CN105133082A - 一种低熔点皮芯型聚乳酸复合纤维及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种低熔点皮芯型聚乳酸复合纤维及其制备方法，属于双组分复合纤维领域。所述复合纤维中，皮层为低熔点聚乳酸，芯层为纺丝级聚乳酸，皮层完全包裹芯层，皮层重量占复合纤维总重量的25-40％。本发明还提供了所述复合纤维的制备方法。通过切片干燥、双组分熔体分配纺丝和纤维冷却固化卷绕，制备得到皮芯结构的聚乳酸复合纤维原丝束，再经后处理工序生产皮芯结构聚乳酸纤维。利用皮芯结构聚乳酸复合纤维蓬松性好、弹性恢复率高的特点可进一步将其经热粘合形成非织造布，可广泛应用于一次性卫生材料和室内装饰材料，大大提高了聚乳酸纤维的附加值和市场竞争力。

Description

一种低熔点皮芯型聚乳酸复合纤维及其制备方法

技术领域

本发明涉及一种低熔点皮芯型聚乳酸复合纤维及其制备方法，属于双组分复合纤维领域。

背景技术

聚乳酸是一种可生物降解的高分子聚合物，具有良好的机械性能及物理性能，适用于挤出、注塑、拉膜、纺丝等各种加工方法。可广泛应用于医疗、卫生、药学、农业、包装业、纺织服装业、汽车装饰等领域，可大量替代传统高分子材料。其产品从工业到民用涉及塑料制品、包装食品、无纺布、工业及民用纺织面料、农用织物、保健织物、抹布、一次性高档卫生用品、室外防紫外线织物、帐篷布、地垫等等。因其原料可再生，产品可降解，作为21世纪新兴节能环保材料市场前景十分看好。

聚乳酸及其共聚物的纤维制备可采用溶液干法纺丝和熔融纺丝来实现。但溶液法纺丝的工艺较为复杂，溶剂一般有毒并且回收困难。相比之下熔法纺丝简单易操作，因此更具优势。由于低熔点聚乳酸(110-135℃)熔点低相对黏度较高，较高加工温度下极易降解，170℃下降解率达40％左右，可纺性较差，可将其与其它材料混合制备双组分纤维，低熔点聚乳酸作为对纤维强度贡献值低的组分应用。

双组分纤维可有多种复合方式，如皮芯和偏皮芯、并列和中空并列及偏中空并列、带中心橘瓣和无中心橘瓣、条纹和海岛及导电、三叶和异型及混合型等。也可以应客户要求进行专门设计，生产更多不同横截面纤维。从经济前景看,截面是最重要的。一般而言,每种类型的双组分纤维有不同的用途。一种是生产自卷曲纤维或者螺旋卷曲纤维，这种方式生产可避免机械或空气动力学手段进行卷曲加工时存在未卷曲情况，此外自卷曲纤维的回复性较好。因此自卷曲纤维可以像纤维填充材料一样使用。纤维自卷曲的理论是依据两种材料的不同热收缩性能,选用的纤维截面是并列型和偏心皮芯型，许多不同聚合物材料可组合使用。

目前双组分纤维的另一种重要用途是改善纤维的热粘合性能以适合非织造生产的需要。通过熔融较低熔点组分，使纤维粘合为非织造布。这种工业上应用的热粘合非织造布采用皮芯型纤维,其皮层材料熔点较芯层的低，常规熔点的组分作芯层、低熔点组分作皮层，可以使生产工艺简化，成本降低。

发明内容

本发明提供了一种低熔点皮芯型聚乳酸复合纤维，其中皮层为低熔点聚乳酸(COPLA)，芯层为纺丝级聚乳酸(PLA)，皮层完全包裹芯层，皮层重量占复合纤维总重量的25-40％。

