（纺织工程专业论文）聚乳酸纤维性能及产品开发研究[纺织工程专业优秀论文].pdf

摘要 聚乳酸纤维以聚乳酸淀粉为原料，先将其发酵制成乳酸，然后经缩合、聚合反 应制成聚乳酸，再利用耦合剂制成具有良好机械性能的较高分子量聚乳酸，最后经 过关键的化学改性，将其强度、保水性提升，纺制成纤维。由于该纤维的初始原料 为淀粉，其废弃物在土壤中微生物的作用下可分解成二氧化碳和水，完成自然循环， 不会污染环境。再生循环周期短，大约为1 年到2 年，其产生的二氧化碳可经植物光 合作用减少在大气中的含量。聚乳酸纤维因其具有较高的结晶度和取向度，从而具 有高耐热性和较高强度。 通过对聚乳酸纤维、l y o c e l l 、m o d a l 、羊绒、大麻、竹浆纤维、丽赛等纤维性 能的研究，优化了多组份纤维组合，确定了合理的混纺比；选取优化了合理纺纱工 艺，解决了各纤维之间因强力、弹性、伸长及细度等性能的差异而带来的纺织工艺 难题。研制出1 4 7 t e x 聚乳酸l y o c e l l 棉、聚乳酸m o d a l 棉聚乳酸羊绒m o d a l ， 1 8 4 t e xl y o c e l l 竹浆纤维棉大麻，1 8 4 t e xl y o c e l l 丽赛棉大麻多组份混纺 纱。 通过织造工艺技术改进和工艺优化，解决了多组份混纺纱可织性不佳的技术难 题，开发出1 4 7 t e x 聚乳酸l y o c e l l 棉、聚乳酸m o d a l 棉、聚乳酸羊绒m o d a l 多组份针织面料和服装，及1 8 4 r e xl y o c e l l 竹浆纤维棉大麻，1 8 4 t e x l y o c e l l 丽赛棉大麻机织面料，为纤维素纤维类组合产品，具有生物降解、耐紫外光好、 吸湿、透气的生态环保纺织品特征，手感柔软，悬垂性好，不起球，光泽柔和，亲 肤舒适。 通过测试了织物的物理机械性能、悬垂性、耐磨性、抗顶破强力等，得到了相 应的实验结果，对比分析了不同品种织物的服用性能。 关键词：聚乳酸纤维；混纺织物；服用性能 硕士研究生：侯瑞春( 纺织工程) 指导老师：曲丽君教授 产= ，t ，专r 霸， p - a s e do i lt h es t u i 冷l i l t , _ e ：，”，：! 。so fp i 气：i ：j 。e o ，：t t j ：畦，t a b ；) i 订。 。j b c ! j l p ， b a 。b n o t - i ：i 妒勺s ；c ，：o ；。n r ：；，t ? -t ht h e r 奠p 髫、，、11 宴t t o f ! jr ，v ：c h n o t a g y ，i j j 。p a p e r fj j ：j _ 、，! ! t t i ：二曲? 、c i ：s j p j i i ：。 一f 。；yp e r f o r h ：卫二。c ：l 彳盘。：7 1 靠o f ：。1 s i l e c ；二c i t y ：1 1 。o j l e 、st jj ! 7 o j ：i 。) ：，；矗， i 丸e o s i ( 骆e ：赫，n 嚣越、：、誓o f op 王a g 和积f ；i e ，m 嘞ib i e r ，1 e dk l t t e df a b j j ra 1 w e ； c n t 易：- q ie ：il 囊强：i sp 箍p 誊l 0 s ：二i ：锄n 曩袅礤si 骖移f ? ，r 。勃t 啭。曼：p r o p c r t i e ：g ，t g f 终：i ：拓_ 、t j ， + r - 巧一p p 、ic ，钟黜q 馋敞pp j 谚。# w 睫y 榨lb o 一_ 毒：虿_ 铲+ ? 叶下h e 唯裔i 躲i r r - _ ! r _ ：”。阳d c r e l l s i i ：? c ，；穸，c ，t e n s o e 艘：t 黟h ，e l o r l 粤两e 珏黔珏锄国。t e a f fg t l r v e ，t e a rs t r ：n 誊斑， b t 叠，r t t i j l g8 i r 。n 龟，i n t1 f e c o ( 舅cl e n t ，b 融d j 盯gk 啦0 j 0 嘞嗷。盂一a n ds - “，o $ 1 。 c o m 扣哪矧ie 搬蹈鸱o f , ：1 e n ：i e dk 出t c d 珈呔3 啊黼酚，i i e , ；- a e n t ) a r 撼。仍弧町m p 。o 。! 西二：) ? o 。：o ；：一- i a ，。：，q c ，1 ：，：j o j 。t ：，； 屹g “ 二羹。：螽。电：j ； l 乞i e b 江。：o ? j ， ? ： ji ? t ；一一，衍哆，。：ib 。：t # 、。j ：_ ，! ：r ，j 一! ：；。一一? ：。，j 矗数珏。岔二二龟，! 鼍落_ o 呷t ：j ：? 。_ c 。11 。和 囊r 奠；：如：3 群辨伊叶v ，。广t ；i e 。o o ( 。吼h e r ! d i n gr i g ；矗y ：j ，雩b u s t i n gg r e n g 国。fp 1a ? 。s - ? ：。