PLA纤维熔融纺丝工艺.docx

PLA 纤维熔融纺丝生产工艺合成纤维在纺织纤维中所占比重较高，现已广泛应用于工农业生产、服饰、家居等领域，但由于其原料大都取自石油、煤炭等不行再生资源，且使用后难 降解，易造成污染，因此，可降解、再生的“绿色环保”纤维材料成为今后合 成纤维争论的方向近年来，随着聚乳酸〔 PLA〕纤维聚合工艺的局部成熟，它被认为是最具进展前景的“绿色环保”纤维之一，它具有良好的生物降解性和循环再生性，同时又具有芯吸导湿性、良好的抗紫外线性和耐菌性、优良的阻燃性、精彩的回弹性及悬垂性PLA 纤维 POY－DT 技术由于工艺路线简洁、本钱低、污染小，且常规设备进展适当改造后可以工业化生产，已经成为 PLA 纤维的一大生产方向 浙江上虞天龙化纤通过北京中丽 POY 纺丝线及山西晋中改造的平行牵伸机设备，已成功开发生产了 50D、98D 系列 PLA 长丝纤维，较大程度地抑制了 PL A 可纺性差、易水解、纺丝成形温度窄等技术难题，提高了纤维织物的档次一、 生产实例设备北京中丽 POY 纺丝试验线，日本汤浅导丝系统，山西晋中改造的平行牵伸机〔 KV 505 〕原料美国 Largill Dow 公司生产的 PLA 切片， 日本竹本公司生产的 POY 油剂。

工艺PLA 切片→枯燥→螺杆挤压→预过滤→纺丝箱→冷却上油→POY 卷绕→热盘拉伸→DT 纤维二、 工艺探讨1. 切片枯燥像 PET 一样， PLA 切片必需经过枯燥处理后才能进展熔融纺丝PLA 属聚酯类产品，由于其聚合物在活泼和潮湿的环境中会通过酯键断裂发生水解而产生降解，造成分子量大幅下降，从而严峻影响成品纤维的品质，因此纺丝前要严格把握 PLA 聚合物的含水率〔<50×10 -6〕PLA 切片枯燥后含水率与干切片特性粘度的把握尤为重要，由于含水率把握不当引起的分子量损失将给正常的熔融纺丝带来困难从生产试制 55dtex ／24 f PLA 纤维的工艺来看，长丝生产要求 PLA 干切片的含水率最好在 30ppm 以下适用的枯燥条件为：结晶温度把握在 105 ℃左右，切片经过脉动阀板和两两隔开的结晶热风循环通道的气流；再由氧化铝分子筛脱湿器和夹套式闭式热空气枯燥；由于其熔点和玻璃化温度较低，枯燥温度可把握在 120 ℃左右，枯燥时间 6 h 以上，实现露点温度 60℃而从 108dtex ／48 f PLA 纤维的试纺状况来看，其预结晶和枯燥温度可比 55dtex ／24 f 的略高 3～4℃，枯燥时间可略短。

2. 熔融纺丝PLA 纤维具有同 PET 纤维相像的物理特性，不仅具有高结晶性，还具有相像的透亮性由于具有高结晶性和高取向性， PLA 纤维具有高耐热性和高强度，且无需特别的设备和操作工艺，应用常规的加工工艺便可进展纺丝但 PLA 纤维不同于芳香酯的 PET，其熔点 175 ℃〔由差示扫描量热 DSC 法测定〕与 PET 的 26 0℃差距较大，且熔融纺丝成形较 PET 困难，主要表现在 PLA 的热敏性和熔体高粘度之间的冲突例如可用于纺丝成形的 PLA 相对分子量达 10 万左右，但其熔体粘度远高于PET 熔体的粘度要使 PLA 在纺丝成形时具有较好的流淌性和可纺性，必需到达确定的纺丝温度，但 PLA 物料在高温下，尤其是经受较长时间的相对高温时极易发生热降解，因此造成 PLA 熔融成形的温度范围极窄目前有文献报道“连续共沸除水直接缩聚合成的成纤 PLA 分子量可达 30 万以上”，为 PLA 纤维的品质和可纺性供给了根底由于 PLA 聚合物的热稳定性较差，为避开较大量的聚合物热降解，在保证熔体流变性好的状况下，需要设定较低的纺丝温度从纺丝实例看，冷却区设定为 41℃，螺杆各区温度把握在 205 ～212℃，而联苯加热气相温度把握在 21 0～213 ℃为宜〔为便于低温把握，必需用低沸点联苯〕；从生产实例看，熔体温度宜把握在 216 ℃以内，高于 216 ℃时，预取向纤维拉伸较为困难，而当该温度较低时，毛丝、断头严峻，生头困难。

