（纺织工程专业论文）聚乳酸混纺纱工艺及性能研究.pdf

摘要 聚乳酸是一种环保型纤维，其制品废弃物在土壤和水中能被微生物完全降解 成二氧化碳和水，不污染环境。其表面p h 值在6 o 6 5 ，呈弱酸性，与人体皮 肤相容性很好，且有一定抗菌作用。将聚乳酸与其他纤维混纺，如与棉混纺，既 发挥了聚乳酸以上的优点，又由于棉纤维的混入，避免了聚乳酸易起静电的不足。 在纺纱过程中要采取一定措施，尽量减少静电的产生，同时，对于选用何种混纺 比使纱线性能更优，是本课题研究的重点。 基于寻找合适的混纺比的思路，做了如下尝试： 选用1 8 d t e x2 7 m m 棉和i 7 d t e x3 7 m 棉分别与聚乳酸纤维以7 种混纺比 例纺纱，混纺比分别为聚乳酸棉：0 1 0 0 ，2 0 8 0 ，3 5 6 5 ，5 0 5 0 ，6 5 3 5 ，8 0 2 0 ， 1 0 0 0 ； 测试所有混纺纱的强伸性、条干均匀度、毛羽状况； 利用统计上的多项式回归方法找出混纺纱各项性能与混纺比的关系，并对各 个混纺比的纱线性能作以对比。对上述7 种不同混纺比的聚乳酸棉混纺纱进行 模糊决策分析，对各混纺比纱线的综合性能排以次序。 所得结论： 1 聚乳酸纤维与棉纤维断裂伸长率差异较大，两种纤维混纺，其混纺纱的断裂 强力和断裂伸长率与混纺比之间有着较强的相关关系。由二者纯纺纱的拉伸 曲线可以找出混纺纱的强力随混纺比的转折点( 临界混纺比) ，混纺纱的断裂 强力随聚乳酸纤维含量的增加，先降低后升高，在临界混纺比附近，强力最 低。混纺纱的断裂伸长率曲线在临界混纺比以前上升不明显，达到临界混纺 比之后，才有明显上升趋势。 2 聚乳酸棉混纺纱的纱线条干随聚乳酸纤维含量的增加而变好。 3 聚乳酸纤维的加入，对毛羽指数改善明显。 4 通过模糊决策分析，聚乳酸棉混纺纱成纱质量由优到劣依次为： 聚乳酸( 1 6 7 d t e x3 8 r a m ) 棉( 1 8 d t e x2 7 r a m ) p l a c ： 1 0 0 o ，8 0 2 0 ，6 5 3 5 ，5 0 5 0 ，2 0 8 0 ，0 1 0 0 ，3 5 6 5 聚乳酸( 1 6 7 d t e x3 8 r a m ) 棉( i 7 d t e x3 7 啪) p l a c ： 5 0 5 0 ，1 0 0 o ，8 0 2 0 ，6 5 3 5 ，3 5 6 5 ，2 0 8 0 ，0 1 0 0 关键词：聚乳酸混纺比混纺纱纱线性能模糊决策分析 a b s t r a c t p o l y l a c t i ea c i d ( p l a ) f i b e ri sak i n do fe n v i r o n m e n t a lp r o t e c t i o nf i b e lt h e p r o d u c t i o nm a d e o fi tc a l lb ed e g r a d e dc o m p l e t e l yb yg e r m n 圮d e g r a d a t i o np r o d u c t i sc a r b o nd i o x i d ea n dw a t e rw h i c h w o u l dn o tr e s u l ti ne n v i r o n m e n t a lp o l l u t i o n n sp h v a l u ei sb e t w e e n6a n d6 5 p l af i b e rh a sg o o dc o m p a t i b i l i t yw i t hh u m a n s k i na n di t i sa n t i b a c t e r i c a l p l o t t o nb l e n d e dy a mn o to n l yh a st h ea d v a n t a g eo f p l ab u ta l s o a v o i dt h ed i s a d v a n t a g eo fp l a s u c ha s ：b a da b s o r p t i o n , s t a t i cc h a r g e i nt h ep r o c e s s o fs p i n n i n g , w es h o u l du s em e a s u r ei no r d e rt or e d u c es t a t i cc h a r g e g e t t i n gt h eb e s t b l e n d i n gr a t i oi sa l s ot h ek e yp o i n to f t h ed i s c u s s i o n t h ee x p e r i m e n t sa n dt e s t sc o n t a i ns u c hw o r k sm a i n l ya sf o l l o w s ： b l e n d i n g p l aw i t h c o t t o n ( 1 8 d t e x2 