、 p o d 建! 妇謦2 ，皆；：n ! j e d0 、b 囊ej i p - b p 白e e pp 了厶脚蠢0 2 l ic e ! ! j 歌b l , m d e dk n i i t ：d l 互b 秘f 琏 j dp i 。气f e r t c e t c o t t o nb l e n d e a c o m p a 一n g 、 ，l i ho t h e rf a 6 r i c s k n i t t e df a b l e 鞭! l 缸gp r o p e r t b 话s l i g h t l yb e 铅 p o s t g r a d u a t e 嘲d ! 赣t r t 臻峨争睫孰 。磷7 了：i i ee n g i n e e r i n g ) d i r e c t e d 阶o f ! ti - i - q k e yw o r 6 s ：c o r nf i b e l 。；r i t i g - 嚣p t t 娃y a r n ；l a i ；ii c ；w e m 。a 虹i “唾 学位论文独创性声明 本人声明，所呈交的学位论文系本人在导师指导下独立完成的研究成果。文中 依法引用他人的成果，均已做出明确标注或得到许可。论文内容未包含法律意义上 已属于他人的任何形式的研究成果，也不包含本人已用于其他学位申请的论文或成 果。 本人如违反上述声明，愿意承担由此引发的一切责任和后果。 论文作者签名： 俘磷楞 日期：p 。怍毛月谰 学位论文知识产权权属声明 本人在导师指导下所完成的学位论文及相关的职务作品，知识产权归属学校。 学校享有以任何方式发表、复制、公开阅览、借阅以及申请专利等权利。本人离校 后发表或使用学位论文或与该论文直接相关的学术论文或成果时，署名单位仍然为 青岛大学。 本学位论文属于： 保密口，在 年解密后适用于本声明。 不保密面。 论文作者签名：彳砭旗韬 日期：枷? 年月叼 聊繇汐、雄去敝嗍- 口降6 月 。日 第一章引言 1 1 聚乳酸纤维综述 1 1 1 聚乳酸纤维的简介 第一章引言 聚乳酸纤维( p o l y l a c t i ca c i d ) ，简称p l a 纤维。该纤维以聚乳酸淀粉为原料，先 将其发酵制成乳酸，然后经缩合、聚合反应制成聚乳酸，再利用耦合剂制成具有良 好机械性能的较高分子量聚乳酸，最后经过关键的化学改性，将其强度、保水性提 升，纺制成纤维。由于乳酸是存在于动物、植物及微生物间的天然物质，易于自然 降解。其废弃物在土壤中微生物的作用下可分解成二氧化碳和水，完成自然循环， 不会污染环境。由于该纤维的初始原料为淀粉，其再生循环周期短，大约为1 年到2 年，其产生的二氧化碳可经植物光合作用减少在太气中的含量j 聚乳酸纤维因其具 有较高的结晶度和取向度，从而具有高耐热性和较高强度，但在太阳光长期照射下 亦会缓慢降解【。 发展聚乳酸纤维具有重大的社会经济意义：据介绍，我国有极丰富的聚乳酸原 料，每年产量达1 5 亿吨，占世界聚乳酸总产量的1 4 左右。使用环保型新纤维是2 l 世纪纺织工业进一步研究开发的重要课题。根据聚乳酸纤维的特性和用途，它将是 2 1 世纪新型环保纤维市场的主导产品之一，聚乳酸纤维的需求量必然会不断扩大。 从环保的观点看，聚乳酸纤维能以低原料能源来取胜于合成纤维，并且在生物降解 方面聚乳酸纤维具有优良的特性。所以，开发生产以聚乳酸为原料的聚乳酸纤维将 孕育着极大的商机。在我们纺织这个被称之为“环保问题严重”的行业生产使用新 型环保纤维就更为重要了。 聚乳酸纤维种类及其构成 ( 1 ) 聚乳酸维卡拉纤维也i n v i c a r a 纤维，是聚乳酸蛋白质纤维的代表作。它是 利用聚乳酸残渣状蛋白分子变成羧酸钠基，结成盐链结，再以湿法纺丝法纺成维卡 拉纤维。v i c a r a 纤维的横断面呈圆形，纵断面则为半透明的圆柱状。 ( 2 ) 乳酸有两个光学异构体( 对映体) ，分别称为l 一乳酸和d 一乳酸。用乳酸 单体制备聚乳酸主要有两种途径：直接缩聚法，需用溶剂和高真空条件脱水； 青岛人学硕十学位论文 温和条件下脱水生成丙交酯中间体，由丙交酯开环聚合，不用溶剂。聚乳酸纤维是 将聚乳酸发酵制得乳酸，经由缩合聚合反应制成聚乳酸，再利用耦合制成具有良好 机械物理性能的较高分子量聚乳酸，再经过关键的化学改性，将其强度、保水性提 升，并将其纤维化。利用聚乳酸淀粉加上独特技术生产的聚乳酸，经不断研制后生 产出n a t u r e w o r k sp a l 聚乳酸，现已成为一些纤维生产大公司生产聚乳酸纤维的生产 原料。 ( 3 ) 聚乳酸t e r r a m a c 纤维是以乳酸环化反应后开环聚合成聚乳酸，再纺成纤维 的，是一种商品化相当成功的环保纤维，它的安全性高，燃烧不会产生有毒气体。 t e r r a m a c 产品有纤维、不织布和膜三种。产品的聚合物范围在l o m 2 - - 1 0 0 9 m 2 之内， 能纺制细旦长丝，其分解速度由素材的重量、厚度以及外在环境条件下能有效控制 【2 】 o 聚乳酸纤维与其他再生蛋白质纤维性能相近，其共同的最大特点是在产业用途 中具有良好的环保性能；纤维的强度、吸湿性、伸长性以及染色性能都和常用的化 学纤维相近。