其中，所述低熔点聚乳酸的熔点为110-135℃，所述低熔点聚乳酸是通过在丙交酯聚合时降低D-丙交酯的含量得到的，制备过程难度较大。纺丝级聚乳酸的熔点为155-190℃，二者熔融指数相近。

所述复合纤维的纤维纤度1.1-13.2dtex，纤维强度为1.0-3.5g/d，断裂伸长为15-55mm。

本发明还提供了所述复合纤维的制备方法，通过低熔点聚乳酸与纺丝级聚乳酸熔法纺丝制备得到，包括：

1)将低熔点聚乳酸和纺丝级聚乳酸分别进行干燥；

2)将干燥后的低熔点聚乳酸和纺丝级聚乳酸分别熔融后，经计量泵定量输入复合纺丝组件；两种纺丝熔体在复合纺丝组件中隔离的腔内分别流动，在出喷丝板时混合形成皮芯结构的聚乳酸原丝丝束；

3)对纺出的原丝丝束进行冷却成型；

4)对冷却定型后的丝束依次进行空气牵伸、水浴牵伸和热定型；

5)热定型后的丝束进入卷曲机进行卷曲、切断和打包。

进一步地，所述方法的具体步骤包括：

1)将低熔点聚乳酸和纺丝级聚乳酸分别进行干燥，至含水率低于50ppm；

2)将干燥后的低熔点聚乳酸在170-200℃熔融、过滤后，经计量泵定量输入复合纺丝组件中；同时，将纺丝级聚乳酸在200-230℃熔融、过滤后，经计量泵定量输入复合纺丝组件中；在复合纺丝组件中，二种不同熔点的组分经过分配后汇合，从喷丝板孔中挤出成形；熔融采用特殊设计的单螺杆挤出机；

3)对纺出的原丝丝束进行冷却成型；风温控制15-30℃；

4)对冷却定型后的丝束依次进行空气牵伸、水浴牵伸和热定型，其中空气牵伸的温度为10-30℃，卷绕速度为1000-1300m/min；水浴牵伸的温度为50-55℃，牵伸辊速度为110-150m/min；热定型的温度控制在95℃以下，定型辊速度为150m/min；

5)热定型后的丝束进入卷曲机进行卷曲，卷曲温度为50-55℃，优选50℃，卷曲蒸汽压力为(8-12)×10⁴Pa，优选为9.8×10⁴Pa。

根据本发明，步骤1)中，如果直接将聚乳酸湿态切片用于纺丝，切片在螺杆挤压机塑化过程中会受热发生热降解，影响可纺性和纤维强度，因此需要对其进行干燥。本发明中，采用露点在-40℃以下的干燥空气对低熔点聚乳酸切片进行干燥，干燥温度为45-55℃，干燥时间为6-8h，直至切片含水率降低至50ppm。采用露点在-40℃以下的干燥空气对纺丝级聚乳酸切片进行干燥，干燥温度为80-95℃，干燥时间为2h，再降温至45-55℃，保温6h，直至切片含水率降低至50ppm。

根据本发明，步骤1)中低熔点聚乳酸切片与纺丝级聚乳酸切片的重量比为(25-40)：(60-75)，超出这一比例，纤维结构差，后加工时纤维皮芯结构会发生破裂。

根据本发明，步骤2)中，纺丝温度的控制是生产低熔点皮芯型聚乳酸纤维的关键，应考虑皮层和芯层不同的物料特性，对两种组分所在的管道温度分别进行控制。在纺丝过程中，要求两种组分在熔融状态下的表观黏度应接近(黏度比控制在1.08)。如果两种组分表观黏度相差太大，在纺丝过程中会出现熔体向高黏度一边弯曲，严重时甚至黏附于喷丝板表面，造成纤维皮层和芯层分布不均匀。因此，设定低熔点聚乳酸熔体的管道温度为160-180℃，纺丝级聚乳酸熔体的管道温度为200-230℃，纺丝箱体温度(同时也是复合纺丝组件和喷丝板的温度)220-240℃，这样纤维皮层和芯层分布均匀，在后纺牵伸时不易发生破裂。熔融采用高长径比，高速低剪切的螺杆挤压机进行，其长径比为1:30-36，螺杆具备塑化、混合、低剪切降温等性能。二种螺杆的分区温度分别控制为190、210、210、205℃和150、170、170、165℃。

