聚乳酸/聚丙烯共混紡粘纖維的制備及其性能

王曉梅， 陳才深

(五邑大學 紡織服裝學院，廣東 江門 529020)

聚乳酸/聚丙烯共混紡粘纖維的制備及其性能

王曉梅， 陳才深

(五邑大學 紡織服裝學院，廣東 江門 529020)

為探尋聚乳酸用量對聚乳酸(PLA)/聚丙烯(PP)共混紡粘纖維性能的影響，以PLA和PP為原料，采用實驗室紡粘小樣機制備了多種混比的PLA/PP共混紡粘纖維。采用掃描電子顯微鏡、電子單纖維強力儀、恒溫烘箱、接觸角測試儀、X射線衍射儀對所得各種纖維的形態特征、力學性能、吸濕性、接觸角、結晶度進行測試和分析。結果表明：隨著PLA含量的增加，共混纖維的強力下降，斷裂伸長增加，但斷裂功基本保持不變；隨著PLA含量的增加，纖維的回潮率增加，接觸角減小，結晶度下降；PLA質量分數為7%的共混紡粘纖維較純PP紡粘纖維的結晶度下降21%，吸濕性則達到純PLA纖維的水平。在PP紡粘非織造布中添加適量PLA，可在不降低其耐用性的同時，提高其吸濕性能。

聚丙烯； 聚乳酸； 共混紡粘纖維； 力學性能； 吸濕性能

聚丙烯(PP)原料因價格便宜，力學性能好，在紡粘非織造布生產時不用預先烘燥而得到了廣泛的應用；但聚丙烯為非親水性聚合物，用它制造的非織造布廢棄后掩埋處理難以降解，因此，研究人員對其進行了光降解的研究[1]。用聚乳酸(PLA)來制作紡粘非織造布則可解決廢棄后掩埋處理的降解問題，為此國內外許多研究人員對聚乳酸紡粘非織造布的生產工藝和產品性能進行了相關的研究[2-3]，結果表明，PLA紡粘非織造布可生物降解，產品性能好，應用廣泛。但是，聚乳酸因價格較貴而不能完全取代聚丙烯。

本文將PLA和PP共混制備紡粘纖維。由于非織造布中纖維的性質在很多方面直接影響著非織造布的性質，因此，本文以紡粘生產所得的共混纖維作為研究對象，研究PLA用量對共混纖維力學性質、吸濕性等的影響，以期為PP非織造布的生物降解以及制備性能優良的PLA/PP高分子合金纖維提供一定的參考。

1 實驗部分

1.1 實驗材料

聚乳酸(PLA)，相對分子質量為10萬～30萬，密度為1.248 g/cm3，熔點為175～180 ℃，深圳市光華偉業實業有限公司；聚丙烯(PP)，中國石化股份有限公司茂名分公司。

1.2 設備與儀器

FWF-011紡絲無紡布一體機，龍口市騰龍新型建材有限公司；DZF-6050型真空干燥箱，上海精宏實驗設備有限公司；NoVaTMNano SEM 430超高分辨率場發射掃描電子顯微鏡，美國FEI公司；LLX-06B型電子單纖維強力儀，紹興元茂機電設備有限公司；X′Pert PRO多功能X射線衍射儀，荷蘭帕納科公司；Y802N型八籃恒溫烘箱，溫州大榮紡織標準儀器有限公司；JC2000A接觸角測量儀，上海中晨公司。

1.3 實驗方法

PLA的烘燥：將一定量的PLA放于DZF-6050型真空干燥箱中，先在溫度40 ℃時烘1 h，再升高干燥箱溫度至60 ℃烘1 h，繼續升溫至80 ℃烘8 h。

PLA/PP共混紡粘纖維的制備：將烘燥好的PLA和PP共混進行紡粘生產(圓形噴絲孔)，PLA質量分數分別為0、0.5%、1%、2%、3%、4%、5%、7%。由于PLA的質量分數超過7%以后，斷絲現象較為嚴重，生產不能正常進行，所以PLA的最大質量分數為7%。生產時各加熱區的溫度分別為190、210、210、230、220 ℃，計量泵轉速為20 r/min。因為本文研究的是紡粘纖維的性質，所以并不進行熱軋處理，僅為收集纖維。

