合成纖維在紡織纖維中所占比重較高，現(xiàn)已廣泛應用于工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)、服飾、家居等領域，但由于其原料大都取自石油、煤炭等不可再生資源，且使用后難降解，易造成污染，因此，可降解、再生的“綠色環(huán)保”纖維材料成為今后合成纖維研究的方向。近年來，隨著聚乳酸（PLA）纖維聚合工藝的局部成熟，它被認為是最具發(fā)展前景的“綠色環(huán)保”纖維之一，它具有良好的生物降解性和循環(huán)再生性，同時又具有芯吸導濕性、良好的抗紫外線性和耐菌性、優(yōu)良的阻燃性、出色的回彈性及懸垂性。PLA纖維POY—DT技術由于工藝路線簡單、成本低、污染小，且常規(guī)設備進行適當改造后可以工業(yè)化生產(chǎn)，已經(jīng)成為PLA纖維的一大生產(chǎn)方向。
 
　　浙江上虞新天龍化纖有限公司通過北京中麗POY紡絲線及山西晉中改造的平行牽伸機設備，已成功開發(fā)生產(chǎn)了50 D、98 D系列PLA長絲纖維，較大程度地克服了PLA可紡性差、易水解、紡絲成形溫度窄等技術難題，提高了纖維織物的檔次。本文將結合生產(chǎn)實例對PLA纖維的生產(chǎn)工藝作一定探討。
 
　　一、  生產(chǎn)實例
 
　　設備  北京中麗POY紡絲試驗線，日本湯淺導絲系統(tǒng)，山西晉中改造的平行牽伸機（KV 505）。
 
　　原料  美國Largill Dow 公司生產(chǎn)的PLA切片，日本竹本公司生產(chǎn)的POY油劑。
 
　　工藝  PLA切片→干燥→螺桿擠壓→預過濾→紡絲箱→冷卻上油→POY卷繞→熱盤拉伸→DT纖維
 
　　二、  工藝探討
 
　　1.  切片干燥
 
　　像PET一樣，PLA切片必須經(jīng)過干燥處理后才能進行熔融紡絲。PLA屬聚酯類產(chǎn)品，由于其聚合物在活躍和潮濕的環(huán)境中會通過酯鍵斷裂發(fā)生水解而產(chǎn)生降解，造成分子量大幅下降，從而嚴重影響成品纖維的品質(zhì)，因此紡絲前要嚴格控制PLA聚合物的含水率（<50×10-6）。PLA切片干燥后含水率與干切片特性粘度的控制尤為重要，因為含水率控制不當引起的分子量損失將給正常的熔融紡絲帶來困難。
 
　　從生產(chǎn)試制55 dtex／24 f PLA纖維的工藝來看，長絲生產(chǎn)要求PLA干切片的含水率最好在30 ppm以下。適用的干燥條件為：結晶溫度控制在105℃左右，切片經(jīng)過脈動閥板和兩兩隔開的結晶熱風循環(huán)通道的氣流；再由氧化鋁分子篩脫濕器和夾套式閉式熱空氣干燥；由于其熔點和玻璃化溫度較低，干燥溫度可控制在120℃左右，干燥時間6h以上，實現(xiàn)露點溫度60℃。而從108 dtex／48 f PLA纖維的試紡情況來看，其預結晶和干燥溫度可比55 dtex／24 f的略高3～4℃，干燥時間可略短。
 
　　2.       熔融紡絲
 
　　PLA纖維具有同PET纖維相似的物理特性，不僅具有高結晶性，還具有相似的透明性。由于具有高結晶性和高取向性，PLA纖維具有高耐熱性和高強度，且無需特殊的設備和操作工藝，應用常規(guī)的加工工藝便可進行紡絲。但 PLA纖維不同于芳香酯的PET，其熔點175℃（由差示掃描量熱DSC法測定）與PET的260℃差距較大，且熔融紡絲成形較PET困難，主要表現(xiàn)在PLA的熱敏性和熔體高粘度之間的矛盾。例如可用于紡絲成形的PLA相對分子量達10萬左右，但其熔體粘度遠高于PET熔體的粘度。要使PLA在紡絲成形時具有較好的流動性和可紡性，必須達到一定的紡絲溫度，但PLA物料在高溫下，尤其是經(jīng)受較長時間的相對高溫時極易發(fā)生熱降解，因此造成PLA熔融成形的溫度范圍極窄。目前有文獻報道“連續(xù)共沸除水直接縮聚合成的成纖PLA分子量可達30萬以上”，為PLA纖維的品質(zhì)和可紡性提供了基礎。
 
