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研究与技术丝绸ＪＯＵＲＮＡＬＯＦＳＩＬＫ熔纺双组分超细纤维成型工艺及其应用研究进展Ｐｒｏｇｒｅｓｓｏｎｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇａｎｄａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｏｆｍｅｌｔ￣ｓｐｕｎｂｉｃｏｍｐｏｎｅｎｔｕｌｔｒａ￣ｆｉｎｅｆｉｂｅｒｓ曹㊀阳１ꎬ宋㊀兵１ꎬ３ꎬ张㊀恒２ꎬ王㊀亮１ꎬ钱晓明１(１.天津工业大学纺织科学与工程学院ꎬ天津３００３８７ꎻ２.中原工学院纺织学院ꎬ郑州４５１１９１ꎻ３.明新旭腾创新研究院有限公司ꎬ江苏徐州２２１４３６)摘要:熔纺双组分超细纤维由于其原料和成型技术的组合多样性而备受青睐ꎮ然而ꎬ在现有的制备工艺中ꎬ熔纺双组分超细纤维存在如能耗大㊁难以细旦化和污染环境等问题ꎬ限制了其在实际生产和高质应用领域的进一步发展ꎮ并且在实际的生产过程中ꎬ不同的原料选择㊁组件使用及工艺调控等因素都对熔纺双组分超细纤维成型效果影响显著ꎮ因此ꎬ合理调控熔纺双组分超细纤维成型过程中各阶段影响因素对其综合性能进一步提升具有重大意义ꎮ为更全面理解熔纺双组分超细纤维的本质ꎬ本文以桔瓣型纤维和海岛型纤维为研究基体ꎬ探究了熔纺双组分超细纤维的纺丝成型机理及其影响因素ꎻ阐述了熔纺双组分超细纤维多样的开纤工艺(机械开纤㊁化学开纤和热能开纤)ꎻ归结了熔纺双组分超细纤维在合成革㊁空气过滤和医疗卫生等材料领域的应用ꎻ最后对熔纺双组分超细纤维广阔的发展前景进行了展望ꎮ关键词:双组分超细纤维ꎻ双组分熔融纺丝ꎻ纺丝机理ꎻ机械开纤ꎻ热能开纤ꎻ超细纤维合成革中图分类号:ＴＳ１０２.６４ꎻＴＱ３４０.６４２㊀㊀㊀㊀文献标志码:Ａ㊀㊀㊀㊀文章编号:１００１７００３(２０２４)０３００６６１１ＤＯＩ:１０.３９６９∕ｊ.ｉｓｓｎ.１００１￣７００３.２０２４.０３.００８收稿日期:２０２３０８０８ꎻ修回日期:２０２３１２２６基金项目:国家自然科学基金项目(５２００３３０６)ꎻ河南省重大科技专项项目(２２１１００３１０５００)ꎻ河南省高等学校重点科研项目(２３Ａ５４０００３)ꎻ中国纺织工业联合会应用基础研究项目(Ｊ２０１８０５)作者简介:曹阳(１９９７)ꎬ男ꎬ硕士研究生ꎬ研究方向为双组分超细纤维非织造材料ꎮ通信作者:宋兵ꎬ工程师ꎬｓｏｎｇｂｉｎｇ.０１２＠１６３.ｃｏｍꎮ㊀㊀超细纤维一般是指单丝线密度小于０.４４ｄｔｅｘ的纤维ꎬ由于线密度与常规纤维的差异ꎬ超细纤维具有许多优良特性ꎬ如较好的悬垂性㊁耐磨性和抗皱性㊁手感柔软平滑等[１]ꎮ由于超细纤维的优异综合性能ꎬ利用其制备而成的非织造材料被广泛应用于超细纤维合成革㊁过滤材料㊁医用敷料和油水分离材料[２￣４]等诸多领域ꎮ超细纤维按照其原料的组分大致可以分为单组分和双组分超细纤维ꎮ前者的成型机理并不复杂ꎬ但是存在性能单一㊁应用范围窄等问题ꎻ而双组分超细纤维由于其原料㊁结构和工艺的多样性ꎬ具有许多单组分超细纤维所不具备的优异性能ꎮ目前ꎬ双组分超细纤维的制备方式主要有熔融纺丝法㊁静电纺丝法[５￣６]㊁闪蒸纺丝法和离心纺丝法[７￣８]等ꎮ其中ꎬ由熔融纺丝法所制备的双组分超细纤维具有优异的力学性能㊁良好的吸水性㊁较大的比表面积和可规模化生产等特性ꎬ被广泛投入实际应用之中[９]ꎮ根据纤维的截面形态ꎬ熔纺双组分超细纤维主要包括桔瓣型(实心桔瓣和中空桔瓣)和海岛型(定岛型和不定岛型)[１０]ꎮ与此同时ꎬ熔纺双组分超细纤维还具有多样的开纤工艺(机械开纤㊁化学开纤和热能开纤)ꎮ原料㊁纺丝和开纤工艺的多样性为熔纺双组分超细纤维的制备提供了无限的可能性ꎮ然而ꎬ在实际的生产过程中ꎬ熔纺双组分超细纤维的制备存在如能耗大㊁开纤污染环境㊁纤维纤度难以达到使用要求等诸多问题[１１￣１２]ꎮ为推动熔纺双组分纤维的进一步发展ꎬ本文研究了熔纺双组分纤维的纺丝成型机理ꎬ总结了熔纺双组分纤维的开纤工艺ꎬ并探究了其在不同领域的应用ꎬ以期为超细纤维的成型先进化㊁应用广泛化和发展持续化提供理论基础ꎮ１㊀熔纺双组分超细纤维成型工艺近年来ꎬ双组分超细纤维的发展十分迅速ꎬ其成型工艺也越来越多元化ꎬ但由于制备技术的限制ꎬ目前仅熔纺双组分超细纤维可以实现规模化生产ꎮ本文主要依托于不断发展的熔纺非织造技术ꎬ对双组分超细纤维的成型机理和影响纤维成型的因素进行归结ꎮ１.１㊀桔瓣纤维纺丝成型桔瓣型纤维通常采用共轭纺丝工艺(图１)进行生产ꎬ首先将两种具有熔体黏度差异或互不相容的热塑性聚合物送入螺杆挤压机中熔融成纺丝流体ꎬ由计量泵对两种纺丝流体进行计量ꎻ再通过独特的桔瓣型喷丝板喷丝成型(图１(ａ))ꎬ使得两种聚合物均匀分配在一根纤维之中ꎮ基于两种聚合物之间具有较弱的界面力ꎬ在经过牵伸工序后可以制得具有较好取向度和机械性能的纤维长丝[１３]ꎮ６６第６１卷㊀第３期熔纺双组分超细纤维成型工艺及其应用研究进展图１㊀共轭双组分超细纤维成型工艺Ｆｉｇ.１㊀Ｃｏｎｊｕｇａｔｅｄｂｉｃｏｍｐｏｎｅｎｔｕｌｔｒａ￣ｆｉｎｅｆｉｂｅｒｆｏｒｍｉｎｇｐｒｏｃｅｓｓ１.１.１㊀实心型桔瓣型纤维又可以分为实心桔瓣型和中空桔瓣型两种ꎮ其中ꎬ实心型桔瓣型纤维[１４]是采用具有实心桔瓣结构的纺丝组件所制备出的纤维ꎮ但实心型桔瓣纤维由于两组分之间界面结合力较大ꎬ有时不易使得两组分开裂形成超细纤维ꎬ开纤率仅为６０％~７５％[１５]ꎮ１.１.２㊀中空型中空型桔瓣纤维[１６]是对实现桔瓣纤维的一种改进ꎬ该纤维是通过具有中空型桔瓣结构纺丝组件的制备而成的ꎮ将桔瓣纤维制备成中空状ꎬ能够有效减少两组分间的接触面积ꎬ减弱组分间界面张力ꎬ有利于纤维的开裂ꎬ开纤率可达８８.５％~９４.８％[１７]ꎮ实心型与中空型桔瓣纤维的开纤差异性如表１所示ꎮ表１㊀实心型与中空型桔瓣纤维的开纤差异性Ｔａｂ.１㊀Ｄｉｆｆｅｒｅｎｃｅｏｆｆｉｂｅｒｓｐｌｉｔｔｉｎｇｂｅｔｗｅｅｎｓｏｌｉｄａｎｄｈｏｌｌｏｗｓｅｇｍｅｎｔｅｄｐｉｅｆｉｂｅｒｓ１.２㊀海岛纤维纺丝成型１.２.１㊀不定岛型不定岛型海岛纤维通常采用共混纺丝成型工艺进行制备(图２)ꎬ即在一定条件下把两种不相容的聚合物进行共混纺丝ꎮ在纺丝过程中ꎬ其中一种聚合物熔体以微小液滴形式(分散相)分布在另一种聚合物熔体(连续相)中ꎬ形成纤维[１８￣１９]ꎮ图２㊀不定岛共混双组分纤维成型工艺Ｆｉｇ.２㊀Ｕｎｆｉｇｕｒｅｄｓｅａ￣ｉｓｌａｎｄｂｌｅｎｄｅｄｂｉｏｃｏｍｐｏｎｅｎｔｆｉｂｅｒｆｏｒｍｉｎｇｐｒｏｃｅｓｓ７６Ｖｏｌ.６１㊀Ｎｏ.