浅析纺丝温度和牵伸倍数对聚乳酸纤维性能的影响

孙 嘉

(1.东华大学，上海 200051；2.太原理工大学，山西 太原 030000)

合成纤维经过近几十年的飞速发展, 在纺织纤维中占据了很大的比重, 已成为日常生活和工农业生产领域中不可缺少的原材料, 但绝大多数合成纤维的原料取自石油、煤炭等不可再生的资源, 使用丢弃后很难降解, 会长期存留在环境中, 造成污染。为此,聚乳酸纤维作为可降解、原料可再生的绿色纤维材料成为了当今世界研究开发的热点。目前聚乳酸纤维的纺丝成形加工大部分尚处于实验室研究阶段, 只有极少数厂商进入半商业化生产。如果要使聚乳酸纤维生产实现工业化,应加紧开发新的纺丝成形工艺, 对于熔融纺丝, 解决熔纺时的热分解[1-7]问题等, 将会极大地促进聚乳酸纤维的生产和应用。

1 实验部分

1.1 实验设计

针对纺丝条件——牵伸倍数和纺丝温度设计单因子试验，本实验以聚乳酸切片为原料,通过熔融纺丝—拉伸一步法制得聚乳酸纤维,研究纺丝温度和牵伸倍数因素对聚乳酸纤维结构、性能的影响,为大规模的生产提供一定的理论依据。

表1 牵伸倍数和纺丝温度单因子试验

1.2 原料的制备

将聚乳酸切片放置真空转鼓干燥，干燥温度为110℃，干燥时间为20 h；将干燥好的切片置于拉条切粒机中进行切粒[8-10]。

1.3 工艺流程

将切片均匀倒入加料口，随后切片进入螺杆内加热，熔融、均化，形成熔体；再进入弯管，在计量泵中准确计量，进入喷丝组件，在22 mPa下形成熔体细流，遂于20℃空气中自然冷却、固化，经过油辊上油，提高纤维抱合性以及防止产生静电，将长丝导入牵伸盘[11-13]，经过两组速度不同的牵伸盘使纤维被拉伸，获得较高的取向度、结晶度，形成聚乳酸纤维。

1.4 聚乳酸纤维性能表征及测试仪器

1.4.1力学性能

测试仪器：YG(B)021h型化纤厂强力机。

测试条件：相对温度20℃、相对湿度65%。

1.4.2粘均分子量

测试仪器:乌氏黏度计(直型) ,毛细管内径D:(0.037±0.001) cm。

测试条件:测量温度 (25±0.1)℃;溶剂三氯甲烷。

用三氯甲烷作溶剂，于(25±0.1)℃的玻璃恒温水浴中[14-16]，测该种溶液流经a、b两刻度所需时间t。在同样条件下，测定纯溶剂流经a、b两刻度所需时间。

计算公式如下:

(1)

1.4.3取向度

测试仪器: SCYⅢ型声速取向仪。计算公式如下:

(2)

式中: fs 为纤维试样的取向因子; Cu 为纤维无规取向时的声速值; Co为纤维试样的实测声速值。

实验方法：将每组聚乳酸纤维各取5段长度大于50 cm的试样，置于声速取向仪上将触头置于20 cm处测试声速值，然后将触头移至40 cm处再测试其声速值，测试完毕后仪器自动打印结果。

1.4.4纤维的纤度

测试仪器：YG086型缕纱测长机；FA1004B电子天平。

测试条件：相对温度20℃，相对湿度65%。

实验方法：利用电子缕纱测长仪绕取每组3个丝绞,每个丝绞长10 m,首尾打结[19],利用电子天平称重，计算公式如下：

(3)

式中：G为纤维的重量，单位为g；L为纤维的长度，单位为m。

2 结果与讨论

2.1 纺丝温度对纤维性能的影响

2.1.1纺丝温度对纤维可纺性的影响

在熔融纺丝过程中，固体高聚物需通过加热熔融形成聚合物流体，该过程纺丝温度对纤维的可加工性有较大的影响。

实验时，其他条件相同的状态下，改变纺丝温度，得到如表2所示现象。

表2 纺丝温度对可纺性的影响

2.1.2粘均分子量

随着纺丝温度的提高，分子量呈现先增大后减小的状态，说明聚乳酸纤维对温度的敏感度较高，纺丝温度不宜过高。纺丝温度与粘均分子量的关系如表3所示。

表3 纺丝温度与粘均分子量的关系

由表3可知，随着纺丝温度的提高，PLA初生纤维粘均分子量呈现先升高后降低的状态。并且在187℃时粘均分子量达到最大值，原因在于，当纺丝温度较低时，聚乳酸切片熔融不完全，丝条表面有毛丝，断头较多，致使丝条整体不均匀；当温度适当提高时，推动聚乳酸聚合反应的进行，分子量增加；纺丝温度过高时，高温的熔体会接触到空气中的氧气和水分而导致大分子链发生热降解和水解，相对分子量下降。由此看来，对聚乳酸纤维纺丝而言，适宜的纺丝温度对保证成型纤维的质量更有利。

