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1、聚乳酸纤维环境和谐型新一代合成纤维国外化纤技术.ow,ogy聚乳酸纤维环境和谐型新一代合成纤维望月政嗣等本文将聚乳酸(PLA)纤维与石油系合成纤维及再生纤维素纤维进行了比较,并介绍Unitika公司生产的聚乳酸纤维于7,_夕(TERRAMAC)的特征及应用方面的趋势以及今后的技术课题.1环境负荷低的聚乳酸纤维1.1聚乳酸纤维的环境低负荷特征聚乳酸是从玉米,甜菜,甘蔗等可持续再生的植物资源取得的糖质原料,经发酵法制得L一乳酸,进而成为环状二聚体(丙交酯),再经开环聚合而制成.聚乳酸经堆肥化或生物气体化等,在自然环境中最终经微生物分解成二氧化碳,二氧化碳再用作植物光合成的碳源.因而聚乳酸与自然界的
2、碳循环有关,基本上不存在资源枯竭及废弃物问题.石油类合成纤维燃烧后生成二氧化碳,与生态外进入的原油的燃烧物相同,使生态内的二氧化碳增加.而聚乳酸纤维是从植物来的合纤,是生态内的二氧化碳固定化后制得的纤维,因此经燃烧或经微生物生物降解所产生的二氧化碳,只是原来生态内的物质复原,与地球上的二氧化碳增加无关.然而由植物制成的有生物降解性的纤维,并不能说就是环保型的.它只是具备必要的条件,但不符合充分条件.如,粘胶人造纤维在制造工程中大量使用能源,排出的二氧化碳超过合成纤维,就不能说是环保型的.1.2关于聚乳酸纤维的生命周期评估考察(LCA)近年来,作为客观定量表示环境负荷的方法,生命周期的评估(LC
3、A)开始倍受关注.LCA是从制品原料的采集,经过制造加工,到用后废弃物处理,定量评价其能源使用量(以石油换算),二氧化碳发生量,有害废弃物的发生量等的方法.根据调查,在现有的塑料中,聚乳酸的二氧化碳发生量最低,为1820k.而合成纤维聚酯48合成纤维SFC2008No.7的CO发生量为4143kg/t,尼龙66CO发生量为6870k,粘胶纤维CO发生量为6000k.关于废弃时或再资源化时的二氧化碳发生量,理论k_Mt学反应可预测,即涤纶CO发生量为2300k,粘胶为1650k,聚乳酸为1830k.从原料采集,制造到废弃处理,粘胶二氧化碳发生量总计为7650k,涤纶为6443k,而聚乳酸仅为36
4、50k,具有环境低负荷特性(表1).表1聚乳酸纤维对环境影响和燃烧特性二氧化碳发生量/kg?t燃烧热纤维原料LOI值原料树脂焚烧时合计/kJkg-聚丙烯石油l89l32o050914396l聚酯石油414323o0644323O2721粘胶植物6oo0l6507650l884ll8聚乳酸植物l820l8303650l884124292聚乳酸纤维的制造和一般特征2.1制造方法聚乳酸熔点约170oC,玻璃化转变温度约57qC,是结晶性脂肪族聚酯.在各种生物降解性塑料中聚乳酸纺丝性好,可用熔融纺丝制造单丝,复丝,BCF,短纤(含皮芯型,并列型),从切断纤维到纺粘布,基本上可用现有聚酯纤维的制造设备(
5、部分改造)来制造大致与聚酯相同的纤维长丝非织造布.聚乳酸纤维与其他结晶性高分子一样,随着拉伸而取向,结晶,适合纺粘的高速纺丝技术,来提高机械及热性能;也可由高速纺部分取向丝(POY)制造拉伸丝(FDY)和假捻变形丝(DTY).2.2聚乳酸纤维的特性聚乳酸纤维的一般特征如表2所示.聚乳酸纤维比聚酯纤维轻,拉伸强度稍低,但可供使用;弹性模量约为聚酯纤维一半;织物的弯曲弹性模量及剪切弹性模量亦低,悬垂性好,手感柔软,折射率低而具有丝样光泽.聚乳酸纤维基本上是疏水性的,但比聚酯纤维对水亲和性好,可迅速吸收水分使水分扩散挥发,有望在有温度调节功能的内衣及运动服,休闲服等上得到应用.聚乳酸纤维可用分散染料
