CN112011852B - 一种立构聚乳酸/聚三亚甲基碳酸酯生物质复合纤维 - Google Patents
一种立构聚乳酸/聚三亚甲基碳酸酯生物质复合纤维 Download PDFInfo
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Abstract
本发明公开了一种立构聚乳酸（sc‑PLA）/聚三亚甲基碳酸酯（PTMC）生物质复合纤维及其制备方法，该sc‑PLA/PTMC生物质复合纤维为sc‑PLA和PTMC共混熔融纺丝所得，用差示扫描量热仪进行测定时熔融峰温度为200℃以上，用XRD测定结晶衍射峰2θ=12°、16°、21°、24°，结晶度为20~70%。本发明制备的sc‑PLA/PTMC生物质复合纤维熔融温度、断裂强度、断裂伸长率，均远高于普通PLA纤维；该生物质复合纤维在130℃，pH 5的溶液中水解1h后拉伸强度保持率为65%~96%，远高于普通PLA纤维。该复合纤维加工方法工艺简单，易于加工，产品性能优异，具有广阔的应用前景。
Description
技术领域
本发明属于复合纤维技术领域，具体涉及一种立构聚乳酸/聚三亚甲基碳酸酯生物质复合纤维。
背景技术
中国是一个纺织大国，每年都需要大量的纤维原料。2017年全球纤维消费量为1.03亿吨，其中合成纤维约占70%。传统石油化工技术及产品的副作用和目前合成纤维主要以石油资源为原料。随着全球石油资源的日益匮乏和生态环境的日益恶化，不可持续性日趋显著，合成纤维的发展受到越来越多的制约。大力发展生物质纤维可有效扩大纺织原料来源，弥补国内纺织资源的不足，同时也是应对石油资源日趋枯竭、实现纺织工业可持续发展的重要手段。
聚乳酸（PLA）纤维是一种典型的生物质合成纤维。该纤维具有优异的力学性能，在织物与非织造领域均具有较大的市场发展潜力。PLA纤维工业化生产已将近20年，但其并没有如预期的那样，在纺织工业上得到广泛的应用。PLA纤维不仅原料来源于生物质，而且可完全生物降解，但是PLA纤维耐热性和韧性差。通过左旋聚乳酸（PLLA）和右旋聚乳酸（PDLA）共混熔融纺丝可制备立构聚乳酸（sc-PLA）纤维，该纤维具有显著改善的耐热性能，但仍具有较差的韧性。
聚三亚甲基碳酸酯（PTMC）是一类无毒、具有良好生物相容性和生物可降解性的高分子材料。其分子链柔顺性好，链段运动能力较强，可用于高分子材料的增韧改性。
若能利用PTMC和sc-PLA复合，使二者优势互补，开发出应用性能优异且可生物降解的新型纤维，对纺织工业的可持续发展具有重要的意义。
发明内容
本发明目的在于提供一种立构聚乳酸（sc-PLA）/聚三亚甲基碳酸酯（PTMC）生物质复合纤维及其制备方法，以改善sc-PLA纤维的韧性，为纺织工业提供一种新型的纤维原料。
为了实现上述发明目的，本发明采用以下技术方案：
一种立构聚乳酸/聚三亚甲基碳酸酯生物质复合纤维，由立构聚乳酸和聚三亚甲基碳酸酯经共混熔融纺丝得到；
该复合纤维用差示扫描量热仪进行测定时熔融温度为180~230℃，在X-射线粉末衍射光谱中特征衍射峰为2θ=12°、16°、21°、24°，结晶度为20~70%。
进一步地，所述复合纤维用差示扫描量热仪进行测定时熔融温度为210~230℃。
进一步地，所述复合纤维的结晶度为30~60%。
进一步地，所述复合纤维的断裂强度为2~8cN/dtex，断裂伸长率为10%~65%。
进一步地，所述复合纤维的断裂强度为2.5~6.5cN/dtex，断裂伸长率为15%~50%。
进一步地，所述立构聚乳酸为左旋聚乳酸和右旋聚乳酸的共混物，重均分子量为5万~80万，熔融温度为180℃~230℃。
进一步地，所述聚三亚甲基碳酸酯的重均分子量为2万~60万。
进一步地，所述复合纤维在130℃，pH 5的溶液中水解1h后，拉伸强度保持率为65%~96%。
进一步地，所述复合纤维在受控堆肥条件下，生物降解率为70%~100%。
上述复合纤维的制备方法，包括以下步骤：
步骤1，共混造粒：将立构聚乳酸、聚三亚甲基碳酸酯和增容剂熔融共混，然后挤出造粒，得到共混物；
所述的立构聚乳酸和聚三亚甲基碳酸酯的质量比为50:50~99:1；
共混温度为230~270℃，共混时间为0~60min；
所述的增容剂为柠檬酸酯、钛酸酯、马来酸酐、聚乙二醇和聚己内脂中的一种或几种的混合物，用量为立构聚乳酸和聚三亚甲基碳酸酯总质量的0~20wt.%；
步骤2，熔融纺丝：将共混物注入挤出机熔融挤出，收集得到初生纤维，螺杆区温度为230℃~270℃，喷丝板温度为230℃~260℃，纺丝速度为200~1800m/min;
步骤3，牵伸：将初生纤维在100℃~170℃下牵伸2~10倍；
步骤4，热处理：将牵伸后的纤维在170~230℃，张力为0.3~0.6cN/dtex下保持0~100 min，进行热处理，获得复合纤维。
术语“张力”的定义如下：物体受到拉力作用时，存在于其内部而垂直于两邻部分接触面上的相互牵引力；
将所述的sc-PLA/PTMC生物质复合纤维采用本领域公知的方法进行机织、针织或者非织造，即可获得其他形态的sc-PLA/PTMC生物质复合织物，可用于服装、家纺产品、妇幼卫生用品和工业无纺布等.
