聚乳酸/ES纖維熱熔絮片制備及其性能研究*

孫京輝 郝可可 張迎梅 張 彧 錢 程

嘉興學(xué)院材料與紡織工程學(xué)院，浙江 嘉興 314001

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聚乳酸/ES纖維熱熔絮片制備及其性能研究*

孫京輝 郝可可 張迎梅 張 彧 錢 程

嘉興學(xué)院材料與紡織工程學(xué)院，浙江 嘉興 314001

聚乳酸(PLA)纖維受熱后易發(fā)硬、變脆。為尋找聚乳酸纖維熱熔絮片合適的加工溫度，以聚乳酸中空纖維和ES纖維為原料制備熱熔絮片，對聚乳酸纖維質(zhì)量分?jǐn)?shù)為40%～90%的熱熔絮片的加工溫度進(jìn)行試驗(yàn)，并對熱熔絮片的保溫、壓縮、蓬松、透氣、透濕等性能進(jìn)行測試。結(jié)果表明，聚乳酸纖維與ES纖維的質(zhì)量配比為7∶3、加工溫度為128℃、熱風(fēng)穿透時間為1min時，熱熔絮片既有較好的保溫、壓縮、蓬松及透氣、透濕性，又能很好地保留聚乳酸纖維的優(yōu)良特性，適用于服裝和家紡填充料。

聚乳酸纖維，熱熔絮片，服裝，家紡，性能

聚乳酸(PLA)纖維采用玉米、小麥、甜菜等含淀粉的農(nóng)產(chǎn)品為原料，經(jīng)發(fā)酵生成乳酸后，再經(jīng)縮聚和熔融紡絲而制成[1]，其具有良好的生物相容性和安全性，對人體無毒無害，在人體內(nèi)及自然環(huán)境中可逐漸降解為二氧化碳和水[2]。聚乳酸纖維的強(qiáng)伸性能與滌綸相近，導(dǎo)濕性好，彈性回復(fù)率高，公定回潮率僅為0.5%，與天然纖維和除滌綸以外的合成纖維相比都較低，疏水性能較好，用作服裝時表現(xiàn)出滑爽、不黏身體等穿著舒適性[3-4]。

作為一種高強(qiáng)、中伸、低模量的纖維，聚乳酸纖維手感柔軟，本身呈弱酸性，并具有天然抑菌性及優(yōu)良的彈性和卷曲性能。纖維密度為1.27g/cm3，介于腈綸和羊毛之間，比天然纖維中的棉、絲、毛纖維的密度低，具有較大的覆蓋性。在延伸5%時，其彈性回復(fù)率為93%，高于大多數(shù)天然和合成纖維，并顯示出很好的抗皺性和蓬松性，更適合用作被褥的填充材料[5]。然而，由于構(gòu)成聚乳酸纖維單體的主要部分為L-乳酸，因此耐熱性較差，玻璃化溫度僅為57℃，熔點(diǎn)為175℃，給后續(xù)的紡織、染整和服裝熨燙加工帶來了困難[6-7]。為了找到聚乳酸纖維合適的熱加工溫度，充分利用其蓬松、柔軟、回彈等優(yōu)良性能制備服裝和家紡用熱熔絮片，本文對采用熱熔加固方法制備聚乳酸纖維絮片進(jìn)行探索。

1 試驗(yàn)

1.1 試驗(yàn)材料

聚乳酸中空纖維，線密度為3.33dtex、長度為64mm，由馬鞍山同杰良生物材料有限公司提供；ES纖維，線密度為2.22dtex、長度為51mm，由浙江新維獅合纖股份有限公司提供。

1.2 試驗(yàn)儀器

針刺熱軋聯(lián)合試驗(yàn)機(jī)組、M-6型連續(xù)式定型小樣機(jī)、YG141N型數(shù)字式織物厚度儀、Y172型纖維切片器、YG(B)606D型平板式保溫儀、YG461E型電腦式透氣性測試儀、LCK-131型透濕量測定儀、LLY-06B型電子單纖維強(qiáng)力儀。

1.3 試驗(yàn)方法

1.3.1 樣品制備

首先將聚乳酸纖維和ES纖維按一定質(zhì)量配比

進(jìn)行混合，并在針刺熱軋聯(lián)合試驗(yàn)機(jī)上梳理成單層網(wǎng)，然后手工將單層網(wǎng)鋪疊成三層網(wǎng)，再利用定型小樣機(jī)進(jìn)行熱熔加固，得到聚乳酸纖維絮片樣品。主要工藝參數(shù)：喂棉速度0.39r/min，主錫林速度260.00r/min，道夫速度8.95r/min。

