PLA纤维的性能研究

熊春华，张传杰，张楠楠，朱　平，崔　莉



PLA纤维的性能研究

熊春华，张传杰，张楠楠，朱平*，崔莉

（武汉纺织大学 新型纺织材料绿色加工及其功能化教育部重点实验室，湖北 武汉 430073）

本文研究了PLA纤维的表面形态、物理机械性能、吸水性、在碱性洗涤剂中的收缩性，以及酸、碱和有机溶剂对PLA纤维的强力损伤程度。结果表明：PLA纤维的强度与形态和PET纤维相近，吸水率比棉小但比PET纤维大，PLA纤维在碱性条件下缩水率和强力损失速率大，PLA纤维抵抗酸碱和有机溶剂的能力大小为：丙酮>盐酸>碳酸钠>氢氧化钠。

PLA纤维；物理机械性能；缩水率；耐酸碱性

自21世纪以来，开发利用绿色环保型材料成为保护自然资源，建立资源可持续发展的一大重要措施[1-4]。PLA纤维是以玉米或红薯淀粉为原料，经发酵获得乳酸，然后通过聚合、纺丝得到的纺织纤维[5]。PLA纤维生产过程不使用和产生有毒物质，其制品在土壤或海水的微生物作用下可降解为二氧化碳和水，对环境无害，是一种无毒、无害、可生物降解、可回收利用的绿色环保纤维[2]。因此，PLA纤维成为纺织领域近年来的研究热点。PLA纤维融合了天然纤维和合成纤维的特点，具有优异的物理机械性能，PLA纤维制品的耐热性好，易将汗水排出、有优异的接触感、导湿性能、回弹性和抗污性[1-3]，但是PLA纤维抱合力差，在热、湿作用下容易引起纤维的强力损伤[6]，而且很容易受碱腐蚀。

1　实验部分

1.1实验材料与仪器

碳酸钠（分析纯，天津市恒新化学试剂制造有限公司）；氢氧化钠(分析纯，上海试验试剂有限公司)；盐酸（分析纯，武汉华工精细化工有限公司）；丙酮（分析纯，兰州化学工业公司）；PLA纤维（常熟市长江化纤有限公司）。

XSZ-HY型荧光显微镜（重庆麦克光电仪器有限公司）；JN-B型精密扭力天平（上海第二天平仪器厂）；80-2型离心机（江苏省金坛市荣华仪器制造有限公司）；101-6A型恒温干燥箱（沪鑫电炉烘箱厂）；AUY220型电子天平（苏州丰盛电子科技有限公司）；HH-S型数显恒温水浴锅（金坛市岸头国瑞实验仪器厂）；YG(B)003A型强力测试仪（温州大荣纺织仪器有限公司）。

1.2纤维的形态和物理机械性能测试

参照参考文献[7]，测试纤维的形态；参照GB/T14337-2008《化学纤维、长纤维拉伸性能试验方法》测试纤维的物理机械性能，预加张力0.30cN，统计次数：20，夹持距离：10mm，速度: 50 mm/min，温湿度: 20℃、65%。

1.3化学性能测试

参照参考文献[8]测试纤维的吸水率；将PLA纤维浸泡在pH值为10，温度为45℃的洗涤水中浸泡30分钟，烘干，测试PLA纤维浸泡前后的长度（L），根据公式（1），计算PLA纤维的缩水率（Q）；

Q=L0-L/L0（1）

其中，L0—浸泡前纤维的长度（mm）；L —浸泡后纤维的长度（mm）。

将PLA纤维分别浸泡在温度为30℃的盐酸溶液（浓度分别为10%，20%，30%）、氢氧化钠溶液（浓度分别为5%，15%，25%）和碳酸钠溶液（浓度分别为5%，15%，25%）中处理30分钟，烘干后测试纤维的断裂强力，计算处理前后PLA纤维的强力损失率；将PLA纤维分别浸泡在浓度为25%的盐酸、10%的氢氧化钠和60%的丙酮溶液中，在30℃、40℃、50℃和60℃分别处理30分钟，烘干后测试纤维的断裂强力，计算处理前后PLA纤维的强力损失率。

