毕业设计（论文）-聚乳酸纤维的开发及应用

山东科技职业学院毕业设计（论文）PAGEPAGE15山东科技职业学院毕业设计(论文)论文题目:聚乳酸纤维的开发及应用系别:纺织学院专业:纺织品检验与贸易班级:08级2班学生姓名:xxx学号:20083010xxxx指导教师:xxx2011年6月摘要玉米纤维是以玉米等谷物为原料生产的新型纺织原料，玉米纤维具有优良的性能：比重轻，制成品轻盈舒适；具有良好的手感和回弹性；吸湿性较好，易于染色，且色牢度较高；色泽柔和，制成品美观，抗紫外线能力强，阻燃性好；可生物降解，属环保再生材料。基于以上优点，玉米纤维具有广泛的应用价值。玉米纤维薄型色织物是利用玉米纤维为原料，经上浆、染色等工艺加工成的一种轻薄型纺织品，该产品可用于男女衬衫、春夏女装、童装的制作。关键词：玉米纤维工艺参数小样薄型色织物整理AbstractCorn-fibreisnew-typeoftextilematerialwhichisproducedwithgrainlikecornaslowmaterial.corn-fibreisoflotsofexcellentpropertylikelowdensity,comfortableproductsmaking,goodhand-touchingsensationandreboundelasticity,goodmoistureabsorption,easydyeingwithlongcolour-keeping,softcolour,beautifulproductsmaking,goodanti-ultravioletray,goodanti-combustion,easydegradationbyorganism,beingenvironment-friendingreproductivematerial.Basedontheseadvantages,corn-fibrefabricisofgreatapplicationvalue.Thethincolouredcorn-fibrefabicwhichisproducedwithcorn-fibreaslowmaterialthroughprocesseslikesizing,dyeingislightthintextileproductwhichcanbeusedfortheproductionofmen’sshirts,women’sshirts,women’sgarmentsforspringandsummerandchildren’sgarments.Keywords:corn-fibreprocess’esdatasampleproductthethincolouredcorn-fibrefabricaftertreatment目录1聚乳酸纤维的性能及应用………1聚乳酸纤维的结构特点……………………1聚乳酸的化学结构………11.1.2侧面及横截面………………11.2聚乳酸纤维的加工……………11.2.1聚乳酸的制备流程…………21.2.2聚乳酸的制备………………21.2.3熔融纺丝……………………31.3聚乳酸纤维的主要性能………51.3.1比重…………51.3.2机械性质……………………51.3.3吸湿性………………………51.4聚乳酸纤维的利用及发展……………………61.4.1聚乳酸纤维的主要应用……………………61.4.2聚乳酸纤维的发展…………71.5本章小结………………………7２．