聚乳酸/ES纤维热熔絮片制备及其性能研究*

孙京辉 郝可可 张迎梅 张 彧 钱 程

嘉兴学院材料与纺织工程学院，浙江 嘉兴 314001



聚乳酸/ES纤维热熔絮片制备及其性能研究*

孙京辉 郝可可 张迎梅 张 彧 钱 程

嘉兴学院材料与纺织工程学院，浙江 嘉兴 314001

聚乳酸(PLA)纤维受热后易发硬、变脆。为寻找聚乳酸纤维热熔絮片合适的加工温度，以聚乳酸中空纤维和ES纤维为原料制备热熔絮片，对聚乳酸纤维质量分数为40%～90%的热熔絮片的加工温度进行试验，并对热熔絮片的保温、压缩、蓬松、透气、透湿等性能进行测试。结果表明，聚乳酸纤维与ES纤维的质量配比为7∶3、加工温度为128℃、热风穿透时间为1min时，热熔絮片既有较好的保温、压缩、蓬松及透气、透湿性，又能很好地保留聚乳酸纤维的优良特性，适用于服装和家纺填充料。

聚乳酸纤维，热熔絮片，服装，家纺，性能

聚乳酸(PLA)纤维采用玉米、小麦、甜菜等含淀粉的农产品为原料，经发酵生成乳酸后，再经缩聚和熔融纺丝而制成[1]，其具有良好的生物相容性和安全性，对人体无毒无害，在人体内及自然环境中可逐渐降解为二氧化碳和水[2]。聚乳酸纤维的强伸性能与涤纶相近，导湿性好，弹性回复率高，公定回潮率仅为0.5%，与天然纤维和除涤纶以外的合成纤维相比都较低，疏水性能较好，用作服装时表现出滑爽、不黏身体等穿着舒适性[3-4]。

作为一种高强、中伸、低模量的纤维，聚乳酸纤维手感柔软，本身呈弱酸性，并具有天然抑菌性及优良的弹性和卷曲性能。纤维密度为1.27g/cm3，介于腈纶和羊毛之间，比天然纤维中的棉、丝、毛纤维的密度低，具有较大的覆盖性。在延伸5%时，其弹性回复率为93%，高于大多数天然和合成纤维，并显示出很好的抗皱性和蓬松性，更适合用作被褥的填充材料[5]。然而，由于构成聚乳酸纤维单体的主要部分为L-乳酸，因此耐热性较差，玻璃化温度仅为57℃，熔点为175℃，给后续的纺织、染整和服装熨烫加工带来了困难[6-7]。为了找到聚乳酸纤维合适的热加工温度，充分利用其蓬松、柔软、回弹等优良性能制备服装和家纺用热熔絮片，本文对采用热熔加固方法制备聚乳酸纤维絮片进行探索。

1 试验

1.1 试验材料

聚乳酸中空纤维，线密度为3.33dtex、长度为64mm，由马鞍山同杰良生物材料有限公司提供；ES纤维，线密度为2.22dtex、长度为51mm，由浙江新维狮合纤股份有限公司提供。

1.2 试验仪器

针刺热轧联合试验机组、M-6型连续式定型小样机、YG141N型数字式织物厚度仪、Y172型纤维切片器、YG(B)606D型平板式保温仪、YG461E型电脑式透气性测试仪、LCK-131型透湿量测定仪、LLY-06B型电子单纤维强力仪。

1.3 试验方法

1.3.1 样品制备

首先将聚乳酸纤维和ES纤维按一定质量配比

进行混合，并在针刺热轧联合试验机上梳理成单层网，然后手工将单层网铺叠成三层网，再利用定型小样机进行热熔加固，得到聚乳酸纤维絮片样品。主要工艺参数：喂棉速度0.39r/min，主锡林速度260.00r/min，道夫速度8.95r/min。

1.3.2 试验标准

1.3.2.1 力学性能、厚度、透气透湿和保温率

力学性能测试按照标准GB/T 14337—2008《化学纤维 短纤维拉伸性能试验方法》进行；厚度测试按照标准GB/T 24218.2—2009《纺织品 非织造布试验方法 第2部分：厚度的测定》进行；透气性测试按照标准GB/T 5453—1997《纺织品 织物透气性的测定》进行；透湿性测试按照标准GB/T 12704.1—2009《纺织品 织物透湿性试验方法 第1部分:吸湿法》进行；保温率测试按照标准GB/T 11048—2008《纺织品 保温性能试验方法》进行。每一种样品测5块试样，然后取平均值。

1.3.2.2 压缩性能

(1)

(2)

(3)

其中：P0为175.22g/cm2；P1为594.00g/cm2；压板质量为6.98g，尺寸为11cm11cm。

图1 压缩性能测试示意

1.3.2.3 蓬松度

蓬松度测试：将试样剪成尺寸为20cm×20cm的小块，平衡4h后称重；然后在试样上压一块平板，在平板中间放上2000g重锤，30s后除去重锤，静止30s，重复3次；最后测定试样四角的高度(精确至0.5mm)，求其平均值h。按照下式计算蓬松度：

