聚乳酸纖維的研究進(jìn)展及應(yīng)用

王繼業(yè)，劉姝瑞，張明宇，譚艷君，霍倩

（1.西安工程大學(xué)紡織科學(xué)與工程學(xué)院，陜西西安710048；2.德永佳集團(tuán)（東莞)有限公司，廣東東莞523000；3.偉格仕紡織助劑（江門)有限公司，廣東江門529000；4.西安工程大學(xué)科技成果轉(zhuǎn)化中心，陜西西安710048)

0 前言

聚乳酸纖維（Polylacticacid Fiber)，簡稱 PLA纖維，屬100%生物基合成纖維，是可再生、綠色、可100%生物降解的合成纖維材料[1]。聚乳酸纖維的基本原料為淀粉，主要從農(nóng)作物（如玉米)中提取，提取出的淀粉，經(jīng)酶或催化劑作用，轉(zhuǎn)化為葡萄糖，葡萄糖經(jīng)過菌種或微生物發(fā)酵（主要為乳酸菌)形成高純度乳酸，再經(jīng)縮聚、熔融紡絲制成聚乳酸纖維[2]。因其來源易栽植，無需使用石油、木材，同時(shí)可經(jīng)微生物作用，分解成CO2和水，使用過程無毒產(chǎn)生，不會(huì)對(duì)自然界帶來嚴(yán)重的破壞[3]。聚乳酸纖維的循環(huán)可再生過程見圖1所示。

圖1 聚乳酸的綠色循環(huán)再生過程

由圖1可知，聚乳酸纖維的生產(chǎn)過程，與纖維的加工技術(shù)結(jié)合，資源得到綜合利用，生產(chǎn)出的纖維紡織品及其衍生品，不僅對(duì)環(huán)境友好、體感舒適，且具備多種特殊功能，勢(shì)必在當(dāng)今倡導(dǎo)資源保護(hù)、追逐時(shí)尚個(gè)性舒適的服飾材料方面，會(huì)成為引導(dǎo)新型紡織品的一股潮流。

1 聚乳酸纖維的基本結(jié)構(gòu)及性能

1.1 結(jié)構(gòu)與合成

聚乳酸纖維是由不低于85%（質(zhì)量)分子鏈的線型大分子形成的合成纖維，由發(fā)酵產(chǎn)生的乳酸基團(tuán)單體，經(jīng)乳酸的直接聚合（180℃條件下)或丙交酯的開環(huán)聚合（先乳酸脫水環(huán)化再開環(huán)聚合)合成，熔點(diǎn)不低于135℃。兩種聚合方式，前者合成出的聚乳酸纖維的分子量低，分布寬，易氧化著色；后者合成的聚乳酸分子量高，適合做骨固定材料、成纖聚合物。聚乳酸纖維的結(jié)構(gòu)如下：

1.2 聚乳酸纖維性能及應(yīng)用

圖2 聚乳酸纖維的表面形態(tài)

由圖2可看出，聚乳酸纖維表面有許多不規(guī)則的斑點(diǎn)和細(xì)小條紋，這些斑點(diǎn)和條紋有利于形成毛細(xì)管效應(yīng)。

表1 聚乳酸纖維與其他纖維材料的性能對(duì)比

由表1可知，聚乳酸纖維的物理性能與滌綸和尼龍6接近。聚乳酸纖維表面有斷斷續(xù)續(xù)的條紋和無規(guī)則斑點(diǎn)，使得纖維表面有許多裂縫、孔洞形成，有易于毛細(xì)管效應(yīng)。當(dāng)水份存在時(shí)，PLA纖維出現(xiàn)良好的芯吸現(xiàn)象，纖維的水?dāng)U散性及潤濕性較好，因此聚乳酸纖維具有良好的吸濕導(dǎo)濕性。

聚乳酸纖維的耐紫外線性能好、耐氣候性性能好，但易光降解，經(jīng)自然光照500小時(shí)后，纖維的強(qiáng)力能降低45%，聚乳酸纖維不耐存儲(chǔ)，存儲(chǔ)時(shí)間越長，強(qiáng)力下降越大，使用過程中需特別留意使用周期及存儲(chǔ)環(huán)境條件。

