CN108193316A - 一种原液着色聚乳酸纤维及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种原液着色聚乳酸纤维及其制备方法，所述方法包括步骤A、原液着色聚乳酸母粒的制备：将65～85wt％聚乳酸粉体、5～20wt％环保色料和10～30wt％辅料混合均匀，干燥后经螺杆挤出机挤出造粒制成原液着色聚乳酸母粒；所述辅料为聚乙烯蜡和纳米碳酸钙的混合物；B、原液着色聚乳酸纤维的制备：将5～12wt％原液着色聚乳酸母粒和88～95wt％聚乳酸切片进行纺丝和牵伸得到原液着色聚乳酸纤维。所述原液着色聚乳酸母粒中色料分散均匀，可适用纤维体系，而采用原液着色聚乳酸母粒为原料加工成原液着色聚乳酸纤维，能够从根本上克服聚乳酸抗水解能力差的缺陷，解决现有技术色母载体与聚乳酸切片不能相容的问题。

Description

一种原液着色聚乳酸纤维及其制备方法
技术领域
本发明属于纤维生产技术领域，具体涉及一种原液着色聚乳酸纤维及其制备方法。
背景技术
合成纤维聚酯、尼龙、聚丙烯、亚克力是以石油化工产品为原料合成的，其物理和化学性质稳定，但存在着使用后废弃物无法分解的问题，同时，石油是不可再生资源，伴随着石化原料的损耗，为了实现可持续发展，纺织领域需要有新的替代原料，特别是对环境友好的聚合物。聚乳酸(PLA)就是一个杰出的代表，其原料乳酸可来自于再生能源如玉米、甜菜等，PLA属于线性脂肪族热塑性聚酯，这种分子结构意味着其具有良好的生物相容性和可降解性能，在一定的温度、pH值和水分的条件下，能够分解为水和二氧化碳。美国NatureWorks公司是全球PLA纤维开发和生产的引领者，PLA纤维主要用于一次性产品，占NatureWorks公司总销量的60％～70％。其它纺织尖端公司如美国DuPont、Unifi、FiberInnovation、Parkdale、Interface、日本帝人、钟纺、可乐丽等公司也掌握了PLA开发的关键技术，并开发相关的PLA纺织品，处于PLA开发的前沿，中国目前还处于被动的模仿状况。
PLA纤维相比较来源于石油基的PET纤维，具有透湿性好、弹性回复高、燃烧热小、燃烧发烟少、耐紫外线性好、折射率低，富有光泽、织物手感好和可生物降解等突出优势。但PLA纤维还存在一些缺陷，比如线性脂肪族热塑性聚酯结构使得其抗水解能力差，因而染色和后整理工艺会对纤维产生较多不利影响，降低了服用性能。
UK Polymer Showcase 2007London College of Fashion公开了为了取消后续的染色步骤，避免潜在的水解、降解，美国DyeCatTM公司开发了合适的发色团加载到催化剂结构上，应用在PLA的聚合阶段，直接一步做成了有色PLA聚合物，并开发了黑色PLA聚酯以及通常需要高染料的负载一些难以实现的颜色。在还未掌握PLA核心关键生产技术的当前，国内尚难以实现幅度如此之大的跨越。
中国专利201710137990.7公开了一种聚乳酸纤维纺前原液着色用溶剂载体型色母，原料组成：溶剂载体40-89.5％、染料或颜料10-60％和分散剂0.5-5％。所选用聚乳酸专用溶剂载体型色母中的几类溶剂载体与聚乳酸具有良好相容性，通过在线添加，利用率提高，实际上面临诸多困难，对配色人员的技术要求高，相应的生产设备也需要进行改造，品种更换时颜料残留操作较为复杂，不是市场上主流的生产方式。中国专利201611143792.3公开了一种聚乳酸纤维纺前原液着色用色母粒，按重量份计由以下组分组成：40～95份熔点为180℃的改性PET聚酯，0～50份颜料A或染料a，0～25份颜料B或染料b，0～15份颜料C或染料c，0～10份颜料D或染料d，0.3～1.0份热稳定助剂，0～2.5份分散助剂，0～2.5份流变改性剂，在纺丝时加入色母粒，可以得到耐水性色牢度3级以上、耐光照色牢度4级以上的聚乳酸纤维。以上2篇专利研究的载体为溶剂载体、180℃的改性PET聚酯，都需要考虑与聚乳酸切片的相容性问题，试验研究过程都较为复杂繁琐。
