（纺织工程专业论文）聚乳酸纤维性能及纺纱工艺的研究.pdf

摘要 随着人们崇尚自然，回归自然的需求和环境保护意识的不断增强，绿色纺织 品日益受到人们的青睐。近年来，玉米纤维作为一种利用玉米淀粉等可再生资源 加工制造的完全可生物降解的纤维材料，已经越来越引起纺织界的广泛关注。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、高的弹性回复率、低的可燃性和发烟量、耐紫外线稳定性、良好的手感以 及良好的生物相容性和低毒性等等，给纺织工业开发新产品带来了新的发展机 遇。本课题主要从聚乳酸纤维的生产、纤维的结构与性能、纺纱工艺、聚乳酸纤 维纱线的性能测试等几个方面进行了探讨和研究。 本课题首先对聚乳酸纤维的生产技术进行了详细的综述。在此基础上，对聚 乳酸纤维的结构和各项性能进行了系统捌试，并通过与传统纺织纤维如涤纶与锦 纶性能进行对比分析，对聚乳酸纤维优良的机械力学性能，尤其是优良的弹性以 及良好的服用性能等特点有了较为深入的了解。 在聚乳酸纤维纺纱性能的研究中，根椐所选原料和产品用途，开发了三类聚 乳酸纤维纱线产品：聚乳酸纤维纯纺纱、聚乳酸纤维与棉混纺纱、聚乳酸纤维与 天丝混纺纱。从聚乳酸纤维的可纺性来看，它介于涤纶与锦纶之间。由于聚乳酸 纤维长度整齐度好，含杂少，弹性大，弹性恢复性较好，比较柔软、顺滑，但回 潮率不大，在生产过程中主要解决纤维易缠绕、易产生棉结以及纤维抱合力差的 问题。清花时遵循“勤抓少抓、多松少打、以梳代打、多混少落、速度降低、适 当隔距”的工艺原则。梳棉时采用轻定量、慢速度、快转移的工艺路线。防止棉 网破洞的产生，另外增大刺辊与锡林的速比，使纤维快转移，并条工序采用“重 加压，中定量，低速度”工艺原则，减少生产中的“三绕”和堵塞现象，同时合理 配置牵伸，既要保证熟条中纤维的伸直平行，又要提高熟条的条干均匀度。纯纺 采用二道并合，混纺采用三道混并，以使纤维得以充分混合。粗纱工序采用“大 骗距，重加压”的工艺原则，同时适当加大粗纱的捻系数。此外，针对聚乳酸纤 维弹性较好以及成纱表面毛羽较多的特点，络筒工序在保证成形良好的前提下， 采用了较小的张力。并经过反复的纺纱试验，确定了科学合理的纺纱工艺参数。 最后，在对聚乳酸纤维纱线的性能测试分析的基础上，对聚乳酸纤维纱线的 织造以及染整工艺进行了探讨分析。 关键词 聚乳酸纤维；发酵；聚合；纤维性能；纺纱工艺；纱线性能 a b s t r a c t w i t hp e o p l e sd e m a n do f “b a c ko fn a t u r e ”a n ds t r e n g t h e no fe n v i r o n m e n t a l p r o t e c t i o nc o n s c i o u s n e s s ，“g r e e n h e a l t hc a r et e x t i l e sf i n df a v o r sw i t hc o n s u m e r s g r a d u a l l y o v e rr e c e n ty e a r s ，p o l y l a c t i ca c i d ( p i a ) f i b e r st h a th a v et h eb i o l o g i c a l d e g r a d a b i l i t yh a v ea t t r a c t e di n c r e a s i n gi n t e r e s to w i n gt ot h ef a c t t h a t t h e yl e n d t h e m s e l v e st om a n u f a c t u r ef r o mr e n e w a b l er e s o u r c e s ，i np a r t i c u l a r , f r o mc o m s t a r c h b e c a u s et h i sk i n do ff 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 g i e s s u 幽a se x c e l l e n t w i c k a b i l i t ys h o w sf a s t e rm o i s t u r es p r e a dt h a np o l y e s t e r , g o o dc r e a s e - r e s i s t a n c e ，h i g h r e s i l i e n c ya n de l a s t i cr e c o v e r y , l o wo d o rr e t e n t i o n ，g o o dd y e a b i l i t y , m i l d e wr e s i s t a n c e ， l o wf l a m m a b i l i t y , l o ws m o k eg e n e r a t i o na n dh e a to fc o m b u s t i o n e x c e l l e n tu v r e s i s t a