　　由于PLA聚合物的熱穩(wěn)定性較差，為避免較大量的聚合物熱降解，在保證熔體流變性好的情況下，需要設定較低的紡絲溫度。從紡絲實例看，冷卻區(qū)設定為41℃，螺桿各區(qū)溫度控制在205～212℃，而聯(lián)苯加熱氣相溫度控制在210～213℃為宜（為便于低溫控制，必須用低沸點聯(lián)苯）；從生產(chǎn)實例看，熔體溫度宜控制在216℃以內(nèi)，高于216℃時，預取向纖維拉伸較為困難，而當該溫度較低時，毛絲、斷頭嚴重，生頭困難。同時，在保證均壓和纖維均勻擠出的前提下，可降低預前壓力到7.5 Mpa，以減少熔體在螺桿的回流，從而減少熔體在高溫區(qū)的停留時間，減少熔體熱降解的程度，進而降低纖維成品質(zhì)量特別是強度指標的下降。從55 dtex／24 f PLA纖維的試紡情況來看，其螺桿各區(qū)的溫度比108 dtex／48 f的可略低2～3℃，而紡絲箱溫度低1～2℃左右。
 
　　3.       紡絲組件
 
　　由于PLA熔體的表觀剪切粘度隨剪切速率的增大而下降，表現(xiàn)為切力變稀流動現(xiàn)象。因為在剪切應力的作用下，大分子構象發(fā)生變化，長鏈分子偏離平衡構象而沿熔體流動取向，表現(xiàn)出預取向性，從而使體系解纏并使大分子鏈彼此分離，導致PLA熔體的表觀剪切粘度下降。因此，必須通過加強剪切來降低其表觀粘度，進而解決PLA聚合物熱敏性和熔體高粘度之間的矛盾，實現(xiàn)紡絲的順利進行。
 
　　通過試紡比較，發(fā)現(xiàn)24 f和48 f噴絲板在孔徑適當降低而長徑比同步提高的情況下（φ 0.25調(diào)整為φ 0.18～φ 0.22），熔體破裂現(xiàn)象比未調(diào)整前有明顯改善的趨勢。這種情況跟PET相似：熔體具有一定的儲能模量，大分子的伸展與已伸展的大分子彈回最低能態(tài)處需一定的松馳時間，為了取得大分子的凈伸展或凈取向效果，剪切速率必須大于大分子的松馳速率。在紡絲時，調(diào)整后的孔徑和長徑比有利于剪切速率的加強，從而為紡絲穩(wěn)定創(chuàng)造條件。建議PLA紡絲用噴絲板長徑比控制在2.3～3.0，高于同規(guī)格的PET紡絲用噴絲板的長徑比2.0～2.5；在組件安裝上，我們把24 f和48 f噴絲板分別底裝20%～35%的金屬砂，跟海砂分層混裝，在可紡性相同的情況下降低初始壓力。實測組件的初始壓力要小2.0 Mpa～2.5 Mpa左右，此時紡絲情況尚可，斷頭較少，組件滴漿能有效控制。
 
　　4.       速率和卷繞超喂
 
　　Mezghani K等通過在環(huán)境溫度（25±3）℃的條件下進行的PLA纖維高速紡絲的研究表明：從紡絲速率（0～5 000 m/min）對PLA初生纖維結晶度和力學性能的影響來看，初生纖維的結晶度隨紡絲速率的增加呈線性增加趨勢，并在紡絲速率為3 000 m/min時達到最大；此后隨著紡絲速率的繼續(xù)增大，初生纖維的結晶度和力學性能有所下降。這是因為隨著紡絲速率的增加，初生纖維的拉伸形變速度梯度變大，即初生纖維的聲速取向因子變大，從而使拉伸強度等增加；而較高的紡絲速率會導致分子取向并使纖維發(fā)生誘導結晶，過高的紡絲速率使PLA結晶時間過短，結晶不完全。
在生產(chǎn)過程中，為保證PLA纖維有一定的取向度，同時希望拉伸應力和卷繞應力在紡絲過程中得到及時有效地消除，有效控制卷繞張力是關鍵。另外，由于PLA纖維的玻璃化溫度較低，易造成卷繞過程中應力松馳加劇，使纖維沿軸向發(fā)生一定尺寸的收縮。在盡可能保證卷繞穩(wěn)定的情況下，適當增大卷繞超喂率，在不影響成形的前提下，減少卷繞張力，相應調(diào)整摩托輥與筒子的接觸壓力，可以得到優(yōu)質(zhì)的大卷裝絲。
 