2.1.3取向度

由实验得纺丝温度对取向度的影响如表4所示。

表4 纺丝温度与声速的关系

由表4可知，纺丝温度过低时，取向度较低，这是因为低温处理的聚乳酸纤维无法获得足够的能量使分子长链更好地伸直,这意味着该纤维的无定形区较定型区占更大比例；当纺丝温度在193℃时，取向度相对较高，这是由于适当地升高温度能促使分子排列不规则区域规整化，因此可提高其取向度；当纺丝温度再提高时，大分子运动剧烈，大分子在纤维轴周围排列很难定型，故其取向度下降。

2.1.4力学性能

纺丝温度对断裂伸长与断裂强力的影响较大，主要是温度对聚乳酸大分子的排列、结晶度和取向度[18]有直接影响。结晶度与取向度对力学性能起着决定性的作用。纺丝温度与断裂伸长率的关系如图1所示，与断裂强度的关系如图2所示。

图1 纺丝温度与断裂伸长的关系

图2 纺丝温度对断裂强度的影响

由图1可知，断裂伸长率随着纺丝温度增加而先增加，然后减小，再增加，然后减小，这与取向度随纺丝温度的变化有一定的关系，由于聚乳酸纤维对温度极其敏感，在外力不变的情况下，纺丝温度较低时，纤维的无定形区较大，故其断裂伸长率加大；随着纺丝温度达到适宜的状态，纤维的取向度有所上升，定型区相对加大，故断裂伸长率相对减小，当纺丝温度再增大时，纤维的成型性欠佳，丝条不均匀，致使断裂伸长率下降；由图2可知，断裂强度随温度的升高先增大后减小，并且在187℃时其断裂强力达到最大值1.9 cN/dtex，这是因为，当纺丝温度在187℃时，聚乳酸纤维粘均分子量最大，而分子量是对聚乳酸纤维断裂强度起决定性作用的结构参数，分子量越大，断裂强度越大。

2.2 牵伸倍数对纤维性能的影响

2.2.1可纺性分析

为了探讨不同牵伸倍数对纺丝性能的影响，实验中采用变换牵伸倍数的方法进行比较，分析结果如下：牵伸倍数为2倍、2.5倍和3倍时均有较好的可纺性，成丝卷绕性能良好。具体现象如表5所示 。

表5 不同牵伸倍数下的纺丝现象

2.2.2牵伸倍数对取向度的影响

由实验得牵伸倍数与声速的关系如表6所示。

表6 牵伸倍数与声速的关系

如表6所示为聚乳酸纤维的声速值结构参数。从中可以看出，随着牵伸倍率的增加，聚乳酸纤维中大分子链沿纤维轴的取向排列程度增加。分子排列越规整，取向度越高。其原因可能有两方面：第一方面是由于分子取向和应力作用使纤维发生诱导结晶；另一方面是由于牵伸过程中与周围介质的热和形变能量的转换，会导致纤维温度升高，并使纤维加快取向。聚合物受力拉伸取向的结果是伸直链段的数目增多，而折叠段的数目减少，致使这些大分子规则区增多，提高了聚合物纤维取向度。

2.2.3力学性能

图3所示为不同牵伸倍数对聚乳酸纤维断裂强力与断裂伸长的影响。

图3 不同牵伸倍数对聚乳酸纤维断裂伸长和断裂强力的影响

图3显示在一定加热温度下,长丝的断裂强度随着牵伸倍数的增加而增大。这是因为随着牵伸倍数的增大，外力促使链段运动加快，使得聚乳酸纤维易于取向，大分子排列规则，所以聚乳酸纤维能更为均匀地承受外力作用,强度因而得到提高；随着牵伸倍数的增加，纤维所受外力的增大致使卷曲的分子链伸展,纤维的取向度提高,分子排列规整;低温处理的聚乳酸纤维无法获得足够的能量使分子长链更好地伸直,这意味着该纤维的无定形区的尺寸相对于高温处理的要大,一般来说,无定形区的增大更有利于聚乳酸纤维的变形,所以聚乳酸纤维的伸长率随着牵伸倍数的递增而减小。

3 结论

3.1在纺丝温度一定的条件下,聚乳酸纤维的断裂强度随着牵伸倍数的增加而增大，断裂伸长随着牵伸倍数的增加而递减。

3.2在一定的牵伸条件下,聚乳酸纤维的断裂强度随着纺丝温度的增加而呈现先增加后减小的状态；断裂强度在纺丝温度为187℃时达到最优状态。

3.3在纺丝温度一定的条件下，牵伸倍数对粘均分子量的影响很小，而取向度随着牵伸倍数的增加呈增加趋势。

3.4牵伸倍数一定的条件下，纺丝温度在187℃时，聚乳酸纤维的粘均分子量最大，纺丝温度过高或过低会导致其粘均分子量下降。

4 展望

通过本次课题研究，可以看出聚乳酸纤维具有良好的可纺性和生物降解性，在国民经济各行业有着良好的发展前景。在今后的研究过程中还需要对复合纤维的内部结构以及纤维降解后强度变化做更进一步的研究，以便对复合纤维在降解过程中的变化原因有更详细地了解。此课题的研究将会为可持续发展战略提供一种良好的环境友好材料，为降低环境污染，解决“白色垃圾”等环境问题开辟一条全新的途径，随着研究的不断深入，将对聚乳酸纤维的复合纤维染整工艺进行研究，完善纤维的使用性能等。

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