聚乳酸纖維

聚乳酸纖維是以玉米、小麥、甜菜等含澱粉的農產品為原料，經發酵生成乳酸後，再經縮聚和熔融紡絲製成.聚乳酸纖維是一種原料可種植、易種植，廢棄物在自然界中可自然降解的合成纖維。它在土壤或海水中經微生物作用可分解為二氧化碳和水，燃燒時，不會散發毒氣，不會造成污染，是一種可持續發展的生態纖維。其織物面料手感、懸垂性好,抗紫外線,具有較低的可燃性和優良的加工性能,適用於各種時裝、休閒裝、體育用品和衛生用品等，具有廣闊的套用前景。

基本介紹

• 中文名：聚乳酸纖維
• 外文名：Polylacticacid fiber(PLA)
• 密度：1.25 g/cm3
• 玻璃化溫度：55~65℃
• 熔融溫度：160~170℃

PLA纖維的特點

聚乳酸纖維(PLA)的生產原料乳酸是從玉米澱粉中製得，所以也將這種纖維稱為玉米纖維，可以用甜菜或穀物等經葡萄糖發酵製成,以降低製備乳酸聚合體的成本。通過乳酸環化二聚物的化學聚合或乳酸的直接聚合可以得到高分子量的聚乳酸。以聚乳酸為原料得到的製品，具有良好的生物相容性和生物可吸收性，以及抑菌性、阻燃性，並且在可降解熱塑性高分子材料中，PLA具有最好的抗熱性。

PLA 纖維具有同 PET 纖維 (即聚酯纖維) 相似的物理特性，不僅具有高結晶性，還具有同樣的透明性；並且由於它的高結晶性和高取向度，從而具有高耐熱性和高強度，且無需特殊的設備和操作工藝，套用常規的加工工藝便可進行紡絲。

原料

生產 PLA 的原料豐富，例如甜菜 、玉米等 ,並且可通過不斷種植獲得這些原料。由於不採用石油或木材，這對於有限的石油和木材資源將起到保護作用。聚乳酸的原料是乳酸，即-羥基丙酸、2-羥基丙酸。由於乳酸分子中有一個不對稱碳原子，所以具有d-型（右旋光）和L-型（左旋光）兩種對映體，等量的L-乳酸和d-乳酸混合而成的dL-乳酸不具旋光性。成纖聚乳酸以L-乳酸為單體。

L-乳酸的工業化生產主要有微生物發酵法和化學合成法兩大類。

可生物降解性

PLA纖維具有良好的可生物降解性，被廢棄後可在自然界中完全分解為CO₂和H₂O。二者通過光合作用，又可變成乳酸的原料——澱粉。PLA纖維如果與其它有機廢棄物一同掩埋，幾個月內便會分解，可以完全分解成CO₂和H₂O。

物理機械性能

PLA 在所有生物可降解聚合物中，熔點最高、結晶度大、透明度好，很適合於作纖維、薄膜及模壓製品。PLA纖維的物理性能接近PET纖維 (滌綸)和PA纖維(尼龍)，染色性能優於PET纖維。

安全性

由於PLA纖維具有生物相容性，且服用舒適，可安全植入體內，無毒副作用。

耐氣候性

PLA纖維在室外暴曬500 h後，強度可保留55 %左右。

PLA 纖維的生產技術

單體製備

單體主要是通過葡萄糖在乳酸菌中發酵製得。

聚乳酸的聚合方法

聚乳酸有兩種合成方法，即丙交酯（乳酸的環狀二聚體）的開環聚合和乳酸的直接聚合。

一種是減壓在溶劑中由乳酸直接聚合的方法，即：乳酸→預聚體→聚乳酸；乳酸直接縮聚是由精製的乳酸直接進行聚合，是最早也是最簡單的方法。該法生產工藝簡單，但得到的聚合物分子量低，且分子量分布較寬，其加工性能等尚不能滿足成纖聚合物的需要；而且聚合反應在高於180C的條件下進行,得到的聚合物極易氧化著色，套用受到一定的限制。