7 m m ) a n dc o t t o n ( 1 7 d t e x3 7 r a m ) r e s p e c t i v e l ya ts e v e nb l e n d i n gr a t i o sa n dt h e ns p i n n i n g n l cb l e n d i n gr a t i o sa r e p l a c ：0 1 0 0 ；2 0 8 0 ；3 5 6 5 ；5 0 5 0 ；6 5 3 5 ；8 0 2 0 ；1 0 0 帕； y a m q u a l i t y ( e v e n n e s s | h a i m e s s | t e n s i l i n gp r o p e r t i t y ) t e s t ； c o m p a r i n gy a mq u a l i t i e so fs e v e nb l e n d i n gr a t i o s ；t h er e l a t i o ne q u a t i o nb e t w e e n y a mq u a l i t ya n db l e n d i n gr a t i oi se s t a b l i s h e d ；p r o p e r t i e so f y a m a r ea n a l y z e db yf u z z y d e c i s i o n c o n c l u s i o n ： 1 t h e r ei sag r e a td i f f e r e n c eb e t w e e np l af i b e r se l o n g a t i o na n dc o t t o n s n 坞s 嘶劬o fb l e n d e dy a r nf i r s tw o r s e n e da n dt h e ni m p r o v e dw i t ht h e i n c r e a s i n go ft h ep l ac o n t e n t t h eb r e a k a g ee l o n g a t i o n - b l e n d i n gr a t i o c u r v es h o w st h a tt h eb r e a k a g ee l o n g a t i o no f b l e n d e dy a mi sg e n t l eb e f o r e t h es t r e n g t ht r a n s i t i o np o i n t ，a f t e rt h ep o i n tt h ec u r v er i s eu po b v i o u s l y 2 t h ee v e n n e s so fb l e n d e dy a mi si m p r o v i n gw i t ht h ei n c r e a s i n go fp l a c o n t e n t 3 t h eh a i r n 懿o fb l e n d e dy a mi s r e d u c i n g 、析t l lt h ei n c r e a s i n go fp l a c o n t e n t 4 w i t hf u z z yd e c i s i o n , w ef i n do u tc o m p a r a t i v e l yb e t t e rr a t i of o re a c hs e r i e s w h i c hj sl i s t e da sf o l l o w s ： p l a ( 1 6 7 d t e x3 8 m m ) c ( 1 8 d t f f g2 7 r a m ) ： 1 0 0 o ，8 0 2 0 ，6 5 3 5 ，5 0 5 0 ，2 0 8 0 ，0 1 0 0 , 3 5 6 5 p l a ( 1 6 7 d t e x3 8 m m ) c ( 1 7 d t e x3 7 m m ) ： 5 0 5 0 ，1 0 0 0 ，8 0 2 0 ，6 5 3 5 ，3 5 6 5 ，2 0 8 0 ，0 1 0 0 k e yw o r d s ：p l a b l e n d i n gr a t i o b l e n d e dy a m y a mq u a l i t y f u z z y d e c i s i o n 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文时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，也不包含为获得云洼互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。 