聚乳酸/碳納米管共混纖維的制備及其性能研究

閆承花，羅秋蘭

(太原理工大學輕紡工程學院，山西榆次030600)

聚乳酸(PLA)纖維的單體乳酸由玉米等谷類制得，俗稱玉米纖維，是一種原料可再生、生產無污染、生物可降解的綠色環保合成纖維。PLA纖維具有舒適的觸感、柔美的光澤、耐燃、耐紫外線以及良好的導濕等優良性能，然而，PLA纖維存在易起靜電等缺點，因此，PLA纖維的抗靜電改性是目前研究的熱點。作者利用共混改性的方法，將PLA與具有良好導電性能的多壁碳納米管(MWNTs)共混紡絲，以提高PLA纖維的抗靜電性能。

1 實驗

1.1 原料

PLA切片:纖維級，黏均相對分子質量為51 000，含水率0.5%，美國 Nature Works公司生產;MWNTs:長度1～2μm，管徑10～20 nm，純度大于95%，深圳納米有限公司產。

1.2 設備和儀器

CET35雙螺桿擠出注塑成型機:科倍隆(南京)機械有限公司制;LD-60型切粒機:江蘇泰州鑫力塑料橡膠機器有限公司制;LHFT30型紡絲-牽伸FDY紡絲機:無錫蘭華紡織機械有限公司制;YG341N型摩擦式織物靜電測試儀:南通紡織儀器廠制;YG321型纖維比電阻儀:寧波紡織儀器廠制。

1.3 PLA/MWNTs共混母粒的制備

制備母粒的目的是使MWNTs與PLA初步混合，為MWNTs在PLA基體中能分散均勻奠定基礎，以便母粒與純PLA干切片進一步混合紡制共混纖維。制備母粒前，先進行MWNTs表面處理，采用稀硝酸作表面處理劑，將MWNTs加入到盛有硝酸溶液的三口燒瓶中，常溫條件下超聲分散，超聲頻率為20 kHz，接著加熱到60℃氧化30 min;反應液冷卻后，進行過濾并反復洗滌，真空抽濾后干燥、研磨和過篩?；瘜W處理后MWNTs表面引入了羧基和羰基等含氧基團［1］，提高了其與PLA的相容性。

將硝酸處理后的MWNTs和干燥處理后的PLA切片按質量比 1∶19進行混合，加入到CET35雙螺桿擠出注塑成型機中，在各區溫度為166～183℃的條件下進行熔融注塑成帶條，再用LD-60型切粒機制得PLA/MWNTs共混母粒，母粒中MWNTs質量分數為5%。

1.4 共混纖維的制備

將PLA干切片與MWNTs質量分數為5%的母粒以一定比例共混，用LHFT30型紡絲-牽伸FDY紡絲設備制得PLA/MWNTs共混纖維。將共混母粒通過自制的母粒注射機加入紡絲機，同時將干燥后的純PLA切片加入紡絲機料斗中，二者在紡絲螺桿擠壓機中匯合、熔融并混合，經紡絲組件及噴絲板擠出成形，再冷卻、上油、拉伸和卷繞制得PLA/MWNTs共混纖維試樣。紡絲工藝如下:紡絲螺桿各區溫度為180～220℃，箱體溫度為190～220℃，紡絲速度為750～1 000 m/min，拉伸溫度為80～83℃，制得的共混纖維試樣1#， 2#，3#，4#中MWNTs質量分數分別為0，0.2%，0.4%，0.8%。

1.5 分析與測試

力學性能:采用溫州大榮紡織儀器廠的YG (B)021H型化纖長絲電子強力機進行測試，夾持距離200 mm。每個試樣測10次，取平均值。

比電阻:采用溫州大榮紡織儀器廠的XD2102T型紡織天平(精密度0.01 g)精確稱量，將纖維試樣剪成約27 mm的短纖維，扯松成單纖維狀態，用手揉搓成蓬松狀，在標準條件下平衡48 h后，用YG321型纖維比電阻儀進行測試。每個試樣測10次，取平均值。

