生物基聚合物的熔融紡絲：熔紡生物高分子的性能及潛能概述

J. Davin, P. K. Manvi, G. Seide, T. Gries

亞琛工業(yè)大學(xué) 紡織技術(shù)研究所(德國(guó))

生物基聚合物的熔融紡絲：熔紡生物高分子的性能及潛能概述

J. Davin, P. K. Manvi, G. Seide, T. Gries

亞琛工業(yè)大學(xué) 紡織技術(shù)研究所(德國(guó))

摘要：近年來(lái)，隨著人們環(huán)保意識(shí)的增強(qiáng)及生物高分子的生態(tài)友好性，生物基聚合物在生產(chǎn)與應(yīng)用方面呈現(xiàn)出增長(zhǎng)趨勢(shì)。然而，在紡織領(lǐng)域，生物高分子卻僅占據(jù)較低的市場(chǎng)份額，與傳統(tǒng)聚合物相比，其力學(xué)性能不足、加工性能差且價(jià)格高昂。生物高分子(俗稱(chēng)生物塑料)的產(chǎn)量持續(xù)增長(zhǎng)，2012年產(chǎn)量已達(dá)150萬(wàn)t，預(yù)計(jì)2018年將達(dá)670萬(wàn)t。

關(guān)鍵詞：生物高分子；熔融紡絲；力學(xué)性能

1生物高分子的分類(lèi)與分布

原油不僅是一種能源，還是當(dāng)今社會(huì)所采用的一切化學(xué)產(chǎn)品的基礎(chǔ)。在這些產(chǎn)品中，最重要的兩類(lèi)材料當(dāng)屬高分子和塑料。由于石油及石油化工產(chǎn)品屬于有限資源，因而開(kāi)發(fā)生物基聚合物代替石油化工類(lèi)產(chǎn)品引發(fā)了人們廣泛的興趣。生物高分子并不是指具有特殊性能的一類(lèi)材料，而是指生物基的或具有生物可降解性能的一類(lèi)材料。根據(jù)來(lái)源和降解性能可將生物高分子分為如圖1所示的4類(lèi)。

圖1　生物高分子的分類(lèi)

很多因素都會(huì)影響生物高分子產(chǎn)品的市場(chǎng)增長(zhǎng)及其在全球的應(yīng)用。如，生產(chǎn)便利性、加工方法、產(chǎn)品性能、成本、生物相容性等。這些因素直接影響消費(fèi)者對(duì)這類(lèi)產(chǎn)品的興趣，從而決定了聚合物生產(chǎn)商對(duì)生物高分子的市場(chǎng)推廣力。圖2和圖3分別給出了2013年全球范圍內(nèi)生物高分子的種類(lèi)分布及2011年生物高分子的應(yīng)用分布情況。

圖2　2013年全球生物高分子的種類(lèi)分布

圖3　2011年全球生物高分子的應(yīng)用分布(單位:萬(wàn)t)

2熔紡生物高分子長(zhǎng)絲的制備及其性能

生物高分子的應(yīng)用領(lǐng)域及其在產(chǎn)業(yè)用紡織品領(lǐng)域的應(yīng)用取決于它的力學(xué)性能。因而，另一個(gè)影響其市場(chǎng)價(jià)值的因素是它的拉伸強(qiáng)度。圖4對(duì)比了不同生物高分子的力學(xué)性能。在眾多的生物高分子材料中，聚乙烯呋喃酸酯(PEF)的拉伸強(qiáng)度最高，聚乳酸(PLA)的拉伸強(qiáng)度次之。目前，PEF多用于生產(chǎn)瓶子，但PEF的產(chǎn)量不高，從而限制了它在其他領(lǐng)域的應(yīng)用。而PLA早已實(shí)現(xiàn)了工業(yè)化生產(chǎn)，并且在諸多領(lǐng)域表現(xiàn)出很大的開(kāi)發(fā)潛能。

圖4　生物高分子的拉伸強(qiáng)度

后文將具體闡述PLA預(yù)取向絲(POY)的制備工藝及相關(guān)研究。若要制作一件PLA T恤(圖5)，需要在PLA熔融紡絲后對(duì)紗線(xiàn)進(jìn)行變形加工。

