pla纖維的性能及應(yīng)用

pla纖維的性能及應(yīng)用

21世紀(jì)，新材料的開(kāi)發(fā)和開(kāi)發(fā)發(fā)揮著重要作用。特別是在“我們只有地球”的口號(hào)下，聚乳液（pla）纖維的開(kāi)發(fā)和利用生物可分解為聚乳液（acid）纖維，成為本世紡織新原料的熱點(diǎn)。PLA纖維采用天然可再生的植物資源為原料，減少了對(duì)石油資源的依賴(lài)性，與常規(guī)的纖維材料相比，PLA纖維還具有獨(dú)特的優(yōu)異性能，隨著人們對(duì)環(huán)境的日益重視和聚乳酸樹(shù)脂的大規(guī)模工業(yè)化生產(chǎn)以及PLA纖維應(yīng)用領(lǐng)域的不斷開(kāi)發(fā)，PLA纖維必將成為21世紀(jì)最重要的纖維材料之一。1聚乳酸纖維的起源PLA纖維是一種性能優(yōu)異的聚酯纖維，是以L-乳酸為主要原料聚合得到的聚合物，而L-乳酸的主要原料來(lái)自玉米，所以PLA纖維也被稱(chēng)為玉米纖維。生產(chǎn)PLA纖維的工藝為：玉米淀粉經(jīng)水解為葡萄糖，再用乳酸桿菌厭氧發(fā)酵，發(fā)酵過(guò)程用液堿中和生成乳酸，發(fā)酵液經(jīng)凈化后，用電滲析工藝，制成純度達(dá)99.5%的乳酸。由乳酸制PLA生產(chǎn)工藝有：(1)直接縮聚法，在真空下使用溶劑使脫水縮聚。(2)非溶劑法，使乳酸生成環(huán)狀二聚體丙交酯，再開(kāi)環(huán)縮聚成PLA。聚乳酸的研究和開(kāi)發(fā)歷史可以追溯到20世紀(jì)20～30年代，著名高分子化學(xué)家Carothers曾對(duì)聚乳酸的合成做過(guò)報(bào)道。1944年，F(xiàn)ilachiene在Hovey、Hodgins及Begji研究的基礎(chǔ)上，對(duì)聚乳酸的聚合方法進(jìn)行了系統(tǒng)的研究。1954年Dupont公司采用新的聚合方法制備出了高分子量的聚乳酸，但由于其對(duì)熱和水十分敏感，因此未受到重視。20世紀(jì)60年代以后，由于發(fā)現(xiàn)聚乳酸酯在人體內(nèi)可降解，人們對(duì)其作為生物醫(yī)用材料開(kāi)展了廣泛的研究和應(yīng)用。后來(lái)，美國(guó)知名谷物公司Cargill研發(fā)成功玉米PLA纖維。1997年，化學(xué)公司DowPolymers看好PLA纖維的后期發(fā)展，便與Cargill公司合資組建CargillDowPolymersLLC公司（CDP公司）生產(chǎn)聚乳酸，產(chǎn)品的商品名為NatureWorksPLA。1989年，日本鐘紡公司與島津制作所合作開(kāi)發(fā)玉米PLA纖維，原料來(lái)源于島津制作所和CDP公司。1994年開(kāi)發(fā)出商品名為L(zhǎng)actron的纖維，1998年又開(kāi)發(fā)出此種纖維的系列產(chǎn)品，并于長(zhǎng)野冬季奧林匹克運(yùn)動(dòng)會(huì)上展示了由Lactron纖維制成的各種服飾。2000年1月，鐘紡公司與CDP合作，聯(lián)合生產(chǎn)聚乳酸樹(shù)脂。2003年1月，CDP公司在美國(guó)紐約向全世界發(fā)布了其N(xiāo)atureWorkTMPLA纖維的新的名稱(chēng)“Ingeo”，意為從地球來(lái)的有效成分，體現(xiàn)了人性、自然和技術(shù)的和諧統(tǒng)一，全球有85家著名的品牌生產(chǎn)廠商共同簽署了聯(lián)合開(kāi)發(fā)和推廣應(yīng)用聚乳酸纖維的協(xié)議。聚乳酸纖維成本過(guò)高的問(wèn)題亦因聚乳酸樹(shù)脂工廠的投產(chǎn)而得到解決，目前價(jià)格比PET（聚對(duì)苯二甲酸乙二酯）價(jià)格便宜10%～15%?，F(xiàn)在，世界各工廠生產(chǎn)聚乳酸纖維的原料均來(lái)自美國(guó)CDP公司，而杜邦、Monsanto等大廠也有建廠計(jì)劃。