聚乳酸纖維（紡織材料課件）

聚乳酸纖維聚乳酸纖維的制備03概述01聚乳酸纖維的結(jié)構(gòu)與性能04聚乳酸02目錄聚乳酸纖維的應(yīng)用0501概述聚乳酸纖維（簡(jiǎn)稱PLAFiber）是一種新型的可生物降解合成纖維，本質(zhì)上還是一種聚酯纖維。該纖維主要是以玉米、小麥、甜菜等含淀粉的農(nóng)產(chǎn)品為原料，經(jīng)發(fā)酵生成乳酸后，再經(jīng)縮聚和熔融紡絲制成。聚乳酸纖維制品廢棄后在土壤或海水中經(jīng)微生物作用可分解為二氧化碳和水，燃燒時(shí)不會(huì)散發(fā)毒氣，不會(huì)造成污染,因此是理想的綠色高分子材料。發(fā)展歷程1993199719942004美國(guó)田納西大學(xué)開(kāi)始研究基于聚乳酸的紡粘和熔噴無(wú)紡布日本Kanebo公司開(kāi)發(fā)了“Lactron”纖維和熔噴無(wú)紡布法國(guó)Fiberweb公司采用聚乳酸為原料制備了100%聚乳酸無(wú)紡布東華大學(xué)研制了超細(xì)聚乳酸纖維非織造布，平均纖維細(xì)度為17μm~900μm，可作為過(guò)濾材料。02聚乳酸聚乳酸的原料聚乳酸是由乳酸聚合而成。乳酸（2-羥基丙酸）是自然界中最廣泛存在的羥基酸，1780年由瑞典科學(xué)家Scheele發(fā)現(xiàn)。它以兩種立體異構(gòu)體的形式存在：能將平面偏振光右旋的叫S或L（+）乳酸，將偏振光左旋的叫R或D（-）乳酸。D－乳酸和L-乳酸除對(duì)手性試劑及酶有不同反應(yīng)外，絕大多數(shù)的物和化學(xué)性能都相同。相同比例的D－乳酸和L-乳酸混合后，對(duì)偏振光的旋轉(zhuǎn)相互抵消，稱為消旋乳酸或DL-乳酸。成纖聚乳酸以L－乳酸為單體。L－乳酸的工業(yè)化生產(chǎn)主要有微生物發(fā)酵法和化學(xué)合成法兩大類。由于化學(xué)合成法所用原料為乙醛和劇毒物氫氰酸，因此生產(chǎn)受到一定限制，其產(chǎn)品一般只適用于制革工業(yè)和化學(xué)工業(yè)。酶轉(zhuǎn)化法和拆分DL-乳酸的方法由于工藝復(fù)雜和難以得到純凈的L－乳酸，也無(wú)法用于工業(yè)大生產(chǎn)。發(fā)酵法成本低、產(chǎn)酸純，目前國(guó)內(nèi)外的L－乳酸均通過(guò)發(fā)酵法生產(chǎn)。反應(yīng)方程式如圖:所有碳水化合物富集的物質(zhì)，如糧食、有機(jī)廢棄物（如玉米或其他農(nóng)作物的根、莖、葉、皮，城市有機(jī)廢物，工業(yè)下腳料等）都是乳酸生產(chǎn)的原料，它們所含有的淀粉可轉(zhuǎn)化成葡萄糖，而葡萄糖又可轉(zhuǎn)化成乳酸鈉。經(jīng)提純后，得到聚乳酸溶液。工藝流程如下：我國(guó)主要采用玉米、大米、薯干粉等為發(fā)酵原料，以谷糠、麥皮等為輔料，以α-淀粉酶、糖化酶為液化、糖化劑，CaCO3為中和劑發(fā)酶生產(chǎn)乳酸鈣，再進(jìn)一步純化得到乳酸產(chǎn)品。淀粉水解葡萄糖發(fā)酵乳酸鈉洗滌和電滲析乳酸聚乳酸的合成聚乳酸有兩種合成方法，即丙交酯（乳酸的環(huán)狀二聚體）的開(kāi)環(huán)聚合和乳酸的直接聚合。1.丙交酯開(kāi)環(huán)聚合法聚乳酸的合成2.直接聚合法乳酸直接縮聚是由精制的乳酸直接進(jìn)行聚合，是最早也是最簡(jiǎn)單的方法。該法生產(chǎn)工藝簡(jiǎn)單，但得到的聚合物分子量低，且分子量分布較寬，其加工性能等尚不能滿足成纖聚合物的需要；而且聚合反應(yīng)在高于180℃的條件下進(jìn)行，得到的聚合物極易氧化著色，應(yīng)用受到一定的限制。聚乳酸的結(jié)構(gòu)與性能1.聚乳酸的結(jié)構(gòu)由于原料原因，聚乳酸有聚D-乳酸（PDLA）、聚L-乳酸（PLLA）和聚DL-乳酸（PDLLA）之分。生產(chǎn)纖維一般采用PLLA。聚乳酸的結(jié)構(gòu)式為：2.聚乳酸的基本性質(zhì)表5-3聚乳酸的基本性質(zhì)基本性質(zhì)PLA種類PDLAPLLAPDLLA固體結(jié)構(gòu)