中国专利201010611390.8公开了一种专用于聚乳酸基可降解塑料的黑色母粒及其制备方法。该专用于聚乳酸基可降解塑料的黑色母粒包括如下重量百分比的配方组分：色素碳黑20～40％、分散润滑剂15～30％、载体树脂聚乳酸40～65％，该黑色母粒是专用于聚乳酸基可降解塑料的，其所选用的色素碳黑和分散润滑剂与纤维体系使用的有极大的不同，塑料体系的色素碳黑和分散润滑剂分散性差、流动性差、流程短、熔点低，不适用于纤维体系。
发明内容
因此，针对现有技术在PLA纤维制备中，色母载体与聚乳酸存在相容性的技术问题，本发明选择聚乳酸切片作为色母的载体，提出了一种原液着色聚乳酸纤维及其制备方法，避免溶剂载体或改性PET聚酯与聚乳酸切片的相容性问题。
本发明的提供的原液着色聚乳酸纤维及其制备方法中，使用原液着色聚乳酸母粒和聚乳酸切片通过纺丝加工制备原液着色聚乳酸纤维。所述方法包括以下步骤：
A、原液着色聚乳酸母粒的制备：
将65～85wt％聚乳酸粉体、5～20wt％环保色料和10～30wt％辅料混合均匀，干燥后经螺杆挤出机挤出造粒制成原液着色聚乳酸母粒；所述的辅料为聚乙烯蜡和纳米碳酸钙的混合物；
B、原液着色聚乳酸纤维的制备：
将5～12wt％原液着色聚乳酸母粒和88～95wt％聚乳酸切片进行纺丝和牵伸得到原液着色聚乳酸纤维。
步骤A制备原液着色聚乳酸母粒时，以聚乳酸作为载体，但是聚乳酸熔体粘度高，与颜料表面的兼容性差，辅料聚乙烯蜡和纳米碳酸钙的加入可以降低载体粘度，实现聚乳酸熔体与色料的兼容，同时，辅料较易渗透到色料团聚体内部孔隙中，削弱内聚力，使色料团聚体在外加剪刀力的作用下更容易打开，新生粒子也能得到迅速的润湿和保护，从而促进原液着色母粒中色料的分散。
步骤A中，所述的聚乳酸粉体尺寸为100nm～300nm，可由聚乳酸切片经研磨制得。经试验，尺寸在100nm～300nm范围内的粉体与环保色料和辅料的相容性好，不易发生团聚，优选的，粉体尺寸为140nm～220nm。
较佳的，步骤A中，所述的环保色料选自C.I.颜料白6、C.I.颜料白、C.I.颜白18：1、12、C.I.颜料红101、C.I.颜料红49：1、C.I颜料红68、C.I颜料黄32、C.I.颜料黄16、C.I.颜料黑11、C.I.颜料黑15、C.I.溶剂黄19、C.I.颜料橙24、C.I.颜料紫3、C.I.颜料蓝10、酞菁蓝B、C.I.颜料蓝29、C.I颜料蓝17：1、C.I颜料绿8、耐晒翠绿色淀、环保炭黑FR8150和环保炭黑FR5200中的一种或两种以上混合物。
步骤A中，所述的环保色料配比优选为5～15wt％，更优选8～12wt％。
步骤A中，所述的辅料为40～60wt％聚乙烯蜡和40～60wt％纳米碳酸钙的混合物。
步骤A中，挤出造粒具体指：聚乳酸切片粉体、环保色料和辅料混合均匀后经干燥，并经螺杆挤出机挤压熔融、挤出、冷却、拉条、切粒和干燥制成原液着色聚乳酸母粒。
步骤B中，纺丝和牵伸具体指：原液着色聚乳酸母粒和聚乳酸切片依次经干燥、纺丝、卷绕、成型、集束、牵伸、热定型、卷曲、切断后得到原液着色聚乳酸纤维。