6、在100110染色.现在市售的聚乳酸是熔点约170的热塑性塑料,热封接性及超声波封接性好,无需缝制加工.在热粘合工程中需要的皮层为低熔点(约130)聚D,L乳酸皮芯复合粘合纤维,已经开发成功.一般说来,聚乳酸纤维热收缩率比聚酯纤维略高,尺寸稳定性稍差,加工时需要注意.表2聚乳酸纤维特征基本特性特性值聚酯聚乳酸聚乳酸纤维特性原料,分石油植物可再生资源,完全生解性物降解性密度/g?Cm1.341.25比聚酯轻低折射率使丝样有折射率1.581.40光泽光泽,风弯曲刚tdcN?cm2/格0.122OO68悬垂性好,柔软手感CITI一1剪切刚性/cN?cm?1.530.64deg一基本是疏水性,比聚吸水
7、,扩接触角,o0.1350.254散性酯有亲水性吸水率,%O.3O.5接近芳香族聚酰胺LOI202l24-29纤维阻燃性燃烧时间/min62低燃性,自灭火性发生气体量/m?k39463低烟性,无有害气体燃烧热,kJ?kg23O27l884l低燃烧热静菌活性值(2.2>5.9合格值2.2以上抗菌性杀菌活性值(O3l耐光,耐伸长保持率/%70l0o耐光试验劣化少气候性强度保持率/%6095耐气候性试验劣化少3高功能性聚乳酸纤维3.1生物降解性和耐久性PLA是人为化学合成的高分子化合物,在自然界中可直接分解高分子量聚乳酸的微生物及酶很少,因此在自然环境中降解显得缓慢.一般在土壤中或水中,形状破
8、坏需事大约4年.聚乳酸的降解机理与其他生物分解塑料不同,是按两阶段进行的.初期的非酶水解是在高温(,0oC),高湿(>80%),碱性(pH值>8)条件下开始,降解到平均分子量为10000-20000后,由于微生物分解分子量降解加速,最后PLA完全分解为二氧化碳,水和部分New一一tel=hIogy国外化纤技术生物体.聚乳酸纤维与一般合纤一样通常是稳定的,在一定期间内可安心在广泛领域使用.PLA制品在自然环境下使用时,其寿命至少在数年中仍具有理想性能.解决塑料及纤维的废弃物问题,最重要的不仅是循环回用,而是尽可能不出垃圾,尽可能长期使用,最终使废物发生源受到抑制.聚乳酸具有生物降解陛
9、功能,同时具有长期耐久性.在PLA废弃物处理过程中,要求以尽量快的速度降解,在发酵热达60以上的堆肥中,在高温,高湿,碱性条件下,如满足初期水解条件,同时又有担当后期生物降解的多种微生物存在下,PLA比其他生物降解性纤维(棉,毛)降解速度快,在28d内便发生形状破坏而降解.聚乳酸的降解产物是乳酸,乳酸是人体内存在的天然有机化合物,安全性好.3.2抗菌性聚乳酸纤维于7,y夕用金黄色葡萄球菌进行抗菌防臭试验,结果是抑菌活性值远在合格值2.2以上,并显示灭菌活性.洗涤10次后,即使和一半棉等其他纤维混和,也能保持抗菌活性.聚乳酸对大肠杆菌及绿浓菌等革兰氏阴性杆菌的抗菌作用也已得到确认.PLA的抑菌作
10、用估计是由于含有微量乳酸或低聚物的缘故,材料中的微量乳酸部分渗出到材料表面,使材料表面保持与人的肌肤相同的弱酸性,防止细菌和真菌等微生物附着和增殖.一般说来,生物降解性塑料比通常的塑料较易附着和生长细菌及真菌等微生物,但聚乳酸是例外,因此作为生活卫生材料,食品,医疗材料或农林园艺材料,聚乳酸是合适的.3.3阻燃性聚乳酸纤维及其纺粘布的极限氧指数(LOI值)为23-24(聚酯纤维2021),聚乳酸纺粘布甚至接近芳香族聚酰胺纤维,为2830,具有优良的阻燃性能.根据美国ASTME1354联邦汽车安全规章FMVSS302的燃烧试验(水平法)测得,聚乳酸纤维着火后自灭性好,燃烧时产生的气体量也比聚酯纤