聚乳酸纤维的特性使其除可以用来做内衣、外衣和运动服外，更多的 用于产业用纺织品。高结晶性、高取向性、高耐热性和高强度，同时具有较好的滑 爽性、柔软舒适、干爽透气和抗紫外线功能，并有良好的光泽弹性和膨松性，它融 合了天然纤维和合成纤维的特点，集两者的优点于一身，聚乳酸纤维独特的优良性 能，极大地增加了它的附加值，由它开发的产品具有很好的悬垂性、抗皱性及生物 可降解性【3 1 。 聚乳酸纤维在医学领域有很大的应用，它可制成医用手术缝合线、医用无纺布、 绷带、纱布、脱脂棉，其复合材料可作为骨结合部固定材料等。 聚乳酸纤维由于优越的特性在生活中逐步得到人们的青睐，如婴儿尿布、妇女 卫生巾、妇女胸罩、食品包装袋、野外旅行用品等。 聚乳酸纤维有广泛的应用价值，它可制成纱、织物、纺织物、非织造布，可加 工成短纤维、复合丝和单丝，可以与棉、羊毛或粘胶等可分解性纤维混纺，该纤维 在欧美经济发达国家得到广泛的应用，是目前世界上最完美的环保型、绿色纤维。 2 第一章引言 1 1 2 国内外研究现状和发展趋势 早在1 9 3 2 年，杜邦公司的c a r o t l l e r s 就已经用乳酸( 1 a c t i c a c j d ) 以真空加热方式生 产一种低分子量的聚乳酸聚乳酸，但是一直受限于无法提高它的分子量，便放弃了 此项研究。聚乳酸纤维一词始见于1 9 4 8 年。那时，美国的h 化学公司研发了一种 称之为“维卡拉的产品，是聚乳酸蛋白质纤维。直至1 9 5 7 年已经可以批量生产维 卡拉纤维。之后，美国知名的谷物公c a r g i l l 从聚乳酸中生产出非蛋白质聚合物， 冠商品名为“n a t u r e w o r k s t m ，最初的产量为3 0 0 0 吨左右，继之扩产至u 6 0 0 0 吨。 1 9 8 9 年c a r g i l l m d o w 与日本的公司合资，由日本钟纺公司开发聚乳酸纤维。 1 9 9 4 年日本钟纺公司与日本岛津制作所开发出的聚乳酸纤维，冠商品名为 “l a c t r o n 。1 9 9 8 年制成一系列产品，商标名为“聚乳酸纤维”，并于长野举办的 冬奥会中，展出了以聚乳酸纤维制作的各种服饰。c a r g i l l - - d o w 最近又与台湾远东 纺织公司组成策略联盟，将其聚乳酸纤维技术授权，这是该公司在亚洲授权的第二 个公司，构成亚洲攻势。远东纺织公司授权的聚乳酸纤维的商品名为“i n g e o ，在 亚太地区销售。 1 9 9 7 年美国化学公d o w p o l y m c r s 与c a r g i l l 合作组成c d p 公司，它们看好聚乳 酸后势发展，全力发展聚乳酸纤维。目前正在兴建1 4 万吨的聚乳酸纤维原料( 高分子 聚丙交酯) 的生产工厂。正是由于这一做法在商品市场上是一个了不起的壮举，科 学美国人将其评为2 0 0 2 年度全球5 0 佳，成为企业先驱。美 c a r g i l l - - d o w 公司采 取的扩展战略，一是扩大自己的聚乳酸纤维原料生产规模( 控制该项技术) ，另是原 料输出并组建新的企业公司，开发新产品【4 1 。 2 0 0 0 年c d p 公司又与钟纺公司合作，联合生产聚乳酸树脂等新品种。这样，生 产聚乳酸纤维成本过高的问题就可因聚乳酸树脂工厂的投产而得以解决【5 1 。 相比其它化学纤维的生产，聚乳酸纤维的生产还在发展的初期。近些年来，随 着环保问题的日益突出，国内纺织业对绿色纤维材料的开发也越来越重视。聚乳酸 纤维就是其中一种。 我国从2 0 世纪8 0 年代术丌始着手进行关于聚乳酸及其共聚物的研究，主要研究 聚乳酸及其共聚物的合成、结构及性能。从事过这方面研究的科研院所有浙江大学、 东华大学、成都有机所等。9 0 年代术，东华大学( 原中困纺织大学) 的郯志清、沈新 1 青岛大学硕士学位论文 元等曾对1 0 9 0 的丙交酯乙交酯共聚进行熔融纺丝研究。 在国内，2 0 0 3 年上海华中公司所属的上棉十七总厂以纯棉纱作经、以聚乳酸纤 维长丝聚乳酸纤维作纬纱，在进口片梭织机上开发试制成“聚乳酸梭绢 等织物面 料，已推向市场。上海第十化纤厂目前同c d p 公司探讨共同开发p l a 短纤维产品的 可能性。 2 0 0 2 年上海华源股份有限公司开始与美国c d p 公司合作，成为国内第一家实 现工业化开发聚乳酸聚乳酸产品的化纤企业。上海华源股份有限公司的p l a 纤维 加弹丝和拉伸丝及布样已在2 0 0 3 年的上海国际面料展上亮相，我国的聚乳酸产量 占世界产量的1 4 ，发展聚乳酸纤维具有重大的社会经济意义。 世界经济赖以依存的石油资源和矿物能源，由于不能再生，随着广泛的开采与 利用，会导致能源枯竭。不可降解的高分子材料造成的“白色污染，已经成为全 球公害，因而谋求完全可降解的“绿色 环保再生材料成为了当今材料领域研究的 主流。“聚乳酸纤维”就是其中之一。并且随着人们工作节奏的加快，工作压力的 增加，越来越多的人们能在工作之余得到轻松、休闲，故而崇尚自然、舒适美观、 卫生保健的休闲服装，要求服装具有“轻、柔、松、垂等穿着舒适的休闲特点， 推动了纺织纤维原料和服装面料的发展。