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解云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) 学位论文作者签名：蝴 签名日期：扣睁值月吖日1篓菩渤莞拥 学位论文的主要创新点 一研究了聚乳酸纤维的性能，并对聚乳酸纤维与棉纤维的混纺工艺 进行了尝试与探讨。 二通过纺制七种不同混纺比的纱线，并对纱线的条干c v 值、断裂 强力、断裂伸长、毛羽等进行测试分析，用数学方法处理数据， 得出聚乳酸混纺纱性能与混纺比的关系。 三通过模糊决策分析，得出不同混纺比的纱线中，综合性能最优的 纱线混纺比，以便为实际生产提供参考依据。 第一章绪论 1 1 聚乳酸纤维概况 第一章绪论 1 1 1 聚乳酸纤维的发展历史嘲 聚乳酸纤维始见于1 9 4 8 年，当时美国的v i r g i n s c a r i l i n a c h e m i c a c o r p 化学 公司利用玉米残渣提取玉米醇溶蛋白质( z e i n ) ，研发了一种称为维卡拉( v i c a r a ) 的产品，是玉米蛋白质纤维。直到1 9 5 7 年，得以批量生产维卡拉纤维。之后， 美国知名的谷物公司从玉米中生产出非蛋白质聚合物，冠之以商品名为 “n a t u r e w o r k s ”，最初的年产量为3 0 0 0 吨左右，继之扩产到6 0 0 0 吨。1 9 9 7 年， d o w p o l y m e r s 公司看好这种聚乳酸纤维的后期发展，与c a r g i l l 合作，组建了 c a r g i l l - - d o w 公司。c a r g i l l d o w 公司采取扩展战略，不仅扩大自己的聚乳酸 纤维原料生产规模( 控制该项技术) ，而且不断进行原料输出并组建新的公司，开 发新产品。1 9 8 9 年c a r g i l l - - 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 8 9 年一1 9 9 8 年日本岛津制作所与钟纺公司合作进一步开发玉米乳酸 纤维新品种l a c t r o n 纤维，并以该纤维制作推出各种服饰。此后，c a r g i l l - - d o w 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，远东成为 c a r g i1 l d o w 在亚洲授权的第二个公司，从而构成亚洲攻势，远东纺织公司授 权的聚乳酸纤维商品名为“i n g e o ”，在亚太地区销售。2 0 0 0 年，美国c i ) p 公司 与钟纺公司合作，联合生产聚乳酸纤维等新品种。 1 1 2 聚乳酸纤维的研究现状州嘲 聚乳酸作为可完全生物降解的高分子物，是以天然生物资源为基础原料开发 的新型纤维材料，具有光泽靓丽、舒适、耐用、滑糯、快干等优点，特别是它所 具有的生物降解性和适用性受到世界关注，以玉米、大豆、小麦等淀粉原料经发 酵、聚合、纺丝制成的聚乳酸纤维( p l a ) 正在迅速产业化，目前产能已超过 3 2 万吨年，日本钟纺公司开发成功的聚乳酸纤维商品名为“i a c t r o n ”，已广泛用 于服装、产业及医疗卫生用品。此外，日本丰田汽车公司报道了用聚乳酸为原料 制成汽车内部装饰材料的动向；德国拜尔公司分公司w o l f f 瓦尔斯罗德公司报道 其成功开发了聚乳酸系列的纤维素丙交酯热塑性材料，并将利用其轻质和刚性相 结合的特性以及优于聚丙烯的粘合性等优点，用于制作非薄膜制件和汽车的轻质 第一章绪论 复合材料。 国内的一些企业也正努力进入合作开发行列，不少化纤企业和科研单位开展 了对聚乳酸多方面的试验工作，聚乳酸在国内正得到越来越广泛的关注和研究。 我国东华大学沈新元教授等研究了聚乳酸纤维制备工艺，上海华源股份有限公司 自2 0 0 2 年开始与美国c d p 公司合作，成为国内第一家实行工业化发展的化纤企 业；上棉十七总厂成功开发出“玉米聚乳酸纤维”；仪征化纤公司已试产了聚乳 酸长丝和短纤维，并计划同美国c d p 公司合作批量生产聚乳酸纤维。 据报道，2 0 0 2 年美国联邦贸易委员会( f t c ) 把聚乳酸( p l a ) 纤维划归为一类 新的纤维，并规定一种纤维要被划入聚乳酸纤维，必须是从谷物或甜菜中的天然 糖类得到的聚乳酸酯制成的合成纤维。聚乳酸的开发和合成，其核心化学过程是 发酵和蒸馏，后道是简单的聚合反应。欧洲化学纤维协会b i s f a 在比利时布鲁塞 尔认同美国联邦贸易委员会，将聚乳酸纤维作为一种新的纤维种类。据此，国内 有人将聚乳酸纤维称为“玉米纤维”不十分恰当，日本有人将其称为“谷物纤维” 比较好，有人认为将其称为“淀粉纤维”更恰当。 1 1 3 聚乳酸纤维的应用 1 1 3 1 服装市场嘲叫1 习 聚乳酸纤维具有较好的形态保持性，当与棉混纺时，具有类似于涤棉混纺织 物的性能；具有较好的光泽度，但不产生金属刺眼光泽；具有优雅的真丝观感； 具有丝绸般极佳的手感；当其与羊毛混纺时，具有好的形态稳定性、抗褶皱性以 及光亮度，所以适合于动感服装、军服、内衣及运动衫等。 ( 1 ) 内衣面料 内衣被称为人的第二皮肤，其基本要求是能满足人体舒适性。