熔纺聚乳酸纤维的结构与性能研究

（天津工业大学材料科学与工程学院、天津市改性与功能纤维重点实验室，天津300387）

聚L-乳酸（PLLA）是一种具有良好的生物相容性、生物可降解性的聚酯类高分子材料，可塑性能好，易于加工成型，是生物医用材料和可循环再生材料[1～3]。聚乳酸纤维可用于外科手术缝合线等医药学领域，市场前景十分广阔。聚乳酸纤维的成形方法主要有溶液纺丝和熔融纺丝。溶液纺丝工艺复杂，溶剂有毒且难于回收，目前处于实验室阶段。熔融纺丝具有纺丝速度快，清洁无污染等优点[4,5]。本研究采用纤维级聚乳酸切片，通过熔融纺丝法制备了聚乳酸纤维，研究了纺丝温度、拉伸倍数、定型时间和定型温度等因素对聚乳酸纤维性能的影响。

1 实验部分

1.1 主要原料

聚乳酸（PLLA），重均相对分子质量为15万，DPI为1.9，深圳市光华伟业实业有限公司。

1.2 主要设备及仪器

台式熔融纺丝机，北京若江化纤机械有限公司；

电子单纤维强力仪，LLY-06，莱州电子仪器有限公司；

X-射线衍射仪，D8，德国Bruker公司。

1.3 PLLA纤维的制备

将PLLA于60℃真空烘箱中干燥48h。将烘干后的PLLA加入到台式熔融纺丝机中，压实熔融后在一定的挤出速度下将PLLA纺成纤维并卷绕。

1.4 性能测试与结构表征

纤维力学性能：用LLY-06型电子单纤维强力仪测试纤维力学性能。拉伸速度为10mm/min，夹距为10mm，拉伸纤维直至断裂，记录断裂后的最大强力及伸长，测量10次取平均值。

结晶性能（XRD）：利用德国Bruker公司的D8型X射线衍射仪测试纤维的结晶性能。将样品纤维缠绕在样品架上，扫描角度范围10°～45°，Cu靶，40kV，40mA。

2 结果与讨论

2.1 纺丝温度对可纺性的影响

设定熔融纺丝机料腔温度分别为190℃、195℃、200℃、205℃和210℃。当温度为190℃时，熔融5min后，PLLA熔体流动性较差，成纤性能不好。当温度为195℃时，熔体流动性有所改善。温度为200℃时，5min后PLLA已完全熔融，熔体可纺性好，初生纤维表面光滑，粗细均匀。205℃时，初生纤维内会出现微量气泡，说明在此温度下PLLA可能发生少量降解。而当纺丝温度为210℃时，PLLA热降解逐渐加重，可纺性变差。

2.2 纺丝温度对纤维力学性能的影响

图1 不同纺丝温度的PLLA初生纤维应力-应变曲线

表1 不同纺丝温度的初生纤维力学性能

由图1及表1可知，随着纺丝温度的升高，纤维的断裂强度先增加后降低。当纺丝温度为200℃时，纤维的断裂强度达到50.1MPa，断裂伸长率为5.43%。这是因为在200℃时，PLLA完全熔融且几乎没有降解，熔体流动性能好，纤维结构均匀且内部没有气泡。

2.3 拉伸倍数对纤维力学性能的影响

图2 不同拉伸倍数PLLA纤维的应力-应变曲线

表2 不同拉伸倍数PLLA纤维的力学性能

由图2及表2可知，纺丝温度为200℃的PLLA纤维，在55℃水浴拉伸中拉伸不同的倍数，其断裂强度随拉伸倍数的增大而增大。当拉伸倍数为4倍时，纤维断裂强度达到152.6MPa，断裂伸长率也提高到59.37%。这是因为，随着拉伸倍数的增加，纤维取向度增加，大分子链和链段沿纤维轴方向的取向程度增加，纤维被拉伸时能够承受外力的分子链数量增加，加之可能存在的取向诱导结晶，纤维结晶度可能增大，使得PLLA纤维断裂强度和断裂伸长率均增大。

2.4 定型时间对纤维力学性能的影响

在图3及表3中，PLLA纤维的纺丝温度为200℃，在55℃水浴中拉伸4倍后，于60℃分别热定型10min和30min。结果表明：定型30min的纤维比未定型或定型时间10min的纤维力学性能好，这是因为纤维经过热定型时，之前没有结晶的PLLA大分子链段发生结晶，使得纤维结晶度提高，同时内应力得以消除，取向变得均匀，纤维聚集态结构变得规整而致密，导致纤维的拉伸强度增加，定型30min时，纤维的断裂强度达到269.0MPa。同时，因为分子链沿拉伸方向取向，沿径向方向排列更加紧密，在承受外力拉伸时，随外力增大分子链伸展程度增大，断裂伸长率也有所提高。

图3 不同定型时间PLLA纤维的应力-应变曲线

表3 不同热定型时间的PLLA纤维力学性能

2.5 定型温度对纤维力学性能的影响

图4 不同定型温度PLLA纤维的应力-应变曲线

表4 不同定型温度PLLA纤维的力学性能

由图4及表4可知，PLLA纺丝温度为200℃，拉伸温度为60℃，拉伸倍数为4，经30min热定型处理，定型温度为60℃的纤维比70℃和80℃的纤维的拉伸强度高，断裂伸长率达到70%以上，有很高的柔韧性，力学性能很好。这是因为纤维的拉伸温度为60℃，在60℃下热定型，纤维内部的内应力得以消除，取向均匀程度提高，纤维聚集态结构变得规整而致密，导致纤维的拉伸强度增加。而当热定型温度提高到70和80℃时，纤维内部非晶区的分子链段会发生一定程度的解取向，取向程度降低，导致纤维拉伸强度降低。

2.6 纤维结晶性能

图5 PLLA纤维的X-射线衍射图

图5是纺丝温度为200℃时，PLLA初生纤维及经过拉伸和热定型之后的纤维的XRD图。可以看出，在2θ=13.9°、17°处存在PLLA典型的衍射峰，表明纤维中的晶体是典型α晶体，大分子链是左旋的10/3螺旋构象。PLLA大分子链沿外力方向取向，取向可能诱导结晶，使纤维结晶度增加。纤维定型30min以后，衍射峰强度进一步增加，峰形更加尖锐，说明热定型过程使纤维的结晶度进一步增加，晶体的完善程度进一步提高，也从一个侧面证明了定型后纤维力学性能的提高。

3 结论

PLLA在190℃至210℃范围内均可纺丝，初生纤维的强度随纺丝温度的提高先升高后降低，200℃时，纤维可纺性最好。初生纤维经拉伸后力学性能明显提高，拉伸条件对纤维的性能有很大影响。拉伸倍数为4倍，热定型温度为60℃，时间为30min时，PLLA纤维力学性能可获得极大的改善，断裂伸长率较高。纤维的晶区为α晶型。

[1]李旭明.聚乳酸纺丝工艺的研究[J].轻纺工业与技术,2013,(6):21-22,34.

[2]张越，邓炳耀，刘庆生.聚乳酸/纳米SiO2熔纺纤维的制备及其力学性能[J].合成纤维工业,2013,36(6):10-13.