目前，纺织纤维和服装面料的主要趋势集 中表现在三个方面：其一是，纤维素和蛋白质类面料所占纺织面料的份额持续增加； 其二是，导湿透气、服用舒适的新型化学纤维将会得到进一步的发展，如超细、中 空、聚乳酸纤维等：其三是，多组分差别化纤维面料，由于融合了多种纤维的特点， 受到消费者的青睐。 聚乳酸纤维是以人体内含有的乳酸作原料合成的乳酸聚合物，对人体而言是绝 对安全的。经测试以聚乳酸纤维纱线制成的圆形针织布不会刺激皮肤，且对人体健 康有益，并有舒适感。 聚乳酸纤维性能优越，有极好的悬垂性、滑爽性、吸湿透气性、良好的耐热性 及抗紫外线功能并富有光泽和弹性，可作内衣、运动衣，时装等，由于聚乳酸纤维 纱线柔软、色泽艳丽，特别适合做女装。 聚乳酸纤维还可以用于制作修复骨缺损的器械：骨板、骨螺钉、缺陷填充材料 等，用于工程组织( 包括骨、m 管、神经等) 制作支架材料。药物缓释材料是聚乳 4 第一章引言 酸纤维在医疗领域的又一个广泛应用的用途，尤其是缓释蛋白质类和多肽类药物具 有特别的优越性。聚乳酸纤维是第三代生物材料的典型代表【2 1 。 聚乳酸纤维以价廉量多的淀粉作原料，又具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 世纪的环境循环材料”，是一种极具发展潜质的生态 性纤维。根据服装面料的发展趋势对纤维原料的要求和聚乳酸纤维本身的特点来 看，聚乳酸纤维是一种迎合时代发展需求、受到消费者青睐、很有发展前途的环保 型纤维。 1 1 3 聚乳酸纤维的性能研究 刘森3 1 也对聚乳酸纤维的性能用途做了研究。魏小娅【2 】通过研究聚乳酸纤维概 况、技术路线( 包括纤维原料高分子聚丙交酯的合成研究等) 和性能，认为聚乳酸纤 维具有透明度高、热稳定性好、着色性能好、完全生物降解等特性，具备生态循环 特点，是一种新型的可持续发展的绿色环保纤维，可以从聚合与成型等方面进行系 统研究和技术攻关。张浩传，石淼，刘金辉i lj 介绍了聚乳酸纤维的性能特点，并与 聚酯纤维、锦纶纤维进行了对比，并介绍了纺制聚乳酸纤维9 7 t e x 纯纺纱的工艺流 程、各工序工艺配置及采取的技术措施。王素娟，景秋艳【9 】简述了聚乳酸纤维( p l 吣 的物理性能及其在纺纱过程中的工艺路线、工艺要点、所遇到的问题及采取的措施。 赵博【1 0 】通过生产实践，分析了聚乳酸纤维的染整工艺，为提高聚乳酸纤维针织物风 格提供一定的参考依据。赵庆福【1 1 】分析了聚乳酸纤维和m o d a l 纤维的性能特征，介 绍了聚乳酸纤维和m o d a l 纤维混纺纱的纺纱工艺配置。两种纤维的性能差异不大， 在生产过程中采取棉包混和的方式，根据两种纤维的特性合理确定工艺参数，可保 证其成纱质量。 邵敬党【6 l 介绍了聚乳酸( p l a ) 纤维的基本情况、种类、物理性能、降解性能、安 全性能、合成及应用，指出了其应用及开发前景。俞建勇，赵恒迎，程隆棣【7 j 论述 了聚乳酸纤维的发展历史、生产过程、性能及应用情况，展望了聚乳酸纤维今后的 开发和应用前景。金立国，倪如青【8 】介绍了乳酸的生产工艺以及聚乳酸的制造方法、 开发现状，对聚乳酸纺织加工、聚乳酸纤维的可生物降解性能进行了分析。李峥嵘， 陈志祥，傅科杰等1 1 2 k 匕较系统地介绍了聚乳酸纤维( p l a ) 的合成方法及其物理机 青岛人学硕士学位论文 械性能，并对p l a 的染色性能进行了初步的探讨。 闰红芹，李龙【l3 j 探讨竹纤维在常温常态、常温润湿态的拉伸性能，同时分析 了温度对竹纤维断裂强度的影响。任永花，李艳清【1 4 l 研究- j p t t 短纤维热处理前后 的力学性能，并与p e t 纤维进行了对比，结果表明p t t 短纤维具有优良的弹性和柔 软度，其断裂伸长和弹性回复性i ：匕p e t 纤维高。热处理后p t t 纤维的强伸性能降低， 在小应力和小变形下的弹性显著减弱，说明热作用对p t t 的弹性性能具有较大的影 响。唐菊，萧庆亮，熊烈1 5 1 研究了不同环境下的热处理、湿处理以及等离子处理对 t e c h n o r a 纤维力学性能以及表面形态的影响，研究表明经热处理后，t e c h n o r a 纤维 的力学性能有一定程度的下降；湿处理时间对纤维的力学性能没有显著影响，随着 湿处理温度的升高，纤维的断裂强度有所下降，而断裂伸长有小幅度的提高；等离 子处理后，纤维表面有刻蚀，纤维的断裂强度和断裂伸长下降。 杨庆斌，于伟东【l6 】采用热重分析t g 和d s c 分析了大豆蛋白纤维的热学特征， 得出大豆纤维的玻璃化温度和分解温度。同时采用各种仪器测试并简要分析了大豆 蛋白纤维的耐热性、热收缩率以及极限氧指数，并与羊毛纤维进行了对比。石晓斌， 许正辉，沈曾民【1 7 】研究了聚丙烯腈基l k 碳纤维在不同热处理温度下密度及力学性能 变化。通过研究发现聚丙烯腈基敝碳纤维随温度上升，拉伸强度先上升后下降，拉 伸模量随温度上升而增加，密度随温度的增加而增加。总结了经过高温处理后碳纤 维的拉伸强度保持率，初步分析了拉伸强度一温度变化趋势的原因。 