PLA纖維熔融紡絲工藝

1、PLA 纖維熔融紡絲生產(chǎn)工藝合成纖維在紡織纖維中所占比重較高，現(xiàn)已廣泛應(yīng)用于工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)、服飾、家居等領(lǐng)域，但由于其原料大都取自石油、煤炭等不行再生資源，且使用后難 降解，易造成污染，因此，可降解、再生的“綠色環(huán)?！崩w維材料成為今后合 成纖維爭辯的方向。近年來，隨著聚乳酸 PLA纖維聚合工藝的局部成熟，它被認(rèn)為是最具進展前景的“綠色環(huán)?！崩w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(dǎo)濕性、良好的抗紫外線性和耐菌性、優(yōu)良的阻燃性、精彩的回彈性及懸垂性。PLA 纖維 POYDT 技術(shù)由于工藝路線簡潔、本錢低、污染小，且常規(guī)設(shè)備進展適當(dāng)改造后可以工業(yè)化生產(chǎn)，已經(jīng)成為 PLA 纖維的一大

2、生產(chǎn)方向 。浙江上虞天龍化纖通過北京中麗 POY 紡絲線及山西晉中改造的平行牽伸機設(shè)備，已成功開發(fā)生產(chǎn)了 50D、98D 系列 PLA 長絲纖維，較大程度地抑制了 PL A 可紡性差、易水解、紡絲成形溫度窄等技術(shù)難題，提高了纖維織物的檔次。一、生產(chǎn)實例設(shè)備北京中麗 POY 紡絲試驗線，日本湯淺導(dǎo)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 切片枯燥螺桿擠壓預(yù)過濾紡絲箱冷卻上油POY 卷繞熱盤拉伸DT 纖維二、工藝探討切片枯燥像 PET 一樣， PLA 切片必需經(jīng)過枯燥處理后才能進展熔

3、融紡絲。PLA 屬聚酯類產(chǎn)品，由于其聚合物在活潑和潮濕的環(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(yán)峻影響成品纖維的品質(zhì)，因此紡絲前要嚴(yán)格把握 PLA 聚合物的含水率5010 -6。PLA 切片枯燥后含水率與干切片特性粘度的把握尤為重要，由于含水率把握不當(dāng)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 55dtex 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 30ppm 以下。適用的枯燥條件為：結(jié)晶溫度把握在 105 左右，切片經(jīng)過脈動閥板和兩兩隔開的結(jié)晶熱風(fēng)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枯燥；由于其熔點

4、和玻璃化溫度較低，枯燥溫度可把握在 120 左右，枯燥時間 6 h 以上，實現(xiàn)露點溫度 60。而從 108dtex 48 f PLA 纖維的試紡狀況來看，其預(yù)結(jié)晶和枯燥溫度可比 55dtex 24 f 的略高 34，枯燥時間可略短。熔融紡絲PLA 纖維具有同 PET 纖維相像的物理特性，不僅具有高結(jié)晶性，還具有相像的透亮性。由于具有高結(jié)晶性和高取向性， PLA 纖維具有高耐熱性和高強度，且無需特別的設(shè)備和操作工藝，應(yīng)用常規(guī)的加工工藝便可進展紡絲。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 26 0差距較大，且熔融紡絲成形較 PET 困難，

5、主要表現(xiàn)在 PLA 的熱敏性和熔體高粘度之間的沖突。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淌性和可紡性，必需到達肯定的紡絲溫度，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)和可紡性供給了根底。由于 PLA 聚合物的熱穩(wěn)定性較差，為避開較大量的聚合物熱降解，在保證熔體流變性好的狀況下，需要設(shè)定較低的紡絲溫度。從紡絲實例看，冷卻區(qū)

6、設(shè)定為 41，螺桿各區(qū)溫度把握在 205 212，而聯(lián)苯加熱氣相溫度把握在 21 0213 為宜為便于低溫把握，必需用低沸點聯(lián)苯；從生產(chǎn)實例看，熔體溫度宜把握在 216 以內(nèi)，高于 216 時，預(yù)取向纖維拉伸較為困難，而當(dāng)該溫度較低時，毛絲、斷頭嚴(yán)峻，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(yù)前壓力到7.5 Mpa， 以削減熔體在螺桿的回流，從而削減熔體在高溫區(qū)的停留時間，削減熔體熱降解的程度，進而降低纖維成品質(zhì)量特別是強度指標(biāo)的下降。從 55 dtex24 f PLA 纖維的試紡狀況來看，其螺桿各區(qū)的溫度比 108 dtex48 f 的可略低 23，而紡絲箱溫度低 12左右。

7、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)為切力變稀流淌現(xiàn)象。由于在剪切應(yīng)力的作用下，大分子構(gòu)象發(fā)生變化，長鏈分子偏離平衡構(gòu)象而沿熔體流淌取向，表現(xiàn)出預(yù)取向性，從而使體系解纏并使大分子鏈彼此分別，導(dǎo)致 PLA 熔體的表觀剪切粘度下降。因此，必需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沖突，實現(xiàn)紡絲的順當(dāng)進展。通過試紡比較，覺察 24 f 和 48 f 噴絲板在孔徑適當(dāng)降低而長徑比同步提高的狀況下 0.25 調(diào)整為 0.18 0.22 ，熔體裂開現(xiàn)象比未調(diào)整前有明顯改善的趨勢。這種狀況跟 PET 相像：熔體具有肯定的儲能模量，大分子