聚乳酸纤维薄型色织物设计…………………72.1织物规格设计…………………82.1.1纱线规格的选择……………82.1.2织物密度设计………………8３聚乳酸纤维的定性鉴别分析研究……………83.1试验材料试剂和仪器…………83.2鉴别方法………………………9结语…………………13参考文献……………14致谢…………………15１．聚乳酸纤维的性能及应用保护生态，关爱大自然，造福下一代，尊重生命是21世纪的主题。随着经济增长，科技高速发展，文化品位日益提高，人们对高附加值纺织面料的需求不断上升，尤其是对生态环保性纺织品的需求增加。被誉为21世纪新一代纤维之一的玉米纤维，首先由美国维吉尼亚-卡里罗来纳化学公司生产制造，之后美国知名谷物公司Cagill、日本岛津制作所与钟纺公司开发玉米聚乳酸纤维，并投入生产。目前，我国玉米纤维纺织品也已面世，产品性能优越，深受消费者喜爱。聚乳酸纤维的结构特点聚乳酸的化学结构聚乳酸纤维和涤纶同属聚酯类，但涤纶是芳香族聚酯化合物，而聚乳酸纤维属于脂肪族聚酯化合物，其化学结构如下：1.1.2侧面及横截面常见聚乳酸纤维侧面及横截面的显微镜照片如图1-1、图1-2所示，其横截面呈非完整的圆形。图1－1侧面图图1－2横截面图1.2聚乳酸纤维的加工聚乳酸纤维的提炼方法是首先把玉米等谷物粉碎，过滤出淀粉，加入酶等成份，使其变成葡萄糖，再加上乳酸菌发酵成乳酸，从中生成一种聚合体的物质聚乳酸，再利用熔融纺丝法，可制成长纤及短纤。聚乳酸的原料聚乳酸的原料是乳酸，即-羟基丙酸、2-羟基丙酸。由于乳酸分子中有一个不对称碳原子，所以具有d-型（右旋光）和L-型（左旋光）两种对映体，等量的L-乳酸和d-乳酸混合而成的dL-乳酸不具旋光性。成纤聚乳酸以L-乳酸为单体。L-乳酸的工业化生产主要有微生物发酵法和化学合成法两大类。中国发酵乳酸工业主要采用玉米、大米、薯干粉等为原料，以谷糠、麦皮等为辅料，以α-淀粉酶、糖化酶为液化剂、糖化剂，CaCO3为中和剂，经发酵生产乳酸钙，再进一步酸化纯化得到乳酸产品。1.2.1聚乳酸的制备流程我们主要说说较常用的开环聚合方法，它的制程大致是这样的：1)取材将玉米等壳类作物碾碎后，从中提取淀粉，然后将淀粉制成未精化的葡萄糖。现在很多高技术已克服减去了碾碎的过程，直接从大量的农作物中提取原料。2)发酵以类似生产啤酒或酒精的方式来发酵葡萄糖，而葡萄糖发酵后变成类似于食物添加用于人体肌肉组织内中的乳酸。3)中间型产物将乳酸单体以特殊的浓缩制程，转变成中间型产物——减水乳酸，即丙交酯。4)聚合丙交酯单体经过真空净化后，再以一种不使用溶剂的溶解制程来完成开环的动作，使单体聚合。5)聚合物修饰由于聚合物的分子量与结晶度的不同，可使材料特性的变化空间很大，所以因不同应用的产品，将PLA做不同的修饰。1.2.2聚乳酸的制备聚乳酸的制备方法很多，目前，聚乳酸的制备方法主要是直接聚合法、二步法、反应挤出法。1.直接聚合法直接聚合法主要是指由精制的乳酸直接进行聚合(缩合)的方法。这种方法是最早也是最简单的生产方法。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，但是得到的分子量较低，难以满足制造高分子材料制品的加工要求。2.二步法使乳酸生成环状二聚体丙交酯，在开环缩聚成聚乳酸。这一技术较为成熟，美国NatureWorks公司生产聚乳酸工艺的工艺即为该工艺。中国的海正与中科院共同研制的聚乳酸生产技术也与此相似，主要过程是原料经微生物发酵制得乳酸后，再经过精制、脱水低聚、高温裂解，最后聚合成聚乳酸。3.反应挤出制备高分子量聚乳酸用间歇式搅拌反应器和双螺杆挤出机组合,进行连续的熔融聚合实验,可获得由乳酸通过连续熔融缩聚制得的分子量达150000的聚乳酸。利用双螺杆挤出机将低摩尔质量的乳酸预聚物在挤出机上进一步缩聚,制备出较高摩尔质量的聚乳酸。