PLA长丝的基本结构与物理性能

PLA长丝的基本结构与物理性能
朱娅楠;潘志娟;汪吉艮;赵瑞芝
【摘要】聚乳酸(PLA)纤维是一种可降解的生物质合成纤维.本文测定与分析了PLA长丝纤维的化学组成、结晶度和形态结构,并研究了PLA长丝的吸湿性、拉伸力学性能和热收缩性能.研究结果表明,PLA纤维具有明显的酯键结构,结晶度约为23.87％,纤维横截面近似圆形,纵向较为平直光滑,回潮率(0.79％)低,长丝的力学性能较佳,弹性回复性好,但是热收缩率大.
【期刊名称】《现代丝绸科学与技术》
【年(卷),期】2015(030)006
【总页数】3页(P201-203)
【关键词】PLA;微观结构;物理性能
【作者】朱娅楠;潘志娟;汪吉艮;赵瑞芝
【作者单位】苏州大学纺织与服装工程学院,江苏苏州215021;苏州大学纺织与服装工程学院,江苏苏州215021;现代丝绸国家工程实验室,江苏苏州215123;江苏大生集团有限公司,江苏南通226002;江苏大生集团有限公司,江苏南通226002【正文语种】中文
PLA纤维是一种新型生物质合成纤维，由玉米等原料发酵生成乳酸聚合而成，单体来源丰富，完全降解后生成二氧化碳和水，是目前极具发展前景的生物降解材料之一。

当前PLA的制备方法主要为丙交酯开环聚合和乳酸直接聚合[1]，PLA纤维的制备方法主要有溶液纺丝法和熔融纺丝法，溶液纺丝的工艺比较复杂、成本高，
且对环境有一定污染，故多采用熔融纺丝法[2]。

除此以外，静电纺丝是一种制备PLA纤维的新方法，它可以生产出超细纤维，在组织工程支架材料、医用药物释放载体和伤口包覆等生物医学领域都有着广阔的应用前景。

PLA纤维的结构特征及长丝的物理化学性能、热学性能、力学性能同后期的织造加工、后整理过程密切相关。

本文对PLA长丝纤维的基本结构(分子组成、结晶结构、横截面及纵向形态等)以及PLA长丝的性能(回潮率、力学性能、热收缩等)进行了测定与分析。

实验材料为55.5dtex/36f的PLA长丝(河南龙都生物科技有限公司生产)。

1.1 PLA长丝基本结构测试方法
PLA长丝剪成粉末状，试样经压片后使用 Nicolet5700智能型傅立叶红外光谱仪(美国尼高力公司)进行扫描，扫描次数32次，分辨率4cm-1，扫描范围为4 000～500cm-1。

使用X‘Pert-Pro MPD型 X-射线衍射仪(飞利浦公司)对被剪成粉末状的PLA 长丝进行测试，衍射角2θ测量范围为5～50°，使用Peakfit软件对PLA纤维的结晶峰与非晶峰位置进行分峰处理，使曲线拟合度达到99.99%以上，再根据结晶区的面积和整个拟合区域的面积(结晶区和无定型区的面积之和)的比值计算得纤维的结晶度。

使用TM3030型台式扫描电子显微镜(日立公司)观察PLA长丝的横截面及纵向形态特征。

1.2 PLA长丝性能测试方法
所有试样均在标准大气条件，即温度(20±2)℃、相对湿度(65±2)%条件下平衡及测试。

依据GB/T 650-2008《化学纤维回潮率实验方法》，测定了纤维的回潮率。

依据GB/T 3916-1997《单根纱线断裂强力及断裂伸长的测定》，用
Instron5967材料试验机(英斯特朗公司)测试长丝的拉伸力学性能，强力仪夹持点隔距长度为500mm，拉伸速度500mm/min，预加张力0.5cN/tex，测试20次求取平均值。

使用Y391型纱线弹性仪(常州第二纺织机械厂)测试试样定伸长10%时的弹性回复性测试10次求取平均值。

依据GB/T 6505-2008《化学纤维长丝热收缩率试验方法》，测定PLA长丝的沸
水收缩率和干热收缩率。

2.1 PLA长丝的基本结构
2.1.1 分子结构
图1为PLA长丝纤维红外光谱图。

由图可知，PLA长丝纤维在3 430cm-1处存
在-OH伸缩振动峰，在3 000cm-1处存在-CH3不对称伸缩，在2 950cm-1处
存在-CH3对称伸缩，1 760cm-1处存在C=O伸缩振动峰，指纹区的1 450cm-
1处存在C-H变形振动，1 380cm-1处存在甲基特征峰，1 220～1 080cm-1处存在C-O-C伸缩振动峰，证明了酯基的存在，876cm-1处存在O-CH-CH3，
756cm-1处存在α-甲基，688cm-1处存在C-H变形振动。

