聚乳酸/碳納米管共混纖維的制備及其性能研究

閆承花，羅秋蘭

(太原理工大學(xué)輕紡工程學(xué)院，山西榆次030600)

聚乳酸(PLA)纖維的單體乳酸由玉米等谷類(lèi)制得，俗稱(chēng)玉米纖維，是一種原料可再生、生產(chǎn)無(wú)污染、生物可降解的綠色環(huán)保合成纖維。PLA纖維具有舒適的觸感、柔美的光澤、耐燃、耐紫外線(xiàn)以及良好的導(dǎo)濕等優(yōu)良性能，然而，PLA纖維存在易起靜電等缺點(diǎn)，因此，PLA纖維的抗靜電改性是目前研究的熱點(diǎn)。作者利用共混改性的方法，將PLA與具有良好導(dǎo)電性能的多壁碳納米管(MWNTs)共混紡絲，以提高PLA纖維的抗靜電性能。

1 實(shí)驗(yàn)

1.1 原料

PLA切片:纖維級(jí)，黏均相對(duì)分子質(zhì)量為51 000，含水率0.5%，美國(guó) Nature Works公司生產(chǎn);MWNTs:長(zhǎng)度1～2μm，管徑10～20 nm，純度大于95%，深圳納米有限公司產(chǎn)。

1.2 設(shè)備和儀器

CET35雙螺桿擠出注塑成型機(jī):科倍隆(南京)機(jī)械有限公司制;LD-60型切粒機(jī):江蘇泰州鑫力塑料橡膠機(jī)器有限公司制;LHFT30型紡絲-牽伸FDY紡絲機(jī):無(wú)錫蘭華紡織機(jī)械有限公司制;YG341N型摩擦式織物靜電測(cè)試儀:南通紡織儀器廠制;YG321型纖維比電阻儀:寧波紡織儀器廠制。

1.3 PLA/MWNTs共混母粒的制備

制備母粒的目的是使MWNTs與PLA初步混合，為MWNTs在PLA基體中能分散均勻奠定基礎(chǔ)，以便母粒與純PLA干切片進(jìn)一步混合紡制共混纖維。制備母粒前，先進(jìn)行MWNTs表面處理，采用稀硝酸作表面處理劑，將MWNTs加入到盛有硝酸溶液的三口燒瓶中，常溫條件下超聲分散，超聲頻率為20 kHz，接著加熱到60℃氧化30 min;反應(yīng)液冷卻后，進(jìn)行過(guò)濾并反復(fù)洗滌，真空抽濾后干燥、研磨和過(guò)篩。化學(xué)處理后MWNTs表面引入了羧基和羰基等含氧基團(tuán)［1］，提高了其與PLA的相容性。

將硝酸處理后的MWNTs和干燥處理后的PLA切片按質(zhì)量比 1∶19進(jìn)行混合，加入到CET35雙螺桿擠出注塑成型機(jī)中，在各區(qū)溫度為166～183℃的條件下進(jìn)行熔融注塑成帶條，再用LD-60型切粒機(jī)制得PLA/MWNTs共混母粒，母粒中MWNTs質(zhì)量分?jǐn)?shù)為5%。

1.4 共混纖維的制備

將PLA干切片與MWNTs質(zhì)量分?jǐn)?shù)為5%的母粒以一定比例共混，用LHFT30型紡絲-牽伸FDY紡絲設(shè)備制得PLA/MWNTs共混纖維。將共混母粒通過(guò)自制的母粒注射機(jī)加入紡絲機(jī)，同時(shí)將干燥后的純PLA切片加入紡絲機(jī)料斗中，二者在紡絲螺桿擠壓機(jī)中匯合、熔融并混合，經(jīng)紡絲組件及噴絲板擠出成形，再冷卻、上油、拉伸和卷繞制得PLA/MWNTs共混纖維試樣。紡絲工藝如下:紡絲螺桿各區(qū)溫度為180～220℃，箱體溫度為190～220℃，紡絲速度為750～1 000 m/min，拉伸溫度為80～83℃，制得的共混纖維試樣1#， 2#，3#，4#中MWNTs質(zhì)量分?jǐn)?shù)分別為0，0.2%，0.4%，0.8%。

1.5 分析與測(cè)試

力學(xué)性能:采用溫州大榮紡織儀器廠的YG (B)021H型化纖長(zhǎng)絲電子強(qiáng)力機(jī)進(jìn)行測(cè)試，夾持距離200 mm。每個(gè)試樣測(cè)10次，取平均值。

比電阻:采用溫州大榮紡織儀器廠的XD2102T型紡織天平(精密度0.01 g)精確稱(chēng)量，將纖維試樣剪成約27 mm的短纖維，扯松成單纖維狀態(tài)，用手揉搓成蓬松狀，在標(biāo)準(zhǔn)條件下平衡48 h后，用YG321型纖維比電阻儀進(jìn)行測(cè)試。每個(gè)試樣測(cè)10次，取平均值。

摩擦靜電壓:采用常熟市九龍馬針織機(jī)械有限公司的MN12G型手搖式針織機(jī)將被測(cè)纖維織成5 cm×20 cm的針織物，用YG341N型摩擦式織物靜電測(cè)試儀測(cè)試織物的感應(yīng)靜電壓。每個(gè)試樣測(cè)10次，取平均值。