在反应温度为150℃、催化剂用量为0.5%、螺杆转速为75r/min时可通过双螺杆反应挤出缩聚法快速有效地提高聚乳酸的摩尔质量,而且反应挤出产物分散系数减小,均匀性变好。通过DSC曲线的比较发现,通过反应挤出缩聚法制得的聚乳酸的结晶度有所降低,这对改善聚乳酸材料在使用过程中表现出较大的脆性是有益的。聚乳酸在所有生物可降解聚合物中熔点最高，结晶度大，热稳定性好，加工温度在170~230℃之间，有良好的抗溶剂性，因此能用多种方式进行加工，如挤压、纺丝、双轴拉伸、注射吹塑。1.2.3熔融纺丝聚乳酸及其共聚物的纺丝可采用溶液纺丝和熔融纺丝工艺，主要采用干纺-热拉伸工艺，而干纺纤维的机械性能要优于熔纺纤维。研究表明，聚乳酸的分子量及其分布、纺丝溶液的组成及浓度、拉伸温度、聚乳酸的结晶度和纤维直径，都影响最终纤维的性能。聚乳酸是热塑性聚合物，可采用熔融纺丝。熔纺同溶液纺相比具有经济上的优势，因此对其研究非常活跃。PLLA对温度非常灵敏，在升温过程中特性粘度有较大幅度的下降，而且温度越高，△η越大。因此成纤聚合体中的金属、单体、水等的含量必须严格控制，尤其是残留金属及水分子在纺丝前必须严格去除，否则在纺丝过程中会引起分子量的急剧下降和腐蚀加工机械，制得的纤维性能降低。聚乳酸在所有生物可降解聚合物中熔点最高，结晶度大，热稳定性好，加工温度在170~230℃之间，有良好的抗溶剂性，因此能用多种方式进行加工，如挤压、纺丝、双轴拉伸、注射吹塑。聚乳酸及其共聚物的纺丝可采用溶液纺丝和熔融纺丝工艺，主要采用干纺-热拉伸工艺，而干纺纤维的机械性能要优于熔纺纤维。研究表明，聚乳酸的分子量及其分布、纺丝溶液的组成及浓度、拉伸温度、聚乳酸的结晶度和纤维直径，都影响最终纤维的性能。表１－3温度（℃）特性粘度（η）△η室温1.3502051.160.192150.890.462250.820.53PLLA的特性粘度聚乳酸是热塑性聚合物，可采用熔融纺丝。熔纺同溶液纺相比具有经济上的优势，因此对其研究非常活跃。PLLA对温度非常灵敏，在升温过程中特性粘度有较大幅度的下降，而且温度越高，△η越大。因此成纤聚合体中的金属、单体、水等的含量必须严格控制，尤其是残留金属及水分子在纺丝前必须严格去除，否则在纺丝过程中会引起分子量的急剧下降和腐蚀加工机械，制得的纤维性能降低。在熔融纺丝前，把聚乳酸未端的-OH基用醋酸酐和吡啶进行乙酰化，结果发现其热稳定性有所提高，为纺丝温度低于200℃，聚乳酸基本不发生热降解。采用二步法，即第一步熔融挤压，第二步热拉伸，可制得断裂强度高于7.2cN/dtex的聚乳酸纤维。表１－4不同纺丝气氛下聚乳酸的降解率纺丝的气氛原料特性粘度（dl/g）初生纤维特性粘度（dl/g）降解率（%）空气4.451.0576.4氮气4.453.3625.6研究还表明，纺丝的气氛对初生纤维特性粘度的影响极大，苦用氮气保护聚乳酸降解率明显降低，不同分子量的聚乳酸应该有不同挤出温度。表１－5聚乳酸的特性粘度和合适的挤出温度之间的关系原料特性粘度（dl/g）熔体挤出温度（℃）1.892451.752201.612151.3聚乳酸纤维的主要性能聚乳酸纤维与涤纶、锦纶纤维性能比较见如表1-6所示。1.3.1比重聚乳酸纤维的比重为1.27g/cm3，在纺织纤维中是较轻的，制成的织物轻盈舒适。1.3.2机械性质聚乳酸纤维的强度、伸长与涤纶和锦纶差不多，但初始模量较低，在小负荷作用下容易变形，具有很好的手感。玉米纤维的回弹性很好，延伸5%时，弹性恢复率为93%，延伸10%时，弹性恢复率为64%，优于涤纶纤维。1.3.3吸湿性聚乳酸纤维的吸湿性优于涤纶纤维，在标准状态下，回潮率为0.4%～0.6%。