摩擦靜電壓:采用常熟市九龍馬針織機械有限公司的MN12G型手搖式針織機將被測纖維織成5 cm×20 cm的針織物，用YG341N型摩擦式織物靜電測試儀測試織物的感應靜電壓。每個試樣測10次，取平均值。

2 結果與討論

2.1 MWNTs添加量

由于MWNTs的長徑比大，極易發生聚集，在PLA基體中不易分散，MWNTs添加量對可紡性有很大的影響。實驗表明，共混紡絲時，當共混體系中MWNTs質量分數為0～0.8%時，紡絲順利;而當MWNTs質量分數達1.0%時，可紡性差，毛絲斷頭多。因此，實驗選擇MWNTs質量分數0.8%為宜。

2.2 紡絲溫度

在剪切應力的作用下，PLA長鏈分子和碳納米管都沿熔體流動取向，導致PLA熔體的表觀粘度下降［2－3］。要使共混熔體在紡絲成形時具有較好的流動性和可紡性，必須達到較高的紡絲溫度，但PLA物料在高溫下，極易發生熱降解。因此，解決PLA聚合物熱敏性和熔體高黏度之間的矛盾是共混紡絲的關鍵。

從表1可知，在同一紡絲速度和拉伸條件下，紡絲溫度較低時，熔體流動性差，共混結構不均勻，纖維結構不勻，易應力集中，導致斷裂強度較低，斷裂伸長率較高;紡絲溫度較高時，熔體流動性好，共混結構均勻，纖維結構均勻，但有利于PLA降解，導致相對分子質量下降，致使斷裂強度下降。實驗表明，選擇紡絲溫度194.5℃，得到的共混纖維斷裂強度最高。

表1 紡絲溫度對PLA/MWNTs共混纖維力學性能的影響Tab.1 Effect of spinning temperature on mechanical properties of PLA/MWNTs blend fiber

另外，根據紡絲速度不同，進行了多組紡絲工藝的試紡，得到了較佳的工藝為紡絲速度875 m/min，紡絲溫度194.5℃，拉伸溫度80℃。

2.3 抗靜電性能

用比電阻來表征共混纖維的抗靜電性能，比電阻減小，共混纖維的絕緣性降低，導電性增加，抗靜電性能提高;用織物摩擦后的感應靜電壓來表征纖維的抗靜電性能，摩擦后感應靜電壓越小，纖維織物的抗靜電性能越好。從表2可知，在PLA中添加少量MWNTs就能顯著降低纖維的比電阻，且隨著MWNTs含量的增大，比電阻值降低，抗靜電性也就隨之提升;隨著MWNTs含量的增加，織物的感應靜電壓下降。因此，PLA/ MWNTs共混纖維織物的抗靜電性隨著MWNTs含量的增加而提高。這是因為MWNTs是導電物質，MWNTs的添加使纖維內部形成部分傳導路徑，從而降低其比電阻;同時MWNTs也是潤滑劑，對纖維表面有一定的潤滑性，降低摩擦系數，從而抑制和減少靜電荷的產生。

表2 PLA/MWNTs共混纖維的比電阻及其織物的摩擦靜電壓Tab.2 Specific resistance of PLA/MWNTs blend fiber and friction static voltage of its fabric

3 結論

a.添加MWNTs質量分數不超過0.8%時，PLA/MWNTs共混纖維的可紡性良好，質量分數為1.0%時，可紡性變差。

b.紡絲溫度為194.5℃，紡絲速度為875 m/min，拉伸溫度為80℃，可制得力學性能良好的PLA/MWNTs共混纖維。

c.添加MWNTs可改善PLA纖維的抗靜電性能，PLA/MWNTs共混纖維的抗靜電性隨著共混體系中MWNTs含量的增加而遞增。

［1］ 龍威，顧媛娟.碳納米管的力學性能及聚合物/碳納米管復合材料［J］.材料導報，2002，16(12):52－57.

［2］ 張文，周靜宜，陳玉順.聚乳酸切片的紡絲工藝研究［J］.聚酯工業，2008，21(6):22－25.

［3］ 王剛強，陳龍.PLA纖維熔融紡絲生產工藝探討［J］.紡織導報，2007(12):58～61.