面料要求柔软、 热湿舒适性好( 吸湿性、导湿性、透气性好) 、对皮肤无毒无刺激。聚乳酸纤维( p l a 纤维) 独特的结构，使纤维具有优良的柔软性、优良的形态稳定性，如与棉混纺， 几乎与涤棉具有同等的性能，处理方便；光泽比涤纶更优良，且有蓬松的手感； 聚乳酸与涤纶同样具有疏水性，经过加工处理后，可以具有良好的导湿性，对皮 肤不发粘。如与棉混纺做内衣，有助于水分的转移，不仅接触皮肤时有干燥感， 且可赋予优良的形态稳定性和抗皱性；它是以人体内含有的乳酸作原料合成的乳 酸聚合物，不会刺激皮肤，对人体而言绝对安全舒适，且对人体健康有益，非常 适合作内衣的原料。 ( 2 ) 运动衣面料 对运动衣的要求是柔软、弹性好；重量轻、耐穿耐用：吸湿性好，尤其是排 汗速度要快，使衣服干爽。通过加工，聚乳酸纤维( p l a 纤维) 可以具有良好的芯 第一章绪论 吸性能、吸水散湿性能以及快干效应，具有较小的体积密度，强伸性与涤纶接近， 非常适合开发运动服装。 ( 3 ) 女装和休闲装面料 女装和休闲装对面料的要求是柔软、有飘逸感：悬垂性要好；具有优良的弹 性；色泽艳丽。聚乳酸纤维的弹性模量较低，其织物具有很好的悬垂性和柔软手 感；较好的弹性回复性和卷曲持久性，使其织物有很好的定型性和抗皱性；另外， 采用微细旦聚乳酸纤维织成的织物具有丝般感觉，并且有悬垂性好，耐用性好， 吸湿透气性好等优点，是理想的女装和休闲装面料。 1 1 3 2 家用装饰市场 聚乳酸纤维u 、f 稳定性好、发烟量少、燃烧热低的特点使其在家用装饰市场中 具有吸引力，并且它优异的弹性更拓宽了其在该领域的应用。典型的应用包括： 悬挂物、室内装饰品、面罩、地毯，同时聚乳酸纤维应用于填充件也受到了人们 的重视。 1 1 3 3 非织造布领域 聚乳酸纤维好的透气性、芯吸性及弹性使其在非织造布领域也有发展潜力， 聚乳酸可应用纺粘法或熔喷法直接制成非织造布，也可先纺制成短纤维，再经干 法或湿法成网制得非织造布“”。 1 1 3 4 医用领域 聚乳酸纤维因其优良的生物相容性、低毒性和生物降解性，在医疗、医学领 域具有广泛的应用前景，其非织造布可用作手术衣、手术覆盖布、口罩等，其纤 维可用作手术缝合线、吊绳、纱布、针织布、外用脱脂棉、绷带等。例如：聚乳 酸及其共聚物纤维用作外科缝合线，在伤口愈合后自动降解并吸收，无需二次手 术，减少了病人的痛苦“”。聚乳酸作为生物降解材料已被美国f d a 批准，其在医 药及医疗用品方面的开发应用受到了国内外的高度重视。 1 1 3 5 树脂增强材料 聚乳酸纤维还可用于聚乳酸树脂基体的自增强，提高制品力学性能。具体加 工方法有3 种：( 1 ) 将聚乳酸熔体与聚乳酸纤维混合后在模具中快速冷却成型；( 2 ) 将聚乳酸纤维在模具中平行排列，在一定压力下加热使其表面熔化而粘合，再冷 却成型；( 3 ) 将聚乳酸粉末与纤维混合，一定压力下加热使粉末熔化而纤维只是 表面熔化，内部取向不变，再冷却成型。 1 1 3 6 双组份纤维“” 第一章绪论 不同聚乳酸纤维的熔点范围很宽( 1 2 0 c 1 7 0 c ) ，并且具有很好的热粘结 性能，从而使其成为双组份纤维的最佳选择之一。双组份纤维主要有皮芯型、并 列型、分割型、海岛型的结构，可应用于自卷纤维、超细纤维和与其它天然或合 成纤维的热粘结纤维领域。 第二章聚乳酸纤维的生产及纤维性能分析 第二章聚乳酸纤维的生产及纤维性能分析 作为绿色环保型纺织品，必须具备以下主要特征：( 1 ) 纺织品的再循环，其 中包括热再循环和化学再循环，可以把废弃的纺织品燃烧发电或将材料回收复 原；( 2 ) 必须是生物可降解纤维；( 3 ) 开发代替石棉纤维的纤维。而聚乳酸纤维就 是以农业产品玉米为原料，经过微生物发酵将玉米糖转化为乳酸，然后采用化学 方法将乳酸合成丙交酯，再聚合成高分子材料，最后将其纺成丝，成为纤维。 用这种纤维制成的制品废弃后，借助土壤和水中的微生物作用，完全分解成植物 生长所需要的二氧化碳和水，形成资源循环再生，因而聚乳酸纤维不会对环境产 生污染，是一种完全自然循环的可生物降解环保型纤维。它既有优良的生产制造 特性和较为广泛的用途，又属于有利于人类健康的纺织品，是2 1 世纪新型环保纤 维市场的主导产品之一。聚乳酸纤维作为环保型新纤维，是2 1 世纪纺织工业进一 步研究开发的重要课题之一，被很多专家称为“2 1 世纪的环境循环材料”1 1 6 1 1 7 1 。 图2 1 为聚乳酸纤维的自然循环系统 图2 - 1 为聚乳酸纤维的自然循环系统 从图2 一l 可见，聚乳酸纤维是以淀粉制得的乳酸为原料，具有生物降解性， 其废弃物埋入土中后，在土壤和水中的微生物作用下，大约经过1 2 年可分解 成二氧化碳和水，对地球环境不会造成污染。燃烧聚乳酸纤维几乎没有一氧化氮 放出，对空气质量没有破坏，是完全意义上的“环保纤维”蚴。 2 1 聚乳酸纤维的制备 第二章聚乳酸纤维的生产及纤维性能分析 2 1 1 聚乳酸的制取“”叫嘲 合成聚乳酸的单体是乳酸，乳酸的生产可分为石油合成法和发酵法两种。发 酵法是采用玉米、小麦、稻谷和木薯等含淀粉农作物为原料，从原料中提取淀粉， 经淀粉酶分解得到葡萄糖等单糖，再加入纯乳酸菌和碳酸钙进行发酵发酵液用 石灰乳中和至微碱性，煮沸杀菌，冷却后过滤，用热水重结晶。