PLA纤维纺丝牵伸工艺

PLA纤维纺丝牵伸工艺引言随着环保理念的普及，可降解绿色纤维成为纺织行业发展的重要方向，PLA（聚乳酸）纤维因为原料来自玉米、木薯等可再生生物质，废弃后能完全降解为二氧化碳和水，不会对环境造成负担，近些年已经从实验室走向了大规模量产。我在生物质纤维纺丝工艺一线做了快十年的调试和优化工作，见过太多项目因为牵伸工艺没摸透，好好的PLA原料做不出合格的产品，要么断丝满天飞成品率极低，要么做出来的纤维强度不够、收缩率超标没法用。其实PLA纤维性能好坏，核心就卡在纺丝之后的牵伸工艺上，牵伸是把初生无用的丝束变成满足不同需求成品纤维的关键一步。今天我就结合这些年的实际经验，把PLA纤维纺丝牵伸工艺的核心内容，从原理到实际生产操作讲清楚，给同行做个参考，也给感兴趣的朋友捋明白这个工艺的来龙去脉。1纺丝牵伸工艺对PLA纤维的核心意义牵伸工艺不是纺丝流程里一个可有可无的步骤，对于PLA纤维来说，它是决定最终产品性能的核心工序，这一点是由PLA本身的特性决定的。1.1PLA纤维的结构特性决定了牵伸的必要性刚从纺丝组件喷出来的初生PLA纤维，分子链都是杂乱无章堆砌在一起的，取向度非常低，结晶度也不到10%，整体强度非常差，伸长率能到两三百percent，摸起来软塌塌的，根本没法进行后续的纺织加工，更别说做成终端产品了。和我们常见的PET（涤纶）比起来，PLA的热性能窗口窄很多，它的玻璃化转变温度一般在50到60℃之间，熔点也只有160到170℃，牵伸过程中对温度、拉力的变化比PET敏感得多，我刚接触PLA工艺的时候，直接套涤纶的牵伸参数，结果开车没半小时就出了一堆问题，那时候才明白，PLA的牵伸必须单独做工艺设计，不能照搬其他合成纤维的经验。1.2牵伸工艺直接决定PLA纤维的最终应用性能牵伸的本质就是在一定温度下，对初生纤维施加拉力，让杂乱的分子链沿着纤维轴向方向取向排列，同时诱导结晶，让纤维的结构变得规整紧密。经过牵伸，PLA纤维的强度能从不到1cN/dtex提升到3到6cN/dtex，伸长率降到10%到30%的合理范围，尺寸稳定性也会大幅提升。而且不同的牵伸工艺参数，能做出来完全不同用途的产品：调低调低牵伸倍数，做出来的纤维伸率高、手感软，适合做服装面料；加大牵伸倍数，做出来的纤维强度高、模量大，适合做工业绳索、土工材料；控制好热定形工艺，做出来的低收缩纤维适合做机织面料，不会洗后变形。可以说，同样的PLA切片，不同的牵伸工艺就能做出来完全不同的产品，牵伸就是PLA纤维性能的“调节器”。2不同纺丝路线下的PLA牵伸工艺设计现在PLA量产主要用两种纺丝路线，分别是熔融纺丝和溶液纺丝，不同路线出来的初生纤维结构不一样，牵伸工艺的设计思路也完全不同。2.1熔融纺丝路线的牵伸工艺设计熔融纺丝是现在PLA纤维量产最主流的路线，成本低、没有溶剂污染，适合大规模生产。熔融纺的牵伸一般分两种工艺路线，分别是一步法和两步法。一步法就是纺丝、牵伸、卷绕在同一条生产线上连续完成，不需要中间储存初生纤维，生产效率高，成本低，适合生产常规的服装用长丝、短纤维，我现在所在的工厂，做民用PLA长丝用的就是一步法工艺。两步法是先把纺出来的初生纤维卷绕起来，放置一段时间让纤维内部结构稳定之后，再放到专门的牵伸设备上进行牵伸，这种工艺适合生产高强度的工业用PLA纤维，因为初生纤维放置之后，内部的内应力已经消除了一部分，牵伸的时候能承受更大的牵伸倍数，不容易断丝，成品的强度均匀性也更好。