PLA長絲的基本結(jié)構(gòu)與物理性能

朱婭楠，潘志娟,2，汪吉艮，趙瑞芝

(1. 蘇州大學(xué) 紡織與服裝工程學(xué)院，江蘇 蘇州 215021；2. 現(xiàn)代絲綢國家工程實驗室，江蘇 蘇州 215123；3. 江蘇大生集團(tuán)有限公司，江蘇 南通 226002)

PLA長絲的基本結(jié)構(gòu)與物理性能

朱婭楠1，潘志娟1,2，汪吉艮3，趙瑞芝3

(1. 蘇州大學(xué) 紡織與服裝工程學(xué)院，江蘇 蘇州 215021；2. 現(xiàn)代絲綢國家工程實驗室，江蘇 蘇州 215123；3. 江蘇大生集團(tuán)有限公司，江蘇 南通 226002)

聚乳酸(PLA)纖維是一種可降解的生物質(zhì)合成纖維。本文測定與分析了PLA長絲纖維的化學(xué)組成、結(jié)晶度和形態(tài)結(jié)構(gòu)，并研究了PLA長絲的吸濕性、拉伸力學(xué)性能和熱收縮性能。研究結(jié)果表明，PLA纖維具有明顯的酯鍵結(jié)構(gòu)，結(jié)晶度約為23.87%，纖維橫截面近似圓形，縱向較為平直光滑，回潮率(0.79%)低，長絲的力學(xué)性能較佳，彈性回復(fù)性好，但是熱收縮率大。

PLA；微觀結(jié)構(gòu)；物理性能

PLA纖維的結(jié)構(gòu)特征及長絲的物理化學(xué)性能、熱學(xué)性能、力學(xué)性能同后期的織造加工、后整理過程密切相關(guān)。本文對PLA長絲纖維的基本結(jié)構(gòu)(分子組成、結(jié)晶結(jié)構(gòu)、橫截面及縱向形態(tài)等)以及PLA長絲的性能(回潮率、力學(xué)性能、熱收縮等)進(jìn)行了測定與分析。

1 實驗部分

實驗材料為55.5dtex/36f的PLA長絲(河南龍都生物科技有限公司生產(chǎn))。

1.1 PLA長絲基本結(jié)構(gòu)測試方法

PLA長絲剪成粉末狀，試樣經(jīng)壓片后使用 Nicolet5700智能型傅立葉紅外光譜儀(美國尼高力公司)進(jìn)行掃描，掃描次數(shù)32次，分辨率4cm-1，掃描范圍為4 000～500cm-1。

使用X‘Pert-Pro MPD型 X-射線衍射儀(飛利浦公司)對被剪成粉末狀的PLA 長絲進(jìn)行測試，衍射角2θ測量范圍為5～50°，使用Peakfit軟件對PLA纖維的結(jié)晶峰與非晶峰位置進(jìn)行分峰處理，使曲線擬合度達(dá)到99.99%以上，再根據(jù)結(jié)晶區(qū)的面積和整個擬合區(qū)域的面積(結(jié)晶區(qū)和無定型區(qū)的面積之和)的比值計算得纖維的結(jié)晶度。

使用TM3030型臺式掃描電子顯微鏡(日立公司)觀察PLA長絲的橫截面及縱向形態(tài)特征。

自2011年以來，我國教育部相繼印發(fā)了《教師教育課程標(biāo)準(zhǔn)(試行)》(以下簡稱《課程標(biāo)準(zhǔn)》)、《中等職業(yè)學(xué)校教師專業(yè)標(biāo)準(zhǔn)(試行)》(以下簡稱《專業(yè)標(biāo)準(zhǔn)》)和《教師教育振興行動計劃(2018-2022年)》(以下簡稱《行動計劃》)等文件，可以看出，國家對職業(yè)學(xué)校教師的從業(yè)要求在逐步提高。因此，對于專門培養(yǎng)職教師資的職業(yè)技術(shù)師范院校在師范生的培養(yǎng)方面，需要做出相應(yīng)調(diào)整，尤其應(yīng)當(dāng)重視教師教育課程體系構(gòu)建，培養(yǎng)具有先進(jìn)的教育理念、扎實的教育知識以及熟練的教學(xué)技能的師范生。