同时，在保证均压和纤维均匀挤出的前提下，可降低预前压力到 7.5 Mpa， 以削减熔体在螺杆的回流，从而削减熔体在高温区的停留时间，削减熔体热降解的程度，进而降低纤维成品质量特别是强度指标的下降从 55 dtex／24 f PLA 纤维的试纺状况来看，其螺杆各区的温度比 108 dtex／48 f 的可略低 2～3℃，而纺丝箱温度低 1～2℃左右3. 纺丝组件由于 PLA 熔体的表观剪切粘度随剪切速率的增大而下降，表现为切力变稀流淌现象由于在剪切应力的作用下，大分子构象发生变化，长链分子偏离平衡构象而沿熔体流淌取向，表现出预取向性，从而使体系解缠并使大分子链彼此分别，导致 PLA 熔体的表观剪切粘度下降因此，必需通过加强剪切来降低其表观粘度，进而解决 PLA 聚合物热敏性和熔体高粘度之间的冲突，实现纺丝的顺当进展通过试纺比较，觉察 24 f 和 48 f 喷丝板在孔径适当降低而长径比同步提高的状况下〔 φ 0.25 调整为 φ 0.18 ～φ 0.22 〕，熔体裂开现象比未调整前有明显改善的趋势这种状况跟 PET 相像：熔体具有确定的储能模量，大分子的伸展与已伸展的大分子弹回最低能态处需确定的松驰时间，为了取得大分子的净伸展或净取向效果，剪切速率必需大于大分子的松驰速率。

在纺丝时，调整后的孔径和长径比有利于剪切速率的加强，从而为纺丝稳定制造条件建议 PLA 纺丝用喷丝板长径比把握在 2.3 ～3.0 ，高于同规格的 PE T 纺丝用喷丝板的长径比 2.0 ～2.5 ；在组件安装上，我们把 24 f 和 48 f 喷丝板分别底装 20% ～35%的金属砂，跟海砂分层混装，在可纺性一样的状况下降低初始压力实测组件的初始压力要小 2.0 Mpa～2.5 Mpa 左右，此时纺丝状况尚可，断头较少，组件滴浆能有效把握4. 速率和卷绕超喂Mezghani K 等通过在环境温度〔25±3〕℃的条件下进展的 PLA 纤维高速纺丝的争论说明：从纺丝速率〔 0～5 000 m/min 〕对 PLA 初生纤维结晶度和力学性能的影响来看，初生纤维的结晶度随纺丝速率的增加呈线性增加趋势， 并在纺丝速率为 3 000 m/min 时到达最大；此后随着纺丝速率的连续增大， 初生纤维的结晶度和力学性能有所下降这是由于随着纺丝速率的增加，初生纤维的拉伸形变速度梯度变大，即初生纤维的声速取向因子变大，从而使拉伸强度等增加；而较高的纺丝速率会导致分子取向并使纤维发生诱导结晶，过高的纺丝速率使 PLA 结晶时间过短，结晶不完全。

