热处理对玉米聚乳酸纤维力学性能的影响

赵 凯

（1.山东省纺织科学研究院，山东 青岛266032；2.山东省特种纺织品加工技术重点实验室，山东 青岛266032）

1 玉米聚乳酸纤维的内部结构及其热学性能

1.1 玉米纤维化学结构

乳酸有两个光学异构体（对映体），分别称为L—乳酸和D—乳酸［1］。用乳酸单体制备聚乳酸主要有两种途径：①直接缩聚法，需用溶剂和高真空条件脱水；②温和条件下脱水生成丙交酯中间体，由丙交酯开环聚合，不用溶剂。

玉米聚乳酸纤维是将玉米发酵制得乳酸，经由缩合聚合反应制成聚乳酸，利用耦合制成具有良好机械物理性的较高分子量聚乳酸，再经过关键的化学改质，将其强度、保水性提升，并将其纤维化。利用玉米淀粉加上独特技术生产的聚乳酸，经不断研制后生产出Nature WorKs PAL聚乳酸［2］，现已成为一些纤维生产大公司生产聚乳酸纤维的生产原料。

玉米纤维和涤纶同属聚酯类，但涤纶是芳香族聚酯化合物，而玉米纤维属于脂肪族聚酯化合物。玉米纤维侧面及横截面的显微镜照片如图1、图2所示，其横截面呈非完整的圆形。

1.2 热学性能

图1 玉米纤维侧面图

图2 玉米纤维截面图

玉米聚乳酸纤维具有较高结晶性与高配向性，所以它在一定程度上既耐热又耐拉［3］，玉米聚乳酸纤维的的熔点为175℃，明显低于涤纶纤维和锦纶纤维。玻璃化转变温度适宜，为57℃，介于涤纶和锦纶之间。沸水收缩率为8%～15%。为了解聚乳酸纤维的热稳定性［4］，本实验对聚乳酸纤维进行了热处理。热处理温度为150℃，在不同时段测量聚乳酸纤维的力学性能，分别与未处理的聚乳酸纤维进行对比，进而来研究聚乳酸纤维的热稳定性。

2 实验材料和测试设备

2.1 实验材料

实验室所用材料为利用熔融纺丝法生产得到的聚乳酸玉米纤维［5］，其规格如表1所示。

表1 聚乳酸玉米纤维规格项

2.2 实验中所使用的测试设备

LLY－06E型电子单纤维强力仪是利用微机控制测试纤维拉伸性能的精密仪器，适用于各种天然纤维、化学纤维、特种纤维及金属特细丝等材料的拉伸性测试。可实时显示曲线图、断裂强力、伸长率、屈服应力、屈服伸长、断脱伸长、初始模量、各项CV值等多项统计指标。

基本技术指标：

①测力范围：0.15～200.00cN

②速度范围：2～99mm／min

③伸长范围：70mm

④夹持隔距：5～30mm

⑤灵敏度：0.02%

主要技术指标：

量程：200cN

精度：±0.5%

伸长精度：≤0.05mm

最高拉伸速度：60mm／min

烘箱：在恒定温度下对纤维进行预定设定时间的热处理。

3 实验数据整理及分析

为探究聚乳酸纤维的热稳定性，本实验对聚乳酸纤维利用烘箱进行热处理。热处理温度为150℃，在不同时段测量聚乳酸纤维的力学性能［6］，分别与未处理的聚乳酸纤维进行对比，进而来研究聚乳酸纤维的耐热稳定性。表2给出了多次测量后得到的力学数据。

表2 不同时间热处理一次拉伸断裂性能基本指标

为了更好的反应各个力学性能指标随热处理时间的变化情况，以下给出了初始模量、断裂强度、断裂伸长率和断裂功随处理时间的变化曲线图。

（1）聚乳酸纤维初始模量与处理时间的关系曲线如图1所示。

图1 聚乳酸纤维初始模量与处理时间的关系曲线

由图1可知，随着对聚乳酸纤维热处理时间的延长，聚乳酸纤维的初始模量呈现先急剧下降后略微上升的趋势［7］。

（2）聚乳酸纤维断裂强度与处理时间的关系曲线如图2所示。

图2 聚乳酸纤维断裂强度与处理时间的关系曲线

由图2可知，随着对聚乳酸纤维处理时间的延长，聚乳酸纤维的断裂强度逐渐减小［8］。在150°的处理下，其断裂强度的下降趋势很明显。

（3）聚乳酸纤维断裂功与处理时间的关系曲线如图3所示。

图3 聚乳酸纤维断裂功与处理时间的关系曲线

由图3可知，随着对聚乳酸纤维热处理时间的延长，聚乳酸纤维的断裂功［9］呈现逐渐升高的趋势。对于具体的原因，在这里我们可以做个假设：因为热处理温度较高，使得聚乳酸纤维的内部结构发生了变化，所以其断裂功有增加的趋势［10］。

（4）聚乳酸纤维断裂伸长率与处理时间的关系曲线如图4所示。

图4 聚乳酸纤维断裂伸长率与处理时间的关系曲线

由图4可知，随着对聚乳酸纤维热处理时间的延长，聚乳酸纤维的断裂伸长率呈现逐渐升高的趋势［11］。

4 实验结论

随着温度的逐渐升高，聚乳酸纤维的断裂强力逐渐降低，而聚乳酸纤维的断裂伸长率有逐渐增大的趋势，采用不同温度和时间处理聚乳酸纤维时，随着时间和温度的的增大，聚乳酸纤维的初始模量缓慢下降，且在温度小于130℃的情况下，温度对聚乳酸纤维的力学性能的影响不是太大，但是在超过这个温度时，其力学性能明显变差。当热处理的时间大于20min的情况下，其力学性能也明显的变差。

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