結(jié)晶結(jié)晶非結(jié)晶熔點(diǎn)/°C1801

70~

200-Tg/°C55~6055~6550~60熱分解溫度/"C200200180~200拉伸率/%20~3020~30-斷裂強(qiáng)度/(CN/dtex)3.6~4.54.5~5.4溶解性溶于乙腈、氯仿等

溶于四氫呋喃等，不溶于脂肪烴、甲醇、乙醇等溶于四氫呋喃、氯仿等不溶于正庚烷水解性(37°C生理鹽水中強(qiáng)度減半時(shí)間)/個(gè)月4~64~64~6聚乳酸在所有生物可降解聚合物中熔點(diǎn)最高，結(jié)晶度大，透明度好，適合用于制作纖維、薄膜及模壓制品等。與標(biāo)準(zhǔn)的熱塑性聚合物相比，聚乳酸可發(fā)生水解，最終生成無(wú)害的小分子水和二氧化碳，而二氧化碳和水通過(guò)光合作用又可變成淀粉，這樣可在自然界中循環(huán)（如圖5-4所示）。因此，聚乳酸纖維具有可持續(xù)發(fā)展的廣闊前景。03聚乳酸纖維的制備聚乳酸的溶液紡絲聚乳酸的溶液紡絲主要采用干紡-熱拉伸工藝，而干紡纖維的機(jī)械性能要優(yōu)于熔紡纖維。采用二氯甲烷、三氯甲烷、甲苯為溶劑，溶解聚乳酸作為紡絲液進(jìn)行干法紡絲。聚乳酸溶解紡絲液過(guò)濾、計(jì)量噴絲板擠出溶劑蒸發(fā)→纖維成形卷繞→拉伸后處理工藝流程如下：研究表明，聚乳酸的分子量及其分布、紡絲溶液的組成及濃度、拉伸溫度、聚乳酸的結(jié)晶度和纖維直徑，都影響成品纖維的性能。干法紡絲過(guò)程中聚乳酸熱降解少，纖維強(qiáng)度較高，但由于溶液紡絲法的工藝較為復(fù)雜，所用二氯甲烷、三氯甲烷、甲苯等有機(jī)溶劑毒性大，溶劑回收困難，紡絲環(huán)境惡劣，纖維的生產(chǎn)成本高，從而限制了其應(yīng)用。因此采用溶液紡絲制備聚乳酸纖維還停留在中試階段。聚乳酸在所有生物可降解聚合物中熔點(diǎn)最高，結(jié)晶度大，熱穩(wěn)定性好，加工溫度在170~230℃之間，有良好的抗溶劑性，因此能用多種方式進(jìn)行加工，如擠壓、紡絲、雙軸拉伸、注射吹塑。PLA纖維具有與PET纖維相似的物理特性，不僅具有高結(jié)晶性，還具有相似的透明性。由于具有高結(jié)晶性和高取向性，PLA纖維具有高耐熱性和高強(qiáng)度，且無(wú)需特殊的設(shè)備和操作工藝，應(yīng)用常規(guī)加工工藝便可進(jìn)行紡絲。但PLA纖維不同于芳香酯的PET，其熔點(diǎn)175℃（由差示掃描量熱DSC法測(cè)定）與PET的260℃差距較大。熔體紡絲紡絲原理01表5-4溫度對(duì)特性粘度及特性粘度降的影響溫度（℃）特性粘度（η）△η室溫1.3502051.160.192150.890.462250.820.53PLLA對(duì)溫度非常靈敏，在升溫過(guò)程中特性粘度有較大幅度的下降，而且溫度越高，△η越大。因此成纖聚合體中的金屬、單體、水等的含量必須嚴(yán)格控制，尤其是殘留金屬及水分子在紡絲前必須嚴(yán)格去除，否則在紡絲過(guò)程中會(huì)引起分子量的急劇下降和腐蝕加工機(jī)械，制得的纖維性能降低。在熔融紡絲前，把聚乳酸未端的-OH基用醋酸酐和吡啶進(jìn)行乙?；?，結(jié)果發(fā)現(xiàn)其熱穩(wěn)定性有所提高，紡絲溫度低于200℃，聚乳酸基本不發(fā)生熱降解。采用二步法，即第一步熔融擠壓，第二步熱拉伸，可制得斷裂強(qiáng)度高于7.2cN/dtex的聚乳酸纖維。溫度對(duì)特性粘度及特性粘度降的影響見(jiàn)表5-4研究還表明，紡絲的氣氛對(duì)初生纖維特性粘度的影響極大，若用氮?dú)獗Ｗo(hù)聚乳酸降解率明顯降低，不同分子量的聚乳酸應(yīng)該有不同擠出溫度。表5-5不同紡絲氣氛下聚乳酸的降解率紡絲的氣氛原料特性粘度(