n c ea n ds oo n ，i tp r o v i d e san e wc 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 h at h i sp a p e r , t h ep l af i b e r sp r o d u c t i o n ，t h ep l af i b e r ss t r u c t u r ea n dp r o p e r t i e s ，t h e p l a f i b e r s p i n n i n gt e c h n i q u ea n dt h ep l ay a m p m p e r t i e sw e r er e s e a r c h e d i nt h i s p a p e r , w ei n t r o d u c e dt h ep l a f i b e r sp r o d u c t i o nt e c h n o l o g yi n d e t a i l f i r s t l y o nt h eb a s eo ft h er e a l i z a t i o na b o u tt h ep l a f i b e r sp r o d u c t i o n ，w et e s t e dt h e t r a d i t i o n a lf i b e ms u c ha sp o l y e s t e rf i b e r , p o l y a m i d ef i b e ra n ds oo n w er e a l i z e dt h e p l af i b e r sg o o dm e c h a n i c sp r o p e f l np a r t i c u l a r l yi t sg o o de l a s t i c i t yp r o p e r t ya n d g o o dw e a r a b l i t y i nt h er e s e a r c ha b o u tt h es p i n n i n gp r o p e 订yo ft h ep l ay a r n a v c o r d i n gt ot h e s e l e c t e dm a t e r i a la n dt h ea p p l i c a t i o no ft h ep r o d u c t i o n ，w eh a v ed e v e l o p e dt h r e e s e r i e sy a mp m d u c t i o n ：p l ay a r n ，p l a c o t t o nb l e n d i n gy a m ，a n dp l a t e n c e l b l e n d i n gy a m a n dw ef o u n dt h es p i n n i n gp r o p e r t yi si n t e r v e n i e n tb e t w e e np o l y e s t e r f i b e ra n dp o l y a m i d ef i b e r b e c a u s eo ft h ep r o p e r t i e so ft h ep l af i b e r , s u c ha sl e n g t h n e a t l y , g o o dr e s i l i e n c e ，s o f r ya n ds m o o t ha n ds oo n ，w em u s td os o m e t h i n g t oa v o i d t h ef i b e r se n t a n g l i n g ，n e pa p p e a r a n c ea n dl o o s e n e s sb e t w e e nt h e f i b e r s ：i nt h e p r o c e s so f c l e a n ，t h ep r i n c i p l e t h a te x c e s s i v eh a n d l i n gm u s tb ea v o i d e ds h o u l db eo b e y i nc a r d i n g ，l i g h t e rs l i v e rw e i g h t ，l o w e rd r a f t s ，s l o w e rc a r d i n gr a t e ，f a s t e rt r a n s f e r s h o u l db eu s e dt oa v o i dt h eb o r eo rc l o u d i n e s si nt h ew e b i nd r a w i n g ，h i g h e rm i l e r p r e s s u r e ，m i d d l es l i v e rw e i g h t ，s l o w e rr a t ec a l lb eu s e dt or e d u c ee n t a