CN109234820B - 一种聚乳酸短纤维的制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种聚乳酸短纤维的制备方法，该方法以纤维级聚乳酸(PLA)为原料，通过真空干燥、螺杆挤出熔融、喷丝、冷却、集束、牵伸、热处理、丝束卷曲及切断工艺过程制得聚乳酸(PLA)短纤维。本发明方法的工艺路线简单，批量产业化后制得的聚乳酸(PLA)短纤维性能优异，短纤维的线密度为0.56dtex～6.67dtex，综合指标完全满足针织、机织用纱线需要，具有较好的市场应用价值。

Description

一种聚乳酸短纤维的制备方法
技术领域
本发明涉及短纤维制备技术领域，具体地涉及一种聚乳酸(PLA)短纤维的制备方法。
背景技术
聚乳酸(PLA)纤维是目前具有最大发展前景的“绿色纤维”之一，具有环保、无毒、抗菌、阻燃、防过敏、可降解、原料可再生的优点。聚乳酸纤维具有优良的物理特性和广泛的用途，其干湿强度与初始模量高、尺寸稳定性好，织物集棉的舒适、粘胶的悬垂、涤纶的强度和真丝的手感于一身，服用性能优异，广泛应用于服装、面料、内衣、家纺、卫材、保健品等领域。
聚乳酸树脂可由丙交酯开环聚合而成，也可由乳酸直接聚合得到。乳酸可由淀粉发酵得到，而淀粉来源广泛，可再生的天然植物如红薯、玉米及其他谷物都可作为它的原料。此外，聚乳酸产品废弃物在自然界中可控制速度进行分解为二氧化碳和水，具有十分良好的环保效果。因此，作为一种理想的绿色纤维，聚乳酸具有可持续发展的广阔使用前景，该纤维的开发与应用，是解决白色污染的途径之一，无疑具有很好的社会效益和发展前景。
目前，国内生产聚乳酸短纤维的生产线基本上都是在原聚酯短纤维生产线的基础上通过对关键工序设备改造和流程进行完善，使生产线既能生产聚酯短纤维又能生产聚乳酸短纤维，其设备为非专业设备，工艺路线及技术参数也是参照聚酯进行调整，因此，产品质量不稳定，无法达到真正的产业化。另外，聚乳酸切片的特性与聚酯有显著差异，决定了聚乳酸切片的熔融纺丝工艺与聚酯的工艺会有明显的不同。聚乳酸可以通过溶液纺丝和熔融纺丝制成纤维。目前，溶液纺丝常用的溶剂有二氯甲烷、三氯甲烷、甲苯，但由于溶剂有毒，纺丝环境恶劣，工艺较为复杂，溶剂回收困难，限制了其工业化生产。聚乳酸也能使用熔纺设备进行熔融纺丝，因此，熔融纺丝更具有前途并成为工业化生产的主流。国外主要采用的是熔体直纺技术，其工艺流程与工艺参数与本发明所采用的切片法不一样，且对聚乳酸的加工又多为塑料，对纤维纺丝的生产技术研究较少，特别是工业化的聚乳酸纤维的生产，国内基本上还是空白。
发明内容
针对现有技术的不足，本发明的目的是在于提供一种聚乳酸短纤维的制备方法。
本发明的另一目的在于提供上述制备方法制得的聚乳酸短纤维。
本发明提供的一种聚乳酸短纤维的制备方法，包括前纺和后纺步骤，所述前纺步骤中：将干燥的纤维级聚乳酸切片通过235℃～250℃螺杆挤压熔融，熔体过滤后纺丝箱体组件喷丝，纺丝箱体温度为235℃～250℃；喷丝后冷却成型得到初生纤维，初生纤维集束上油、落桶；
