PLA纖維的性能研究

熊春華，張傳杰，張楠楠，朱　平，崔　莉

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PLA纖維的性能研究

熊春華，張傳杰，張楠楠，朱平*，崔莉

（武漢紡織大學 新型紡織材料綠色加工及其功能化教育部重點實驗室，湖北 武漢 430073）

本文研究了PLA纖維的表面形態、物理機械性能、吸水性、在堿性洗滌劑中的收縮性，以及酸、堿和有機溶劑對PLA纖維的強力損傷程度。結果表明：PLA纖維的強度與形態和PET纖維相近，吸水率比棉小但比PET纖維大，PLA纖維在堿性條件下縮水率和強力損失速率大，PLA纖維抵抗酸堿和有機溶劑的能力大小為：丙酮>鹽酸>碳酸鈉>氫氧化鈉。

PLA纖維；物理機械性能；縮水率；耐酸堿性

自21世紀以來，開發利用綠色環保型材料成為保護自然資源，建立資源可持續發展的一大重要措施[1-4]。PLA纖維是以玉米或紅薯淀粉為原料，經發酵獲得乳酸，然后通過聚合、紡絲得到的紡織纖維[5]。PLA纖維生產過程不使用和產生有毒物質，其制品在土壤或海水的微生物作用下可降解為二氧化碳和水，對環境無害，是一種無毒、無害、可生物降解、可回收利用的綠色環保纖維[2]。因此，PLA纖維成為紡織領域近年來的研究熱點。PLA纖維融合了天然纖維和合成纖維的特點，具有優異的物理機械性能，PLA纖維制品的耐熱性好，易將汗水排出、有優異的接觸感、導濕性能、回彈性和抗污性[1-3]，但是PLA纖維抱合力差，在熱、濕作用下容易引起纖維的強力損傷[6]，而且很容易受堿腐蝕。

1　實驗部分

1.1實驗材料與儀器

碳酸鈉（分析純，天津市恒新化學試劑制造有限公司）；氫氧化鈉(分析純，上海試驗試劑有限公司)；鹽酸（分析純，武漢華工精細化工有限公司）；丙酮（分析純，蘭州化學工業公司）；PLA纖維（常熟市長江化纖有限公司）。

XSZ-HY型熒光顯微鏡（重慶麥克光電儀器有限公司）；JN-B型精密扭力天平（上海第二天平儀器廠）；80-2型離心機（江蘇省金壇市榮華儀器制造有限公司）；101-6A型恒溫干燥箱（滬鑫電爐烘箱廠）；AUY220型電子天平（蘇州豐盛電子科技有限公司）；HH-S型數顯恒溫水浴鍋（金壇市岸頭國瑞實驗儀器廠）；YG(B)003A型強力測試儀（溫州大榮紡織儀器有限公司）。

1.2纖維的形態和物理機械性能測試

參照參考文獻[7]，測試纖維的形態；參照GB/T14337-2008《化學纖維、長纖維拉伸性能試驗方法》測試纖維的物理機械性能，預加張力0.30cN，統計次數：20，夾持距離：10mm，速度: 50 mm/min，溫濕度: 20℃、65%。

1.3化學性能測試

參照參考文獻[8]測試纖維的吸水率；將PLA纖維浸泡在pH值為10，溫度為45℃的洗滌水中浸泡30分鐘，烘干，測試PLA纖維浸泡前后的長度（L），根據公式（1），計算PLA纖維的縮水率（Q）；

Q=L0-L/L0（1）

其中，L0—浸泡前纖維的長度（mm）；L —浸泡后纖維的長度（mm）。

將PLA纖維分別浸泡在溫度為30℃的鹽酸溶液（濃度分別為10%，20%，30%）、氫氧化鈉溶液（濃度分別為5%，15%，25%）和碳酸鈉溶液（濃度分別為5%，15%，25%）中處理30分鐘，烘干后測試纖維的斷裂強力，計算處理前后PLA纖維的強力損失率；將PLA纖維分別浸泡在濃度為25%的鹽酸、10%的氫氧化鈉和60%的丙酮溶液中，在30℃、40℃、50℃和60℃分別處理30分鐘，烘干后測試纖維的斷裂強力，計算處理前后PLA纖維的強力損失率。

2　結果與討論

2.1纖維的表面形態

圖1所示為PLA纖維的橫截面和縱向表面形態。從圖1可以看出，PLA纖維的橫截面呈比較規則的圓形，縱向光滑，和PET纖維的形態很相似。PLA纖維是熱塑性合成纖維[9]，可以采用熔融紡絲，紡絲過程中噴絲孔的形狀決定纖維的截面狀態。PLA纖維的表面光滑，絲束間纖維不相互粘連，纖維間的抱合力小，導致PLA短纖維在紡紗過程中容易滑脫，可用異形纖維和卷曲的纖維與PLA短纖維混紡來改善這一缺陷。

