技術(shù)，聚乳酸纖維的靈魂

策劃_執(zhí)行/ 寧翠娟 文/ 東華大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院教授 余木火

特別支持/ 中國化學(xué)纖維工業(yè)協(xié)會

目前，越來越多的國家和地區(qū)開始重視生物基材料的發(fā)展。作為更重要的生物基材料之一，聚乳酸纖維憑借其優(yōu)異的性能，尤其是可完全生物降解的性能，在紡織服裝、一次性衛(wèi)生用品、生物醫(yī)藥、植物沙障等領(lǐng)域顯示出巨大的發(fā)展?jié)摿Α?jù)了解，歐洲和北美是聚乳酸纖維最大的市場，亞太地區(qū)則是其增長最快的市場。隨著國民環(huán)保意識的不斷提高，我國對聚乳酸纖維的需求將迅猛增長，大力推進聚乳酸纖維的加工及應(yīng)用技術(shù)尤為重要。本專題梳理了我國聚乳酸纖維產(chǎn)業(yè)技術(shù)的發(fā)展與應(yīng)用現(xiàn)狀，探討了其制備技術(shù)及發(fā)展制肘，指出了其未來研發(fā)的重點方向。

聚 乳 酸（Polylactic Acid，PLA）纖維適應(yīng)可持續(xù)發(fā)展的要求，符合綠色環(huán)保、資源循環(huán)使用的社會法則，應(yīng)用前景廣闊，受到了廣大消費者的青睞。其力學(xué)性能與通用纖維非常接近，是最有望大規(guī)模取代石油基纖維的生物質(zhì)纖維之一。與傳統(tǒng)纖維相比，聚乳酸纖維制品除常溫下穩(wěn)定、可生物降解、生物相容性好以外，光澤度、透明性也很好，還具有一定的耐菌性、阻燃性和抗紫外線性。

近年來，PLA纖維的工業(yè)化已取得了極大進展，但由于纖維價格高、一些物理指標比常規(guī)PET纖維差（需要通過共聚、物理改性等手段提高后才能在市場上廣泛推廣）等原因，PLA纖維及其制品如無紡布、服裝等的市場銷售還未形成規(guī)模，需進一步深化技術(shù)開發(fā)，降低生產(chǎn)成本，拓展應(yīng)用范圍。

制備技術(shù)百花齊放

PLA屬于熱塑性樹脂，熔點低于熱分解溫度，因此熔融法是最理想的成纖方式。目前純PLA纖維成形的工業(yè)化生產(chǎn)方法也是熔融紡絲法，工藝成熟。不具備聚合生產(chǎn)能力的企業(yè)多采用切片法，紡絲中要注意熔體黏度、溫度和含水率的控制，否則易造成PLA的水解和熱降解，影響最終纖維的質(zhì)量。

溶液法制得的纖維性能雖然優(yōu)于熔融法，但和靜電法、超臨界流體法、凝膠凍干法、反應(yīng)擠出紡絲成形等方法一樣，均處于研究階段，距離工業(yè)化生產(chǎn)還有很多問題需要克服。并且溶液法一般采用一氯甲烷、二氯甲烷、甲苯等作為溶劑，雖然紡制的PLA纖維力學(xué)性能相對優(yōu)越，但工序復(fù)雜、溶劑有毒且回收困難、設(shè)備要求高，也使得其僅限于實驗室階段。靜電紡絲是一種特殊的紡絲工藝，主要用于制備連續(xù)超細纖維，目前也有很多研究人員對靜電紡PLA纖維的制備過程及性能展開了研究。

我國在2000年前后開始研發(fā)PLA生產(chǎn)技術(shù)，PLA纖維工業(yè)起步也相對較晚，但現(xiàn)在已有許多高等院校、研發(fā)機構(gòu)和生產(chǎn)單位對PLA纖維產(chǎn)品的開發(fā)投入了精力。2002年，東華大學(xué)承擔(dān)了“聚乳酸的合成方法及纖維制備工藝”課題，建成了一條包括熔體制備、紡絲和熱拉伸的試驗線，進行了采用二步法（先熔融擠出，再熱拉伸）生產(chǎn)PLA纖維的試驗，形成了PLA纖維連續(xù)生產(chǎn)的關(guān)鍵技術(shù)。

2003年，上海華申公司所屬的上棉十七總廠以純棉做經(jīng)紗、以PLA纖維做緯紗，開發(fā)出“玉米梭絹”等織物。上海華源股份有限公司是國內(nèi)第一家與CDP公司合作開發(fā)PLA纖維的企業(yè)，其加彈絲、拉伸絲及布樣已在2003年3月的上海國際織物展亮相。2005年底，上海合成纖維研究所開始采用二步法在中試生產(chǎn)線上試制PLA短纖維，經(jīng)過半年多的努力，最終成功生產(chǎn)出纖度1.9 dtex～2.2dtex、強度3.5 cN/dtex～4.5cN/dtex、伸長 38%～45%、卷曲度10%～12%的PLA短纖維。