n g l i n gf i b e r so r j a m m i n gt h ec o i l e nt h er o l l e rs e t t i n gi nr o v i n gs h o u l db ec h o s e nt os u i t an o m i n a l 3 8 m mf i b e r , r o v i n gt w i s tl e v e l si sm o r et h a nc o t t o na n ds i m i l a rt ot h o s eu s e df o r p o l y e s t e ro rp o l y a m i d e ，t h a tc a nc o n t r o lf i b e r st og a i nb e t t e rr o v i n gq u a l i t y i nr i n g s p i n n i n g ，p l af i b e r sp r o d u c ey a m so fh i 曲e l o n g a t i o n ，g o o dr e g u l a r i t ya n df e w i m p e r f e c t i o n s r i n gf r a m es e t t i n ga r ec h o s e nm a i n l yt or e d u c ey a r nh a i r i n e s sa n dt h e r i s ko fg l a z i n go rm e l t i i a gt h ef i b e r , t h el o wm e l t i n gp o i n to ft h ef i b e rm u s tb ek e p ti n m i n dw h e nc o n s i d e r i n gt h ec h o i c eo ft r a v e l e ra n da c t u a lp r o d u c t i o nr a t e s s l o w e r w i n d i n gs p e e d sg i v eb e l t e rf i n a ly a ma p p e a r a n c e ，s o m ed e c r e a s ei ny a m t e n s i o nm a y b en e e d e dt or e d u c et h eh a r d n e s so ft h ep a c k a g e w i t hs p i n n i n gt e s tr e p e a t e d ，w e d e f i n e dt h e r e a s o n a b l et e c h n o l o g yp a r a m e t e ro f t h ep l af i b e r ss p i n n i n g f i n a l l y , w et e s t e da n da n a l y s i st h ep l ay a m sp r o p e r t i e s ，t h ew e a v i n ga n dd y i n g t e c h n o l o g yo f t h ep l ay a r nw e r ed i s c u s s e d k e y w o r d s ： p o l y l a e t i ca c i d ( p l a ) f i b e r s ；f e r m e n t a t i o n ；p o l y m e r i z a t i o n ；f i b e rp r o p e r t y s p i n n i n gt e c h n o l o g y ；y a mp r o p e r t y ； 独创性声明 y8 6b 2 6 2 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进彳亍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三些太堂或其他教育机构的学位或 证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文 中作了明确的说明并表示了谢意。 学位论文作者签名 立毒墒 签字日期：珈眸，2 月2j 日 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盔堂有关保留、使用学位论文的规定。 特授权丢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 猹索，并采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、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) 学位论文作者签名主辅 导师签名： 啾盼 签字日期：却盯年，2 月27 日签字日期：埘年，月叫日 学位论文的主要创新点 、该论文通过对聚乳酸纤维的性能进行综合测试，从它的形态结构、 物理机械性能、吸湿性能、比电阻、含油、燃烧性能等几个方面进行 了较为系统的分析与研究。 