圖1　PLA纖維的橫截面（左）與縱向（右）形態（×400）

2.2纖維的物理機械性能

從表1可以看出，PLA纖維的物理機械性能優異，其斷裂強度接近PET纖維，但是斷裂延伸率比PET纖維高很多。相對于PET纖維而言，PLA纖維的彈性很好，而織物的耐磨性除了和纖維的強度有關系外，還和織物的彈性密切相關，所以PLA纖維的耐穿著性比PET纖維還要好。

表1　PLA纖維與PET纖維的物理機械性能

從圖2可以看出，PLA纖維的屈服平臺很寬，這與PLA纖維良好的彈性和彈性回復性有關。PLA纖維的大分子結構決定它有良好的回彈性，在5%應變作用下，回彈率是93%，在10%應變作用下，回彈率是64.9%；而PET纖維在5%的應變作用下，回彈率是63.9%，在10%的應變作用下，回彈率是51.9%[10]。當纖維應變在0%-2.5%內時，PLA纖維和PET纖維表現出來的急彈性變形相似，應變在7.5%后，PLA纖維的屈服平臺出現，而PET纖維屈服平臺表現不明顯，而是隨著纖維的伸長應力急劇增加，PET纖維應變達20%時斷裂，此時PLA纖維的強化點還未出現。因此可以預測PLA纖維與PET纖維的混紡紗被拉伸時，混紡紗的受力主體是PET纖維，PET纖維會像棉/PLA混紡紗、莫代爾/PLA混紡紗中的棉和莫代爾纖維一樣先斷裂。

圖2　PLA纖維與PET纖維的應力-應變曲線

1-PET纖維；2-PLA纖維

2.3纖維的吸濕性

按照纖維吸水率公式W= G0-G1/G1，計算得出棉纖維、PET纖維和PLA纖維的吸水率，所得結果見表2。棉的吸水率為43.9%，PLA纖維的吸水率為7.07%，PET纖維的吸水率為4.98%。同一測試條件下PLA纖維的吸水率比棉纖維低但比PET纖維高，這是因為纖維的吸濕性能與纖維親水基團的多少密切相關，大分子中所含大親水基團越多，纖維的吸濕性越好。棉纖維是天然纖維素纖維，大分子中的每一葡萄糖剩基中含有3個羥基，親水基團數遠遠超過了PLA纖維和PET纖維，而PLA纖維和PET纖維在端基中才有吸濕基團，而且PLA纖維的端基中的親水基團在整個大分子中所占比例比PET纖維多些，所以PLA纖維的吸濕性比PET纖維好而比棉纖維差。

表2　PLA纖維的吸水率

表3　PLA纖維的縮水率

2.4纖維的縮水率

按照纖維縮水率公式Q=L0-L/L0，計算得PLA纖維的平均縮水率為15.71%，說明PLA纖維在堿性洗滌條件下的收縮性很大。與酸性和中性洗滌劑相比，堿性洗滌劑可有效地去除衣物上的污漬，且PLA纖維染后的還原清洗條件為堿性條件[4]， 所以PLA纖維制品跟堿接觸的機會大，而未經過熱定型處理的PLA纖維制品經堿性溫水浸泡后的尺寸穩定性差，因此我們有必要通過熱定性處理減少堿對PLA纖維制品的穩定性影響。PLA纖維的玻璃化溫度在58℃-62℃，而熱定型的溫度定在纖維的玻璃化溫度與熔融溫度之間，將PLA纖維制品在100℃進行熱定型處理30秒，即可改善其縮水性。

2.5耐酸堿性

從圖3可以看出，在30℃下，PLA纖維經10%的鹽酸處理30分鐘時強力損失率為13.9%，加大鹽酸的濃度至20%、30%時強力損失率為16.7%、23.6%；PLA纖維經5%的碳酸鈉溶液處理30分鐘時強力損失率為17.6%，碳酸鈉的濃度加大至15%、25%時強力損失率為19.8%、22.1%；PLA纖維經5%的氫氧化鈉處理30分鐘時強力損失率為23.2%，加大氫氧化鈉的濃度至15%，強力損失率為74.3%，加大氫氧化鈉溶液的濃度至25%，PLA纖維被浸泡30分鐘后強力消失，纖維解體。

從圖3可以看出，PLA纖維的耐酸性比耐堿性好，而且纖維的強力損失率與酸堿溶液的濃度密切相關。濃度在5%以下的酸堿對PLA纖維的腐蝕降解程度相差不大，5%以上的強堿對PLA纖維的降解程度遠遠超過弱堿和強酸。PLA纖維的強力損失率與強堿溶液的濃度幾乎呈正比，所以PLA纖維制品在使用過程中，應該避免長時間接觸強堿溶液。

