聚乳酸纖維抗菌復合紗的開發

秦瀟璇 魏艷紅 蘇旭中 劉新金 魏 嘉

（1.無錫城市職業技術學院，江蘇無錫，214000；2.江南大學，江蘇無錫，214122）

紗線功能化已成為近年業界在產品差別化、擴展市場、提高產品附加值和科技含量的重要手段?？咕徔椘肥蔷哂芯薮笫袌鰸摿颓熬暗墓δ苄援a品，發達國家大力研發，市場快速擴大，新產品層出不窮，用來滿足公眾對紡織品功能多樣化選擇?？咕徔椘繁仨殱M足對人體皮膚無刺激性和致敏作用，對黏膜不應產生刺激作用，無“三致”（致畸，致突變，致癌）物質釋放，與人體皮膚直接接觸的紡織品對人體皮膚正常菌群不應產生影響，目前開發抗菌織物比較常用的方法是采用抗菌纖維混紡或抗菌后整理技術。抗菌后整理一般會用到化學抗菌劑如納米抗菌劑，一些專家認為化學抗菌劑可能對人體存在安全隱患，應該慎用［1］。而對于抗菌纖維混紡，所采用的纖維一般為經過整理的纖維，例如采用離子改性等，這種改性纖維會對原纖維的性質產生影響。

目前抗菌織物向多功能復合、智能可控、高效可再生、綠色環保方向發展。本文將聚乳酸、聚羥基丁酸羥基戊酸共聚酯共混長絲（以下簡稱PLA/PHBV長絲）與聚乳酸（PLA）纖維進行復合，開發一種生物質抗菌復合紗，利用該紗線生產的紡織品具有天然抗菌效果。

1 原料

1.1 PLA纖維

PLA是一種新型生物基材料，也是一種低能耗產品，其原料來源于可再生植物資源，如玉米、小麥、木薯等農作物［2］。廢棄后的PLA可在土壤中微生物和水的作用下完全分解為二氧化碳和水，而后經植物光合作用，水和二氧化碳可再形成淀粉類物質，又可為PLA的合成提供原料，從而實現“源于自然，歸于自然”的碳循環，同時PLA具有抗菌作用［3］。

1.2 PLA/PHBV長絲

PHBV是一種由微生物合成的脂肪族聚酯，具有生物可降解性和良好的生物相容性，它由細菌生產，能被細菌消化，在土壤或堆肥化條件下完全分解為二氧化碳、水和生物質，不會給環境帶來污染［4］。PLA/PHBV長絲是利用PLA與PHBV形成的共混長絲。

1.3 原料性能

1.3.1 PLA纖維的性能

PLA纖維購自恒天中纖紡化無錫有限公司，規格1.67 dtex×38 mm。PLA纖維的橫截面與縱向見圖1。由圖1可知，PLA纖維的橫截面近似圓形，縱向比較平直、光滑。其強伸性指標：線密度1.67 dtex，斷裂強力5.96 cN，斷裂強度3.56 cN/dtex，斷裂伸長率43.65%。

圖1 PLA纖維的電鏡圖（×40）

1.3.2 PLA/PHBV長絲的性能

PLA/PHBV長絲購自紹興喜能紡織科技有限公司，其強伸性能指標：線密度3.33 tex，噴絲孔數24 F，斷裂強力104.9 cN，斷裂強度31.5 cN/tex，斷裂伸長率25.85%，初始模量567.9 cN/tex，5%定伸長彈性回復率（1次）62.56%，5%定伸長彈性回復率（5次）53.68%。

2 紡紗工藝流程

該生物質抗菌復合紗是利用PLA粗紗與PLA/PHBV長絲在細紗工序進行復合，其中PLA粗紗是利用購買的PLA纖維在江南大學紡紗實驗室生產。該復合紗的生產工藝流程如下。

PLA粗紗：HYF02180型混開棉機→A186G型梳棉機→FA320A型高速并條機（兩道）→THC2015型粗紗機。

復合紗：QFA1528型集聚紡細紗機。

3 工藝參數

3.1 梳棉工序

3.1.1 生條定量

PLA生條定量過輕，則棉網間抱合力差，從而引起棉網漂浮和剝棉困難，不利于棉網的形成，并對生條條干不利，同時斷頭增加，不適應棉條的高速輸出，因此生條定量不宜過輕，一般為20 g/5 m～25 g/5 m。但PLA也不宜過重，過重的生條定量意味著整個紡紗過程中牽伸倍數要隨之增加，而牽伸倍數增加會使紗疵增加；同時由于PLA纖維的彈性好，條子粗而蓬松，容易堵塞喇叭口和圈條斜管，影響成紗質量。PLA生條定量設定為21 g/5 m。

