CN105220264B - 一种改性聚乳酸纤维及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种改性聚乳酸纤维及其制备方法。该纤维的质量百分比组成为：聚乳酸70‑98%，树脂1‑15%和改性剂1‑15%；聚乳酸的重均分子量为7‑20万；树脂为聚对苯二甲酸丙二醇酯或/和聚羟基脂肪酸酯；聚羟基脂肪酸酯为聚羟基丁酸酯、聚羟基丁酸戊酸共聚酯、3‑羟基丁酸与3‑羟基己酸的共聚酯、聚羟基己酸酯和聚羟基辛酸酯中的一种或两种，聚羟基脂肪酸酯重均分子量为1～5万，熔融指数为20～50；改性剂选自聚己二酸二乙二醇醚酯、邻苯二甲酸二异壬酯、磷酸‑2‑乙基己酯二苯酯、磷酸甲苯二苯酯、磷酸三（2‑氯代乙）酯和乙二酸二辛酯中的一种或两种；该纤维的强度≥1.5cN/dtex；断裂伸长率≥40%。

Description

一种改性聚乳酸纤维及其制备方法

技术领域

本发明涉及高分子材料领域，具体为一种改性聚乳酸纤维及其制备方法。

背景技术

由于石油资源的日益减少以及石油基高分子材料带来的“白色污染”，导致各国开始在发展生物可降解聚合物材料投入越来越多的关注，尤其是发展来源可再生的生物可降解聚合物材料。聚乳酸是一种以农作物为初始原料，经过发酵、缩聚而成的新型完全可降解的生物高分子材料，具有生物相容性好、无毒、无刺激、完全可降解等优点，是当前最具有前途的可生物降解高分子材料之一。

聚乳酸材料虽有众多优点，但聚乳酸材料也有一定不足，例如聚乳酸纤维的生产存在很多难点，由于聚乳酸分子含有氢键、分子量分布比较宽等特点，从而导致其具有硬而脆的不足，流动性和拉伸性也不理想，用于生产纤维时工艺条件苛刻，得到的纤维性能不稳定，断丝情况严重。为了解决以上问题人们对聚乳酸进行了改性并申请了众多专利，例如CN102046861 A公开一种聚乳酸纤维，通过在聚乳酸中加入2－25wt％增塑剂和1－20wt％的增容剂，将挤出的热塑性组合物随机沉积到表面上以形成无纺纤网；CN 103069059公开一种韧化的聚乳酸纤维，通过加入添加剂聚烯烃、聚氨酯、聚乙烯醇、聚酰胺、聚苯乙烯等，提高聚乳酸的柔韧性，制备无纺纤网；CN 103069058 A公开一种改性的聚乳酸纤维，将聚乳酸与聚环氧化物改性剂熔融共混形成热塑性组合物，其中所述熔融共混在所述聚乳酸的熔点以上以及大约230℃以下温度下进行，在235℃至300℃温度下挤出，制备无纺纤网。

增塑剂及增容剂是分子量比较低的化合物，大量添加增塑剂和增容剂会增加聚乳酸的流动性，但也会影响熔体强度以及纤维的拉伸和强度。在聚乳酸中添加聚烯烃、聚酰胺或聚苯乙烯等聚合物，由于其本身很难降解，因此必然会影响聚乳酸纤维的降解性能，并且容易与聚乳酸产生相分离。在250℃至300℃温度下挤出，会导致聚乳酸的热降解，严重影响其纤维的强度。

发明内容

针对现有技术的不足，本发明要解决的技术问题是，提供一种改性聚乳酸纤维及其制备方法。本发明目的在于克服现有技术的缺点与不足，增加聚乳酸的流动性，从而生产出力学性能优异的改性聚乳酸纤维。

