淺析紡絲溫度和牽伸倍數(shù)對聚乳酸纖維性能的影響

孫 嘉

(1.東華大學，上海 200051；2.太原理工大學，山西 太原 030000)

合成纖維經(jīng)過近幾十年的飛速發(fā)展, 在紡織纖維中占據(jù)了很大的比重, 已成為日常生活和工農業(yè)生產領域中不可缺少的原材料, 但絕大多數(shù)合成纖維的原料取自石油、煤炭等不可再生的資源, 使用丟棄后很難降解, 會長期存留在環(huán)境中, 造成污染。為此,聚乳酸纖維作為可降解、原料可再生的綠色纖維材料成為了當今世界研究開發(fā)的熱點。目前聚乳酸纖維的紡絲成形加工大部分尚處于實驗室研究階段, 只有極少數(shù)廠商進入半商業(yè)化生產。如果要使聚乳酸纖維生產實現(xiàn)工業(yè)化,應加緊開發(fā)新的紡絲成形工藝, 對于熔融紡絲, 解決熔紡時的熱分解[1-7]問題等, 將會極大地促進聚乳酸纖維的生產和應用。

1 實驗部分

1.1 實驗設計

針對紡絲條件——牽伸倍數(shù)和紡絲溫度設計單因子試驗，本實驗以聚乳酸切片為原料,通過熔融紡絲—拉伸一步法制得聚乳酸纖維,研究紡絲溫度和牽伸倍數(shù)因素對聚乳酸纖維結構、性能的影響,為大規(guī)模的生產提供一定的理論依據(jù)。

表1 牽伸倍數(shù)和紡絲溫度單因子試驗

1.2 原料的制備

將聚乳酸切片放置真空轉鼓干燥，干燥溫度為110℃，干燥時間為20 h；將干燥好的切片置于拉條切粒機中進行切粒[8-10]。

1.3 工藝流程

將切片均勻倒入加料口，隨后切片進入螺桿內加熱，熔融、均化，形成熔體；再進入彎管，在計量泵中準確計量，進入噴絲組件，在22 mPa下形成熔體細流，遂于20℃空氣中自然冷卻、固化，經(jīng)過油輥上油，提高纖維抱合性以及防止產生靜電，將長絲導入牽伸盤[11-13]，經(jīng)過兩組速度不同的牽伸盤使纖維被拉伸，獲得較高的取向度、結晶度，形成聚乳酸纖維。

1.4 聚乳酸纖維性能表征及測試儀器

1.4.1力學性能

測試儀器：YG(B)021h型化纖廠強力機。

測試條件：相對溫度20℃、相對濕度65%。

1.4.2粘均分子量

測試儀器:烏氏黏度計(直型) ,毛細管內徑D:(0.037±0.001) cm。

測試條件:測量溫度 (25±0.1)℃;溶劑三氯甲烷。

用三氯甲烷作溶劑，于(25±0.1)℃的玻璃恒溫水浴中[14-16]，測該種溶液流經(jīng)a、b兩刻度所需時間t。在同樣條件下，測定純溶劑流經(jīng)a、b兩刻度所需時間。

計算公式如下:

(1)

1.4.3取向度

測試儀器: SCYⅢ型聲速取向儀。計算公式如下:

(2)

式中: fs 為纖維試樣的取向因子; Cu 為纖維無規(guī)取向時的聲速值; Co為纖維試樣的實測聲速值。

實驗方法：將每組聚乳酸纖維各取5段長度大于50 cm的試樣，置于聲速取向儀上將觸頭置于20 cm處測試聲速值，然后將觸頭移至40 cm處再測試其聲速值，測試完畢后儀器自動打印結果。

1.4.4纖維的纖度

測試儀器：YG086型縷紗測長機；FA1004B電子天平。

測試條件：相對溫度20℃，相對濕度65%。

實驗方法：利用電子縷紗測長儀繞取每組3個絲絞,每個絲絞長10 m,首尾打結[19],利用電子天平稱重，計算公式如下：

(3)