1.3.2 試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)

1.3.2.1 力學(xué)性能、厚度、透氣透濕和保溫率

力學(xué)性能測試按照標(biāo)準(zhǔn)GB/T 14337—2008《化學(xué)纖維 短纖維拉伸性能試驗(yàn)方法》進(jìn)行；厚度測試按照標(biāo)準(zhǔn)GB/T 24218.2—2009《紡織品 非織造布試驗(yàn)方法 第2部分：厚度的測定》進(jìn)行；透氣性測試按照標(biāo)準(zhǔn)GB/T 5453—1997《紡織品 織物透氣性的測定》進(jìn)行；透濕性測試按照標(biāo)準(zhǔn)GB/T 12704.1—2009《紡織品 織物透濕性試驗(yàn)方法 第1部分:吸濕法》進(jìn)行；保溫率測試按照標(biāo)準(zhǔn)GB/T 11048—2008《紡織品 保溫性能試驗(yàn)方法》進(jìn)行。每一種樣品測5塊試樣，然后取平均值。

1.3.2.2 壓縮性能

(1)

(2)

(3)

其中：P0為175.22g/cm2；P1為594.00g/cm2；壓板質(zhì)量為6.98g，尺寸為11cm11cm。

圖1 壓縮性能測試示意

1.3.2.3 蓬松度

蓬松度測試：將試樣剪成尺寸為20cm×20cm的小塊，平衡4h后稱重；然后在試樣上壓一塊平板，在平板中間放上2000g重錘，30s后除去重錘，靜止30s，重復(fù)3次；最后測定試樣四角的高度(精確至0.5mm)，求其平均值h。按照下式計(jì)算蓬松度：

其中：h為試樣四角高度的平均值，mm；w為試樣質(zhì)量，g。

2 結(jié)果與討論

2.1 纖維力學(xué)性能

聚乳酸纖維和ES纖維的力學(xué)性能測試結(jié)果見表1。

表1 纖維力學(xué)性能測試結(jié)果

從表1可以看出，聚乳酸纖維的斷裂強(qiáng)力小于ES纖維。其原因主要是后者是一種皮層為聚乙烯(PE)、芯層為聚丙烯(PP)的雙組分纖維，其皮層僅作為熱熔加固黏合層，而芯層作為骨架起著提供強(qiáng)力的作用。另外，ES纖維的初始模量遠(yuǎn)大于聚乳酸纖維，這說明聚乳酸纖維的柔軟性優(yōu)于前者。采用這兩種纖維加工成熱熔絮片，既可利用ES纖維進(jìn)行加固而提高絮片的強(qiáng)度，又可保留聚乳酸纖維的柔軟手感而提升絮片的使用舒適度。

2.2 聚乳酸纖維質(zhì)量分?jǐn)?shù)對加熱溫度的影響

將聚乳酸纖維與ES纖維混合制備熱熔絮片，選擇聚乳酸纖維質(zhì)量分?jǐn)?shù)為40%、50%、60%、70%、80%、90%，對ES纖維的熱熔固化工藝進(jìn)行篩選。通過前期的多次試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，選擇加熱時間為1min時，既可以保證纖網(wǎng)成型良好，又便于接近實(shí)際生產(chǎn)情況。因而，在纖網(wǎng)獲得良好成型效果的前提下，通過試驗(yàn)得出加熱溫度隨聚乳酸纖維質(zhì)量分?jǐn)?shù)變化的情況，如圖2所示。

圖2 加熱溫度隨聚乳酸纖維質(zhì)量分?jǐn)?shù)變化的情況

根據(jù)所制備的熱熔絮片的成型情況及圖2可以看出，當(dāng)聚乳酸纖維質(zhì)量分?jǐn)?shù)為40%、加熱溫度為115℃時，纖網(wǎng)基本能成型，但纖維之間的黏合牢度不高；而隨著聚乳酸纖維質(zhì)量分?jǐn)?shù)的增加，為保持纖網(wǎng)的完整性，所需要的加熱溫度不斷提高。當(dāng)聚乳酸纖維質(zhì)量分?jǐn)?shù)達(dá)到70%時，加熱溫度達(dá)到128℃，比聚乳酸纖維質(zhì)量分?jǐn)?shù)為40%時的加熱溫度上升了11%，此時纖網(wǎng)成型良好。當(dāng)聚乳酸纖維質(zhì)量分?jǐn)?shù)達(dá)到90%時，加熱溫度達(dá)到140℃，這時纖網(wǎng)雖然具有良好的完整性，但已有部分聚乳酸纖維變硬，纖網(wǎng)的縮率也比較大。很顯然，聚乳酸纖維質(zhì)量分?jǐn)?shù)為70%是一個轉(zhuǎn)折點(diǎn)，此時絮片的加熱溫度基本上與ES纖維的皮層的熔點(diǎn)相一致。而一旦超過這個質(zhì)量分?jǐn)?shù)，絮片的加熱溫度需進(jìn)一步升高才能使纖網(wǎng)保持良好的成型效果。但較高的溫度除了使ES纖維的皮層發(fā)生熔融外，還有部分聚乳酸纖維發(fā)生熔融，此時的纖網(wǎng)偏硬挺，說明聚乳酸纖維熔融而將周圍纖維黏結(jié)。

