PLA/PHBV共混纤维结构及其低温染色性能
2022-02-18徐智泉
徐智泉
（南阳师范学院，河南 南阳 473061）
PHBV（聚羟基丁酸戊酸酯）即新型生物高分子3-羟基丁酸酯和3-羟基戊酸酯的共聚物，是一种以淀粉为原料，使用发酵工程技术生产出来的生物材料；PLA（聚乳酸）则是一种环境友好型的脂肪族聚酯类生物材料，二者共混的纤维材料具备良好的特性，可以运用于不同领域，对社会经济的发展极为重要。因此，本研究针对PLA/PHBV共混纤维结构及其低温染色性能进行了阐述。
1 试验部分
1.1 相关材料和仪器
1.1.1 材料
PLA/PHBV共混纤维长丝（中国科学院宁波纤维研究所）；PLA纤维长丝（中国科学院宁波纤维研究所）。试验之前，将两种长丝织成相应的双股袜片，为后续的试验奠定基础[1]。
1.1.2 试剂
冰醋酸、丙酮、非离子表面活性剂、缓冲碱液等（宁波青黄贸易有限公司）。
1.1.3 仪器
XMTD-204恒温水浴锅、XW400013红外染色小样机、低噪常温振荡式染样机、Instron5567万能材料试验机和UV1801紫外分光光度计等。
1.2 试验方法
1.2.1 前处理工艺
取PLA/PHBV针织物样品各10 g，使用0.5 g/L缓冲碱液处理，保持在60 ℃下处理0.5 h左右，后续洗净沥干备用。
1.2.2 染色工艺处理
染色工艺配方：分散染料质量分数为1%，pH为5，温度为90~100 ℃，时间为60 min，浴比为10∶1。
工艺曲线如图1所示[2]。
图1 工艺曲线
1.2.3 还原清洗
工艺配方：保险粉质量浓度为0.5 g/L，无水碳酸钠质量浓度为1.0 g/L，温度为60 ℃，时间为20 min，浴比为20∶1。
1.3 具体测试
1.3.1 拉伸性能
本试验在测试PLA/PHBV共混纤维材料的拉伸性能过程中，使用万能材料测验机进行测试，夹距为250 mm，夹持速度为200 mm/min，最终测量值需要取10个测试结果的平均值。
1.3.2 热性能
PLA/PHBV共混纤维的热性能测试主要由扫描量热仪完成[3]。
1.3.3 上染率
在测试过程中，需要将PLA/PHBV共混纤维样品剪成碎末并放置在丙酮溶液中处理15 min，反复萃取4次左右，剥色直到PLA/PHBV共混纤维样品无色为止，具体的上染率计算公式：
E=上染到纤维上的染料量/具体的染料用量×100%
1.3.4K/S值
利用DatacolorSF600电脑测色配色仪，在D光源、10°视角条件下测定织物染色后在波长400~700 nm下的表面深度K/S值。
2 结果与探讨
2.1 PLA/PHBV共混纤维的拉伸性能
PLA/PHBV共混纤维的拉伸性能测试主要包含断裂强度、断裂伸长率和模量测试[4]。
PLA/PHBV共混纤维的模量与纯PLA纤维相比，具有一定的下降情况。简单来说，PLA/PHBV共混纤维比纯PLA纤维更加柔软，尽管柔软度并不完全取决于模量这一因素。在研究过程中还发现，PLA/PHBV共混纤维的断裂伸长率也低于纯PLA纤维结构，主要原因是PHBV的降解情况相对比较严重，分子取向度降低[5]。
2.2 PLA/PHBV共混纤维热性能
热性能对纤维材料来说是一种非常重要的特性，在一定程度上决定了纤维处理和使用的温度，对不同领域的纤维材料运用至关重要。
PLA/PHBV共混纤维的熔点与纯PLA纤维材料相比具有一定的下降趋势，而PLA/PHBV共混纤维的结晶度会有所提高。玻璃化温度变化反映了无定形区分子链运动情况，决定了PLA/PHBV共混纤维的染色温度参数，表明即便在温度较低的情况下，PLA/PHBV共混纤维也能成功染色，这也是PLA/PHBV共混纤维自身所具备的重要优势之一。
另外，在PLA/PHBV共混纤维结构中，PHBV材料能延伸到整个纤维结构，因此在PLA/PHBV共混纤维的制造过程中，如果能浸润高流动性的PHBV无定形区，就能使PLA链段的扩散性得到提升。因此，与单纯的PLA纤维相比，PLA/PHBV共混纤维无定形链段的连续性得到提升，纤维自身的柔软性、染色性均能得到一定的提升。
2.3 PLA/PHBV共混纤维的染色性能
传统的PLA材料纤维通常使用分散染料进行染色，并且为了达到良好的染色效果，使染料有效吸附，还需控制染色温度，最好控制在100~110 ℃。本试验在90、95、100 ℃下进行染色，发现在90 ℃下，PLA纤维的染色情况并不理想，而PLA/PHBV共混纤维织物在90 ℃下的上染率得到了较大的提升，均超过了70%，这是传统PLA纤维材料难以实现的，而且随着温度的升高，PLA/PHBV共混纤维的上染率明显提高。对于织物而言，上染率是一个重要的影响因素，因此在某种程度上，PLA/PHBV共混纤维虽然其他方面的性能较低，但是整体上因传统PLA、PHBV材料的加入产生了更多的无定形区，能吸附更多的染料粒子，上染率会得到较大的提升。
2.4 PLA/PHBV共混纤维的色牢度
PLA/PHBV共混纤维的色牢度也十分重要，如果不能保持良好的色牢度，会使相关的织物在后期应用上受到较大的负面影响，从整体角度来看，不利于PLA/PHBV共混纤维的应用。经过实际的研究和分析之后发现，PLA/PHBV共混纤维的色牢度情况良好，尤其是浅色试样的色牢度表现更加明显。
3 结论
低温染色是一种染色温度低于常规温度的染色工艺，随着时间的推移，不同织物的低温染色需求得到了较大的提升。染料领域的用水量比较大，对染料企业来说，能否成功节水是影响企业发展的重要因素，因此，低温染色变得更加重要，只有实现创新，尤其是技术创新，才能找到节水减排的新途径。当前，活性染料的新应用技术相继问世，表明低温染色是节水的好方法。国内外开发了在40 ℃下染色的低温型活性染料，我国研究和开发的Anozol L型染料就是代表之一。
本试验发现PLA/PHBV共混纤维具备良好的低温染色特性，并且在染色过程中，色牢度比较好，其与三原色相近的上染性能可以保证良好的色彩重现性，鉴于其水解率低、染料利用率高、水解染料不易二次沾污、浮色少且易洗，值得后续推广运用，对染色企业的环保发展、高性价比发展具有重要的意义和价值。
4 结语
根据对PLA/PHBV共混纤维结构及其低温染色性能的相关研究和分析可见，随着时间的推移，传统的PLA纤维材料已经难以满足不同领域的织物需求，在此情况下，如果向其中加入PHBV材料，使其形成PLA/PHBV共混纤维结构，就能提升其低温染色性能。同时，采用这种PLA/PHBV共混纤维结构的材料，用水量可减少20%，排污量可降低20%，用时缩短约1.0 h。因此，在后续的发展过程中，需要推广应用PLA/PHBV共混纤维结构，并且在此基础上进行持续性的研究和开发，满足不同领域的纤维材料需求，同时还需要重视相关技术人才的培养，使纤维材料领域发展进入良性循环。