在可降解的熱塑性高分子材料中，聚乳酸纖維的熔點(diǎn)最高，可燃性低，抗熱性最好，有良好的阻燃性，結(jié)晶度大，透明度好。

有研究者們對(duì)PLA纖維進(jìn)行抗菌性評(píng)價(jià)，發(fā)現(xiàn)聚乳酸纖維具有抗菌性，洗滌10次以上，或與其他纖維混紡，抗菌性會(huì)依然保留。這可能是由于PLA纖維內(nèi)部的微量乳酸留存在纖維的表面，使得材料的表面保持弱堿性，細(xì)菌、霉菌等微生物無法附著及繁衍，這相較于其他可降解塑料的微生物易繁殖相反。

正是因?yàn)镻LA纖維具有良好的吸濕導(dǎo)濕性、抑菌性、阻燃性、生物可相容性、安全性、耐紫外線、耐氣候性，同時(shí)易加工，使用過程均無毒副作用，可在生物材料領(lǐng)域、紡織材料領(lǐng)域、復(fù)合材料等領(lǐng)域廣泛的應(yīng)用。

2 聚乳酸纖維及其復(fù)合材料性能研究

2.1 聚乳酸纖維性能研究

聚乳酸纖維首先耐酸堿性差、易水解，染色性能差，但優(yōu)于滌綸；其次易光降解，室外暴曬纖維強(qiáng)力下降迅速。因此，在染色、纖維生產(chǎn)、使用加工過程中，我們需留意其酸堿性影響、水解性及光降解，并不斷研究克服這些缺點(diǎn)。

萍鄉(xiāng)學(xué)院的曾方等人，應(yīng)用熔融紡絲法，以一定比例混合聚乳酸與聚3-羥基丁酸酯-4-羥基丁酸酯共聚物，制備聚乳酸共混纖維，并將其織成針織物[4]。對(duì)比純?nèi)樗崂w維織物，在織物風(fēng)格測(cè)試（KES)中，共混針織物的 SMD、WT、2HG、2HG5 均減小。共混物的加入，針織物的表面粗糙度得到改善，共聚物于聚乳酸按40∶60比例混合時(shí)，織物表面粗糙度3.07μm，表面光滑，且測(cè)得針織物易剪切變形，剪切回復(fù)力好。

2.1.1 聚乳酸纖維濕熱水解研究

中原工學(xué)院李亮等人，研究了聚乳酸纖維在不同水解條件下的力學(xué)性能[5-6]。首先在不同pH值條件下處理聚乳酸纖維，并對(duì)其聚集態(tài)結(jié)構(gòu)、大分子結(jié)構(gòu)、纖維強(qiáng)力等進(jìn)行了研究，發(fā)現(xiàn)在不同pH值的水溶液中，聚乳酸纖維的酯基均發(fā)生水解，在高pH值（強(qiáng)堿性)條件和低pH值（強(qiáng)酸性)條件下，水解反應(yīng)劇烈，纖維表面變粗糙，質(zhì)量損失率高，PLA纖維的初始模量、斷裂強(qiáng)度、斷裂伸長率和屈服強(qiáng)度均下降，大分子平均分子質(zhì)量降低，聚集態(tài)結(jié)構(gòu)被破壞。同時(shí)堿性條件較酸性條件水解反應(yīng)更劇烈，結(jié)構(gòu)、性能損傷也較大。建議在改性、整理、加工過程中控制pH值4～10，處理溫度為40℃～50℃，處理時(shí)間為25～40分鐘。

紹興文理學(xué)院錢紅飛和錢軍等人，研究了PLA纖維經(jīng)濕處理后，其結(jié)構(gòu)性能的變化。隨溫度升高，纖維的重量損失增加，強(qiáng)力損失增大，結(jié)晶度提高，酸堿加重水解程度。弱堿條件，水解由表層到里層，纖維明顯變細(xì)，并產(chǎn)生凹坑[7]。