较佳的，步骤B中，纺丝和牵伸的工艺参数为：原液着色聚乳酸母粒、聚乳酸切片干燥温度116～120℃，干燥时间12～20h优选16h，纺丝计量泵供量为780～1000g/min优选816g/min，纺丝温度为225～260℃优选240～260℃，纺丝速度为980～1100m/min优选1020m/min，牵伸倍数为3.1～3.8倍优选3.47倍。
聚乳酸短纤维测试依据上海德福伦化纤有限公司制定的行业标准：《聚乳酸短纤维》FZ/T 52041-2015。经测试，本发明所述方法制备的纤维技术指标，断裂强度：≥3.40cN/dtex，断裂伸长率：45±6.0％，线密度偏差率：±8.0％，长度偏差率：±8.0％，卷曲数：10±2.5个/25mm，卷曲率：10±2.5％，130℃干热收缩率：≤5.0％，回潮率：≥0.5％，线密度：1.1～2.1dtex，生物分解率：≥60％，熔点：175℃，极限氧指数：LOI：24～26％，耐皂洗色牢度：≥4级。
本发明的积极进步效果在于：
1.本发明制备所述原液着色聚乳酸母粒时，通过调配环保色料的用量，以聚乙烯蜡和纳米碳酸钙的混合物作为辅料，聚乙烯蜡和纳米碳酸钙配合使用，可以有效降低载体聚乳酸的粘度，实现聚乳酸熔体与色料的兼容，同时，所述辅料较易渗透到色料团聚体内部孔隙中，削弱内聚力，使色料团聚体在外加剪刀力的作用下更容易打开，新生粒子也能得到迅速的润湿和保护，从而促进原液着色母粒中色料的分散。所述原液着色聚乳酸母粒中色料分散均匀、流动性好、流程长、熔点高，可适用纤维体系。
2.本发明采用所述原液着色聚乳酸母粒为原料加工成原液着色聚乳酸纤维，能够从根本上克服聚乳酸抗水解能力差的缺陷，避免了纺丝后染和后整理工艺对其产生的不利影响，提高了聚乳酸纤维的服用性能和扩大了应用范围，同时选择聚乳酸粉体作为色母粒合成的载体，有效解决了现有技术采用PET聚酯作为色母载体时与聚乳酸切片不能相容的问题，方案简单易行。
3.原液着色聚乳酸纤维来源于易得的玉米淀粉等可再生资源，替代不可再生的化石资源，能够降解成二氧化碳和水，最终回归自然，具有低碳、环保的特点，能够从根本上解决白色污染”、“温室效应”等环境问题。用原液着色聚乳酸纤维制备的无纺布环保袋与传统的聚丙烯、涤纶无纺布袋相比具有生物可降解的环境友好特点、可替代塑料袋、纸袋等。
4.以原液着色聚乳酸纤维纯纺或混纺制成的服装具有色牢度高、富有光泽、手感好、宽松舒适、透气、导湿吸汗、耐紫外和可生物降解等优点。
具体实施方式
下面结合具体实施例对本发明进行详细说明，应理解这些实施例仅用于说明本发明，而不用于限制本发明的应用范围。
以下各实施例和对比例制备的纤维技术指标测试依据为上海德福伦化纤有限公司制定的行业标准：《聚乳酸短纤维》FZ/T 52041-2015。
实施例1原液着色红色聚乳酸纤维的制备
A、原液着色红色聚乳酸母粒的制备：
将载体聚乳酸切片研磨成尺寸为100nm～300nm粉体，与环保色料(C.I颜料红101)和辅料(40wt％聚乙烯蜡和60wt％纳米碳酸钙的混合物)混合均匀，重量百分比为：载体聚乳酸切片粉体65％，环保色料：5％，辅料：30％。然后干燥，并经螺杆挤压熔融、挤出、冷却、拉条、切粒和干燥制成原液着色红色聚乳酸母粒。
B、原液着色红色聚乳酸纤维的制备：
将原液着色红色聚乳酸母粒、聚乳酸切片干燥后在LHV431型纺丝机(上海第二纺织机械股份有限公司)上纺丝，在LHV903联合牵伸机(上海第二纺织机械股份有限公司)上进行牵伸纺丝，重量百分比为：原液着色红色聚乳酸母粒12％、聚乳酸切片88％，经干燥、纺丝、卷绕、成型、集束、牵伸、热定型、卷曲、切断后得到原液着色红色聚乳酸纤维。
