pla纖維的性能及應(yīng)用

pla纖維的性能及應(yīng)用

21世紀(jì)，新材料的開發(fā)和開發(fā)發(fā)揮著重要作用。特別是在“我們只有地球”的口號下，聚乳液（pla）纖維的開發(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。PLA纖維采用天然可再生的植物資源為原料，減少了對石油資源的依賴性，與常規(guī)的纖維材料相比，PLA纖維還具有獨特的優(yōu)異性能，隨著人們對環(huán)境的日益重視和聚乳酸樹脂的大規(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-乳酸的主要原料來自玉米，所以PLA纖維也被稱為玉米纖維。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，再開環(huán)縮聚成PLA。聚乳酸的研究和開發(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曾對聚乳酸的合成做過報道。1944年，F(xiàn)ilachiene在Hovey、Hodgins及Begji研究的基礎(chǔ)上，對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，人們對其作為生物醫(yī)用材料開展了廣泛的研究和應(yīng)用。后來，美國知名谷物公司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發(fā)玉米PLA纖維，原料來源于島津制作所和CDP公司。1994年開發(fā)出商品名為Lactron的纖維，1998年又開發(fā)出此種纖維的系列產(chǎn)品，并于長野冬季奧林匹克運動會上展示了由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)聚乳酸樹脂。2003年1月，CDP公司在美國紐約向全世界發(fā)布了其NatureWorkTMPLA纖維的新的名稱“Ingeo”，意為從地球來的有效成分，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。聚乳酸纖維成本過高的問題亦因聚乳酸樹脂工廠的投產(chǎn)而得到解決，目前價格比PET（聚對苯二甲酸乙二酯）價格便宜10%～15%?，F(xiàn)在，世界各工廠生產(chǎn)聚乳酸纖維的原料均來自美國CDP公司，而杜邦、Monsanto等大廠也有建廠計劃。在第十屆上海國際紡織面料及輔料（秋冬）博覽會上，中國華孚集團(tuán)、中國香港福田公司和臺灣遠(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)用的時代已經(jīng)到來。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)見表1:由表1可知：PLA纖維的密度、斷裂強(qiáng)度、伸長率和模量介于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，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污染環(huán)境，并且可通過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(也稱混合肥中分解)。這種堆肥條件的溫度為60℃，相對濕度為90%，其降解的主要機(jī)理是水解，通過溫度來催化，然后由細(xì)菌對殘留碎屑進(jìn)行蠶食。b土地埋入降解。將使用過的PLA纖維埋入地下，經(jīng)過8～10個月，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。主要是通過大量存在的細(xì)菌，使PLA纖維急速分解，一般只需1～2個月，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，在聚合中通過添加組分進(jìn)行共聚可加速或減緩這種降解。正因為如此，很多專家把它稱為“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，對人體而言是絕對安全的。經(jīng)測試，用PLA纖維制成的布料不會刺激皮膚，具有抗菌和防腐性能且對人體健康有益，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。纖維合成過程都無環(huán)境污染；纖維生產(chǎn)過程通常采用的熔融法紡絲在化纖工藝中最簡潔、最干凈，也沒有很難以處理的三廢問題。聚乳酸纖維植入體內(nèi)無毒副作用，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℃采用長短不同的時間進(jìn)行染色，測定其上染率，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；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)。回彈性大的纖維能夠很好地經(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，人們對紡織纖維阻燃性的要求越來越高。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%），接近于國家標(biāo)準(zhǔn)對阻燃纖維極限氧指數(shù)的要求(28%～30%)，燃燒時發(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，一般不吸收波長大于290nm的光線，照射到地球表面的紫外線，對含有這些鍵的纖維幾乎沒有影響。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)實驗，PLA纖維經(jīng)日曬500小時后，仍保持90%的強(qiáng)力，而PET纖維日曬200小時后，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)中注意的問題雖然PLA纖維具有很多的優(yōu)點及特性，但在實際生產(chǎn)也應(yīng)注意以下問題：3.1pla長絲/短纖染整加工PLA纖維利用一般熔融紡絲法，即可制成長纖或短纖，長纖一般有光絲(Bright)及普通(Regular)，而PLA長絲收縮率大，一般在20～23%，故在生產(chǎn)織物時要考慮，必要時可先進(jìn)行蒸紗處理。短纖一般以1.2～1.4D為主，在進(jìn)行紡紗時，因考慮伸長率高達(dá)47%，紡紗張力、絡(luò)筒等張力，都需要適當(dāng)降低；而PLA纖維對溫度較敏感，在高溫下會使其變硬，如工序上因車速高而引起的高溫，都需減速生產(chǎn)。3.2pla纖維紗線的生產(chǎn)因伸長率高，需要織布時張力適當(dāng)配合，而縮率低，織物設(shè)計時要充分考慮，否則影響最終產(chǎn)品的規(guī)格。PLA纖維紗在針織生產(chǎn)時要注意：生產(chǎn)車間盡量溫度控制在25℃以內(nèi)，相對濕度60%以上；生產(chǎn)機(jī)臺必須清理干凈，用透明膠紙圍住，以免形成飛花；織機(jī)車速不能太快，須控制在20轉(zhuǎn)/分以下，以減少爆孔等疵點；機(jī)臺紗道各接觸點，以瓷性導(dǎo)紗裝置為佳；如需翻紗，必須留意飛花，翻紗車速度不能太快。3.3pla纖維染色因PLA纖維對溫度及堿(尤其是強(qiáng)堿)特別敏感，如染色溫度超過110℃會使PLA纖維手感明顯變硬，如定型溫度超出130℃會使PLA纖維熔融(PLA纖維的熔點：130～166℃)；若染色過程加入強(qiáng)堿,會使PLA降解(爆破力明顯降低)，因此，整個染整過程，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、家用及裝飾市場、非織造布市場、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纖維對許多溶劑包括干洗劑有很好的穩(wěn)定性，對堿(NaOH等)的水溶液很敏感，而對酸(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、防蟲防獸害蓋布、防草袋和養(yǎng)護(hù)薄膜等，在漁業(yè)中做魚網(wǎng)、魚線等，在家用器具中做垃圾網(wǎng)、手巾、濾器、擦布等，在戶外器具中做蓬布、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)