二、该论文通过聚乳酸纤维的实际生产，合理选择纺纱的工艺参数， 对该纤维在我国的产业化生产具有指导意义。 三、通过对该纤维纱线性能与同条件下生产涤纶纤维纱的性能进行对 比，通过将聚乳酸纤维纯纺、与棉混纺、与天丝纤维混纺后成纱性能 与涤纶纤维成纱性能行对比，不难看出，聚乳酸纤维的成纱性能与涤 纶纤维接近，并且由于聚乳酸纤维的优良的伸长性能，使得聚乳酸纤 维的纯纺纱和混纺纱的伸长率要优子涤纶纱，但其强力与涤纶纱相比 还有一定的差距，有待于进一步的改善。然而，聚乳酸纤维纱线的低 强力可以在服用过程中较涤纶纱而言抗起毛起球性要好。 第l 章绪论 第1 章绪论 1 ，1 新型纺织纤维的发展概况 近年来，世界高新技术纤维领域的形势与格局发生了重大变化，安全、环保、 能源及新材料是推动当今世界高新技术纤维发展的四大要素。目前以r 本、美国为 代表的发达国家高度重视并垄断着全球纺织高新技术纤维的研发技术和市场，而中 国在这领域的发展比较滞后，产业化进程缓慢，致使我国与发达国家的差距越来 越大，产业安全受到很大威胁。 我国纺织业经过几年的战略调整和大规模的技术改造，纺织企业技术水平有了 长足进步，涌现出一批接近国际先进水平的面料企业和产品，成立了以新产品开发 与推广为主的中国产品开发中心，一大批国内企业依托中国纺织产品开发中心，形 成了一个不断开发新面料、不断提升新产品的局势，面料由中国服装业的瓶颈逐渐 成为服装企业增强竞争力的期待。 2 1 世纪的面料走向应是高新技术与现代艺术相结合的产物，应具有天然纤维 棉、毛、丝、麻的舒适透气性，又有合成纤维不易起皱、不易收缩变形的特点，穿 着随意，便于护理，同时还要有一定的功能性，如抗菌舫臭、防静电、防幅射、吸 湿排汗等等：此外在面料生产加工、使用及废弃物的处理过程中，对人类及环境必 须是友好的，是无毒无害的。这些产品己陆续步入市场，并占有一定的市场份额， 在一定程度上瓜分了传统产品的市场。 随着社会经济的发展，人们的环保意识不断增强，”善待地球、保护环境、合 理使用和保护自然资源”的呼声日趋高涨，以人为本和可持续性发展的理念逐渐深 入人心，己成为2 l 世纪全球发展的主题，国内外消费者越来越关注他们所购买产 品的生产过程，对绿色产品的消费趋势丁f 在全球掀起的一股绿色浪潮，环保绿色、 亲和舒适、功能性强、色彩时尚将成为两料的主流要求。国际贸易中对企业社会责 任的要求日益增加，尤其是2 0 0 5 年1 月纺织品取消配额以后，为了避免出现一涌 而入的情况，一些欧盟国家为保护本国的产业生存，针对这些不断设限，千方百计 设置和增加贸易壁垒。因此我国若想推动纺织业的出口，应当积极推行“绿色”产 第1 章绪论 业政策，调整产业结构，技术结构和产品结构，倡导“清洁生产”，发展“绿色产 品”、引导“绿色消费”，来顺应时代潮流的发展趋势。还要组织各方力量，加强国 内外合作，加强信息交流，积极开发和采用各种“绿色”原料，改进生产工艺，推 广“清洁生产”，扩大信息渠道，加强检测技术研究，提高技术装备水平，建立完 善的质量管理和监督体系等积极措施。企业还要具有不断的完善创新能力和研发能 力，提升产品的附加值和核心竞争力，依托高科技带动纺织品产业的升级，才是纺 织品在后配额时代的出路。 目前，已涌现出一些新型纤维如新型纤维素纤维天丝( t e n c e l ) 、木代尔、 竹纤维、丽赛纤维等，新型蛋白纤维如大豆蛋白纤维、牛奶蛋白纤维；新型功能型 纤维如甲壳素纤维、海藻纤维；具有吸湿排汗、抗菌、防紫外线等功能的涤纶改性 纤维；以及来源于谷物等天然原料、可以生物降解，尤其以其优异的性能、广泛的 应用领域引起全球纺织材料界瞩目的p l a 纤维。这些纤维的不断开发，从功能和环 保的角度为纺织行业带来了新的生命力，给纺织工业新产品丌发提供了新的发展机 遇。 天丝 ( t e n c e ) 纤维，原料取材于人工管理生长的树木，从中提炼木浆，采 用一种先进的“闭舍式”溶液纺丝方法进行生产，生产过程中溶剂及能源( 如水) 可循环使用，对环境几乎不产生污染，故被誉为“二十一世纪绿色环保纤维”。天 丝具有强力高、触感优良、悬垂性好、吸水性好的优点。它的干强接近于涤纶，湿 强远大于粘胶，且湿强于强约为8 5 ；特别是t e n c e l 纤维制品在湿态下经机械 外力的摩擦作用会产生明显的原纤化现象，在纱线表面产生毛羽，使织物柔软、丰 满，有绒感效应。 m o d a l 是奥地利兰精( l e n z i n g ) 公司丌发的高湿模量的纤维素再生纤维，原料采 用欧洲的榉木先将其制成木浆，再纺丝加工成纤维困该产品原料全部为天然材料， 是1 0 0 的天然纤维，对人体无害，并能够自然分解，对环境无害。木代尔非常柔软， 具有丝质般顺滑的质地、真丝一般的光泽、极好的吸湿性和透气性，穿着舒适尤 其是频繁水洗后依然柔顺，不会产生原纤化，富有亮丽的色彩。 竹纤维是一种再生纤维素纤维。它是以竹子为甄睾斗经人工继化将竹子中纤维含 量在3 5 左右的竹纤维提纯到9 3 ，采用水解一碱法及多段漂白，精制成可满足生产 要求的竹浆粕，再经溶解纺丝而纺制成纤维。竹纤维截面呈多孔状，因此竹纤维吸 放湿性能极好，渗透性强，富有光泽，手惑柔软。