圖3 PLA纖維的強力損失率-處理濃度曲線

圖4　PLA纖維的強力損失率-處理溫度曲線

從圖4可以看出，PLA纖維25%鹽酸溶液浸泡時，當溫度升高到50℃時強力損失率為22.3%；在濃度為60%的30℃的丙酮溶液中浸泡時強力損失率為10.56%，升高浸泡溫度至60℃，PLA纖維的強力損失率為10.88%，提高丙酮溶液的溫度對PLA纖維的強力損失率影響不大；在10%氫氧化鈉溶液中浸泡時，當溫度上升到60℃時強力損失率為100%，所以堿處理改善PLA纖維制品的風格時，堿用量在達到處理效果的前提下越少越好。

不同介質的水溶液，主要包括不同pH值的酸堿溶液，在這類化學降解反應中起著程度不同的催化加速作用或一定的緩沖作用。PLA材料在酸、堿溶液以及丙酮溶液中，其拉伸強力發生變化的主要原因是PLA高分子聚合物的化學降解，其長鏈段斷裂的薄弱環節[11]-酯鍵結構（CH3CHCOO-）在一定條件下易發生水解。從圖3和圖4中可看出PLA纖維在堿溶液中的強力損傷程度大大超過了在酸溶液中的強力損傷程度，堿存在時CH3CHCOO-水解生成了羧酸鈉，催化和加速了CH3CHCOO-的斷裂[12]，使水解反應向正方向進行，而酸性物質對CH3CHCOO-的斷裂有一定的緩沖作用，在一定程度下緩解了水解朝正反應方向進行。乳酸又稱2-羥基丙酸，屬于脂肪族聚酯[13]，是世界上公認的三大有機酸之一[14]，丙酮作為有機溶劑，不與PLA材料發生化學反應，不改變纖維大分子主鏈上的結構，圖4中PLA纖維經丙酮浸泡強力還是有所下降是因為PLA在熱濕條件下自身發生了很弱的水解反應。

3　結論

（1）PLA纖維的強度與PET纖維相近，彈性比PET纖維好。在同一測試環境中，PLA纖維的吸水率為7.07%，PET纖維的吸水率為4.98%，棉纖維的吸水率為43.9%，PLA纖維的吸水性比棉纖維差但比PET纖維好。

（2）PLA纖維在45℃的pH值為10的溶液浸泡半個小時的縮水率為15.71%，未經熱定型處理的PLA織物用堿性洗滌劑時尺寸穩定性不好，可通過熱定型處理或者用中性洗滌劑來減少堿對PLA纖維制品的損傷。

（3）濃度的5%以下強堿與弱堿對PLA纖維的腐蝕程度相差不大，但5%以上的強堿對PLA纖維的腐蝕程度遠遠超過弱堿和強酸對PLA纖維的腐蝕程度，PLA纖維強力損失率與強堿濃度幾乎呈正比，而在弱堿和鹽酸中，酸和堿的濃度的增大時強力損失速率下降，PLA纖維對強堿很敏感，經25%的30℃的氫氧化鈉溶液處理30分鐘，強力完全消失，所以堿處理改善聚乳酸纖維制品的風格時，堿用量在達到處理效果的前提下越少越好。

（4）PLA纖維在25%鹽酸溶液、60%的丙酮溶液以及10%的氫氧化鈉溶液中浸泡時，在60℃的溶液中浸泡30分鐘，此過程中PLA纖維強力損失率分別為22.3%、10.88%、100%，提高丙酮溶液的溫度，對PLA纖維的強力損失率影響不大。PLA纖維的耐酸堿以及有機溶劑的能力大小順序為：丙酮>鹽酸>碳酸鈉>氫氧化鈉。

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Study on Performance of PLA Fiber

XIONG Chun-hua , ZHANG Chuan-jie, ZHANG Nan-nan, ZHU Ping, CUI Li

( Key Laboratory of Green Processing and Functional Textiles of New Textile Materials of Ministry of Education, Wuhan Textile University, Wuhan Hubei 430073, China )

The surface morphology, physical and mechanical properties of PLA fibers were tested in this research, and were made a comparison with polyester fibers. This paper also studied the water absorption of PLA fibers, fibers’ contraction in alkaline detergent as well as the fibers’ strength damage in acids, alkalis and organic solvents. The results showed that the breaking tenacity and shape of PLA fibers were similar to PET fibers, the water absorption of PLA fibers was lower than cotton fibers but higher than PET fibers, PLA fibers’ shrinkage and the loss rate were very high in alkaline conditions, fibers’ ability of resisting to acids, alkalis and organic solvents was shown in the order: acetone> hydrochloric acid>sodium carbonate> sodium hydroxide.

PLA Fibers; Physical and Mechanical Properties; Shrinkage; Acid and Alkali Resistance

TQ342.87

A

1009－5160(2011)03－0007－04

湖北省自然科學基金重點項目（2009CDA033），武漢紡織大學校基金項目（2009）.

*通訊作者：朱 平（1957-），男，教授，博士生導師，湖北省“楚天學者”，研究方向: 功能纖維以及功能紡織品.