在生产过程中，为保证 PLA 纤维有确定的取向度，同时期望拉伸应力和卷绕应力在纺丝过程中得到准时有效地消退，有效把握卷绕张力是关键另外，由于 PLA 纤维的玻璃化温度较低，易造成卷绕过程中应力松驰加剧， 使纤维沿轴向发生确定尺寸的收缩在尽可能保证卷绕稳定的状况下，适当增大卷绕超喂率，在不影响成形的前提下，削减卷绕张力，相应调整摩托辊与筒子的接触压力，可以得到优质的大卷装丝从 55 dtex／24 f PLA 纤维的纺制状况看，丝层厚度和卷绕角度宜分8～12 步配套完成，超喂率把握在 2.0% 左右〔比同规格 PET 略大〕，以实现外表成形和卷绕张力的平衡；纺 108 dtex／48 f PLA 纤维的卷绕参数根本跟 55 dtex／24 f 的相像，且二者的环境、侧吹风温度和湿度也根本全都5. 拉伸温度、速度在平牵机上，热盘的温度即为拉伸温度，作为影响纤维的重要条件之一， 选择适宜的拉伸温度是提高纤维物理 -机械性能的关键在试纺过程中，同 PET 的初生纤维一样，低温时，拉伸初生 PLA 纤维时易发生脆性断裂，随着拉伸温度的提高，塑性变形越来越明显， PLA 纤维构造单元包括链段和大分子的活动性随温度上升而增大。

同时，随着温度的提高，一方面由于 PLA 大分子在拉伸过程中发生取向， 伸直链段的数目增多，而折叠链段的数目削减；另一方面，由于拉伸过程中发生了结晶，片晶之间的连接链相应增加，从而提高了 PLA 纤维的强度和抗拉性， 表现在纤维的物理性能上是纤维的断裂强度明显增大，断裂伸长率也增加从试纺状况看：当拉伸温度高于 75℃时，PLA 纤维冷位发生的脆性断裂现象根本消退；但温度过高，结晶速度和拉伸应力上升过快，解取向增大，有效取向反而削减，导致拉伸不能正常进展实践说明，拉伸温度宜在 80～8 5℃适当降低拉伸速度的影响类似于上升温度的影响，纤维的断裂伸长率、断裂强度及取向度均向有利于成纤的方向进展；但速度过低，易产生缓慢流淌， 导致纤维的拉伸应力缺乏，未能破坏不稳定构造，使分子链取向未向有利于成纤的方向进展，造成断裂强度下降而伸长增大从实际试纺 55 dtex／24 f 和 108 dtex/48 f PLA 纤维的状况来看， 当拉伸速度在 680 m/min 左右时，牵伸断头率尚可，成品退卷状况尚佳，成样子况良好； 108 dtex／48 f 的拉伸温度可比 55 dtex／24 f 的略高 1～2℃ 左右，速度略高 10～20 m/min 。

6. 拉伸倍率随着拉伸倍率的增大， PLA 纤维的初始模量和断裂强度均有所提高，而断裂伸长有所降低这是由于在拉伸过程中，纤维无定形区域的大分子链构造发生 不同程度的取向，同时不完善的结晶构造也可能发生确定的重排随着拉伸的 进展，拉伸倍率增大，纤维取向度提高，纤维的双折射率增大；由于分子取向 诱导了大分子结晶，结晶度和密度增加，使拉伸丝的杨氏模量和断裂强度增加； 而断裂伸长由于纤维大分子伸展力气的下降而下降，从而使纤维稳定性提高 但过大的拉伸倍率易破坏分子的链段联接，从而产生大面积毛丝而导致丝束缠 辊，难以顺当拉伸从试纺状况来看，稳定张力、将热拉伸均匀的一区的拉伸倍率把握在 1.012 以下，二区的拉伸倍率可依据 POY 原丝的指标进展调整表 1是相关工艺调整后纺制的 PLA 纤维经拉伸后的物检指标表 1 PLA 纤维物检指标指 标55 dtex／24 f 108 dtex／48 f 纤度〔 dtex〕 55.40 108.20 CV〔%〕 0.76 0.66纤度偏差〔 %〕 0.57 0.28断袭强度〔 cN/dtex 〕 3.72 3.85CV〔%〕 2.97 3.42断裂伸长率〔 %〕 28.20 29.70CV〔%〕 4.56 3.98极限氧指数〔 %〕 85.30 84.60含油率〔%〕 0.67 0.69三、 结语1. 较好的枯燥效果和较低的纺丝温度是削减水解和热降解的根底；2. 合理的的温度区间和优化的组件配制有助于解决聚合物热敏性和熔体高粘度之间的冲突；3. 适宜的纺丝速率和确定的卷绕超喂有利于正常纺丝；4. 适宜的牵伸倍率、拉伸温度及速度有利于制备高强、中伸、低模的 PLA纤维。