PLA长丝的基本结构与物理性能

朱娅楠，潘志娟,2，汪吉艮，赵瑞芝

(1. 苏州大学 纺织与服装工程学院，江苏 苏州 215021；2. 现代丝绸国家工程实验室，江苏 苏州 215123；3. 江苏大生集团有限公司，江苏 南通 226002)

PLA长丝的基本结构与物理性能

朱娅楠1，潘志娟1,2，汪吉艮3，赵瑞芝3

(1. 苏州大学 纺织与服装工程学院，江苏 苏州 215021；2. 现代丝绸国家工程实验室，江苏 苏州 215123；3. 江苏大生集团有限公司，江苏 南通 226002)

聚乳酸(PLA)纤维是一种可降解的生物质合成纤维。本文测定与分析了PLA长丝纤维的化学组成、结晶度和形态结构，并研究了PLA长丝的吸湿性、拉伸力学性能和热收缩性能。研究结果表明，PLA纤维具有明显的酯键结构，结晶度约为23.87%，纤维横截面近似圆形，纵向较为平直光滑，回潮率(0.79%)低，长丝的力学性能较佳，弹性回复性好，但是热收缩率大。

PLA；微观结构；物理性能

PLA纤维的结构特征及长丝的物理化学性能、热学性能、力学性能同后期的织造加工、后整理过程密切相关。本文对PLA长丝纤维的基本结构(分子组成、结晶结构、横截面及纵向形态等)以及PLA长丝的性能(回潮率、力学性能、热收缩等)进行了测定与分析。

1 实验部分

实验材料为55.5dtex/36f的PLA长丝(河南龙都生物科技有限公司生产)。

1.1 PLA长丝基本结构测试方法

PLA长丝剪成粉末状，试样经压片后使用 Nicolet5700智能型傅立叶红外光谱仪(美国尼高力公司)进行扫描，扫描次数32次，分辨率4cm-1，扫描范围为4 000～500cm-1。

使用X‘Pert-Pro MPD型 X-射线衍射仪(飞利浦公司)对被剪成粉末状的PLA 长丝进行测试，衍射角2θ测量范围为5～50°，使用Peakfit软件对PLA纤维的结晶峰与非晶峰位置进行分峰处理，使曲线拟合度达到99.99%以上，再根据结晶区的面积和整个拟合区域的面积(结晶区和无定型区的面积之和)的比值计算得纤维的结晶度。

使用TM3030型台式扫描电子显微镜(日立公司)观察PLA长丝的横截面及纵向形态特征。

自2011年以来，我国教育部相继印发了《教师教育课程标准(试行)》(以下简称《课程标准》)、《中等职业学校教师专业标准(试行)》(以下简称《专业标准》)和《教师教育振兴行动计划(2018-2022年)》(以下简称《行动计划》)等文件，可以看出，国家对职业学校教师的从业要求在逐步提高。因此，对于专门培养职教师资的职业技术师范院校在师范生的培养方面，需要做出相应调整，尤其应当重视教师教育课程体系构建，培养具有先进的教育理念、扎实的教育知识以及熟练的教学技能的师范生。

1.2 PLA长丝性能测试方法

所有试样均在标准大气条件，即温度(20±2)℃、相对湿度(65±2)%条件下平衡及测试。

依据GB/T 650-2008《化学纤维回潮率实验方法》，测定了纤维的回潮率。

依据GB/T 3916-1997《单根纱线断裂强力及断裂伸长的测定》，用Instron5967材料试验机(英斯特朗公司)测试长丝的拉伸力学性能，强力仪夹持点隔距长度为500mm，拉伸速度500mm/min，预加张力0.5cN/tex，测试20次求取平均值。

使用Y391型纱线弹性仪(常州第二纺织机械厂)测试试样定伸长10%时的弹性回复性测试10次求取平均值。

依据GB/T 6505-2008《化学纤维长丝热收缩率试验方法》，测定PLA长丝的沸水收缩率和干热收缩率。

2 结果与分析

2.1 PLA长丝的基本结构

2.1.1 分子结构

图1为PLA长丝纤维红外光谱图。由图可知，PLA长丝纤维在3 430cm-1处存在-OH伸缩振动峰，在3 000cm-1处存在-CH3不对称伸缩，在2 950cm-1处存在-CH3对称伸缩，1 760cm-1处存在C=O伸缩振动峰，指纹区的1 450cm-1处存在C-H变形振动，1 380cm-1处存在甲基特征峰，1 220～1 080cm-1处存在C-O-C伸缩振动峰，证明了酯基的存在，876cm-1处存在O-CH-CH3，756cm-1处存在α-甲基，688cm-1处存在C-H变形振动。

2.1.2 结晶结构

图2为PLA长丝纤维的X-射线衍射曲线，使用Peak Fit软件对该曲线进行拟合，得到图3所示的分峰拟合曲线，PLA纤维的衍射峰位置2θ在16.42°及18.73°，依据结晶度公式可以计算得结晶度约为23.87%。