2　结果与讨论

2.1纤维的表面形态

图1所示为PLA纤维的横截面和纵向表面形态。从图1可以看出，PLA纤维的横截面呈比较规则的圆形，纵向光滑，和PET纤维的形态很相似。PLA纤维是热塑性合成纤维[9]，可以采用熔融纺丝，纺丝过程中喷丝孔的形状决定纤维的截面状态。PLA纤维的表面光滑，丝束间纤维不相互粘连，纤维间的抱合力小，导致PLA短纤维在纺纱过程中容易滑脱，可用异形纤维和卷曲的纤维与PLA短纤维混纺来改善这一缺陷。

图1　PLA纤维的横截面（左）与纵向（右）形态（×400）

2.2纤维的物理机械性能

从表1可以看出，PLA纤维的物理机械性能优异，其断裂强度接近PET纤维，但是断裂延伸率比PET纤维高很多。相对于PET纤维而言，PLA纤维的弹性很好，而织物的耐磨性除了和纤维的强度有关系外，还和织物的弹性密切相关，所以PLA纤维的耐穿着性比PET纤维还要好。

表1　PLA纤维与PET纤维的物理机械性能

从图2可以看出，PLA纤维的屈服平台很宽，这与PLA纤维良好的弹性和弹性回复性有关。PLA纤维的大分子结构决定它有良好的回弹性，在5%应变作用下，回弹率是93%，在10%应变作用下，回弹率是64.9%；而PET纤维在5%的应变作用下，回弹率是63.9%，在10%的应变作用下，回弹率是51.9%[10]。当纤维应变在0%-2.5%内时，PLA纤维和PET纤维表现出来的急弹性变形相似，应变在7.5%后，PLA纤维的屈服平台出现，而PET纤维屈服平台表现不明显，而是随着纤维的伸长应力急剧增加，PET纤维应变达20%时断裂，此时PLA纤维的强化点还未出现。因此可以预测PLA纤维与PET纤维的混纺纱被拉伸时，混纺纱的受力主体是PET纤维，PET纤维会像棉/PLA混纺纱、莫代尔/PLA混纺纱中的棉和莫代尔纤维一样先断裂。

图2　PLA纤维与PET纤维的应力-应变曲线

1-PET纤维；2-PLA纤维

2.3纤维的吸湿性

按照纤维吸水率公式W= G0-G1/G1，计算得出棉纤维、PET纤维和PLA纤维的吸水率，所得结果见表2。棉的吸水率为43.9%，PLA纤维的吸水率为7.07%，PET纤维的吸水率为4.98%。同一测试条件下PLA纤维的吸水率比棉纤维低但比PET纤维高，这是因为纤维的吸湿性能与纤维亲水基团的多少密切相关，大分子中所含大亲水基团越多，纤维的吸湿性越好。棉纤维是天然纤维素纤维，大分子中的每一葡萄糖剩基中含有3个羟基，亲水基团数远远超过了PLA纤维和PET纤维，而PLA纤维和PET纤维在端基中才有吸湿基团，而且PLA纤维的端基中的亲水基团在整个大分子中所占比例比PET纤维多些，所以PLA纤维的吸湿性比PET纤维好而比棉纤维差。

表2　PLA纤维的吸水率

表3　PLA纤维的缩水率

2.4纤维的缩水率

按照纤维缩水率公式Q=L0-L/L0，计算得PLA纤维的平均缩水率为15.71%，说明PLA纤维在碱性洗涤条件下的收缩性很大。与酸性和中性洗涤剂相比，碱性洗涤剂可有效地去除衣物上的污渍，且PLA纤维染后的还原清洗条件为碱性条件[4]， 所以PLA纤维制品跟碱接触的机会大，而未经过热定型处理的PLA纤维制品经碱性温水浸泡后的尺寸稳定性差，因此我们有必要通过热定性处理减少碱对PLA纤维制品的稳定性影响。PLA纤维的玻璃化温度在58℃-62℃，而热定型的温度定在纤维的玻璃化温度与熔融温度之间，将PLA纤维制品在100℃进行热定型处理30秒，即可改善其缩水性。

2.5耐酸碱性

从图3可以看出，在30℃下，PLA纤维经10%的盐酸处理30分钟时强力损失率为13.9%，加大盐酸的浓度至20%、30%时强力损失率为16.7%、23.6%；PLA纤维经5%的碳酸钠溶液处理30分钟时强力损失率为17.6%，碳酸钠的浓度加大至15%、25%时强力损失率为19.8%、22.1%；PLA纤维经5%的氢氧化钠处理30分钟时强力损失率为23.2%，加大氢氧化钠的浓度至15%，强力损失率为74.3%，加大氢氧化钠溶液的浓度至25%，PLA纤维被浸泡30分钟后强力消失，纤维解体。

