PLA纤维及其制品的应用特性分析

［摘 要］PLA纤维是一种性能优异的聚酯纤维。本文综合分析了PLA纤维的生物降解性和可循环性、无毒性、低温染色性、回弹性和抗皱性、阻燃性、耐紫外线性，阐述了生产中应注意的问题，并对PLA纤维的应用前景作了论述。 21世纪，新材料的研制和开发占有举足轻重的作用，特别是在“我们只有一个地球”的口号下，开发与利用生物可降解的聚乳酸（Polylactic Acid，PLA）纤维已成为本世纪纺织新原料的热点。PLA纤维采用天然可再生的植物资源为原料，减少了对石油资源的依赖性，与常规的纤维材料相比，PLA纤维还具有独特的优异性能，随着人们对环境的日益重视和聚乳酸树脂的大规模工业化生产以及PLA纤维应用领域的不断开发，PLA纤维必将成为21世纪最重要的纤维材料之一。 1 PLA纤维的研究进展 PLA纤维是一种性能优异的聚酯纤维，是以L-乳酸为主要原料聚合得到的聚合物，而L-乳酸的主要原料来自玉米，所以PLA纤维也被称为玉米纤维。生产PLA纤维的工艺为：玉米淀粉经水解为葡萄糖，再用乳酸杆菌厌氧发酵，发酵过程用液碱中和生成乳酸，发酵液经净化后，用电渗析工艺，制成纯度达99.5％的乳酸。由乳酸制PLA生产工艺有：（1）直接缩聚法，在真空下使用溶剂使脱水缩聚。（2）非溶剂法，使乳酸生成环状二聚体丙交酯，再开环缩聚成PLA。 聚乳酸的研究和开发历史可以追溯到20世纪20～30年代，著名高分子化学家Carothers曾对聚乳酸的合成做过报道。1944年，Filachiene在Hovey、Hodgins及Begji研究的基础上，对聚乳酸的聚合方法进行了系统的研究。1954年Du pont公司采用新的聚合方法制备出了高分子量的聚乳酸，但由于其对热和水十分敏感，因此未受到重视。20世纪60年代以后，由于发现聚乳酸酯在人体内可降解，人们对其作为生物医用材料开展了广泛的研究和应用。后来，美国知名谷物公司Cargill研发成功玉米PLA纤维。1997年，化学公司DowPolymers看好PLA纤维的后期发展，便与Cargill公司合资组建CargillDow Polymers LLC公司（CDP公司）生产聚乳酸，产品的商品名为Nature Works PLA。1989年，日本钟纺公司与岛津制作所合作开发玉米PLA纤维，原料来源于岛津制作所和CDP公司。1994年开发出商品名为Lactron的纤维，1998年又开发出此种纤维的系列产品，并于长野冬季奥林匹克运动会上展示了由Lactron纤维制成的各种服饰。2000年1月，钟纺公司与CDP合作，联合生产聚乳酸树脂。2003年1月，CDP公司在美国纽约向全世界发布了其Nature Work TMPLA纤维的新的名称“Ingeo”，意为从地球来的有效成分，体现了人性、自然和技术的和谐统一，全球有85家著名的品牌生产厂商共同签署了联合开发和推广应用聚乳酸纤维的协议。聚乳酸纤维成本过高的问题亦因聚乳酸树脂工厂的投产而得到解决，目前价格比PET（聚对苯二甲酸乙二酯）价格便宜10％～15％。现在，世界各工厂生产聚乳酸纤维的原料均来自美国CDP公司，而杜邦、Monsanto等大厂也有建厂计划。在第十届上海国际纺织面料及辅料（秋冬）博览会上，中国华孚集团、中国香港福田公司和台湾远东纺织公司，以及日本伊藤忠公司、CDP公司、Thermore公司、UnifiAsia公司等知名企业展出了各自的PLA纤维系列产品，预示着PLA纤维广泛应用的时代已经到来。 2 PLA纤维的形态结构及其制品的性能 2.1 PLA纤维的形态结构与物理性能 2.1.1 PLA纤维的形态结构 PLA纤维的形态结构如图1所示，由图可知，聚乳酸纤维的横截面呈非完整的圆形。 2.1.2 PLA纤维的物理性能 PLA纤维的性质见表1： 由表1可知：PLA纤维的密度、断裂强度、伸长率和模量介于PET纤维和PA纤维之间，所以PLA纤维具有PET、PA纤维共同的优点，并且PLA纤维的吸湿性好于这两种纤维。 2.2 PLA纤维及其制品的特性 2.2.1 PLA纤维的生物降解性和可循环性 与其它合成纤维相比，PLA纤维的最大优点是它在自然环境下容易被分解，分解产生的二氧化碳和水不会污染环境，并且可通过绿色植物的光合作用又重新进入生态循环当中去。 降解的方法有以下几种： a降解（也称混合肥中分解）。这种堆肥条件的温度为60℃，相对湿度为90％，其降解的主要机理是水解，通过温度来催化，然后由细菌对残留碎屑进行蚕食。 b土地埋入降解。将使用过的PLA纤维埋入地下，经过8～10个月，在土中微生物的作用下PLA纤维的强力和其它性能基本上全部或大部分损失。 c活性污泥中降解。主要是通过大量存在的细菌，使PLA纤维急速分解，一般只需1～2个月，制品强力全部丧失。 d海水浸渍降解。原理同土地埋人法相仿。 另外，在聚合中通过添加组分进行共聚可加速或减缓这种降解。 正因为如此，很多专家把它称为“21世纪的环境循环材料”。 