其中：h为试样四角高度的平均值，mm；w为试样质量，g。

2 结果与讨论

2.1 纤维力学性能

聚乳酸纤维和ES纤维的力学性能测试结果见表1。

表1 纤维力学性能测试结果

从表1可以看出，聚乳酸纤维的断裂强力小于ES纤维。其原因主要是后者是一种皮层为聚乙烯(PE)、芯层为聚丙烯(PP)的双组分纤维，其皮层仅作为热熔加固黏合层，而芯层作为骨架起着提供强力的作用。另外，ES纤维的初始模量远大于聚乳酸纤维，这说明聚乳酸纤维的柔软性优于前者。采用这两种纤维加工成热熔絮片，既可利用ES纤维进行加固而提高絮片的强度，又可保留聚乳酸纤维的柔软手感而提升絮片的使用舒适度。

2.2 聚乳酸纤维质量分数对加热温度的影响

将聚乳酸纤维与ES纤维混合制备热熔絮片，选择聚乳酸纤维质量分数为40%、50%、60%、70%、80%、90%，对ES纤维的热熔固化工艺进行筛选。通过前期的多次试验发现，选择加热时间为1min时，既可以保证纤网成型良好，又便于接近实际生产情况。因而，在纤网获得良好成型效果的前提下，通过试验得出加热温度随聚乳酸纤维质量分数变化的情况，如图2所示。

图2 加热温度随聚乳酸纤维质量分数变化的情况

根据所制备的热熔絮片的成型情况及图2可以看出，当聚乳酸纤维质量分数为40%、加热温度为115℃时，纤网基本能成型，但纤维之间的黏合牢度不高；而随着聚乳酸纤维质量分数的增加，为保持纤网的完整性，所需要的加热温度不断提高。当聚乳酸纤维质量分数达到70%时，加热温度达到128℃，比聚乳酸纤维质量分数为40%时的加热温度上升了11%，此时纤网成型良好。当聚乳酸纤维质量分数达到90%时，加热温度达到140℃，这时纤网虽然具有良好的完整性，但已有部分聚乳酸纤维变硬，纤网的缩率也比较大。很显然，聚乳酸纤维质量分数为70%是一个转折点，此时絮片的加热温度基本上与ES纤维的皮层的熔点相一致。而一旦超过这个质量分数，絮片的加热温度需进一步升高才能使纤网保持良好的成型效果。但较高的温度除了使ES纤维的皮层发生熔融外，还有部分聚乳酸纤维发生熔融，此时的纤网偏硬挺，说明聚乳酸纤维熔融而将周围纤维黏结。

2.3 热熔絮片试样性能

上述制得的热熔絮片试样的面密度为55g/m2、厚度为1.9862mm，对其保温、压缩等性能进行测试。

2.3.1 保温性

不同聚乳酸纤维质量分数的试样保温性测试结果见表2。

表2 保温性测试结果

材料的保温效果主要与其中所含的静止空气相关，静止空气越多，保温效果越好[8]。随着聚乳酸纤维质量分数的增多，其中空结构使得包含的静止空气越多，因而保温性增加。如表2所示，当聚乳酸纤维质量分数为90%时，热熔絮片的保温率最高。此外，表2中的数据还反映出克罗值、传热系数和保温率之间存在相关性，表明传热系数越小，克罗值和保温率越大，则材料的保温效果越强。

2.3.2 压缩性

不同聚乳酸纤维质量分数的试样压缩性能测试结果见表3。

表3 压缩性能测试结果

压缩弹性是表明材料抵抗压缩变形能力的一个指标，恢复率是指去除压力一定时间后材料的压缩变形进行回复的性能。从表3可以看出，随着聚乳酸纤维质量分数的增多，热熔絮片的压缩性能呈现下降趋势，表明纤网受到挤压时产生的变形逐渐减少。其原因可能是当聚乳酸纤维质量分数≤60%时，纤网的加热温度低于121℃(图2)，纤网成型不完全，有部分聚乳酸纤维没有被黏结，因而蓬松性好、压缩弹性率高；而当聚乳酸纤维质量分数为70%时，加热温度达到128℃，刚好达到ES纤维的皮层的熔点，从而将周围的聚乳酸纤维黏结在一起，纤网成型良好，并导致压缩弹性率有所降低。当加热温度超过130℃时，部分聚乳酸纤维开始熔融，压缩弹性率与恢复率降低，纤网变得硬挺。这也验证了聚乳酸纤维的受热温度接近其熔点时容易变硬并产生强力降低的现象[9]。

2.3.3 蓬松度

不同聚乳酸纤维质量分数的试样蓬松度测试结果见表5。

表5 蓬松度测试结果

从表5可以看出，随着聚乳酸纤维质量分数的增加，纤网蓬松度呈现下降趋势。这说明ES纤维的质量分数越低，热熔絮片的蓬松度越低，因为ES纤维起到黏合其周围的聚乳酸纤维的作用。而随着聚乳酸纤维质量分数的增加，制备热熔絮片所需要的加热温度增加，部分聚乳酸纤维熔融变硬，这也降低了纤网的蓬松度。