再加入5 0 的硫 酸分解出乳酸和硫酸钙沉淀。滤出硫酸钙，滤液在减压下蒸发浓缩，即得到工业 用乳酸。 目前，随着生物工程的发展，用生物发酵方法进行乳酸生产的研究获得了重 大突破，大大降低了制造乳酸的生产成本，也使聚乳酸和纤维的工业化生产成为 了现实。聚乳酸的合成方法较多，工业生产方法主要有：乳酸直接聚合法；低聚乳酸 固相聚合法；丙交酯开环聚合法。 ( 1 ) 直接聚合法 图2 - 2 直接聚合示例 直接聚合法，即在高真空和高温条件下用溶剂去除凝结水，将精制的乳酸直 接聚合( 缩合) 成聚乳酸树脂，可以生产较低分子量的聚合体。此方法工艺流程 短，成本低，对环境污染小，但制得的聚乳酸平均分子量较小，强度低，不能用 作塑料和纤维加工，用途不广，不适合大规模工业化生产。 ( 2 ) 固相聚合法 固相聚合法是直接聚合法得到的低分子量的聚乳酸切片，在减压真空条件下， 聚合温度在低于聚合物的熔点t m ，高于聚合物玻璃化温度t g 之间进行的一种提 高聚合度、增加分子量的聚合方法，目的是提高材料的强度和加工性能。 ( 3 )丙交酯开环聚合法 丙交酯开环聚合，即在较温和的条件下去除水份，将乳酸环化制成中间产品 二聚物丙交酯，在真空下蒸馏提纯后再进行开环聚合制得聚乳酸树脂。此方法制 得的分子量可高达二十几万，被c a r g i l l - d o w 和杜邦公司等大多数公司所采用， 是目前工业上普遍采用的方法。此方法虽然工艺流程长、成本较高，但可制得高 - 6 - 扣 粤募 州 一士 身 。如唱一 h o 岱 酸 婚 一 蝇氏暇 ，羽n 第二章聚乳酸纤维的生产及纤维性能分析 分子量的聚乳酸，用途广泛。 撇一一也，挚一即 g 乳酸二聚丙交酯聚乳酸 图2 3 丙交酯开环聚合示例 2 1 2 聚乳酸纤维的纺丝州侧 聚乳酸的纺丝成形可以采用溶液纺丝和熔融纺丝方式来实现。聚乳酸的溶液纺丝 法主要采用干纺热拉伸工艺，纺丝原液的制备一般采用二氯甲烷、三氯甲烷、 甲苯作溶剂，工艺流程为：聚乳酸酯一纺丝液一过滤一计量一喷丝板出丝一溶剂 蒸发一纤维成形一卷绕一拉伸一纤维成品。由于溶液纺丝法的工艺较为复杂，使 用溶剂有毒，溶剂回收难，纺丝环境恶劣，产品成本高，从而限制了其应用，故 不适合工业化生产。 聚乳酸是热塑性聚合物，可以采用熔融纺丝，熔融纺丝工艺技术成熟，环境 污染小，生产成本低，便于自动化生产，可制得各种单丝、复丝、长丝和短纤维等， 目前工业化生产聚乳酸主要采用熔融纺丝。据资料介绍，熔融纺丝的最高纺速可 达到5 0 0 0 r e r a i n ，一般在瓣3 0 0 0 m m i n 纺速下，纤维的结晶度、双折射、拉 伸强度、断裂强度和杨氏模量均为最佳。目前，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，它已成为聚乳酸纺丝成形加工的主流，采用熔 融纺丝法生产聚乳酸纤维目前已进入了商品化生产阶段。聚乳酸熔融纺丝工艺流 程如下所示： p l a 切片一千燥一熔融螺杆挤出机一过滤器一纺丝箱体一纺丝一卷绕 集束一拉伸一上油一卷曲一切断一打包 拉伸或拉伸假捻一包装- - , - d t 或d t y 成品 2 2 聚乳酸纤维的性能分析 2 2 1 聚乳酸纤维的物理性能 一7 一 第二章聚乳酸纤维的生产及纤维性能分析 聚乳酸纤维融合了天然纤维和合成纤维的优点，表2 - 1 中列出了聚乳酸纤维 和其他纤维的性能对比。 表2 - 1 聚乳酸纤维与其它纤维性能对比 誉 尼龙涤纶腈纶聚乳酸粘胶棉毛 指琮 6 比重 1 1 41 3 91 1 81 2 51 5 21 5 21 3 1 杨氏模量 3 0 01 2 0 04 0 0 6 0 0 k g r a m - 2 强度 4 2 - 4 84 5 - 5 53 0 - 3 52 5 4 52 0 - 2 5 2 0 - 4 01 2 - 2 0 c n t e x 回潮率 4 - 4 50 2 - 0 1 o 一2 0 4 0 61 1 - 1 3 7 增 1 4 - 1 8 4o 熔点2 1 5 2 5 5 3 2 0 1 3 0 - 1 7 0 ：腈纶在熔融前分解。纤维素纤维与蛋白质纤维分解而不熔融。 由表2 - 1 可知，聚乳酸的物理性能介于涤纶和锦纶之间，强度、吸湿性、伸 长性都和它们相近。详细来说：( 1 ) 聚乳酸纤维的比重小于涤纶，大于锦纶6 ， 因此聚乳酸纤维的制成品比较轻盈。( 2 ) 聚乳酸纤维的弹性模量介于涤纶和锦纶 6 2 _ 间，其产品具有干爽的风格。( 3 ) 聚乳酸纤维的熔点比较低。( 4 ) 聚乳酸纤 维的断裂强度和断裂伸长率都与涤纶接近；这些使得其面料能够具有强力高、延 伸性好、手感柔软、悬垂性好、回弹性好的性能。( 5 ) 聚乳酸纤维的吸湿吸水性 比较差，与涤纶接近，但染色性能优于涤纶。 2 2 2 聚乳酸纤维的燃烧性能 聚乳酸纤维具有良好的耐热性，并且极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极限氧指数的要求( 2 8 3 0 ) ，它的发烟量少，在燃烧 中只有轻微的烟雾释放；聚乳酸虽不属非燃烧性的聚合物，但与涤纶比更易自熄， 火灾危险性小，并且该纤维在燃烧时，几乎不会产生有害气体，如表2 2 2 3 所 示【2 。 