３Ｐｒｏｇｒｅｓｓｏｎｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇａｎｄａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｏｆｍｅｌｔ￣ｓｐｕｎｂｉｃｏｍｐｏｎｅｎｔｕｌｔｒａ￣ｆｉｎｅｆｉｂｅｒｓ㊀㊀图２(ａ)为双组分共混聚合物在纺丝模头毛细孔中的流动状态示意ꎮ当双组分共混聚合物在熔融状态下通过纺丝毛细管模头时ꎬ在Ａ区只会受到法向应力(垂直于表面的力)ꎬ但在Ｂ区时ꎬ法向应力和剪切力(平行于表面的力)都作用在双组分共混物上ꎬ从而导致液滴旋转㊁拉长成条形或椭圆形[２０]ꎮ随后通过Ｃ区挤出ꎬ由于作用时间太短ꎬ在Ｃ区液滴形状并不会发生变化ꎮ图２(ｂ)以聚乳酸∕聚乙烯醇(ＰＬＡ∕ＰＶＡ)不定岛纤维为例ꎬ当共混相ＰＬＡ∕ＰＶＡ受到拉伸力作用时ꎬＰＬＡ作为分散相液滴受力变得细长并且会发生聚结ꎬ而连续相ＰＶＡ在这一过程中始终包裹着分散相ＰＬＡ[２１]ꎮ图２(ｃ)为ＰＬＡ∕ＰＶＡ共混挤出物中液滴的聚合和变形以及不同直径的椭圆形ＰＬＡ液滴的示意ꎮ不难看出ꎬ岛相组分在海相组分中发生了不同程度的变形ꎬ且尺寸大小不一ꎬ故所制备的纤维纤度分布是不均匀的ꎮ因此ꎬ在不定岛纺丝过程中ꎬ岛相组分会形成许多十分细小的液滴ꎬ并在热牵伸定型后以微细短纤维的形式分散于另一种聚合物(海组分)中ꎬ即不定岛型海岛纤维[２２]ꎮ１.２.２㊀定岛型定岛型海岛纤维与桔瓣型纤维类似ꎬ同样采用共轭纺丝工艺成型(图１)ꎬ即将两种不同的聚合物(不同组分或不同浓度)分别由两个螺杆挤出机进行熔融ꎬ随后经由具有海岛分配系统的喷丝板喷出形成纤维(图１(ｂ))ꎮ在进入喷丝孔之前ꎬ两种聚合物彼此分离ꎬ在进入喷丝孔瞬间ꎬ两种聚合物熔体接触ꎬ并在喷丝孔甬道中均匀混合ꎬ最后形成连续相均匀包覆分散相的纤维ꎬ即定岛型海岛纤维ꎮ与不定岛纺丝不同的是ꎬ定岛型海岛纤维在经过喷丝板后就已经形成了均匀分布的海岛纤维ꎬ后续牵伸成型工序并没有对纤维径向分布产生明显的影响[２３]ꎻ而不定岛纺丝由于是共混纺丝成型ꎬ使得岛组分在整个纤维中的分布并不均匀ꎬ且需要牵伸的作用力使得岛组分由液滴形态转变为短纤形态ꎮ表２为定岛型海岛纤维和不定岛型海岛纤维的差异性ꎮ表２㊀定岛型和不定岛型海岛纤维的差异性Ｔａｂ.２㊀Ｄｉｆｆｅｒｅｎｃｅｂｅｔｗｅｅｎｆｉｇｕｒｅｄａｎｄｕｎｆｉｇｕｒｅｄｓｅａ￣ｉｓｌａｎｄｆｉｂｅｒｓ１.３㊀影响纤维成型的因素１.３.１㊀纺丝组件纺丝组件对于聚合物熔体的流动㊁纤维的直径和纤维的形态等起着决定性的作用ꎮ熔体分配板是双组分纤维纺丝的核心组件ꎬ桔瓣型和海岛型纤维通常需要特殊的分配系统来决定聚合物的分布ꎮ对于桔瓣型纤维来说ꎬ通常由于熔体分配板的配置ꎬ其截面 桔瓣 数量可以分为 ２＋２ 瓣ꎬ ４＋４ 瓣和 ８＋８ 瓣等ꎮ而随着 桔瓣 数量的增加ꎬ所制备纤维的直径会逐渐减小ꎮＨｉｌｌｓ公司采用专有蚀刻工艺制造了海岛纤维的分配板(０.１~１.５ｍｍ)中的熔体流动通道ꎬ溶解海组分后能够得到３００ｎｍ左右的超细纤维[２４]ꎮ这种成本较低且允许高密度纺丝熔体通过的分配系统不久使得岛组分的所占的比例显著增大ꎬ同时也极大地推动了海岛纤维的产业化[２５]ꎮ一般来说ꎬ喷丝组件内的熔体流动甬道直径越小ꎬ所能制备出的纤维直径就越小ꎬ但越精密的组件对聚合物原料的特性要求(如流变性能㊁热性能等)就越高ꎮ因此ꎬ聚合物原料对纤维的成型也至关重要ꎮ１.３.２㊀聚合物原料对于熔纺双组分纤维来说ꎬ聚合物原料的选用㊁熔体黏度和聚合物结晶度等对其成型都有着较大的影响ꎮ１)聚合物原料选用ꎮ对于熔纺双组分纤维来说ꎬ桔瓣型和海岛型两种纤维的原料选用遵循着不同的规则ꎮ为使纤维容易裂离ꎬ通常桔瓣型纤维需要选用两种互不相容的聚合物为原料ꎬ且两种聚合物需要具有较弱的界面结合力ꎬ如聚酯∕聚酰胺６(ＰＥＴ∕ＰＡ６)㊁聚乳酸∕聚丙烯(ＰＬＡ∕ＰＰ)和聚乙烯∕聚酰胺６(ＰＥ∕ＰＡ６)等ꎮ否则ꎬ两种聚合物相容或粘结在一起就很难裂离[２６]ꎮ而对于海岛纤维来说ꎬ聚合物同样应互不相容ꎬ同时应该选取易于溶解剥离的材料为海组分ꎮ目前ꎬ常用的海组分原料有低密度聚乙烯(ＬＤＰＥ)㊁碱溶性聚酯(ＣＯＰＥＴ)㊁聚对苯二甲酸丁二酯(ＰＢＴ)㊁ＰＶＡ和聚苯乙烯(ＰＳ)等[２７￣３１]ꎬ常见的岛组分原料则有ＰＥＴ㊁ＰＡ６㊁ＰＰＳ和ＰＬＡ等ꎮ除了更易裂离方面ꎬ聚合物原料的组成对熔纺双组分纤维的性能通用具有较大的影响ꎬ为满足实际应用的需求(如高强㊁高弹㊁高耐热和生物相容性等)ꎬ通常选用具有不同特性的聚合物为主要原料进行熔融纺丝(如ＰＥＴ㊁ＰＴＴ㊁ＰＰＳ㊁ＰＢＡＴ等)ꎮ２)聚合物熔体黏度ꎮ聚合物的熔体黏度是影响纤维成型的一个重要因素ꎬ在纺丝工艺中的黏度差异很大程度上影响着聚合物的排列ꎮ一般情况下ꎬ在熔体黏度增大时ꎬ为保证聚合物的可纺性ꎬ需要提高纺丝温度来增大其流动性从而保障纤维的成型ꎮＡｙａｄ等[３２￣３３]采用共轭纺丝工艺制备了ＰＰ∕ＰＡ６双组分非织造材料ꎬ并探究了ＰＰ和ＰＡ６中单个组８６第６１卷㊀第３期熔纺双组分超细纤维成型工艺及其应用研究进展分黏度(ＰＰ２５和ＰＰ１８)对横截面形态的影响ꎮ结果表明ꎬ低黏度的组分通常包裹在高黏度组分周围ꎬ且纤维截面呈现桔瓣型结构ꎮ研究认为ꎬ两种聚合物在熔融挤出时具有不同的流变行为ꎬ黏度的不匹配导致了聚合物不规则流动和聚合物之间的界面变形ꎮ３)聚合物结晶度ꎮ一般来说ꎬ聚合物的结晶度越大熔点就越高ꎬ需要的纺丝温度就越高ꎬ纤维成型过程中所需要的能量就越多ꎮＤｕｏ等[３４]通过采用不同结晶度的ＰＥＴꎬ制备了易开裂的ＰＥＴ∕ＰＡ６桔瓣型双组分非织造材料ꎮ研究发现ꎬ低结晶度ＰＥＴ所制备的桔瓣型双组分纤维开纤率远高于普通ＰＥＴ∕ＰＡ６桔瓣型双组分非织造材料ꎬ并且极大程度上降低了水刺工艺所产生的能耗ꎮ１.３.