（纺织材料与纺织品设计专业论文）玉米聚乳酸纱线力学性能研究[纺织材料与纺织品设计专业优秀论文].pdf

玉米聚乳酸纱线力学性能研究摘要 玉米聚乳酸纱线力学性能研究 摘要 玉米聚乳酸是以玉米淀粉经过微生物发酵得到的乳酸为主要原料、再经聚合所得 到的高分子聚合物。聚乳酸材料有较好的加工与使用性能，而且具有优良的生物降解 性能，在服装、装饰及产业方面均有良好的应用前景。 玉米聚乳酸纱线是纺织过程中的半成品，先将聚乳酸纱线在不同温度及润湿条件 下处理，然后再进行力学性能及结构方面的各类检测实验，探索温度和水对纱线试样 的力学性能影响及其规律，并研究经不同温度处理后聚乳酸纱线的内部结构、形态的 变化。 研究结果表明，经热湿处理后玉米聚乳酸纱线的力学性能会发生一定的变化。总 体而言，随着热处理温度的升高，玉米聚乳酸纱线强伸性有所上升，弹性下降，长度 收缩。而湿态下玉米聚乳酸纱线的强伸性提高，长度变长，弹性下降。而结构分析表 明，经过热处理后，试样的内部结构并没有发生很大变化，在1 2 0 内玉米聚乳酸纱 线的耐热性较好。 关键词：玉米聚乳酸纱线温度水力学性能结构 作者：蒋秀翔 指导老师：顾平 a s t u d yo i lt h em e c h a n i c a lp r o p e m i e so fp o l y - l a c t i c - a c i dy a m a b s 打a c t a s t u d y o nt h em e c h a n i c a lp r o p e r t i e so f p o l y - l a c t i c - a c i dy a r n a b s t r a c t p o l y - l a c t i c - - a c i d ( p l ai ns h o r t ) i sa k i n do f p o l y m e r i cc o m p o u n dp o l y m e r i z e df r o m b u i l d i n go fp l aw h i c hd e r i v e df r o mm a i z es t a r c hb ym e a n so ff e r m e n t a t i o na m o n g m i c r o o r g a n i s m p l ah a sg o o dp r o c e s s i n ga n du s i n gp r o p e r t i e s ，e x c e l l e n tb i o l o g i c a l d e g r a d a b i l i t ya sw e l l t h e r ew i l lb eab r i g h tp e r s p e c t i v e sf o rp l a t ob ea p p l i e di nt h e g a r m e n t ，u p h o l s t e r yf a b r i c sa n di n d u s t r i a lf a b r i c s p l ay a r ni st h es e m i - p r o d u c t sd u r i n gt e x t i l ep r o c e s s i n g f i r s t l y ，t h ep l ay a m sa r e t r e a t e di nt h ec o n d i t i o no f d i f f e r e n tt e m p e r a t u r ea n dw e t t h e nak i n do f e x p e r i m e n t sa b o u t t h ep e r f o r m a n c eo fs t r e n g t ha n ds t r u c t u r ea r ed o n et of i n dh o wt h eh e a ta n dw a t e rc a n i n f e r e n c et h em e c h a n i c a lp r o p e r t i e so ft h ep l ay a ma n dw h a tt h er e g u l a r i t yi s a tt h e s a n l et i m e ，t h ec h a n g e so fi n t e r i o ra n do u t s i d es t r u c t u r eo fp l ay a mw h i c hh a sb e e n t r e a t e db yh e a ta r et ob es t u d i e d r e s u l t so f t h er e s e a r c hp r o v et h a ts o m ec h a n g e sa b o u tt h em e c h a n i c a lp r o p e r t yo f t h e p l ay a mh a v eb e e no c c u r r e d a st h et e m p e r a t u r er i s e s ，t h et e n a c i t yw i l la s c e n d ，t h e e l a s t i c i t yw i l ld e s c e n da n dt h ey a m 。