1、 本科 毕业 设计 (论文 ) （二零 届） 聚乳酸纤维服用面料性能研究 所在学院 专业班级 纺织工程 学生姓名 学号 指导教师 职称 完成日期 年 月 i 摘要 ： 聚乳酸 (PAL)纤维 在服装领域运用越来越广，极大地丰富了服装的品种，使人们在选择服装材料时有了更多的选择。由于服装在 穿着过程中，舒适等服用性能非常重要， 聚乳酸 (PAL)纤维 性能既不同于合成纤维也不完全相同于天然纤维，对于这类新型纤维材料的服用性能研究很有必要。 本文以生物可降解聚乳酸 (PAL)纤维服用面料 为主要研究对象， 同时选用纯棉等织物作为对比，结合织物面料的主要服用性能常规实验， 包括织物强伸度实验、织物透
2、气性实验、织物吸水性实验、织物透湿性实验、织物悬垂性等实验 ，综合分析评价聚乳酸 纤维 及与其它纤维混纺的针织面料热湿舒适性能。 关键词： PAL 纤维 ;机织物 ;服用性能 - ii - PLA Fiber Taking performance study Abstract: polylactide Fiber in the clothing domain is applied more and more widely, greatly enriched the clothing varieties, so that people in a choice of clothing materi
3、als more choice. Because clothing during wearing, comfortable and so on taking performance is very important, PAL fiber properties is different in synthetic fiber is not identical also natural fibers, for this new class of fiber materials using properties research is necessary. Based on biodegradabl
4、e polylactic acid (PAL) fiber taking fabric as the main research object, and choose pure cotton fabric such as combination for comparison, the main fabrics, including taking performance routine test strong stretch fabric, fabric permeability test experimental degree, fabric water imbibition experime
5、nt, fabric moisture permeability experiment, fabric drape comprehensive analysis and evaluation the polylactic acid fiber and other fibers blended knitted fabrics hot wet comfortable performance. Keywords: PLA; Woven fabric; wear ability - iii - 目 录 1 绪 论 . 1 1.1 聚乳酸纤维的简介 . .1 1.2 聚乳酸纤维的生产现状 . 2 1.3
6、 聚乳酸纺织品的研究现状 . 3 1.4 聚乳酸纤维的生产 . 3 1.4.1 聚乳酸纤维的合成 . 3 1.4.2 纺丝方法 . 5 1.5 聚乳酸纤维的性能 . 5 1.6 本论文研究的目的和意义 . 7 2 聚乳酸纤维的性能测试 . 8 2.1 织物规格 . 8 2.2 测试原理和方法 . 8 2.2.1 强伸度指标测试 . 8 2.2.2 透气性指标测试 . 8 2.2.3 吸水性指标测试 . 9 2.2.4 透湿性指标测试 . 9 2.2.5 悬垂性指标测试 . 9 2.3 测试结果和分析 . 10 2.3.1 强伸度实验结果 . 10 2.3.2 透气性实验结果 . 11 2.3.