所述后纺步骤包括：初生纤维集束后依次进行导丝、浸油、第一道牵伸、油浴牵伸、第二道牵伸、蒸汽水浴、第三道牵伸、紧张热定型、冷却喷淋、牵引、叠丝、蒸汽熨烫、卷曲、输送、松弛热定型、曳引切断、打包。
由于聚乳酸含有酯键，在含水高和高温情况下酯键会发生水解，从而造成分子质量下降。另外，聚乳酸切片中的水分在纺丝时会形成气泡，气泡夹杂在熔体细流中，极易产生纺丝飘丝、毛丝、断丝，而且含水高的聚乳酸切片进入螺杆挤压后极易造成环结阻料，因此，必须在熔融纺丝之前对切片进行干燥，以严格控制切片的含水量。
本发明优化工艺后确定前纺步骤中纤维级聚乳酸切片进入转鼓真空干燥，温度为95℃～115℃，干燥时间为10h～12h，干燥后的切片含水量≤0.03‰。
聚乳酸熔体经过螺杆挤出机熔融挤出通过喷丝板微孔时，如果熔体中含有凝胶粒子、杂质等尺寸较大，就会堵塞微孔，造成微孔异常，出现浆丝，疵点断头，严重影响产品质量，而聚乳酸纺丝温度较涤纶纺丝温度低，因此，本发明提供的制备方法中，在熔体过滤时采用5层过滤网，过滤精度为20μm～25μm，滤网为50目～200目的复合过滤网，过滤砂采用20目海砂。满足了聚乳酸(PLA)纤维对熔体质量均匀性、纯度的高要求，产品质量稳定，组件使用周期则较理想。
上述过滤精度与选用海砂目数，是根据纺丝组件规格以及纺丝压力控制参数综合考量的。如果采用其他规格海砂，如40目，会造成纺丝压力波动大，初生纤维指标不合格。
由于喷丝板微孔细小，组件过滤器、过滤网配置目数加大，熔体在组件中流动阻力增加，流动性能变差，同时熔体质量要满足均匀、减少凝聚粒子产生，因此纺丝温度控制非常重要。本发明中，螺杆、纺丝箱体温度控制在235℃-250℃，溶体流动性好，可使高弹形变松弛时间缩短，有利于减少熔体膨化效应，防止熔体破裂，但纺丝温度不宜过高，否则易使熔体降解严重，无法保证纺丝正常。
本发明在冷却成型时控制环吹风风压为200pa～800pa，风温为18℃～24℃，风速为1.2m/s～2.5m/s。风速过高或过低，原丝的断面不匀率(DVC)都较高。风速过低，初生纤维截面上冷却固化速度差就小，自卷效果差；风速过高，丝条扰动大，不利于纺丝、牵伸。过高的风速会使初生纤维预取向度偏高，从而在牵伸中产生过渡牵伸，导致毛丝、断头、缠辊增多，牵伸过程不能正常进行，还会导致大分子收缩能力降低，以至于纤维卷曲和蓬松性能反而下降。
本发明制备方法的前纺步骤中，前纺在集束上油时，油剂浓度为0.8％～2.0％。后纺步骤中在油浴牵伸时，油剂浓度为1.0％～2.0％，冷却喷淋时，油剂浓度为2.0％～5.0％。聚乳酸纤维的回潮率较低、介电常数较小，而摩擦系数较高，因此必须使用油剂。油剂主要由表面活性剂组成，能在化学纤维表面形成定向的吸附层，即油膜。油膜能降低纤维表面电阻，增加导电作用，且油膜隔离纤维，又对纤维有一定的亲和力，使其产生一定的集束性而不致散乱。油膜还赋予纤维一定的平滑性。因此，油剂一般具有平滑、抗静电、有集束或抱合等作用，在前后纺生产过程中均需使用。
