聚乳酸纤维在湿法非织造材料生产中的抄造性能

范玉敏 汤人望 胡晓东 李红祝

(浙江省普瑞科技有限公司 (浙江省造纸研究所)，浙江省特种纤维纸基功能材料技术研究重点实验室，浙江杭州，311215)

聚乳酸 (poly-lactic acid，PLA)纤维是以玉米、小麦或红薯等淀粉为原料，经发酵获得乳酸，然后通过聚合、纺丝得到的纤维［1］。PLA纤维截面通常为圆形，且表面光滑，密度为1.25 g/cm3，小于天然纤维和低熔点聚酯 (PET)纤维，玻璃化转变温度(Tg)一般为55～65℃，熔融温度 (Tm)为160～170℃［2］。PLA纤维生产过程不使用和产生有毒物质，其制品在土壤或海水的微生物作用下可降解为二氧化碳和水，对环境无害，是一种无毒、无害、可生物降解、可回收利用的绿色环保纤维［3］。PLA纤维制品在生物医用及日用领域有着广泛的应用，在生物医用领域可用作手术缝合线、伤口辅料、韧带加强纤维装置、组织工程编织支架等，在日用领域可用作绳索、牙刷、过滤膜材、面料等［4］。

近些年，PLA纤维非织造产品日益增多，法国Fiberweb公司，以100%PLA开发熔喷的和纺粘的名牌非织造布Deposa。日本钟纺合纤公司与吴羽合纤公司共同开发了由PLA生成的生物降解纤维/Lactron制成的三维立体非织造材料。尤尼吉卡公司使用Cargill Dow聚合体公司由玉米生产的PLA，通过熔融纺丝技术成功地制成了PLA纺粘非织造布。德国萨克森纺织研究所的Blechschmidt等人也对聚乳酸纺粘非织造工艺参数和产品性能进行了探讨［5］。天津工业大学纺织与服装学院的任元林等人对PLA纤维非织造材料进行了一定的研究，他们用的主要是纺粘法［6］。然而PLA纤维在湿法非织造材料中的性能及应用研究少有报道［7］。本实验对PLA纤维湿法抄造性能进行研究，旨在为PLA纤维在湿法非织造材料(功能纸)，尤其是在新型功能材料中的应用提供参考。

1 实验

1.1 原料

单组分PLA纤维 (以下简称单组分PLAF):1.3 dtex×6 mm，熔融温度170℃;双组分PLA纤维 (以下简称双组分PLAF):4.0 dtex×51 mm，人工剪短成12 mm左右，芯层熔融温度130℃，皮层熔融温度70℃;低熔点聚酯纤维 (以下简称PETF):1.1 dtex×3 mm，熔融温度110℃;水溶性聚乙烯醇纤维 (以下简称PVAF):1.1 dtex×3 mm，水溶温度70℃;分散剂聚丙烯酰胺。

1.2 仪器与设备

BK5000光学显微镜:重庆奥特光学仪器有限公司制造;ZQJI-B-2纸样抄取器:陕西科技大学机械厂制造;DCP-KZ300A(R)电脑测控抗张试验机:四川长江造纸仪器有限责任公司制造;YG461E/1数字式透气量仪:宁波纺织仪器厂制造;HST-H3热封试验仪:济南兰光机电技术有限公司制造。

1.3 实验方法

1.3.1 显微镜观察PLA纤维形态

1.3.2 纸张的制备

实验中纤维配比为:

(Ⅰ)单组分 PLAF∶双组分 PLAF=(80% ～30%)∶(20% ～70%)

(Ⅱ)单组分PLAF∶PETF=(80% ～50%)∶(20%～50%)

(Ⅲ)单组分PLAF∶双组分PLAF∶PVAF=(80%～50%)∶(15% ～45%)∶5%

(Ⅳ)单组分 PLAF∶PETF∶PVAF=(80% ～50%)∶(15% ～45%)∶5%

干燥温度为130℃。抄造好的纸张按 GB/T 10739—2002的规定在性能检测前进行恒温恒湿处理。

1.3.3 纸张性能测试

纸张定量、厚度、抗张强度指标按国家标准进行测定［8］。

纸张热封强度按照GB/T 25436—2010附录A所述方法进行测量:设定热封机的温度 (165±5)℃、压力0.2 MPa，时间5 s，热封刀宽度5 mm;切取宽度为15 mm、长度至少为280 mm的试样，应确保夹持试样时手不触及试样部分，将试样的热封面朝内沿长度对折成两层，在距离试样折线10 mm处进行热封。将热封好的试样按GB/T12914测定热封强度，夹距为180 mm，热封处应在二夹距之间，当热封处全部分开时，进行读数，每个样品测定10次，以算数平均值表示结果。