竹子自身有抗菌、抑菌、防紫外 线特性，在纺丝过程中，采用高科技工艺处理，提取的再生纤维素纤维，保护了天 第1 章绪论 然的抗菌、防紫外线物质，使它们始终结合在纤维素大分子上，其织物经多次反复 洗涤、日晒也不失抗菌、抑菌、防紫外线作用。 甲壳素广泛存在于昆虫类、水生甲壳类的外壳和海藻的细胞壁中，如蟹、虾、 昆虫的外壳及藻类、菌类的细胞壁中，是一种天然生物商聚物。它的化学名称叫做 聚乙酰胺基葡萄糖。是一种特殊的纤维素。而壳聚糖是甲壳质经处理脱去乙酰基的 产物。由于它的分子结构中带有不饱和阳离子基团，因而它对带有负电荷的各类有 害物质具有强大的吸附作用，能清除人体内的“垃圾”，从而对人体受损的细胞进 行修复和活化，因此该纤维被人们称作“保健型纤维”。用甲壳素制成的纤维，属 纯天然素材，具有揶菌、镇痛、吸湿、止瘁等功能，用它可作各种抑菌防臭纺织品， 这种纺织品可生物降解，不污染环境。 海藻纤维的生产以粘胶纤维的加工工艺为基础，在纺丝溶液中加入研磨得很细 的海藻加工而成。这些海藻主要是棕、红、绿、蓝藻类，尤其是棕藻类及红藻类， 海藻以粉末或悬浮物的形式在纺丝前加入。由于海藻中的酚具有螯合重余属的能 力，海藻纤维对金属离子具有较强的吸阳能力。海藻纤维素纤维分子结构中的一个 内在和永久组成部分具有抗菌作用，在穿着、洗涤或干洗过程中不受影响，能抑制 大多数种类的细菌，对人体无副作用。海藻纤维既有良好的化学、物理性能及纤维 素纤维的特点，穿着舒适，又有较强的抗菌能力。 大豆蛋白纤维是以天然大豆为主要原料，利用生物工程新技术，把大豆中的球 蛋白分离并提纯，通过助剂与碱纤维素大分子上的烃基进行接枝、共聚、共混制成 一定浓度的粘胶蛋白质纺丝溶液，用湿法纺丝工艺纺成单纤1 1 7 3 3 d t e x 的丝束， 通过化学交联稳定纤维的性能，再经过卷曲、热定型、切断，加工成各种长度规格 的纺织用原料。纤维截面呈不规则哑铃型，有细微孔隙，纤维间和纤维内部封闭大 量静止空气，纤维表面具有大量沟槽，导湿透气性非常好，还具有防紫外线功能、 远红外功能和负氧离子功能，可以调节人体的微循环，有利于维持身体健康；其织 物手感柔软滑爽，具有蚕丝般柔和光泽和羊毛的保暖效果等。 吸湿排汗纤维是利用涤纶纤维的截面变化来增加纤维的透气性。如杜邦公司的 c 0 0 l m a x 纤维，截面形状呈四管状且中空，台湾生产的c 0 0 l p l u s 采用十字型断面， 且表面有较多的细微沟槽等，将皮肤产生的湿气与汗水经过芯吸、扩散、传输等， 很快排出体外，使肌肤保持干爽与清凉。 抗菌纤维或防紫外线纤维是在生产化学纤维时，通过科技手段将紫外线屏蔽剂 或抗菌剂加入到纺丝溶液中，从而使它渗入到纤维内部，使纤维具有了永久防紫外 第1 章绪论 线或抗菌功能，由于它是在涤纶短纤生产过程中将这种无机粉术加入，融入了纤维 内部，使纤维具有了较强的反射紫外线作用或抗菌作用，从而使面料具有了防紫外 线效果或抗菌效果。 1 。2 聚乳酸纤维的发展及研究现状 聚乳酸纤维俗称聚乳酸纤维，英文简写p l a 。它是由玉米淀粉发酵制成聚乳酸， 经过脱水反应制成聚乳酸纺丝液，再经过聚合、融纺丝生产成聚乳酸纤维。陔纤维 属于自然循环型，具有生物降解性，其废弃物在土壤和海水中的微生物作用下，可 分解成二氧化碳和水，不会污染地球环境，在阳光下，通过光合作用又会生成起始 原料淀粉。由于该纤维的初始原料为淀粉，其再生的循环周期短，大约为一到二年， 其产生的二氧化碳可通过植物光合作用减少在大气中的含量。燃烧聚乳酸纤维，其 燃烧值较低，是聚乙烯和聚丙烯的三分之左右，而且燃烧后不会产生氮的氧化物 等气体，几乎没有二氧化碳。 1 2 1 聚乳酸纤维在国外的开发及发展状况 目前世界许多跨国公司和著名化纤生产厂家十分关注聚乳酸纤维( p l a ) 树脂及 其纤维业的发展，并就相关的生产工艺技术进行了开发。近年来，世界聚乳酸纤维 生产掘工技术已 j l 趋成熟，许多发达国家形成了聚乳酸纤维 p l a ) 纾维的工业化 生产。目前美国c d p 公司、日本岛津公司和三井东亚化学等公司均已实现了p l a 原 料工业化生产：日本钟纺、尤尼吉卡等公司也已实现了p l a 纤维等产品的批量生产。 ( 1 ) 聚乳酸纤维在欧美的发展状况 最早的聚乳酸纤维生产于1 9 4 8 年，产品名为“维卡拉”，为玉米蛋白质纤维。1 9 4 8 年至1 9 5 7 年，美国维吉尼亚卡单罗来纳化学公司批量生产维卡拉纤维。后 来，美国知名谷物公司c a r g i l l 研发成功玉米聚乳酸纤维，一度使产量由3 0 0 0 吨扩 充到6 0 0 0 吨。1 9 9 7 年，化学公司d o w p o l y m e r s 看好聚乳酸纤维的后期发展，便与 c a r g i l l 公司合资组建c d p 公司，各占有5 0 股份，在最初的两年犀，工厂产能增加 了1 5 倍，生产成本也大幅降低，营业额较前年同期上升了4 0 。1 9 9 9 年丌始建造 年产1 4 力 吨的新工厂，是世界最大的p l a 生产厂家，据报导该公司目前已在乳酸、 p l a 合成技术方面已取得了1 0 0 多项专利，另外还有4 0 0 多项专利正在申请之中， 它是家以玉米为原料生产p l a 树脂的世界著名企业，其商品名为”n a t u r e 筇lf # 绪论 w o r k s ”。