式中：G為纖維的重量，單位為g；L為纖維的長度，單位為m。

2 結果與討論

2.1 紡絲溫度對纖維性能的影響

2.1.1紡絲溫度對纖維可紡性的影響

在熔融紡絲過程中，固體高聚物需通過加熱熔融形成聚合物流體，該過程紡絲溫度對纖維的可加工性有較大的影響。

實驗時，其他條件相同的狀態(tài)下，改變紡絲溫度，得到如表2所示現(xiàn)象。

表2 紡絲溫度對可紡性的影響

2.1.2粘均分子量

隨著紡絲溫度的提高，分子量呈現(xiàn)先增大后減小的狀態(tài)，說明聚乳酸纖維對溫度的敏感度較高，紡絲溫度不宜過高。紡絲溫度與粘均分子量的關系如表3所示。

表3 紡絲溫度與粘均分子量的關系

由表3可知，隨著紡絲溫度的提高，PLA初生纖維粘均分子量呈現(xiàn)先升高后降低的狀態(tài)。并且在187℃時粘均分子量達到最大值，原因在于，當紡絲溫度較低時，聚乳酸切片熔融不完全，絲條表面有毛絲，斷頭較多，致使絲條整體不均勻；當溫度適當提高時，推動聚乳酸聚合反應的進行，分子量增加；紡絲溫度過高時，高溫的熔體會接觸到空氣中的氧氣和水分而導致大分子鏈發(fā)生熱降解和水解，相對分子量下降。由此看來，對聚乳酸纖維紡絲而言，適宜的紡絲溫度對保證成型纖維的質量更有利。

2.1.3取向度

由實驗得紡絲溫度對取向度的影響如表4所示。

表4 紡絲溫度與聲速的關系

由表4可知，紡絲溫度過低時，取向度較低，這是因為低溫處理的聚乳酸纖維無法獲得足夠的能量使分子長鏈更好地伸直,這意味著該纖維的無定形區(qū)較定型區(qū)占更大比例；當紡絲溫度在193℃時，取向度相對較高，這是由于適當?shù)厣邷囟饶艽偈狗肿优帕胁灰?guī)則區(qū)域規(guī)整化，因此可提高其取向度；當紡絲溫度再提高時，大分子運動劇烈，大分子在纖維軸周圍排列很難定型，故其取向度下降。

2.1.4力學性能

紡絲溫度對斷裂伸長與斷裂強力的影響較大，主要是溫度對聚乳酸大分子的排列、結晶度和取向度[18]有直接影響。結晶度與取向度對力學性能起著決定性的作用。紡絲溫度與斷裂伸長率的關系如圖1所示，與斷裂強度的關系如圖2所示。

圖1 紡絲溫度與斷裂伸長的關系

圖2 紡絲溫度對斷裂強度的影響

由圖1可知，斷裂伸長率隨著紡絲溫度增加而先增加，然后減小，再增加，然后減小，這與取向度隨紡絲溫度的變化有一定的關系，由于聚乳酸纖維對溫度極其敏感，在外力不變的情況下，紡絲溫度較低時，纖維的無定形區(qū)較大，故其斷裂伸長率加大；隨著紡絲溫度達到適宜的狀態(tài)，纖維的取向度有所上升，定型區(qū)相對加大，故斷裂伸長率相對減小，當紡絲溫度再增大時，纖維的成型性欠佳，絲條不均勻，致使斷裂伸長率下降；由圖2可知，斷裂強度隨溫度的升高先增大后減小，并且在187℃時其斷裂強力達到最大值1.9 cN/dtex，這是因為，當紡絲溫度在187℃時，聚乳酸纖維粘均分子量最大，而分子量是對聚乳酸纖維斷裂強度起決定性作用的結構參數(shù)，分子量越大，斷裂強度越大。