在第十屆上海國(guó)際紡織面料及輔料（秋冬）博覽會(huì)上，中國(guó)華孚集團(tuán)、中國(guó)香港福田公司和臺(tái)灣遠(yuǎn)東紡織公司，以及日本伊藤忠公司、CDP公司、Thermore公司、UnifiAsia公司等知名企業(yè)展出了各自的PLA纖維系列產(chǎn)品，預(yù)示著PLA纖維廣泛應(yīng)用的時(shí)代已經(jīng)到來(lái)。2pla纖維的形狀結(jié)構(gòu)及其產(chǎn)品性能2.1pla纖維的形態(tài)結(jié)構(gòu)和理理性2.1.1pla纖維的形態(tài)結(jié)構(gòu)PLA纖維的形態(tài)結(jié)構(gòu)如圖1所示，由圖可知，聚乳酸纖維的橫截面呈非完整的圓形。2.1.2pet、pa纖維纖維的結(jié)構(gòu)表征PLA纖維的性質(zhì)見(jiàn)表1:由表1可知：PLA纖維的密度、斷裂強(qiáng)度、伸長(zhǎng)率和模量介于PET纖維和PA纖維之間，所以PLA纖維具有PET、PA纖維共同的優(yōu)點(diǎn)，并且PLA纖維的吸濕性好于這兩種纖維。2.2pla纖維及其產(chǎn)品的性能2.2.1常用堆肥降解法與其它合成纖維相比，PLA纖維的最大優(yōu)點(diǎn)是它在自然環(huán)境下容易被分解，分解產(chǎn)生的二氧化碳和水不會(huì)污染環(huán)境，并且可通過(guò)綠色植物的光合作用又重新進(jìn)入生態(tài)循環(huán)當(dāng)中去。降解的方法有以下幾種：a降解(也稱(chēng)混合肥中分解)。這種堆肥條件的溫度為60℃，相對(duì)濕度為90%，其降解的主要機(jī)理是水解，通過(guò)溫度來(lái)催化，然后由細(xì)菌對(duì)殘留碎屑進(jìn)行蠶食。b土地埋入降解。將使用過(guò)的PLA纖維埋入地下，經(jīng)過(guò)8～10個(gè)月，在土中微生物的作用下PLA纖維的強(qiáng)力和其它性能基本上全部或大部分損失。c活性污泥中降解。主要是通過(guò)大量存在的細(xì)菌，使PLA纖維急速分解，一般只需1～2個(gè)月，制品強(qiáng)力全部喪失。d海水浸漬降解。原理同土地埋入法相仿。另外，在聚合中通過(guò)添加組分進(jìn)行共聚可加速或減緩這種降解。正因?yàn)槿绱耍芏鄬?zhuān)家把它稱(chēng)為“21世紀(jì)的環(huán)境循環(huán)材料”。2.2.2pet纖維性能好，環(huán)保健康PLA纖維是以人體內(nèi)含有的乳酸作原料合成的，對(duì)人體而言是絕對(duì)安全的。經(jīng)測(cè)試，用PLA纖維制成的布料不會(huì)刺激皮膚，具有抗菌和防腐性能且對(duì)人體健康有益，并有舒適感，用于內(nèi)衣，與PET和PBT纖維相比具有優(yōu)良的懸垂性、滑爽性并富有光澤。纖維合成過(guò)程都無(wú)環(huán)境污染；纖維生產(chǎn)過(guò)程通常采用的熔融法紡絲在化纖工藝中最簡(jiǎn)潔、最干凈，也沒(méi)有很難以處理的三廢問(wèn)題。聚乳酸纖維植入體內(nèi)無(wú)毒副作用，而且有一定的耐菌性和耐紫外線性能，因此安全性好，不但可用作可吸收的手術(shù)縫合線和組織工程材料，而且很適于室外應(yīng)用領(lǐng)域和室內(nèi)裝飾織物。并且PLA纖維燃燒無(wú)毒性，燃燒氣體中亦不含有二惡英，氮—氧氣體也極少。2.2.3pla纖維染色合成纖維應(yīng)用分散染料染色，只有在玻璃化溫度以上才能染成深色。PET纖維的玻璃化溫度大約在81℃左右，而且由于其結(jié)構(gòu)致密，染料分子不易進(jìn)入纖維內(nèi)部，所以PET纖維只有在高溫高壓或有載體的情況下，才能用分散染料染成深色。而PLA纖維的玻璃化溫度一般為58～62℃，染料分子易進(jìn)入纖維內(nèi)部并能染成深色，所以其染色性能優(yōu)于PET纖維，能夠在無(wú)載體的情況下常壓低溫染色或沸染。