3.1.2 主要速度

為了防止纖維損傷、減少短絨，錫林速度可適當降低。刺輥速度直接影響梳棉機的預梳程度及后車肚氣流。錫林與刺輥線速比影響纖維由刺輥向錫林的轉移，不良的轉移會產生棉結，由于PLA纖維長度長，錫林與刺輥線速比應比紡純棉時大些，一般為1.8～2.6。因PLA原料中含有疵點很少，為了節約原料，宜用較低的蓋板速度，并反轉蓋板以提高分梳效果。錫林速度340 r/min，刺輥速度693 r/min，錫林與刺輥線速比2.46，蓋板速度101 mm/min，

3.1.3 主要隔距

給棉板與刺輥隔距0.46 mm，刺輥與除塵刀隔距0.48 mm，刺輥與錫林隔距0.13 mm，錫林與蓋板隔距 0.30 mm、0.25 mm、0.25 mm、0.25 mm、0.30 mm，錫林與道夫隔距0.13 mm，除塵刀位置平機框，除塵刀角度90°。

3.1.4 測試指標

PLA生條的實際定量21.1 g/5 m，條干不勻率3.67%，棉結10粒/g。

3.2 并條工序

并條是提高纖維伸直平行度與紗條條干均勻度的關鍵工序，并條工序要求紡制定量符合設計標準、條干均勻度好、重量不勻率低和紗疵少的熟條。

為提高纖維的伸直平行度，并粗工序應遵循奇數法則。在普梳紡紗系統中，粗紗采用一道，并條采用兩道。喂入頭并的梳棉條子中，前彎鉤纖維較多，且平均長度較正常纖維短，浮游纖維多，故采用較小的前區牽伸倍數，以改善成紗質量，頭道前區牽伸不宜過大，后區牽伸1.8倍左右。喂入二道并條的條子纖維的伸直平行度較好，纖維以后彎鉤居多，較大的牽伸有利于消除彎鉤，選擇較大的前區牽伸，二道并條的后區牽伸1.3倍左右，后區采用小倍數牽伸，則牽伸后進入前區的須條不至于嚴重擴散，須條中纖維抱合緊密，有利于前區牽伸的進行。在生產過程中PLA容易纏繞膠輥羅拉，要嚴格控制車間溫濕度，且并條速度不宜過快。并條工序主要工藝參數及各項指標如下。其中，兩道并條的羅拉隔距均為12 mm×9.5 mm×15 mm，出條速度均為200 m/min。

項目 頭道 二道

并合數/根 6 7

總牽伸/倍 7.318 7.736

后區牽伸/倍 1.804 1.267

喇叭口徑/mm 3.6 3.2

定量/g·（5 m）-117.25 16.78

條干CV/% 3.25 2.97

3.3 粗紗工序

由于PLA纖維長度長，在牽伸過程中的牽伸力較大，且細紗為賽絡紡，故粗紗定量宜偏輕掌握，有利于成紗質量的穩定；同時由于粗紗是雙膠圈牽伸，粗紗定量不宜過重，過重時中上羅拉易打滑，使上下膠圈間速度差異較大，從而產生膠圈間須條分裂或分層現象。另外，粗紗捻系數設計較純棉時小一些，過大的捻系數在細紗會出現牽伸不開吐“硬頭”現象。由于該復合紗主要用于開發針織面料，為了減少粗紗退繞時的斷頭，加強細紗機后牽伸區的摩擦力界作用，以減少成紗細節，提高成紗的條干均勻度，PLA粗紗的捻系數也不能過小。粗紗工序主要工藝參數：定量4.2 g/10 m，捻系數73.8，捻度3.6捻/10 cm，總牽伸8.26倍，后區牽伸1.244倍，羅拉隔距11 mm×26 mm×38 mm，鉗口隔距5.0 mm，錠速900 r/min。粗紗條干CV5.15%。

3.4 細紗工序

細紗工序采用窄槽式負壓空心羅拉集聚紡裝置［5］，紡制賽絡紡 PLA 與 PLA/PHBV長絲的包纏紗（以下簡稱PLA/PLA/PHBV長絲復合紗），即一根PLA/PHBV長絲包纏兩根PLA粗紗，PLA/PHBV長絲在最右面，在捻度（Z捻）作用下將兩根PLA粗紗包纏，其中復合紗線密度 18.5 tex，PLA/PHBV長絲線密度3.33 tex。PLA/PLA/PHBV長絲復合紗紡紗示意見圖2。