刘晓艳，陈美玉【1 8 】采用y 1 5 1 型纤维摩擦系数测定仪，对芳香族聚酰胺 t w a r o n 2 0 0 、k e v l a r 2 9 、k e v l a r 4 9 、k e v l a r l 2 9 和u h m w p ed y n e e m as k 6 5 5 种高性能 纤维单丝进行了摩擦系数测定，探讨了速度变化对摩擦系数的影响规律，分析了各 种高性能纤维摩擦系数的差异性。肖振华，余木火【l9 】论述了纤维摩擦性能的结构模 型，采用点接触和线接触方式，建立了测试摩擦性能的方法并分析了影响摩擦性能 的因素。 徐红，单小红【2 0 】对生丝浸渍处理后生丝的钩结强力与伸长率用y g 0 0 1 单纤维 电子强力仪测定。得出钩接强度与相对湿度关系式中的斜率为负，说明钩结强度、 钩结伸长率这两项指标都与相对湿度成线性关系。 6 第一章引言 1 2 本课题研究的主要内容 ( 1 ) 通过对聚乳酸( p l a ) 纤维、l y o c e l l 、m o d a l 、羊绒、大麻、竹浆纤维、丽 赛、棉纤维性能的研究，优化了多组份纤维组合，选取了合理工艺，解决了各纤维 之间因强力、弹性、伸长及细度等性能的差异而带来的纺织工艺难题。 ( 2 ) 研制出1 4 7 t e x 聚乳酸l y o c e l l 棉、聚乳酸m o d a l 棉、聚乳酸羊绒m o d a l ， 1 8 4 t e xl y o c e l l 竹浆纤维棉大麻，1 8 4 r e xl y o c e l l 丽赛棉大麻多组份混纺纱。开发 出1 4 7 t e x 聚乳酸l y o c e l l 棉、聚乳酸m o d a l 棉、聚乳酸羊绒m o d a l 多组份针织面料 和服装，18 4 t e xl y o c e l l 竹浆纤维棉大麻，18 4 t e x l y o c e l l 丽赛棉大麻机织面料，为 纤维素纤维类组合产品，具有生物降解、耐紫外光好、吸湿、透气的生态环保纺织 品特征，手感柔软悬垂性好，不起球，光泽柔和，具有亲肤舒适性。 ( 3 ) 产品性能测试。对开发的系列混纺针织物的悬垂性、起静电性、顶破性 能、耐磨性、起毛起球性、拉伸性能、织物刚度以及织物的折痕恢复性等服用性能 进行研究。 该项目开发的生态、高感型系列产品经检测分别符合f z t1 2 3 0 0 3 - - 1 9 9 5 粘纤 本色纱线标准；f z t1 3 0 0 4 - - 1 9 9 5 粘纤本色布标准；g b t3 9 8 1 9 9 3 棉本色纱线 标准；g b t4 0 6 - - - - 1 9 9 3 棉本色布标准。其混纺纱一等品率达1 0 0 ，机织面料入库 一等品率达9 8 5 ，合格率达9 7 ，布机织造效率9 5 以上，针织纱质量达到乌斯特 2 0 0 1 公报2 5 水平。 1 3 本课题研究的意义和贡献 新型的生态环保型纤维由玉米制成的p l a ( 聚乳酸) 纤维是一种可完全生 物降解的合成纤维，它可从谷物中取得。p l a 纤维初始原料淀粉再生循环周期 短，为1 2 年。该纤维从初始原料到产品的循环过程如下：从淀粉开始制成乳酸， 然后制成p l a 纤维；它使用后的废弃物埋在土中或水中，可在微生物分解下生成 碳酸气和水，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，燃烧时，不会散发毒气，不会造成污染，是一种可持续发展的生态纤维。 青岛大学硕士学位论文 p l a 纤维具有很多优异的性能，如比p e t 亲水性好，悬垂性、舒适性和手感 好，回弹性好，较好的卷曲性和卷曲持久性，收缩率可以控制；强度高达6 2 3 c n d t e x ， u v ( 抗紫外) 稳定性好，比p e t 密度小，可以用分散性染料染色，成型加工性好， 热粘结温度可以控制，结晶熔融温度可以在1 2 0 - - 1 7 0 。c 范围内变化。p l a 纤维的燃 烧值较低，几乎与纸相同，而且燃烧后不会生成氮的氧化物等气体，对垃圾焚烧炉 的损害也比较轻。p l a 纤维的限氧指数为2 6 - - - 2 7 ，其难燃性和羊毛( 2 4 - - - 2 5 ) 相 似，优于涤纶( 2 3 2 4 ) ，其燃烧热只有涤纶的1 6 ，燃烧发烟量只有涤纶的5 7 。 总而言之p l a 纤维具有生物可分解、低污染、吸湿排汗性良好、抗起球性佳、弹 性回复性良好、抗皱性佳、难燃性佳、低发烟性、防污染性、耐紫外线、无毒性等 特点。 因为p l a 纤维不使用石油等原料，又能用生物分解，对地球不会形成环境污 染，是典型的生态环保型纤维。 因为p l a 纤维以价廉量多的淀粉作原料，又具完全自然循环型和能生物分解 的特点，以p l a 为原料得到的制品，具有良好的生物相容性和生物可吸收性，以 及很好的生物降解性，并且在可降解热塑性高分子材料中p l a 具有最好的抗热性， 因此p l a 纤维已被众多专家推荐为“二十一世纪的环境循环材料 ，是“二十一 世纪极具发展潜质的生态型纤维”。 t e n c e l ( 天丝) 是一种人造纤维素纤维，取材于人工管理森林里生产的树木中 所提炼的木浆通过加工而制成，兼具天然纤维优点与人造纤维的功能。