可生物降解聚乳酸并捻長絲紗的制備及性能研究

吳改紅，劉淑強，荊云娟，許巧麗

(太原理工大學輕紡工程與美術學院，山西晉中030600)

隨著人們環保意識的增強，聚乳酸(PLA)纖維作為一種理想的可降解的環保纖維越來越受到人們的青睞。聚乳酸纖維的原料具有來源可持續發展、產品可生物降解、生產過程清潔、物理機械性能優越等特點，使其成為新型紡織材料的新寵［1-3］。聚乳酸纖維具有極好的服用性能，同時兼具了再生纖維環保、無污染、穿著舒適，以及合成纖維高彈、高強、斷裂功大的優點，具有結晶度、取向度和強度較高、回潮率較低、抗紫外線性能較好、折射率較低、極限氧指數高及芯吸速率較高、染色后的色彩較強等特點;聚乳酸纖維織物還有優良的懸垂性和滑爽性、處理方便、手感蓬松、對皮膚不發粘、不刺激皮膚，因而在服裝、床品、衛生領域里有廣闊的應用前景［4-8］。本文應用聚乳酸長絲，經并捻、熱定形加工成并捻長絲紗，優化并捻工藝和熱定形工藝，研究紗線的結構和性能，最終制備出性能良好的紗線，以期更好地應用到紡織服裝領域。

1 試驗

1.1 原料與設備

聚乳酸原絲束(海寧新高纖維有限公司)，規格為167 dtex(150D)/72根，斷裂強度為3.48 cN/dtex，斷裂伸長率為28.19%，初始模量為51.88 cN/dtex。

應用UNL308型并捻機對聚乳酸原絲束進行并紗加捻;應用FVC2型熱定形箱對紗線進行熱定形。

1.2 紗線制備

聚乳酸并捻長絲紗的制備流程為并捻→熱定形→靜置。首先將兩束聚乳酸長絲(每束有72根單絲，只有極小的捻度)經并捻機并合加捻成股線，并繞到紗管上，并捻機錠速為5 000 r/min;再將滿管的紗線置于熱定形箱中，設置一定的溫度和時間，對紗線進行熱定形工序，將股線的捻度進行定形;最后將熱定形后的紗線置于車間，自然放置48 h。

在熱定形工藝中，蒸汽壓力選擇10 kPa，溫度與時間是非常重要的兩個工藝參數。設計定形溫度、定形時間的因子水平表見表1，正交試驗方案見表2。

表1 熱定形工藝因子水平Tab.1 Level factor of heat setting process

表2 定形溫度與時間的正交試驗設計Tab.2 Orthogonal test design of heat setting temperature and time

1.3 紗線的外觀結構與性能表征

制備的紗線在恒溫恒濕室內平衡后進行性能測試，其中溫度(20±2)℃，相對濕度(65±3)%。

1.3.1 外觀與結構觀察

先將紗線置于載物臺上對其進行外觀觀察，再采用IXUS60型相機(佳能公司)對其結構進行放大觀察。

1.3.2 拉伸性能測試

采用YG061紗線電子強力儀測試紗線的拉伸性能。測試條件:紗線夾持長度500 mm，拉伸速度500 mm/min，每個試樣測 30次;參照國標 GB/T 3916—1997《單根紗線斷裂強力及斷裂伸長的測定》測試。

1.3.3 干熱、沸水收縮率測試

測試儀器:YG086型縷紗測長機，測長架，具有加熱裝置的水槽，烘箱，刻度為200℃的溫度計。

測試過程:樣品長度10 m，干熱收縮在烘箱內70℃保持時間15 min，沸水收縮為沸水內保持30 min，熱處理后平衡 4 h以上開始測量，以0.05 cN/dtex預加張力測其處理長度，測試試樣處理前后的長度，按下式計算收縮率S［9］:

式中:ΔL為處理試樣的收縮長度，mm;L0為未經處理試樣的長度，mm。

1.3.4 捻度穩定度測試

捻度穩定度是用來表示定形質量好壞的指標，捻度穩定度在40%～60%就可以滿足織造的要求，捻度穩定度可以用下式來表達［10］:

式中:a為被測定捻后紗線長度，一般取50 m;b為被測紗線一端固定，另一端向固定端平移靠近，到紗線開始扭結時，兩端之間的距離，cm。

2 結果與討論

2.1 并捻工藝

對于長絲型纖維，原絲束本身只有極小的捻度，絲束十分松散不耐磨，需要通過并捻來達到織物加工的要求。絲束經過并捻形成股線后，條干均勻，彈性、耐磨性提高，光澤柔和。股線的強度與所加的捻度有很大的關系，捻度一般選擇在300～500捻/m。聚乳酸長絲紗的捻度對拉伸性能的影響見表3。

從表3可知，兩股絲束加上300～500捻/m捻度后，斷裂強度降低，斷裂伸長率增大，并且隨捻度的增大，紗線的斷裂強度逐漸降低，斷裂伸長率升高。這是由于原絲束幾乎是平行的沿著紗軸向分布(圖1(a))，加上捻度后，長絲發生傾斜，與紗的軸向呈現一定夾角(圖1(b));假設單根長絲(單絲)所能承受的最大拉力為F，而加上捻度后單絲的最大拉力F分解成沿紗軸向的F'和垂直軸向的F"。

表3 聚乳酸長絲紗捻度對拉伸性能的影響Tab.3 Effect of degree of twist of PLA filament yarn on tensile property

圖1 長絲紗受力示意Fig.1 Schematic of stress of filament yarn

式中:P為原絲束的斷裂強力;F為每根單絲的斷裂強力。

而加上捻度后，紗線的斷裂強力為:

式中:P'為加捻后的紗線斷裂強力。

顯然P'＜P，也就是說加捻后的并捻長絲紗斷裂強力比無捻原絲束下降。又因加捻后長絲紗會發生捻縮，從而會增加紗線的伸長率。一般隨著捻度的增加，紗線的耐磨性增大，可以抵抗后道織造工序中的摩擦，基于對紗線的耐磨性和強力的綜合考慮，選用捻度為300捻/m。

2.2 熱定形工藝

應用熱定形箱對并捻后的紗線進行定形，由于聚乳酸長絲在高溫下易水解，所以不適合采用高溫蒸汽直接接觸紗線的方法進行定形，這樣紗線會吸收熱量和水分，而應采用干熱定形的方式，將高溫蒸汽輸送到熱定形箱的外筒和內筒的加熱器，紗線不會與水分接觸，避免產生水解;而且一定要先對熱定形箱預熱，當溫度達到40℃后再放入紗線定形，同時保證排水閥的工作狀態良好，使冷凝水能夠及時排出，否則產生的冷凝水可能使紗線產生水跡［11］。

在熱定形工藝中，由于聚乳酸纖維具有獨特的熱性質，因而定形溫度必須控制在玻璃化溫度之上、軟化點溫度之下進行，否則達不到定形目的，且時間要盡可能短，時間過長會加長原料周轉期，浪費能源。

根據設計的試驗方案進行試驗，對定捻后的紗線的捻度穩定度進行測試分析，結果見表4。

表4 紗線捻度穩定度的測試結果與極差分析Tab.4 Test results and range analysis of yarn twist stability

從表4可知，對比極差R，定形溫度A的極差要大于定形時間B的極差，說明定形溫度對紗線的捻度穩定度影響大于定形時間的影響。再對比各水平k值，可知A因子水平3最大，2水平次之，1水平最小;B因子水平3最大，1水平次之，2水平最小。鑒于當捻度穩定度大于60%時，屬于捻度定形過度，不利于織造，因此舍棄捻度穩定度大于60%的水平。最終定形溫度A選水平2，定形時間B選水平1，即定形溫度為80℃，定形時間為1 h。

同時，隨著定形溫度的升高，捻度穩定度會增大。由于長絲吸收熱量溫度會升高，分子鏈節的振動會加劇，分子動能增加，使線型大分子相互作用減弱，長絲無定形區中的分子重新排列，長絲的弛緩過程加速，從而使長絲的捻度暫時穩定［10］，定形溫度越高，以上所述越加劇，捻度穩定度越大。