不管是一步法还是两步法，熔融纺的牵伸一般都分多道进行，通常是一道预牵伸加一道主牵伸，要求高的产品会再加一道补充牵伸，预牵伸是让分子链初步取向，适应拉力，主牵伸是完成主要的拉伸取向，这样分步牵伸比一次拉到位断丝率低很多，纤维均匀性也更好。2.2溶液纺丝路线的牵伸工艺设计溶液纺一般用来生产超细旦PLA纤维或者高强度特种PLA纤维，因为熔融纺过程中PLA在高温下会发生降解，分子量降低，影响最终强度，溶液纺在常温或者较低温度下纺丝，能保留更高的分子量，做出来的纤维性能更好。溶液纺出来的初生纤维带有大量溶剂，所以牵伸之前必须先做脱溶剂和烘干处理，把溶剂含量降到1%以下才能进行牵伸，不然溶剂残留会让纤维牵伸的时候受力不均，容易断丝。溶液纺初生纤维的取向度比熔融纺的更低，所以总牵伸倍数一般比熔融纺大，通常能到6到10倍，而且脱溶剂之后纤维内部会有微小的孔洞，牵伸过程中就能把这些孔洞压合，让纤维更致密，强度进一步提升。我之前帮研究所开发过一批用于面膜材料的超细PLA短纤维，就是用溶液纺做的，牵伸之后纤度能做到0.5dpf，做出来的非织造布柔软贴肤，透气性也好，市场反馈非常不错。讲完不同路线的工艺整体设计，接下来就是牵伸工艺最核心的部分，也就是各个关键参数的控制，这些参数是我们生产中天天调整的内容，每一个参数的变化都会直接影响产品质量。3PLA纺丝牵伸的关键工艺参数控制3.1牵伸温度的控制温度是PLA牵伸第一个要控制好的参数，之前说过PLA的热窗口很窄，牵伸温度必须控制在玻璃化转变温度以上、熔点以下，温度太低了分子链没法运动，牵伸的时候应力太大，一拉就断；温度太高了接近熔点，纤维会发软发粘，容易粘辊，而且分子链太容易运动，取向度上不去，最终强度反而会下降。我刚做PLA工艺调试的时候，曾经把预牵伸温度设成45℃，比玻璃化温度还低，结果开车没十分钟，断的满机台都是，我扫了半个多小时的废料，那印象真的太深刻了。一般来说，预牵伸温度控制在55到65℃之间，主牵伸温度控制在65到80℃之间，多道牵伸遵循温度逐步升高的原则，让分子链慢慢适应拉伸，不要一下子升到高温。具体还要看PLA切片的分子量，分子量高的切片玻璃化温度会高一点，温度可以往上调个三五度，分子量低的就相应降一点，灵活调整就好。3.2牵伸倍数的选择牵伸倍数就是牵伸后纤维长度和牵伸前初生纤维长度的比值，直接决定分子的取向度和最终强度。一般规律是牵伸倍数越大，取向度越高，强度越高，伸长率越低，但是牵伸倍数不能无限放大，超过纤维能承受的最大牵伸倍数，就会出现大面积断丝，成品率暴跌。我之前开发高强PLA工业丝的时候，为了追求更高的强度，把总牵伸倍数放到9倍，结果强度确实达标了，但是成品率不到30%，根本没法量产，后来把总倍数降到8倍，成品率一下子升到90%以上，强度也完全满足客户要求，所以牵伸倍数不是越大越好，要平衡性能和生产效率。常规的熔融纺一步法，总牵伸倍数一般控制在3到6倍，两步法能做到5到8倍，溶液纺因为初生纤维取向低，总牵伸倍数一般在6到10倍之间。民用服装用的PLA纤维，总倍数一般选4到5倍，强度在3.5到4cN/dtex，伸长率20%到30%，穿着舒服强度也够用，工业用高强丝就选7到8倍，强度能到6cN/dtex以上，完全能满足工业使用要求。3.3牵伸速率的匹配牵伸速率是牵伸过程中容易被忽略，但非常重要的一个参数，牵伸速率其实就是前后牵伸辊的线速度，速度差形成牵伸倍数，但是速率本身也会影响纤维质量。牵伸速率太快的话，分子链还没来得及完成取向就被拉长了，纤维内部会残留很多内应力，后续存放或者使用的时候收缩率会超标；牵伸速率太慢的话，生产效率低，成本就上去了，没有市场竞争力。