表2 2 三种纤维的燃烧性能对比 p l ap e t棉 极限氧指数 2 4 - 2 6 2 0 2 21 6 1 7 第二章聚乳酸纤维的生产及纤维性能分析 烟气产生m 2 瓜g 燃烧生热s u m g 自熄时间 5 3 1 9 2 2 8 m i n 6 2 1 7 4 5 0 m j n 表2 3 聚乳酸酯聚合物的燃烧试验产物 毒性 半挥发性有机物 产生c o z 产生c o 灰分 未检出 1 0 0 未检出 0 0 1 2 2 3 聚乳酸纤维的可生物降解性” 生物可降解性是聚乳酸纤维最突出的特点，其制品废弃后，可降解成二氧化 碳和水，重新被生物体利用进行光合作用。它的降解不同于纤维素一类天然聚合 物由直接酶反应而造成降解的模式，大量研究表明，聚乳酸不接受直接的酶攻击， 而是在自然降解环境下首先发生简单的水解作用，使分子量有所降低；这种水解 过程又首先发生在非晶区和晶区表面。这些最先形成的较低分子量的组份水解到 一定程度方可进一步在酶的作用下产生新陈代谢作用而使降解过程得以完成。因 此，聚乳酸的降解过程是间接的。实验室研究表明，唯一能使聚乳酸不经水解而 直接发生作用的只有蛋白酶k ，这一点与棉花的情况相类似“1 。而对于其使用寿 命，一方面，聚乳酸的降解速率与其它生物降解材料相比更缓和一些，并且人们 可以从它的分子结构和超分子结构上予以调节：另一方面，聚乳酸的降解总是在 先行水解之后方可进行酶解，其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。 聚乳酸纤维在相对湿度9 8 ，温度6 0o c 以上时可以很快降解，大量的实验证 明，聚乳酸聚合物可用于施肥，在德国已获得d i n - c e r t c o 混合肥料证书，其降解 产物可作为肥料来生产玉米，水稻等，将来可再生成聚乳酸。 目前降解的方法有：堆肥降解( 混合肥中分解) 土地埋入降解 活性污泥中降解海水浸渍降解 2 2 4 聚乳酸的抑菌性 与可降解性紧密相连的是抑菌性问题，聚乳酸不直接受微生物所产生的氧 掰犸锄 第二章聚乳酸纤维的生产及纤维性能分析 化酶和水解酶的攻击而新陈代谢或腐败、降解，初期发生的水解作用只导致聚合 物分子量的下降，而不产生任何的可分离物，不造成物理重量的流失；这种水解 产生的大分子也不能成为微生物的营养品而发生新陈代谢作用，在一定的环境条 件下，当水解发展到相当程度时才开始产生真正的降解作用。因此，聚乳酸也能 够用作纤维和食品包装，事实上这也已经通过了f d a 的认可。有人对比高密聚乙 烯涂覆的纸容器提出，装在聚乳酸容器中的橙汁一类饮料和食品具有更好的味 道，且其中微生物的活性与聚乙烯涂覆纸容器中的情况相比较而言要更差些。 2 2 5 聚乳酸的人体可吸收性 聚乳酸( 聚l _ 乳酸酯) 在人体内可以经过降解而被吸收，为此从上世纪7 0 年代起便将其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、骨钉等以及作为缓驿药物的包囊材料等等。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 - 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l _ 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 3 聚乳酸纤维的定性鉴别 2 3 1 燃烧法鉴别聚乳酸纤维与涤纶纤维啪1 聚乳酸纤维属于合成纤维，在鉴别时很多特征类似涤纶纤维，而燃烧法可对 其进行鉴别，如表2 - 4 、图2 4 图2 - 7 所示。 表2 4 聚乳酸纤维与涤纶纤维燃烧法对比分析 靠近火焰进入火焰离开火焰残留物 聚乳酸纤维收缩，快速熔 化 熔融燃烧伴有 熔液连续滴下 继续燃烧，熔 液仍连续滴 下，火焰为蓝 残渣凝固缓 慢，灰白色硬 玻璃球状物 第二章聚乳酸纤维的生产及纤维性能分析 色，烟雾少， 无特殊臭味 涤纶纤维收缩，熔化熔融燃烧继续燃烧有熔黑色硬玻璃球 液滴下，火焰状物 为黄色，烟雾 大，有特殊芳 香味 图2 4 聚乳酸纤维燃烧火焰图2 5 涤纶纤维燃烧火焰 图2 6 聚乳酸纤维燃烧后残留物状态图2 - 7 涤纶纤维燃烧后残留物状态 2 3 2 显微镜观察法 利用显微镜观察聚乳酸纤维的横截面和纵面，观察到纤维纵面呈透明的玻璃 状形态，横截面为不规则圆形，这主要与纺丝过程中的喷丝孔形状有关。与其他 合成纤维一样，根据不同的用途，人们把聚乳酸纤维制成其他形态。目前，有报 告说聚乳酸纤维的横截面有呈多边形的。图2 8 图2 - 9 为本人用于纺纱试验的聚 第二章聚乳酸纤维的生产及纤维性能分析 乳酸横截面和纵面图。 图2 - 8 聚乳酸纤维横截面显微镜图像图2 9 聚乳酸纤维纵面显微镜图像 此外，通过扫描电子显微镜，观察可以看到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有斑点，聚乳酸纤维表面无规律性 的斑点及不连续性条纹形成的原因主要是聚乳酸存在大量的非结晶部分，从而在 水、细菌、氧气的作用下，可以进行较快的分解。