与此同时c d p 公司还通过秋极1 j 其它公i ”腱合作，以提供p i ，a 原料及相 关纺丝加工技术等方式，来扩大再生产，进一步推动全球p l a 业的发展。 据报导，c d p 公司1 9 9 9 年与钟纺公司签订了长期合作协议，该公司将长期向钟 纺公司提供p l a 树脂，并拟将与钟纺公司联合生产p l a 树脂，以扩大p l a 产量。与 此同时，c o p 公司还与u n i f i l 公司共同开发p 1 。a 纤维系列产品，其中如变形丝、 阻燃纤维、变色丝等p l a 材料。目前u n i f i i ，公司已开发出1 1 分特的p l a 长丝( d t y ) ， 并于2 0 0 3 年上半年将其纤维服装面利投放市场。此外，有粮导称c d p 公司近期还 在与f o u n t i nse 1 、公司接洽以共同丌发p l a 纤维织物。 随着c d p 公司与其它公司合作项目的增多，c d p 公司提供给全球各主要p l 。 纤 维生产厂家的p l a 原料越来越多。因此c d p 公司近期调楚了公司发展战略，并计划 不断扩大p l a 产能，该公司已计划于今后1 0 年内，共投资1 0 亿美元，分别在欧洲 和亚洲等地区必建p l a 原料生产基地，并在近五年内兴建三套p l a 生产装胃，届时 将使p l a 总产量扩大到4 5 万吨年。 目前e c o h e m 公司( 美国) 、b o e h r n g e r 公司( 德国) 和i n g e t h e i m 公司( 德困) 均已涉足p l a 生产领域，并形成了一定生产规模。此外美国杜邦公司和盂山都公司 均已计划加入p l a 纤维生产行列。而德国i n v e n i a f i s c h e r 公司目前已兴建了生产 规模为3 0 0 0 吨年的p l a 中试装置。 ( 2 ) 聚乳酸纤维在日本的发展状况 钟纺公司是日本最早开展p l h 纤维研制和实现工业化生产的世界火型化纤生产 企业之。1 9 8 9 年该公司开始进行生物降解材料的研究，由于发现p l a 材料强度高、 生物降解性能好，于是便将p l a 纤维作为该公司重点歼发的可生物降解材料。1 9 9 4 年，该公司在p l a 长丝开发方面取得了突破性进展，并确定了p l a 纤维工业化生产 技术。 1 9 9 8 年钟纺公司开始与岛津制作所合作开发以玉米为原料的p l a 纤维，所用生 产原料由岛津制作所提供。同年推出了以l a c t r o n 为商品名的p l a 纤维( 又称聚 乳酸纤维) 。此外还在1 9 9 8 年长野奥林匹克环境展大会上，展出了以”地球时装”冠 名的”l a c t r o n 面料服装，以及p l a 纤维与棉、羊毛或其它天然纤维混纺制成的系 列纺织品k a n e b oc o m f i b e r ”。 钟纺公司于2 0 0 2 年6 月开始生产商品名为”c o r nf i b e r ”的p l a 纤维材料( 如 内衣、t 恤衫、毛巾等) ，荠于2 0 0 2 年瑞士日内瓦举办的i n d e x 0 2 非织造布商品交 易会上，展出了所制造的熔点为1 7 5 ，结晶度为7 0 ，伸长为2 5 3 5 ，强度为 第1 章绪论 4 5 5 5 9 d 的p l a 纤维。 目前钟纺公司采用熔融纺丝设备和自己开发的技术已批量生产商品名为 ”l a c t r o n ”的p l l a 长丝产品，其产能已达7 0 0 吨。 尽管目前钟纺公司p l a 纤维产能已达7 0 0 吨年，但为了扩大p l a 纤维生产规 模，该公司己与c d p 公司签订了长期购买p l a 树脂的合同。此外该公司最近还与美 国c d p 公司进一步合作，准备联合生产p l a 树脂，以扩大p l a 纤维生产能力，为开 拓市场做好前期准备。 近年来p l a 纤维虽得到了较快的发展，但其纤维制品的价格仍相当的高，产品 价格性能比仍处于高水平，因而目前p l a 纤维制品主要还是在一些发达国家使用。 从2 0 0 2 年国际市场p l a 树脂原料价格来看，每公斤价格在1 6 5 美元以上，约为p a 、 p e t 等相关树脂产品价格的2 3 倍，从而致使p l a 纤维价格一直居高不。目前国际 市场上p l a 纤维价格每公斤一般在5 美元公斤左右，约为普通p e t 纤维的5 6 倍。 在北美市场p l a 短纤维的价格约在4 9 美元公斤，长丝的价格约在5 5 美元公斤， 其中一个最主要原因是生产规模较小，从而导致p l a 生产成本较高。据分析p l a 树 脂生产规模的大小与生产企业的经济效益有着直接的关系，如果生产规模能在 3 0 0 0 0 吨的话，p l a 树脂的生产成本将可能降至2 美元公斤；如果年产能力达到1 0 万吨的话，其p l a 树脂的生产成本将可能降至1 美元公斤。因此扩大生产规模将 有助于生产厂家的赢利能力以促进p l a 纤维材料的广泛应用。 在2 0 0 4 年5 只：欧盟委员会确认p 乙a 聚乳酸纤维，猿许纺织厂商和服装零售 商使用“p o l y l a c t i d e ”来标签含有p l a 提炼的p o l y l a c t i d e ( i n g e o ) 聚乳酸纤 维成份的服装和面料。 