dl/g)初生纖維特性粘度(

dl/g)降解率(%)空氣4.451.0576.4氮?dú)?.453.3625.6不同紡絲氣氛下聚乳酸的降解率見(jiàn)表5-5。PLA切片01熱盤拉伸08干燥02POY卷繞07螺桿擠壓03冷卻上油06紡絲箱0504預(yù)過(guò)濾DT纖維←聚乳酸纖維的熔體紡絲工藝流程如下：工藝流程0204聚乳酸纖維的結(jié)構(gòu)與性能形態(tài)結(jié)構(gòu)對(duì)聚乳酸纖維進(jìn)行顯微鏡觀察，其橫截面為近似圓形，縱截面纖維光滑、有明顯斑點(diǎn)，其橫向、縱向截面如圖5-5所示。（a）聚乳酸纖維的縱向（b）聚乳酸纖維的橫向圖5-5聚乳酸纖維的形態(tài)結(jié)構(gòu)性能表5-6PLA纖維與PET纖維、PA6纖維的性能比較物理性質(zhì)性能PLA纖維PET纖維PA6纖維Tg/℃577040熔點(diǎn)/℃175265215吸濕率/%0.60.44.5燃燒熱/KJ.g-118.823.030.9密度/g.m-31.271.381.14沸水收縮率/%8~158~158~15折射率1.41.581.57限氧指數(shù)24~2620~2220~24機(jī)械性能染色性能斷裂強(qiáng)度/CN.dtex3.9~5.43.5~5.43.9~5.9斷裂伸長(zhǎng)率/%25~3525~3530~40彈性回復(fù)率/%(拉伸5%)939389初始模量/cN.dtex-159~6988~11020~39染色溫度/℃100130100適用染料分散染料分散染料酸性染料完全降解時(shí)間/年(在土壤和水中微生物作用下)1~2--1熔點(diǎn)2物理機(jī)械性能聚乳酸纖維的熔點(diǎn)在170℃~180℃之間，滌綸纖維的熔點(diǎn)一般在255℃左右，錦綸6纖維的熔點(diǎn)在215℃左右，錦綸66纖維的熔點(diǎn)在260℃左右，丙綸纖維的熔點(diǎn)在180℃，乙綸纖維的熔點(diǎn)在160℃左右。聚乳酸纖維屬于高強(qiáng)、中伸、低模型纖維。它具有足夠的強(qiáng)度可以做一般通用的纖維材料，實(shí)用性高；具有較低的模量，使得其纖維面料具有很好的加工性能。聚乳酸纖維的斷裂強(qiáng)度和斷裂伸長(zhǎng)率都與滌綸接近，這使得其面料具有高強(qiáng)力，延伸性好、手感柔軟、懸垂性好、回彈性好以及較好卷曲性和卷曲持久性的優(yōu)點(diǎn)。聚乳酸纖維的吸濕率較低，與滌綸接近，但是它有較好的芯吸性，故水潤(rùn)濕性、水?dāng)U散性好，具有良好的服用性。同時(shí)，它還具有良好的彈性回復(fù)率，適宜的玻璃化溫度使其具有良好的定型性能和抗皺性能。聚乳酸纖維在一定溫度、溶解時(shí)間條件下，在一定的酸、堿、鹽及有機(jī)溶劑中的溶解狀態(tài)見(jiàn)表5-7。3化學(xué)溶解性表