图2 PLA 长丝纤维的X-射线衍射曲线

图3 PLA 长丝纤维X射线衍射曲线的分峰拟合曲线

2.1.3 形态结构

依据图4(a)和(b)可以看出，PLA长丝的横截面近似圆形，纵向外观较为平直光滑。

(a) PLA长丝横截面形态结构 (b)PLA长丝纵向形态结构

2.2 PLA长丝的性能

2.2.1 回潮率

回潮率的大小可以反映出纤维的吸放湿性能的高低，表1为PLA长丝及几种常见纤维的公定回潮率。对比发现，PLA长丝的回潮率很低，仅略高于涤纶，远远低于常见的天然纤维和腈纶、粘胶等纤维。其原因在于PLA多由丙交酯开环聚合或者乳酸直接缩聚而成，单体乳酸中的-OH和-COOH脱水缩合形成了酯键降低了其亲水性，同时分子内部的结构较为紧密，有效的限制了水分子的进入。

表1 PLA长丝及几种常见纤维的公定回潮率[3]

2.2.2 力学性能

表2为PLA长丝、涤纶长丝及蚕丝三者的拉伸力学性能，比较可知PLA长丝比涤纶长丝更为柔软，断裂强度大于涤纶，断裂伸长率优于涤纶。同时，PLA长丝的初始模量和断裂伸长率都高于蚕丝，但断裂强度差异不大，总体来看，PLA长丝的力学性能优异。

2.2.3 弹性回复性

弹性回复性能体现了长丝在外力的作用下发生形变后的回复能力，表3列出了PLA长丝及几种常见长丝的定伸长弹性回复率。可以发现，PLA长丝的弹性回复性较好，优于蚕丝，与粘胶相近，但不如涤纶和锦纶。

PLA的合成原料丙交酯有 2个不对称碳原子，3种立体异构体，开环聚合得到的聚乳酸也有不同的结构, 其通式为H—[OCH (CH3) CO]n—H，聚合物有三种异构体：聚D-乳酸(PDLA)、聚L-乳酸(PLLA)和聚D，L-乳酸(PDLLA)，不同比例异构体的加入对聚合物的性能影响很大；蚕丝丝素中的原纤是良好的须状晶体，长度长但侧基短且简单，其弹性回复能力主要取决于结晶部分和非结晶部分的串联键，非结晶部位被拉伸而处于无定型状态之中，使得蚕丝的弹性不大。锦纶分子长链多为锯齿型，分子上的酰胺键易通过一定的链段运动和氢键作用形成稳定柔性、高弹性的结构；涤纶结晶度高，且分子链存在折叠链和伸展链片晶，在外力作用下分子可以完全伸直，因而涤纶分子弹性很好；对于粘胶，主要是由于其大分子结晶度较低，使其大分子间既存在适当的结合点又有较大的局部流动性，因而纤维能够产生较大的形变，其弹性回复性不及锦纶和涤纶[4]。

表3 PLA长丝及几种常见长丝的弹性回复率

2.2.4 热收缩性能

表4为PLA长丝及涤纶长丝的热收缩性能情况。通过比较可以发现，PLA长丝的湿热和干热收缩率都比较大，均大于涤纶长丝[6]，说明PLA分子之间还存在一定的内应力，在热处理过程中，分子的结晶度、取向度等内部结构发生了一定的变化，原本较为有序的分子链段可能发生了重结晶、链折叠等现象，从而产生了不可逆的收缩，PLA的高收缩率对织物的加工会带来一定的影响。

表4 PLA长丝和涤纶长丝热收缩性能的比较

3 结论

(1)PLA纤维中含有酯类特征吸收峰，衍射峰位置在16.42°及18.73°，其结晶度约为23.87%，PLA长丝的横截面近似圆形，纵向较为光滑。

(2)PLA长丝的回潮率很低，远小于天然纤维和腈纶、粘胶等纤维，略高于涤纶；PLA长丝与常见涤纶相比，初始模量较小，断裂强度和伸长率大，PLA长丝的初始模量和断裂伸长率都高于蚕丝，断裂强度差异不大，总体来说力学性能较优异；PLA长丝具有较好的弹性，但在湿热和干热条件下的热收缩严重，对后期的生产加工及织造都不利。

[1] 朱久进, 王远亮, 胡勇等.聚乳酸的合成, 微观结构及性能[J].包装工程, 2005, 26(2): 1-3.

[2] 樊愈波.聚乳酸纤维织物产品开发及服用性能研究[D].上海: 东华大学, 2012:2-3.

[3] 纺织工程专业实验教程[M].苏州:苏州大学自编讲义.

[4] 于伟东.纺织材料学[M].北京市:中国纺织出版社.

[5] 余志成, 杨斌.抗菌导电真丝纤维的研究[J]. 浙江丝绸工学院学报, 1997, 14(1): 12-16.

[6] 白燕. 涤纶的热收缩特性及其对绉效应的影响[J]. 国外丝绸, 2005, 20(3): 13-15.

江苏省高校优势学科建设工程二期项目(苏政办发 【2014】37号)；南通市大生集团纺织新材料协同创新研究院(CP42014001)

2015-09-20