1.4 測試方法

1.4.1 纖維形態特征觀察

利用掃描電子顯微鏡觀察纖維的形態特征。

1.4.2 力學性能測試

采用電子單纖維強力儀測試纖維的力學性能，測試時預加張力為0.2 cN，夾持距離為10 mm，依據GB/T 14337—2008《化學纖維 短纖維拉伸性能實驗方法》，夾持距離應為20 mm；但是對于本文研究所生產的纖維，當聚乳酸含量較大，夾持距離為20 mm時，纖維通常不能拉伸斷裂，因此，設置夾持距離為10 mm。

1.4.3 回潮率測試

利用八籃恒溫烘箱，在50 ℃條件下烘燥試樣至質量恒定。

1.4.4 結晶度測試

采用多功能X射線衍射儀測試纖維的結晶度。

1.4.5 接觸角測試

利用接觸角測量儀測試纖維的接觸角[4]。

2 結果與討論

2.1 纖維形態表征

圖1示出純PP和PLA質量分數為7%時纖維的掃描電鏡照片。可以看出，純PP纖維的表面比較光滑，而PLA質量分數為7%的纖維其表面凹凸不平。這是由于PP和PLA相容性差所導致[5]，因為在紡粘纖維生產時，PLA的存在影響了氣流對熔體細流的拉伸。

圖1 纖維的掃描電鏡照片(×10 000)Fig.1 SEM images of fibers in spunbonded nonwoven(×10 000). (a) Pure PP raw material; (b) Content of PLA is 7%

2.2 力學性能

圖2～4分別示出不同PLA質量分數時單纖維斷裂強力、斷裂伸長率以及斷裂功的變化情況。

圖2 PLA質量分數對纖維斷裂強力的影響Fig.2 Influence of PLA content on break of single fiber

圖3 PLA質量分數對纖維斷裂伸長率的影響Fig.3 Influence of PLA content on elongation at break strength of single fiber

圖4 PLA質量分數對纖維斷裂功的影響Fig.4 Influence of PLA content on work of fiber fracture

由圖2可看出，隨著PLA質量分數的增加，纖維的強力呈下降趨勢，PLA質量分數為7%時共混纖維的強力比純PP纖維的強力下降了19.5%，其原因是PLA與PP的相容性較差。圖1(b)的掃描電鏡照片也說明PLA的存在對纖維的強力有不利的影響。為了提高PLA與PP的相容性，采用羧基化聚丙烯與PLA進行共混。結果表明，當PLA質量分數小于50%，二者相容性較好；但當PLA質量分數超過50%后，二者呈現明顯的“海島”結構[6]。圖3示出：隨PLA質量分數的增加，纖維的斷裂伸長率呈上升趨勢，PLA質量分數為7%的共混纖維其斷裂伸長率比純PP的增加14%。斷裂伸長率的增加對混紡纖維的斷裂功是有利的，本文測試結果也證實了這一點，即PLA質量分數的增加對斷裂功基本上沒有影響，見圖4。這說明聚丙烯紡粘非織造布中添加適量的PLA并不會降低產品的堅牢度。

