聚乳酸纤维的结构与性能

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。

直接聚合示例（见图1）

另一种是丙交酯开环聚合，即在较温和的条件下去除水份，将乳酸环化制成中间产品二聚物丙交酯，在真空下蒸馏提纯后再进行开环聚合制得聚乳酸树脂。此方法制得的分子量可高达二十几万，被CargillD ow和杜邦公司等大多数公司所采用，是目前工业上普遍采用的方法。此方法虽然工艺流程长、成本较高，但可制得高分子量的PLA ，用途广泛。

开环聚合示例（见图2）：

<3> 聚乳酸（P LA）纤维的制取

聚乳酸是一种热塑性树脂，纺丝加工性能良好，其纺丝成形可采用溶液纺丝法和熔融纺丝法两种方法来完成。

溶液纺丝主要采用干法-热拉伸工艺，纺丝原液的制备一般采用二氯甲烷、三氯甲烷、甲苯作溶剂。1982年，Pennings等人率先用溶液纺丝法制备出粘均相对分子质量为3×105~5×105的聚乳酸。工艺流程为：聚乳酸酯→纺丝液→过滤→计量→喷丝板出丝→溶剂蒸发→纤维成形→卷绕→拉伸→纤维成品。由于溶液纺丝法的工艺较为复杂，使用溶剂有毒，溶剂回收难，纺丝环境恶劣，产品成本高，从而限制了其应用，故不适合工业化生产。

熔融纺丝采用热拉伸二步法纺丝工艺，PLLA 是热塑性聚合物，比较适合熔融纺丝，目前各种用于生产涤纶现行熔融纺丝工艺（高速纺丝一步法，纺丝－拉伸二步法）都可采用。同时由于熔融状态下PLLA 会很快被水分解，因此在熔融纺丝前必须严格地除去水分。工艺流程为：聚乳酸酯→真空干燥→熔融挤压→过滤→计量→喷丝板出丝→冷却成形→PO Y 卷绕→热盘拉伸→上油→成品丝。该方法污染小、成本低、便于自动化生产。目前，熔融纺丝法生产工艺和设备正在不断地改进和完善，采用熔融纺丝法目前已进入成熟阶段，已成为目前最主要的加工方法。研究发现拉伸卷绕速度越高，初生纤维的结晶度、强度就越大，熔融温度不能太高，一般在200℃左右，最高纺速可达9000m /m in，可制得各种形态的纤维，如：单丝、复丝、长丝（扁平的，变形的）和短纤维等。

三,聚乳酸（P LA）纤维结构与性能

1.聚乳酸纤维的结构

聚聚乳酸纤维的化学结构并不复杂(图1)，但由于乳酸分子中存在手性碳原子，有D型和L型之分，使丙交酯、聚乳酸(PLA)的种类因立体结构不同而有多种，如聚右旋乳酸(PDLA)、聚左旋乳酸(HLA)和聚外消旋乳酸(PDLLA)。然而，

因为市售的乳酸主要为L一乳酸(左旋乳酸)和D，L一乳(外消旋乳酸)，故通常大量被合成的聚乳酸为PLLA和PDLLA。由于PDLLA 为无定形非晶态，而PLLA可以结晶，因此人们对聚乳酸纤维结

构的研究主要集中于PLLA。PLLA的链构象、晶胞结构如图2所示。以电子显微镜、x射线衍射、原子力显微镜为手段，对稀溶液培养的PLLA晶体的晶胞结构参数进行测定，证明为正交体系，晶胞参数

a=1．078nm，

b=0．604nm

c=2．87nm

乳酸纤维横截面或纵面的形态如下图所示，其横截面为近似圆形且表面存在斑点，纵向存在无规律的斑点及不连续的条纹，这些无规律的斑点及不连续条纹形成的原因主要是由于聚乳酸纤维存在着大量的非结晶部分，在水、细菌、氧气的存在下，可以进行较快的分解而形成。