PLA纖維用分散染料分別在70℃和100℃采用長(zhǎng)短不同的時(shí)間進(jìn)行染色，測(cè)定其上染率，證明分散染料染能使PLA獲得較好的染色深度，100℃×30min時(shí)能獲得最高上染率。染色前加入KeiralonJET-B或純堿，在60℃下處理15～20min，然后排水，水洗后備染。染色時(shí)升溫至40℃加入助劑SetamolBL,PalatexPC和HAC，處理5min后加入染料，調(diào)節(jié)pH值（3.5～4.0）。然后以2～3℃/min升溫至70℃，再以1～2℃/min升溫至100℃，可根據(jù)深度保溫染色一定時(shí)間。其染品的耐洗牢度和染料移染速率良好，色牢度高于3級(jí)；在氙弧光下不褪色。2.2.4pla纖維回彈性纖維的回彈性是構(gòu)成紡織制品彈性的基本因素，與制品的耐磨性、抗折縐性、手感和尺寸穩(wěn)定性都有很密切的關(guān)系，因此纖維的回彈性是確定紡織加工工藝參數(shù)極為有用的指標(biāo)?；貜椥源蟮睦w維能夠很好地經(jīng)受拉力而不改變其構(gòu)造，能夠穩(wěn)定地保持本身的形狀，且經(jīng)久耐用，其制品同樣也不失掉它本身的形狀。PLA纖維的大分子結(jié)構(gòu)決定了它有良好的回彈性，在5%應(yīng)變作用下，回彈率是93%，在10%應(yīng)變作用下，回彈率是64%；而PET纖維在5%應(yīng)變作用下，回彈率是63%，在10%應(yīng)變作用下，回彈率是51%。2.2.5阻燃聚苯胺pet纖維隨著物質(zhì)生活水平的提高，人們對(duì)紡織纖維阻燃性的要求越來(lái)越高。PLA纖維的極限氧指數(shù)（26%～27%）和羊毛的極限氧指數(shù)（24%～25%）相似，優(yōu)于PET纖維（23%～24%），接近于國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)對(duì)阻燃纖維極限氧指數(shù)的要求(28%～30%)，燃燒時(shí)發(fā)熱量低（只有PET纖維的16%），只有輕微的煙霧釋出（只有PET纖維的57%），易自熄，火災(zāi)危險(xiǎn)性小。因此PLA纖維的阻燃性能已引起人們的特別關(guān)注。2.2.6pla纖維的生物生態(tài)學(xué)特性纖維大分子結(jié)構(gòu)中的C—C、C—H等鍵，一般不吸收波長(zhǎng)大于290nm的光線，照射到地球表面的紫外線，對(duì)含有這些鍵的纖維幾乎沒(méi)有影響。而PLA纖維的分子結(jié)構(gòu)中含有大量的C—C、C—H鍵，因此，PLA纖維具有優(yōu)良的耐紫外線性。PLA纖維是由高純度的L-乳酸制成，所含雜質(zhì)極少，這也是其具有優(yōu)良耐紫外線性的原因之一。經(jīng)科學(xué)實(shí)驗(yàn)，PLA纖維經(jīng)日曬500小時(shí)后，仍保持90%的強(qiáng)力，而PET纖維日曬200小時(shí)后，強(qiáng)力便降至60%左右。另外，PLA纖維和PET纖維同樣富有疏水性，對(duì)皮膚不發(fā)粘；如與棉混紡做內(nèi)衣，有助于水份的轉(zhuǎn)移，接觸皮膚時(shí)有干燥感，更為重要的是，PLA纖維的生物相容性比較好，不刺激皮膚，因此穿著時(shí)的舒適感特別好。PLA纖維的加工適應(yīng)性也很好，可以適應(yīng)機(jī)織、針織、簇絨和非織造布等現(xiàn)有絕大多數(shù)加工設(shè)備，這為它的推廣應(yīng)用提供了極大的便利。3應(yīng)在紡織生產(chǎn)中注意的問(wèn)題雖然PLA纖維具有很多的優(yōu)點(diǎn)及特性，但在實(shí)際生產(chǎn)也應(yīng)注意以下問(wèn)題：3.1pla長(zhǎng)絲/短纖染整加工PLA纖維利用一般熔融紡絲法，即可制成長(zhǎng)纖或短纖，長(zhǎng)纖一般有光絲(Bright)及普通(Regular)，而PLA長(zhǎng)絲收縮率大，一般在20～23%，故在生產(chǎn)織物時(shí)要考慮，必要時(shí)可先進(jìn)行蒸紗處理。