本发明解决所述纤维技术问题的技术方案是：设计一种改性聚乳酸纤维，该纤维的质量百分比组成为：聚乳酸70-98％，树脂1-15％和改性剂1-15％；所述聚乳酸的重均分子量为7-20万；所述树脂为聚对苯二甲酸丙二醇酯或/和聚羟基脂肪酸酯；所述聚羟基脂肪酸酯为聚羟基丁酸酯、聚羟基丁酸戊酸共聚酯、3-羟基丁酸与3-羟基己酸的共聚酯、聚羟基己酸酯和聚羟基辛酸酯中的一种或两种，所述聚羟基脂肪酸酯重均分子量为1万～5万，熔融指数为20～50；所述改性剂选自聚己二酸二乙二醇醚酯、邻苯二甲酸二异壬酯、磷酸-2-乙基己酯二苯酯、磷酸甲苯二苯酯、磷酸三(2-氯代乙)酯和乙二酸二辛酯中的一种或两种；

该纤维的聚乳酸颗粒熔融指数为25-55g/min；纤维强度≥1.5cN/dtex；纤维断裂伸长率≥40％。

本发明解决所述制备方法技术问题的技术方案是：设计一种改性聚乳酸纤维的制备方法，该制备方法采用本发明所述改性聚乳酸纤维质量百分比组成和如下工艺：

(1)先将所述聚乳酸置于65～90℃的烘箱中，烘干4～6h，充分除去聚乳酸中的水分；

(2)再将干燥后的聚乳酸、树脂和增塑剂混合均匀，然后用双螺杆机在170～225℃，主螺杆转速为50～200rpm，料筒喂料速度为5～15rpm，压力为5～12MPa条件下，熔融共混，冷却造粒，得到改性聚乳酸颗粒；

(3)然后将得到的聚乳酸颗粒置于70～100℃下，真空干燥5～10h后，用熔融纺丝机在180～240℃温度，螺杆转速15～40rpm，压力为15～50MPa下纺丝，卷绕速度为1500～2000r/min，卷绕丝经两倍拉伸后，即制成改性聚乳酸纤维。

与现有技术相比，本发明改性聚乳酸纤维及其制备方法通过加入力学性能良好的可降解树脂，并且树脂与聚乳酸有很好的相容性，提高了改性聚乳酸纤维的使用性能。本发明通过采用易于得到、价格低廉的改性剂，使聚乳酸分子规则排列和减少聚乳酸分子链中的氢键，进一步增强了树脂与聚乳酸的相容性，使得改性聚乳酸的流动性有很大程度的提高，因此所制备的纤维具有较好的力学性能和全生物降解性能，而且克服了聚乳酸纤维生产加工中的困难和不足，具有制造成本低，生产工艺简单、成本低廉，易于实现工业化生产等特点。

具体实施方式

下面结合实施例进一步叙述本发明：

本发明设计的改性聚乳酸纤维(简称纤维)，其质量百分比组成为：聚乳酸70-98％，树脂1-15％和改性剂1-15％；所述聚乳酸的重均分子量为7-20万；所述树脂为聚对苯二甲酸丙二醇酯或/和聚羟基脂肪酸酯；所述聚羟基脂肪酸酯为聚羟基丁酸酯、聚羟基丁酸戊酸共聚酯、3-羟基丁酸与3-羟基己酸的共聚酯、聚羟基己酸酯和聚羟基辛酸酯中的一种或两种，所述聚羟基脂肪酸酯重均分子量为1万～5万，熔融指数为20～50；所述改性剂选自聚己二酸二乙二醇醚酯、邻苯二甲酸二异壬酯、磷酸-2-乙基己酯二苯酯、磷酸甲苯二苯酯、磷酸三(2-氯代乙)酯和乙二酸二辛酯中的一种或两种；

该纤维的聚乳酸颗粒熔融指数为25-55g/min；纤维强度≥1.5cN/dtex；纤维断裂伸长率≥40％。

本发明同时设计了本发明纤维的制备方法，该制备方法采用本发明所述改性聚乳酸纤维质量百分比组成和如下工艺：

(1)先将所述聚乳酸置于65～90℃的烘箱中，烘干4～6h，充分除去聚乳酸中的水分；所述聚乳酸在混合前置于65～90℃烘箱中4～6h，可以充分除去聚乳酸中的水分。当烘箱温度低于65℃或者干燥时间小于4h时，聚乳中的水分不会完全除去，高温加工时残留的水分会导致聚乳酸降解；由于聚乳酸在65～90℃烘箱中4～6h后已经达到恒重，当烘箱温度高于90℃或者干燥时间大于6h时，会造成时间以及电能的浪费，不宜采用。。

