熱處理對玉米聚乳酸纖維力學性能的影響

趙 凱

（1.山東省紡織科學研究院，山東 青島266032；2.山東省特種紡織品加工技術重點實驗室，山東 青島266032）

1 玉米聚乳酸纖維的內部結構及其熱學性能

1.1 玉米纖維化學結構

乳酸有兩個光學異構體（對映體），分別稱為L—乳酸和D—乳酸［1］。用乳酸單體制備聚乳酸主要有兩種途徑：①直接縮聚法，需用溶劑和高真空條件脫水；②溫和條件下脫水生成丙交酯中間體，由丙交酯開環聚合，不用溶劑。

玉米聚乳酸纖維是將玉米發酵制得乳酸，經由縮合聚合反應制成聚乳酸，利用耦合制成具有良好機械物理性的較高分子量聚乳酸，再經過關鍵的化學改質，將其強度、保水性提升，并將其纖維化。利用玉米淀粉加上獨特技術生產的聚乳酸，經不斷研制后生產出Nature WorKs PAL聚乳酸［2］，現已成為一些纖維生產大公司生產聚乳酸纖維的生產原料。

玉米纖維和滌綸同屬聚酯類，但滌綸是芳香族聚酯化合物，而玉米纖維屬于脂肪族聚酯化合物。玉米纖維側面及橫截面的顯微鏡照片如圖1、圖2所示，其橫截面呈非完整的圓形。

1.2 熱學性能

圖1 玉米纖維側面圖

圖2 玉米纖維截面圖

玉米聚乳酸纖維具有較高結晶性與高配向性，所以它在一定程度上既耐熱又耐拉［3］，玉米聚乳酸纖維的的熔點為175℃，明顯低于滌綸纖維和錦綸纖維。玻璃化轉變溫度適宜，為57℃，介于滌綸和錦綸之間。沸水收縮率為8%～15%。為了解聚乳酸纖維的熱穩定性［4］，本實驗對聚乳酸纖維進行了熱處理。熱處理溫度為150℃，在不同時段測量聚乳酸纖維的力學性能，分別與未處理的聚乳酸纖維進行對比，進而來研究聚乳酸纖維的熱穩定性。

2 實驗材料和測試設備

2.1 實驗材料

實驗室所用材料為利用熔融紡絲法生產得到的聚乳酸玉米纖維［5］，其規格如表1所示。

表1 聚乳酸玉米纖維規格項

2.2 實驗中所使用的測試設備

LLY－06E型電子單纖維強力儀是利用微機控制測試纖維拉伸性能的精密儀器，適用于各種天然纖維、化學纖維、特種纖維及金屬特細絲等材料的拉伸性測試。可實時顯示曲線圖、斷裂強力、伸長率、屈服應力、屈服伸長、斷脫伸長、初始模量、各項CV值等多項統計指標。

基本技術指標：

①測力范圍：0.15～200.00cN

②速度范圍：2～99mm／min

③伸長范圍：70mm

④夾持隔距：5～30mm

⑤靈敏度：0.02%

主要技術指標：

量程：200cN

精度：±0.5%

伸長精度：≤0.05mm

最高拉伸速度：60mm／min

烘箱：在恒定溫度下對纖維進行預定設定時間的熱處理。

3 實驗數據整理及分析

為探究聚乳酸纖維的熱穩定性，本實驗對聚乳酸纖維利用烘箱進行熱處理。熱處理溫度為150℃，在不同時段測量聚乳酸纖維的力學性能［6］，分別與未處理的聚乳酸纖維進行對比，進而來研究聚乳酸纖維的耐熱穩定性。表2給出了多次測量后得到的力學數據。

表2 不同時間熱處理一次拉伸斷裂性能基本指標

為了更好的反應各個力學性能指標隨熱處理時間的變化情況，以下給出了初始模量、斷裂強度、斷裂伸長率和斷裂功隨處理時間的變化曲線圖。

（1）聚乳酸纖維初始模量與處理時間的關系曲線如圖1所示。

圖1 聚乳酸纖維初始模量與處理時間的關系曲線

由圖1可知，隨著對聚乳酸纖維熱處理時間的延長，聚乳酸纖維的初始模量呈現先急劇下降后略微上升的趨勢［7］。

（2）聚乳酸纖維斷裂強度與處理時間的關系曲線如圖2所示。

圖2 聚乳酸纖維斷裂強度與處理時間的關系曲線

由圖2可知，隨著對聚乳酸纖維處理時間的延長，聚乳酸纖維的斷裂強度逐漸減小［8］。在150°的處理下，其斷裂強度的下降趨勢很明顯。

（3）聚乳酸纖維斷裂功與處理時間的關系曲線如圖3所示。

圖3 聚乳酸纖維斷裂功與處理時間的關系曲線

由圖3可知，隨著對聚乳酸纖維熱處理時間的延長，聚乳酸纖維的斷裂功［9］呈現逐漸升高的趨勢。對于具體的原因，在這里我們可以做個假設：因為熱處理溫度較高，使得聚乳酸纖維的內部結構發生了變化，所以其斷裂功有增加的趨勢［10］。

（4）聚乳酸纖維斷裂伸長率與處理時間的關系曲線如圖4所示。

圖4 聚乳酸纖維斷裂伸長率與處理時間的關系曲線

由圖4可知，隨著對聚乳酸纖維熱處理時間的延長，聚乳酸纖維的斷裂伸長率呈現逐漸升高的趨勢［11］。

4 實驗結論

隨著溫度的逐漸升高，聚乳酸纖維的斷裂強力逐漸降低，而聚乳酸纖維的斷裂伸長率有逐漸增大的趨勢，采用不同溫度和時間處理聚乳酸纖維時，隨著時間和溫度的的增大，聚乳酸纖維的初始模量緩慢下降，且在溫度小于130℃的情況下，溫度對聚乳酸纖維的力學性能的影響不是太大，但是在超過這個溫度時，其力學性能明顯變差。當熱處理的時間大于20min的情況下，其力學性能也明顯的變差。

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