2.3 熱熔絮片試樣性能

上述制得的熱熔絮片試樣的面密度為55g/m2、厚度為1.9862mm，對其保溫、壓縮等性能進(jìn)行測試。

2.3.1 保溫性

不同聚乳酸纖維質(zhì)量分?jǐn)?shù)的試樣保溫性測試結(jié)果見表2。

表2 保溫性測試結(jié)果

材料的保溫效果主要與其中所含的靜止空氣相關(guān)，靜止空氣越多，保溫效果越好[8]。隨著聚乳酸纖維質(zhì)量分?jǐn)?shù)的增多，其中空結(jié)構(gòu)使得包含的靜止空氣越多，因而保溫性增加。如表2所示，當(dāng)聚乳酸纖維質(zhì)量分?jǐn)?shù)為90%時，熱熔絮片的保溫率最高。此外，表2中的數(shù)據(jù)還反映出克羅值、傳熱系數(shù)和保溫率之間存在相關(guān)性，表明傳熱系數(shù)越小，克羅值和保溫率越大，則材料的保溫效果越強(qiáng)。

2.3.2 壓縮性

不同聚乳酸纖維質(zhì)量分?jǐn)?shù)的試樣壓縮性能測試結(jié)果見表3。

表3 壓縮性能測試結(jié)果

壓縮彈性是表明材料抵抗壓縮變形能力的一個指標(biāo)，恢復(fù)率是指去除壓力一定時間后材料的壓縮變形進(jìn)行回復(fù)的性能。從表3可以看出，隨著聚乳酸纖維質(zhì)量分?jǐn)?shù)的增多，熱熔絮片的壓縮性能呈現(xiàn)下降趨勢，表明纖網(wǎng)受到擠壓時產(chǎn)生的變形逐漸減少。其原因可能是當(dāng)聚乳酸纖維質(zhì)量分?jǐn)?shù)≤60%時，纖網(wǎng)的加熱溫度低于121℃(圖2)，纖網(wǎng)成型不完全，有部分聚乳酸纖維沒有被黏結(jié)，因而蓬松性好、壓縮彈性率高；而當(dāng)聚乳酸纖維質(zhì)量分?jǐn)?shù)為70%時，加熱溫度達(dá)到128℃，剛好達(dá)到ES纖維的皮層的熔點(diǎn)，從而將周圍的聚乳酸纖維黏結(jié)在一起，纖網(wǎng)成型良好，并導(dǎo)致壓縮彈性率有所降低。當(dāng)加熱溫度超過130℃時，部分聚乳酸纖維開始熔融，壓縮彈性率與恢復(fù)率降低，纖網(wǎng)變得硬挺。這也驗(yàn)證了聚乳酸纖維的受熱溫度接近其熔點(diǎn)時容易變硬并產(chǎn)生強(qiáng)力降低的現(xiàn)象[9]。

2.3.3 蓬松度

不同聚乳酸纖維質(zhì)量分?jǐn)?shù)的試樣蓬松度測試結(jié)果見表5。

表5 蓬松度測試結(jié)果

從表5可以看出，隨著聚乳酸纖維質(zhì)量分?jǐn)?shù)的增加，纖網(wǎng)蓬松度呈現(xiàn)下降趨勢。這說明ES纖維的質(zhì)量分?jǐn)?shù)越低，熱熔絮片的蓬松度越低，因?yàn)镋S纖維起到黏合其周圍的聚乳酸纖維的作用。而隨著聚乳酸纖維質(zhì)量分?jǐn)?shù)的增加，制備熱熔絮片所需要的加熱溫度增加，部分聚乳酸纖維熔融變硬，這也降低了纖網(wǎng)的蓬松度。