本发明制备方法的前纺步骤中，在落桶时，纺丝速度为800m/min～1500m/min。纺丝速度主要影响初生纤维的预取向度。和其他高分子材料类似，纺丝速度越高，取向度也越大，后拉伸倍率也越低。另一方面，高温的纺丝熔体被挤出喷丝孔时，会接触到空气中的氧气和水分而发生热降解和水解，导致相对分子质量下降；随着纺丝速度变大，纺丝熔体接触空气的时间会缩短，发生热降解和水解的时间缩短，所以相对分子质量损失会较小。因此，较高的纺丝速度有利于保证聚乳酸纤维的品质，当然过高的纺丝速度也会使聚乳酸结晶时间过短，结晶不完全，易断头。因此，纺丝速度的选择可根据前后纺总体工艺进行考虑。在适宜的范围内，可选择较高的纺丝速度，既可保证产品质量，也能提高产量。
初生纤维的牵伸是分子链段在外力作用下沿纤维轴向取向，并提高强度及其它机械性能的过程。这就要求油浴牵伸保持丝束在一定的温度，使被牵伸的分子链段具有足够的活动性。当温度偏低时，利用机械力的强制作用，也可使高聚物产生一定的取向，但此时纤维的内应力很大，拉伸点不稳定，丝束发白、发烫，甚至会产生毛丝和断头，易缠辊。当温度过高时，丝束的塑性形变大大增加，易出现丝束断裂，同时，温度过高会使结晶速度增大，反而使拉伸应力上升，开车时丝束易断裂。因此，较好的油浴温度应高于纤维的玻璃化转变温度，以促进分子链段运动，降低拉伸应力，有利于拉伸顺利进行。因此本发明在后纺步骤中，浸油时温度为40℃～50℃；油浴牵伸时，温度为70℃～80℃；蒸汽水浴时，温度为85℃～100℃。
牵伸倍数选择应在初生纤维最大拉伸比和自然拉伸比之间，因为牵伸倍数若小于自然拉伸倍数，则被拉伸纤维中细颈尚未扩展到整个纤维，必然包含较多的未拉伸丝，这样的纤维没有实用价值，而牵伸倍数达到最大倍数时，纤维就要断裂。牵伸倍数偏小时，不足以拉开纤维截面微观结构的差异，卷曲效果不能充分体现；牵伸倍数偏大，则会加速大分子轴向排列均匀化，使自卷能力减弱，卷曲纤维在牵伸过程中，其牵伸倍数不是一成不变的。在满足质量的前提下，本发明中，后纺第一、二、三道牵伸的牵伸速度为20m/min～150m/min，总牵伸倍数为3.0～5.0。本发明根据丝束的不同纤度，调整每级牵伸的比例与总牵伸倍数，防止纤维拉伸损伤，以保证牵伸的均匀稳定性。
本发明提供的制备方法的后纺步骤中，紧张热定型时，热定型温度为80℃～130℃，热定型时间为5.2s～13.2s；松弛热定型时，热定型温度为50℃～70℃，热定型时间为15min～20min。由于初生纤维内部微观结构存在差异，拉伸后存在的大分子塑性形变，在外力消失后，高弹形变松弛并产生不同的收缩效应而绕轴向扭转，而形成螺旋形卷曲，但此时纤维内部结构尚未固定，其尺寸稳定性较差，结晶度较低，并且高弹形变在低温下松弛时间较长，因此必须通过热定型的方式来缩短大分子松弛时间，提高纤维结晶度，从而提升纤维强度与物理机械性能。
本发明提供的制备方法后纺步骤中，利用卷曲机进行机械卷曲，卷曲时，卷曲机速度为63.0m/min～157.5m/min，卷曲轮主压压力为0.1MPa～0.15MPa，卷曲轮背压压力为0.02MPa～0.05MPa。为提高卷曲效果，纤维在卷曲前需要进行熨烫。本发明中蒸汽熨烫时，温度为80℃～100℃。一般纤维的表面比较光滑，纤维之间的抱合力较小，不利于纺织加工。通过对纤维进行化学、物理或机械卷曲变形加工，赋予纤维一定的卷曲，可以有效地改善纤维的抱合性，同时增加纤维的蓬松性和弹性。