另一種方法是常壓下以環狀二聚乳酸為原料聚合得到(丙交酯開環聚合)，即：乳酸→預聚體→環狀二聚體→聚乳酸。丙交酯開環聚合生產工序為：先將乳酸脫水環化製成丙交酯；再將丙交酯開環聚合製得聚乳酸。其中乳酸的環化和提純是製備丙交酯的難點和關鍵，這種方法可製得高分子量的聚乳酸，也較好地滿足成纖聚合物和骨固定材料等的要求。

丙交酯開環聚合

紡絲工藝

由於原料原因，聚乳酸有聚d-乳酸（PDLA）、聚L-乳酸（PLLA）和聚dL-乳酸（PDLLA）之分。生產纖維一般採用PLLA。聚乳酸及其共聚物的紡絲可採用溶液紡絲和熔融紡絲工藝，主要採用乾紡-熱拉伸工藝，而乾紡纖維的機械性能要優於熔紡纖維。研究表明，聚乳酸的分子量及其分布、紡絲溶液的組成及濃度、拉伸溫度、聚乳酸的結晶度和纖維直徑，都影響最終纖維的性能。

紡制聚乳酸纖維也可以採用反應擠出紡絲成型。採用二氯甲烷、三氯甲烷 、甲苯為溶劑，溶解聚乳酸樹脂作為紡絲液進行乾法紡絲製得的聚乳酸纖維因 熱降解少、纖維強度較高。但由於溶劑有毒、紡絲環境惡劣、溶劑回收困難，需要特殊處理，纖維生產成本高，限制了聚乳酸纖維的工業化生產。

聚乳酸是熱塑性樹脂，從理論上講，採用熔融紡絲是最理想的纖維成型方式. 熔融紡絲工藝技術比較成熟、環境污染小、生產成本低，更有利於自動化、柔性化生產，是聚乳酸纖維的主要成型方法。但是熔融紡絲易造成聚乳酸的水解和熱降解，因此紡絲前必須嚴格控制樹脂的含水量，以保證紡絲的工藝穩定性和纖維最終的質量。熔融紡絲時，採用分子量為330000 的聚乳酸，先進行真實幹燥，而後進行熔融紡絲，即能獲得聚乳酸纖維。具體步驟包括熔融紡絲和熱拉伸二步。

1. 熔融紡絲：在氮氣的保護下 ,聚合物經由螺桿熔融擠出，成絲後以11 8~21 0 km/min 的速度進行卷繞。
   
2. 熱拉伸紡絲：初生纖維在 160℃熱板上雙區拉伸。
   

PLA 纖維的用途

由於 PLA 纖維具有很好的耐熱性，所以它與普通的PET纖維一樣，可製成長絲、短絲、單絲和非織造布等製品。裝置不需要進行大的改動即可生產編織物、帶子、不織布等。另外，PLA 纖維雖吸水性差，但擁有良好的水擴散性，比如與棉混紡 ,能製成吸汗速乾型複合材料。作為無紡布的纖維材料，具有良好的手感、懸垂性及回彈性，優良的捲曲性及捲曲穩定性，可控制縮率。

套用領域	舉 例
服裝	內 衣 、外衣 、運動服 、襯衫等
建築材料	地面覆蓋增強材料 、網 、墊子 、沙袋等
農業用 、林業用材料	種植業用網和無紡織物 、防雜草袋和網
漁業用材料	漁網 、海帶養殖網 、魚線等
造紙業用材料	包裝材料等
家用製品	普通用具 、室外休閒用具 、垃圾網 、手巾 、濾器等
衛生醫療製品	尿布 、個人衛生用品 、手術縫合線

定性鑑別

鑑別方法

採用燃燒試驗法、顯微鏡法、熔點試驗法、紅外吸收光譜法、化學溶解試驗法對聚乳酸纖維進行物理、化學性能的研究。

顯微鏡法觀察試驗

對聚乳酸纖維進行顯微鏡觀察，其橫截面為近似圓形，縱截面纖維光滑、有明顯斑點。

聚乳酸纖維進行顯微鏡觀察

燃燒試驗

纖維靠近火焰時纖維熔縮；接觸火焰時纖維熔融、燃燒；離開火焰時纖維熔融燃燒、熔體下落；纖維燃燒時有淡淡的特殊甜味；殘留物為淺灰色膠狀物。根據燃燒試驗方法，聚乳酸纖維同合成纖維特徵較為相似，無特殊的表征現象。但聚乳酸纖維離開火焰燃燒時有獨特的透明藍色火焰,其殘渣為極少量淡黃色膠狀物，有別於滌綸纖維。但是這個表征現象並不十分明顯，不能單用此方法確認是否為聚乳酸纖維。