sl e n g t hi ss h o r t e rt h a nb e f o r e a n dw h e nt h ep l ay a m i sw e t ，i t st e n a c i t yw i l la s c e n d ，i t se l a s t i c i t yw i l ld e s c e n da n dt h ey a msl e n g t hi sl o n g e r t h a nb e f o r e t h es t r u c t u r ea n a l y s i sp r o v e st h a tw h e nt h et e m p e r a t u r ei sb e l o w1 2 0 。c ，t h e i n t e r i o rs t r u c t u r eo fp l ay a r nc h a n g e sal i t t l ea n dt h eh e a tr e s i s t a n c eo ft h ey a mi s c o m p a r a t i v e l yg o o d k e yw o r d s ：p l ay a r n t e m p e r a t u r e w a t e rm e c h a n i c a lp r o p e r t ys t r u c t u r e i i w r i t t e nb y j i a n gx i u x i a n g s u p e r v i s e db y p r o f g up i n g 苏州大学学位论文独创性声明及使用授权的声明 学位论文独创性声明 本人郑重声明：所提交的学位论文是本人在导师的指导下，独立进 行研究工作所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文不含 其他个人或集体已经发表或撰写过的研究成果，也不含为获得苏州大学 或其它教育机构的学位证书而使用过的材料。对本文的研究作出重要贡 献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人承担本声明的法律 责任。 研究生签名：型蔓盘i 五日期：塑生! ：! 学位论文使用授权声明 苏州大学、中国科学技术信息研究所、国家图书馆、清华大学论文 合作部、中国社科院文献信息情报中心有权保留本人所送交学位论文的 复印件和电子文档，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。本 人电子文档的内容和纸质论文的内容相一致。除在保密期内的保密论文 外，允许论文被查阅和借阅，可以公布( 包括刊登) 论文的全部或部分 内容。论文的公布( 包括刊登) 授权苏州大学学位办办理。 研究生签名：。蕴盎茎垴 日 研究生签名：逝笪盔址一一日 导师签名：塑鱼 e l j 期： 期： 蝴b 6 。i i 、巧 玉米聚乳酸纱线力学性能研究 l前言 1前言 1 1 玉米聚乳酸纤维概述 自然界中的植物或动物蛋白的储量十分丰富，它是一种资源可再生的环境循环材 料，在绿色环保型纺织品领域内的应用前景被人们普遍看好。 近年来，玉米纤维作为一种新型绿色环保纤维引起人们重视。事实上，早在1 9 4 8 年美国v a r g i n i ac a r o lc h e m i c a l 公司就开发了玉米纤维，商品名“v i c a r g ，1 9 5 7 年v i c a r a 纤维已经可以批量生产i l 】。此后，美国谷物公司c a r g i l l 以玉米为原料， 经过提取、合成得到了一种非蛋白质聚合物聚丙交酯，纺丝后制得纤维，取商品 名。n a t u r ew o r k s ”。1 9 9 7 年，美国d o w p o l y m e r s 公司与c a r g i l l 公司合作，组建 c a r g i l l d o w p 公司，进行聚丙交酯纤维的工业化生产，为此，科学美国人杂志将 其被评为2 0 0 2 年度全球5 0 佳 2 1 。1 9 9 4 年，日本钟纺公司和岛津公司也开发出玉米纤 维，取商品名“l a c t r o n 。最近，c a r g i l l d o w p 公司将其玉米纤维技术授权台湾远 东纺织公司，生产的玉米纤维取商品名“i n g e o 在亚太地区销售。概括起来，玉米纤 维实际上有二种类型：一种是玉米蛋白质纤维；另一种是玉米聚乳酸纤维。 玉米蛋白质纤维，即v i c a r a ，它是利用玉米残渣，用7 0 异丙醇提取出一种黄 色粉状物( 玉米醇溶蛋白质) ，将其溶于n a o h 溶液，经过滤、脱泡后，进入储存沟 使之成熟，其问，球状蛋白分子变成羧酸钠基，结成盐链结，最后采用湿法纺丝方 法制成v i c a r a 纤维。