(2)再将干燥后的聚乳酸、树脂和增塑剂混合均匀，然后用双螺杆机在170～225℃，主螺杆转速为50～200rpm，料筒喂料速度为5～15rpm，压力为5～12MPa条件下，熔融共混，冷却造粒，得到改性聚乳酸颗粒；

(3)然后将得到的聚乳酸颗粒置于70～100℃下，真空干燥5～10h后，用熔融纺丝机在180～240℃温度，螺杆转速15～40rpm，压力为15～50MPa下纺丝，卷绕速度为1500～2000r/min，卷绕丝经两倍拉伸后，即制成改性聚乳酸纤维。

本发明聚乳酸纤维具有纺丝容易、单丝断裂伸长率大、价格较低廉、环境友好，可全生物降解等优点，有望在日常生活中取代石油基材料，并得到广泛的应用。

本发明未述及之处适用于现有技术。

下面给出本发明的几个具体实施例，这些实施例仅是对发明的举例说明，并不构成对本发明权利要求保护范围的限制。

实施例1

将聚乳酸、树脂分别在65℃下烘干6小时；取分子量7万、总质量的98％(按质量百分比计，下同)的聚乳酸、分子量5万、熔融指数20的聚羟基丁酸酯1％和聚己二酸二乙二醇醚酯1％，混合均匀，将混合料加入双螺杆造粒机中，双螺杆造粒机各区的设定温度及加工条件为：一区130℃，二区140℃，三区150℃，四区170℃，五区165℃，机头170℃，主螺杆转速为120rpm，料筒喂料速度为6rpm，压力为10MPa，经熔融共混，挤出造粒得到改性聚乳酸颗粒，经检测，本实施例制备的改性聚乳酸颗粒的熔融指数为25.3(g/10min)。

将得到的改性聚乳酸颗粒置于70℃真空烘干10小时后，在纺丝机中纺成卷绕丝。熔融纺丝机各区的设定温度及加工条件为：一区170℃，二区180℃，三区180℃，机头180℃，主螺杆转速为20rpm，压力为15MPa，初丝卷绕速度为1500r/min，卷绕丝经两倍拉伸，即制成本发明所述的改性聚乳酸纤维。

经检测，本实施例制成的纤维断裂强度为1.84(cN/dtex)，断裂伸长率为63(％)。

实施例2

将聚乳酸、树脂分别在75℃烘干5小时；取分子量9万、总质量的88％的聚乳酸、分子量3万、熔融指数30的聚羟基丁酸戊酸共聚酯3％和聚己二酸二乙二醇醚酯9％，混合均匀，将混料加入双螺杆造粒机中；双螺杆造粒机各区设定温度及加工条件为：一区135℃，二区160℃，三区170℃，四区180℃，五区185℃，机头185℃，主螺杆转速为90rpm，料筒喂料速度为5rpm，压力为9MPa，经熔融共混，挤出造粒得到改性聚乳酸颗粒。经检测，所制备的改性聚乳酸颗粒的熔融指数为41.5(g/10min)。

将得到的改性聚乳酸颗粒在80℃真空烘干9小时后，在纺丝机中纺成卷绕丝。熔融纺丝机各区设定温度及加工条件为：一区185℃，二区205℃，三区210℃，机头210℃，主螺杆转速为37rpm，压力为19MPa，初丝卷绕速度为2000r/min，卷绕丝经两倍拉伸，即制成本发明所述的改性聚乳酸纤维。

经检测，本实施例所制备的纤维断裂强度为2.14(cN/dtex)，断裂伸长率为57(％)。

实施例3

将聚乳酸、树脂分别在90℃烘干4小时；取分子量20万、总质量的87％的聚乳酸、聚对苯二甲酸丙二醇酯5％和己二酸二辛酯8％混合均匀，将混料加入双螺杆造粒机中，双螺杆造粒机各区设定温度及加工条件为：一区190℃，二区210℃，三区220℃，四区225℃，五区220℃，机头225℃，主螺杆转速为60rpm，料筒喂料速度为6rpm，压力为10MPa，经熔融共混，挤出造粒得到改性聚乳酸颗粒。经检测，所制备的改性聚乳酸颗粒的熔融指数为33.1(g/10min)。