３㊀纺丝工艺纺丝工艺参数包括纺丝速度㊁卷绕速度㊁纺丝温度和牵伸工艺等ꎮ这些工艺参数对所制备纤维的形态㊁热性能㊁结晶性能和力学性能等方面有着较为直接的影响ꎮ１)纺丝∕卷绕速度ꎮ纺丝速度对纤维的力学性能㊁结晶性能有着很大的影响[３５]ꎮＡｎ等[３６]采用高速熔融纺丝制备了高相对分子质量ＰＥＴ∕ＰＰ海岛纤维ꎮ研究发现ꎬ随着卷绕速度的逐渐增大ꎬ岛组分高相对分子质量ＰＥＴ的力学性能显著提高ꎮＳｏｎｇ等[３７]采用ＰＶＡ为海组分ꎬＰＡ６为岛组分ꎬ制备了水溶性ＰＶＡ∕ＰＡ６海岛纤维ꎬ研究发现ꎬ随着纺丝速度的增大ꎬ纤维内部产生更高的大分子取向ꎬ从而使得纤维的结晶度逐渐增大ꎮＲｏｕｎｇｐａｉｓａｎ等[３８]采用ＰＬＬＡ和ＰＤＬＡ为海岛两相组分制备了海岛纤维ꎮ发现随着卷绕速度的逐渐增大ꎬ岛组分纤维的直径逐渐减小ꎬ最低可达５００ｎｍ左右ꎮ而当纺丝速度较低时ꎬ由于轴向导热效应ꎬ温度在纤维横截面方向上分布不均匀ꎬ会使纤维难以成型[３９]ꎮ２)牵伸工艺ꎮ纤维的性能与其结构密切相关ꎬ而牵伸工艺很大程度上能够影响纤维的结构ꎮ一般情况下ꎬ牵伸力的增大能够增加纤维的取向ꎬ使得纤维沿纤维轴方向上排列得更加均匀[４０]ꎮＷａｎｇ等[４１]研究了牵伸力对ＰＥＴ∕ＰＡ６桔瓣型超细纤维性能的影响ꎬ研究发现随着牵伸力的增加ꎬ纤维直径逐渐减小ꎬ双组分纤维的结晶度和取向度增加ꎬＰＥＴ组分的熔点也增加ꎬ纤维的断裂强度增加ꎬ断裂伸长率降低ꎮＹａｓｏｓｈｉｍａ等[４２]采用共混纺丝制备了聚酯∕间规聚苯乙烯(ＰＥＴ∕ＳＰＳ)海岛纤维ꎬ并对其进行激光牵伸ꎮ研究表明ꎬ在各组分聚合物的玻璃化转变温度下ꎬ可以稳定地对ＰＥＴ∕ＳＰＳ共混纺丝纤维进行均匀热牵伸ꎬ如果ＰＥＴ含量较高ꎬ可以将纤维拉伸到较高的倍数ꎬ但ＳＰＳ岛纤维会被拉断ꎮ拉伸后提取ＰＥＴ组分ꎬ可以得到平均直径为０.４３μｍ的ＳＰＳ纳米纤维ꎬ并具有３００ＭＰａ左右的强度ꎮ２㊀开纤成型工艺仅经过纺丝工艺成型的双组分非织造材料由于纤维的开裂程度较弱ꎬ从而具有较大的纤维直径和较低的比表面积ꎬ使得其综合性能并不能满足一些特定应用的需求ꎮ对双组分超细纤维进行开纤的目的是获得更细的纤维形态和更细致的纤维结构ꎬ某些开纤方法还具有固网的作用ꎬ增加了双组分超细纤维高质化应用的可能性ꎮ当前ꎬ开纤的方法主要可以分为机械开纤㊁化学溶剂开纤和热能开纤三大类ꎬ如图３所示ꎮ图３㊀熔纺双组分纤维的开纤示意Ｆｉｇ.３㊀Ｓｃｈｅｍａｔｉｃｓｋｅｔｃｈｏｆｍｅｌｔ￣ｓｐｕｎｂｉｃｏｍｐｏｎｅｎｔｆｉｂｅｒｓｐｌｉｔｔｉｎｇ２.１㊀机械开纤机械开纤是一种常用的开纤方式ꎬ其原理是基于桔瓣型纤维两聚合物之间较弱的界面结合力及相同的外力作用下两种聚合物所产生不同的应变ꎬ借助机械力使得纤维不同组分之间开裂剥离[４３]ꎮ当前ꎬ机械开纤的方法主要有水刺和针刺两种ꎮ２.１.１㊀水刺法水刺法开纤是利用高压水针水流的能量对纤维长丝进行冲击ꎬ从而达到使纤维开裂目的ꎬ同时水刺还可以赋予非织造材料柔软的手感和优异的机械性能ꎬ如图４(ｃ)所示为水刺装置ꎮＳｈｉｍ等[４４]采用数字体积成像技术探究了ＰＥＴ∕ＰＡ６桔瓣型双组分非织造材料的水刺开纤过程ꎮ结果表明ꎬ经过水刺开纤之后ꎬ水针射流喷射的部位纤维开裂程度较高ꎬ厚度方向上的取向度较高ꎬ纤维的开裂主要集中在织物的表面部分且开裂程度较为均匀ꎬ其开纤前后三维图像如图４(ａ)(ｂ)所示ꎮＮｄａｒｏ等[４５]研究了水刺工艺对碱溶性聚酯(ＣＯＰＥＴ)∕ＰＥＴ海岛纤维性能的影响ꎬ发现水刺工艺使得纤维一定程度上的开裂ꎮ研究认为ꎬ这是由于两种聚合物之间较弱的界面结合力导致的ꎮＡｎａｎｔｈａｒａｍａｉａｈ等[４６]采用水刺工艺探究了机械强力开裂ＰＡ６∕ＰＥ海岛纤维的可能性ꎬ并制备了具有极高比表面积的微纳米纤维ꎬ并且所制备材料比Ｅｖｏｌｏｎ®的强力高出数倍ꎮ研究表明ꎬ水刺能够使得纤维一定程度地开裂和原纤化ꎬ如图４(ｄ)所示ꎮ此外ꎬ过高的水刺强力会降低材料的撕裂强力ꎬ这归因于随着水刺对纤网的进一步加固ꎬ纤维之间的迁移率降低ꎮ９６Ｖｏｌ.６１㊀Ｎｏ.３Ｐｒｏｇｒｅｓｓｏｎｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇａｎｄａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｏｆｍｅｌｔ￣ｓｐｕｎｂｉｃｏｍｐｏｎｅｎｔｕｌｔｒａ￣ｆｉｎｅｆｉｂｅｒｓ图４㊀双组分纤维及其非织造材料的水刺开纤Ｆｉｇ.４㊀Ｈｙｄｒｏｅｎｔａｎｇｌｅｆｉｂｅｒｓｐｌｉｔｔｉｎｇｏｆｂｉｃｏｍｐｏｎｅｎｔｆｉｂｅｒｓａｎｄｎｏｎｗｏｖｅｎｓｔｈｅｒｅｏｆ２.１.２㊀针刺法针刺法是一种刚性的物理开纤方式ꎬ其开纤原理是利用刺针在纤维间的高速穿插使得纤维开裂ꎬ但是这种刚性的开纤方式同时也会造成部分纤维的损伤ꎮ杨娜娜等[４７]探究了针刺工艺对ＰＥＴ∕ＰＡ６桔瓣型双组分纺黏超纤革基布结构和性能的影响ꎮ结果表明ꎬ针刺开纤后纤维直径接近胶原纤维直径ꎬ材料厚度随着针刺深度和针刺密度的增加而减小ꎬ断裂强力和撕裂强力则随着针刺深度和针刺密度的增加而增大ꎬ选择较低的针刺深度(７~８.６ｍｍ)和较小的针刺密度(７２０刺∕ｃｍ２)用于主针刺机加固ꎬＰＥＴ∕ＰＡ６桔瓣型双组分纺黏超纤革非织造基材的断裂强力和撕裂强力较优异ꎮ虽然机械开纤能够有效实现双组分纤维的开裂ꎬ但是开纤过程能耗较大ꎮ因此ꎬ如何降低聚合物之间的界面结合力㊁减少开纤过程中的能耗ꎬ是当前熔纺双组分纤维需要进一步发展的方向ꎮ２.２㊀化学溶剂开纤利用双组分纤维中两种聚合物的不同化学特性ꎬ采用特定的化学溶剂溶解剥离其中一种聚合物ꎬ而另一种聚合物以超细纤维的形态保留下来ꎬ这种开纤方式就是化学溶剂开纤ꎮ化学溶剂开纤常用于海岛型超细纤维的制备ꎬ但同样可以用于制备桔瓣型超细纤维ꎮ目前ꎬ苯萃取法和碱减量法是化学开纤主要采用的两种方法ꎮ２.２.１㊀苯萃取法ＬＤＰＥ㊁ＰＰ和ＰＳ等[４８￣５０]可以溶于甲苯或二甲苯溶液中ꎬ利用这一原理ꎬ通过合理选用海岛组分的原料ꎬ可以进行苯萃取法开纤ꎮＸｕ等[５１]将改性后的胶原蛋白浸渍到ＰＡ∕ＬＤＰＥ非织造纤维中形成薄膜ꎬ并采用甲苯溶液对ＰＡ∕ＬＰＤＥ海岛非织造材料进行开纤ꎮ研究表明ꎬ萃取温度８５ħ㊁时间１１０ｍｉｎ时开纤效果最佳ꎬ萃取率达５５％左右ꎮ２.２.２㊀碱减量法碱减量开纤是一种常用于海岛纤维的开纤方式ꎬ其海组分通常采用ＣＯＰＥＴ为原料ꎮＮａｍ等[５２]和Ｋａｎｇ等[５３]分别探究了ＰＴＴ(弹性涤纶)∕ＰＥＴ和ＣＯＰＥＴ∕ＰＥＴ海岛纤维的碱减量特性ꎮ研究发现ꎬ随着碱液浓度的增大ꎬ所获得的 岛 组分纤维越细ꎬ但纤维的强力有所下降ꎮ而且ꎬ随着碱处理温度的升高ꎬ处理时间的增长ꎬ海组分的去除效果越佳ꎮ目前ꎬ随着ＣＯＰＥＴ的制备工艺逐渐成熟ꎬ碱减量开纤工艺也已经逐渐开始工业化ꎬ通常情况下ꎬ在氢氧化钠ＮａＯＨ质量分数为５％㊁碱处理时间为３０ｍｉｎ的情况下ꎬＣＯＰＥＴ作为海组分溶解度可达９９％以上ꎮ除此之外ꎬＨｕａｎｇ等[５４]将聚乙醇酸(ＰＧＡ)和聚乳酸(ＰＬＬＡ)共混ꎬ并以ＰＬＬＡ为海相ꎬ采用高速熔融纺丝法制备了ＰＬＬＡ∕ＰＧＡ海岛纤维ꎮ经过热拉伸处理后ꎬ在三氯甲烷中溶解聚乳酸相ꎬ可生产出具有高度取向的超细㊁均匀且排列良好的ＰＧＡ纳米纤维ꎮ０７第６１卷㊀第３期熔纺双组分超细纤维成型工艺及其应用研究进展总之ꎬ化学溶剂开纤可以采用各种各样的化学溶剂溶解海组分从而获得超细纤维ꎮ除此之外ꎬ化学溶剂还可以溶解岛组分用于研究海岛纤维中的岛相分布ꎬ同时这也是制备中空纤维的一种方式ꎮ但是ꎬ化学溶剂开纤存在着开纤溶液难以回收㊁污染环境㊁毒性强等诸多问题ꎬ亟待科研人员的进一步研究和发展ꎮ２.