v i c a r a 纤维具有较高的延伸性，其干态断裂伸长率达到3 2 ， 湿态断裂伸长率增大至3 5 ；纤维干态断裂强度较高，为1 0 5 8 c n d t e x ，湿态断裂 强度明显下降，为6 1 7 c n d t e x ；吸湿性较好，回潮率为1 0 ；纤维呈淡黄色，可以 耐1 5 4 4 高温，但长期阳光照射会使纤维性能逐渐变差；纤维具有抗生物性，化学 性能比较稳定【3 】。 玉米聚乳酸纤维的制备一般以农产品玉米为原料，经过微生物( 乳酸菌) 发酵将 玉米糖转化为乳酸；由乳酸经过催化合成得到丙交酯，再经过催化合成得到高分子量 聚丙交酯切片：最终用熔融纺丝方法将高分子量聚丙交酯切片制成纤维。本论文所涉 玉米聚乳酸纱线力学性能研究 i 前言 及的主要是玉米聚乳酸纤维，简称聚乳酸或者叫p l a 纤维。 1 2 聚乳酸材料的发展及应用前景 聚乳酸( p l a ) 是一种主要以乳酸为主要原料聚合所得到的高分子聚合物。由于 p l a 的原料来源于玉米等农作物而无需使用石油等十分宝贵的不可再生资源，并且 具有良好的生物相容性和可降解性，其降解产物乳酸、二氧化碳和水均是无害的天然 小分子，因而它被看作是二十一世纪最具发展潜力的新型生态环保材料之一，受到世 人的关注，目前已经并广泛地应用于医学、包装材料、纺织等领域。 早在1 7 8 0 年，瑞典化学家席勒( s c h e e l e ) 就从发酸的牛奶中提炼出一种有机酸， 称之为乳酸。美国的著名化学家w h c a r o t h e r s 在1 9 3 2 年用丙交酯开环聚合法合 成了聚乳酸，但由于所得的聚合物分子量低，机械性能差，作为强度材料几乎没有什 么用途，未引起人们的重视，只是被看作一种中间体，用于增塑剂或以p l a 的形式 贮存或运输乳酸而i 1 4 1 直到上世纪六十年代，p l a 才因其良好的生物相容性与生物 可降解性而在生物医药领域得到成功的应用。 上世纪8 0 年代以来，人们开始研究聚乳酸的大规模工业化生产，以应用于其他 领域，并已成功拓展到包装、纺织领域。目前，高纯度、高聚合度的p l a 生产技术 已由美国卡吉尔道公司( c a r g i l l - d o w ，简称c d p ) 及其他公司相继开发成功，c d p 公司已在全球推出了商品名n a t u r ew o r k s t m 的p l a 树脂，2 0 0 2 年该公司在美国内布 拉斯加州建造年产1 4 万吨p l a 聚合物树脂的工厂正式投产，并计划在今后1 0 年内 扩大投资，使总生产能力能达到4 5 万吨年1 5 】。 随着不可再生的石油资源枯竭期到来之前，石油及其衍生物市场价格暴涨，可再 生的产品必将成为全球范围的紧俏消费品。这样，就给以农副产品为原料的聚乳酸材 料带来了千载难逢的市场机遇和极大的消费潜力。据统计，2 0 0 0 年世界塑料消费量 约1 1 5 亿吨，如果2 0 年后替代石油基聚合物的消费量按1 0 0 一2 0 计，世界对聚乳 酸材料的需求量每年将可达到11 5 0 - 2 3 0 0 万吨1 6 1 。因此，作为一种最有应用前景的生 物降解材料，聚乳酸的开发和利用，除可解决环境污染问题外，更重要的在于为主要 以石油资源为基础的塑料及相关工业开辟了取之不尽的原料资源。因此，聚乳酸材料 的开发，无论从环境保护还是从开发资源方面来说均具有重要的意义和广阔的发展前 2 至鲞壅塾墼竺丝查兰丝堕竺塞 !堕童 景。 近几年来，随着聚乳酸生产工艺日趋成熟，生产成本大大降低，使聚乳酸作为一 种新型材料应用于纺织业成为可能。而将聚乳酸成功的开发为一种新型纺织纤维的还 应归功于卡吉尔道公司。除了早在1 9 9 3 年卡吉尔公司以e c o p l a 的商标推出适用于 挤出和注塑成形的p l a 聚合物外，1 9 9 7 年卡吉尔道公司成立时又推出n a t u r e w b r k i l m p l a 作为聚乳酸纤维的商标，最近，该公司又注册了以i n g e o t mf i b e k 英吉尔 纤维) 作为其聚乳酸纤维的商标，并且成功地推广到市场上。 1 3 聚乳酸纤维及其制品的性能 1 3 1 聚乳酸纤维的性能特点 1 3 1 1 具有良好的环保性能 聚乳酸纤维的最大的优点就是它的环保性，这也成为聚乳酸纤维最大的商业卖 点。聚乳酸的环保性主要体现在以下两个方面： 一是能够循环再生。聚乳酸纤维的原料来自于一年生的作物玉米，是一种可 持续再生的资源。聚乳酸纤维与同为聚酯纤维的涤纶相比，在机械性能方面，两者的 强度基本相同，其模量较涤纶低，断裂伸长率两者接近，而弹性回复率较高；在舒适 性方面，回潮率聚乳酸纤维略高，而其芯吸性和快速湿传导能力也很显著，加上其异 常柔软的手感和优良的悬垂性，使得聚乳酸纤维在舒适性方面优于涤纶纤维。由此可 见，在性能上，聚乳酸纤维在很多方面不输于甚至于优于涤纶纤维，但从循环再生的 这个角度上而言，以涤纶为代表的合成纤维的制造是建立在石油化工工业上的，而其 原料的来源石油其资源是有限的，不可再生的。等到若干年以后，石油资源开采面 临枯竭，那么这些纤维的生产和发展也必然受到很大制约。而聚乳酸纤维的单体来自 可循环使用的资源一农作物，太阳是农作物的生长的能量来源，是一种取之不尽且不 会造成任何污染的能源。