：原料丰富、生产能耗低、耐燃性能、 可降解性、天然抑菌及皮肤相容性、吸湿快干和保暖性能等。 第3 章聚乳酸面料的制作及基本性能测试 第3 章聚乳酸面料的制作及基本性能测试 现阶段对聚乳酸混纺织物的研究主要集中于机织物，但针织物本身具有很多 的特点，编织聚乳酸混纺针织物并研究其性能是有现实意义的。 3 1 织物的制备 3 1 1 纱线原料 本课题采用纯棉纱、聚乳酸棉( 3 5 6 5 ) 、聚乳酸棉( 5 0 5 0 ) 、聚乳酸棉 ( 6 5 3 5 ) 及纯聚乳酸纱五种纱线。 3 1 2 针织物结构参数 编织机械：圆型棉毛机 成圈路数：1 2 路 筒径：7 6 2 m m 组织：双罗纹组织 五种织物：聚乳酸棉分别为o l o o 、3 5 6 5 、5 0 5 0 、6 5 3 5 、1 0 0 0 织物下机后我们将毛坯布平铺静置干松弛7 2 小时，使织物能松弛并接近平衡 状态，然后测量织物的相关尺寸和参数，如表3 1 。 表3 - 1 聚乳酸织物相关参数 3 2 基本性能测试 3 2 1 拉伸性能 本课题的拉伸性能是测试织物的一次位伸断裂性，即织物一次拉伸至断裂时 1 6 第3 章聚乳酸面料的制作及基本性能测试 的性能，考核指标为断裂强力和断裂伸长率【l 。 测试仪器：南通宏大h d 0 2 6 n 电子织物强力仪 测试形式：条样法拉伸速度：1 0 0 m m m i n 拉伸隔距：1 0 0 m m试样宽度：5 0 m m 测试次数：纵横向各4 次 针织物的试条在拉伸时，由于横向收缩，是在钳口处产生的剪切应力特别集 中，因而造成大多数试条在钳口附近撕断，影响试验的准确性。为了改善这种状 况，根据有关试验研究，以采用梯形或环形试条较好。这两种试条的拉伸伸长均 匀性都比矩形试条好，因此用来测试针织物的拉伸性能比较理想【8 1 。 测试结果见表3 2 。 表3 2 拉伸性能测试数据 测试指标断裂强力( n )断裂伸长率( ) p 呲纵向 2 1 8 0 06 7 3 5 0 1 0 0横向 1 1 7 0 02 8 9 2 4 p i a c 纵向 2 3 7 0 06 0 5 6 3 5 6 5 横向 1 2 8 0 02 5 0 1 5 p i ，a c纵向2 6 0 0 07 4 6 4 5 0 5 0 横向 1 3 2 0 02 5 3 9 8 p 呲纵向 2 6 9 o o5 6 0 2 6 5 3 5 横向 1 5 0 0 02 7 6 3 9 p l a c纵向3 8 4 0 0 7 5 1 0 1 0 0 0 横向 l7 0 0 02 9 7 9 6 运用s p s s 统计软件对混纺比与纵、横向拉伸断裂强力的实测值进行拟合。 第3 章聚乳酸面料的制作及基本性能测试 据乳酸纤维含量( ) 图3 1 混纺比与纵向拉伸断裂强力的关系 y = 0 0 1 9 2 x 2 0 3 0 6 6 x + 2 2 0 0 8 8 ，r 2 = o 9 8 6 聚乳酸纤维含量( ) 图3 2 混纺比与横向拉伸断裂强力的关系 y = 0 0 0 3 1 x z - 0 2 4 1 7 x + 3 8 6 4 ，r 2 = o 9 7 5 通过混纺比与五种针织物的纵向、横向拉伸断裂强力的实测值拟合得到的二 次曲线的拟合优度都很高。 针织物在拉伸时，试样不仅沿拉伸方向伸长，并且在垂直于拉伸的方向上明 显缩短。在拉伸的前阶段，针织物的变形主要是由屈曲缠绕的线圈形状的改变而 引起的，到拉伸的后阶段，才明显发生纱线本身的伸长。此后，产生部分纱线的 断裂，线圈脱散，最终导致试样解体破坏【1 0 1 。 第3 章聚乳酸面料的制作及基本性能测试 织