表1-6:PLA纤维与涤纶纤维、锦纶纤维的性能比较性能PLA纤维涤纶纤维锦纶纤维密度/g·cm-31.271.381.14拉伸强度/(cN·dtex-1)4.0-5.04.0-5.04.5-5.3强度/(cN·dtex-1)3.97-4.854.06-4.853.97-5.29伸长率/%25-3530-4040标准回潮率/%玻璃化转变温度/℃577040熔点/℃175255215折射率/%1.41.581.57抗紫外好中等差限氧指数/%2620-2220-24杨氏模量/（Kg·mm-2）400-6001200300结晶度/%＞7050-6035沸水收缩率/%8—158—158—15染料种类分散性染料分散性染料酸性染料染色温度/℃1001301001.4聚乳酸纤维的利用及发展聚乳酸纤维具有以上优越的性能，因此有广泛的应用价值。它可以制成圆截面的单丝或复丝、三叶形截面的BCF、卷曲或非卷曲的短纤维、双组分纤维、纺粘非织造布和熔喷非织造布等。玉米纤维既可以纯纺，又可以与棉、羊毛、粘胶、天丝、modal、山羊绒等分解性纤维混纺，是目前完美的环保型、绿色纤维。1.4.1聚乳酸纤维的主要应用1.机械性能及物理性能良好。聚乳酸适用于吹塑、热塑等各种加工方法，加工方便，应用十分广泛。可用于加工从工业到民用的各种塑料制品、包装食品、快餐饭盒、无纺布、工业及民用布。进而加工成农用织物、保健织物、抹布、卫生用品、室外防紫外线织物、帐篷布、地垫面等等，市场前景十分看好。2.相容性与可降解性良好。聚乳酸在医药领域应用也非常广泛，如可生产一次性输液用具、免拆型手术缝合线等，低分子聚乳酸作药物缓释包装剂等。3.聚乳酸（PLA）和石化合成塑料的基本物性类似，也就是说，它可以广泛地用来制造各种应用产品。聚乳酸也拥有良好的光泽性和透明度，和利用聚苯乙烯所制的薄膜相当，是其它生物可降解产品无法提供的。4.聚乳酸（PLA）具有最良好的抗拉强度及延展度，聚乳酸也可以各种普通加工方式生产，例如：熔化挤出成型，射出成型，吹膜成型，发泡成型及真空成型，与目前广泛所使用的聚合物有类似的成形条件，此外它也具有与传统薄膜相同的印刷性能。如此，聚乳酸就可以应各不同业界的需求，制成各式各样的应用产品。5.聚乳酸（PLA）薄膜具有良好的透气性、透氧性及透二氧二碳性，它也具有隔离气味的特性。病毒及霉菌易依附在生物可降解塑料的表面，故有安全及卫生的疑虑，然而，聚乳酸是唯一具有优良抑菌及抗霉特性的生物可降解塑料。1.4.2聚乳酸纤维的发展21世纪，绿色环保型新纤维制品会成为纤维市场的主导产品之一。聚乳酸纤维作为可生物降解的合成纤维，有着优良的性能和广泛的用途，需求量必然会不断扩大。我国有极其丰富的玉米原料，成本低廉，而且原料的利用率及转化率高。另外，聚乳酸纤维属于聚乳酸纤维，聚乳酸纤维生产原料来源更为广泛，几乎所有碳水化合物富集的物质都有可能通过发酵得到乳酸：农作物的根、茎、城市垃圾，食品工业副产品如土豆皮、玉米湿磨粉液体等都是上等、廉价的原料，乳酸可从再生资源中获得，本身又是可再生资源，使其在当今世纪格外受到青睐，生产玉米纤维纺织品蕴含无限商机。1.5本章小结聚乳酸纤维与涤纶、锦纶同属于聚酯纤维，但比涤纶、锦纶具有更加优良的性能：比重轻，为1.27g/cm3，是纤维中较轻的，制成品轻盈舒适；聚乳酸纤维初始模量较低，在小负荷作用下容易变形，具有很好的手感和回弹性；吸湿性较好，易于染色，且色牢度较高；色泽柔和，制成品美观，抗紫外线能力强，阻燃性好；可生物降解，属环保再生材料，基于以上优点，聚乳酸纤维具有广泛的应用价值。以玉米纤维为原料开发制作薄型色织物未见报道，对于开发者来说是全新尝试，为了提高产品开发的成功率，应依现代环保理念和此材料的特性合理设计织物规格和参数，全面提高薄型色织物的档次和技术含量。