2 结果与讨论

2.1 PLAF显微镜观察

PLAF的显微镜照片如图1和图2所示。从图1和图2可以看出，PLAF表面光滑，粗细均匀;双组分PLAF具有卷曲度。

图1 单组分PLAF显微镜照片

图2 双组分PLAF显微镜照片

2.2 单、双组分PLAF混合抄造纸张的物理性能

单组分PLAF和双组分PLAF混合进行湿法抄造纸张的物理性能如表1所示。单组分PLAF表面光滑，没有键合作用，且熔融温度高，未达到熔融温度时纤维之间不会产生黏结作用，因此100%的单组分PLAF湿法抄造，即使在130℃下干燥，纸张也无法成形。双组分PLAF是由较高熔点的芯层和较低熔点的皮层通过双组分PLAF复合喷丝板挤压而成，在较低温度下就能熔融从而起到黏结作用。本实验所用的双组分PLAF具有卷曲度，且纤维较长，不易分散，制备纸张过程中易缠绕而絮聚，致使纸张中纤维分散不均，纸张强度下降。由表1可知，随着单组分PLAF用量的降低，纸张强度先增加后降低，透气度先降低后增加，两种纤维各占50%时性能较优，主要是因为此时两种纤维结合较好，双组分PLAF较好地发挥黏结作用，纸张的强度最佳，同时纸张的紧度和匀度较好，使单位时间通过单位面积的空气量降低，透气度较低。

表1 单、双组分PLAF混合抄造纸张的物理性能

2.3 单组分PLAF与双组分PLAF或PETF混合抄造纸张的物理性能

按1.3.2中的纤维配比 (Ⅰ)、(Ⅱ)抄造纸张，纸张的物理性能如图3～图7所示。

图3 双组分PLAF、PETF用量对纸张紧度的影响

图4 双组分PLAF、PETF用量对纸张透气度的影响

PETF长度为3 mm，在水中易分散，成纸匀度较好，同时具有较低的熔点，在130℃的干燥温度下能更好地熔融而起到良好的黏结作用。从图3～图7中可看出，单组分PLAF与PETF混合抄造纸张 (纤维配比 (Ⅱ))的紧度、强度整体趋势优于单组分PLAF与双组分PLAF混合抄造的纸张纤维配比 (Ⅰ)，透气度呈相反趋势，主要是因为PETF与单组分PLAF混合，成纸均匀，紧度高，单位时间单位面积通过的空气量少。

2.4 添加PVAF混合抄造纸张的物理性能

按1.3.2中的纤维配比 (Ⅲ)、(Ⅳ)抄造纸张，纸张的物理性能如图8～图12所示。

图5 双组分PLAF、PETF用量对纸张抗张强度的影响

图6 双组分PLAF、PETF用量对纸张湿抗张强度的影响

图7 双组分PLAF、PETF用量对纸张热封强度的影响

图8 双组分PLAF+PVAF、PETF+PVAF用量对纸张紧度的影响

图9 双组分PLAF+PVAF、PETF+PVAF用量对纸张透气度的影响

图10 双组分PLAF+PVAF、PETF+PVAF用量对纸张抗张强度的影响

图11 双组分PLAF+PVAF、PETF+PVAF用量对纸张湿抗张强度的影响

图12 双组分PLAF+PVAF、PETF+PVAF用量对纸张热封强度的影响

PVAF水溶温度为70℃，较低温度下就能发挥良好的黏结作用，在食品包装纸等产品中有很好的应用。从图8～图12中可以看出，PVAF的应用明显地提高了纸张的强度性能，与纤维配比 (Ⅰ)中单组分PLAF∶双组分PLAF=50%∶50%混合抄造相比，纤维配比 (Ⅲ)中单组分PLAF∶双组分PLAF∶PVAF=50%∶45%∶5%时的纸张抗张强度提高了38.7%，湿抗张强度提高了52.1%，热封强度提高了42.0%。与纤维配比 (Ⅱ)中单组分PLAF∶PETF=50%∶50%混合抄造相比，纤维配比 (Ⅳ)中单组分 PLAF∶PETF∶PVAF=50% ∶45% ∶5% 时的纸张抗张强度提高了13.8%，热封强度提高了39.8%。纸张强度的提高，为PLA纤维的应用拓宽了领域。

3 结论

实验对聚乳酸 (PLA)纤维 (单组分、双组分)、低熔点聚酯 (PET)纤维、水溶性聚乙烯醇(PVA)纤维混合湿法抄造纸张性能进行了研究。

3.1 单组分PLA纤维的熔融温度高，湿法抄造时干燥温度达不到其熔融温度要求，成形困难，应用会受限。

3.2 双组分PLA纤维、低熔点PET纤维、PVA纤维因其熔融温度低，与单组分PLA纤维混合抄造时，能起到有效的黏结作用，提高了聚乳酸纤维应用的可行性。

3.3 低熔点PET纤维的黏结效果优于双组分PLA纤维，水溶性PVA纤维的加入有利于纸张强度的进一步提高。

4 展望

PLA纤维所具有吸湿透气性、抗菌性、可降解性等优良性能引起了人们的广泛关注。作为新型环保纤维，未来将会在更多领域得到应用，例如作为过滤材料用于口罩，作为茶叶、咖啡等食品的外包装袋等。PLA纤维在湿法功能材料中的研究应用目前很少，我们将继续在应用领域开展深入研究和探讨。

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