t e n c e l 纤维 干强度接近于涤纶，吸湿性比棉高，吸湿透气，抗静电，手感柔滑，具有较高的穿 着舒适性，外观似丝、可纺性好，是一种高性能的高档服装面料。其产品使用后的 废品可生物降解，不会对环境造成二次污染，因此t e n c e l 纤维被称为“二十一世纪 的生态环保纤维”，发展潜力巨大。 m o d a l ( 莫代尔) 是由新一代的人造纤维，纤维的原料采用欧洲的榉木，经打 浆、纺丝而成，原料1 0 0 是天然的，对人体无害，能自然分解，对环境无害。莫 代尔具有棉的柔软、丝的光泽、麻的滑爽，而且其吸水、透气性能都优于棉，具有 较高的上染率，织物颜色明亮而饱满。莫代尔与其他纤维混纺，如棉、麻、丝等以 提升这些和料的品质，使面料能保持柔软、滑爽。莫代尔织物经过多次水沈后，依 第一章引言 然保持原有的光滑及柔顺手感、柔软与明亮。由于m o d a l 纤维的优良特性和环保性， 已被纺织业一致公认为是2 1 世纪最具有潜质的纤维。 b a m b o o ( 竹纤维) 是把天然的竹子，经过化学处理，使之成为可造纸的竹浆 粕，再通过化学变性，成为粘胶状竹浆粕，然后经喷丝孔，纺制成竹纤维。竹纤维 保留了竹子天然的抗菌、抑菌、防紫外线特性，同时，还具有优良的吸湿性、透气 性、滑爽性、柔软性。竹纤维具有许多优点，如对大肠杆菌和金黄色葡萄球菌等具 有天然抗菌功能，在高倍显微镜下，竹纤维的横截面有大量的圆形空洞，正如涤纶 细旦异形丝一样，竹纤维内部有很多中空管状的多孔异形纤维。竹纤维的毛细管效 应非常强，在各种环境下，快速吸收蒸发水分。竹纤维面料制成的各种服装，有着 手感柔软、穿着凉爽舒适、透气性佳、具有天然抗菌保健等优点，因此，竹纤维产 品成为国内纺织企业争相开发的热点。 r i c h c e l ( 丽赛纤维) 原料源于日本进口的天然针叶树精制木浆，资源可再生， 废弃物可自然降解，安全环保。丽赛纤维具有高强度、高湿模量、高聚合度和适当 的伸度，湿干强度比佳，吸湿性好，在性能上与天丝纤维接近，而明显优于莫代尔 纤维。作为一种绿色环保纤维，丽赛纤维与人体皮肤具有良好的亲和性，而且十分 柔软，许多舒适性指标都接近于羊绒，被业界称之为“植物羊绒”。 h e m p ( 大麻纤维) 表面有纵向缝隙和空洞，横向有枝节，中心有细长的空腔， 因此具有优异的毛细效应使其吸汗排汗，透气导热性能特别好；同时由于大麻纤维 结构中空，可富含氧气，使厌氧菌无法生存，故有抗菌、抑菌等许多优良的性能； 大麻纤维含有1 0 多种对人体健康有益的微量元素。因此大麻纺织品具有良好的抗 菌、抑菌、吸湿透气、屏蔽辐射、润肤爽身等天然保健功能。 c a s h m e r e ( 羊绒纤维) 比羊毛细很多，外层鳞片也比羊毛细密、光滑，因此， 重量轻、柔软、韧性好，特别适合制做内衣，贴身穿着时，轻、软、柔、滑，非常 舒适，是任何纤维所无法比拟的，所以羊绒纤维被誉为“纤维之王、“白色的金 子”、“软黄金等。然而，我国羊绒产品在高档针织品及新型羊绒面料的开发， 尤其是新产品开发方面比较落后，深加工能力的总体水平较低。因此，目前羊绒生 产厂家的主要任务是充分发挥羊绒纤维的特点，在现有企业的技术、设备、工艺水 9 青岛人学硕士学位论文 平条件下，开发多品种、新型、特殊性能的高感性产品，走多层次、高水平、持久 健康发展之路。 c o t t o n ( 棉纤维) 作为一种具有良好吸湿性、透气性、保暖性及柔软手感的天 然纤维素纤维，在纺织材料领域扮演了重要角色。进入2 1 世纪，合成技术、仿真 技术等一系列高新技术的完善，生物工程、基因工程等新兴学科的兴起，使得新品 种、高性能、多功能的纺织纤维材料层出不穷，这在客观上对棉纤维提出了新的要 求。为了充分开发棉纤维潜在的功能，对棉纤维进行多品种、多层次、特殊性能和 特殊风格的产品开发研究，提高棉纤维的附加值已成为人们研究的一大方向。 目前国外对生态环保型p l a 纤维集合体纺纱关键技术及系列产品开发已经投 入了大量的研究，并且已经取得较好的成果，但是对p l a 与莫代尔、羊绒、棉等 纤维集合体关键技术和系列生态、高感型产品的研究未见报道。本项目在研究t p l a 、莫代尔、天丝、竹纤维、丽赛、羊绒、棉和大麻的生态、环保、健康、高感 等特性的基础上，开发的生态高感型针织、机织产品，穿着时水份转移好，不仅接 触皮肤时有干燥感，且可赋于优良的形态稳定性等，具有生物降解、耐紫外光好、 吸湿、透气的生态环保纺织品特征，回弹性好、手感和悬垂性好、丝感外观的高感 特性，有较低的可燃性，有优良的形态稳定性、抗皱性和加工性能等，具有生态、 高感、高档等高性能特点，将受到国内外消费者的普遍青睐，而成为时尚消费潮流。 本课题的研究成果可直接转化为生产力，在国内研究处于刚刚起步阶段的形势下， 抓住机遇，占领市场，本课题的研究成功必将给青岛市的纺织业发展起到带动作用， 使我市的纺织业在生态、高感型纤维集合体纺纱关键技术及产品开发研究处于国内 外领先地位，对我市经济和社会发展起到积极推动作用，具有深远的意义。 