２．聚乳酸纤维薄型色织物设计近年来，我国薄型色织物生产的质量和品种有了大大的提高，在国内外市场上获得很好的声誉，薄型色织物很受国外客户的欢迎。目前，以棉薄型色织物居多，新型纤维的却较少，现选用玉米纤维纱设计了四种不同风格的薄型色织物，主要用于男女衬衫、春夏女装、童装的制作。2.1织物规格设计聚乳酸纤维薄型色织物规格设计包括纱线结构、织物的经纬密度、织物的组织以及织物色彩的设计。2.1.1纱线规格的选择目前市场上，聚乳酸纤维纯纺纱的规格有32s和40s两种。考虑织物品种的要求，选用线密度为32s玉米纱线为原料。纱线的捻度为86.4捻/10厘米，捻向为Z捻。2.1.2织物密度设计聚乳酸纤维薄型织物密度适中选择，织物的密度可以参照类似织物，采用紧度设计法进行设计，也可根据紧密度进行设计。紧度设计法计算公式如2-1，紧密度计算公式如2-2和2-3。Pj′(Pw′)=Pj(Pw)×/（2-1）式中：Pj、Pw为原经、纬纱的排列密度；Pj′、Pw′为设计织物的经、纬纱排列的密度；T为原纱特数，T′为设计纱特数。（2-2）（2-3）式中：Ej、Ew为经、纬向紧度；dj、dw为经、纬纱线的直径；Pj、Pw为经、纬向密度排列；kd为织物内纱线的直径系数；Ttex为纱线的特数。３．聚乳酸纤维的定性鉴别分析研究3.1试验材料试剂和仪器试验材料聚乳酸纤维：脂肪族类聚酯纤维，俗称玉米纤维，简称PLA纤维，样品由广州碧嘉材料科技有限公司提供。试剂硫酸、盐酸、甲酸、冰乙酸、氢氧化钠、次氯酸钠、二甲基甲酰胺、丙酮、二氯甲烷等。仪器哈氏切片器、生物显微镜、热差分析仪、电子显微镜、电热恒温水浴锅、红外光谱分析仪等。3.2鉴别方法采用燃烧试验法、显微镜法、熔点试验法、红外吸收光谱法、化学溶解试验法对聚乳酸纤维进行物理、化学性能的研究。显微镜观察试验对聚乳酸纤维进行显微镜观察，其横截面为近似圆形，纵截面纤维光滑、有明显斑点。其横向、纵向截面图形见图3-1中的图1、图2：\o"查看图片"

图3－1聚乳酸纤维显微镜观察试验燃烧试验纤维靠近火焰时纤维熔缩；接触火焰时纤维熔融、燃烧；离开火焰时纤维熔融燃烧、熔体下落；纤维燃烧时有淡淡的特殊甜味；残留物为浅灰色胶状物。根据燃烧试验方法，聚乳酸纤维同合成纤维特征较为相似，无特殊的表征现象。聚乳酸纤维与普通的合成纤维相比较，在鉴别时很多特征酷似合成纤维，在显微镜试验方法中，其横向截面和纵向截面的特性和合成纤维容易混淆，无法清楚地进行分别。在燃烧试验法中，其燃烧的性能和状态也与合成纤维有相似之处，不同的是残留物颜色较浅，但是这个表征现象并不十分明显，不能单用此方法确认是否为聚乳酸纤维。熔点试验对聚乳酸进行熔点试验，试验数据见表3-2。表3－2聚乳酸纤维熔融性能试验次数初熔/℃完全熔融/℃1149.8165.42150.6168.93149.5166.74148.9168.35149.2169.16150.4167.37151.0168.28150.2167.89150.3166.510149.7169.6聚乳酸纤维在150℃左右进行初熔，至165℃～170℃完全熔融。在熔点法中，聚乳酸纤维的熔点在165℃~170℃之间，涤纶纤维的熔点一般在252℃左右，锦纶6纤维在220℃左右，锦纶66在260℃左右，丙纶纤维在180℃，乙纶纤维在160℃左右，虽然能将其与涤纶、锦纶区分开，但容易和乙纶混淆，加上现在许多低熔点涤纶的研发，使单纯应用熔点法不易进行定性鉴别。红外光谱试验对聚乳酸进行红外吸收光谱分析试验，其红外吸收光谱图见下图3-3。\o"查看图片"

图3－3

