可生物降解聚乳酸并捻長(zhǎng)絲紗的制備及性能研究

吳改紅，劉淑強(qiáng)，荊云娟，許巧麗

(太原理工大學(xué)輕紡工程與美術(shù)學(xué)院，山西晉中030600)

隨著人們環(huán)保意識(shí)的增強(qiáng)，聚乳酸(PLA)纖維作為一種理想的可降解的環(huán)保纖維越來(lái)越受到人們的青睞。聚乳酸纖維的原料具有來(lái)源可持續(xù)發(fā)展、產(chǎn)品可生物降解、生產(chǎn)過(guò)程清潔、物理機(jī)械性能優(yōu)越等特點(diǎn)，使其成為新型紡織材料的新寵［1-3］。聚乳酸纖維具有極好的服用性能，同時(shí)兼具了再生纖維環(huán)保、無(wú)污染、穿著舒適，以及合成纖維高彈、高強(qiáng)、斷裂功大的優(yōu)點(diǎn)，具有結(jié)晶度、取向度和強(qiáng)度較高、回潮率較低、抗紫外線性能較好、折射率較低、極限氧指數(shù)高及芯吸速率較高、染色后的色彩較強(qiáng)等特點(diǎn);聚乳酸纖維織物還有優(yōu)良的懸垂性和滑爽性、處理方便、手感蓬松、對(duì)皮膚不發(fā)粘、不刺激皮膚，因而在服裝、床品、衛(wèi)生領(lǐng)域里有廣闊的應(yīng)用前景［4-8］。本文應(yīng)用聚乳酸長(zhǎng)絲，經(jīng)并捻、熱定形加工成并捻長(zhǎng)絲紗，優(yōu)化并捻工藝和熱定形工藝，研究紗線的結(jié)構(gòu)和性能，最終制備出性能良好的紗線，以期更好地應(yīng)用到紡織服裝領(lǐng)域。

1 試驗(yàn)

1.1 原料與設(shè)備

聚乳酸原絲束(海寧新高纖維有限公司)，規(guī)格為167 dtex(150D)/72根，斷裂強(qiáng)度為3.48 cN/dtex，斷裂伸長(zhǎng)率為28.19%，初始模量為51.88 cN/dtex。

應(yīng)用UNL308型并捻機(jī)對(duì)聚乳酸原絲束進(jìn)行并紗加捻;應(yīng)用FVC2型熱定形箱對(duì)紗線進(jìn)行熱定形。

1.2 紗線制備

聚乳酸并捻長(zhǎng)絲紗的制備流程為并捻→熱定形→靜置。首先將兩束聚乳酸長(zhǎng)絲(每束有72根單絲，只有極小的捻度)經(jīng)并捻機(jī)并合加捻成股線，并繞到紗管上，并捻機(jī)錠速為5 000 r/min;再將滿管的紗線置于熱定形箱中，設(shè)置一定的溫度和時(shí)間，對(duì)紗線進(jìn)行熱定形工序，將股線的捻度進(jìn)行定形;最后將熱定形后的紗線置于車(chē)間，自然放置48 h。

在熱定形工藝中，蒸汽壓力選擇10 kPa，溫度與時(shí)間是非常重要的兩個(gè)工藝參數(shù)。設(shè)計(jì)定形溫度、定形時(shí)間的因子水平表見(jiàn)表1，正交試驗(yàn)方案見(jiàn)表2。

表1 熱定形工藝因子水平Tab.1 Level factor of heat setting process

表2 定形溫度與時(shí)間的正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)Tab.2 Orthogonal test design of heat setting temperature and time

1.3 紗線的外觀結(jié)構(gòu)與性能表征

制備的紗線在恒溫恒濕室內(nèi)平衡后進(jìn)行性能測(cè)試，其中溫度(20±2)℃，相對(duì)濕度(65±3)%。

1.3.1 外觀與結(jié)構(gòu)觀察

先將紗線置于載物臺(tái)上對(duì)其進(jìn)行外觀觀察，再采用IXUS60型相機(jī)(佳能公司)對(duì)其結(jié)構(gòu)進(jìn)行放大觀察。

