聚乳酸异形纤维熔融纺丝及性能研究

摘 要：以聚乳酸（PLA）切片为原料，采用异形喷丝板，通过熔融纺丝、拉伸两步法制得PLA异形截面纤维。通过对PLA切片的DSC热分析确定纤维纺丝成形温度，并用显微镜分析了纤维的截面形态，研究了不同拉伸倍数下PLA纤维性能。结果表明，PLA纤维为类十字形异形截面纤维，相对径向异形度为37%，纤维表面平滑，且有明显的棱状凸起。拉伸倍数越大，断裂强度和取向因子都增大，而断裂伸长率下降。

关键词：聚乳酸；熔融纺丝；异形纤维；截面形态；机械性能

中图分类号：TQ 342+.95 文献标识码：A 文章编号：1674-2346（2024）03-0009-04

Study on Melt Spinning and Properties of Polylactic Acid Profiled Fiber

XIANG Qizhi ZHANG Kaiwen LIN Yanwen WAN Yixuan

（School of Environment and Ecology，the City Vocational College of Jiangsu，Nanjing，Jiangsu 210048，China）

Abstract： With polylactic acid （PLA） slice as raw material and using a profile spinneret，the profiled fibers of PLA were prepared by melt spinning and stretching.The spinning temperature of PLA fibers was determined by DSC thermal analysis of PLA slices，the cross-section morphology of PLA fibers was analyzed by using microscope， and the properties of PLA fiber with different draw ratio were studied.The results show that PLA fiber is a cross-shaped fiber with 37% relative radial profile.The surface of PLA fiber is smooth and there are obvious ribbed protrusions.With the increase of the draw ratio，the fracture strength and orientation factor increase，while the elongation at break decreases.

Key words： polylactic acid;melt spinning;profiled fiber;cross-section morphology;mechanical properties

聚乳酸纤维（PLA纤维）是一种新型可以完全生物降解的合成纤维。聚乳酸原料资源丰富，可以从谷物玉米中取得，也可从木薯、农业废弃物中得到，且其制品可以降解为二氧化碳和水。因此，PLA纤维也被称为可持续发展的生态纤维。PLA纤维性能优越，有极好的悬垂性，爽滑性，吸湿性，透气性和弹性，并且有天然抑菌功能。聚乳酸纤维的独特性能得到纺织界的广泛重视[1-2]。

聚乳酸纤维的制备通常采用熔融纺丝[3-7]，溶液纺丝[8]或静电纺丝[9-10]。熔融纺丝制备聚乳酸纤维，方法简单，对环境友好，易实现，已经有大量报道。三角形，中空形，三叶形，十字形等异形截面纤维同一般圆形纤维相比，其特点是纤维表面光泽柔和，蓬松性，透气性及染色性均有提高[11-13]。由于表面积增加，抱合力增加，避免了起毛等现象，可以达到真丝的效果。但有关异形聚乳酸纤维的研究国内报道较少，本文采用熔融纺丝法制备类十字形异形截面的聚乳酸纤维，并研究其结构特点和机械性能。

1 实验

1.1 原料

PLA切片：浙江海正生物提供高熔点挤出拉丝级聚乳酸树脂（REVODE190），密度1.25 g/cm3，熔体流动速率（190 ℃/2.16 kg）为5 g/10 min，特性粘度2.08 dl/g。

1.2 设备仪器

668型真空干燥箱（最大真空度760 mmHg），大连市第四仪表厂；自制单螺杆熔融纺丝机（D=25，L/D=28：1）； DSC7型热分析仪，美国Perkin-Elemer； LLY-06型电子单纤维强力仪，莱州电子仪器有限公司制；CX33型生物显微镜，日本Olympus；Y172型纤维切片器，常州新纺检测仪器设备有限公司。

1.3 实验方法

PLA切片在真空烘箱干燥，条件80 ℃，真空度50 Pa，干燥时间24 h。采用自制单螺杆熔融纺丝机，异形喷丝板纺制PLA纤维。喷丝板孔为6孔，微孔长径比为4：1，计量泵泵供量为6 ml/min，纺丝温度为200 ～210 ℃，纺丝速度为180 m/min，在85℃下进行3.0～4.5倍热拉伸。