1 2 2 聚乳酸纤维在国内的开发状况 中国进行聚乳酸及其纤维的研究虽起步较晚，但由于许多科研单位和生产厂家 的积极参与，在聚乳酸及其纤维的理论基础研究和产业化生产技术等方面现已取得 了很大的进步。目前国内从事聚乳酸及其纤维基础理论研究和生产技术应用研究的 高校已很多，其中如青岛大学纺织服装学院、华南理工大学材料学院、北京理工大 学、东华大学等高校已在聚乳酸及其纤维的制备、纺丝成形、非织造布制造等方面 已取得了许多科研成果。与此同时，一些纺织企业也跃跃欲试，试图领先一步开发 p l a 纤维材料市场，如上海华中公司旗下的上棉十七厂目前正在积极开发以纯棉为 经纱，p l a 纤维为纬纱的“玉米梭绢”服装面料，据称该工厂开发的面料具有干爽、 第1 章绪论 抗皱和丝绸般外观等特点。2 0 0 4 年秋冬有“朵彩”、“妙美”、“富铤f o r t e j ” 三个内衣品牌抢先推出英吉尔纤维内衣。“朵彩”推出的是i n g e o 纤维混彩棉的男 女内衣系列，对i n g e o 纤维的天然、舒适和耐洗功能评价极高。其关爱人类和生 活环境的理念正切合“朵彩”的品牌主题，促使这两个中美品牌联手为未来创造美 好生活环境的梦想实现。“妙美”保暖内衣，采用了i n g e o 纤维混天然彩棉和莫代 尔面料，融合天然和现代高科技工艺，制造出功能与美感兼有的保暖内衣。来自意 大利的品牌“富铤f o r t e i ”内衣采用i n g e o 纤维混羊绒、莫代尔、棉和三色粘胶的 面料推出市场发售。 八月份在上海举办的床上用品展览会上，一些床上用品企业采用聚乳酸纤维作 为填充料用于被胎内的填充物，如上海水星集团、宁波维科等。此外，河北保定依 棉、山东德棉等国内知名纺织企业已开发了超过5 0 种英吉尔纤维的纱线，包括混 合羊绒、丝、竹纤维、莫代尔和天丝等等。 近年来，国外一些公司也十分看好中国市场，正通过积极的措施与大陆国内一 些有实力的化纤企业接洽，以寻找新的合作伙伴，共同开发p l a 纤维。如c d p 公司 己通过与中国一些大的化纤企业接洽，提出了c d p 公司负责提供p l a 原料及相关纺 丝加工技术，合作方提供纺丝和后加工设备，合作生产p l a 纤维织物、服装等产品， 并将生产的大部分产品销往美国市场，其余部分产品则在中国本土销售的合作意 向。 1 3 本课题的研究内容和意义 聚乳酸纤维是一种性能优异、可持续发展的绿色生态纤维，其原料来源充足、 能耗量低、可生物降解性好、物理机械性能优异。因此开发该产品不仅具有可观的 经济效益，而且还具有极好的社会效益。目前聚孚l 酸纤维的开发生产在欧美及同本 正在蓬勃发展。本课题拟通过对聚乳酸纤维的结构、性能进行系统研究，深入了解 该纤维的各项物理性能。同时通过对聚乳酸纤维的纺织加工性能进行研究探讨，为 今后聚乳酸纤维在纺织上的广泛应用提供有价值的参考，为我国在聚乳酸纤维的开 发利用做初步的尝试。 课题主要研究内容包括： ( 1 )聚乳酸纤维的结构和性能的研究： ( 2 )聚乳酸纤维纺纱工艺的研究； 第1 章绪论 ( 3 ) 聚乳酸纤维纱线性能的分析： ( 4 )聚乳酸纤维织造、染色工艺的探讨。 第2 章聚乳酸纤维的结构与性能 第2 章聚乳酸纤维的结构与性能 2 1 聚乳酸纤维的生产技术 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p l l a ( 聚左旋乳酸) 、p d l a ( 聚右旋乳酸) 和p ( d ，l ) 一l a ( 聚消旋乳酸) 。 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 一羟基丙酸，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( 如p e t 中的e g ) 。乳酸可由含淀粉类谷物( 例 如玉米、土豆、甘蔗下脚、甜菜下脚) 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。该技术最早由美国卡吉尔公司开发并实现工业化生产。其 生产工艺流程简单，该工艺流程的最主要步骤是连续发酵，通过毫微过滤法脱色， 然后再通过单极电渗析法制得内含水份的浓度大约为2 0 的乳酸。 2 1 2 聚乳酸的制备 p l a 的制备方法主要有：( 1 ) 宜接聚合法( 简称一步法) ； ( 2 ) 丙交酯开环聚合法( 简称两步法) ： ( 3 ) 丙交酯与其它单体的共同聚合法( 简称共聚法) 。 ( 1 ) 一步法( 直接缩聚法) 一步法最初由卡罗瑟斯提出，是在真空和高温条件下，利用溶剂去除乳酸中的 水份，直接聚合p l a 的生产方法。该法是最早也是最简单的p l a 生产方法。其主要 特点是生产工艺流程短，成本低，生产过程对环境友好，具有一定的技术优势，但 不足之处是制得的p l a 平均分子量较低，一般小于5 0 0 0 ，因而，难以满足制造高分 子材料制品的加工要求，故不利于工业化生产。目前，该方法现已被同本三井东亚 ( t o a t s u ) 化学公司等多家企业广泛应用，主要用于生产中、低分子量的p l a 聚合 拿 第2 章聚乳酸纤维的结构与性能 物。 