当然，与所有的聚合物一样，在加工制备过程中，聚乳酸也 使用化工材料，但毕竟为人类摆脱对石油的依赖迈出一大步，也使聚乳酸纤维成为了 一种潜力相当大的纺织材料，今后将很有可能成为传统聚酯纤维的替代品。 二是聚乳酸纤维的生物可降解性。在正常的温度与湿度下，聚乳酸及其产品相当 稳定。当处于有一定温湿度的自然环境( 如沙土、淤泥、海水) 中时，聚乳酸将完全 至鲞壅塾塑丝垄兰堡堂里壅! 堕童 降解并释放出水和二氧化碳。其降解机理是先由温度催化聚乳酸水解，再由细菌对其 进行侵蚀，最终完全分解。在降解过程中聚乳酸纤维的强度逐渐下降，最终降为零。 利用标准的混合肥料生产设施可以很容易在将其制成肥料。在适当的条件下，这种纤 维可以通过混合肥料生产的方法还原成天然糖盯3 。并且燃烧聚乳酸纤维时，几乎没有 有害气体产生，所以无论是填埋还是焚烧，都不会对环境造成污染。 聚乳酸纤维的持续发展模式可由图1 1 表示。由图1 1 可知，聚乳酸纤维取自于 自然( 原料来源于天然原料) ，还原于自然( 完全分解为二氧化碳和水，对自然环境 无害) ，并且其加工过程中所耗能源、产生的废水、废气比其他石油基的合成纤维少 得多，是一种可持续发展的生态环保型纤维。因此，聚乳酸纤维是一种大有发展潜力 的新型纺织材料。 图1 - 1 聚乳酸的可持续发展模式示意图 1 3 1 2 能够满足纺织加工及产品使用的基本性能要求 众所周知，并不是所有的纤维都能作为纺织纤维使用，纺织纤维除了应具有纤维 的一般特征外，其性能必须满足纺织加工和产品使用的基本要求，如具备一定的强力、 拉伸性、抱合性、表面性能、形态稳定性、弹性回复性及柔韧性等。 聚乳酸是重要的乳酸衍生物产品，是以乳酸小分子为单体，经化学合成为长链 的新型生物降解性高分子材料，聚乳酸纤维和涤纶纤维一样，它是一种由小分子物合 成为高分子物的脂肪族高聚物纤维材料，也是合成纤维的一种。玉米聚乳酸纤维具有 4 玉米聚乳酸纱线力学性能研究 l 前言 线性的或螺旋型的大分子结构，纤维性能与涤纶纤维的对比情况如表1 1 所示。 表1 1聚乳酸纤维与涤纶纤维可加工性的比较 聚乳酸纤维细旦涤纶 密度g c m 3 1 2 51 3 4 细度d t e x 1 5 00 8 0 长度m m 3 83 8 干强c n d t e x 1 5 4 75 5 7 湿强c n d t e x l5 3 35 4 9 回潮率 0 4 - 0 60 2 一o s 断裂伸长2 5 3 53 0 4 0 质量比电阻o g c m 。 8 48 1 弹性回复率( 5 应变) 9 36 5 杨氏模i k g m m 。 4 0 0 一6 0 011 0 0 - 1 3 0 0 表面性状 光滑但有一定粘力 光滑 由上表可知：就聚乳酸纤维的可纺性而言，影响聚乳酸纤维纺纱的主要因素如长 度和线密度均符合纺纱要求，聚乳酸纤维手感柔软，回弹性好，有较好的卷曲性和卷 曲持久性硌3 ，这些都是对纺纱生产有利的方面。但是，由于聚乳酸纤维表面光滑、回 潮率低、质量比电阻高，对纺纱生产有许多不利影响。如在纺纱过程中，由于纤维吸 湿差、质量比电阻高容易产生静电缠绕打手、梳理元件等现象。由于纤维表面光滑、 抱合力差而容易粘附罗拉等机件。因此，在实际生产中，可采取加入适量的抗静电油 剂、防滑剂等工艺措施，增加纤维的抗静电能力，改善纤维之间的抱合力，适当控制 车间相对湿度也可以使纺纱工序顺利进行悖1 。以当今成熟的纺纱技术而言，通过控制 纺纱生产过程的工艺和条件，可以把聚乳酸纤维纺成具有良好品质的纱线。事实上， 目前市场上已经出现了玉米聚乳酸纤维的纯纺、混纺和交织产品。不容忽视的是，聚 乳酸纤维属于高强、中伸、低模量纤维，利用这些优点，可以生产聚乳酸与其他纤维 的混纺纱线n 们，使纤维间能够取长补短，不仅可以提高纤维可纺性，并且也最终能 达到改善产品外观、手感和功能的作用，从而优化产品结构，提高产品档次通常采 用的是聚乳酸与棉纤维混纺生产的棉聚乳酸( 6 7 3 3 或6 5 3 5 ) 混纺纱，开发各种 内衣面料。 玉米聚乳酸纱线力学性能研究l前言 1 3 2 玉米聚乳酸纤维制品的服用与使用性能 玉米聚乳酸纤维的品种很多，可制成单丝、复丝、短纤维、变形丝等，也可以用 于生产非织造织物、针织物和机织物。由于聚乳酸纤维在诸如芯吸性、弹性、耐光性、 燃烧性方面的表现特别优异( 见表1 - 2 ) ，使聚乳酸面料在服用或其他使用过程中也 显示出了相应的特性。 1 3 2 1 吸湿快干性 表1 - 2 聚乳酸纤维与涤纶纤维服用及使用性能的比较 聚乳酸纤维 涤纶 接触角度 7 68 2 毛细吸水性极好优 折射率 1 3 5 - 1 4 51 5 4 耐光强度( 氤z 0 0 h ) 强度损失0强度损失3 0 燃烧性离开火焰2 分钟后熄灭离开火焰6 分钟后熄灭 烟雾m k g 1 6 33 9 4 悔点| 1 3 0 1 7 52 5 4 2 6 0 聚乳酸纤维虽然回潮率较低，纤维本身吸湿很少，但它的导湿能力较强，即 聚乳酸纤维有很好的芯吸能力n ”。并且由于纤维带有卷曲，其制品较为蓬松，更增 强了其导湿能力。夏季穿上该织物加工的服装，透湿性和水扩散性能优异，吸汗快干 性优良，可通过蒸发迅速带走体热，并且一年四季都有爽快的感觉。