熔點試驗

聚乳酸纖維在150℃左右進行初熔，至165℃~170℃完全熔融。

在熔點法中，聚乳酸纖維的熔點在165℃~170℃之間，滌綸纖維的熔點一般在252℃左右，錦綸6纖維在220℃左右，錦綸66在260℃左右，丙綸纖維在180℃，乙綸纖維在160℃左右，雖然能將其與滌綸、錦綸區分開，但容易和乙綸混淆，加上許多低熔點滌綸的研發，使單純套用熔點法不易進行定性鑑別。

紅外光譜

對聚乳酸進行紅外吸收光譜分析試驗，其紅外吸收光譜圖見下圖。

由紅外吸收光譜圖可見在1747cm^-1左右有雙鍵伸縮振動強的吸收峰，C-O的伸縮振動在1076cm^-1左右，1179cm^-1左右有二個最強的吸收峰，表明該纖維具有酯類特徵的吸收峰，屬聚酯家族。但C=O伸縮振動頻率位置相應與苯環共軛的聚酯類要高，強度要弱。

在紅外吸收光譜試驗中，聚乳酸纖維和聚酯纖維的光譜吸收圖有很大的相似之處，但可以通過聚乳酸的特徵峰：1076cm^-1、1179cm^-1、1747cm^-1，表明該纖維具有酯類特徵的吸收峰，屬聚酯家族。根據C=O基與苯環共軛，C=O基的伸縮振動頻率比上述位置高低，強度的強與弱，區分聚乳酸纖維和滌綸纖維。

化學溶解

對聚乳酸纖維進行化學溶解試驗，觀察聚乳酸纖維在一定溫度、溶解時間條件下，在一定的酸、鹼、鹽及有機溶劑中的溶解狀態，具體見表2。聚乳酸纖維溶解性能表

溶劑	觀察時間/min
1	5	10	30
硫酸（98%），常溫	S0	S	S	S
硫酸（75%），50℃	I	I	I	I
硫酸（59.5%），60℃	I	I	I	I
鹽酸（36%），常溫	I	I	I	I
鹽酸（20%），常溫	I	I	I	I
甲酸（98%），常溫	I	I	I	I
甲酸（80%），常溫	I	I	I	I
甲酸/氯化鋅，75℃	I	I	I	I
冰乙酸，常溫	I	I	I	I
冰乙酸，80℃	I	I	P	S/P
冰乙酸，煮沸	P	S	S	S
氫氧化鈉（5%），常溫	I	I	P	P
氫氧化鈉（5%），煮沸	P	P	S	S
氫氧化鈉（2.5%），煮沸	P	P	P	S
次氯酸鈉（1mol/L），常溫	I	I	P	P
二甲基甲醯胺，常溫	I	△	△	△
二甲基甲醯胺，煮沸	S0	S	S	S
二氯甲烷，常溫	S0	S	S	S
丙酮，常溫	I	I	I	I

註：S0——立即溶解，S——溶解，P——部分溶解，I——不溶解，△——溶脹。

在溶解試驗法中，從上表可以看出，聚乳酸纖維能溶解於常溫下的二氯甲烷和煮沸的二甲基甲醯胺中，可以將之與滌綸有所區別，這是鑑別聚乳酸纖維和滌綸纖維及丙綸、乙綸纖維的關鍵點所在。聚乳酸纖維與滌綸纖維的化學溶解性部分相同，但聚乳酸纖維屬線性脂肪族類聚酯纖維，而滌綸屬芳香族類聚酯纖維，這 2 種纖維在分子結構上的差異導致化學溶解性有明顯的差異。