11、维少,这是聚乳酸纤维及其纺粘布的固有特性.聚乳酸纤维于7,夕已取得日本阻燃协会合成纤维SFC2008No.749国外化纤技术Newology的阻燃产品的认定.3.4耐光,耐气候性聚乳酸是脂肪族聚酯,耐紫外线及高能辐射不强,但于7,夕比聚酯中PET纤维的耐光性及耐气候性好.聚乳酸纺粘布的实际屋外暴露试验已确认,其作为农林,园艺,土木建筑材料具备在屋外使用所必须的条件.对于射线那样高能辐射,会引起PLA不同程度的降解,医疗用品等在灭菌时应加以注意.照射量在25kGry以下,材料表面发生部分交联反应,具有疏水性倾向,但机械强度降低较微,但达到100kGry时,PLA分子链发生断裂,机械强度显着降低.
12、4今后的技术课题以下是聚乳酸纤维的主要技术课题及其解决的对策.4.1立体络合物纤维和提高耐热性乳酸存在L和D光学异构体,聚L一乳酸(PLLA现商业生产,有极少量D一乳酸无规共聚于其中),在适当条件下混入聚D一乳酸(PDLA,现在尚未商业生产),由于它们间强的相互作用,会生成成对的立体络合(sc)结晶.聚L一,D一乳酸的单独均聚物的熔点约为180oC,而立体络合物的熔点升高到约230.为提高聚乳酸纤维物及非织造布)的高温成形加工性及熨烫性,有关方面正在考虑使用立体络合聚乳酸纤维的可能性.单纯PLLA/PDLA共混物熔融纺未拉伸丝中未生成立体络合物结晶,经拉伸及热处理后便出现了.目前正在研究拉伸及
13、热处理条件与形成高次结构的关系.研究发现,只有sc结晶的scPLA纤维才有一定的生产性,品质性能及低成本工业生产的可能性.聚乳酸纤维织物的耐熨烫.1生问题潞硬化),不只是熔点问题,与热收缩率等也有关系.聚乳酸有适合其化学结构的纺丝加工条件,织造染整加工条件,同样有最适合的熨烫条件.4.2提高耐久性使其成为常用合成纤维的可能性在通常的室温环境下,聚乳酸纤维进行着极慢的水解反应.现在市场上的聚乳酸,在通常环境下产品寿命只有35年,不适用作510年耐用消费品,因此要求开发新技术,以赋予聚乳酸长期耐久性.1995年以前的聚乳酸,即使在通常的室温环境下也会水解,产品寿命只有几个月.其原因在于聚合物中残留
14、的交酯百分含量高,乳酸的环状二聚体即使在室温环境下也易水解,生成羧端基,起到促进聚乳酸水解反应的催化剂作用.1995年以后进行了技术开发,制造出残留交酯量低于0.2%以下的高纯度聚乳酸,开发出了有35年制品寿命的第一代聚乳酸,具备了作为通用塑料的潜在可能性.2002年以来,作者在第一代聚乳酸的基础上成功开发出510年制品寿命的第二代聚乳酸,找到了PLA作为通用塑料的可能性.同样,对于聚乳酸纤维,赋予长期耐久性的基础技术也已确立.5结语聚乳酸纤维不是以石油为原料的合成纤维,而是用玉米等可再生的植物资源制成的合成纤维,是人和环境和谐型纤维材料.考虑到石油价格上涨及石油资源枯竭,聚乳酸纤维必将在21世纪得到发展.今后聚乳酸纤维能否继尼龙及涤纶而成为主要纤维材料,需要进一步改进技术及开拓用途,同时降低生产成本.刘庭辅摘译,山田校纤维学会志,2006,62(11):32350合成纤维SFC2008No.7