2.2.2 PLA纤维的无毒性 PLA纤维是以人体内含有的乳酸作原料合成的，对人体而言是绝对安全的。经测试，用PLA纤维制成的布料不会刺激皮肤，具有抗菌和防腐性能且对人体健康有益，并有舒适感，用于内衣，与PET和PBT纤维相比具有优良的悬垂性、滑爽性并富有光泽。纤维合成过程都无环境污染；纤维生产过程通常采用的熔融法纺丝在化纤工艺中最简洁、最干净，也没有很难以处理的三废问题。聚乳酸纤维植入体内无毒副作用，而且有一定的耐菌性和耐紫外线性能，因此安全性好，不但可用作可吸收的手术缝合线和组织工程材料，而且很适于室外应用领域和室内装饰织物。并且PLA纤维燃烧无毒性，燃烧气体中亦不含有二恶英，氮—氧气体也极少。 2.2.3 PLA纤维的低温染色性 合成纤维应用分散染料染色，只有在玻璃化温度以上才能染成深色。PET纤维的玻璃化温度大约在81℃左右，而且由于其结构致密，染料分子不易进入纤维内部，所以PET纤维只有在高温高压或有载体的情况下，才能用分散染料染成深色。而PLA纤维的玻璃化温度一般为58～62℃，染料分子易进入纤维内部并能染成深色，所以其染色性能优于PET纤维，能够在无载体的情况下常压低温染色或沸染。 PLA纤维用分散染料分别在70℃和100℃采用长短不同的时间进行染色，测定其上染率，证明分散染料染能使PLA获得较好的染色深度，100℃×30min时能获得最高上染率。染色前加入Keiralon JET-B或纯碱，在60℃下处理15～20min，然后排水，水洗后备染。染色时升温至40℃加入助剂Setamol BL，Palatex PC和HAC，处理5min后加入染料，调节pH值（3.5～4.0）。然后以2～3℃／min升温至70℃，再以1～2℃／min升温至100℃，可根据深度保温染色一定时间。其染品的耐洗牢度和染料移染速率良好，色牢度高于3级；在氙弧光下不褪色。 2.2.4 PLA纤维的回弹性和抗皱性 纤维的回弹性是构成纺织制品弹性的基本因素，与制品的耐磨性、抗折绉性、手感和尺寸稳定性都有很密切的关系，因此纤维的回弹性是确定纺织加工工艺参数极为有用的指标。回弹性大的纤维能够很好地经受拉力而不改变其构造，能够稳定地保持本身的形状，且经久耐用，其制品同样也不失掉它本身的形状[11]。PLA纤维的大分子结构决定了它有良好的回弹性，在5％应变作用下，回弹率是93％，在10％应变作用下，回弹率是64％；而PET纤维在5％应变作用下，回弹率是63％，在10％应变作用下，回弹率是51％。 2.2.5 PLA纤维的阻燃性能 随着物质生活水平的提高，人们对纺织纤维阻燃性的要求越来越高。PLA纤维的极限氧指数（26％～27％）和羊毛的极限氧指数（24％～25％）相似，优于PET纤维（23％～24％），接近于国家标准对阻燃纤维极限氧指数的要求（28％～30％），燃烧时发热量低（只有PET纤维的16％），只有轻微的烟雾释出（只有PET纤维的57％），易自熄，火灾危险性小。因此PLA纤维的阻燃性能已引起人们的特别关注。 2.2.6 PLA纤维的耐紫外线性 纤维大分子结构中的C—C、C—H等键，一般不吸收波长大于290nm的光线，照射到地球表面的紫外线，对含有这些键的纤维几乎没有影响[11]。而PLA纤维的分子结构中含有大量的C—C、C—H键，因此，PLA纤维具有优良的耐紫外线性。PLA纤维是由高纯度的L-乳酸制成，所含杂质极少，这也是其具有优良耐紫外线性的原因之一。经科学实验，PLA纤维经日晒500小时后，仍保持90％的强力，而PET纤维日晒200小时后，强力便降至60％左右。 另外，PLA纤维和PET纤维同样富有疏水性，对皮肤不发粘；如与棉混纺做内衣，有助于水份的转移，接触皮肤时有干燥感，更为重要的是，PLA纤维的生物相容性比较好，不刺激皮肤，因此穿着时的舒适感特别好。PLA纤维的加工适应性也很好，可以适应机织、针织、簇绒和非织造布等现有绝大多数加工设备，这为它的推广应用提供了极大的便利。 3 纺织生产中应注意的问题 虽然PLA纤维具有很多的优点及特性，但在实际生产也应注意以下问题： 3.1 长纤与短纤的问题 PLA纤维利用一般熔融纺丝法，即可制成长纤或短纤，长纤一般有光丝（Bright）及普通（Regu-lar），而PLA长丝收缩率大，一般在20～23％，故在生产织物时要考虑，必要时可先进行蒸纱处理。短纤一般以1.2～1.4D为主，在进行纺纱时，因考虑伸长率高达47％，纺纱张力、络筒等张力，都需要适当降低；而PLA纤维对温度较敏感，在高温下会使其变硬，如工序上因车速高而引起的高温，都需减速生产。 3.2 织造方面的问题 因伸长率高，需要织布时张力适当配合，而缩率低，织物设计时要充分考虑，否则影响最终产品的规格。PLA纤维纱在针织生产时要注意：生产车间尽量温度控制在25℃以内，相对湿度60％以上；生产机台必须清理干净，用透明胶纸围住，以免形成飞花；织机车速不能太快，须控制在20转／分以下，以减少爆孔等疵点；机台纱道各接触点，以瓷性导纱装置为佳；如需翻纱，必须留意飞花，翻纱<