1 4 本课题的创新性 ( 1 ) 通过对聚乳酸( p l a ) 纤维、l y o c e l l 、m o d a l 、羊绒、大麻、竹浆纤维、 丽赛、棉纤维性能的研究，优化了多组份纤维组合，确定了合理的混纺比；选取优 化了合理纺纱工艺，解决了各纤维之间因强力、弹性、伸长及细度等性能的差异而 带来的纺织工艺难题； ( 2 ) 研制出1 4 7 t e x 聚乳酸l y o c e l i 棉、聚乳酸m o d a l f l ( 帛、聚乳酸羊- 绒m o d a l ， l o 第章引言 1 8 4 t e xl y o c e l l 竹浆纤维棉大麻，1 8 4 t e xl y o c e l l 丽赛棉大麻多组份混纺纱； ( 3 ) 开发出1 4 7 t c x 聚乳酸l y o c e l l 棉、聚乳酸m o d a l 棉、聚乳酸羊绒m o d a l 多组份针织面料和服装，及1 8 4 t e xl y o c e l l 竹浆纤维棉大麻，1 8 4 t e x l y o c e l l 丽赛 棉大麻机织面料，为纤维素纤维类组合产品，具有生物降解、耐紫外光好、吸湿、 透气的生态环保纺织品特征，手感柔软，悬垂性好，不起球，光泽柔和，具有亲肤 舒适性。 第一：章聚乳酸纤维及其它组分纤维结构与性能研究 第二章聚乳酸纤维及其它组分纤维结构与性能研究 2 1 聚乳酸纤维的结构与性能 2 1 1 聚乳酸纤维的形态结构 聚乳酸纤维与聚酯纤维一样都是将熔融的成纤高聚物熔体从喷丝头的喷丝孔 中压出，在空气中冷却固化成丝，即熔体纺丝法。聚乳酸纤维纵面存在无规律的斑 点及不连续性条纹，横截面为近似圆形且表面存有斑点，图2 1 ( a ) 为聚乳酸纤维纵 向形态，图2 1 ( b ) 聚乳酸纤维的截面形态。这些无规律的斑点及不连续性条纹形成 的原因主要是由于聚乳酸存在着大量的非结晶部分，在水、细菌、氧气的存在下， 可以进行较快的分解而形成的。 眵美誓 。0 ：二俐二。一 二自o 勘洲缈。 ( a ) 纵向形态( b ) 截面形态 图2 1 聚乳酸纤维的纵向和横向截面形态 2 1 2 聚乳酸纤维的物理性能 聚乳酸纤维不仅有高结晶性，还与聚酯、聚苯乙烯树脂具有同样的透明性。表 2 1 显示了钟纺公司的聚乳酸纤维l a c t r o n 与其它纤维的性能对比。 由表中数据可见，聚乳酸纤维比重为1 2 7 9 c m 3 ，介于腈纶和羊毛之间，比天然 纤维棉、丝、毛都轻，这说明聚乳酸纤维具有较大的覆盖性，膨松性好，用聚乳酸 纤维制成的_ | 】陵装重量较轻，对人体产牛的服装i 较小。 青岛大学硕士学位论文 聚乳酸纤维的熔点在标准状况下高达17 5 c ，强度达到3 8 9 旦。天然纤维素纤 维和蛋白质纤维在高温下，将直接分解或炭化，因此棉、丝等天然纤维没有熔点。 而大多数的合成纤维在热作用下经过不同的物理机械状态，即玻璃态、高弹态、粘* 流态，并软化到溶解。由于聚乳酸纤维具有高结晶性和高取向性，从而具有高耐热 性和高强度。聚乳酸纤维的熔点低于涤纶等合成纤维，但涤纶等合成纤维在遇热后 会发生收缩，而聚乳酸纤维则不会出现这种现象。聚乳酸纤维的强力较天然纤维棉、 毛略高，比蚕丝、合成纤维略低。 聚乳酸纤维的回潮率介于0 4 , - - 0 6 之间，与天然纤维和合成纤维( 除涤纶外) 相比都较低，吸湿性能较差，疏水性能较好，穿在身上不粘，适宜做外套类服装。 有关实验表明，聚乳酸纤维与棉、毛等天然纤维混纺可大大提高织物的吸湿性能， 针织面料要比机织面料吸水性能强【9 】，所以可以综合考虑各方面因素，充分利用这 种新型环保纤维的服用性能，以扩大其适用范围。 聚乳酸纤维的燃烧热为1 9 k j g ，燃烧时少烟且离火2 m i n 后自动熄灭，限氧指 数为2 6 。从表2 1 中不难看出，聚乳酸纤维的限氧指数比棉、毛、丝等天然纤维 和涤纶等合成纤维都高，说明聚乳酸纤维离开火焰后不易燃烧。燃烧时与涤纶等合 13 第二章聚乳酸纤维及其它组分纤维结构与性能研究 成纤维相比有较少的烟，由于它的成分是聚乳酸碳水化合物，燃烧后生成水和二氧 化碳，没有毒气生成，是低污染的纤维。 聚乳酸纤维的抗紫外线性能优秀，较棉、丝、毛的抗紫外线性能强，较涤纶、 锦纶也好。聚乳酸纤维的光折射角在1 3 5 1 4 5 之间，较棉、毛、蚕丝、涤纶、锦 纶等都小，说明该纤维折射率低、染色性能好，有利于获得深染色。 因高结晶性和高耿向性，聚乳酸纤维有耐热性和高强度，它无需特别的装置和 操作，可用常规的工艺成形加工，它和通常的聚酯纤维一样，可有长丝、短纤维、 单丝、非织造布，以及编织物、带子、缆绳等多种制品。 聚乳酸纤维具有可降解性能，可降解的根本原因是聚合物链上酯键的水解，并 且一般认为，聚乳酸( p l a ) 末端羧基对其水解起自催化作用，降解过程从无定形区 开始。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，如微生物的种类及其生长条件、环境温度、 湿度、p h 值等。对于聚乳酸纤维l a c t r o n ，通过在泥土中掩埋，海水中浸渍、活 性淤泥中降解等系列的降解实验，发现其不会污染环境，有生物可降解性，平均分 解时间为1 2 年。 2 1 3 聚乳酸纤维的安全性能 纯净的聚乳酸几乎没有毒性，它在人体内慢慢分解成乳酸。