面料課堂|可持續發展的生態纖維——聚乳酸纖維

2020-12-25 騰訊網

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聚乳酸纖維簡介

聚乳酸纖維是以玉米、小麥、甜菜等含澱粉的農產品為原料,經發酵生成乳酸後,再經縮聚和熔融紡絲製成。聚乳酸纖維是一種原料可種植、易種植,廢棄物在自然界中可自然降解的合成纖維。它在土壤或海水中經微生物作用可分解為二氧化碳和水,燃燒時,不會散發毒氣,不會造成汙染,是一種可持續發展的生態纖維。其織物面料手感、懸垂性好,抗紫外線,具有較低的可燃性和優良的加工性能。

合成的原料

1.什麼是聚乳酸

聚乳酸(Poly lactic acid)又稱聚丙酯,簡稱PLA,屬於聚酯家族。

聚乳酸是以乳酸為主要原料聚合得到的聚合物,原料來源充分而且可以再生,主要以玉米、木薯等為原料。聚乳酸的生產過程無汙染,而且產品可以生物降解,實現在自然界中的循環,因此是理想的綠色高分子材料。

2.聚乳酸(PTA)合成方法

直接縮聚法

直接縮聚法包括溶液縮聚法和熔融縮聚法,圖1為聚乳酸直接縮聚反應式。Masanobu Ajioka 等通過溶液縮聚法製備了分子量為300000的PLA,在整個反應過程中生成的丙交酯和有機溶劑經循環後繼續參與反應,避免了聚乳酸的降解現象。日本三菱化學公司採用溶液縮合的方法實現了聚乳酸的工業化生產; Kimnra 等採用二水合氯化錫和對甲苯磺酸二元催化體系經熔融縮聚製備了分子量達500000的PLA。直接縮聚法生產工藝簡單,但由於體系中存在雜質,且乳酸縮聚反應是可逆反應,因此很難得到高分子量的 PLA。

開環聚合法

開環聚合常被用於高分子量、高立體規整度PLA的合成,1932年Carothers首次提出通過環狀二聚體丙交酯開環聚合PLA的方法,製備的PLA分子量高達70 ~100萬。圖2示出聚乳酸開環聚合化學反應式。

聚乳酸纖維成型加工

熔體紡絲將聚合物加熱熔融通過噴絲孔擠出,在空氣中冷卻固化形成纖維的紡絲方法,是至今為止聚乳酸最經濟化的紡絲方法,示意圖如下。

聚乳酸纖維的特性

1.可生物降解性

PLA纖維具有良好的可生物降解性,被廢棄後可在自然界中完全分解為CO2和H2O。二者通過光合作用,又可變成乳酸的原料——澱粉。PLA纖維如果與其它有機廢棄物一同掩埋,幾個月內便會分解,可以完全分解成CO2和H2O。

2.物理機械性能

PLA纖維的物理性能接近PET纖維 (滌綸)和PA纖維(尼龍),染色性能優於PET纖維。 具有高結晶性、高取向性、高耐熱性和高強度,同時具有較好的滑爽性、柔軟舒適、乾爽透氣和抗紫外線功能,並有良好的光澤彈性和膨鬆性。

3.安全性

由於PLA纖維具有生物相容性,且服用舒適,可安全植入體內,無毒副作用。

4.耐氣候性

PLA纖維在室外暴曬500 h後,強度可保留55 %左右。

5.吸溼性及抗起毛球性

PLA纖維織物有良好的吸溼性及抗起毛球性

6.阻燃性

限氧指數較高(LOL24-29),燃燒後自滅性好、燃燒發煙量低,有較好阻燃性;

PLA的合成降解循環圖

聚乳酸纖維的鑑別

鑑別方法採用燃燒試驗法、顯微鏡法·熔點試驗法、紅外吸收光譜法、化學溶解試驗法對聚乳酸纖維進行物理、化學性能的研究。

例如:

顯微鏡法對聚乳酸纖維進行顯微鏡觀察,其橫截面為近似圓形,縱截面纖維光滑、有明顯斑點。其橫向、縱向截面圖形見圖1、圖2。

聚乳酸纖維的缺點

1.聚乳酸中有大量的酯鍵,親水性差,降低了它與其它物質的生物相容性;

2.聚合所得產物的相對分子量分布過寬,聚乳酸本身為線型聚合物,這都使聚乳酸材料的強度往往不能滿足要求,脆性高,熱變形溫度低,抗衝擊性差

3.降解周期難以控制

4.價格太貴,乳酸價格以及聚合工藝決定了PLA的成本較高。這都促使人們對聚乳酸的改性展開深入的研究。

聚乳酸纖維的應用

總 結

PLA是21世紀快速發展的新型環保材料,從來源到最終被分解整個過程實現了可持續發展、無公害、無汙染的要求,同時可以緩解對石油資源的利用和開發,在紡織領域、生物醫學領域及其他行業有巨大的發展空間和應用前景。目前 PLA 的工業化生產和使用仍面臨成本較高、生產效率較低等問題,需要研究人員的不斷探索,一旦有所突破,PLA及其製品將會產生不可估量的經濟價值和環保意義。(來源:面料課)

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