圖5　PLA紗線(xiàn)變形加工后得到的T恤

熔融紡絲及變形加工的工藝參數(shù)如下所述。

——PLA熔融紡絲的工藝參數(shù)

干燥溫度：140 ℃

擠出溫度：230 ℃

側(cè)吹風(fēng)參數(shù)：0.55 m/s，18 ℃

加工速度：2 500 m/min

POY的線(xiàn)密度：165 dtex

——PLA變形處理的工藝參數(shù)

變形工藝：假捻

加熱器溫度：205 ℃

拉伸倍數(shù)：1.95

速比：1.8

加工速度：600 m/min

熔融紡絲時(shí)，纖維可以順利地從噴絲口擠出，難點(diǎn)在于卷繞。加工運(yùn)行過(guò)程中，僅卷繞10 min后， 卷繞筒上的紗線(xiàn)就會(huì)發(fā)生斷裂，而且當(dāng)卷繞速度為2 500～ 3 500 m/min時(shí)，也會(huì)出現(xiàn)斷裂現(xiàn)象。

這種現(xiàn)象可以解釋為，在紡絲過(guò)程中纖維發(fā)生了快速結(jié)晶，即在快速紡絲(如PET紡絲)過(guò)程中產(chǎn)生了應(yīng)力誘導(dǎo)結(jié)晶。纖維內(nèi)部分子的高度取向促進(jìn)了結(jié)晶進(jìn)程。然而，當(dāng)PLA的紡絲速度進(jìn)一步加大時(shí)，卻不會(huì)影響結(jié)晶度和加工的穩(wěn)定性。

顯而易見(jiàn)的是，由于冷卻速度過(guò)快，高分子迅速固化，使得其在到達(dá)卷繞區(qū)時(shí)分子鏈尚未完全伸展。同時(shí)，在卷繞過(guò)程中，由于摩擦導(dǎo)致絲束的溫度升高，造成了其輕微松弛，進(jìn)而導(dǎo)致絲束不能緊密地纏繞在筒管上，破壞了絲束在筒管上的成形。

為解決上述問(wèn)題，設(shè)計(jì)了另一個(gè)用于PLA熔融紡絲的裝置(圖6)。這個(gè)裝置與全拉伸絲(FDY)的加工裝置類(lèi)似，只是沒(méi)有后期的拉伸工序。絲束在100 ℃下經(jīng)過(guò)兩組導(dǎo)絲輥，從而使得纖維有充分的時(shí)間進(jìn)行松弛和結(jié)晶，其他工序的工藝參數(shù)則與原來(lái)的POY紡絲試驗(yàn)相同。在該裝置條件下，可連續(xù)卷繞2 h，制得5 kg絲束。

圖6　用于PLA熔融紡絲的POY裝置及類(lèi)似FDY裝置

紡制的PLA絲束與PET絲束的力學(xué)性能對(duì)比如圖7所示。從圖7可以看出，PLA絲束的斷裂強(qiáng)度比PET的低很多，而斷裂伸長(zhǎng)率則處于同一水平。

圖7　PLA絲束與PET絲束力學(xué)性能的對(duì)比

黃鑠涵 譯王依民 校

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Melt spinning of bio-based polymers：Overview on properties and potential of melt spinnable biopolymers

JulienDavin,PavanKumarManvi,GunnarSeide,ThomasGries

Institute für Textiltechnik Der RWTH, Aachen University, Aachen/Germany

Abstract:An increasing trend for biopolymer production and application is being seen due to environmental awareness in the past years and eco-friendliness of biopolymers. In the textile sector biopolymers occupy a relatively low market share due to their insufficient mechanical properties compared to conventional polymers, challenges during polymer processing and their higher price. The production of biopolymers (commonly known as bioplastics ) is continuously increasing and recorded as 1.5 million tons in 2012, which is expected to reach to 6.7 million metric tons in 2018.

Key words:biopolymer； melt spinning； mechanical property