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。根据聚乳酸对一些哺 乳动物的毒性实验结果可知，聚乳酸类材料使用后，可以进行自然降解、堆肥和燃 烧处理。聚乳酸的自然降解不会给环境带来污染，对于聚乳酸纤维l a c t r o n ，燃烧 时燃烧气体中几乎没有n 0 2 ，燃烧热是聚乙烯( p e ) 、聚丙烯( p p ) 的1 3 左右， 因此l a c t r o n 是十分有利于地球环境的材料。聚乳酸纤维l a c t r o n 应用时，也被确 认是对人体绝对安全的材料，用它制成的织物不刺激皮肤。 2 1 4 聚乳酸纤维的染色性能 聚乳酸纤维易染色，聚乳酸纤维可用分散染料在常温下染色，在所有湿处理阶 段，p h 值应控制在4 7 ，以减少水解，同时染色温度尽可能低，确保染品的良好 1 4 青岛人学硕士学位论文 匀染性、渗透性。对于聚乳酸纤维，分散染料的吸收和扩散。- i , 工4 - 白日匕h 具有低饱和上染率 和高扩散系数的特性，而在染色牢度方面，耐光牢度是一个关键性因素，要选用中 等能量的染料，使染得的聚乳酸制品具有良好的湿牢度和光牢度。聚乳酸纤维染色 的各种条件对重现性影响的分析表明，对于浅色，浴比是影响上染率的重要因素； 对于深色，染色温度和热固色条件对染色结果影响较大。 表2 2 聚乳酸纤维的染色性能 2 2 丽赛( p d c h c e l ) 纤维的结构与性能 丽赛纤维的横截面为光滑的圆形全芯结构，和天丝相似，不同于普通粘胶的锯 齿型皮芯结构，如图2 2 所示。独特的结构使丽赛纤维表面光泽好，织成的面料极 富弹性，悬垂性好，手感柔软滑爽。 图2 2 丽赛纤维的横截面 丽赛纤维的原纤化等级为3 ，仅次于天丝的4 级，高于棉的2 级，莫代尔的l 级，使其原纤化成为该纤维的一个突出特点。由于原纤化的存在，使某些纺织品风 格更加独特，手感细腻柔软，亲肽性强，穿着舒适，受到人们的青睐。但也有些织 物的风格要求表面光洁明亮，仿丝感强，因此也需要在染整过程中进行整理，防止 原纤化。 丽赛纤维的取向度为8 0 0 , ，9 0 ，i 岛j 普通卡削及f7 0 8 0 ) ，断裂强度i 百，惭 第二章聚乳酸纤维及其它组分纤维结构与性能研究 裂伸长小。 丽赛纤维的结晶度为4 5 - 5 0 ，较天丝( 4 0 ) 、普通粘胶( 2 5 ) 高，但低 于棉。结晶度越小，吸湿性越好，再加上晶粒较大，因此丽赛纤维的吸水率较高， 上染率高于棉，与棉混纺要特别注意混纺纱的均匀性和染色的一致性。 丽赛纤维的聚合度为4 5 0 - - 5 5 0 ，高于普通粘胶( 2 5 0 3 0 0 ) ，与天丝相当( 5 0 0 5 5 0 ) 。 在一般情况下，随着聚合度的提高，纤维具有如下性能：( 1 ) 纤维取向度、结晶度 提高；( 2 ) 纤维具有高强低伸性质；( 3 ) 纤维耐碱性提高；( 4 ) 纺织品加工的适应 性，织物尺寸稳定性，耐洗性也相应提高，作为服装面料也扩大了适应性。 丽赛纤维的水膨润度为6 0 ，低于天丝( 6 7 ) 、莫代尔( 7 8 ) 和普通粘胶( 9 0 ) ， 高于棉( 4 5 ) ，因此湿态时尺寸保持性好，缩水率低。 由表2 3 可以看出，丽赛纤维的干强高于棉、普通粘胶、莫代尔，仅次于天丝， 湿强较高，湿干强比高于莫代尔，仅次于天丝、棉，克服了粘胶湿强小的缺点，扩 大了其应用范围。丽赛的干态初始模量为3 9 1 c n d t e x ，湿态初始模量为3 8 5 c n d t e x ， 高于天丝和莫代尔，故又称其为高湿模量纤维。丽赛纤维初始模量大，其织物的尺 寸稳定性好，挺括，不易起皱。另外其纤维断裂伸长小。 表2 3 丽赛纤维的机械性能 丽赛纤维的回潮率与普通粘胶相等，高于天丝( 1 1 9 ) 和天然纤维。由于纤维的 吸湿性好，在纺纱过程中有效的抑制了静电现象的发生，保证了纤维纺纱过程的顺 利进行，凶此可纺性较好，另外织物吸湿性好，穿着舒适，不易起静电，美观干净。 青岛大学硕士学位论文 同时作为一种绿色环保纤维，丽赛纤维与人体皮肤具有良好的亲和性，而且十 分柔软，许多舒适性指标都接近于羊绒，被业界称之为“植物羊绒”。它的初始模量 较大，回弹性好，利用这一性能，可制成蓬松度较好，手感丰满的仿毛类毛衫织物。 由于其吸湿性较好，织成的织物具有良好的导湿透气性，同时因为纤维对人体皮肤 无刺激性，且柔软滑糯，是生产t 恤面料的理想选择。当用于机织面料时，制成的 衬衫面料形态尺寸稳定性好，挺括有骨感，且手感滑糯。作为一种纤维素纤维，丽 赛纤维染色鲜艳，富有光泽，且织物成形性好，因而可被广泛用于制作女装面料。 此外还可直接将该纤维用来生产毛巾产品，而不需像采用棉纤维生产时，先要对棉 纤维进行丝光处理以除掉纤维上的蜡质，然后再用来生产成品。 综上所述，无论从原料来源，还是纤维的各项性能来看，由丽赛纤维制成的产 品代表着未来纺织品的发展方向资源可再生，废弃物可自然降解，安全环保， 服用舒适，具有广阔的应用前景。 2 3 竹( b a m b o o ) 纤维的结构与性能 竹纤维和几种常见纤维的主要结构的指标