常规量产的PLA纤维，牵伸速率一般控制在每分钟1000米到3000米之间，这个范围既能保证生产效率，又能保证分子链有足够的时间取向，产品质量稳定。如果是做特种小批量的PLA纤维，牵伸速率可以降到每分钟几百米，方便控制质量，调整参数。多道牵伸的时候，牵伸速率一定要逐步递增，后道辊的速度一定要比前道快，才能保证牵伸张力稳定，要是速度倒了，就会出现松丝乱丝，整批产品就废了。3.4牵伸后的热定形工艺配合很多人以为牵伸完就结束了，其实不是，牵伸之后分子链刚刚取向，内部有很大的内应力，如果不处理，放一段时间纤维就会收缩，尺寸不稳定，所以牵伸之后必须做热定形，消除内应力，让结晶更完善，稳定纤维的结构和尺寸。热定形的温度一般比主牵伸温度高5到10℃，控制在80到100℃之间，一定不能超过PLA的熔点，不然纤维会熔融粘连。热定形时间也很关键，时间太短内应力消不干净，收缩率降不下来；时间太长PLA会发生轻微降解，强度下降。我们生产中一般根据纤维粗细调整时间，粗纤维时间控制在几十秒，细纤维几秒钟就够了。现在做民用服装的PLA纤维，一般都会做松弛热定形，就是热定形辊的速度比主牵伸辊慢2%到5%，让纤维稍微回缩一点，充分消除内应力，做完之后成品的沸水收缩率能降到1%以下，做出来的衣服洗了之后不会变形，客户非常喜欢。在实际生产中，哪怕参数都对，也经常会出一些问题，这些问题都是我这些年踩过的坑，总结出来一些实用的解决经验，分享给大家。4实际生产中常见问题与优化经验4.1牵伸过程中断丝问题的解决断丝是PLA牵伸最常见的问题，也是最让人头疼的问题，开车断不断直接决定了当天的产量。断丝的原因很多，最常见的就是参数不对，比如温度太低、牵伸倍数太高，这种情况调整参数就好，先把温度往上调三五度，或者把牵伸倍数降0.5倍，大部分情况就能解决。如果参数调了还是断，那就要看原料，是不是PLA切片粘度太低，或者杂质太多，纺丝组件的过滤器是不是堵了，我就遇到过好几次，过滤芯超期使用没换，杂质堵了之后出丝不均，牵伸就天天断，换了新的过滤芯立马就好了。还有一种情况就是牵伸辊本身的问题，牵伸辊用久了表面磨损，太光滑会打滑，太粗糙会挂丝，都会导致断丝，这种情况就要及时磨辊或者换辊，不能省这个钱，我之前有一次断丝断了一整天，参数调了无数遍都没用，最后发现是三号牵伸辊表面磨花了，换了之后不到十分钟就正常了，白白耽误了一天产量，这个教训我现在还记得。4.2纤维均匀性差强度波动大的解决有时候不断丝，但是做出来的纤维有的粗有的细，强度忽高忽低，达不到标准，这个问题也很常见。大部分情况是牵伸过程中张力或者温度不均匀导致的，首先要校准每个牵伸辊的转速，转速偏差要控制在千分之一以内，要是某个辊转速不对，张力就会忽大忽小，牵伸出来的纤维肯定不匀。然后要检查加热牵伸辊的表面温度分布，我之前遇到过一次，加热辊用了很多年，里面坏了两根加热管，辊子一边温度70℃，一边才50℃，出来的纤维两边强度差了快1cN/dtex，换了加热管之后问题立马就解决了，所以定期检查加热辊的温度分布非常重要，表面温差不能超过2℃，超过了就要及时检修。如果是短纤维的话，牵伸之前的并条工序也要做好，纤维排列整齐了，牵伸之后才会均匀，不然纤维缠结在一起，牵伸肯定会出不匀的问题。结语总的来说，PLA纤维纺丝牵伸工艺说复杂也复杂，说简单其实只要摸透PLA的特性，控制好温度、倍数、速率这些关键参数，结合产品需求调整，就能做出合格的产品。我做了快十年PLA工艺，亲眼看着PLA从当年实验室里的试验品，变成现在能做服装、一次性用品、工业材料的