圖2 PLA/PLA/PHBV長絲復合紗紡紗示意圖

由于開發的PLA/PLA/PHBV長絲復合紗主要用作針織紗，織物要求柔軟，同時紗線外層由PLA/PHBV長絲包纏，可以提高紗線強力，故細紗捻度偏小設計。長絲預牽伸在1.25倍及以下時，長絲張力太小容易從膠輥邊緣滑脫；預牽伸為1.26倍時，長絲張力不穩定，長絲在紗體內不能完全伸直，容易產生抖動，影響紗線的包纏性；當預牽伸超過1.29倍時，長絲的塑性變形增加，不利于紗線彈性的回復，同時易造成斷絲。細紗工序主要工藝參數：設定捻度81.79捻/10 cm，長絲預牽伸1.27倍，后區牽伸1.28倍，隔距塊2.5 mm，鋼絲圈型號4/0#，錠速15 000 r/min。

4 紗線性能

4.1 紗線質量

紗線細度采用YG086型縷紗測長儀測量，在FA2104S型電子天平上稱量。采用XL-2型紗線強伸度儀測試紗線的斷裂強力、初始模量，預加張力0.5 cN/tex，測試速度500 mm/min，測試長度500 mm。條干均勻度參照GB/T 3292.1—2008《紡織品紗條條干不勻試驗方法 電容法》，采用USTER TESTER 5型條干測試儀，測試時間1 min，測試速度400 m/min。紗線毛羽利用ZWEIGLE HL400型毛羽儀測試紗線毛羽，紗線退繞速度400 m/min，測試時間1 min。捻度利用Y331A型紗線捻度機測試紗線捻度。外觀測試利用VHX-5000型超景深三維數碼顯微鏡觀察紗線的包纏效果。

PLA/PLA/PHBV長絲復合紗的性能指標：條干CV10.12%，毛羽H值2.56，細節0個/km，粗節 2.5個/km，棉結 15個/km，實際捻度78.05捻/10 cm，斷裂強力290.74 cN，斷裂伸長率7.8%，初始模量276.5 cN/tex。數據顯示：開發的復合紗線具有較小的條干CV值，成紗粗細節、棉結較少，斷裂強力較高，滿足針織紗織造的強力要求。

圖3為PLA/PLA/PHBV長絲復合紗外觀圖，圖3顯示出PLA/PHBV長絲將PLA纖維均勻包纏，紗線毛羽少。

圖3 PLA/PLA/PHBV長絲復合紗外觀圖

4.2 紗線的抗菌性

按照GB/T 20944.3—2008《紗線抗菌性能的評價第三部分：振蕩法》，對所紡制的PLA/PLA/PHBV長絲復合紗進行抗菌性能測試。如果紗線對菌種的抑菌率≥70%，認為紗線有抗菌性能。

本文運用3種菌種做試驗，分別是金黃色葡萄球菌、大腸桿菌、白色念珠菌。為了使試驗具有可比性，利用相同號數的純棉紗作對比樣，PLA/PLA/PHBV長絲復合紗與致病菌作用18 h的抑菌率測試結果見表1。

由表1可知，所紡制的PLA/PLA/PHBV長絲復合紗對大腸桿菌、金黃色葡萄球菌、白色念珠菌的抑菌率均大于70%，而純棉紗的抑菌率明顯較低。因此，本文開發的PLA/PLA/PHBV長絲復合紗具有優異的抗菌性能。

表1 PLA/PLA/PHBV長絲復合紗抑菌率

5 結語

在紡織品舒適、環保、功能等流行趨勢引導下，將功能性與生物可降解綠色環保理念相結合，開發了PLA纖維與PLA/PHBV共混長絲的生物質抗菌復合紗線，一方面使得所開發的紗線具有天然的環保效果，實現了基于纖維固有特性的抗菌紗線的生產，大幅減少甚至消除織物為達到抗菌性所需的“后整理”環節，另一方面采用長絲與短纖復合的方式，通過長絲對雙須條的包纏有效提高紗線的綜合性能，尤其是成紗斷裂強力，同時采用短纖有效保持后道織物的服用性能。PLA粗紗加工中，生條定量適中掌握，并條工序嚴格控制車間溫濕度，粗紗定量和捻系數均偏小掌握；長絲復合細紗生產中，細紗捻度偏小設計，細紗設計捻度81.79捻/10 cm，長絲預牽伸優選1.27倍。通過抗菌性試驗驗證了開發的PLA/PLA/PHBV長絲復合紗具有較好的抗菌性。