長春工業(yè)大學(xué)褚明利等人研究了聚乳酸改性材料的穩(wěn)定性，在材料中分別加入1%擴(kuò)鏈劑BDE（1，4-丁二醇二縮水甘油醚)和 1.8%PCDI（聚碳化二亞胺)，PLA材料的韌性分別提高219.8J/m和133.87J/m，耐水解性提高，拉伸強(qiáng)度下降小，并發(fā)現(xiàn)水解會(huì)促進(jìn)樣品結(jié)晶度的增加[8]。

2.1.2 聚乳酸纖維的染整工藝研究

聚乳酸纖維雖屬于合成纖維的一種，可使用分散染料染色，但上染率較低，導(dǎo)致致大部分PLA面料染淺色，且鮮艷度差，同時(shí)聚乳酸纖維中的玉米纖維耐熱性差，熔點(diǎn)低，染色不耐高溫，所以需特別留意聚乳酸染整加工中的工藝條件。

紡企咨詢中心的張巍峰對(duì)分散染料上染聚乳酸纖維的高溫高壓染色和超臨界染色進(jìn)行研究[9]，分析了溫度、時(shí)間、pH值和助劑等因素對(duì)聚乳酸纖維染色的影響，發(fā)現(xiàn)聚乳酸酸纖維染色色牢度良好，并給出高溫高壓染色的最佳工藝：染色溫度為110℃，保溫時(shí)間30分鐘，pH值4～5；超臨界染色的最佳工藝：染色溫度100℃，時(shí)間40分鐘，壓力20 MPa。

江南大學(xué)武奇奇，探討了載體染色和高溫高壓染色條件下，5只分散染料上染聚乳酸織物的性能[10-11]。發(fā)現(xiàn)在高溫高壓染色條件下，隨溫度升高，聚乳酸織物的染色深度加深，但當(dāng)溫度超過110℃，織物強(qiáng)力下降20%。在載體染色條件下，酯氨類化合物能明顯提高聚乳酸織物的染色深度，K/S值超過高溫高壓染色，織物的耐皂洗色牢度良好，日曬牢度優(yōu)良，頂破強(qiáng)力下降，聚乳酸纖維的表面無損傷，晶體形態(tài)也無影響。載體染色的最佳工藝：0.25%的載體90BHC，2%（o.w.f)的分散紅SE-3B，浴比 1∶40，pH 值 5～6，90 ℃，40 分鐘條件下染色。在載體染色條件下，將合成的具有不同結(jié)構(gòu)的3只偶氮類分散染料上染聚乳酸纖維織物，發(fā)現(xiàn)此3只染料由于吸附聚集體作用，吸附等溫型曲線呈Nernest型，并建立上染聚乳酸織物的親和力模型。

因織造過程中亞麻/聚乳酸纖維混紡紗線易斷紗、破損，河北中紡劉亨昌和石家莊纖檢劉麗，探討了超聲波輔助整理工藝，其最佳工藝分為兩步，第一步，纖維素酶前處理工藝：酸性纖維素酶AL 2%（ o.w.f.)，浴比1∶20，pH 值 5，處理溫度 50 ℃，處理時(shí)間40分鐘；第二步，柔軟整理工藝：柔軟整理劑 DT-4500 2%（ o.w.f.)，浴比1∶20，處理溫度50℃，時(shí)間30分鐘。經(jīng)兩步處理后的混紡紗線初始模量降低63.74%，紗線手感柔軟、順滑、蓬松，可織性提高[12]。

2.2 聚乳酸復(fù)合材料性能研究

由于PLA纖維強(qiáng)力高，具有較高的生物兼容性，可在自然界中完全生物降解，因此在復(fù)合材料領(lǐng)域被大量使用，但因其耐旋光性，潮濕環(huán)境下的末端酯基分子鏈易水解，不耐酸不耐堿等原因，需與其他纖維進(jìn)行復(fù)合，提高聚乳酸復(fù)合材料的性能，擴(kuò)寬使用范圍。