原液着色红色聚乳酸母粒、聚乳酸切片干燥温度117℃，干燥16h，纺丝计量泵供量780g/min，纺丝温度240～260℃，纺丝速度980m/min，牵伸倍数3.1倍。
经测试，纤维技术指标，断裂强度：3.9cN/dtex，断裂伸长率：42.5％，线密度偏差率：2.2％，长度偏差率：1.4％，卷曲数：9.5个/25mm，卷曲率：9.4％，130℃干热收缩率：3.8％，回潮率：0.6％，线密度：2.1dtex，生物分解率：89％，熔点：175℃，极限氧指数LOI：24％，耐皂洗色牢度：4-5级。
实施例2原液着色蓝色聚乳酸纤维的制备
A、原液着色蓝色聚乳酸母粒的制备：
将载体聚乳酸切片研磨成尺寸为100nm～300nm粉体，与环保色料(酞菁蓝B)和辅料(50wt％聚乙烯蜡和50wt％纳米碳酸钙的混合物)混合均匀，重量百分比为：载体聚乳酸切片粉体75％，环保色料：8％，辅料：17％。然后干燥，并经螺杆挤压熔融、挤出、冷却、拉条、切粒和干燥制成原液着色蓝色聚乳酸母粒。
B、原液着色蓝色聚乳酸纤维的制备：
将原液着色蓝色聚乳酸母粒、聚乳酸切片干燥后在LHV431型纺丝机上纺丝，在LHV903联合牵伸机上进行牵伸纺丝，重量百分比为：原液着色蓝色聚乳酸母粒10％、聚乳酸切片90％，经干燥、纺丝、卷绕、成型、集束、牵伸、热定型、卷曲、切断后得到原液着色蓝色聚乳酸纤维。
原液着色蓝色聚乳酸母粒、聚乳酸切片干燥温度116℃，干燥16h，纺丝计量泵供量1000g/min，纺丝温度225～240℃，纺丝速度1100m/min，牵伸倍数3.8倍。
经测试，纤维技术指标，断裂强度：4.5cN/dtex，断裂伸长率：44.6％，线密度偏差率：0.8％，长度偏差率：0.9％，卷曲数：10.2个/25mm，卷曲率：10.54％，130℃干热收缩率：4.0％，回潮率：0.5％，线密度：1.1dtex，生物分解率：96％，熔点：175℃，极限氧指数LOI：26％，耐皂洗色牢度：4-5级。
实施例3原液着色黄色聚乳酸纤维的制备
A、原液着色黄色聚乳酸母粒的制备：
将载体聚乳酸切片研磨成尺寸为100nm～300nm粉体，与环保色料(C.I颜料黄32)和辅料(60wt％聚乙烯蜡和40wt％纳米碳酸钙的混合物)混合均匀，重量百分比为：载体聚乳酸切片粉体80％，环保色料：10％，辅料：10％。然后干燥，并经螺杆挤压熔融、挤出、冷却、拉条、切粒和干燥制成原液着色黄色聚乳酸母粒。
B、原液着色黄色聚乳酸纤维的制备：
将原液着色黄色聚乳酸母粒、聚乳酸切片干燥后在LHV431型纺丝机上纺丝，在LHV903联合牵伸机上进行牵伸纺丝，重量百分比为：原液着色黄色聚乳酸母粒5％、聚乳酸切片95％，经干燥、纺丝、卷绕、成型、集束、牵伸、热定型、卷曲、切断后得到原液着色黄色聚乳酸纤维。
原液着色黄色聚乳酸母粒、聚乳酸切片干燥温度120℃，干燥16h，纺丝计量泵供量为816g/min，纺丝温度240～260℃，纺丝速度1020m/min，牵伸倍数3.47倍。
经测试，纤维技术指标，断裂强度：4.2cN/dtex，断裂伸长率：42.6％，线密度偏差率：1.3％，长度偏差率：1.5％，卷曲数：10.6个/25mm，卷曲率：12.0％，130℃干热收缩率：3.6％，回潮率：0.5％，线密度：1.1dtex，生物分解率：93％，熔点：175℃，极限氧指数LOI：25％，耐皂洗色牢度：4-5级。
上述实施例1～3中，步骤A制备原液着色聚乳酸母粒中，色料分散均匀、流动性好、流程长、熔点高，可适用纤维体系。而采用原液着色聚乳酸母粒为原料加工成原液着色聚乳酸纤维，能够从根本上克服聚乳酸抗水解能力差的缺陷，避免了纺丝后染和后整理工艺对其产生的不利影响，提高了聚乳酸纤维的服用性能和扩大了应用范围，同时选择聚乳酸粉体作为色母粒合成的载体，有效解决了现有技术采用PET聚酯作为色母载体时与聚乳酸切片不能相容的问题，方案简单易行。