３㊀热能开纤对于桔瓣型纤维而言ꎬ热能开纤是利用在热作用下两种组分结构的不同ꎬ在纤维轴向上产生不同程度的收缩使纤维开裂ꎻ而对于海岛型纤维ꎬ利用海相聚合物(如水溶性ＰＶＡ㊁水溶性聚酯)的热水溶性[５５￣５６]ꎬ溶解海组分后ꎬ从而形成超细纤维ꎮＴｒａｎ等[５７]采用以ＰＰ和ＰＬＡ为原料ꎬ采用后牵伸工艺(图５(ａ))以热能开裂ＰＰ∕ＰＬＡ桔瓣型双组分纤维ꎮ研究发现ꎬＰＰ和ＰＬＡ在热性能和结晶性能上具有较大的差异ꎬ并且利用在加热㊁冷却和拉伸过程中ＰＰ和ＰＬＡ不同的胀缩行为ꎬ从而实现纤维的开裂ꎬ如图５(ｂ)(ｃ)所示ꎬ可以看出纤维在经过热牵伸后已经出现了较高程度的开裂ꎮＴｒａｎ等[５８]采用水溶性ＰＶＡ为海组分ꎬＰＬＡ为岛组分制备了不定岛型双组分纤维ꎬ通过水溶性开纤去除ＰＶＡ组分ꎬ制备了平均直径为６０ｎｍ的ＰＬＡ超细纤维ꎮ开纤工艺对于桔瓣型和海岛型纤维至关重要ꎬ但当前开纤工艺仍存在如能耗大㊁污染环境和回收困难等问题ꎮ因此ꎬ如何开发出具有低能耗㊁绿色环保和可循环利用的开纤工艺将是桔瓣型和海岛型双组分纤维未来主要的发展方向ꎮ图５㊀ＰＰ∕ＰＬＡ桔瓣双组分纤维的热牵伸开纤Ｆｉｇ.５㊀ＰＰ∕ＰＬＡｓｅｇｍｅｎｔｅｄ￣ｐｉｅｂｉｃｏｍｐｏｎｅｎｔｆｉｂｅｒｔｈｅｒｍａｌｄｒａｗｉｎｇｆｉｂｅｒｓｐｌｉｔｔｉｎｇ３㊀熔纺双组分超细纤维的应用基于制备工艺的优势ꎬ双组分超细纤维具有优异的机械性能㊁较高的比表面积和可产业化生产等诸多特点ꎮ通过使用功能性原料或对其进行后处理加工和功能性整理ꎬ熔纺双组分超细纤维在超细纤维合成革㊁医疗卫生和空气过滤等领域具有良好的应用前景ꎮ３.１㊀超细纤维合成革出于对自然资源的保护ꎬ天然皮革已经逐渐被超细纤维合成革所代替[５９]ꎮ超细纤维在形貌上与皮肤原纤维非常相似ꎬ由超细纤维形成的非织造材料具有较大的比表面积㊁较高的孔隙率和较好的吸湿透气性能ꎬ是天然皮革的理想代替产品[６０]ꎮ赵宝宝等[６１]以水性聚氨酯(ＷＰＵ)膜为聚合物涂层ꎬ以ＰＥＴ∕ＰＡ６熔纺双组分桔瓣型非织造材料为基层材料ꎬ采用干法移膜技术制备了ＰＥＴ￣ＰＡ６∕ＷＰＵ合成革ꎮ由于ＰＥＴ∕ＰＡ６桔瓣型非织造材料具有超细的纤维形态和较高的孔隙率ꎬ所制备的合成革在机械性能方面优于天然皮革ꎬ并且透湿量可达到１６７３.８ｇ∕(ｍ２ ２４ｈ)ꎬ同时实现了超细纤维合成革的绿色化制备ꎮ随着ＷＰＵ发泡倍率的增加ꎬＷＰＵ膜的孔径减小ꎬ孔径数目增加ꎬ能够极大程度上满足合成革材料的透气性能和透湿性能ꎮＤｕｏ等[６２]通过在ＰＥＴ∕ＰＡ６桔瓣型纤维上静电纺丝涂覆聚丙烯腈纤维ꎬ而后采用梳理￣水刺工艺制备了超细纤维革基布ꎮ研究表明ꎬ革基布的透湿性和柔软性相比于ＰＥＴ∕ＰＡ６桔瓣型非织造材料分别提高了２８.２％和３９.７４％ꎮ３.２㊀空气过滤材料由于具有较大的比表面积和较细的纤维形态ꎬ双组分超细纤维在过滤领域也具有极其广泛的应用ꎮ田新娇等[６３]基于海岛纤维研发制备了超细纤维滤料ꎬ以用于控制ＰＭ２.５ꎬ对其过滤性能进行了综合研究ꎬ并与常规针刺毡滤料和覆膜滤料对比ꎮ结果表明ꎬ海岛纤维滤料对微细颗粒有较好的捕集效果ꎬ对２.５μｍ颗粒的计数效率在９４.９％左右ꎬ接近覆膜滤料的９８.９％ꎬ高于针刺毡的６１.３％ꎬ是控制细颗粒尤其ＰＭ２.５的新型滤料ꎻ海岛纤维滤料属于近表层过滤方式ꎬ残余阻力比覆膜滤料小ꎬ稳定阶段的清灰周期比覆膜滤料长ꎬ有利于延长滤料寿命㊁降低能耗和成本ꎮ朵永超等[６４]以高收缩聚酯(ＨＳＰＥＴ)和ＰＡ６为原料制备了ＨＳＰＥＴ∕ＰＡ６桔瓣型超细纤维非织造材料ꎬ并探究了其过滤性能ꎮ该材料在未热收缩处理时对于粒径大于或等于１.５μｍ颗粒的过滤效率接近于１００％ꎬ在过滤领域展现了广阔的应用前景ꎮ１７Ｖｏｌ.６１㊀Ｎｏ.３Ｐｒｏｇｒｅｓｓｏｎｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇａｎｄａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｏｆｍｅｌｔ￣ｓｐｕｎｂｉｃｏｍｐｏｎｅｎｔｕｌｔｒａ￣ｆｉｎｅｆｉｂｅｒｓ３.３㊀医疗卫生材料相较于其他医疗卫生用材料(如纺黏非织造材料或水刺非织造材料)ꎬ熔纺双组分超细纤维具有较大的比较面积和超细的纤维形态ꎬ能够有效屏蔽空气中的小颗粒ꎬ是理想的医用防护材料[６５]ꎻ并且双组分超细纤维所制备非织造材料密集的纤维结构和孔隙使其具有较强的芯吸效应和优异亲水性能ꎬ可以应用于医用敷料之中ꎮＪｉｎ等[６６]以ＰＡ６和铜碳纳米颗粒(ＣｕＣＮＰｓ)为原料ꎬ采用熔融共轭纺丝工艺制备了ＰＡ６∕ＣｕＣＮＰｓ桔瓣型超细纤维ꎮ如图６(ａ)所示ꎬ由于ＣｕＣＮＰｓ的活性铜催化反应促进了杀菌活性氧物种的产生ꎬ该材料对大肠杆菌和金黄色葡萄球菌都表现出良好的抗菌活性(抗菌率约９９％)ꎬ对白色念珠菌具有良好的抗菌活性(抗菌率约８２％)ꎬ在医疗卫生领域具有广阔的应用前景ꎮＪｉｎｇｊｉｔ等[６７]以ＰＡ６和ＰＥ为原料ꎬ通过添加ＴｉＯ２粒子ꎬ制备了桔瓣型双组分超细纤维ꎮ研究表明ꎬ含有１％ＴｉＯ２的桔瓣型双组分超细纤维对金黄色葡萄球菌和肺炎克雷伯菌均表现出了较强的生物活性ꎬ如图６(ｂ)(ｃ)所示ꎮＺｈａｎｇ等[６８]采用浸渍涂层及热带黏合工艺制备了具有孔隙率可调的ＰＥＴ∕ＰＡ６双组份桔瓣型超细纤维织物ꎮ研究表明ꎬ所制备的样品具有较高的机械强力㊁较好的屏蔽性能(超疏水㊁高耐静水压㊁抗污㊁抗血液)及可调节的透气性能ꎮ图６㊀熔纺双组分桔瓣纤维的抗菌性能Ｆｉｇ.６㊀Ａｎｔｉｂａｃｔｅｒｉａｌｐｒｏｐｅｒｔｉｅｓｏｆｍｅｌｔｓｐｉｎｎｉｎｇｂｉｃｏｍｐｏｎｅｎｔｏｒａｎｇｅｓｅｇｍｅｎｔｅｄ￣ｐｉｅｆｉｂｅｒｓ㊀㊀除此之外ꎬ双组分超细纤维在高档擦拭材料㊁防刺材料[６９]㊁增强复合材料[７０]和服装材料[７１]等领域也具有广阔的应用前景ꎮ同时ꎬ这些广泛的应用领域为双组分超细纤维的进一步发展提供了强大的动力ꎮ４㊀结㊀语基于其独特的纤维结构和突出的综合性能ꎬ熔纺双组分超细纤维在合成革基布㊁医疗卫生㊁精密过滤㊁服装和土工材料等领域具有良好的应用前景ꎬ且在诸多应用之中已经被广泛生产并投入使用ꎮ但是在纤维的进一步细旦化㊁纺丝工艺的节能化及化学溶剂开纤的绿色化等方面依然亟待科研人员的进一步研究和改进ꎮ在原料选用方面ꎬ应进一步开发具有不同优异性能的聚合物原料ꎬ从而拓宽熔纺双组分纤维的原料多样组合ꎻ在工艺制备方面ꎬ应进行精密组件的研发㊁成型工艺的优化调控ꎬ从而提升熔纺双组分纤维的性能㊁实现纤维直径的进一步细化ꎻ在开纤方面ꎬ随着碳中和与节能减排等绿色环保概念的提出ꎬ应开发低能耗㊁无化学试剂和高效绿色开纤的方式ꎬ从而实现超细纤维的制备ꎮ水溶开纤作为一种绿色的开纤方式ꎬ为双组分超细纤维提供了良好的发展方向ꎮ随着非织造材料与工程的不断发展及多学科交叉理念的提倡ꎬ未来双组分纤维有望通过成型技术实现纤维形态的进一步细化㊁通过更多先进后整理技术实现功能化㊁通过原料和工艺结合实现产品的绿色化ꎬ进而更好地服务于社会ꎮ２７。