1.2 PLA長絲性能測試方法

所有試樣均在標(biāo)準(zhǔn)大氣條件，即溫度(20±2)℃、相對濕度(65±2)%條件下平衡及測試。

依據(jù)GB/T 650-2008《化學(xué)纖維回潮率實驗方法》，測定了纖維的回潮率。

依據(jù)GB/T 3916-1997《單根紗線斷裂強力及斷裂伸長的測定》，用Instron5967材料試驗機(英斯特朗公司)測試長絲的拉伸力學(xué)性能，強力儀夾持點隔距長度為500mm，拉伸速度500mm/min，預(yù)加張力0.5cN/tex，測試20次求取平均值。

使用Y391型紗線彈性儀(常州第二紡織機械廠)測試試樣定伸長10%時的彈性回復(fù)性測試10次求取平均值。

依據(jù)GB/T 6505-2008《化學(xué)纖維長絲熱收縮率試驗方法》，測定PLA長絲的沸水收縮率和干熱收縮率。

2 結(jié)果與分析

2.1 PLA長絲的基本結(jié)構(gòu)

2.1.1 分子結(jié)構(gòu)

圖1為PLA長絲纖維紅外光譜圖。由圖可知，PLA長絲纖維在3 430cm-1處存在-OH伸縮振動峰，在3 000cm-1處存在-CH3不對稱伸縮，在2 950cm-1處存在-CH3對稱伸縮，1 760cm-1處存在C=O伸縮振動峰，指紋區(qū)的1 450cm-1處存在C-H變形振動，1 380cm-1處存在甲基特征峰，1 220～1 080cm-1處存在C-O-C伸縮振動峰，證明了酯基的存在，876cm-1處存在O-CH-CH3，756cm-1處存在α-甲基，688cm-1處存在C-H變形振動。

2.1.2 結(jié)晶結(jié)構(gòu)

圖2為PLA長絲纖維的X-射線衍射曲線，使用Peak Fit軟件對該曲線進(jìn)行擬合，得到圖3所示的分峰擬合曲線，PLA纖維的衍射峰位置2θ在16.42°及18.73°，依據(jù)結(jié)晶度公式可以計算得結(jié)晶度約為23.87%。

圖2 PLA 長絲纖維的X-射線衍射曲線

圖3 PLA 長絲纖維X射線衍射曲線的分峰擬合曲線

2.1.3 形態(tài)結(jié)構(gòu)

依據(jù)圖4(a)和(b)可以看出，PLA長絲的橫截面近似圓形，縱向外觀較為平直光滑。

(a) PLA長絲橫截面形態(tài)結(jié)構(gòu) (b)PLA長絲縱向形態(tài)結(jié)構(gòu)

2.2 PLA長絲的性能

2.2.1 回潮率

回潮率的大小可以反映出纖維的吸放濕性能的高低，表1為PLA長絲及幾種常見纖維的公定回潮率。對比發(fā)現(xiàn)，PLA長絲的回潮率很低，僅略高于滌綸，遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于常見的天然纖維和腈綸、粘膠等纖維。其原因在于PLA多由丙交酯開環(huán)聚合或者乳酸直接縮聚而成，單體乳酸中的-OH和-COOH脫水縮合形成了酯鍵降低了其親水性，同時分子內(nèi)部的結(jié)構(gòu)較為緊密，有效的限制了水分子的進(jìn)入。

表1 PLA長絲及幾種常見纖維的公定回潮率[3]

2.2.2 力學(xué)性能

表2為PLA長絲、滌綸長絲及蠶絲三者的拉伸力學(xué)性能，比較可知PLA長絲比滌綸長絲更為柔軟，斷裂強度大于滌綸，斷裂伸長率優(yōu)于滌綸。同時，PLA長絲的初始模量和斷裂伸長率都高于蠶絲，但斷裂強度差異不大，總體來看，PLA長絲的力學(xué)性能優(yōu)異。

2.2.3 彈性回復(fù)性

彈性回復(fù)性能體現(xiàn)了長絲在外力的作用下發(fā)生形變后的回復(fù)能力，表3列出了PLA長絲及幾種常見長絲的定伸長彈性回復(fù)率?？梢园l(fā)現(xiàn)，PLA長絲的彈性回復(fù)性較好，優(yōu)于蠶絲，與粘膠相近，但不如滌綸和錦綸。