在本发明的具体实施例中，步骤2)中，所述复合纺丝组件为圆型隔板精密双组分组件，在复合纺丝组件上设有喷丝板，所述喷丝板直径≤420mm，喷丝板孔数≤5000孔，喷丝孔外形为圆形。

目前有几种设计不同纤维截面的纺丝组件的技术，包括叠板技术、销钉技术和隔板技术。在叠板技术中,两种聚合物熔体细流通过双组分纤维专用组件叠板被导入,在进入喷丝板之前形成共轭(双组分)熔体流。销钉技术是通过插入的销钉，将适量的熔体细流导入每个微孔中。隔板技术主要适用于较简单的截面，将一种组分的熔体细流从顶部导入微孔中，而另一种组份从侧面通过一个计量隔板流入微孔中。本发明中优选使用隔板技术。对每种技术而言，主要根据每种聚合物熔体细流的压力降设计喷丝板排布。除运用流体动力学程序计算聚合物流量外,可用解析式计算圆形和狭缝形孔的压力降。

在本发明的具体实施例中，步骤3)中，选用的冷却风温为18-24℃，风速为1.0-1.5m/s。为保证初生纤维冷却充分，冷却装置选用的纺丝甬道长于4.0m。原因是复合熔体细流在纺丝甬道内，经外环形或中心吹风冷却，熔体黏度逐渐增加，直至固化成形。若冷却不充分，熔体在出喷丝孔后由于皮层熔点较低，呈熔融态的初生纤维会黏连在一起。

根据本发明，步骤3)结束后通过前纺和热处理对复合纤维进行上油。其中前纺是通过转动的上油轮将油剂涂敷在复合纤维表面，以改善其可加工性。后处理采用喷嘴喷油的上油方式，应在牵伸和热定型前进行，否则会降低纤维的抱合性。对于低熔点短纤维在后续非织造布的加工工艺而言，油剂的关系重大。前纺油剂可以使用涤纶油剂，后处理油剂选用美国高尔斯顿科技公司的特种纤维油剂XL-9，上油率为0.35-0.8％。该油剂使纤维手感更滑爽，非织造布加工性能也更好。

根据本发明，步骤4)中空气牵伸作用为使丝束部分取向固化成型；接下来不采用常规聚乳酸短纤的水汽二段牵伸，而是在牵伸浴槽内进行一段水浴牵伸。然后进行下一段的紧张热定型，热定型通常在通入低压蒸汽加热的牵伸机中进行，将辊面温度控制在105℃以下，优选95℃以下，是因为温度过高会引起丝束板结。牵伸速度应低于常规短纤，如果速度过高丝束会出现拉断现象。

在本发明的具体实施例中，步骤5)中将卷曲机内热水温度控制在50℃左右，卷曲机主压在9.8×10⁴Pa左右。应避免压力过大，否则丝束在卷曲箱内摩擦太大，温度上升导致结块，影响卷曲效果。所述水浴牵伸、热定型和卷曲处理统称为后纺，后纺最大车速以150m/min为宜。

本发明以低熔点聚乳酸(熔点110-135℃)与纺丝级聚乳酸(熔点155-190℃)为原料，通过切片干燥、双组分熔体分配纺丝和纤维冷却固化卷绕，制备得到皮芯结构的聚乳酸原丝丝束，再经后处理工序生产皮芯结构聚乳酸纤维。利用皮芯结构聚乳酸复合纤维蓬松性好、弹性恢复率高的特点可进一步将其经热粘合形成非织造布，可广泛应用于手术口罩、绷带、卫生巾、尿不湿等一次性卫生材料和室内装饰材料，大大提高了聚乳酸纤维的附加值和市场竞争力。