2.2.1 復(fù)合材料的制備研究

楊丹等人，將棉稈皮纖維與聚乳酸按質(zhì)量比1∶1，在190℃熱壓15分鐘，制備了由聚乳酸包覆填充的，且柔軟的棉稈皮纖維網(wǎng)，該纖維網(wǎng)的拉伸性能良好、彎曲強(qiáng)度優(yōu)良、柔韌性優(yōu)異[13]。

莫達(dá)杰等人研究了PHBV/PLA/APP復(fù)合材料的熱學(xué)性能，發(fā)現(xiàn)當(dāng)APP的質(zhì)量分?jǐn)?shù)達(dá)到20%，玻璃化溫度降低6.27%，復(fù)合材料的冷結(jié)晶及熔融溫度均無影響；當(dāng)APP的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為5%時(shí)，斷裂強(qiáng)度為3.49cN/dtex，達(dá)最大；當(dāng)APP的質(zhì)量分?jǐn)?shù)達(dá)到10%時(shí)，燃燒時(shí)無熔滴現(xiàn)象，極限氧指數(shù)為32.3%，阻燃等級(jí)達(dá)V-0級(jí)[14]。

上海交大杜思琦等人使用熱模壓一次成型黃麻/PLA復(fù)合材料，力學(xué)性能優(yōu)異，與黃麻/聚丙烯復(fù)合材料相比，黃麻/PLA復(fù)合材料的強(qiáng)度和模量均較高，同時(shí)可100%的生物降解[15]。

東華大學(xué)的鐘國翔等人，使用均質(zhì)分散法，再通過熔融共混和注塑成型，制備原纖化Lyocell/聚乳酸復(fù)合材料，發(fā)現(xiàn)4mm初始纖維長度的缺口沖擊強(qiáng)纖維度最大，原纖化后可提高復(fù)合材料的維卡軟化溫度，纖維初始長度為10 mm時(shí)，復(fù)合材料的維卡軟化溫度達(dá)到161.4℃[16]。

安徽理工大學(xué)徐煜軒對(duì)聚乳酸無鹵阻燃復(fù)合材料使用硫酸鋇、苯基磷酸（PHBA)、植酸（PA)進(jìn)行阻燃、增韌改性[17]，發(fā)現(xiàn)制備改性的聚乳酸復(fù)合材料時(shí)，10%的超細(xì)硫酸鋇添加量，沖擊韌性達(dá)最大21.98kJ/m2，添加量增加，LOI提高越大；20%超細(xì)硫酸鋇的添加，復(fù)合材料的 LOI達(dá) 22.6%，UL-94阻燃等級(jí)達(dá)V-2級(jí)；但添加25%的硫酸鋇，LOI下降至21.8%。添加PHPA改性，隨添加量增加，LOI增大聚乳酸的熱穩(wěn)定性明顯提高，殘?zhí)悸试黾?，但力學(xué)性能降低。使用PA改性所制備的復(fù)合材料，隨添加量增加，LOI值提高到 30.5%，UL-94明顯提高，無熔滴現(xiàn)象，熱穩(wěn)定性得到明顯提升，殘?zhí)悸蚀蠓黾?，且有一定的增韌效果。

2.2.2 復(fù)合材料性能研究

安徽工程大學(xué)楊莉等人研究了椰殼纖維/聚乳酸復(fù)合材料在堿處理和纖網(wǎng)層疊復(fù)合模壓成型的聯(lián)合工藝下的力學(xué)性能，發(fā)現(xiàn)堿處理可有效改善椰殼纖維和聚乳酸樹脂基體間的界面性能。隨堿溶液濃度的增加，椰殼纖維/聚乳酸復(fù)合材料的拉伸強(qiáng)度先增大后減小，彎曲強(qiáng)度影響最小；成型溫度對(duì)復(fù)合材料的拉伸強(qiáng)度影響最小，壓力對(duì)彎曲強(qiáng)度影響最大[18]。