可以利用这一特 性设计出吸湿排汗服用织物、家居卫浴用品、餐厨用品、及各种一次性用即弃卫生产 品等。 1 3 2 2 弹性及柔软性 根据g e o r g i at e c h 的测试，聚乳酸纤维在1 0 应变条件下的弹性回复率为6 3 9 1 1 9 1 n 羽，而在相同条件下棉的弹性回复率为2 3 ，聚酯为5 1 ，尼龙为8 9 。 由此可见。聚乳酸织物有较高的回弹性，若再加上它的低模量，使聚乳酸织物具有柔 软舒适的手感。 6 玉米聚乳酸纱线力学性能研究 1 前言 1 3 2 3 耐光性 由表1 2 所知，玉米聚乳酸纤维在氙弧光照射1 0 0 小时后的强度损失几乎是0 ， 说明它的耐光强度极高，其织物具有优异的抗紫外线性能，使其在家用纺织品市场上 的吸引力大大增强。 1 3 2 4 燃烧性 聚乳酸纤维虽然不是一种阻燃性材料，但是，该纤维燃烧时的热值低，发烟量少， 具有较好的自熄性。相对于其他可燃或易燃纤维而言，它在燃烧时只释放出很少的可 见烟雾，且烟雾的毒性较低，从而大大降低因烟雾造成的可见度下降或中毒的危险， 它燃烧时释放的热量只相当于涤纶的6 0 n 。聚乳酸织物表现出了良好的阻燃性 能，通过了建筑材料表面燃烧性能的e - 8 4 隧道测试以及关于香烟和火柴1 5 s 点火 的欧洲标准e n 一1 0 2 1 - 1 + 2 测试。一种聚乳酸纤维的床垫产品成功地通过了家具可 燃性的c a l l 2 9 测试n 羽。除了在服用领域的应用外，更增强了聚乳酸织物在室内装 饰面料方面的实用性。 1 3 2 5 染色性 与涤纶一样，聚乳酸面料可用分散染料染色。但是，聚乳酸纤维的耐碱性较差， 并且不耐湿热，在湿热及碱性环境中聚乳酸纤维有强烈的水解趋势。例如，在3 的 热碱溶液中，只需3 分钟的时问即可完全水解聚乳酸n 钔。因此，必须注意到聚乳酸 织物在传统的分散染料染色工序中纤维强度的损失问题，染色时应采用较为温和的工 艺，遇到湿处理工序时温度应尽可能降低通常，温度应控制在1 3 0 以下，p h 值 控制在4 - 7 范围。 染色时，聚乳酸纤维获得的色光与涤纶纤维相比较，波长有所减小，涤纶纤维的 红色、蓝色在聚乳酸纤维上分别会变成橙色和紫色 1 5 3 。此外，由于聚乳酸纤维对光 线的折射率较低，使其染色效果比涤纶纤维更深更鲜艳。 1 4 关于聚乳酸纤维材料的研究现状 聚乳酸纤维属于生物可降解高分子产品，具备了环保型纺织纤维的基本特征，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具有良好的发展前景， 7 至鲞壅塾墼竺丝垄兰堡丝堕壅 !塑童 将成为新世纪纤维生产与应用中的主导型产品之一。但是，聚乳酸纤维目前主要在美 国、e l 本等西方少数公司生产，纤维及其制品生产还未形成规模。因此，其产品的成 本相对较高，在一定程度上影响了聚乳酸面料的推广。在国内也只有河北天伦泊头纺 织有限公司、杭州中汇棉纺织有限公司、河北依棉集团等少数几家纺织企业推出过少 量聚乳酸纱线及其纯纺或混纺的机针织面料，所以聚乳酸纺织制品尚未在国内得到广 泛的应用。 国内外对于聚乳酸纤维及其制品的研究主要集中在以下几个方面。 ( 1 ) 聚乳酸纤维内部微观结构与性能的研究。主要研究聚乳酸材料的分子结构， 及与纺织加工和使用相关的纤维各种物理、化学性能。 ( 2 ) 聚乳酸纤维生产工艺的研究。主要研究该纤维的内部结构、聚合方法、生 产工艺等。 ( 3 ) 聚乳酸纤维染色工艺的研究。主要研究该纤维染色所用染料、染色工艺条 件及对于面料性能的影响等。 此外，对于热处理对纺织材料的作用效果及原因的研究方面，朱明娟等测试分析 了t e n c e l 、粘胶纱线经不同条件的热处理后其断裂伸长率、断裂强度、弹性模量、 断裂比功的变化“”，发现不同条件热处理后t e n c e l 纱线的强伸性能指标均比粘胶纱 线高。侯秀良等采用高温染样机及假捻变形纱机的热箱，分别研究了山羊绒纱线在松 弛状态，张紧状态下高温蒸纱、煮纱处理以及干热空气处理对山羊绒纱线强伸性能、 颜色及长度的影响 1 7 3 并进一步采用d s c 技术，分别研究了山羊绒纱线经( 1 2 0 1 2 ， 5r a i n ) 、( 1 2 0 c ，2 5 m i n ) 张紧蒸纱处理以及( 1 3 0 ，1 0m i n ) 松弛煮纱处理后， 其纤维熔融峰的变化。l u l 等人研究了山羊绒纱线经1 2 0 、1 4 0 x 3 、1 6 0 1 2 、1 8 0 干热空气处理后物理及化学性能的变化。m u l l e - j a n s 等人研究了羊毛纱线经干热 空气处理后泛黄的化学机理，s c h u r a r t z e 等人报道了毛织物颜色在过热空气中的变 化 1 1 1 3m i s h r as p 等人研究了聚丙烯腈经1 0 0 0 沸水处理后纤维性能、结构的变 化t ，。但是，国内目前尚没有关于聚乳酸纤维纱线及织物受热处理后性能变化的详 细报道。因此测试聚乳酸纤维纱线受热及湿态处理后结构及性能的变化，在基础理论 方面和生产实践方面都具有重要意义。 