2.3 吸濕性能

纖維的吸濕性可直接用回潮率來表示，但也有研究人員采用接觸角來表示聚合物的親水性，尤其是應用于PP的親水性研究方面[7-9]，接觸角越小，親水性越強。圖5示出共混纖維的回潮率隨PLA質量分數的變化情況。圖6示出接觸角的變化情況。從圖5可看出，纖維的回潮率隨著PLA質量分數的增加而上升，PLA的質量分數越大，纖維的吸濕性越好。PLA中沒有親水性的基團和反應性基團，僅在端基中才有吸濕性基團，因此，其本身吸濕性并不好，純PLA纖維的回潮率為0.4%～0.6%[10]。本文研究中PLA質量分數僅為7%的共混纖維其回潮率達0.55%，說明PLA的存在可提高纖維的吸濕性，而且還說明PLA可能對共混纖維的結晶度有影響。圖6表明：隨PLA質量分數的增加，纖維的接觸角呈下降趨勢，尤其是PLA僅僅添加0.5%時，接觸角從106.5°下降到98°，這說明PLA的添加有利于改善PP纖維的親水性，這個結果與回潮率的測試結果是一致的。

圖5 PLA質量分數對纖維回潮率的影響Fig.5 Influence of PLA content on moisture regain of fiber

圖6 PLA質量分數對纖維接觸角的影響Fig.6 Influence of PLA content on contact angle of fiber

2.4 結晶度

圖7示出共混纖維的結晶度隨PLA質量分數的變化情況。可以看出，隨著PLA質量分數的增加，共混纖維的結晶度大體上呈下降趨勢，PLA質量分數為7%的共混纖維其結晶度相比于純PP纖維下降了約21%，這仍與PLA和PP的相容性差有關。共混纖維的結晶度下降，說明PLA質量分數增加時混紡纖維的吸濕性會增加，拉伸強度會減小，這個結果與前文所述性能測試結果完全吻合。

圖7 PLA質量分數對纖維結晶度的影響Fig.7 Influence of PLA content on crystallinity degree of fiber

3 結 論

1)PLA與PP共混制備紡粘纖維時，所得共混纖維相比純PP紡粘纖維的表面較不光滑。

2)共混纖維的拉伸斷裂強力隨PLA質量分數的增加而降低，斷裂伸長率隨之上升，但斷裂功基本保持不變。

3)共混纖維的回潮率隨PLA質量分數的增加而增加，接觸角隨PLA質量分數的增加而減小，即PLA的添加有利于PP纖維吸濕性的改善。

4)共混纖維的結晶度隨PLA質量分數的增加而下降，這與纖維的吸濕性隨PLA的增加而增加的結果相一致。FZXB

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Preparation and properties of polylactic acid/polypropylene blend spunbonded fibers

WANG Xiaomei, CHEN Caishen

(SchoolofTextileandClothing,WuyiUniversity,Jiangmen,Guangdong529020,China)

In order to explore influences of polylactic acid(PLA) content on the properties of PLA/PP spunbonded fibers, PLA and PP polymers were chosen as the raw materials to prepare PLA/PP spunbonded fibers using laboratory spunbond equipment. The fiber morphology, tensile, hygroscopicity, contact angle and degree of crystallization of the produced fibers were invested by using the scanning electron microscope, electronic single fiber strength tester, constant temperature oven,contact angle tester and X-ray diffraction meter. The results show that with the increase of PLA content in the blends fiber, the fiber strength decreases, and elongation at break increases, but the work of fracture keeps constant.The fiber moisture regains increases, and the contact angle and the degree of crystallinity decreases with the increase of the PLA content. Compared with the pure PP spunbonded fiber, the degree of crystallinity of the blend fiber with PLA content of 7% decreases 21%, but the hygroscopicity reaches pure PLA fiber level. Therefore, the addition of proper content of PLA polymer to PP polymer can improve the moisture absorption performance of the spunbonded nonwovens, without reducing the durability.

polypropylene; polylactic acid; blend spunbonded fiber; tensile property; hygroscopicity

10.13475/j.fzxb.20160301505

2016-03-07

2016-06-23

王曉梅(1976—)，女，副教授，博士。研究方向為紡織及非織造新產品新技術。E-mail:wxm@wyu.cn。

TS 176.9

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