7、3 吸水性实验结果 . 13 2.3.4 透湿性实验结果 . 14 2.3.5 悬垂性实验结果 . 15 3 综合结论 . 17 3.1 结论 . 17 3.2 展望 . 17 参考文献 . 18 - iv - 致谢 . 19 1 1 绪 论 1.1 聚乳酸纤维简介 近年来，随着人们环保意识的提高，人们对生物降解高分子材料的研究越来越重视。自 1935年杜邦公司成功地 合成出尼龙 66 到现在短短的 60 多年时间，高分子材料己经渗透到国民经济各部门和人们生活的各个方面。然而，事物总是两方面的，在高分子材料给人们生活带来便利，改善生活质量的同时，其大量使用产生的塑料废弃物也与日俱增，给人类赖以
8、生存的自然环境造成了不可忽视的负面影响。首先是废弃物带来的环境污染。在人类生产的高分子材料中，用后废弃的量大约占总量的 50%-60%，这些塑料废弃物难以分解 (普通塑料需 200 年 -400 年才能完全分解掉 )，因而造成大量的永久性垃圾。随着社会的不断进步，人们的生活水平日益提高，高分子材料在日常生 活中的使用量也越来越大，它所带来的负面效应也越来越引起人们的重视。高分子材料的绿色化成为一个相当热门的课题。高分子材料的绿色化应体现在从构料的制造、使用和废弃后处理的全过程。制造所用材料应尽可能使用可再生资源，减少或避免石油的消耗，制造过程不能产生“三废”污染 ;材料的使用应安全可靠，不产生
9、新的污染 ;废弃后应能回收利用或自然降解，避免“白色污染”。在当前绿色高分子材料的研究开发热潮中，需求最迫切也是发展最快的当属环境可降解高分子材料。高分子材料的降解是指因化学和物理因素引起的构成聚合物的大分子链断裂的过程。降 解使聚合物相对分子质量下降，聚合物材料物性变坏，直到聚合物材料丧失可使用性。聚乳酸综合了生物发酵技术、使用可再生自然资源和生产过程清洁化三个方面的优点以及传统化学合成技术在规模化生产和成本控制上的优势。 聚乳酸， 简称 PAL，是以乳酸为主要原料聚合所得到的高分子聚合物。乳酸的生产主要有两条路线，一是石油原料合成法，另一个是发酵法。自 20 世纪 80 年代后期，从玉米淀
10、粉中得到右旋葡萄糖，经过微生物发酵生产乳酸的工艺获得成功后，发酵法生产乳酸的成本远远低于合成法。它在医药及食品包装领域己被成功地应用了相当长的时间。近 几年来，随着玉米等农作物为原料的发酵工艺生产乳酸进入工业化规模，生产聚乳酸所需的乳酸单体的生产成本大大降低，为聚乳酸在纺织材料中的应用创造了条件。 用玉米加工聚乳酸产品对综合利用资源，减少环境污染具有重要的意义和开发价值。以涤纶为代表的合成纤维自问世以来，得到了快速的发展。然而，随着以石油为原料的合成纤维产量的快速增长，石油过度开采引起的能源枯竭，以及石油制品使用废弃物的不可自然分解性对环境造成了极大的威胁。从环保的观点出发，对生物降解材料的研
11、究和开发在全球己变得非常活跃。聚乳酸纤维是一种性能较好的可生物降 解纤维，其废弃物埋在地下，在微生物的作用下会分解，生成碳酸气和水，它们在阳光下通过光合作用又会生成起始原料淀粉，淀粉就是聚乳酸的原料。可见 LPA纤维的原料是可再生的，这样一个循环过程满足可持续发展的要求。 2 生产聚乳酸纤维所需的玉米原料极为丰富。根据各国农业部门资讯，仅 2000年几个主要农业国的玉米库存量就达 1亿吨以上，其中美国玉米库存为 4500吨，急需寻求消化渠道，而以玉米制作聚乳酸是较好的途径之一 1。对玉米进行深加工生产聚乳酸纤维，既解决了不可生物降解的合成纤维带来的环境问题，又解决了玉米销售难带来的 资源浪费。