玉米聚乳酸纱线力学性能研究 i前言 1 5 本论文研究的目的意义及方法 1 5 1 本论文研究的目的意义 当前的纺织业中，新材料和新产品层出不穷，要想在市场上占有一席之地，除了 产品本身应具备良好性能外，还应具备稳定的可加工性啪1 ，这样产品的质量才会有 可靠的保证，才能在市场上逐步推广开来。聚乳酸纤维由于具有优良的性能，在服装 及家用纺织品领域有着较好的发展前景。但对于聚乳酸纱线性能尤其是力学性能的研 究还有待于进一步深入。 本文基于玉米聚乳酸纱线在纺织加工和产品使用过程中经常遇到的湿、热作用问 题，通过对不同温度及湿态条件下聚乳酸纱线力学性能进行较为全面的测试，探寻聚 乳酸纱线在不同处理条件下的力学性能的变化规律，并研究引起这些变化的原因，为 玉米聚乳酸纤维的产品开发、生产加工以及产品使用等提供相关的理论依据，也有利 于拓宽玉米聚乳酸纤维的应用领域，提高产品质量。 1 5 2 本论文的研究方法 1 5 2 1 聚乳酸纱线在不同处理条件下力学性能研究 对不同条件下的聚乳酸纱线的力学性能进行测试。主要测试指标为聚乳酸纱线的 断裂强度与断裂伸长率、以及纱线弹性回复率。测试条件为标准状态、湿态条件、 6 0 、8 0 、1 0 0 、1 2 0 、1 4 0 ( 纱线分别在这几个温度条件下处理3 0 分钟) 。 根据实验结果，研究聚乳酸纱线在不同处理条件下的力学性能变化规律。 1 5 2 2 研究聚乳酸纱线在不同处理条件下长度的变化 对经不同条件处理后的聚乳酸纱线的长度变化进行测试。主要测试指标为热、湿 收缩率。根据实验结果，研究聚乳酸纱线在不同处理条件下的长度变化规律。 1 5 2 3 聚乳酸纱线在不同温度处理下结构变化的研究 采用红外光谱、热分析等近代测试手段，研究经不同温度处理后的玉米聚乳酸纤 维的内部结构变化情况；通过显微镜观察，分析不同温度处理后纱线中纤维的堆砌结 构变化情况。 对上述在不同条件下聚乳酸纱线力学性能和结构变化进行测试分析基础上，找出 9 三鲞壅墨墼竺垡垄兰丝丝里壅 !堕童 力学性能变化的规律和引起结构变化的原因，探明聚乳酸纱线经不同条件处理后其力 学性能及结构的变化情况，为聚乳酸纱线在纺织加工过程中工艺参数的确定和产品开 发提供一定理论依据，以拓宽玉米聚乳酸纤维的应用领域，提高产品质量。 1 0 玉米聚乳酸纱线力学性能研究2试样处理及实验方法 2 试样处理及实验方法 2 1 试样处理 在纺织品加工过程及纺织品的使用过程中，经常会遇到热、湿的作用，研究热、 湿处理后纺织材料性能的变化及原因，将有利于指导纺织加工的工艺参数控制及产品 应用。因此，为了研究聚乳酸纱线的热稳定性和湿态条件下玉米聚乳酸纱线力学性能 的变化特点，本文对纱线试样进行了干热空气处理和润湿处理。 2 1 1 试样的干热空气处理 2 1 1 1 试验材料及仪器 本文选用的试验材料为聚乳酸纤维纯纺纱线，纱线捻度为8 1 捻，1 0c m ，线密度为 1 4 5 t e x ( 4 0 s ) 。在热处理前，先将试样置于标准温湿度环境下调湿4 8h ，然后对聚乳 酸纱线进行不同温度的干热处理。干热处理的设备为数显式八篮恒温烘箱。 2 1 1 2 试样干热空气处理温度的确定 相关资料表明，聚乳酸纤维的熔融温度较低，为1 5 5 - - 1 6 5 c 眨”，并且随着聚乳酸 纤维生产方法和生产工艺的不同而有所交化。同时，纺织材料的日常使用温度通常在 其玻璃态温度以下，因此，为了准确地把握聚乳酸纤维的耐热温度，本论文初步设想 按6 0 、8 0 c 、1 0 0 1 2 、1 2 0 1 2 、1 4 0 、1 5 0 3 2 、1 6 0 这几档温度，分别对聚乳酸纱 线进行干热处理。 在实验过程中发现：经过干热处理后的聚乳酸纱线，在不高于1 4 0 的热空气中 处理3 0 m i n 冷却后，纱线外观无明显变化；而经1 5 0 1 2 的高温处理半小时后，部分纱 线发生熔融粘结，而经1 6 0 ( 2 的高温处理半小时后，全部纱线发生熔缩粘结，冷却后 结成硬块，根本无法使用。由此可见，聚乳酸纱线用1 5 0 3 2 热空气处理一段时间后就 开始熔缩。因此，最终确定的干热空气处理温度定为6 0 1 2 、8 0 1 2 、1 0 0 1 2 、1 2 0 1 2 、 1 4 0 、1 5 0 。 玉米聚乳酸纱线力学性能研究 2试样处理及实验方法 2 1 1 3 试样干热处理的实验过程 用周长为1 1 2 51 1 1 的纱线测长器，绕出2 5m 长的绞纱试样若干，并按规定进 行调温调湿。为了测量玉米聚乳酸纱线在不同温度条件下的长度变化，首先在一定的 预加张力下，测量各绞纱在热处理前的长度l 1 ，然后将绞纱“自由地”置于八篮恒 温烘箱中进行热处理，时间3 0 r a i n 。试样处理结束后，再次调温调湿，再次测量纱 线长度l 2 。 设计的干热处理实验方案是：将玉米聚乳酸纱线样品分别置于6 0 、8 0 、 1 0 0 、1 2 0 、1 4 0 和1 5 0 的干热空气中，在松弛状态下进行3 0 r a i n 的耐热 性试验。试验时，先使八篮恒温烘箱升温，当烘箱温度达到预定温度时，放入纱线， 开始计算热处理时间，预定热处理时间结束后，取出纱线。 2 1 2 试样的润湿处理 对于聚乳酸纱线而言，其纤维的回潮率与涤纶相近，吸湿对聚乳酸纱线的力学性 能会产生一定的影响，所以有必要研究一下聚乳酸纱线在湿态下的力学性能的变化。 