1.3.2 拉伸性能測(cè)試

采用YG061紗線電子強(qiáng)力儀測(cè)試紗線的拉伸性能。測(cè)試條件:紗線夾持長(zhǎng)度500 mm，拉伸速度500 mm/min，每個(gè)試樣測(cè) 30次;參照國(guó)標(biāo) GB/T 3916—1997《單根紗線斷裂強(qiáng)力及斷裂伸長(zhǎng)的測(cè)定》測(cè)試。

1.3.3 干熱、沸水收縮率測(cè)試

測(cè)試儀器:YG086型縷紗測(cè)長(zhǎng)機(jī)，測(cè)長(zhǎng)架，具有加熱裝置的水槽，烘箱，刻度為200℃的溫度計(jì)。

測(cè)試過(guò)程:樣品長(zhǎng)度10 m，干熱收縮在烘箱內(nèi)70℃保持時(shí)間15 min，沸水收縮為沸水內(nèi)保持30 min，熱處理后平衡 4 h以上開(kāi)始測(cè)量，以0.05 cN/dtex預(yù)加張力測(cè)其處理長(zhǎng)度，測(cè)試試樣處理前后的長(zhǎng)度，按下式計(jì)算收縮率S［9］:

式中:ΔL為處理試樣的收縮長(zhǎng)度，mm;L0為未經(jīng)處理試樣的長(zhǎng)度，mm。

1.3.4 捻度穩(wěn)定度測(cè)試

捻度穩(wěn)定度是用來(lái)表示定形質(zhì)量好壞的指標(biāo)，捻度穩(wěn)定度在40%～60%就可以滿足織造的要求，捻度穩(wěn)定度可以用下式來(lái)表達(dá)［10］:

式中:a為被測(cè)定捻后紗線長(zhǎng)度，一般取50 m;b為被測(cè)紗線一端固定，另一端向固定端平移靠近，到紗線開(kāi)始扭結(jié)時(shí)，兩端之間的距離，cm。

2 結(jié)果與討論

2.1 并捻工藝

對(duì)于長(zhǎng)絲型纖維，原絲束本身只有極小的捻度，絲束十分松散不耐磨，需要通過(guò)并捻來(lái)達(dá)到織物加工的要求。絲束經(jīng)過(guò)并捻形成股線后，條干均勻，彈性、耐磨性提高，光澤柔和。股線的強(qiáng)度與所加的捻度有很大的關(guān)系，捻度一般選擇在300～500捻/m。聚乳酸長(zhǎng)絲紗的捻度對(duì)拉伸性能的影響見(jiàn)表3。

從表3可知，兩股絲束加上300～500捻/m捻度后，斷裂強(qiáng)度降低，斷裂伸長(zhǎng)率增大，并且隨捻度的增大，紗線的斷裂強(qiáng)度逐漸降低，斷裂伸長(zhǎng)率升高。這是由于原絲束幾乎是平行的沿著紗軸向分布(圖1(a))，加上捻度后，長(zhǎng)絲發(fā)生傾斜，與紗的軸向呈現(xiàn)一定夾角(圖1(b));假設(shè)單根長(zhǎng)絲(單絲)所能承受的最大拉力為F，而加上捻度后單絲的最大拉力F分解成沿紗軸向的F'和垂直軸向的F"。

表3 聚乳酸長(zhǎng)絲紗捻度對(duì)拉伸性能的影響Tab.3 Effect of degree of twist of PLA filament yarn on tensile property

圖1 長(zhǎng)絲紗受力示意Fig.1 Schematic of stress of filament yarn

式中:P為原絲束的斷裂強(qiáng)力;F為每根單絲的斷裂強(qiáng)力。

而加上捻度后，紗線的斷裂強(qiáng)力為:

式中:P'為加捻后的紗線斷裂強(qiáng)力。

顯然P'＜P，也就是說(shuō)加捻后的并捻長(zhǎng)絲紗斷裂強(qiáng)力比無(wú)捻原絲束下降。又因加捻后長(zhǎng)絲紗會(huì)發(fā)生捻縮，從而會(huì)增加紗線的伸長(zhǎng)率。一般隨著捻度的增加，紗線的耐磨性增大，可以抵抗后道織造工序中的摩擦，基于對(duì)紗線的耐磨性和強(qiáng)力的綜合考慮，選用捻度為300捻/m。