2.3.4 透氣性

不同聚乳酸纖維質(zhì)量分?jǐn)?shù)的試樣透氣性測試結(jié)果見表6。

表6 透氣性測試結(jié)果

從表6可以看出，隨著聚乳酸纖維質(zhì)量分?jǐn)?shù)的增加，絮片透氣性呈現(xiàn)下降的趨勢。其主要原因是ES纖維質(zhì)量分?jǐn)?shù)較高時纖網(wǎng)的三維結(jié)構(gòu)較好，蓬松度也較高，使空氣容易通過。當(dāng)聚乳酸纖維質(zhì)量分?jǐn)?shù)超過70%時，由于加工溫度升高，導(dǎo)致聚乳酸纖維部分熔融而使纖網(wǎng)變得硬挺，在一定程度上阻礙了氣流的通過。

2.3.5 透濕性

不同聚乳酸纖維質(zhì)量分?jǐn)?shù)的試樣透濕性測試結(jié)果見表7。

表7 透濕性測試結(jié)果

材料的透濕性與其自身空隙及所用的纖維材料有關(guān)。聚乳酸纖維是一種透濕性比較好的纖維[9]，由其所制成的絮片也具有較好的透濕性。從表7可以看出，聚乳酸纖維質(zhì)量分?jǐn)?shù)為70%時，試樣的透濕性最好。其可能的原因是當(dāng)聚乳酸纖維質(zhì)量分?jǐn)?shù)高于70%后，所需的加熱溫度超過130℃，使得聚乳酸纖維部分熔融而變硬，進(jìn)而發(fā)生一定程度的變性，因此透濕性變差。

從透濕性的測試數(shù)據(jù)及前述圖表可以看出，聚乳酸纖維是一種對熱較敏感的纖維，當(dāng)采用這種纖維與ES纖維混合制作熱熔絮片時，加熱溫度不宜超過130℃。

3 結(jié)論

采用聚乳酸纖維及ES纖維制備熱熔絮片，對其保溫性、壓縮性、蓬松性、透氣性、透濕性等相關(guān)指標(biāo)進(jìn)行測試，得出：

(1) 隨著聚乳酸纖維質(zhì)量分?jǐn)?shù)的增加，制備熱熔絮片所需的加熱溫度升高，在聚乳酸纖維質(zhì)量分?jǐn)?shù)為70%時是一個轉(zhuǎn)折點(diǎn)。

(2) 隨著聚乳酸纖維質(zhì)量分?jǐn)?shù)的增加，熱熔絮片的保溫性增強(qiáng)，而蓬松度和壓縮性能呈現(xiàn)下降的趨勢。

(3) 聚乳酸/ES纖維熱熔絮片整體上有較好的透氣性，在聚乳酸纖維質(zhì)量分?jǐn)?shù)為70%時其透濕性最佳。

綜上所述，采用不同質(zhì)量配比的聚乳酸纖維和ES纖維混合制備熱熔絮片，當(dāng)聚乳酸纖維質(zhì)量分?jǐn)?shù)為70%、加工溫度為128℃、熱風(fēng)穿透時間為1min時，熱熔絮片的綜合性能較為優(yōu)異，是比較理想的服裝和家紡填充材料。

[1] 吉利梅.聚乳酸纖維的定性鑒別及性能測試[J].印染助劑,2012,29(10):49-52.

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Preparation and performance investigation of air-thermal bonded waddings of polylactic acid/ES fibers

SunJinghui,HaoKeke,ZhangYingmei,ZhangYu,QianCheng

College of Materials and Textile,Jiaxing University,Jiaxing 314001,China

Polylactic acid(PLA) fiber is easy to harden and become brittle after being heated.In order to find suitable processing temperature for air-thermal bonded waddings made of polylactic acid fibers,polylactic acid hollow fibers and ES fibers were used to prepare air-thermal bonded waddings.The processing temperature for air-thermal bonded waddings made of the weight ratios of polylactic acid fibers from 40% to 90% were tested.The heat retention,compressibility,filling power,air and moisture permeability of the air-thermal bonded waddings were also investigated.The results showed that,when the weight ratio of polylactic acid fibers and ES fibers was at 7∶3,the processing temperature was at 128℃,and the passing through time of hot air was at 1 min,the air-thermal bonded wadding not only possessed better heat rentention,compressibility,filling power,air and moisture permeability,but also retained good performance of polylactic acid fibers,suitable to be used as filling materials for clothing and home textiles.

polylactic acid fiber,air-thermal bonded wadding,clothing,home textile,property

2015-11-25

孫京輝，女，1993年生，在讀本科生，研究方向?yàn)榉强椩煨虏牧系拈_發(fā)

TS102.512，TS176.9

A

1004-7093(2016)08-0021-05

*浙江省大學(xué)生科技創(chuàng)新活動計(jì)劃(2016R417038)