为了研究玉米聚乳酸润湿前后的力学性能变化规律，本文对试样进行润湿处理。试样 的润湿处理方法是：在室温条件下，将玉米聚乳酸纱线样品浸没于蒸馏水中，2 m i n 后，取出试样，用滤纸吸干水分，并在标准大气条件下测量试样的力学性能。 2 2 实验仪器及方法 本研究主要测试了不同条件处理后聚乳酸纱线的力学性能及收缩性能，并采用 t g d - r a 仪和红外光谱仪对纤维内部结构的变化进行了测试分析，用光学显微镜法来 观察聚乳酸纱线中纤维形态的变化。 2 2 1 纱线断裂强力和伸长率试验 实验仪器：i n s t r o n 一3 3 6 5 万能材料试验机； 测试条件：试验在恒温恒湿( 标准温湿度大气条件) 内进行； 实验方法：试样夹持长度为2 5 0 r a m ，初张力按0 1 c n l d t e x 计算，拉伸速度 为2 5 0 m m m i n ，每个样品重复测试1 0 次，实验结果取平均值。 墨鲞壅塾墼丝堡垄堂丝垦里圣 !蔓堂竺墨墨壅竺查堡 2 2 2 纱线弹性试验 仪器：y 3 9 1 型纱线弹性仪； 实验方法：试样夹持长度为l o o m m ，初负荷按0 5 c n t ：e x 计算，重负荷按 3 6 c n d t e x 计算。纱线弹性试验按定伸长测量方法进行2 劲，即在定伸长为s 时， 使试样在重负荷作用下拉伸3 m i n ，取下重负荷，在初负荷作用下读取读数s l ，此 时为急弹性变形；纱线松弛2 分钟后，在初负荷下读数s 2 ，为弹性变形；每个样品 测试1 0 次。试样的急弹性回复率、弹性回复率和缓弹性回复率的计算公式如下： 急弹性回复率( o 0 1 = 弹性回复率( ) = z s - 1 一- l _ i l o o ； n 厶l 。 ，一凳1 x 1 0 0 ； 1 一j l 刀厶l 缓弹性回复率( ) = 弹性回复 率一急弹性回复率 其中：l r 为定伸长值； s l 为拉伸后立即读取的伸长值( m m ) ； s 2 为拉伸回复2 分钟后的伸长值( m m ) ： n 为测试次数。 2 2 3 纱线热、湿收缩性测试 实验仪器：周长为1 1 2 5 的纱线测长器，1 m 长钢尺； 实验方法：长度测量的初负荷按0 7 5 c n t e x 计算，首先将未经处理的试样挂 上负荷读取原始长度l 1 ；然后使纱线分别在6 0 c 、8 0 、1 0 0 、1 2 0 、1 4 0 和1 5 0 1 2 的干热空气中松弛处理3 0 m i n ，或是进行润湿处理；再挂上同样的负荷读 取纱线试样的长度值l 2 ，每个样品测1 0 次。计算公式如下2 2 3 ： 热( 湿) 收缩率( ) ；生；生。 0 0 其中：l l 一纱线原长( m m ) o 至鲞壅塾墼竺堡垄竺丝丝翌塞 !蔓堂竺曼墨壅竺查堡 l 2 一热( 湿) 处理后纱线的长度( m m ) 。 2 2 4 热分析( d t 一t g ) 实验 实验仪器：美国p e 公司的d i a m o n dt g d t a 分析仪 测试条件：升温速度l o c m i n ；扫描温度为4 0 一4 0 0 。 实验原理：差热分析( d i f f 色r e n t i a lt h e r m a la n a l y s i s ) ，简称d t a ，是在程 序控制温度下，建立被测量物质和参比物的温度差与温度关系的一种近代测试技术， 差热分析曲线描述了样品与参比物之间的温差( a t ) 随温度或时间的变化关系，纵坐 标是样品与参比物之问的温差( a t ) ，峰向上为放热，向下为吸热，横坐标为温度或 时间。热重法( t h e r m o g r a v i m e t r y ) 简称t g ，是在程序控制温度下，测量物质的 质量与温度关系的一种近代测试技术。样品在热环境中发生化学变化、分解、成分改 变时可能伴随着质量的变化，热重分析就是在不同的热条件( 以恒定速度升温或等温 条件下延长时间) 下对样品的质量变化加以精确测量的动态技术，热重分析技术只适 用于加热过程中有脱溶剂化( 脱水) 、升华、蒸发与分解等质量变化的物质，热重分 析的结果用热重曲线( c u r v e ) 或微分热重曲线表示2 3 1 。 2 2 5 红外光谱分析 实验仪器：美国尼高力5 7 0 0 型红外光谱仪 测试方法：将所测样品剪成粉末状，再与k b r 混合研磨，然后压制成薄圆片， 直接置于光路中进行测试。波数扫描范围是4 0 0 0 4 0 0 c m ，以波数为横坐标，以 百分透光率为纵坐标，画成光谱图，即为该物质的红外吸收光谱图。 实验原理：红外光谱是分子振动光谱，通过谱图解析可以获取分子结构的信息。 当一定频率的红外光照射分子时，如果分子中某个基团的振动频率和它一致，二者就 会产生共振，此时光的能量通过分子偶极矩的变化而传递给分子，这个基团就吸收一 定频率的红外光，产生振动跃迁。如果用连续改变频率的红外光照射某样品，由于试 样对不同频率的红外光吸收程度不同，使通过试样后的红外光在一些波数范围减弱， 在另一些波数范围内仍然较强，用仪器记录红外光的百分透射比与波数或波长关系曲 线的红外吸收光谱，即得到该试样的红外光谱，就可以进行样品的定性和定量分析。 