12、 1.2 聚乳酸纤维的生产现状 最早用玉米为原料的纤维生产于 1948 年，产品名为“维卡拉”，为玉米蛋白质纤维，由美国维吉尼亚 卡里罗来纳化学公司于 1948年至 1957年批量生产。 聚乳酸的研究和开发历史则可以追溯到 20 世纪 30 年代，当时著名高分子化学家 Carothers曾对聚乳酸的合成做过报道。 1944 年 Filaehiene 在 IJovey、 Hodgins 及 Begji 研究的基础上，对聚乳酸的聚合方法进行了系统的研究。 1954 年 DuPont 公司采用新的聚合方法制备出了高分子量的聚乳酸。 1962 年美国 Cynamadi 公司用聚乳酸制成了性能优异的可吸
13、收缝合线。 20 世纪 70年代聚乳酸在人体内的易分解性和分解产物的高度安全性得到了确认，作为少数被美国食品及药物管理局 (FDA)批准的生物降解医用材料。 而目前，只有美国、日本及德国几家公司对聚乳酸的大规模生产技术进行了研究和开发。 1997年，化学公司 DowpolymerS 看好聚乳酸纤维的后期发展，与美国知名谷物公司 Cargn 公司各出资50%合资组建 CDP公司， 1999 年开始在美国内布拉斯加州建造年产 14 万吨 PAL聚合物树脂的新 工厂，并于 2002 年初正式投产，目前 总产量已达 20 万吨，营业额至少达 3 亿美元，其中 30%输往日本。 1989年，日本钟纺公司
14、与岛津制作所合作开发玉米聚乳酸纤维，原料来源于岛津制作所和 CDP公司，并于 1994 年开发出商品名为 Lactron 的纤维， 1998 年又开发出用此纤维制造的系列服饰产品，并于长野冬季奥林匹克运动会上进行了展示。 2000年 1月，钟纺公司与 CDP合作，联合生产聚乳酸纤维树脂。此外，日本的尤尼吉卡和仓敷公司也相继使用 CDP 公司的 PAL 聚合物纺制长丝、短纤或用纺粘法生产非织造布产品。 2002 年 4 月在瑞士日内瓦举办的非织造布贸易展览会Index02上，日本大阪的纤维生产商 KnabeoGohsen有限公司作了有关 P以纤维的报告。该公司目前的生产能力为 700t/年，并可
15、能根据发展的需求扩大生产规模。 德国 invnetafischerwc 公司的年产 3000 吨聚乳酸中试实验装置也已获得成功，并着手进行年产 l万吨的生产线的开发。 目前，聚乳酸纤维成本过高的问题亦因 CDP公司聚乳酸树脂工厂的投产而得到解决。现在，世界各工厂生产的聚乳酸纤维的原料绝大部分来自美国 CDP 公司，而杜邦公司等也有建厂计划。迄今为止，全球已有 85个公司参与 Cargill-Dwo公司的 PLA的开发和纤维生产销售网，其中包括日本东丽、伊藤忠以及中国台湾的远纺集团和上海华源、世好公司等。华源公司的 PAL 纤维加弹丝、拉伸丝及布样己在 2003 年 3月的上海国际面料展亮相。
16、3 1.3 聚乳酸纺织品的研究现状 聚乳酸纤维属于生物降解高分子产品，具备了环保型纺织品的特征，而且具有一些优良的性能特点，在服装面料及产业用纺织品领域有良好的发展前景，将成为新世纪纤维生产与应用中的主导型产品之一 【 2】 。但由于该纤维目前只有美、日、德等国的少数公司生产，在面料生产尚未得到广泛的应用。 国内外对于聚乳酸 纺织品的研究主要集中在以下儿方面。 1、聚乳酸纤维性能的研究，包括与纺织加工与使用相关的纤维的物理、化学性能的研究、可降解性能的研究、及与其它各类纤维的性能进行比较。 2、聚乳酸纤维生产工艺的研究，主要研究该纤维的分子结构、聚合方法、生产工艺等。 3、聚乳酸纤维染色工艺的
17、研究，主要研究该纤维染色所用染料、染色工艺条件、染色对于纤维性能的影响等。 而对于由聚乳酸织物的性能，国内外均较少有研究报告，更未见到有针对该织物设计的研究。 1.4 聚乳酸纤维的生产 聚乳酸即可从石油合成得到，也可由再生的植物资源 (玉米、 小麦、谷物、甜菜等 )为起始原料制成，然后经纺丝生成聚乳酸纤维。由于聚乳酸的特殊结构使得聚乳酸 (PLA)纤维制成品废弃后可在自然条件下被微生物分解成水和二氧化碳，随后在阳光的作用下，它们又成为各种植物光合作用的原料，不会对环境造成污染。经测试，以聚乳酸纤维制成的圆形针织布不会刺激皮肤，且对人体健康有益，并有舒适感。聚乳酸纤维性能优越，有极好的悬垂性、滑