8、的伸展與已伸展的大分子彈回最低能態(tài)處需肯定的松馳時間，為了取得大分子的凈伸展或凈取向效果，剪切速率必需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)定制造條件。建議 PLA 紡絲用噴絲板長徑比把握在 2.3 3.0 ，高于同規(guī)格的 PE T 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，在可紡性一樣的狀況下降低初始壓力。實測組件的初始壓力要小 2.0 Mpa2.5 Mpa 左右，此時紡絲狀況尚可，斷頭較少，組件滴漿能有效把握。速率和卷繞超喂MezghaniK

9、等通過在環(huán)境溫度253的條件下進展的 PLA 纖維高速紡絲的爭辯說明：從紡絲速率 05 000 m/min 對 PLA 初生纖維結(jié)晶度和力學(xué)性能的影響來看，初生纖維的結(jié)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 時到達最大；此后隨著紡絲速率的連續(xù)增大， 初生纖維的結(jié)晶度和力學(xué)性能有所下降。這是由于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(dǎo)致分子取向并使纖維發(fā)生誘導(dǎo)結(jié)晶，過高的紡絲速率使 PLA 結(jié)晶時間過短，結(jié)晶不完全。在生產(chǎn)過程中，為保證 PLA 纖維有肯定的取向度，同時期望拉

10、伸應(yīng)力和卷繞應(yīng)力在紡絲過程中得到準(zhǔn)時有效地消退，有效把握卷繞張力是關(guān)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(yīng)力松馳加劇， 使纖維沿軸向發(fā)生肯定尺寸的收縮。在盡可能保證卷繞穩(wěn)定的狀況下，適當(dāng)增大卷繞超喂率，在不影響成形的前提下，削減卷繞張力，相應(yīng)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 dtex24 f PLA 纖維的紡制狀況看，絲層厚度和卷繞角度宜分812 步配套完成，超喂率把握在 2.0% 左右比同規(guī)格 PET 略大，以實現(xiàn)外表成形和卷繞張力的平衡；紡 108 dtex48 f PLA 纖維的卷繞參數(shù)根本跟 55 dtex24 f 的相像，且二者的

11、環(huán)境、側(cè)吹風(fēng)溫度和濕度也根本全都。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， 選擇適宜的拉伸溫度是提高纖維物理 -機械性能的關(guān)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 纖維構(gòu)造單元包括鏈段和大分子的活動性隨溫度上升而增大。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)目削減；另一方面，由于拉伸過程中發(fā)生了結(jié)晶，片晶之間的連接鏈相應(yīng)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

12、纖維的斷裂強度明顯增大，斷裂伸長率也增加。從試紡狀況看：當(dāng)拉伸溫度高于 75時，PLA 纖維冷位發(fā)生的脆性斷裂現(xiàn)象根本消退；但溫度過高，結(jié)晶速度和拉伸應(yīng)力上升過快，解取向增大，有效取向反而削減，導(dǎo)致拉伸不能正常進展。實踐說明，拉伸溫度宜在 808 5。適當(dāng)降低拉伸速度的影響類似于上升溫度的影響，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進展；但速度過低，易產(chǎn)生緩慢流淌， 導(dǎo)致纖維的拉伸應(yīng)力缺乏，未能破壞不穩(wěn)定構(gòu)造，使分子鏈取向未向有利于成纖的方向進展，造成斷裂強度下降而伸長增大。從實際試紡 55 dtex24 f 和 108 dtex/48 f PLA 纖維的狀況來看， 當(dāng)拉伸速度

13、在 680 m/min 左右時，牽伸斷頭率尚可，成品退卷狀況尚佳，成樣子況良好； 108 dtex48 f 的拉伸溫度可比 55 dtex24 f 的略高 12 左右，速度略高 1020 m/min 。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。這是由于在拉伸過程中，纖維無定形區(qū)域的大分子鏈構(gòu)造發(fā)生 不同程度的取向，同時不完善的結(jié)晶構(gòu)造也可能發(fā)生肯定的重排。隨著拉伸的 進展，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(dǎo)了大分子結(jié)晶，結(jié)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力量的下降而下降，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(dǎo)致絲束纏 輥，難以順當(dāng)拉伸。從試紡狀況來看，穩(wěn)定張力、將熱拉伸均勻的一區(qū)的拉伸倍率把握在 1.012 以下，二區(qū)的拉伸倍率可依據(jù) POY 原絲的指標(biāo)進展調(diào)整。表 1是相關(guān)工藝調(diào)整后紡制的 PLA 纖維經(jīng)拉伸后的物檢指標(biāo)。表 1PLA 纖維物檢指標(biāo)指標(biāo)55 dtex24 f 108 dtex48 f 纖度 dtex 55.40 108.20 CV%0.760.66纖度偏差 %0.570.28斷襲強