2.1.2 结晶结构
图2为PLA长丝纤维的X-射线衍射曲线，使用Peak Fit软件对该曲线进行拟合，得到图3所示的分峰拟合曲线，PLA纤维的衍射峰位置2θ在16.42°及18.73°，
依据结晶度公式可以计算得结晶度约为23.87%。

2.1.3 形态结构
依据图4(a)和(b)可以看出，PLA长丝的横截面近似圆形，纵向外观较为平直光滑。

2.2 PLA长丝的性能
2.2.1 回潮率
回潮率的大小可以反映出纤维的吸放湿性能的高低，表1为PLA长丝及几种常见
纤维的公定回潮率。

对比发现，PLA长丝的回潮率很低，仅略高于涤纶，远远低
于常见的天然纤维和腈纶、粘胶等纤维。

其原因在于PLA多由丙交酯开环聚合或
者乳酸直接缩聚而成，单体乳酸中的-OH和-COOH脱水缩合形成了酯键降低了
其亲水性，同时分子内部的结构较为紧密，有效的限制了水分子的进入。

2.2.2 力学性能
表2为PLA长丝、涤纶长丝及蚕丝三者的拉伸力学性能，比较可知PLA长丝比涤纶长丝更为柔软，断裂强度大于涤纶，断裂伸长率优于涤纶。

同时，PLA长丝的
初始模量和断裂伸长率都高于蚕丝，但断裂强度差异不大，总体来看，PLA长丝
的力学性能优异。

2.2.3 弹性回复性
弹性回复性能体现了长丝在外力的作用下发生形变后的回复能力，表3列出了
PLA长丝及几种常见长丝的定伸长弹性回复率。

可以发现，PLA长丝的弹性回复
性较好，优于蚕丝，与粘胶相近，但不如涤纶和锦纶。

PLA的合成原料丙交酯有 2个不对称碳原子，3种立体异构体，开环聚合得到的
聚乳酸也有不同的结构, 其通式为H—[OCH (CH3) CO]n—H，聚合物有三种异构体：聚D-乳酸(PDLA)、聚L-乳酸(PLLA)和聚D，L-乳酸(PDLLA)，不同比例异构体的加入对聚合物的性能影响很大；蚕丝丝素中的原纤是良好的须状晶体，长度长但侧基短且简单，其弹性回复能力主要取决于结晶部分和非结晶部分的串联键，非结晶部位被拉伸而处于无定型状态之中，使得蚕丝的弹性不大。

锦纶分子长链多为锯齿型，分子上的酰胺键易通过一定的链段运动和氢键作用形成稳定柔性、高弹性的结构；涤纶结晶度高，且分子链存在折叠链和伸展链片晶，在外力作用下分子可以完全伸直，因而涤纶分子弹性很好；对于粘胶，主要是由于其大分子结晶度较低，使其大分子间既存在适当的结合点又有较大的局部流动性，因而纤维能够产生较大的形变，其弹性回复性不及锦纶和涤纶[4]。

2.2.4 热收缩性能
表4为PLA长丝及涤纶长丝的热收缩性能情况。

通过比较可以发现，PLA长丝的
湿热和干热收缩率都比较大，均大于涤纶长丝[6]，说明PLA分子之间还存在一定的内应力，在热处理过程中，分子的结晶度、取向度等内部结构发生了一定的变化，原本较为有序的分子链段可能发生了重结晶、链折叠等现象，从而产生了不可逆的收缩，PLA的高收缩率对织物的加工会带来一定的影响。

(1)PLA纤维中含有酯类特征吸收峰，衍射峰位置在16.42°及18.73°，其结晶度约为23.87%，PLA长丝的横截面近似圆形，纵向较为光滑。

(2)PLA长丝的回潮率很低，远小于天然纤维和腈纶、粘胶等纤维，略高于涤纶；PLA长丝与常见涤纶相比，初始模量较小，断裂强度和伸长率大，PLA长丝的初
始模量和断裂伸长率都高于蚕丝，断裂强度差异不大，总体来说力学性能较优异；PLA长丝具有较好的弹性，但在湿热和干热条件下的热收缩严重，对后期的生产
加工及织造都不利。

【相关文献】
[1] 朱久进, 王远亮, 胡勇等.聚乳酸的合成, 微观结构及性能[J].包装工程, 2005, 26(2): 1-3.
[2] 樊愈波.聚乳酸纤维织物产品开发及服用性能研究[D].上海: 东华大学, 2012:2-3.
[3] 纺织工程专业实验教程[M].苏州:苏州大学自编讲义.
[4] 于伟东.纺织材料学[M].北京市:中国纺织出版社.
[5] 余志成, 杨斌.抗菌导电真丝纤维的研究[J]. 浙江丝绸工学院学报, 1997, 14(1): 12-16.
[6] 白燕. 涤纶的热收缩特性及其对绉效应的影响[J]. 国外丝绸, 2005, 20(3): 13-15.。