1.4 分析测试

1.4.1 DSC热分析

采用Perkin-Elemer DSC7型热分析仪测试PLA切片的热性能。测试条件：样品用量6 mg，以10 ℃/min的升温速率加热至300 ℃，载气为氮气，流速20 ml/min。

1.4.2 拉伸性能测试

采用LLY-06型电子单纤维强力仪进行测试PLA纤维的力学性能。测试条件：夹持距离20 cm，拉伸速度20 mm/min，拉伸直至纤维完全断裂，记录断裂强力和断裂伸长值。重复测试20次，取平均值[14]。

1.4.3 取向因子测试

采用SCY-Ⅲ形声速取向仪测定纤维的取向因子。根据以下公式计算取向因子（fs）：

fs =1-（Cu / Cx）2

式中Cu为通过无规取向纤维的声速；Cx为通过待测纤维的声速。

1.4.4 形态结构分析

按照FZ/T01057.3-2007《纺织纤维鉴别试验方法 第3部分：显微镜法》进行，采用Y172型纤维切片器制成PLA纤维的横向和纵向纤维切片，用显微镜观测异形纤维截面结构。并按FZ/T 50002-2013《化学纤维异形度试验方法》根据下述公式计算其相对径向异形度（DR）：

DR =（R2 - R1）/R2€？00%

式中R2，R1分别为异形纤维截面外接圆和内切圆的半径。

2 结果与讨论

2.1 PLA切片DSC分析

PLA切片干燥后，对其热性能进行DSC分析，从而设定PLA纤维纺丝成形温度。由图1可见，干燥后的PLA树脂熔点为174 ℃，在纤维的成形过程中，熔体应在略高于其熔点温度的基础上适当提高纺丝温度，改善其流动性能，降低熔体在异形喷丝孔处的弹性效应。同时由于表观粘度随温度升高而下降，从而可使熔体均匀性提高，丝条质量也会提高。但纺丝温度也不能过高，否则在高温下易导致聚乳酸发生热降解[15]，也会影响丝条的性能。综合考虑以上因素，经多次试验，采用纺丝温度200 ～210 ℃较为合适，纤维的可纺性较好，纺丝过程无注头、断丝和缠辊现象。

在纤维后拉伸工艺中，拉伸温度应高于玻璃化转变温度，因为在玻璃化转变温度之上纤维中的大分子链段才可以发生运动和取向，从而实现拉伸的目的。由图1可知其玻璃化转变温度为68 ℃，本实验中在85 ℃进行3.5～4.5倍后拉伸，并分析不同拉伸倍数下纤维的力学性能。

2.2 PLA纤维截面分析

图2为PLA纤维的横截面照片，根据公式计算出相对径向异形度为37%，纤维截面以圆形截面为主体分别向4个方向伸出一个小的凸起。这种异截面类似于十字形截面，但与规则的十字形相比，由于中心厚度加大，减小了应力集中，在纤维成形过程中可很大程度上避免了叶片的裂离，从而减少了纤维的断裂现象。图3为PLA纤维纵面照片，可以看出纤维表面平滑，有棱状凸起，从而使纤维的表面积增加，可以改变其织物表面触摸时的蜡状感，使纤维间抱合力增大，同时增加了纤维的透气性，蓬松性，以及光泽感。

2.3 PLA纤维机械性能分析

表1为PLA纤维在4种不同拉伸倍数下力学性能与取向度的变化。可以看出PLA纤维的断裂强度与取向度都随拉伸倍数的增加而变大，这主要是由于纤维在拉伸过程中发生了取向，同时一些不完善的结晶可能发生重排，使结晶更趋于完善[16]，纤维分子排列规整性提高，从而使结晶度变大，断裂强度随之增大。由于取向度和结晶度的提高，纤维中的无定形区就会减小，导致断裂伸长率明显下降。

3 结论

（1）确定聚乳酸的熔融纺丝工艺，泵供量为6 ml/min，纺丝温度为200～210 ℃，纺丝速度180 m/min，在85℃进行后拉伸。通过为长径比为4：1的6孔喷丝板可以纺制类十字形的PLA异形截面纤维。

（2）纺制的PLA纤维为类十字形异形截面纤维，其相对径向异形度为37%，纤维表面平滑，且有明显的棱状凸起。

（3）不同的拉伸倍数对聚乳酯纤维的机械性能的影响呈现一定规律性：拉伸倍数越大，断裂强度和取向因子都增大，而断裂伸长率下降。

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