将得到的改性聚乳酸颗粒在100℃真空烘干5小时后，在纺丝机中纺成卷绕丝。熔融纺丝机各区设定温度及加工条件为：一区215℃，二区235℃，三区235℃，机头240℃，主螺杆转速为40rpm，压力为50MPa，初丝卷绕速度为1900r/min，卷绕丝经两倍拉伸，即制成本发明所述的改性聚乳酸纤维。

经检测，本实施例制备的纤维断裂强度为4.12(cN/dtex)，断裂伸长率为59.1(％)。

实施例4

将聚乳酸、树脂分别在85℃烘干4小时；取分子量14万、总质量的91％、的聚乳酸、分子量2万、熔融指数40的3-羟基丁酸与3-羟基己酸的共聚酯2％、分子量3万、熔融指数30的聚羟基丁酸戊酸共聚酯1％、磷酸-2-乙基己酯二苯酯6％和磷酸甲苯二苯酯1％，混合均匀，将混料加入双螺杆造粒机中，双螺杆造粒机各区设定温度及加工条件为：一区150℃，二区160℃，三区170℃，四区190℃，五区185℃，机头190℃，主螺杆转速为50rpm，料筒喂料速度为6rpm，压力为12MPa，经熔融共混，挤出造粒得到改性聚乳酸颗粒，经检测，所制备的改性聚乳酸颗粒的熔融指数为40.8(g/10min)。

将得到的改性聚乳酸颗粒在90℃真空烘干8小时后，在纺丝机中纺成卷绕丝。熔融纺丝机各区设定温度及加工条件为：一区180℃，二区220℃，三区215℃，机头220℃，主螺杆转速为25rpm，压力为25MPa，初丝卷绕速度为1500r/min，卷绕丝经两倍拉伸，即制成本发明所述的改性聚乳酸纤维。

经检测，本实施例制备的纤维断裂强度为3.38(cN/dtex)，断裂伸长率为64.8(％)。

实施例5

将聚乳酸、树脂分别在80℃烘干5小时；取分子量16万、总质量的86％的聚乳酸、分子量3万、熔融指数30的聚羟基丁酸戊酸共聚酯7％、聚对苯二甲酸丙二醇酯2％、聚己二酸二乙二醇醚酯3.5％和磷酸三(2-氯代乙)酯1.5％，混合均匀，将混料加入双螺杆造粒机中，双螺杆造粒机各区的设定温度及加工条件为：一区190℃，二区210℃，三区220℃，四区225℃，五区220℃，机头225℃，主螺杆转速为150rpm，料筒喂料速度为6rpm，压力为11MPa，经熔融共混，挤出造粒得到改性聚乳酸颗粒。经检测，所制备的改性聚乳酸颗粒的熔融指数为32.9(g/10min)。

将得到的改性聚乳酸颗粒在90℃真空烘干7小时后，在纺丝机中纺成卷绕丝。熔融纺丝机各区设定温度及加工条件为：一区210℃，二区235℃，三区230℃，机头235℃，主螺杆转速为35rpm，压力为40MPa，初丝卷绕速度为2000r/min，卷绕丝经两倍拉伸，即制成本发明所述的改性聚乳酸纤维。

经检测，本实施例所制备的纤维断裂强度为3.39(cN/dtex)，断裂伸长率为71.9(％)。

实施例6

将聚乳酸、树脂分别在75℃烘干5小时；取分子量17万、总质量的78％的聚乳酸、分子量3万、熔融指数30的聚羟基己酸酯8％、分子量1万、熔融指数50的聚羟基辛酸酯3％和邻苯二甲酸二异壬酯11％，混合均匀，将混料加入双螺杆造粒机中，双螺杆造粒机各区设定温度及加工条件为：一区170℃，二区180℃，三区200℃，四区210℃，五区205℃，机头210℃，主螺杆转速为60rpm，料筒喂料速度为6rpm，压力为10MPa，经熔融共混，挤出造粒得到改性聚乳酸颗粒。经检测，所制备的改性聚乳酸颗粒的熔融指数为39.9(g/10min)。