PLA的合成原料丙交酯有 2個不對稱碳原子，3種立體異構(gòu)體，開環(huán)聚合得到的聚乳酸也有不同的結(jié)構(gòu), 其通式為H—[OCH (CH3) CO]n—H，聚合物有三種異構(gòu)體：聚D-乳酸(PDLA)、聚L-乳酸(PLLA)和聚D，L-乳酸(PDLLA)，不同比例異構(gòu)體的加入對聚合物的性能影響很大；蠶絲絲素中的原纖是良好的須狀晶體，長度長但側(cè)基短且簡單，其彈性回復(fù)能力主要取決于結(jié)晶部分和非結(jié)晶部分的串聯(lián)鍵，非結(jié)晶部位被拉伸而處于無定型狀態(tài)之中，使得蠶絲的彈性不大。錦綸分子長鏈多為鋸齒型，分子上的酰胺鍵易通過一定的鏈段運動和氫鍵作用形成穩(wěn)定柔性、高彈性的結(jié)構(gòu)；滌綸結(jié)晶度高，且分子鏈存在折疊鏈和伸展鏈片晶，在外力作用下分子可以完全伸直，因而滌綸分子彈性很好；對于粘膠，主要是由于其大分子結(jié)晶度較低，使其大分子間既存在適當(dāng)?shù)慕Y(jié)合點又有較大的局部流動性，因而纖維能夠產(chǎn)生較大的形變，其彈性回復(fù)性不及錦綸和滌綸[4]。

表3 PLA長絲及幾種常見長絲的彈性回復(fù)率

2.2.4 熱收縮性能

表4為PLA長絲及滌綸長絲的熱收縮性能情況。通過比較可以發(fā)現(xiàn)，PLA長絲的濕熱和干熱收縮率都比較大，均大于滌綸長絲[6]，說明PLA分子之間還存在一定的內(nèi)應(yīng)力，在熱處理過程中，分子的結(jié)晶度、取向度等內(nèi)部結(jié)構(gòu)發(fā)生了一定的變化，原本較為有序的分子鏈段可能發(fā)生了重結(jié)晶、鏈折疊等現(xiàn)象，從而產(chǎn)生了不可逆的收縮，PLA的高收縮率對織物的加工會帶來一定的影響。

表4 PLA長絲和滌綸長絲熱收縮性能的比較

3 結(jié)論

(1)PLA纖維中含有酯類特征吸收峰，衍射峰位置在16.42°及18.73°，其結(jié)晶度約為23.87%，PLA長絲的橫截面近似圓形，縱向較為光滑。

(2)PLA長絲的回潮率很低，遠(yuǎn)小于天然纖維和腈綸、粘膠等纖維，略高于滌綸；PLA長絲與常見滌綸相比，初始模量較小，斷裂強度和伸長率大，PLA長絲的初始模量和斷裂伸長率都高于蠶絲，斷裂強度差異不大，總體來說力學(xué)性能較優(yōu)異；PLA長絲具有較好的彈性，但在濕熱和干熱條件下的熱收縮嚴(yán)重，對后期的生產(chǎn)加工及織造都不利。

[1] 朱久進(jìn), 王遠(yuǎn)亮, 胡勇等.聚乳酸的合成, 微觀結(jié)構(gòu)及性能[J].包裝工程, 2005, 26(2): 1-3.

[2] 樊愈波.聚乳酸纖維織物產(chǎn)品開發(fā)及服用性能研究[D].上海: 東華大學(xué), 2012:2-3.

[3] 紡織工程專業(yè)實驗教程[M].蘇州:蘇州大學(xué)自編講義.

[4] 于偉東.紡織材料學(xué)[M].北京市:中國紡織出版社.

[5] 余志成, 楊斌.抗菌導(dǎo)電真絲纖維的研究[J]. 浙江絲綢工學(xué)院學(xué)報, 1997, 14(1): 12-16.

[6] 白燕. 滌綸的熱收縮特性及其對縐效應(yīng)的影響[J]. 國外絲綢, 2005, 20(3): 13-15.

江蘇省高校優(yōu)勢學(xué)科建設(shè)工程二期項目(蘇政辦發(fā) 【2014】37號)；南通市大生集團(tuán)紡織新材料協(xié)同創(chuàng)新研究院(CP42014001)

2015-09-20