2.3.4 透气性

不同聚乳酸纤维质量分数的试样透气性测试结果见表6。

表6 透气性测试结果

从表6可以看出，随着聚乳酸纤维质量分数的增加，絮片透气性呈现下降的趋势。其主要原因是ES纤维质量分数较高时纤网的三维结构较好，蓬松度也较高，使空气容易通过。当聚乳酸纤维质量分数超过70%时，由于加工温度升高，导致聚乳酸纤维部分熔融而使纤网变得硬挺，在一定程度上阻碍了气流的通过。

2.3.5 透湿性

不同聚乳酸纤维质量分数的试样透湿性测试结果见表7。

表7 透湿性测试结果

材料的透湿性与其自身空隙及所用的纤维材料有关。聚乳酸纤维是一种透湿性比较好的纤维[9]，由其所制成的絮片也具有较好的透湿性。从表7可以看出，聚乳酸纤维质量分数为70%时，试样的透湿性最好。其可能的原因是当聚乳酸纤维质量分数高于70%后，所需的加热温度超过130℃，使得聚乳酸纤维部分熔融而变硬，进而发生一定程度的变性，因此透湿性变差。

从透湿性的测试数据及前述图表可以看出，聚乳酸纤维是一种对热较敏感的纤维，当采用这种纤维与ES纤维混合制作热熔絮片时，加热温度不宜超过130℃。

3 结论

采用聚乳酸纤维及ES纤维制备热熔絮片，对其保温性、压缩性、蓬松性、透气性、透湿性等相关指标进行测试，得出：

(1) 随着聚乳酸纤维质量分数的增加，制备热熔絮片所需的加热温度升高，在聚乳酸纤维质量分数为70%时是一个转折点。

(2) 随着聚乳酸纤维质量分数的增加，热熔絮片的保温性增强，而蓬松度和压缩性能呈现下降的趋势。

(3) 聚乳酸/ES纤维热熔絮片整体上有较好的透气性，在聚乳酸纤维质量分数为70%时其透湿性最佳。

综上所述，采用不同质量配比的聚乳酸纤维和ES纤维混合制备热熔絮片，当聚乳酸纤维质量分数为70%、加工温度为128℃、热风穿透时间为1min时，热熔絮片的综合性能较为优异，是比较理想的服装和家纺填充材料。

[1] 吉利梅.聚乳酸纤维的定性鉴别及性能测试[J].印染助剂,2012,29(10):49-52.

[2] 王竹林,金立国.环保型聚乳酸纤维的开发和应用[J].针织工业,2003(5):62-64.

[3] 钱程.聚乳酸生物质纤维的研发、产业化及发展建议[J].产业用纺织品,2013,31(6):1-4.

[4] 熊春华,张传杰,张楠楠,等.PLA纤维的性能研究[J].武汉纺织大学学报,2011,24(3):7-10.

[5] 任杰,李建波.聚乳酸[M].北京:化学工业出版社,2014:220-223.

[6] 刘娜,王祥荣.聚乳酸纤维染色性能研究[J].印染助剂,2010,27(8):18-20.

[7] 侯爱芹,周民革.聚乳酸纤维及其纺织品的染整加工[J].纺织学报,2009,30(9):141-146.

[8] 钱程,储才元.非织造布絮片保暖性能的研究[J].非织造布,1999,13(3):14-16.

[9] 胡志波,薛少林,王珍珍.玉米纤维及其混纺纱的性能[J].合成纤维,2012,41(2):23-25,47.

Preparation and performance investigation of air-thermal bonded waddings of polylactic acid/ES fibers

SunJinghui,HaoKeke,ZhangYingmei,ZhangYu,QianCheng

College of Materials and Textile,Jiaxing University,Jiaxing 314001,China

Polylactic acid(PLA) fiber is easy to harden and become brittle after being heated.In order to find suitable processing temperature for air-thermal bonded waddings made of polylactic acid fibers,polylactic acid hollow fibers and ES fibers were used to prepare air-thermal bonded waddings.The processing temperature for air-thermal bonded waddings made of the weight ratios of polylactic acid fibers from 40% to 90% were tested.The heat retention,compressibility,filling power,air and moisture permeability of the air-thermal bonded waddings were also investigated.The results showed that,when the weight ratio of polylactic acid fibers and ES fibers was at 7∶3,the processing temperature was at 128℃,and the passing through time of hot air was at 1 min,the air-thermal bonded wadding not only possessed better heat rentention,compressibility,filling power,air and moisture permeability,but also retained good performance of polylactic acid fibers,suitable to be used as filling materials for clothing and home textiles.

polylactic acid fiber,air-thermal bonded wadding,clothing,home textile,property

2015-11-25

孙京辉，女，1993年生，在读本科生，研究方向为非织造新材料的开发

TS102.512，TS176.9

A

1004-7093(2016)08-0021-05

*浙江省大学生科技创新活动计划(2016R417038)