具体实施方式

实施例1

(1)采用-40℃露点干燥机，将型号为6201D，熔融指数为22g/10min，熔点为170℃，相对粘度为3.1的纺丝级聚乳酸切片在90℃下干燥2小时，然后降温至55℃保持6小时，将水分控制在50ppm；

采用-40℃露点干燥机，将型号为6064D，熔融指数为18g/10min，熔点为130℃，相对粘度为3.2的低熔点聚乳酸切片在55℃下干燥8小时，将水分控制在50ppm。

(2)分别将干燥好的6201D和6064D切片注入不同的螺杆挤出机，控制机头温度分别为200℃和170℃，使切片熔融，得到两种熔融态的熔体，分别经熔体过滤器进入纺丝计量泵，定量进入复合纺丝组件。6201D熔体和6064D熔体经计量泵注入的重量比为60:40，两种熔体在复合纺丝组件中隔离的腔内分别流动，在出喷丝板时混合形成皮芯结构的聚乳酸原丝丝束，所述喷丝板孔数为48孔，板直径为115mm。熔体经喷丝板挤出后经牵引卷绕在卷绕机上，通过侧吹风、环形吹风或中心环吹风冷却装置控制喷丝板下冷却区域温度15-25℃，卷绕机上方的卷绕面板设有上油盘和丝束毛丝检测器。卷绕机速度设定为1000-1300米/分钟。

(3)对卷绕机上的丝束进行集束后，在牵引辊的带动下进入55℃水浴槽中进行牵伸，控制牵伸比1:4.0，设定牵伸辊的速度比。然后在牵伸机中进行下一段的热定型，牵伸机速度控制在150米/分钟，辊中通低压蒸汽，控制辊的表面温度低于110℃。经定型后的丝束在此上油后经并丝系统进入卷曲机，控制卷曲温度55℃。卷曲后的丝束经冷却后切断打包成成品。

成品纤维物理特性为：纤维纤度为3.3dtex，长度51mm，纤维强度为2.5g/d，断裂伸长为22mm，上述参数通过GB/T9997-1988测试得到。

实施例2

步骤(1)同实施例1。

(2)分别将干燥好的6201D和6064D切片注入不同的螺杆挤出机，控制机头温度分别为200℃和170℃，使切片熔融，得到两种熔融态的熔体，分别经熔体过滤器进入纺丝计量泵，定量进入复合纺丝组件，纺丝箱体温度控制为230℃。6201D熔体和6064D熔体经计量泵注入的重量比为75：25，两种熔体在复合纺丝组件中隔离的腔内分别流动，在出喷丝板时混合形成皮芯结构的聚乳酸原丝丝束，所述喷丝板孔数为36孔，板直径为120mm。熔体经喷丝板挤出后经牵引卷绕在卷绕机上，通过侧吹风、环形吹风或中心环吹风冷却装置控制喷丝板下冷却区域温度15-25℃，卷绕机上方的卷绕面板设有上油盘和丝束毛丝检测器。卷绕机速度设定为1000-1300米/分钟。

(3)对卷绕机上的丝束进行集束后，在牵引辊的带动下进入55℃水浴槽中进行牵伸，控制牵伸比1:4.2，设定牵伸辊的速度比。然后在牵伸机中进行下一段的热定型，牵伸机速度控制在140米/分钟，辊中通低压蒸汽，控制辊的表面温度低于105℃。经定型后的丝束在此上油后经并丝系统进入卷曲机，控制卷曲温度52℃。卷曲后的丝束经冷却后切断打包成成品。