2.2 熱定形工藝

應(yīng)用熱定形箱對(duì)并捻后的紗線進(jìn)行定形，由于聚乳酸長(zhǎng)絲在高溫下易水解，所以不適合采用高溫蒸汽直接接觸紗線的方法進(jìn)行定形，這樣紗線會(huì)吸收熱量和水分，而應(yīng)采用干熱定形的方式，將高溫蒸汽輸送到熱定形箱的外筒和內(nèi)筒的加熱器，紗線不會(huì)與水分接觸，避免產(chǎn)生水解;而且一定要先對(duì)熱定形箱預(yù)熱，當(dāng)溫度達(dá)到40℃后再放入紗線定形，同時(shí)保證排水閥的工作狀態(tài)良好，使冷凝水能夠及時(shí)排出，否則產(chǎn)生的冷凝水可能使紗線產(chǎn)生水跡［11］。

在熱定形工藝中，由于聚乳酸纖維具有獨(dú)特的熱性質(zhì)，因而定形溫度必須控制在玻璃化溫度之上、軟化點(diǎn)溫度之下進(jìn)行，否則達(dá)不到定形目的，且時(shí)間要盡可能短，時(shí)間過(guò)長(zhǎng)會(huì)加長(zhǎng)原料周轉(zhuǎn)期，浪費(fèi)能源。

根據(jù)設(shè)計(jì)的試驗(yàn)方案進(jìn)行試驗(yàn)，對(duì)定捻后的紗線的捻度穩(wěn)定度進(jìn)行測(cè)試分析，結(jié)果見(jiàn)表4。

表4 紗線捻度穩(wěn)定度的測(cè)試結(jié)果與極差分析Tab.4 Test results and range analysis of yarn twist stability

從表4可知，對(duì)比極差R，定形溫度A的極差要大于定形時(shí)間B的極差，說(shuō)明定形溫度對(duì)紗線的捻度穩(wěn)定度影響大于定形時(shí)間的影響。再對(duì)比各水平k值，可知A因子水平3最大，2水平次之，1水平最小;B因子水平3最大，1水平次之，2水平最小。鑒于當(dāng)捻度穩(wěn)定度大于60%時(shí)，屬于捻度定形過(guò)度，不利于織造，因此舍棄捻度穩(wěn)定度大于60%的水平。最終定形溫度A選水平2，定形時(shí)間B選水平1，即定形溫度為80℃，定形時(shí)間為1 h。

同時(shí)，隨著定形溫度的升高，捻度穩(wěn)定度會(huì)增大。由于長(zhǎng)絲吸收熱量溫度會(huì)升高，分子鏈節(jié)的振動(dòng)會(huì)加劇，分子動(dòng)能增加，使線型大分子相互作用減弱，長(zhǎng)絲無(wú)定形區(qū)中的分子重新排列，長(zhǎng)絲的弛緩過(guò)程加速，從而使長(zhǎng)絲的捻度暫時(shí)穩(wěn)定［10］，定形溫度越高，以上所述越加劇，捻度穩(wěn)定度越大。

另外，定形時(shí)間在1 h和2 h時(shí)，捻度穩(wěn)定度變化不大;而達(dá)到3 h時(shí)，捻度穩(wěn)定度急劇增加，并且超過(guò)了紡織一般要求的捻度穩(wěn)定度上限60%。因此，選擇1 h或2 h，而1 h和2 h的定形效果接近，基于節(jié)約能量來(lái)考慮，需用1 h的定形時(shí)間。

2.3 聚乳酸并捻長(zhǎng)絲紗的外觀結(jié)構(gòu)分析

應(yīng)用相機(jī)對(duì)并捻長(zhǎng)絲紗的外觀形態(tài)和結(jié)構(gòu)進(jìn)行觀測(cè)，并與普通棉單紗進(jìn)行對(duì)照觀測(cè)，如圖2所示。

圖2 紗線外觀結(jié)構(gòu)Fig.2 Appearance and structure of yarns

從圖2可以看出，聚乳酸并捻長(zhǎng)絲紗的表面光潔、光澤好，而棉單紗表面則布滿毛羽;再看紗結(jié)構(gòu)，并捻長(zhǎng)絲紗由兩股單紗加捻而成，紗體粗細(xì)均勻，結(jié)構(gòu)為股線結(jié)構(gòu)，股線結(jié)構(gòu)的紗線表面光潔，強(qiáng)力大，單絲之間抱合緊密，股紗集束性好，增加了紗線的耐磨性，有利于織造等工藝的進(jìn)行。