5-7聚乳酸纖維溶解性能表溶劑/觀察時(shí)間/min151030硫酸（98%），常溫S0SSS硫酸（75%），50℃IIII硫酸（59.5%）

,

60℃IIII鹽酸（36%），常溫IIII鹽酸（20%），常溫IIII甲酸（98%），常溫IIII甲酸（80%），常溫IIII甲酸/氯化鋅，75℃IIII冰乙酸，常溫IIII冰乙酸，80℃IIPS/P冰乙酸，煮沸PSSS氫氧化鈉（5%），常溫IIPP氫氧化鈉（5%），煮沸PPSS氫氧化鈉（2.5%），煮沸PPPS次氯酸鈉（1mo1/L），常溫IIPP二甲基甲酰胺，常溫I△△△二甲基甲酰胺，煮沸S0SSS二氯甲烷，常溫S0SSS丙酮，常溫IIII注：S0——立即溶解，S——溶解，P——部分溶解，I——不溶解，△

——溶脹。依據(jù)燃燒性試驗(yàn)評(píng)價(jià)了聚乳酸纖維或紡粘非織造布的限氧指數(shù)（LOI值）為24~26（聚酯纖維：20~21），聚乳酸紡粘非織造布接近芳綸纖維的28~30，具有優(yōu)異的防火性能。聚乳酸纖維一旦著火后的自己滅火性好，燃燒時(shí)產(chǎn)生的氣體量也比聚酯纖維格外少。4防火性5耐光、耐候性聚乳酸纖維是脂肪族聚酯，對(duì)紫外線和高能量放射線不能說(shuō)強(qiáng)。但是，與作為相同聚酯同類的聚酯（PET）纖維相比，不僅是耐光性，而且在伴隨降雨的促進(jìn)耐候試驗(yàn)也發(fā)現(xiàn)顯示出優(yōu)異的耐候性。。

玉米纖維的生物分解性聚乳酸纖維織物包埋于豆渣中的外觀變化

A可生物降解性B優(yōu)異的觸感C導(dǎo)濕性D回彈性E耐燃性F紫外線穩(wěn)定性以及抗污性聚乳酸纖維優(yōu)異的性能05聚乳酸纖維的應(yīng)用玉米纖維的主要用途主要用途主要產(chǎn)品服裝用外衣、內(nèi)衣、運(yùn)動(dòng)服裝等家紡產(chǎn)品用環(huán)保臺(tái)布、窗簾、床上用品、盥洗用品等工業(yè)用強(qiáng)化紙、特殊環(huán)保用紙、包裝袋、土工布等農(nóng)業(yè)用防獸網(wǎng)、育苗袋、土壤補(bǔ)強(qiáng)材料、繩帶等食品用食品包裝袋、過(guò)濾網(wǎng)等衛(wèi)生醫(yī)療用尿布及衛(wèi)生用品、手術(shù)線、繃帶等漁業(yè)用魚網(wǎng)、養(yǎng)殖網(wǎng)、海岸網(wǎng)、魚線等汽車內(nèi)飾件領(lǐng)域衛(wèi)生護(hù)理用品領(lǐng)域包裝領(lǐng)域服裝紡織與家紡領(lǐng)域煙用領(lǐng)域采油采氣領(lǐng)域農(nóng)膜領(lǐng)域醫(yī)療用品領(lǐng)域電子電器領(lǐng)域3D打印領(lǐng)域玩具領(lǐng)域汽車內(nèi)飾件家紡織物塑料袋衛(wèi)生護(hù)理用品農(nóng)用地膜醫(yī)療用品包裝膜

聚乳酸纖維具有耐紫外線、穩(wěn)定性好、發(fā)煙量少、燃燒熱低、自熄性較好、耐洗滌性好的特點(diǎn)，特別適合制作沙發(fā)布、窗簾、帷幔、地毯等。2家用紡織品1服用紡織品聚乳酸纖維具有良好的芯吸性能以及快干效應(yīng)，具有較小的體積密度，強(qiáng)伸性與滌綸接近，適合用于制作運(yùn)動(dòng)服裝。聚乳酸纖維與棉混紡做內(nèi)衣，有助于水分的轉(zhuǎn)移，不僅接觸時(shí)有干爽感，且可賦予織優(yōu)良的形態(tài)穩(wěn)定性和抗皺性。聚乳酸長(zhǎng)絲與棉、羊毛