本发明使用高韧性的PTMC，与sc-PLA熔融共混纺丝制备生物质复合纤维，工艺简单，适合大规模生产。所述的sc-PLA/PTMC生物质复合纤维熔融温度高于200℃，耐热性优良。该产品在130℃，pH 5的溶液中水解1h后拉伸强度保持率为65%~96%，耐水解性优良。此外，在受控堆肥条件下，生物降解率为80%~100%，生物降解性能优良。
本发明方法制备的sc-PLA/PTMC生物质复合纤维熔融温度在200℃以上，远高于普通PLA纤维（160~175℃）。该生物质复合纤维的断裂强度为2~8cN/dtex，断裂伸长率为10%~65%，远高于普通PLA纤维。该生物质复合纤维在130℃，pH 5的溶液中水解1h后拉伸强度保持率为65%~96%，远高于普通PLA纤维。
附图说明
图1为实施例1的差示扫描量热仪测得的结果。
图2为实施例2的差示扫描量热仪测得的结果。
图3为实施例3的差示扫描量热仪测得的结果。
具体实施方式
下面结合实施例对本发明的技术方案及效果作进一步的描述。这些实施例仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围。
实施例1
（1）将重均分子量为30万的sc-PLA和PTMC进行干燥；
取干燥后的sc-PLA和PTMC各50g，将sc-PLA和PTMC注入双螺杆挤出机内熔融共混，挤出造粒得到sc-PLA/PTMC共混物；
其中：共混温度为240℃，共混时间10min；
（2）将sc-PLA/PTMC混合物注入挤出机熔融挤出，收集得到初生纤维，螺杆区温度为250℃，喷丝板温度为240℃，纺丝速度为600m/min；
（3）将初生纤维在120℃下牵伸5倍；
（4）将牵伸后的sc-PLA/PTMC纤维在190℃，张力为0.3cN/dtex下保持40 min，进行热处理，获得所述的sc-PLA/PTMC生物质复合纤维；
用差示扫描量热仪测得该纤维只在222℃附近出现一个熔融峰，见图1。
该sc-PLA/PTMC生物质复合纤维的熔点为222℃，断裂强度为3.2cN/dtex，断裂伸长率为29%，在130℃，pH 5的溶液中水解1h后拉伸强度保持率为90%。
实施例2
（1）将重均分子量为30万的sc-PLA和PTMC进行干燥；
取干燥后的sc-PLA 80g和PTMC 20g，将sc-PLA和PTMC注入双螺杆挤出机内熔融共混，挤出造粒得到sc-PLA/PTMC共混物；
其中：共混温度为250℃，共混时间6min；
（2）将sc-PLA/PTMC混合物注入挤出机熔融挤出，收集得到初生纤维，螺杆区温度为240℃，喷丝板温度为240℃，纺丝速度为800m/min;
（3）将初生纤维在140℃下牵伸6倍；
（4）将牵伸后的sc-PLA/PTMC纤维在200℃，张力为0.3cN/dtex下保持20 min，进行热处理，获得所述的sc-PLA/PTMC生物质复合纤维；
用差示扫描量热仪测得该纤维只在227℃附近出现一个熔融峰，见图2。
该sc-PLA/PTMC生物质复合纤维的熔点为227℃，断裂强度为4.5cN/dtex，断裂伸长率为25%，在130℃，pH 5的溶液中水解1h后拉伸强度保持率为92%。
实施例3
（1）将重均分子量为20万的sc-PLA和PTMC进行干燥；
取干燥后的sc-PLA 90g、PTMC 10g和柠檬酸三丁酯5g，将sc-PLA和PTMC注入双螺杆挤出机内熔融共混，挤出造粒得到sc-PLA/PTMC共混物；
其中：共混温度为250℃，共混时间8min；
（2）将sc-PLA/PTMC混合物注入挤出机熔融挤出，收集得到初生纤维，螺杆区温度为260℃，喷丝板温度为250℃，纺丝速度为1000m/min;
（3）将初生纤维在130℃下牵伸4倍；
（4）将牵伸后的sc-PLA/PTMC纤维在205℃，张力为0.3cN/dtex下保持10 min，进行热处理，获得所述的sc-PLA/PTMC生物质复合纤维；
用差示扫描量热仪测得该纤维只在226℃附近出现一个熔融峰，见图3。
该sc-PLA/PTMC生物质复合纤维的熔点为226℃，断裂强度为5.0cN/dtex，断裂伸长率为18%，在130℃，pH 5的溶液中水解1h后拉伸强度保持率为94%。