四、聚乳酸纤维的性能

1．物理性能

聚乳酸纤维与聚酯纤维、锦纶的物理性能比较:

1，聚乳酸纤维的密度介于聚酯纤维和锦纶之间，比毛、丝等密度小说明聚乳酸纤维具有较好的膨松性制成的服装比较轻盈

2，聚乳酸纤维的强度较高，达到3.0-4.5cN/dtex，接近聚酯

纤维

3，聚酯纤维的断裂伸长率30%-50%，远高于聚酯纤维和锦纶，会给后道织造工序带来相当的难度

4，纤维模量小（与锦纶相近)

聚乳酸纤维和常用纤维弹性回复率比较

由表可以看出，聚乳酸纤维在小变形时弹性回复率比锦纶还要好，即使变形在10%以上，纤维的弹性回复率也比锦纶以外的其他纤维高很多。

2．生物降解性能

2.1 降解的根本原因：聚合物上酯键的水解。

2.2影响水解的速率因素：

A聚合物的化学结构

B聚合物的相对分子量

C聚合物的形态结构

D外部水解环境（微生物种类、温度、湿度、PH值）但是，在正常的温度和湿度条件下，聚乳酸纤维及其制品时及其稳定的

3．吸湿快干和保暖性能

聚乳酸纤维的回潮率在0.4%-0.6%，比大多天然和合成纤维都

低，吸湿性低，疏水性能较好。但纤维具有独特的芯吸作用，织物具有良好的导吸快干功能。

4．可燃性

由下表数据分析知：

4.1聚乳酸纤维燃烧不释放有害气体，燃烧热小

4.2聚乳酸纤维限氧指数最高，且已接近与国家标准对阻燃纤维的极限氧指数28%-30%

5．染色性

聚乳酸纤维与涤纶都含有聚酯成分，其染色性能类似，分散染料对聚乳酸纤维着色。但聚乳酸纤维的形态和超分子结构与涤纶有所不同，故染色性能和染色工艺与涤纶有一定的差异。五，聚乳酸纤维的优点

(1)原料来源广泛，玉米、甜菜、甘薯都可获得乳酸。与其它植物相比玉米较容易种植和生长，且产量高。

(2)制品废弃后在土壤或海水中经微生物作用降解的产物为乳酸、二氧化碳和水(有研究表明聚乳酸制品若不使用丢弃1 20天后即开始溶解)，不污染环境。

(3)限氧指数较高(L01 24—29)，阻燃性好。燃烧时不会散发毒气。

(4)有较好的亲水性、毛细管效应和水的扩散性，可散汗除菌。

(5)手感柔软且具有丝光泽，透明度高，强度和弹

性均比棉麻好

(6)易染色，染色效果好，且可用分散染料染色。

(7)制成的纺织品可烫易洗，但切忌用高温(<120℃ )洗烫。

聚乳酸纤维在力学l生、生物相容性、废弃可回收性等多方面都具有很好的性能特征。

六，聚乳酸纤维的缺点

(1)原料来源于农作物，大量占用会影响粮食供应，造成食品价格上涨。

(2)聚乳酸短纤维易水解，造成纺丝困难。

(3)熔点低(175℃左右)，耐光性差。

(4)耐磨性差，使用寿命短，较适合于用即弃产品，成本高。

聚乳酸纤维的缺点是暂时的，随着科研的不断深入，这些缺点也会得到改善，从而满足人们的需要。

七，参考资料：

1，《聚乳酸纤维的结构性能和应用前景》刘丽李红霞(天津工业大学纺织与服装学院)

2，《聚乳酸纤维的加工和结构性能分析》徐超武（苏州经贸职业技术学院轻纺系苏州215008）

3，《绿色合成纤维——聚乳酸纤维》汪朝阳赵耀明李维贤(1华南理工大学材料学院广州 510640；2华南农业大学艺术设计学院广州 510642，

4，《新型纺织材料及应用》中国纺织出版社