聚乳酸纤维的结构与性能一、概述聚乳酸纤维是一种可完全生物降解的合成纤维，它可从谷物中取得。
其制品废弃后在土壤或海水中经微生物作用可分解为二氧化碳和水，燃烧时，不会散发毒气，不会造成污染。
是一种可持续发展的生态纤维。
”1.乳酸纤维的发展概况聚乳酸纤维的研究历史可追溯到上世纪30年代，其发明报道可追溯到50年代，杜帮公司最早测定了聚乳酸酯的分子量，60年代以后，各国科技工作者对此作了广泛的研究，日本以玉米为原料开发了新型聚乳酸纤维，90年代后期，美国两家大公司联合开发了聚乳酸纤维，它们以玉米为原料，首先建设了生产能力很大的试验工厂，完善了现代化生产高分子聚乳酸的生产工艺，开创了聚乳酸酯的工业化发展阶段。
日本钟纺、仓敷公司、香港的福田实业公司、日本的东丽公司和台湾的远纺公司等先后开发研制了聚乳酸纤维。
2002年上海华源股份有限公司开始与美国CDP公司合作，成为国内第一家实现工业化开发聚乳酸产品的化纤企业。
二、聚乳酸（P LA）纤维制备<1> 乳酸的制取合成聚乳酸的单体是乳酸，乳酸的生产可分为：1发酵法是采用玉米、小麦、稻谷和木薯等含淀粉农作物为原料，从原料中提取淀粉，经淀粉酶分解得到葡萄糖等单糖，再加入纯乳酸菌和碳酸钙进行发酵。
发酵液用石灰乳中和至微碱性，煮沸杀菌，冷却后过滤，用热水重结晶。
再加入50％的硫酸分解出乳酸和硫酸钙沉淀。
滤出硫酸钙，滤液在减压下蒸发浓缩，即得到工业用乳酸。
2.石油合成法由于发酵法原料来源广泛，原料的利用率和转化率较高，大多数生产商采用此法进行生产。
<2> 聚乳酸树脂的制取乳酸的聚合是PLA 生产的一项核心技术。
近年来国内外对乳酸的聚合工艺作了不少研究，目前聚乳酸的制造方法有两种：一种是直接聚合，即在高真空和高温条件下用溶剂去除凝结水，将精制的乳酸直接聚合（缩合）成聚乳酸树脂，可以生产较低分子量的聚合体。
此方法工艺流程短，成本低，对环境污染小，但制得的PLA 平均分子量较小，强度低，不能用作塑料和纤维加工，用途不广，不适合大规模工业化生产。
聚乳酸的简称（PLA）PLA是生物降解塑料聚乳酸的英文简写，全写为：polylactice acid聚乳酸也称为聚丙交酯(polylactide)，属于聚酯家族。
聚乳酸是以乳酸为主要原料聚合得到的聚合物，原料来源充分而且可以再生,主要以玉米、木薯等为原料。
聚乳酸的生产过程无污染，而且产品可以生物降解，实现在自然界中的循环，因此是理想的绿色高分子材料。
聚乳酸的热稳定性好，加工温度170～230℃，有好的抗溶剂性，可用多种方式进行加工，如挤压、纺丝、双轴拉伸，注射吹塑。
由聚乳酸制成的产品除能生物降解外，生物相容性、光泽度、透明性、手感和耐热性好，还具有一定的耐菌性、阻燃性和抗紫外性，因此用途十分广泛，可用作包装材料、纤维和非织造物等，目前主要用于服装(内衣、外衣)、产业(建筑、农业、林业、造纸)和医疗卫生等领域。
PLA最大的制造商是美国NatureWorks公司，其次是中国的海正生物，他们目前的产量分别是7万吨和5千吨。
PLA有很多的应用，可以在挤出、注塑、拉膜、纺丝等多领域应用。
聚乳酸的制备1.1.合成方法总的来说，聚乳酸（PLA）的制备是以乳酸为原材料进行合成的。
目前合成方法有很多种，较为成熟的是乳酸直接缩聚法，另一种是先由乳酸合成丙交酯，再在催化剂的作用下开环聚合。
另外还有一种固相聚合法。
1)乳酸直接聚合法直接聚合法早在20世界30~40年代就已经开始研究，但是由于涉及反应中的水脱除等关键技术还不能得到很好的解决，所以其产物的分子量较低（均在4000以下），强度极低，易分解，没有实用性。
日本昭和高分子公司采用将乳酸在惰性气体中慢慢加热升温并缓慢减压，使乳酸直接脱水缩合，并使反应物在220~260℃，133Pa 下进一步缩聚，得到相对分子质量在4000以上的聚乳酸。
但是该方法反应时间长，产物在后期的高温下会老化分解，变色，且不均匀。
日本三井压化学公司采用溶液聚合法使乳酸直接聚合得到聚乳酸。
直接法的主要特点是合成的聚乳酸不含催化剂，因此缩聚反应进行到一定程度时体系会出现平衡态，需要升温加压打破反应平衡，反应条件相对苛刻。
1、PLA纤维的生产工艺、结构特点和主要性能生产工艺：工艺? PLA切片→干燥→螺杆挤压→预过滤→纺丝箱→冷却上油→卷绕→热盘拉伸→DT纤维（1）切片干燥：像PET一样，PLA切片必须经过干燥处理后才能进行熔融纺丝。
PLA属聚酯类产品，由于其聚合物在活跃和潮湿的环境中会通过酯键断裂发生水解而产生降解，造成分子量大幅下降，从而严重影响成品纤维的品质，因此纺丝前要严格控制PLA聚合物的含水率。
PLA切片干燥后含水率与干切片特性粘度的控制尤为重要，因为含水率控制不当引起的分子量损失将给正常的熔融纺丝带来困难。
（2）熔融纺丝：由于具有高结晶性和高取向性，PLA纤维具有高耐热性和高强度，且无需特殊的设备和操作工艺，应用常规的加工工艺便可进行纺丝。
但 PLA纤维不同于芳香酯的PET，其熔点175℃（由差示扫描量热DSC法测定）与PET的260℃差距较大，且熔融纺丝成形较PET困难，主要表现在PLA的热敏性和熔体高粘度之间的矛盾。
要使PLA在纺丝成形时具有较好的流动性和可纺性，必须达到一定的纺丝温度，但PLA物料在高温下，尤其是经受较长时间的相对高温时极易发生热降解，因此造成PLA熔融成形的温度范围极窄。
（3）? 纺丝组件：由于PLA熔体的表观剪切粘度随剪切速率的增大而下降，表现为切力变稀流动现象。
因为在剪切应力的作用下，大分子构象发生变化，长链分子偏离平衡构象而沿熔体流动取向，表现出预取向性，从而使体系解缠并使大分子链彼此分离，导致PLA熔体的表观剪切粘度下降。
因此，必须通过加强剪切来降低其表观粘度，进而解决PLA聚合物热敏性和熔体高粘度之间的矛盾，实现纺丝的顺利进行。
（4）速率和卷绕超喂：在生产过程中，为保证PLA纤维有一定的取向度，同时希望拉伸应力和卷绕应力在纺丝过程中得到及时有效地消除，有效控制卷绕张力是关键。
另外，由于PLA纤维的玻璃化温度较低，易造成卷绕过程中应力松驰加剧，使纤维沿轴向发生一定尺寸的收缩。