对比例1红色聚乳酸纤维的制备
将实施例1的A步骤中的载体聚乳酸切片换成180℃改性PET，其它原料、重量比以及生产工艺同实施例1。
在制备红色母粒的步骤A中，研磨后100nm～300nm的180℃改性PET粉体与环保色料和辅料混合时，发生了部分团聚，分散效果较差。
经测试，对比例1制备的纤维技术指标为，断裂强度：2.9cN/dtex，断裂伸长率：35.5％，线密度偏差率：4.2％，长度偏差率：3.4％，卷曲数：5.8个/25mm，卷曲率：5.6％，130℃干热收缩率：6.7％，回潮率：0.3％，线密度：2.1dtex，生物分解率：52％，熔点：175℃，极限氧指数LOI：24％，耐皂洗色牢度：3级。各项指标均不及实施例1产品。
对比例2原液着色黄色PET纤维的制备
将实施例3的A步骤中的载体聚乳酸切片换成PET，将B步骤中的聚乳酸切片换成PET切片，其它原料、重量比和生产工艺根据PET性质做了相应调整。
经测试，对比例2制备的纤维技术指标为，生物分解率：0％，熔点：256℃，极限氧指数LOI：21％，耐皂洗色牢度：4级，燃烧烟雾大，不能分解。
对比例3原液着色红色聚乳酸纤维的制备
将实施例1的A步骤中的原料配比改为：载体聚乳酸切片粉体45％，环保色料：25％，辅料：30％，其余生产工艺同实施例1。
步骤A共混制作母粒时分散性较差，发生部分团聚，母粒制备困难。
步骤B中出现纺丝成型困难，堵塞喷丝板等情形导致产品技术指标差异较大。
经测试，对比例3制备的纤维技术指标为，断裂强度：2.5cN/dtex，断裂伸长率：15.5％，线密度偏差率：22.2％，长度偏差率：6.7％，卷曲数：5.9个/25mm，卷曲率：5.6％，130℃干热收缩率：7.8％，回潮率：0.2％，线密度：2.1dtex，生物分解率：79％，熔点：175℃，极限氧指数LOI：22％，耐皂洗色牢度：3级。各项指标均不及实施例1产品。
对比例4原液着色红色聚乳酸纤维的制备
将实施例1的A步骤中的辅料聚乙烯蜡和纳米碳酸钙的混合物换成聚乙烯蜡(未加纳米碳酸钙)，其它原料、重量比以及生产工艺同实施例1。
在步骤A制备红色母粒过程中，聚乳酸粉体与环保色料和辅料混合时，分散效果较差，发生部分团聚，母粒制备困难。
步骤B中出现纺丝成型困难，产品的质量技术指标不稳定。
经测试，对比例4制备的纤维技术指标为，断裂强度：3.1cN/dtex，断裂伸长率：25.9％，线密度偏差率：10.2％，长度偏差率：11.4％，卷曲数：6.7个/25mm，卷曲率：7.3％，130℃干热收缩率：6.9％，回潮率：0.3％，线密度：2.1dtex，生物分解率：85％，熔点：175℃，极限氧指数LOI：24％，耐皂洗色牢度：3级。各项指标均不及实施例1产品。
对比例5原液着色红色聚乳酸纤维的制备
将实施例3的A步骤中的原料换成：载体聚乳酸切片粉体90％，环保色料：10％；未添加辅料，其它生产工艺同实施例1。
在步骤A制备红色母粒过程中，聚乳酸粉体与环保色料混合时，分散效果差，发生团聚，母粒制备困难。
步骤B中出现纺丝成型困难，产品的质量技术指标不稳定。
经测试，对比例5制备的纤维技术指标为，断裂强度：2.2cN/dtex，断裂伸长率：32.4％，线密度偏差率：17.7％，长度偏差率：22.4％，卷曲数：4.9个/25mm，卷曲率：5.3％，130℃干热收缩率：7.7％，回潮率：0.3％，线密度：2.1dtex，生物分解率：82％，熔点：175℃，极限氧指数LOI：24％，耐皂洗色牢度：3级。各项指标均不及实施例3产品。