任何气态、液态、固态样品均可进行红外光谱测定，这是其它仪器分析方法难以做到 的。由于每种化合物均有红外吸收，尤其是有机化合物的红外光谱能提供丰富的结构 1 4 至鲞壅塾璧竺垡垄兰丝丝堡壅 ! 苎堂竺矍墨壅墼查些 信息，因此红外光谱是有机化合物结构解析的重要手段之一。 2 2 6 纱线中纤维形态变化的测试方法 实验仪器：徕卡仪器有限公司生产的d m l s 生物显微镜，具有测量与统计分析 功能。 实验方法：通过生物显微镜观察并拍摄经过不同温度热处理后纱线外观及纤维形 态变化情况，并进行测量和统计分析。 玉米聚乳酸纱线力学性能研究 3玉米聚乳酸纱线强伸性弹性的测试与分析 3 玉米聚乳酸纱线强伸性弹性的测试与分析 纱线力学性能对纺织加工和产品使用具有重要影响。宏观方面，材料的力学性能 是指材料在各种外力包括静态或动态的拉伸、压缩、弯曲、剪切和扭转等外力作用下 的形变特点【2 4 】；微观方面，材料的力学性质则可视为材料在力场中分子运动的表现。 纱线在受到外力作用后也会产生相应的变形和内应力与外力相平衡，并在达到一定程 度以后发生破坏。 当纱线经受拉伸作用时，纱线在外力作用下常常发生伸长变形，这是因为纤维在 纱线中、纱线在织物和其他制品中都沿受力方向排列的关系。实际生产中，广泛应用 拉伸特性来检验纱线的机械性质，因此，研究纱线的拉伸特性是十分重要的。在织造 过程中，纱线受到拉伸而产生断裂或是在交交应力作用下产生疲劳破坏是最容易碰到 的两个问题。前者与纱线的抗拉性能有关，后者与纱线的弹性有着密切关系，本文针 对这两个方面的问题，通过对聚乳酸纱线的一次拉伸断裂试验和弹性试验，研究其力 学特性。同时，考虑到纱线在纺织加工和产品使用过程中遇到热、湿作用的问题，本 文在实验室条件下，将玉米聚乳酸纱线进行了不同温度的处理和润湿处理，研究其力 学性能的变化特点以及产生变化的原因。 3 1 一次拉伸断裂测试 。 3 1 1 试验方法 根据实验设计方案，首先将试样进行干热处理或润湿处理，经过处理后，将试样 放置在标准大气条件下平衡2 4 h ，并按g b t1 4 3 3 7 - 9 3 标准测定试样的力学性能。 测试仪器为i n s t r o n 强伸度仪，试样夹持长度2 5 0t o n i ，拉伸速度1 0n u n m i n ，预 加张力0 1 5e n 。对于不同条件下的试样，分别测定1 0 次，最后取平均值。 3 1 2 测试结果及结果分析 3 1 2 1 标准大气条件下玉米聚乳酸纱线的断裂强度、伸长率和初始模量 1 6 玉米聚乳酸纱线力学性能研究 3 玉米聚乳酸纱线强伸性弹性的测试与分析 由i n s t r o n 强伸度仪测定的，玉米聚乳酸纱线在标准大气条件( 干态) 下的各项力学性能指标的实验结果如表3 - i 所示。实验曲线见图3 - l 。 表3 - 1 玉米聚乳酸纤维的强伸性指标的测试结果( 标准状态) 断裂强度 断裂强力断裂伸长率初始模量 项目 ( c n d t e x ) ( c n )( ) ( c n d t e x ) 最大值 2 6 0 6 1 1 21 6 2 7 51 8 3 9 最小值 1 7 4 8 o 7 21 0 4 7 84 2 8 平均值 2 2 7 5 0 9 71 4 0 6 9 9 9 9 变异系数( ) 1 3 5 01 3 0 1 1 3 5 0 5 1 2 1 图3 - 1 玉米聚乳酸纱线的伸长一负荷曲线( 干态) 玉米聚乳酸纱线的拉伸曲线如图3 1 所示。从图中可以看出：在拉伸开始阶段， 由于初始模量处于较高水平，所以拉伸曲线急剧升高；经过屈服点以后，在很长一段 拉伸范围内，纱线模量值变小，拉伸曲线平缓上升，当外加负荷达到纱线的断裂极限 时，纱线产生断裂，应力值下降为零。实验结果表明： ( 1 ) 在标准大气条件下，玉米聚乳酸纱线试样的断裂强度为o 9 7 c n d t e x ，断裂 伸长率为2 2 7 5 ，初始模量为9 9 9 c n d t e x 。玉米聚乳酸纱线的断裂强度值远低于玉 米聚乳酸纤维的断裂强度( 5 4 7 c n d t e x ) ，这是因为短纤维纱线在断裂的过程中，纱 线中的纤维与纤维可能产生“滑脱”。而且纱线中的纤维断裂具有不同时性从而使 纤维强度的利用率降低，纱线断裂往往又发生在“弱环”处。 ( 2 ) 在标准状态下，玉米聚乳酸纱线的初始模量值较低，比棉纱和涤纶纱都要小， 1 7 玉米聚乳酸纱线力学性能研究 3 玉米聚乳酸纱线强伸性弹性的测试与分析 说明纱线在小负荷作用下容易变形，刚性较差，其制品较柔软。从图3 - 1 中也可以看 出，曲线起始段的斜率较小。 3 1 2 2 润湿条件下玉米聚乳酸纱线的断裂强度、伸长率和初始模量及 千、湿条件下试样强伸性的比较 玉米聚乳酸纱线在润湿条件( 湿态) 下的强伸性指标的实验结果如表3 - 2 所示， 实验曲线见图3 - 2 。 表3 2 玉米聚乳酸纱线的强伸性指标的测试结果( 湿态) 断裂强度断裂强力断裂伸长率初始模量 项目 ( c n d t e x )( c 】田( )( c n d t e x ) 最大值 1 3 41 9 3 7 42 9 9 71 7 6 3 最小值 o 8 61 2 4 8 42 1 3 9 1 0 5 9 平