黑龍江木材研究所劉一楠等人，研究水環(huán)境下，木纖維/聚乳酸復(fù)合材料的力學(xué)性能影響。因水環(huán)境使聚乳酸的分子鏈發(fā)生水解反應(yīng)，少量木纖維的加入，復(fù)合材料的靜曲強(qiáng)度降低，拉伸強(qiáng)度降低，加入木纖維增多，兩者均有增加，但木纖維自身親水，吸水體積膨脹，干燥后收縮，不斷的吸水和干燥會(huì)對(duì)材料界面造成一定破壞，復(fù)合材料的拉伸性能和彎曲性能均下降，且隨加入木纖維的量越高，水環(huán)境下，復(fù)合材料的力學(xué)性能下降越明顯[19]。

湖南工業(yè)大學(xué)姚進(jìn)等人，使用硅烷偶聯(lián)劑處理蘆葦纖維并將其作為填充料，與聚乳酸共混，制備蘆葦纖維/PLA復(fù)合材料。由于蘆葦纖維起到成核劑的作用，加快了復(fù)合材料的結(jié)晶速度，提高了蘆葦纖維/PLA復(fù)合材料的結(jié)晶度，不影響晶型；當(dāng)溫度過低時(shí)，會(huì)影響分子鏈運(yùn)動(dòng)能力，結(jié)晶速度不升反降[20]。

3 聚乳酸纖維在紡織服裝面料方面的開發(fā)應(yīng)用

因聚乳酸有與皮膚接近的弱酸性，使得聚乳酸纖維面料親膚舒適，滑爽懸垂，安全貼身，適用于內(nèi)衣面料、時(shí)裝、休閑裝、運(yùn)動(dòng)面料和衛(wèi)生保健面料等，在紡織服裝面料領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前景。目前開發(fā)生產(chǎn)的含聚乳酸的面料朝著優(yōu)良的芯吸效果、吸濕排汗、抑菌防螨、防霉變方向發(fā)展，其抗靜電性能優(yōu)于滌綸、錦綸，抗污、抗皺性優(yōu)于棉纖維及其他纖維素纖維，同時(shí)不易燃燒、發(fā)煙量小、無毒、自熄時(shí)間短，適合高檔、舒適、功能性紡織品面料。

3.1 針織面料開發(fā)

河北科技大學(xué)張威采用75D/36F竹炭纖維和100D/36F聚乳酸纖維，在單面大圓機(jī)上進(jìn)行編織，開發(fā)了一系列集吸濕快干、防紫外線、抑抗菌、蓄熱保暖、保健、抗起毛起球等多種功能為一體的提花針織面料，配合大圓機(jī)的三角排列機(jī)織針，可編織出適用于春夏秋冬四季、多種風(fēng)格的針織面料[21]。

上海連晟紡織品公司的張連根等人使用原色聚乳酸及黑色黏膠混紡，得40S/1聚乳酸/黏膠50/50麻灰色紗，與40D低溫夢(mèng)絲～交織成針織彈力平紋布。經(jīng)預(yù)定型（溫度120℃)、65℃水洗及成品定型（120℃)，成品面料的尺寸穩(wěn)定性好、彈性穩(wěn)定性優(yōu)良，服用性能良好[22]。

北京銅牛針織集團(tuán)有限責(zé)任公司漆小瑾等人研究測(cè)試PLA纖維物理性能，確定混紡中羊絨的處理工藝，并紡聚乳酸/羊絨/Modal/棉35/10/30/25紗，織造相關(guān)針織面料，經(jīng)染整和后整理工藝生產(chǎn)的針織內(nèi)衣，測(cè)試結(jié)果均符合國家標(biāo)準(zhǔn)[23]。

3.2 機(jī)織物的開發(fā)應(yīng)用

蘇州大學(xué)的朱婭楠設(shè)計(jì)與織造了聚乳酸長絲與桑蠶絲交織的四大系列，并對(duì)織物進(jìn)行了服用性能、風(fēng)格測(cè)試分析探討[24]，發(fā)現(xiàn)隨著PLA的加入，透濕性增加，透氣性會(huì)降低，可通過降低織物的緊密度提升透氣性；隨PLA加入，折皺回復(fù)性略有降低，當(dāng)經(jīng)線為桑蠶絲、緯線為聚乳酸長絲時(shí)進(jìn)行編織，織物的折皺回復(fù)性能更好；隨PLA加入，抗起毛起球性能提升，且當(dāng)PLA長絲作為經(jīng)線編織時(shí)，織物的起毛起球性能最好；隨PLA加入，織物剛性提高，如果想降低剛性，可適當(dāng)降低織物的緊密度，當(dāng)桑蠶絲作為經(jīng)線參與編織，無論緞紋還是2/2斜紋均可降低聚乳酸/桑蠶絲交織機(jī)織物的剛性。