比较例1
将重均分子量为30万的PLLA进行干燥；取干燥后的PLLA 100g注入挤出机内熔融，经计量泵和喷丝孔挤出，收集得到初生纤维。其中螺杆区温度为220℃，喷丝板温度为210℃，纺丝速度为800m/min。初生纤维在90℃下牵伸3.5倍。将牵伸后的PLLA纤维在110℃，张力为0.4cN/dtex下热定型20min。用差示扫描量热仪测得该纤维只在170℃附近出现一个熔融峰。
该PLLA纤维的熔点为170℃，断裂强度为2.5cN/dtex，断裂伸长率为10%，在130℃，pH 5的溶液中水解1h后拉伸强度保持率为25%。
比较例2
将sc-PLA进行干燥；取干燥后的sc-PLA 100g注入挤出机内熔融，经计量泵和喷丝孔挤出，收集得到初生纤维。其中螺杆区温度为250℃，喷丝板温度为240℃，纺丝速度为800m/min。初生纤维在150℃下牵伸4倍。将牵伸后的sc-PLA纤维在180℃，张力为0.3cN/dtex下热定型10min。用差示扫描量热仪测得该纤维只在223℃附近出现一个熔融峰。
该sc-PLA纤维的熔点为226℃，断裂强度为3.8cN/dtex，断裂伸长率为12%，在130℃，pH 5的溶液中水解1h后拉伸强度保持率为95%。
Claims (10)
1.一种立构聚乳酸/聚三亚甲基碳酸酯生物质复合纤维，其特征在于：由立构聚乳酸和聚三亚甲基碳酸酯经共混熔融纺丝得到；
该复合纤维用差示扫描量热仪进行测定时熔融温度为180~230℃，在X-射线粉末衍射光谱中特征衍射峰为2θ=12°、16°、21°、24°，结晶度为20~70%。
2.根据权利要求1所述的复合纤维，其特征在于：所述复合纤维用差示扫描量热仪进行测定时熔融温度为210~230℃。
3.根据权利要求1所述的复合纤维，其特征在于：所述复合纤维的结晶度为30~60%。
4.根据权利要求1所述的复合纤维，其特征在于：所述复合纤维的断裂强度为2~8cN/dtex，断裂伸长率为10%~65%。
5.根据权利要求4所述的复合纤维，其特征在于：所述复合纤维的断裂强度为2.5~6.5cN/dtex，断裂伸长率为15%~50%。
6.根据权利要求1所述的复合纤维，其特征在于：所述立构聚乳酸为左旋聚乳酸和右旋聚乳酸的共混物，重均分子量为5万~80万，熔融温度为180℃~230℃。
7.根据权利要求1所述的复合纤维，其特征在于：所述聚三亚甲基碳酸酯的重均分子量为2万~60万。
8.根据权利要求1至7任一项所述的复合纤维，其特征在于：所述复合纤维在130℃，pH5的溶液中水解1h后，拉伸强度保持率为65%~96%。
9.根据权利要求1至7任一项所述的复合纤维，其特征在于：所述复合纤维在受控堆肥条件下，生物降解率为70%~100%。
10.权利要求1至9任一项所述复合纤维的制备方法，其特征在于：包括以下步骤：
步骤1，共混造粒：将立构聚乳酸、聚三亚甲基碳酸酯和增容剂熔融共混，然后挤出造粒，得到共混物；
所述的立构聚乳酸和聚三亚甲基碳酸酯的质量比为50:50~99:1；
共混温度为230~270℃，共混时间为0~60min；
所述的增容剂为柠檬酸酯、钛酸酯、马来酸酐、聚乙二醇和聚己内脂中的一种或几种的混合物，用量为立构聚乳酸和聚三亚甲基碳酸酯总质量的0~20wt.%；
步骤2，熔融纺丝：将共混物注入挤出机熔融挤出，收集得到初生纤维，螺杆区温度为230℃~270℃，喷丝板温度为230℃~260℃，纺丝速度为200~1800m/min;
步骤3，牵伸：将初生纤维在100℃~170℃下牵伸2~10倍；
步骤4，热处理：将牵伸后的纤维在170~230℃，张力为0.3~0.6cN/dtex下保持0~100min，进行热处理，获得复合纤维。
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| CN109666282A (zh) * | 2019-01-15 | 2019-04-23 | 南通大学 | 一种抗菌可降解聚乳酸复合材料及其制备的一次性注射器 |
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