短纖一般以1.2～1.4D為主，在進(jìn)行紡紗時(shí)，因考慮伸長(zhǎng)率高達(dá)47%，紡紗張力、絡(luò)筒等張力，都需要適當(dāng)降低；而PLA纖維對(duì)溫度較敏感，在高溫下會(huì)使其變硬，如工序上因車(chē)速高而引起的高溫，都需減速生產(chǎn)。3.2pla纖維紗線的生產(chǎn)因伸長(zhǎng)率高，需要織布時(shí)張力適當(dāng)配合，而縮率低，織物設(shè)計(jì)時(shí)要充分考慮，否則影響最終產(chǎn)品的規(guī)格。PLA纖維紗在針織生產(chǎn)時(shí)要注意：生產(chǎn)車(chē)間盡量溫度控制在25℃以?xún)?nèi)，相對(duì)濕度60%以上；生產(chǎn)機(jī)臺(tái)必須清理干凈，用透明膠紙圍住，以免形成飛花；織機(jī)車(chē)速不能太快，須控制在20轉(zhuǎn)/分以下，以減少爆孔等疵點(diǎn)；機(jī)臺(tái)紗道各接觸點(diǎn)，以瓷性導(dǎo)紗裝置為佳；如需翻紗，必須留意飛花，翻紗車(chē)速度不能太快。3.3pla纖維染色因PLA纖維對(duì)溫度及堿(尤其是強(qiáng)堿)特別敏感，如染色溫度超過(guò)110℃會(huì)使PLA纖維手感明顯變硬，如定型溫度超出130℃會(huì)使PLA纖維熔融(PLA纖維的熔點(diǎn)：130～166℃)；若染色過(guò)程加入強(qiáng)堿,會(huì)使PLA降解(爆破力明顯降低)，因此，整個(gè)染整過(guò)程，溫度必須盡量控制適當(dāng)。PLA纖維染色紗，存在易染花情況，顏色控制困難，工藝要摸索改良。PLA纖維生產(chǎn)花灰紗，存在嚴(yán)重的色變問(wèn)題，成品后的顏色差異很大。4pla纖維在功能紡織品領(lǐng)域的應(yīng)用PLA纖維具有很多優(yōu)異的性能，如比PET親水性好；懸垂性、舒適性和手感好；回彈性好；較好的卷曲性和卷曲持久性；收縮率可以控制；強(qiáng)度高達(dá)6.23cN/dtex;；UV(抗紫外線)穩(wěn)定性好；比PET密度??；可以用分散性染料染色；成型加工性好；熱粘結(jié)溫度可以控制；結(jié)晶熔融溫度可以在120～170℃范圍內(nèi)變化；可燃性低、發(fā)煙量小。這些特性刺激了PLA纖維在纖維和非織造布領(lǐng)域的應(yīng)用，并且PLA纖維可以制成圓截面的單絲或復(fù)絲、三葉形截面的BCF(可用于織造地毯和毛氈)、卷曲或非卷曲的短纖維、雙組份纖維、紡粘非織造布和熔噴非織造布等，這使PLA纖維在服裝市場(chǎng)、家用及裝飾市場(chǎng)、非織造布市場(chǎng)、雙組份纖維領(lǐng)域、衛(wèi)生及醫(yī)用等領(lǐng)域有潛在的應(yīng)用前景。目前，PLA纖維已制成復(fù)絲、單絲、短纖維、假捻變形絲、針織物和非織造布等，主要用于服裝和產(chǎn)業(yè)領(lǐng)域。以PLA纖維制得的布料具有真絲的光澤，優(yōu)良的手感、亮度、吸水性、形狀保持性及抗皺性，因此是較理想的面料，適合做服裝尤其是婦女服裝。PLA纖維還適于制一次性服裝和野外作業(yè)服等。PLA纖維對(duì)許多溶劑包括干洗劑有很好的穩(wěn)定性，對(duì)堿(NaOH等)的水溶液很敏感，而對(duì)酸(HCl等)則相當(dāng)穩(wěn)定，但是PLA纖維的耐磨損性比較差，這可能限制它在高性能服裝方面的應(yīng)用。PLA纖維在產(chǎn)業(yè)領(lǐng)域用途，主要是在土木工程中做網(wǎng)、墊子、沙袋和制土壤流失材料等，在農(nóng)業(yè)、林業(yè)中做播種織物、薄膜、防蟲(chóng)防獸害蓋布、防草袋和養(yǎng)護(hù)薄膜等，在漁業(yè)中做魚(yú)網(wǎng)、魚(yú)線等，在家用器具中做垃圾網(wǎng)、手巾、濾器、擦布等，在戶(hù)外器具中做蓬布、覆蓋布和帳篷等。PLA纖維在衛(wèi)生醫(yī)療領(lǐng)域主要作尿布、一次性失禁用品、婦女保健用品、抗紫外線織物、手術(shù)