2 結(jié)果與討論

2.1 MWNTs添加量

由于MWNTs的長(zhǎng)徑比大，極易發(fā)生聚集，在PLA基體中不易分散，MWNTs添加量對(duì)可紡性有很大的影響。實(shí)驗(yàn)表明，共混紡絲時(shí)，當(dāng)共混體系中MWNTs質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0～0.8%時(shí)，紡絲順利;而當(dāng)MWNTs質(zhì)量分?jǐn)?shù)達(dá)1.0%時(shí)，可紡性差，毛絲斷頭多。因此，實(shí)驗(yàn)選擇MWNTs質(zhì)量分?jǐn)?shù)0.8%為宜。

2.2 紡絲溫度

在剪切應(yīng)力的作用下，PLA長(zhǎng)鏈分子和碳納米管都沿熔體流動(dòng)取向，導(dǎo)致PLA熔體的表觀粘度下降［2－3］。要使共混熔體在紡絲成形時(shí)具有較好的流動(dòng)性和可紡性，必須達(dá)到較高的紡絲溫度，但PLA物料在高溫下，極易發(fā)生熱降解。因此，解決PLA聚合物熱敏性和熔體高黏度之間的矛盾是共混紡絲的關(guān)鍵。

從表1可知，在同一紡絲速度和拉伸條件下，紡絲溫度較低時(shí)，熔體流動(dòng)性差，共混結(jié)構(gòu)不均勻，纖維結(jié)構(gòu)不勻，易應(yīng)力集中，導(dǎo)致斷裂強(qiáng)度較低，斷裂伸長(zhǎng)率較高;紡絲溫度較高時(shí)，熔體流動(dòng)性好，共混結(jié)構(gòu)均勻，纖維結(jié)構(gòu)均勻，但有利于PLA降解，導(dǎo)致相對(duì)分子質(zhì)量下降，致使斷裂強(qiáng)度下降。實(shí)驗(yàn)表明，選擇紡絲溫度194.5℃，得到的共混纖維斷裂強(qiáng)度最高。

表1 紡絲溫度對(duì)PLA/MWNTs共混纖維力學(xué)性能的影響Tab.1 Effect of spinning temperature on mechanical properties of PLA/MWNTs blend fiber

另外，根據(jù)紡絲速度不同，進(jìn)行了多組紡絲工藝的試紡，得到了較佳的工藝為紡絲速度875 m/min，紡絲溫度194.5℃，拉伸溫度80℃。

2.3 抗靜電性能

用比電阻來(lái)表征共混纖維的抗靜電性能，比電阻減小，共混纖維的絕緣性降低，導(dǎo)電性增加，抗靜電性能提高;用織物摩擦后的感應(yīng)靜電壓來(lái)表征纖維的抗靜電性能，摩擦后感應(yīng)靜電壓越小，纖維織物的抗靜電性能越好。從表2可知，在PLA中添加少量MWNTs就能顯著降低纖維的比電阻，且隨著MWNTs含量的增大，比電阻值降低，抗靜電性也就隨之提升;隨著MWNTs含量的增加，織物的感應(yīng)靜電壓下降。因此，PLA/ MWNTs共混纖維織物的抗靜電性隨著MWNTs含量的增加而提高。這是因?yàn)镸WNTs是導(dǎo)電物質(zhì)，MWNTs的添加使纖維內(nèi)部形成部分傳導(dǎo)路徑，從而降低其比電阻;同時(shí)MWNTs也是潤(rùn)滑劑，對(duì)纖維表面有一定的潤(rùn)滑性，降低摩擦系數(shù)，從而抑制和減少靜電荷的產(chǎn)生。

表2 PLA/MWNTs共混纖維的比電阻及其織物的摩擦靜電壓Tab.2 Specific resistance of PLA/MWNTs blend fiber and friction static voltage of its fabric

3 結(jié)論

a.添加MWNTs質(zhì)量分?jǐn)?shù)不超過(guò)0.8%時(shí)，PLA/MWNTs共混纖維的可紡性良好，質(zhì)量分?jǐn)?shù)為1.0%時(shí)，可紡性變差。

b.紡絲溫度為194.5℃，紡絲速度為875 m/min，拉伸溫度為80℃，可制得力學(xué)性能良好的PLA/MWNTs共混纖維。

c.添加MWNTs可改善PLA纖維的抗靜電性能，PLA/MWNTs共混纖維的抗靜電性隨著共混體系中MWNTs含量的增加而遞增。

［1］ 龍威，顧媛娟.碳納米管的力學(xué)性能及聚合物/碳納米管復(fù)合材料［J］.材料導(dǎo)報(bào)，2002，16(12):52－57.

［2］ 張文，周靜宜，陳玉順.聚乳酸切片的紡絲工藝研究［J］.聚酯工業(yè)，2008，21(6):22－25.

［3］ 王剛強(qiáng)，陳龍.PLA纖維熔融紡絲生產(chǎn)工藝探討［J］.紡織導(dǎo)報(bào)，2007(12):58～61.