将得到的改性聚乳酸颗粒在80℃真空烘干9小时后，在纺丝机中纺成卷绕丝。熔融纺丝机各区的设定温度及加工条件为：一区210℃，二区230℃，三区225℃，机头230℃，主螺杆转速为30rpm，压力为35MPa，初丝卷绕速度为1600r/min，卷绕丝经两倍拉伸，即制成本发明所述的改性聚乳酸纤维。

经检测，本实施例所制备的纤维断裂强度为3.88(cN/dtex)，断裂伸长率为73.4(％)。

实施例7

将聚乳酸、树脂分别在85℃烘干4小时；取分子量14万、总质量的70％的聚乳酸、分子量2万、熔融指数40的3-羟基丁酸与3-羟基己酸的共聚酯12％、分子量1万、熔融指数50的聚羟基辛酸酯1％、聚对苯二甲酸丙二醇酯2％、磷酸-2-乙基己酯二苯酯13％和磷酸甲苯二苯酯2％混合均匀，将混料加入双螺杆造粒机中，双螺杆造粒机各区的设定温度及加工条件为：一区190℃，二区200℃，三区210℃，四区225℃，五区220℃，机头225℃，主螺杆转速为60rpm，料筒喂料速度为6rpm，压力为10MPa，经熔融共混，挤出造粒得到改性聚乳酸颗粒。经检测，制备的改性聚乳酸颗粒的熔融指数为55.5(g/10min)。

将得到的改性聚乳酸颗粒在90℃真空烘干7小时后，在纺丝机中纺成卷绕丝。熔融纺丝机各区的设定温度及加工条件为：一区215℃，二区235℃，三区230℃，机头235℃，主螺杆转速为27rpm，压力为30MPa，初丝卷绕速度为1500r/min，卷绕丝经两倍拉伸，即制成本发明所述的改性聚乳酸纤维。

经检测，本实施例所制备的纤维断裂强度为2.37(cN/dtex)，断裂伸长率为49.3(％)。

Claims (3)

1.一种改性聚乳酸纤维，该纤维的质量百分比组成为：聚乳酸70-98％，树脂1-15％和改性剂1-15％；所述聚乳酸的重均分子量为7-20万；所述树脂为聚对苯二甲酸丙二醇酯；所述改性剂选自邻苯二甲酸二异壬酯、磷酸-2-乙基己酯二苯酯、磷酸甲苯二苯酯、磷酸三(2-氯代乙)酯和乙二酸二辛酯中的一种或两种；

该纤维的聚乳酸颗粒熔融指数为25-55g/min；纤维强度≥1.5cN/dtex；纤维断裂伸长率≥40％。

2.根据权利要求1所述的改性聚乳酸纤维，其特征在于该树脂的质量百分比组成还有聚羟基脂肪酸酯，且聚羟基脂肪酸酯与所述聚对苯二甲酸丙二醇酯的质量百分占比之和为1-15％，所述聚羟基脂肪酸酯为聚羟基丁酸酯、聚羟基丁酸戊酸共聚酯、3-羟基丁酸与3-羟基己酸的共聚酯、聚羟基己酸酯和聚羟基辛酸酯中的一种或两种，所述聚羟基脂肪酸酯重均分子量为1万～5万，熔融指数为20～50g/10min。

3.一种改性聚乳酸纤维的制备方法，该制备方法采用权利要求1所述改性聚乳酸纤维的质量百分比组成和如下制备工艺：

(1)先将所述聚乳酸置于65～90℃的烘箱中，烘干4～6h，充分除去聚乳酸中的水分；

(2)再将干燥后的聚乳酸、树脂和改性剂混合均匀，然后用双螺杆机在170～225℃，主螺杆转速为50～200rpm，料筒喂料速度为5～15rpm，压力为5～12MPa条件下，熔融共混，冷却造粒，得到改性聚乳酸颗粒；

(3)然后将得到的聚乳酸颗粒置于70～100℃下，真空干燥5～10h后，用熔融纺丝机在180～240℃温度，螺杆转速15～40rpm，压力为15～50MPa下纺丝，卷绕速度为1500～2000r/min，卷绕丝经两倍拉伸后，即制成改性聚乳酸纤维。