图2 - 1 0 图2 - 1 1 为本人用于纺 纱试验的聚乳酸纤维的扫描电镜图片。 图2 1 0 聚乳酸纤维横截面电镜图片图2 1 l 聚乳酸纤维纵面电镜图片 2 3 3 聚乳酸纤维溶解- 陛试验嘲 2 3 3 1 溶解性试验 据有关资料报道，聚乳酸可用溶解性试验进行鉴别，方法为按1 9 样品1 0 0 1 1 溶剂的比例分别放进盛有下表所列的溶剂的烧杯中。看溶解的情况，分别搅拌或 煮沸l m i n 、5 m i n 、l o m i n 、后静置几秒钟，观察结果。 表2 5 聚乳酸溶解性能试验方案及试验结果 第二章聚乳酸纤维的生产及纤维性能分析 试剂搅拌或煮沸时间 l m i f l0 m l n1 0 r a i n3 0 m i n6 0 r a i n 丙酮( 常温) nnnn a 冰乙酸( 常温) nnnnn 冰乙酸( 沸)s 甲酸( 常温) nnnnn 二甲基甲酰胺( 常温) nn nnn 二甲基甲酰胺( 沸) nnn l m o l l 次氯酸钠( 常温)n nnnn 5 氢氧化钠( 常温) n n n 5 氢氧化钠( 沸) ns 2 5 氢氧化钠( 沸) 二 nn p 2 0 盐酸( 常温)n n nnn 发烟浓盐酸( 常温) nnnnn 发烟浓硝酸( 常温) npss s 7 5 硫酸( 常温) nnn nn 9 8 浓硫酸( 常温)s 注： n 不溶解； s 一一溶解； 一一轻微溶胀； s 一聚乳酸纤维在沸冰乙酸溶液中迅速溶解，溶液呈透明状，可用2 号砂 芯漏斗过滤；冷却至室温，溶液呈透明状，但遇冷水就有纸浆状物质析出， 手感类似石蜡； n 一聚乳酸纤维分别在3 0 、4 0 、5 0 c 、6 0 、7 0 c 的5 氢氧化钠溶液 中连续震荡1 0 m i n ，不溶解； s 一一聚乳酸纤维在5 氢氧化钠溶液中煮沸3 - s t a i n 后溶解，溶液呈透明状， 可用2 号砂芯漏斗过滤；冷却至室温，溶液仍呈透明状，遇冷水没有纸浆状 物质析出。 p - 一一聚乳酸纤维在2 5 氢氧化钠溶液中煮沸1 0 r a i n 试样开始溶缩，1 5 m i n 后 试样不能完全溶解，溶液已经很少； 卜一一聚乳酸纤维在常温的发烟浓硝酸试剂中5 m i n 后开始从边缘向内缩小。 针对上述溶解反映情况，增加用2 5 氢氧化钠溶液煮试样的试验，情况如下： 第二章聚乳酸纤维的生产及纤维性能分析 样品与溶剂按1 ：2 0 0 进行试验，l o m i n 试样开始溶缩，1 5 m i n 后试样还不能完 全溶解，溶液呈浑浊液； 样品与试剂按1 ：3 0 0 进行试验，l o m i n 试样开始溶缩，1 5 m i n 后试样完全溶解， 溶液呈澄清的液体状。 与只用5 氢氧化钠溶液煮沸试样的试验结果相比，综合试剂用量、时间等因 素，可知使用5 氢氧化钠溶液煮试样的效果更好。 2 3 4 聚乳酸纤维定- 眭鉴别程序 综上所述，且从便于普及推广该法的角度考虑，定性鉴别聚乳酸纤维的程序 如下： ( 1 ) 外观：聚乳酸纤维( 短纤或长丝，有光滑透明的) 的外形与合成纤维有类 似的质感；聚乳酸织物悬垂性好、抗皱性好，手感干爽且柔软滑润；光泽似绸缎， 华丽美观。 ( 2 ) 燃烧试验：燃烧时基本无烟( 区别于合成化学纤维) ，红蓝色火焰，残留物 呈很脆的灰白色块状。 ( 3 ) 显微镜观察：一般不需要做横截面切片。在显微镜下聚乳酸纤维纵面呈透 明的棒状形态。 ( 4 ) 溶解试验：由以上3 个步骤，基本能判断其为非天然纤维、非纤维素纤维。 在此基础上再进行如下步骤的溶解试验，进一步判定纤维种类： ( 1 ) 将试样放入8 8 的甲酸溶剂中，常温，振荡l m i n ，试样不溶，则可排除醋 酯、锦纶、维纶纤维。 ( 2 ) 将试样放入5 氢氧化钠溶液中，煮沸5 m in ，试样溶解，溶液清晰透明，则 可排除腈纶、涤纶、丙纶、乙纶、氯纶、氨纶纤维。 ( 3 ) 将试样放入9 9 冰醋酸试剂中，煮沸3 m i n ，试样溶解，溶液清晰透明，遇 水变白色浑浊液，则可进一步排除天然类纤维和纤维素纤维。 以上溶解步骤中只进行( 1 ) 和( 2 ) 或( 2 ) 和( 3 ) 就可以确认该样品是 否是聚乳酸纤维，加另一步是进一步确认。但只进行( 2 ) 和( 3 ) 就做判 断，有错判风险，因为二醋酯纤维溶于9 9 冰醋酸试剂，并在煮沸的5 氢 氧化钠溶液中部分溶解，且呈透明状 通过对聚乳酸纤维进行一系列的试验，分析其结果得出以燃烧试验、显微镜 观察及其溶解性能试验为主要内容的聚乳酸纤维的定性鉴别方法和程序。 2 4 聚乳酸纤维存在问题 第二章聚乳酸纤维的生产及纤维性能分析 目前的聚乳酸纤维的生产还存在一些问题：首先，从市场上表现出来的是聚 乳酸纤维价格偏高。聚乳酸长丝销售价格约5 万元吨，比同类聚酯纤维价格高 2 3 倍，聚乳酸纤维同棉花混纺纱相当于丝光棉纱价格，因而限制其进一步推 广，聚乳酸纤维价钱偏高主要是由于：一方面，聚乳酸纤维的生产规模较小，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，导致成本偏高；另 一方面，还由于生产技术的问题使得生产成本降不下来，比如乳酸合成丙交酯的 收率与产率问题，丙交酯聚合成聚丙交酯的聚合工艺问题，都还有待于进一步系 统的研究。