另外，定形時間在1 h和2 h時，捻度穩定度變化不大;而達到3 h時，捻度穩定度急劇增加，并且超過了紡織一般要求的捻度穩定度上限60%。因此，選擇1 h或2 h，而1 h和2 h的定形效果接近，基于節約能量來考慮，需用1 h的定形時間。

2.3 聚乳酸并捻長絲紗的外觀結構分析

應用相機對并捻長絲紗的外觀形態和結構進行觀測，并與普通棉單紗進行對照觀測，如圖2所示。

圖2 紗線外觀結構Fig.2 Appearance and structure of yarns

從圖2可以看出，聚乳酸并捻長絲紗的表面光潔、光澤好，而棉單紗表面則布滿毛羽;再看紗結構，并捻長絲紗由兩股單紗加捻而成，紗體粗細均勻，結構為股線結構，股線結構的紗線表面光潔，強力大，單絲之間抱合緊密，股紗集束性好，增加了紗線的耐磨性，有利于織造等工藝的進行。

2.4 聚乳酸并捻長絲紗的拉伸性能分析

最優工藝制得的并捻長絲紗與未經并捻、熱定形工藝的原絲束進行對比，拉伸性能的測試結果見表5。

表5 聚乳酸并捻長絲紗與原絲束的拉伸性能對比Tab.5 Tensile property of PLA doubling and twisting filament yarn and protofilaments

從表5可知，最優工藝紡制的并捻長絲紗拉伸性能指標較好，相對原絲束，斷裂強度下降9.7%，而斷裂伸長率比原絲束提高7.6%，說明原絲束經并捻、定形后，紗線延伸性提高;斷裂強度CV值和斷裂伸長率CV值也比原絲束要好，說明紗線的均勻度提高了。

經并捻、熱定形后的長絲紗的斷裂強度下降，一方面是由于加捻對強度的影響，另一方面是由于長絲經熱定形時，聚乳酸長絲紗受熱會有一定的熱降解，從而最終導致紗的斷裂強度比原絲束要低。

2.5 聚乳酸并捻長絲紗的干熱、沸水收縮率分析

對最優工藝制備的并捻長絲紗的干熱收縮率和沸水收縮率進行測試，結果見圖3和圖4。

圖3 聚乳酸并捻長絲紗與原絲束的沸水收縮率Fig.3 Boiling water shrinkage of PLA doubling and twisting filament yarn and protofilament

圖4 聚乳酸并捻長絲紗與原絲束的干熱收縮率Fig.4 Shrinkage in hot air of PLA doubling and twisting filament yarn and protofilaments

由圖3和圖4可以看出，聚乳酸并捻長絲紗相對原絲束，沸水收縮率降低27.9%，干熱收縮率降低33.7%。這說明長絲紗在熱定形過程中，長絲內部的內應力基本消失，在沸水或干熱的條件下，其收縮不會很大;而原絲束在拉伸過程中，內部還殘留有較多內應力，當在沸水或干熱的條件下，其收縮會很大。

3 結論

1)聚乳酸并捻長絲紗制備工藝流程為并捻→熱定形→靜置48 h。并捻工序中，聚乳酸并捻長絲紗最優的捻度為300捻/m。聚乳酸并捻長絲紗相對原絲束，斷裂強度降低，斷裂伸長率增大;且隨捻度的增大，紗線的斷裂強度逐漸降低，斷裂伸長率升高。

2)熱定形工序應用熱定形箱定形，采用干熱定形方式，最佳熱定形工藝為定形溫度80℃，定形時間1 h。隨著定形溫度的升高，捻度穩定度增大;定形時間在1 h和2 h時，捻度穩定度變化不大;而達到3 h時，捻度穩定度急劇增加。

3)聚乳酸并捻長絲紗表面光潔，光澤好;紗為股線結構，提高了長絲紗的集束性、耐磨性，利于以后的織造工藝。聚乳酸并捻長絲紗的斷裂強度比原絲束下降9.7%，斷裂伸長率提高7.6%，沸水收縮率降低27.9%，干熱收縮率降低33.7%。

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