熔融纺丝工艺试验报告文稿归稿存档编号：[KKUY-KKIO69-OTM243-OLUI129-G00I-FDQS58-熔融纺丝工艺实验一，实验目的合成纤维的成形普遍采用高聚物的熔体或浓溶液进行纺丝，前者称为熔体纺丝，后者称为溶液纺丝。
本实验采用切片纺丝的方法，将聚合物熔体经过铸带，切粒等工序制成“切片”，然后在纺丝机上重新熔融成熔体并进行纺丝。
1.了解和掌握切片熔融纺丝的工艺路线和基本方法，通过熟悉并掌握常规纤维的成型条件和工艺参数。
2.了解熔融纺丝及牵伸设备的结构和各种部件的作用。
二，实验原理整个熔体纺丝过程包括纺丝熔体的制备，熔体自喷丝孔挤出，熔体细流拉长变细，冷却固化，丝条的上油和卷绕。
在切片熔融阶段，切片受热后结晶破坏，使其有一定结晶度的固体状态转变为均匀的粘流态，这是物理变化。
在冷却形成阶段聚合体发生的主要是物理变化，熔融后的聚合体在一定的压力下通过喷丝孔，形成熔体细流，熔体细流刚离开喷丝板时，由于熔体的弹性效应而出现膨胀现象，使熔体直径逐渐扩大，在纺程上细流受到卷绕拉力的作用，这时纤维直径急剧变细，同时丝条运动速度逐步加快，又由于空气冷却的作用，使聚合体温度下降，粘度增高，速度增加减慢，直径变化较小，再往下聚合体凝固并逐渐冷却至玻璃化温度以下，进入玻璃态，纤维固化，又由于固化后的纤维干燥而松散，以及纤维与设备，纤维与纤维之间相互摩擦产生静电，导致毛丝，给后加工带来困难，因此需经过给湿上油，增加纤维间抱合力，抗静电，使纤维变得柔软，平滑并获得良好的手感及弹性。
熔体纺丝过程的参数：指对纺丝过程的进行以及卷绕丝结构和性质起主导作用的参数。
这类参数有：成纤高聚物的种类；挤出温度；喷丝孔直径；喷丝孔长度；纺丝线的单纤维根数；质量流量；纺丝线长度，卷绕速度；冷却条件。
三，实验仪器及工艺过程1.纺丝工艺流程：切片、干燥、熔融挤出、冷却成形、上油、牵伸、卷绕。
2.切片干燥的目的：除去水分，提高切片的含水的均匀性，提高结晶度及软化点。
新型环保生物可降解材料PLA纤维发展情况聚乳酸（PolylacticAcid,PLA）纤维，是由碳水化合物富集的物质（如长米、甜菜、木薯等农作物及有机废料)与一定菌种发酵成乳酸，再经单体乳酸环化二聚或乳酸的直接聚合制得高性能乳酸聚合物，最后采取一定纺丝方式制成PLA纤维。
由于多用玉米等谷物为原料，所以又称为“玉米纤维”。
PLA纤维原料来源于自然，制品废弃物可被完全降解为自然所需的H2O 和CO2，实现了完全自然循环，是21世纪极其发展前景的纤维材料。
一、聚乳酸纤维国内外的发展1.国内的PLA纤维国内主要的聚乳酸(PLA)树脂生产企业为浙江海正生物材料股份及同杰良生物材料。
海正生物现有PLA切片产能5000t/a，同杰良生物的万吨级PLA项目于2014年通过验收。
此外，安徽丰原生物化学股份正在筹建10万t/a的聚乳酸生产线。
PLA纤维生产方面，恒天长江生物材料从2007年开始建设万吨级PLA熔体直纺项目，目前已基本建成。
浙江嘉兴普利莱新材料于2008年建成1000t/a的PLA长丝生产线；后与河南南乐县政府合作成立了河南龙都生物科技，其2万t/aPLA纤维(8000t/a长丝和12000t/a短纤)项目于2014年7月试车成功，主要使用进口PLA切片。
此外，安徽马鞍山同杰良生物材料年产千吨级纺丝生产线于2014年建成、安徽丰原生化2000t/a纺丝生产线于2018年建成。
整体而言，我国PLA纤维产业正进入蓬勃发展时期，但当前存在规模不大，应用尚未完全开发等问题。
2.国外的PLA纤维国外PLA纤维研发起步较早。
1962年美国Cyanamid公司纺制出了可生物吸收的PLA医用缝合线，但由于当时PLA的合成方法还相当落后，难以进行批量生产。
1991年，美国Cargill公司开展了以玉米为原料制备乳酸(LA)及PLA的合成技术研究，并进行了PLA纤维中试生产技术的研发，随后PLA纤维工业才逐渐发展起来。
1997年Cargill公司与美国DowChemical公司合资组建了聚焦PLA开发的NatureWorks公司。
研究与开发CHINA SYNTHETIC RESIN AND PLASTICS合 成 树 脂 及 塑 料 ， 2023， 40（2）： 6目前，世界各国都面临着石油资源匮乏、生态环境恶化的局面，大量以石油基为原料的合成纤维及其衍生品的不可降解性造成了严重的环境压力，以新型生物可降解材料作为石油基材料的替代品成为了一种可行的途径［1］。
聚乳酸（PLA）作为一种生物可降解的生物基材料，最终的降解产物为水和二氧化碳，其以良好的生物相容性和生物可吸收等特点，广泛应用于纺织、医疗、农业、包装等领域。
但PLA具有一定的脆性，结晶速率慢，限制了其应用。
聚（3-羟基丁酸酯-co-4-羟基丁酸酯）（P34HB）作为第四代聚羟基脂肪酸酯（PHA）生物塑料，是由3-羟基丁酸酯与4-羟基丁PLA/P34HB共混纤维的制备与性能杨青山，毛雯雯，李大伟，邓炳耀，刘庆生*（江南大学 生态纺织教育部重点实验室，江苏 无锡 214122）摘要：采用熔融纺丝法制备了聚乳酸（PLA）/聚（3-羟基丁酸酯-co-4-羟基丁酸酯）（P34HB）共混纤维，分析了P34HB含量对PLA/P34HB共混纤维热学性能、结晶性能和力学性能的影响，并研究了拉伸倍数对P34HB含量为30%（w）的共混纤维性能的影响。
结果表明：当拉伸倍数为3倍时，随着P34HB含量的增加，PLA/P34HB共混纤维的结晶度逐渐降低，断裂强度和初始模量逐渐下降，而断裂伸长率逐渐增大；随着拉伸倍数的增大，P34HB含量为30%（w）的PLA/P34HB共混纤维的结晶度、断裂强度和初始模量逐渐提高，断裂伸长率逐渐降低，当拉伸8倍时，共混纤维的断裂强度达到425 MPa，断裂伸长率为15.5%，初始模量为7005 MPa。