2.4 聚乳酸并捻長(zhǎng)絲紗的拉伸性能分析

最優(yōu)工藝制得的并捻長(zhǎng)絲紗與未經(jīng)并捻、熱定形工藝的原絲束進(jìn)行對(duì)比，拉伸性能的測(cè)試結(jié)果見(jiàn)表5。

表5 聚乳酸并捻長(zhǎng)絲紗與原絲束的拉伸性能對(duì)比Tab.5 Tensile property of PLA doubling and twisting filament yarn and protofilaments

從表5可知，最優(yōu)工藝紡制的并捻長(zhǎng)絲紗拉伸性能指標(biāo)較好，相對(duì)原絲束，斷裂強(qiáng)度下降9.7%，而斷裂伸長(zhǎng)率比原絲束提高7.6%，說(shuō)明原絲束經(jīng)并捻、定形后，紗線延伸性提高;斷裂強(qiáng)度CV值和斷裂伸長(zhǎng)率CV值也比原絲束要好，說(shuō)明紗線的均勻度提高了。

經(jīng)并捻、熱定形后的長(zhǎng)絲紗的斷裂強(qiáng)度下降，一方面是由于加捻對(duì)強(qiáng)度的影響，另一方面是由于長(zhǎng)絲經(jīng)熱定形時(shí)，聚乳酸長(zhǎng)絲紗受熱會(huì)有一定的熱降解，從而最終導(dǎo)致紗的斷裂強(qiáng)度比原絲束要低。

2.5 聚乳酸并捻長(zhǎng)絲紗的干熱、沸水收縮率分析

對(duì)最優(yōu)工藝制備的并捻長(zhǎng)絲紗的干熱收縮率和沸水收縮率進(jìn)行測(cè)試，結(jié)果見(jiàn)圖3和圖4。

圖3 聚乳酸并捻長(zhǎng)絲紗與原絲束的沸水收縮率Fig.3 Boiling water shrinkage of PLA doubling and twisting filament yarn and protofilament

圖4 聚乳酸并捻長(zhǎng)絲紗與原絲束的干熱收縮率Fig.4 Shrinkage in hot air of PLA doubling and twisting filament yarn and protofilaments

由圖3和圖4可以看出，聚乳酸并捻長(zhǎng)絲紗相對(duì)原絲束，沸水收縮率降低27.9%，干熱收縮率降低33.7%。這說(shuō)明長(zhǎng)絲紗在熱定形過(guò)程中，長(zhǎng)絲內(nèi)部的內(nèi)應(yīng)力基本消失，在沸水或干熱的條件下，其收縮不會(huì)很大;而原絲束在拉伸過(guò)程中，內(nèi)部還殘留有較多內(nèi)應(yīng)力，當(dāng)在沸水或干熱的條件下，其收縮會(huì)很大。

3 結(jié)論

1)聚乳酸并捻長(zhǎng)絲紗制備工藝流程為并捻→熱定形→靜置48 h。并捻工序中，聚乳酸并捻長(zhǎng)絲紗最優(yōu)的捻度為300捻/m。聚乳酸并捻長(zhǎng)絲紗相對(duì)原絲束，斷裂強(qiáng)度降低，斷裂伸長(zhǎng)率增大;且隨捻度的增大，紗線的斷裂強(qiáng)度逐漸降低，斷裂伸長(zhǎng)率升高。

2)熱定形工序應(yīng)用熱定形箱定形，采用干熱定形方式，最佳熱定形工藝為定形溫度80℃，定形時(shí)間1 h。隨著定形溫度的升高，捻度穩(wěn)定度增大;定形時(shí)間在1 h和2 h時(shí)，捻度穩(wěn)定度變化不大;而達(dá)到3 h時(shí)，捻度穩(wěn)定度急劇增加。

3)聚乳酸并捻長(zhǎng)絲紗表面光潔，光澤好;紗為股線結(jié)構(gòu)，提高了長(zhǎng)絲紗的集束性、耐磨性，利于以后的織造工藝。聚乳酸并捻長(zhǎng)絲紗的斷裂強(qiáng)度比原絲束下降9.7%，斷裂伸長(zhǎng)率提高7.6%，沸水收縮率降低27.9%，干熱收縮率降低33.7%。

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