2.2 牽伸倍數(shù)對纖維性能的影響

2.2.1可紡性分析

為了探討不同牽伸倍數(shù)對紡絲性能的影響，實驗中采用變換牽伸倍數(shù)的方法進行比較，分析結果如下：牽伸倍數(shù)為2倍、2.5倍和3倍時均有較好的可紡性，成絲卷繞性能良好。具體現(xiàn)象如表5所示 。

表5 不同牽伸倍數(shù)下的紡絲現(xiàn)象

2.2.2牽伸倍數(shù)對取向度的影響

由實驗得牽伸倍數(shù)與聲速的關系如表6所示。

表6 牽伸倍數(shù)與聲速的關系

如表6所示為聚乳酸纖維的聲速值結構參數(shù)。從中可以看出，隨著牽伸倍率的增加，聚乳酸纖維中大分子鏈沿纖維軸的取向排列程度增加。分子排列越規(guī)整，取向度越高。其原因可能有兩方面：第一方面是由于分子取向和應力作用使纖維發(fā)生誘導結晶；另一方面是由于牽伸過程中與周圍介質的熱和形變能量的轉換，會導致纖維溫度升高，并使纖維加快取向。聚合物受力拉伸取向的結果是伸直鏈段的數(shù)目增多，而折疊段的數(shù)目減少，致使這些大分子規(guī)則區(qū)增多，提高了聚合物纖維取向度。

2.2.3力學性能

圖3所示為不同牽伸倍數(shù)對聚乳酸纖維斷裂強力與斷裂伸長的影響。

圖3 不同牽伸倍數(shù)對聚乳酸纖維斷裂伸長和斷裂強力的影響

圖3顯示在一定加熱溫度下,長絲的斷裂強度隨著牽伸倍數(shù)的增加而增大。這是因為隨著牽伸倍數(shù)的增大，外力促使鏈段運動加快，使得聚乳酸纖維易于取向，大分子排列規(guī)則，所以聚乳酸纖維能更為均勻地承受外力作用,強度因而得到提高；隨著牽伸倍數(shù)的增加，纖維所受外力的增大致使卷曲的分子鏈伸展,纖維的取向度提高,分子排列規(guī)整;低溫處理的聚乳酸纖維無法獲得足夠的能量使分子長鏈更好地伸直,這意味著該纖維的無定形區(qū)的尺寸相對于高溫處理的要大,一般來說,無定形區(qū)的增大更有利于聚乳酸纖維的變形,所以聚乳酸纖維的伸長率隨著牽伸倍數(shù)的遞增而減小。

3 結論

3.1在紡絲溫度一定的條件下,聚乳酸纖維的斷裂強度隨著牽伸倍數(shù)的增加而增大，斷裂伸長隨著牽伸倍數(shù)的增加而遞減。

3.2在一定的牽伸條件下,聚乳酸纖維的斷裂強度隨著紡絲溫度的增加而呈現(xiàn)先增加后減小的狀態(tài)；斷裂強度在紡絲溫度為187℃時達到最優(yōu)狀態(tài)。

3.3在紡絲溫度一定的條件下，牽伸倍數(shù)對粘均分子量的影響很小，而取向度隨著牽伸倍數(shù)的增加呈增加趨勢。

3.4牽伸倍數(shù)一定的條件下，紡絲溫度在187℃時，聚乳酸纖維的粘均分子量最大，紡絲溫度過高或過低會導致其粘均分子量下降。

4 展望

通過本次課題研究，可以看出聚乳酸纖維具有良好的可紡性和生物降解性，在國民經(jīng)濟各行業(yè)有著良好的發(fā)展前景。在今后的研究過程中還需要對復合纖維的內部結構以及纖維降解后強度變化做更進一步的研究，以便對復合纖維在降解過程中的變化原因有更詳細地了解。此課題的研究將會為可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略提供一種良好的環(huán)境友好材料，為降低環(huán)境污染，解決“白色垃圾”等環(huán)境問題開辟一條全新的途徑，隨著研究的不斷深入，將對聚乳酸纖維的復合纖維染整工藝進行研究，完善纖維的使用性能等。

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