表1 我國實現(xiàn)銷售的聚乳酸纖維部分企業(yè)及其技術(shù)類型

表2 我國實現(xiàn)聚乳酸聚合產(chǎn)能的部分企業(yè)及其主要產(chǎn)品

2007年11月，長江化纖公司（現(xiàn)更名為“恒天長江生物材料有限公司”）與中科院長春應(yīng)用化學(xué)研究所等合作，在世界上首創(chuàng)了連續(xù)聚合熔體直紡PLA長絲新技術(shù)及其產(chǎn)品的開發(fā)工藝。目前擁有一條2000T/年連續(xù)聚合熔體直紡產(chǎn)業(yè)化生產(chǎn)線，通過其“連續(xù)聚合熔體直紡”技術(shù)，可獲取到特定性能的熔體，并直接進行紡絲。紡制出的纖維主要技術(shù)指標（單絲線密度2 dtex～4dtex、斷裂強度≥3.0cN/dtex、斷裂伸長率20%～30%、沸水收縮率≤16%、染色色牢度達5級或4級～5級）與美國切片紡PLA纖維指標相當。2015年，中國恒天纖維集團的注資控股介入，將推進PLA纖維的規(guī)模化生產(chǎn)。目前該公司正在建設(shè)1萬噸聚合熔體直接紡絲生產(chǎn)線，正在規(guī)劃10萬噸級聚乳酸纖維及制品的全產(chǎn)業(yè)鏈項目。

2008年，浙江嘉興普利萊新材料有限公司首次建成了年產(chǎn)1000噸的PLA纖維長絲生產(chǎn)線，并于2008年3月通過了浙江省科技廳新產(chǎn)品鑒定，其與河南南樂縣政府合作成立了河南龍都生物科技有限公司，該公司2萬噸PLA纖維項目于2014年7月試車成功。該項目以PLA切片（NatureWorks公司）為主要原料，年產(chǎn)PLA纖維2萬噸，其中8000噸長絲和12000噸短纖維，與之配套的年產(chǎn)5萬噸的PLA合成項目正在建設(shè)。

上海同杰良生物材料有限公司成功開發(fā)出具有自主知識產(chǎn)權(quán)的技術(shù)，一步法直接縮聚制備聚乳酸，縮短了工藝流程、簡化了生產(chǎn)工藝。2014年該公司在馬鞍山建成了年產(chǎn)萬噸級聚乳酸生產(chǎn)線和千噸級紡絲生產(chǎn)線，已經(jīng)開發(fā)出注塑級、片材級、薄膜級和纖維級聚乳酸切片，并生產(chǎn)出PLA短纖維和衛(wèi)生材料制品。河南龍都生物科技公司2萬噸/年聚乳酸纖維項目，目前，正在建設(shè)一期年產(chǎn)5000噸丙交脂合成聚乳酸項目，將實現(xiàn)熔體直紡。此外，必可成等公司也有少量生產(chǎn)。我國PLA纖維產(chǎn)業(yè)正在進入蓬勃發(fā)展時期。

應(yīng)用領(lǐng)域廣泛

PLA纖維的性能在很多方面均不輸于PET纖維，今后將很有可能成為傳統(tǒng)聚酯纖維的替代品。其應(yīng)用范圍較廣，按用途主要分為：紡紗PLA纖維、填料PLA纖維、無紡PLA纖維、低熔點PLA纖維等。

紡紗 PLA纖維

將PLA纖維紡成紗線，再制成服裝和家紡面料，其手感和懸垂性好，使用舒適性好；織物在相互摩擦?xí)r易產(chǎn)生絲鳴現(xiàn)象，與滌綸相比，PLA纖維外觀有絲感，更適于制作仿真絲織物。如日本鐘紡已將PLA纖維與棉、羊毛混紡，或?qū)⑵溟L纖維與棉、羊毛或粘膠等纖維混用，紡制成衣料用織物，生產(chǎn)出了具有絲感外觀的T恤、茄克衫、禮服等；將細旦PLA纖維紡制60S的紗線，可用于高密高支床品及仿絲綢、緞紋產(chǎn)品的織造。

填料 PLA纖維

根據(jù)需要可以將PLA纖維設(shè)計成具有不同纖度、不同中空度的中空纖維，其回彈性比棉、粘膠、天絲和莫代爾的回彈性都要好，適用于床品、嬰兒用品、兒童玩具等的填料。目前規(guī)格有4D中空、7D中空和10D中空。

無紡 PLA纖維

PLA纖維制成的非織造材料應(yīng)用廣泛，如農(nóng)業(yè)、園藝方面可用作培植、育秧、防霜及除草用布；衛(wèi)生用品方面可用作尿片、女士用品等用即棄制品，手術(shù)縫合線、手術(shù)衣、手術(shù)覆蓋布、傷口敷料、口罩、紗布以及其他生理衛(wèi)生用品等；生活方面可用作擦拭布、廚房用濾水或濾渣袋等。

低熔 點PLA纖維

低熔點PLA纖維是一種皮芯結(jié)構(gòu)復(fù)合纖維，皮層PLA熔點約130℃，芯層PLA熔點170℃。低熔點PLA纖維在與其他纖維，如常規(guī)PLA纖維、棉、粘膠、羊毛等混紡時可以作為粘著劑，制備熱軋或熱風(fēng)產(chǎn)品，應(yīng)用于家用床品、被子、立式棉等厚型產(chǎn)品及衛(wèi)生巾導(dǎo)流層等薄型產(chǎn)品。目前主要有3種 規(guī) 格：2D×51 mm、4D×51mm和6D×51mm。

其他 應(yīng)用

PLA纖維還可用于PLA樹脂基體的自增強，提高制品的力學(xué)性能；其在汽車零配件方面的應(yīng)用也日趨廣泛，馬自達汽車公司與帝人公司、帝人纖維公司合作，開發(fā)出世界上第一款100%PLA纖維制造的生物織物，應(yīng)用于汽車內(nèi)飾，具有抗磨損、抗光線傷害和阻燃等優(yōu)點。