其次，提高聚乳酸分子量和降低聚合物单体残留量，缩短工艺流程， 制定树脂技术标准有待加强。 第三章聚乳酸棉混纺纱试验 第三章聚乳酸棉混纺纱试验 影响聚乳酸纤维纺纱的主要因素有长度、细度、回潮率、摩擦系数和质量比 电阻等。聚乳酸纤维手感好，回弹性好，有较好的卷曲性和卷曲持久性，由于质 量比电阻高，在生产中静电作用对纺纱生产有许多不利影响，聚乳酸纤维吸湿性 差，回潮率不高，易产生静电，不利于生产加工，在纺纱过程中，对温湿度的变 化较为敏感，要根据室外温度及时调整。聚乳酸纤维外观平直光滑，蓬松性大， 卷子容易粘卷，成网比较困难，为了提高聚乳酸纤维的可纺性，要从纺纱工序着 手，改善纤维的物理机械性能，并采取一定的技术措施，使纺纱加工得以顺利进 行。 3 1 原料特性 各组分纤维的性能和混纺比是决定混纺纱性能的两大要素。纤维原料的长度 与细度是在1 6 5 条件下采用中切称重法测定的。棉纤维强力用束纤维强力仪 测定，聚乳酸纤维的强伸性能在1 6 5 下，用y g 0 0 1 a 纤维电子强力仪测定的， 测试隔距l o m m ，下降速度聚乳酸纤维8 m m m i n ，负荷量程i o e n 。聚乳酸纤维及棉 纤维的强伸性能测试结果如表3 _ 1 。 表3 - 1 聚乳酸纤维及棉纤维的强伸性能 细度( d t e x )长度( m m )断裂伸长率断裂强力( c n ) 聚乳酸 1 6 73 84 44 7 1 l # 棉 1 82 78 54 1 2 # 棉1 7 3 7 8 o 4 0 6 3 2 纺纱工艺流程 聚乳酸纤维： 抓棉机( a 0 0 2 a ) x 2 - - 混棉机( a 0 0 6 b ) ( 附a 0 4 5 凝棉器) 一开棉机( f a l 0 7 a ) ( 附a 0 4 5 ) - - a 0 6 2 电气配棉器- - a 0 9 2 a s x 2 ( f f l a 0 4 5 ) 一f a l 4 1 清棉机x 2 一梳 棉机( a 1 8 6 d ) 一聚乳酸纤维预三并( a 2 7 2 f ) 棉纤维： 第三章聚乳酸牖混纺纱试验 抓棉机( 0 0 2 a ) x 2 一f a l 0 4 多滚筒开棉机一混棉机( a 0 0 6 b ) ( 附a 0 4 5 ) 一开 棉机( f a l 0 6 a ) ( 附a 0 4 5 ) 一f 1 0 6 a ( 附a 0 4 5 ) 一a 0 6 2 一a 0 9 2 a s x 2 一清棉机 ( f a l 4 1 ) 2 一梳棉机( a 1 8 6 d ) 一精梳准备一精梳( a 2 0 1 d ) 一精梳条 聚乳酸纤维预三并条 混一并( a 2 7 2 f ) 一混二并( a 2 7 2 f ) 一混三并 棉纤维精梳条 一一 ( a 2 7 2 f ) 一粗纱( f a 4 0 1 ) 一细纱( f a 5 0 6 ) 一络筒( 1 3 3 2 m ) 本实验的梳棉工序，并条工序，粗纱，细纱工序均在1 6 一1 7 ，相对湿度 6 2 。5 6 4 下进行。因聚乳酸纤维表面光滑平直，整齐度好，蓬松性大，抱合力差， 易产生静电，从而粘附罗拉等机件，生产前先要使聚乳酸纤维达到纺纱条件，通 过加入适量的油剂，增加纤维的抗静电能力，改善纤维间的抱合力，适当控制湿 度以便各工序的顺利进行。该试验将t - 8 1 1 2 梳理剂均匀喷洒于聚乳酸纤维上， 密封静置2 4 小时后使用。本试验各混纺比的混纺纱采用相同的纺纱工艺以尽量 避免混纺比以外的因素的影响。相同细度的混纺纱采用相同的捻系数，分别为 2 8 t e x 纱线捻系数为3 3 0 ，1 8 r e x 纱线捻系数为3 6 0 ，1 4 t e x 纱线捻系数为3 4 0 。 3 3 各工序工艺研究 ( 1 ) 开松混合：开松以先缓和后剧烈，渐进开松，多松少打，开梳结合，少伤 纤维为原则。开松采用自由打击方式，自由打击对原料作用缓和，损 伤纤维少，杂质破碎少，适于对原料开松初始阶段。 ( 2 ) 梳棉工序：梳棉机的主要工艺原则是：轻打多梳，少伤纤维，多排除纤维 疵点，增加转移，低速度，大隔距和小张力牵伸。梳棉过程中要注意 搞好棉网转移，减少棉结形成，使棉网清晰，无破洞，还需防止纤维 充塞梳理区损伤纤维。 ( 3 ) 并条工序：并条工序是提高纺纱质量的关键工序。因两种纤维长度差异较 大，隔距应合理控制。聚乳酸纤维回潮率低、易起静电、纤维蓬松， 因此张力控制要适当，喇叭口大小要适当，以能够提高条子抱合力并 且减少条子的不必要意外牵伸为宜，要保证在牵伸过程中对纤维的有 效控制，以提高条于均匀度。宜采用“重加压，中定量，低速度”的 工艺原则。车速应偏低掌握，通道要光洁，保持绒板的运转良好，减 少压力棒的短绒积聚，做好纱疵的控制工作。 ( 4 ) 粗纱工序：由于聚乳酸纤维较蓬松，抱合力差，粗纱捻系数要适当加大， 第三章聚乳酸棉混纺纱试验 这样既可以保证粗纱成形与细纱退绕时不致于产生意外牵伸，