由红外吸收光谱图可见在1747cm-1左右有双键伸缩振动强的吸收峰，C-O的伸缩振动在1076cm-1左右，1179cm-1左右有二个最强的吸收峰，表明该纤维具有酯类特征的吸收峰，属聚酯家族。但C=O伸缩振动频率位置相应与苯环共轭的聚酯类要高，强度要弱。在红外吸收光谱试验中，聚乳酸纤维和聚酯纤维的光谱吸收图有很大的相似之处，但可以通过聚乳酸的特征峰：1076cm-1、1179cm-1、1747cm-1，表明该纤维具有酯类特征的吸收峰，属聚酯家族。根据C=O基与苯环共轭，C=O基的伸缩振动频率比上述位置高低，强度的强与弱，区分聚乳酸纤维和涤纶纤维。化学溶解试验对聚乳酸纤维进行化学溶解试验，观察聚乳酸纤维在一定温度、溶解时间条件下，在一定的酸、碱、盐及有机溶剂中的溶解状态，具体见表3-4。表3－4聚乳酸纤维溶解性能表溶剂观察时间/min151030硫酸（98%），常温S0SSS硫酸（75%），50℃IIII硫酸（59.5%），60℃IIII盐酸（36%），常温IIII盐酸（20%），常温IIII甲酸（98%），常温IIII甲酸（80%），常温IIII甲酸/氯化锌，75℃IIII冰乙酸，常温IIII冰乙酸，80℃IIPS/P冰乙酸，煮沸PSSS氢氧化钠（5%），常温IIPP氢氧化钠（5%），煮沸PPSS氢氧化钠（2.5%），煮沸PPPS次氯酸钠（1mol/L），常温IIPP二甲基甲酰胺，常温I△△△二甲基甲酰胺，煮沸S0SSS二氯甲烷，常温S0SSS丙酮，常温IIII注：S——立即溶解，S——溶解，P——部分溶解，I——不溶解，△——溶胀。在溶解试验法中，从表3-4可以看出，聚乳酸纤维能溶解于常温下的二氯甲烷和煮沸的二甲基甲酰胺中，可以将之与涤纶有所区别，这是鉴别聚乳酸纤维和涤纶纤维及丙纶、乙纶纤维的关键点所在。结语聚乳酸纤维是一种可降解的环保型纺织新材料，比重轻、物理机械性能优良，染色性能好，耐光、热、阻燃性能较好，是一种可替代以石油为原料的合成纤维的新产品，运用玉米纤维为原料，结合纺织品设计的基本理论，以及企业的实践，成功设计了四种不同风格的薄型色织物，样品的设计与制作为今后的大货投产总结了经验，增大了玉米纤维的应用范围，提升了企业新品开发的档次。聚乳酸纤维薄型色织物的开发成功，增加了薄型色织物的品种，满足了人们对高品质生活质量的追求，面料不仅新颖，而且有益人体健康，有利于环境保护。玉米纤维在薄型色织物上的运用，提升企业产品的附加值，将产生一定的经济和社会效益。今后可进一步加大玉米纤维开发力度，扩大玉米纤维在服用、服饰、装饰、医用和产业用纺织品中的应用。进一步深入探讨用其他碳水化合物生产聚乳酸纤维的方法为其广泛应用奠定基础。参考文献[1]M.W.Sung,朱华.Ingeo用玉米制作的合成聚乳酸纤维[J].国外纺织技术,2003,(09)：5-7.[2]魏小娅.玉米纤维的研究进展[J].重庆大学学报(自然科学版),2003,(12)：145-148.[3]WALSHK,WESTERVELTR.CargillDowopensPLAplants[J].ChemicalWeek,2002,10:31.[4]唐昕.聚乳酸纤维的开发与玉米的前景[J].国外纺织技术,2003,(05)：8-9.[5]王琳琳.聚乳酸纤维的生产工艺流程[P].中国专利:CN1490444,2004-04-21.[6]王来云,秦加友,李魁成,王山,侯来运,秦岭.一种玉米秸秆生产纤维的方法[P].中国专利:CN1556263,2004-12-22.[7]YABANNAVARVM,WANGDI.Extractivefermentationforlacticacidproduction[J].BiotechBioeng,1991,