　　從55 dtex／24 f PLA纖維的紡制情況看，絲層厚度和卷繞角度宜分8～12步配套完成，超喂率控制在2.0%左右（比同規(guī)格PET略大），以實現(xiàn)表面成形和卷繞張力的平衡；紡108 dtex／48 f PLA纖維的卷繞參數(shù)基本跟55 dtex／24 f的相似，且二者的環(huán)境、側(cè)吹風溫度和濕度也基本一致。
 
　　5.  拉伸溫度、速度
 
　　在平牽機上，熱盤的溫度即為拉伸溫度，作為影響纖維的重要條件之一，選擇合適的拉伸溫度是提高纖維物理-機械性能的關鍵。
 
　　在試紡過程中，同PET的初生纖維一樣，低溫時，拉伸初生PLA纖維時易發(fā)生脆性斷裂，隨著拉伸溫度的提高，塑性變形越來越明顯，PLA纖維結構單元包括鏈段和大分子的活動性隨溫度升高而增大。同時，隨著溫度的提高，一方面由于PLA大分子在拉伸過程中發(fā)生取向，伸直鏈段的數(shù)目增多，而折疊鏈段的數(shù)目減少；另一方面，由于拉伸過程中發(fā)生了結晶，片晶之間的連接鏈相應增加，從而提高了PLA纖維的強度和抗拉性，表現(xiàn)在纖維的物理性能上是纖維的斷裂強度明顯增大，斷裂伸長率也增加。
 
　　從試紡情況看：當拉伸溫度高于75℃時，PLA纖維冷位發(fā)生的脆性斷裂現(xiàn)象基本消除；但溫度過高，結晶速度和拉伸應力上升過快，解取向增大，有效取向反而減少，導致拉伸不能正常進行。實踐表明，拉伸溫度宜在80～85℃。
適當降低拉伸速度的影響類似于升高溫度的影響，纖維的斷裂伸長率、斷裂強度及取向度均向有利于成纖的方向發(fā)展；但速度過低，易產(chǎn)生緩慢流動，導致纖維的拉伸應力不足，未能破壞不穩(wěn)定結構，使分子鏈取向未向有利于成纖的方向發(fā)展，造成斷裂強度下降而伸長增大。
 
　　從實際試紡55 dtex／24 f和108 dtex/48 f PLA纖維的情況來看，當拉伸速度在680 m/min左右時，牽伸斷頭率尚可，成品退卷狀況尚佳，成形情況良好；108 dtex／48 f的拉伸溫度可比55 dtex／24 f的略高1～2℃左右，速度略高10～20 m/min。
 
　　6.  拉伸倍率
 
　　隨著拉伸倍率的增大，PLA纖維的初始模量和斷裂強度均有所提高，而斷裂伸長有所降低。這是因為在拉伸過程中，纖維無定形區(qū)域的大分子鏈結構發(fā)生不同程度的取向，同時不完善的結晶結構也可能發(fā)生一定的重排。隨著拉伸的進行，拉伸倍率增大，纖維取向度提高，纖維的雙折射率增大；由于分子取向誘導了大分子結晶，結晶度和密度增加，使拉伸絲的楊氏模量和斷裂強度增加；而斷裂伸長由于纖維大分子伸展能力的下降而下降，從而使纖維穩(wěn)定性提高。但過大的拉伸倍率易破壞分子的鏈段聯(lián)接，從而產(chǎn)生大面積毛絲而導致絲束纏輥，難以順利拉伸。從試紡情況來看，穩(wěn)定張力、將熱拉伸均勻的一區(qū)的拉伸倍率控制在1.012以下，二區(qū)的拉伸倍率可根據(jù)POY原絲的指標進行調(diào)整。表1是相關工藝調(diào)整后紡制的PLA纖維經(jīng)拉伸后的物檢指標。
 
　　表1  PLA纖維物檢指標

表1  PLA纖維物檢指標
　　指      標　55 dtex／24 f 108 dtex／48 f
　　纖度（dtex） 55.40 108.20 　　　CV（%）  0.76   0.66
　　纖度偏差（%）  0.57   0.28

斷襲強度（cN/dtex）  3.72   3.85 　　CV（%）  2.97   3.42
　　斷裂伸長率（%） 28.20  29.70 　　CV（%）  4.56   3.98
　　極限氧指數(shù)（%） 85.30  84.60
　　含油率（%）  0.67   0.69

　　三、  結語
 
　　1. 較好的干燥效果和較低的紡絲溫度是減少水解和熱降解的基礎；
 
　　2. 合理的的溫度區(qū)間和優(yōu)化的組件配制有助于解決聚合物熱敏性和熔體高粘度之間的矛盾；
 
　　3. 合適的紡絲速率和一定的卷繞超喂有利于正常紡絲；
 
　　4. 適宜的牽伸倍率、拉伸溫度及速度有利于制備高強、中伸、低模的PLA纖維。