蘇州大學(xué)馮雪為設(shè)計(jì)開發(fā)了PHA/聚乳酸復(fù)合纖維/絹絲混紡織物，并與純絹絲織物進(jìn)行風(fēng)格及性能對(duì)比分析[25]。與純絹絲織物相比，復(fù)合纖維的加入，使得輕薄型織物面料的硬挺度提升，平展度提高，面料更加滑爽，面料的光澤得到改善，但面料的柔順度和絲鳴感略有降低。對(duì)于厚重型的面料，與純絹絲織物進(jìn)行對(duì)比，PHA/聚乳酸復(fù)合纖維的加入，混紡面料的織物透氣率降低，透濕量變化不大，抗起毛起球相近，絲鳴感降低。

德州學(xué)院高志強(qiáng)等人利用噴氣織機(jī)編織棉/甲殼素/PLA纖維提花面料，確定面料規(guī)格及編織工藝，設(shè)計(jì)小提花花型、織物組織及色彩搭配，制定了棉/甲殼素/聚乳酸纖維的小提花面料生產(chǎn)的主要技術(shù)措施[26]。

太原理工大學(xué)肖云超等人將聚乳酸長絲和不同混紡比例的亞麻/黏膠混紡紗并捻為復(fù)合紗，編織不同的織物組織結(jié)構(gòu)，開發(fā)出具有吸濕排汗功能的混紡面料。發(fā)現(xiàn)緞紋的吸濕排汗性最佳，隨黏膠含量增加，織物毛效增大，力學(xué)性能增強(qiáng)，透濕性和透氣性均減小[27]。

3.3 非織造材料的開發(fā)應(yīng)用

因聚乳酸良好的生物兼容性和天然抑菌性，對(duì)人體使用安全，可用于生產(chǎn)無紡面料，例如以PLA為基材的衛(wèi)生用品，醫(yī)用免拆除手術(shù)縫合線、骨架材料等，同時(shí)廢棄物可100%降解[28]。

蘇州大學(xué)的馬振朕對(duì)聚乳酸非織造布使用納米銀進(jìn)行抗菌整理，并測(cè)試金黃色葡萄球菌和大腸桿菌的抑菌效果，二者抑菌率均達(dá)99%以上，洗20次后，抑菌率達(dá)98%以上[29]。

華南理工大學(xué)的林曉珊使用聚乳酸非織造材料對(duì)微生物進(jìn)行降解，發(fā)現(xiàn)PLA復(fù)合材料能夠快速降解檸檬酸桿菌等9種菌珠，11天降解率達(dá)21.5%，并建立降解體系[30]。

嘉興學(xué)院的金彬煒等人，對(duì)聚乳酸/竹炭纖維水刺無紡布，使用微生物發(fā)酵所得天然色素進(jìn)行染色，上染率60.3%，摩擦色牢度4～5級(jí)，皂洗色牢度4～5級(jí)，抗金黃色葡萄球菌、大腸桿菌良好[31]。

4 結(jié)語

聚乳酸纖維以從大自然中來再到大自然中去的環(huán)保、可生物降解的性能，再加之其良好的抑菌性、安全性、生物兼容性，勢(shì)必會(huì)在生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域、紡織面料領(lǐng)域、防護(hù)衛(wèi)生領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。但其染色性能差、易水解、不耐酸堿等不利于生產(chǎn)的缺陷，還需要在不斷研究下得到改善。隨著國家對(duì)生物醫(yī)學(xué)、生物衛(wèi)生、公共衛(wèi)生防護(hù)的重視，以聚乳酸纖維為代表的環(huán)保、抑菌纖維材料，將會(huì)在其應(yīng)用研究上克服自身缺陷，得到長足發(fā)展及廣闊應(yīng)用。