以上已对本发明创造的较佳实施例进行了具体说明，但本发明创造并不限于所述实施例，熟悉本领域的技术人员在不违背本发明创造精神的前提下，还可作出种种的等同的变型或替换，这些等同的变型或替换均包含在本申请权利要求所限定的范围内。

Claims (10)

1.一种原液着色聚乳酸纤维的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
A、原液着色聚乳酸母粒的制备：
将65～85wt％聚乳酸粉体、5～20wt％环保色料和10～30wt％辅料混合均匀，干燥后经螺杆挤出机挤出造粒制成原液着色聚乳酸母粒；所述的辅料为聚乙烯蜡和纳米碳酸钙的混合物；
B、原液着色聚乳酸纤维的制备：
将5～12wt％原液着色聚乳酸母粒和88～95wt％聚乳酸切片进行纺丝和牵伸得到原液着色聚乳酸纤维。
2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤A中，所述的聚乳酸粉体由聚乳酸切片研磨制得，尺寸为100nm～300nm。
3.如权利要求2所述的方法，其特征在于，步骤A中，所述的聚乳酸粉体尺寸为140nm～220nm。
4.如权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤A中，所述的环保色料选自C.I.颜料白6、C.I.颜料白、C.I.颜白18：1、12、C.I.颜料红101、C.I.颜料红49：1、C.I颜料红68、C.I颜料黄32、C.I.颜料黄16、C.I.颜料黑11、C.I.颜料黑15、C.I.溶剂黄19、C.I.颜料橙24、C.I.颜料紫3、C.I.颜料蓝10、酞菁蓝B、C.I.颜料蓝29、C.I颜料蓝17：1、C.I颜料绿8、耐晒翠绿色淀、环保炭黑FR8150和环保炭黑FR5200中的一种或两种以上混合物。
5.如权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤A中，所述的环保色料配比为5～15wt％。
6.如权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤A中，所述的辅料为40～60wt％聚乙烯蜡和40～60wt％纳米碳酸钙的混合物。
7.如权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤A中，挤出造粒具体指：聚乳酸切片粉体、环保色料和辅料混合均匀后经干燥，并经螺杆挤出机挤压熔融、挤出、冷却、拉条、切粒和干燥制成原液着色聚乳酸母粒。
8.如权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤B中，纺丝和牵伸具体指：原液着色聚乳酸母粒和聚乳酸切片依次经干燥、纺丝、卷绕、成型、集束、牵伸、热定型、卷曲、切断后得到原液着色聚乳酸纤维。
9.如权利要求8所述的方法，其特征在于，步骤B中，纺丝和牵伸的工艺参数为：原液着色聚乳酸母粒、聚乳酸切片干燥温度116～120℃，干燥时间12～20h，纺丝计量泵供量为780～1000g/min，纺丝温度为225～260℃，纺丝速度为980～1100m/min，牵伸倍数为3.1～3.8倍。
10.通过权利要求1～9任一项所述的方法制备的原液着色聚乳酸纤维。
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