18、爽性、吸湿透气性、良好的耐热性及抗紫外线功能并富有光泽和弹性，可作服装面料、家用装饰材料、医用材料、非织造布材料、可生物降解的包装材料等，由于 PLA 纤维柔软、色 泽艳丽，特别适合做女装。 PAL纤维原材料极其丰富，又具有完全自然、循环型和能生物分解的特点 【 3】 。 1.4.1 聚乳酸纤维的合成 聚乳酸的聚合无论采用间接法还是直接法，都要从最初的原料乳酸开始，乳酸的生产工艺路线有两种 :一是以石油为原料的合成法，这种方法已经被淘汰，因为其以石油为原料，石油为不可再生资源，而且生产成本也比较高 ;二是以含淀粉的小麦、谷物、玉米、甜菜等农作物为原料的发酵法。发酵法以其原料充足、生产成本低于合
19、成法且原料利用率和转化率高而为各国所采用。而发酵工艺又分为连续发酵法和间歇发酵法两种。连续 发酵法工艺如图 1-1 所示。目前，聚乳酸的聚合方法通常可分为两大类 :一是以乳酸的二聚体即丙交酯为原料，在较温和的条件下脱水进行的开环聚合，然后经过脱单而生成 PAL，也称之为“二步法” 【 4】 。这种方法得到的 PAL性能较好，分子量较高 ;二是以乳酸、乳酸酯或乳酸衍生物为原料在高真空、高温下直接缩聚脱水而进行的聚合，可分为溶液聚合法和熔融聚合法。这种直接聚合方法得到的 PAL 分子量较低。聚乳酸的合成如图1-2 所示。 4 图 1-1 聚乳酸的连续发酵法工艺 图 1-2 聚乳酸的合成 5 1.4
20、.2 纺丝方法 加工聚乳 酸纤维分为溶液纺丝和熔融纺丝两种方法。 （ 1）溶液纺丝 聚乳酸的溶液纺丝主要采用干纺 热拉伸工艺。纺丝原液的制备一般采用二氯甲烷、三氯甲烷或甲苯作溶剂。溶液纺丝法的工艺较为复杂，溶剂回收难，纺丝环境恶劣，同时所采用的溶液有毒，需经特殊处理，最终产品成本高，从而限制了其应用 5。到目前为止采用溶液纺丝制备聚乳酸纤维还停留在实验阶段，尚未见商业化生产报导。 （ 2）熔融纺丝 熔融纺丝的工艺流程为 : 聚乳酸树脂 熔融纺丝 拉伸 热处理 聚乳酸纤维。 为了得到质量优良的纤维，对于 PAL 聚合物的组成和质量以及技术都有 要求采用分子量为330000的聚乳酸进行真空干燥，使
21、其熔点达到 186，结晶度在 75%的情况下进行熔融纺丝 6。聚合物在氮气的保护下从螺杆中熔融挤出。纤维的可纺性和拉伸性在很大程度上依赖于 PLA 原料的质量，同时由于熔融状态下聚乳酸会很快被水分解，因此在熔融纺丝前必须严格除去水分。 采用熔融纺丝并不很困难，各种用于生产涤纶的现行熔融纺丝设备都可采用。虽然从得到的纤维性能来看，干纺纤维的机械性能优于熔纺，但熔纺不需要溶剂和溶剂回收处理装置，对环境无污染，成本低，所以目前各国的研究开发主要放在熔纺上 7。目前 ，采用熔融纺丝法生产的聚乳酸纤维己进入了商品化生产阶段，熔融纺丝法生产聚乳酸纤维的工艺和设备正在不断地改进和完善，它己成为聚乳酸纺丝成形
22、加工的主流。 日本钟纺公司在 1994 年采用熔纺设备和自己开发的技术，开发出牌号为 Lactron 的聚乳酸纤维及 T 恤等产品，其生产能力为 700 吨。据钟纺公司的报告，选用左旋含量高的聚合物进行纤维化，聚乳酸树脂的分子量应在 8-10万内，纤维强力要达到 3.56CN/dtex以上才能满足后道加工的要求。纺丝时切片含水必须在 100ppm以下以防水解，它的挤压温度为 240。聚乳酸可以在 5000米 /分的高速熔纺下制成长丝。当纺速在 2000-3000 米 /分时，纤维结晶、双折射率、强度、杨氏模量及屈服强度等指标达到最佳值，而且其沸水收缩率为最低值 8。 1.5 聚乳酸纤维的性能 外观形态 乳酸纤维呈卷曲状，通过短纤维和长纤维纺丝工序处理以得到良好的加工性能。短纤维纺丝工序得到的聚乳酸纤维和其他热塑性纤维很相像，具有一定程度的卷曲，光滑的表面，其横切面呈圆形。 化学结构 聚乳酸纤维的化学结构并不复杂，是一种最简单的手性分子，它的一个重要特征是能以两种旋光异构体存在，即 L-乳酸 (左旋 )和 D-乳酸 (右旋 )。由发酵得到乳酸含有 99.5%的左旋异构体，