关键词：聚乳酸 聚（3-羟基丁酸酯-co-4-羟基丁酸酯）共混纤维 热学性能 结晶性能 力学性能中图分类号：TQ 342；TS 102.5文献标志码： B 文章编号：1002-1396（2023）02-0006-06Preparation and properties of PLA/P34HB blended fiberYang Qingshan，Mao Wenwen，Li Dawei，Deng Bingyao，Liu Qingsheng（Key Laboratory of Eco-textiles （Ministry of Education），Jiangnan University，Wuxi 214122，China）Abstract：Polylactic acid（PLA）/poly（3-hydroxybutyrate-co-4-hydroxybutyrate）（P34HB） blended fiber was prepared via melt spinning method. The effects of P34HB content on thermal properties，crystallization properties and mechanical properties of PLA/P34HB blended fiber were observed，along with the effect of drawing ratio on properties of the blended fiber with P34HB content of 30%. The results show that when the drawing ratio is 3，the crystallinity，breaking strength and initial modulus of PLA/P34HB blended fiber gradually decrease with the increase of P34HB content，while the elongation at break gradually increases. With the increase of the drawing ratio，the crystallinity，breaking strength and initial modulus of PLA/P34HB blended fiber with the P34HB content of 30% gradually increase and the elongation at break gradually decreases. When it is stretched by 8 times，the breaking strength of the blended fiber is 425 MPa，its elongation at break is 15.5%，and its initial modulus is 7005 MPa.Keywords：polylactic acid； poly（3-hydroxybutyrate-co-4-hydroxybutyrate）； blended fiber； thermal property； crystallization property； mechanical propertyDOI：10.19825/j.issn.1002-1396.2023.02.02*收稿日期：2022-09-27；修回日期：2022-12-26。
PLA纤维熔融纺丝生产工艺合成纤维在纺织纤维中所占比重较高，现已广泛应用于工农业生产、服饰、家居等领域，但由于其原料大都取自石油、煤炭等不可再生资源，且使用后难降解，易造成污染，因此，可降解、再生的“绿色环保”纤维材料成为今后合成纤维研究的方向。
近年来，随着聚乳酸（PLA）纤维聚合工艺的局部成熟，它被认为是最具发展前景的“绿色环保”纤维之一，它具有良好的生物降解性和循环再生性，同时又具有芯吸导湿性、良好的抗紫外线性和耐菌性、优良的阻燃性、出色的回弹性及悬垂性。
PLA纤维POY－DT技术由于工艺路线简单、成本低、污染小，且常规设备进行适当改造后可以工业化生产，已经成为PLA纤维的一大生产方向。
浙江上虞新天龙化纤通过北京中丽POY纺丝线及山西晋中改造的平行牵伸机设备，已成功开发生产了50D、98D系列PLA长丝纤维，较大程度地克服了PLA可纺性差、易水解、纺丝成形温度窄等技术难题，提高了纤维织物的档次。
一、生产实例设备北京中丽POY纺丝试验线，日本汤浅导丝系统，山西晋中改造的平行牵伸机（KV 505）。
原料美国Largill Dow 公司生产的PLA切片，日本竹本公司生产的POY油剂。
工艺PLA切片→干燥→螺杆挤压→预过滤→纺丝箱→冷却上油→POY卷绕→热盘拉伸→DT纤维二、工艺探讨1. 切片干燥像PET一样，PLA切片必须经过干燥处理后才能进行熔融纺丝。
PLA属聚酯类产品，由于其聚合物在活跃和潮湿的环境中会通过酯键断裂发生水解而产生降解，造成分子量大幅下降，从而严重影响成品纤维的品质，因此纺丝前要严格控制PLA聚合物的含水率（<50×10-6）。
PLA切片干燥后含水率与干切片特性粘度的控制尤为重要，因为含水率控制不当引起的分子量损失将给正常的熔融纺丝带来困难。
从生产试制55dtex／24 f PLA纤维的工艺来看，长丝生产要求PLA干切片的含水率最好在30ppm以下。
适用的干燥条件为：结晶温度控制在105℃左右，切片经过脉动阀板和两两隔开的结晶热风循环通道的气流；再由氧化铝分子筛脱湿器和夹套式闭式热空气干燥；由于其熔点和玻璃化温度较低，干燥温度可控制在120℃左右，干燥时间6 h以上，实现露点温度60℃。
而从108dtex／48 f PLA纤维的试纺情况来看，其预结晶和干燥温度可比55dtex／24 f的略高3～4℃，干燥时间可略短。
2. 熔融纺丝PLA纤维具有同PET纤维相似的物理特性，不仅具有高结晶性，还具有相似的透明性。
由于具有高结晶性和高取向性，PLA纤维具有高耐热性和高强度，且无需特殊的设备和操作工艺，应用常规的加工工艺便可进行纺丝。
但PLA纤维不同于芳香酯的PET，其熔点175℃（由差示扫描量热DSC法测定）与PET的26 0℃差距较大，且熔融纺丝成形较PET困难，主要表现在PLA的热敏性和熔体高粘度之间的矛盾。
例如可用于纺丝成形的PLA相对分子量达10万左右，但其熔体粘度远高于PET熔体的粘度。
要使PLA在纺丝成形时具有较好的流动性和可纺性，必须达到一定的纺丝温度，但PLA物料在高温下，尤其是经受较长时间的相对高温时极易发生热降解，因此造成PLA熔融成形的温度范围极窄。
目前有文献报道“连续共沸除水直接缩聚合成的成纤PLA分子量可达30万以上”，为PLA纤维的品质和可纺性提供了基础。
由于PLA聚合物的热稳定性较差，为避免较大量的聚合物热降解，在保证熔体流变性好的情况下，需要设定较低的纺丝温度。
从纺丝实例看，冷却区设定为41℃，螺杆各区温度控制在205～212℃，而联苯加热气相温度控制在210～213℃为宜（为便于低温控制，必须用低沸点联苯）；从生产实例看，熔体温度宜控制在216℃以内，高于216℃时，预取向纤维拉伸较为困难，而当该温度较低时，毛丝、断头严重，生头困难。