从图3可以看出，PLA纤维的耐酸性比耐碱性好，而且纤维的强力损失率与酸碱溶液的浓度密切相关。浓度在5%以下的酸碱对PLA纤维的腐蚀降解程度相差不大，5%以上的强碱对PLA纤维的降解程度远远超过弱碱和强酸。PLA纤维的强力损失率与强碱溶液的浓度几乎呈正比，所以PLA纤维制品在使用过程中，应该避免长时间接触强碱溶液。

图3 PLA纤维的强力损失率-处理浓度曲线

图4　PLA纤维的强力损失率-处理温度曲线

从图4可以看出，PLA纤维25%盐酸溶液浸泡时，当温度升高到50℃时强力损失率为22.3%；在浓度为60%的30℃的丙酮溶液中浸泡时强力损失率为10.56%，升高浸泡温度至60℃，PLA纤维的强力损失率为10.88%，提高丙酮溶液的温度对PLA纤维的强力损失率影响不大；在10%氢氧化钠溶液中浸泡时，当温度上升到60℃时强力损失率为100%，所以碱处理改善PLA纤维制品的风格时，碱用量在达到处理效果的前提下越少越好。

不同介质的水溶液，主要包括不同pH值的酸碱溶液，在这类化学降解反应中起着程度不同的催化加速作用或一定的缓冲作用。PLA材料在酸、碱溶液以及丙酮溶液中，其拉伸强力发生变化的主要原因是PLA高分子聚合物的化学降解，其长链段断裂的薄弱环节[11]-酯键结构（CH3CHCOO-）在一定条件下易发生水解。从图3和图4中可看出PLA纤维在碱溶液中的强力损伤程度大大超过了在酸溶液中的强力损伤程度，碱存在时CH3CHCOO-水解生成了羧酸钠，催化和加速了CH3CHCOO-的断裂[12]，使水解反应向正方向进行，而酸性物质对CH3CHCOO-的断裂有一定的缓冲作用，在一定程度下缓解了水解朝正反应方向进行。乳酸又称2-羟基丙酸，属于脂肪族聚酯[13]，是世界上公认的三大有机酸之一[14]，丙酮作为有机溶剂，不与PLA材料发生化学反应，不改变纤维大分子主链上的结构，图4中PLA纤维经丙酮浸泡强力还是有所下降是因为PLA在热湿条件下自身发生了很弱的水解反应。

3　结论

（1）PLA纤维的强度与PET纤维相近，弹性比PET纤维好。在同一测试环境中，PLA纤维的吸水率为7.07%，PET纤维的吸水率为4.98%，棉纤维的吸水率为43.9%，PLA纤维的吸水性比棉纤维差但比PET纤维好。

（2）PLA纤维在45℃的pH值为10的溶液浸泡半个小时的缩水率为15.71%，未经热定型处理的PLA织物用碱性洗涤剂时尺寸稳定性不好，可通过热定型处理或者用中性洗涤剂来减少碱对PLA纤维制品的损伤。

（3）浓度的5%以下强碱与弱碱对PLA纤维的腐蚀程度相差不大，但5%以上的强碱对PLA纤维的腐蚀程度远远超过弱碱和强酸对PLA纤维的腐蚀程度，PLA纤维强力损失率与强碱浓度几乎呈正比，而在弱碱和盐酸中，酸和碱的浓度的增大时强力损失速率下降，PLA纤维对强碱很敏感，经25%的30℃的氢氧化钠溶液处理30分钟，强力完全消失，所以碱处理改善聚乳酸纤维制品的风格时，碱用量在达到处理效果的前提下越少越好。

（4）PLA纤维在25%盐酸溶液、60%的丙酮溶液以及10%的氢氧化钠溶液中浸泡时，在60℃的溶液中浸泡30分钟，此过程中PLA纤维强力损失率分别为22.3%、10.88%、100%，提高丙酮溶液的温度，对PLA纤维的强力损失率影响不大。PLA纤维的耐酸碱以及有机溶剂的能力大小顺序为：丙酮>盐酸>碳酸钠>氢氧化钠。

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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

湖北省自然科学基金重点项目（2009CDA033），武汉纺织大学校基金项目（2009）.

*通讯作者：朱 平（1957-），男，教授，博士生导师，湖北省“楚天学者”，研究方向: 功能纤维以及功能纺织品.