通常乳酸聚合时间的长短受催化剂的影响，且聚合物分子量的高低则与聚合温 度及反应体系内的水份含量也有着一定的关系。由于聚合反应时温度高于1 8 0 ， 制得的聚合物极易氧化着色，因而往往会给聚乳酸的聚合、加工带来诸多的不便。 为了解决这一问题，目前已有一些企业开展了这方面的技术研究，如同本三井东亚 化学公司通过采用特殊缩聚方法，正在研制分子量高、杂质少、稳定性好、成型加 工容易，且产品性能不易劣化的优质p l a 聚合物，随着这一技术的成功丌发和应用， 将有望为p l a 的生产开辟新的途径。 ( 2 ) 两步法( 丙交酯开环聚合法) 两步法是目前合成p l a 最常见的方法。陔方法是先去除乳酸中的水份，制得丙 交酯的环状中间体聚合物，然后经真空蒸馏，从而制得分子量范围较宽的p l a 聚台 物。通常两步法合成的p l a 含有残留单体和少量催化荆，且平均分子量较高，应用 范围也较广。然而两步法也存在生产工艺流程较长，生产成本较高，工艺较复杂， 且在生产中需消耗大量试剂等不足。对于两步法生产技术而言，乳酸的环化和提纯 是制备丙交酯的技术难点，也是制备p l a 的关键所在。在两步法生产p l a 过程中， 丙交酯的开环聚合属链式聚合反应，并且聚合条件和工艺参数的选择往往随引发剂 的不同而改变。根据引发剂类型的不同，两步法聚合通常又可分为阴离子聚合、阳 离子聚合、自由基聚合。 阴离子、阳离子聚合工艺复杂，多采用氯化锌、氯化锡及氯化亚锡等常规催化 剂，聚合时间较长，一般为8 h 1 2 h ，同时聚合要求体系有较高的真空度。离子聚 合反应的缺点是反应能耗较大、聚合物质量不商。目前有关p l a 用的烷基金属催化 剂正引起人们关注，该类催化剂具有催化效率较高，能大大降低聚合反应的能耗等 特点，采用这类催化剂聚合反应能在几分钟内完成。通常，丙交酯开环聚合方法还 可进步分为本体聚合和溶液聚合两种： 本体聚合法 该法主要采用引发剂和丙交酯为单体，在1 0 0 c 下聚合约1 9 0 h r ，制得的p l l a 分子量可高达1 0 0 万，但该法聚合时间偏长且产物分子量并不稳定目标分子量 不能由单体与引发剂之比确定。尽管如此，但该法仍然是目前制备离分子量p l a 的 常用方法。 溶液聚合法 该法主要是将丙交酯溶于甲苯中，以三异丙醇铝为引发剂，在7 0 下聚合约 0 第2 章聚乳酸纤维的结构与性能 l o h v ，采用引发剂( f i c l ) 终止聚合反应，过量的引发剂以e d t a 萃取除去；而采用 溶液聚合法则可得到分子量较高( 不超过2 0 万) 且反应的可控性较好的p l a 。此外 该法亦可使丙交酯在本体聚合、溶液聚合、乳液聚合等不同的聚合体系中进行聚合 反应。本体聚合一般采用辛酸亚锡做引发剂，在聚合反应中，辛酸亚锡只是催化剂， 真正的引发剂是体系内极少量的杂质( 如水或羟基化合物等) ，为保证聚合物质量， 减少副反应发生，聚合体系常采用惰性气体封闭。该生产技术特点是：单体转化率 高，制得产物为低消旋化p l a 。由于催化剂辛酸亚锡本身无毒，又可作为食品添加 剂，故无需分离去除。 ( 3 ) 共聚法 共聚法主要是指丙交酯与其它单体如g a ( 乙交酯) 、e c l ( 乙酸内酯) 和e g ( 乙二 醇) 等进行共同聚合改性p l a 聚合物的生产方法。丙交酯通过与其它单体共聚可得 到不同结构和性能的p l a 聚合物，如乙交酯一丙交酯、丙交酯一己内酯、聚乳酸一聚 乙二酵嵌段共聚物等。目前这类共聚物的合成研究报导较多。采用l l a ( 左旋乳酸) 、 d l l a ( 外消旋乳酸) 、d o n ( 二氧六环酮) 、e c l 制备的p l l a 、p d l l a 等聚乳酸材料， 经处理后对甾族类药物有稳定的长效释放功能。不同种类的单体在同一催化体系内 的竞聚率也不一样，因而通常还会影响共聚p l a 的组成和化学结构。据文献报导， 在辛酸亚为引发剂的乙交酯和丙交酯的共聚体系中，乙交酯增长的竟聚率比丙交酯 大三倍。而在双金属引发体系中，乙交酯竟聚奉为3 3 ，丙交酯的竟聚率为0 1 3 2 。 由此可见，共聚中引发体系对聚合物的化学结构有着重要的影响。因此在聚乳酸的 共聚过程中可采用不同的单体、引发体系来制备改性的p l a 聚合物。 相比而言，目前聚乳酸( p l a ) 的制备方法以两步法和一步法生产技术较为成 熟并且使用最多。 2 1 3 聚乳酸纤维的制备 p l a 与p e t 、p a 等聚合物一样，可通过干法溶液纺丝或熔融纺丝来制备p l a 纤维。 在p l a 纺丝过程中，通常要求p l a 聚合物原料的平均分子量为3 3 0 0 0 0 ，最好采用左 旋聚乳酸( p l l a ) ，作为纺丝原料。 ( 1 ) 干法溶液纺丝法 干法溶液纺丝法生产用的纺丝原液一般采用二氯甲烷、三氯甲烷或甲苯作溶 剂，溶解聚乳酸树脂作为纺丝液进行制备。工艺流程如下： 聚乳酸树脂作溶剂一纺丝液一过滤计量喷丝板出丝一溶剂蒸发一 第2 章 聚乳酸纤维的结构与性能 纤维成形一卷绕拉伸一纤维成品 通常可采用溶液纺丝法制备出相对分子质量为3 1 0 5 5 1 0 j 的聚乳酸纤维。 在生产过程中，将p l l a 溶解于甲苯等溶剂中( 在l1 0 下) 。当p l l a 的相对分子质 量为3 5