成品纤维物理特性为：纤维纤度为6.67dtex，长度64mm，纤维强度为2.8g/d，断裂伸长为19mm，上述参数通过GB/T9997-1988测试得到。

应当注意的是，以上所述的实施例仅用于解释本发明，并不构成对本发明的任何限制。通过参照典型实施例对本发明进行了描述，但应当理解为其中所用的词语为描述性和解释性词汇，而不是限定性词汇。可以按规定在本发明权利要求的范围内对本发明作出修改，以及在不背离本发明的范围和精神内对本发明进行修订。尽管其中描述的本发明涉及特定的方法、材料和实施例，但是并不意味着本发明限于其中公开的特定例，相反，本发明可扩展至其他所有具有相同功能的方法和应用。

Claims (10)

1.一种低熔点皮芯型聚乳酸复合纤维，其中皮层为低熔点聚乳酸，芯层为纺丝级聚乳酸，皮层完全包裹芯层，皮层重量占复合纤维总重量的25-40％。

2.根据权利要求1所述的复合纤维，其特征在于，所述低熔点聚乳酸的熔点为110-135℃，所述纺丝级聚乳酸的熔点为155-190℃。

3.根据权利要求1或2所述的复合纤维，其特征在于，所述复合纤维的纤维纤度1.1-13.2dtex，纤维强度为1.0-3.5g/d，断裂伸长为15-55mm。

4.根据权利要求1至3中任一项所述的复合纤维的制备方法，包括：

1)将低熔点聚乳酸和纺丝级聚乳酸分别进行干燥；

2)将干燥后的低熔点聚乳酸和纺丝级聚乳酸分别熔融后，经计量泵定量输入复合纺丝组件；两种纺丝熔体在复合纺丝组件中隔离的腔内分别流动，在出喷丝板时混合形成皮芯结构的聚乳酸原丝丝束；

3)对纺出的原丝丝束进行冷却成型；

4)对冷却定型后的丝束依次进行空气牵伸、水浴牵伸和热定型；

5)热定型后的丝束进入卷曲机进行卷曲、切断和打包。

5.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，步骤1)中，采用露点在-40℃以下的干燥空气对所述低熔点聚乳酸切片进行干燥，干燥温度为45-55℃，干燥时间为6-8h，直至切片含水率降低至50ppm；和/或

采用露点在-40℃以下的干燥空气对所述纺丝级聚乳酸切片进行干燥，干燥温度为80-95℃，干燥时间为2h，再降温至45-55℃，保温6h，直至切片含水率降低至50ppm。

6.根据权利要求4或5所述的方法，其特征在于，步骤1)中，所述低熔点聚乳酸切片与纺丝级聚乳酸切片的重量比为(25-40)：(60-75)。

7.根据权利要求4至6中任一项所述的方法，其特征在于，步骤2)中，将干燥后的低熔点聚乳酸在170-200℃熔融、过滤后，经计量泵定量输入复合纺丝组件中；同时，将纺丝级聚乳酸在200-230℃熔融、过滤后，经计量泵定量输入复合纺丝组件中；

优选所述复合纺丝组件为圆型隔板精密双组分组件，在复合纺丝组件上设有喷丝板，所述喷丝板直径≤420mm，喷丝板孔数≤5000孔。

8.根据权利要求4至7中任一项所述的方法，其特征在于，步骤3)中，选用的冷却风温为15-30℃，优选18-24℃，风速为1.0-1.5m/s。

9.根据权利要求4至8中任一项所述的方法，其特征在于，步骤4)中，所述空气牵伸的温度为10-30℃，卷绕速度为1000-1300m/min；水浴牵伸的温度为50-55℃，牵伸辊速度为110-150m/min；热定型的温度控制在95℃以下，定型辊速度为150m/min；和/或

所述热定型在通入低压蒸汽加热的牵伸机中进行，将辊面温度控制在110℃以下，优选95℃以下。

10.根据权利要求4至9中任一项所述的方法，其特征在于，步骤5)中，卷曲温度为50-55℃，优选50℃，卷曲蒸汽压力为(8-12)×10⁴Pa，优选为9.8×10⁴Pa。