同时，在保证均压和纤维均匀挤出的前提下，可降低预前压力到7.5 Mpa，以减少熔体在螺杆的回流，从而减少熔体在高温区的停留时间，减少熔体热降解的程度，进而降低纤维成品质量特别是强度指标的下降。
从55 dtex／24 f PLA纤维的试纺情况来看，其螺杆各区的温度比108 dtex／48 f的可略低2～3℃，而纺丝箱温度低1～2℃左右。
3. 纺丝组件由于PLA熔体的表观剪切粘度随剪切速率的增大而下降，表现为切力变稀流动现象。
因为在剪切应力的作用下，大分子构象发生变化，长链分子偏离平衡构象而沿熔体流动取向，表现出预取向性，从而使体系解缠并使大分子链彼此分离，导致PLA熔体的表观剪切粘度下降。
因此，必须通过加强剪切来降低其表观粘度，进而解决PLA聚合物热敏性和熔体高粘度之间的矛盾，实现纺丝的顺利进行。
通过试纺比较，发现24 f和48 f喷丝板在孔径适当降低而长径比同步提高的情况下（φ0.25调整为φ0.18～φ0.22），熔体破裂现象比未调整前有明显改善的趋势。
这种情况跟PET相似：熔体具有一定的储能模量，大分子的伸展与已伸展的大分子弹回最低能态处需一定的松驰时间，为了取得大分子的净伸展或净取向效果，剪切速率必须大于大分子的松驰速率。
在纺丝时，调整后的孔径和长径比有利于剪切速率的加强，从而为纺丝稳定创造条件。
建议PLA纺丝用喷丝板长径比控制在2.3～3.0，高于同规格的PET纺丝用喷丝板的长径比2.0～2.5；在组件安装上，我们把24 f和48 f喷丝板分别底装20%～35%的金属砂，跟海砂分层混装，在可纺性相同的情况下降低初始压力。
实测组件的初始压力要小2.0 Mpa～2.5 Mpa左右，此时纺丝情况尚可，断头较少，组件滴浆能有效控制。
4. 速率和卷绕超喂Mezghani K等通过在环境温度（25±3）℃的条件下进行的PLA纤维高速纺丝的研究表明：从纺丝速率（0～5 000 m/min）对PLA初生纤维结晶度和力学性能的影响来看，初生纤维的结晶度随纺丝速率的增加呈线性增加趋势，并在纺丝速率为3 000 m/min时达到最大；此后随着纺丝速率的继续增大，初生纤维的结晶度和力学性能有所下降。
这是因为随着纺丝速率的增加，初生纤维的拉伸形变速度梯度变大，即初生纤维的声速取向因子变大，从而使拉伸强度等增加；而较高的纺丝速率会导致分子取向并使纤维发生诱导结晶，过高的纺丝速率使PLA结晶时间过短，结晶不完全。
在生产过程中，为保证PLA纤维有一定的取向度，同时希望拉伸应力和卷绕应力在纺丝过程中得到及时有效地消除，有效控制卷绕张力是关键。
另外，由于PLA纤维的玻璃化温度较低，易造成卷绕过程中应力松驰加剧，使纤维沿轴向发生一定尺寸的收缩。
在尽可能保证卷绕稳定的情况下，适当增大卷绕超喂率，在不影响成形的前提下，减少卷绕张力，相应调整摩托辊与筒子的接触压力，可以得到优质的大卷装丝。
从55 dtex／24 f PLA纤维的纺制情况看，丝层厚度和卷绕角度宜分8～12步配套完成，超喂率控制在2.0%左右（比同规格PET略大），以实现表面成形和卷绕张力的平衡；纺108 dtex／48 f PLA纤维的卷绕参数基本跟55 dtex／24 f的相似，且二者的环境、侧吹风温度和湿度也基本一致。
5. 拉伸温度、速度在平牵机上，热盘的温度即为拉伸温度，作为影响纤维的重要条件之一，选择合适的拉伸温度是提高纤维物理-机械性能的关键。
在试纺过程中，同PET的初生纤维一样，低温时，拉伸初生PLA纤维时易发生脆性断裂，随着拉伸温度的提高，塑性变形越来越明显，PLA纤维结构单元包括链段和大分子的活动性随温度升高而增大。
同时，随着温度的提高，一方面由于PLA大分子在拉伸过程中发生取向，伸直链段的数目增多，而折叠链段的数目减少；另一方面，由于拉伸过程中发生了结晶，片晶之间的连接链相应增加，从而提高了PLA纤维的强度和抗拉性，表现在纤维的物理性能上是纤维的断裂强度明显增大，断裂伸长率也增加。
从试纺情况看：当拉伸温度高于75℃时，PLA纤维冷位发生的脆性断裂现象基本消除；但温度过高，结晶速度和拉伸应力上升过快，解取向增大，有效取向反而减少，导致拉伸不能正常进行。
实践表明，拉伸温度宜在80～85℃。
适当降低拉伸速度的影响类似于升高温度的影响，纤维的断裂伸长率、断裂强度及取向度均向有利于成纤的方向发展；但速度过低，易产生缓慢流动，导致纤维的拉伸应力不足，未能破坏不稳定结构，使分子链取向未向有利于成纤的方向发展，造成断裂强度下降而伸长增大。
从实际试纺55 dtex／24 f和108 dtex/48 f PLA纤维的情况来看，当拉伸速度在680 m/min左右时，牵伸断头率尚可，成品退卷状况尚佳，成形情况良好；108 dtex／48 f的拉伸温度可比55 dtex／24 f的略高1～2℃左右，速度略高10～20 m/min。
6. 拉伸倍率随着拉伸倍率的增大，PLA纤维的初始模量和断裂强度均有所提高，而断裂伸长有所降低。
这是因为在拉伸过程中，纤维无定形区域的大分子链结构发生不同程度的取向，同时不完善的结晶结构也可能发生一定的重排。
随着拉伸的进行，拉伸倍率增大，纤维取向度提高，纤维的双折射率增大；由于分子取向诱导了大分子结晶，结晶度和密度增加，使拉伸丝的杨氏模量和断裂强度增加；而断裂伸长由于纤维大分子伸展能力的下降而下降，从而使纤维稳定性提高。
但过大的拉伸倍率易破坏分子的链段联接，从而产生大面积毛丝而导致丝束缠辊，难以顺利拉伸。
从试纺情况来看，稳定张力、将热拉伸均匀的一区的拉伸倍率控制在1.012以下，二区的拉伸倍率可根据POY原丝的指标进行调整。
表1是相关工艺调整后纺制的PLA纤维经拉伸后的物检指标。
表1 PLA纤维物检指标指标55 dtex／24 f 108 dtex／48 f纤度（dtex）55.40 108.20CV（%）0.76 0.66纤度偏差（%）0.57 0.28断袭强度（cN/dtex） 3.72 3.85 CV（%） 2.97 3.42断裂伸长率（%）28.20 29.70CV（%） 4.56 3.98极限氧指数（%）85.30 84.60含油率（%）0.67 0.69三、结语1. 较好的干燥效果和较低的纺丝温度是减少水解和热降解的基础；2. 合理的的温度区间和优化的组件配制有助于解决聚合物热敏性和熔体高粘度之间的矛盾；3. 合适的纺丝速率和一定的卷绕超喂有利于正常纺丝；4. 适宜的牵伸倍率、拉伸温度及速度有利于制备高强、中伸、低模的PLA 纤维。