本发明提供了上述制备方法制得的聚乳酸短纤维。
本发明针对聚乳酸切片的特性设计的适用于聚乳酸纺丝的工艺技术路线，可有效控制产品中聚乳酸分子链段小单体降解产生的浆块、疵点问题，以及大大提升后纺烘干定型效果。通过上述工艺步骤生产的聚乳酸短纤维，其条干均一性好，条干均匀度变异系数CV能达到15％以下；聚乳酸短纤维长度可控，纤维长度可以在切断工序控制，通过控制切断刀盘中切断刀的间距来获得不同长度的纤维，如31mm、33mm、35mm、38mm等；强度与断裂伸长率等各项产品指标可根据需要进行调整，所得产品可完全满足于下游有纺和无纺等领域的应用要求。另外本发明上述工艺还可以生产2孔、4孔、6孔、9孔等中空纤维，其中空度高，压缩回弹性、保暖性、蓬松性、透气性好，可作为各类填充材料使用。本发明方法的工艺路线简单，批量产业化后制得的聚乳酸短纤维性能优异，产品质量稳定，短纤维的线密度为0.56dtex～6.67dtex，综合指标完全满足针织、机织用纱线需要，具有较好的市场应用价值。
具体实施方式
除非另有定义，下文中所使用的所有专业术语与本领域技术人员通常理解的含义相同。本文中所使用的专业术语只是为了描述具体实施例的目的，并不是旨在限制本发明的保护范围。
除有特别说明，本发明中用到的各种试剂、原料均为可以从市场上购买的商品或者可以通过公知的方法制得的产品。实施例中所用的纤维级聚乳酸切片购自美国Natureworks公司。线密度测试采用GBT 14335-2008化学纤维短纤维线密度试验方法。
实施例1聚乳酸短纤维的制备(1)
(1)前纺步骤
转鼓干燥：向真空转鼓干燥机中加入聚乳酸切片，使用95℃干燥12h，测得干燥后原料含水量为0.026％。
熔融纺丝：将干燥后的原料输送到螺杆挤出机中加热熔融，并通过喷丝组件对熔体进行过滤、喷丝，形成初生纤维。所述的加热熔融时螺杆、纺丝箱温度为239℃；熔体过滤时选用过滤精度为20μm～25μm，滤网为50目～200目的复合过滤网，过滤砂采用20目的海砂。
冷却成型：将初生纤维通过环吹风冷却成型。所述的环吹风风压为220Pa，风温为19℃，风速为1.2m/s；
集束上油与落桶：冷却成型的初生纤维经上油机上油集束，并经牵引机、喂入机卷绕送入盛丝桶。所述的上油时油剂浓度为1.0％，落桶时纺丝速度为1200m/min。
(2)后纺步骤
集束、导丝、浸油、牵伸：将前纺获得的初生纤维集束后依次通过导丝机、浸油槽、第一牵伸机、油浴牵伸槽、第二牵伸机、蒸汽水浴箱、第三牵伸机对初生纤维进行牵伸，以取向结晶，提高物理机械性能。牵伸倍数为3.5倍。所述的浸油槽温度为45℃，第一牵伸机速度为22.9m/min，油浴牵伸槽温度70℃，第二牵伸机速度为72.0m/min，蒸汽水浴箱温度90℃，第三牵伸机速度为80.0m/min。所述的油浴牵伸槽油剂浓度为1.8％。
紧张热定型、冷却喷淋、蒸汽熨烫、卷曲：将牵伸后的初生纤维通过紧张热定型机进行热定型，之后经过冷却喷淋槽上油冷却，再经过牵引机和叠丝机送入蒸汽预热箱进行蒸汽熨烫，之后，送入卷曲机对丝片进行卷曲成型。所述的紧张热定型温度为105℃，热定型时间为9.9s，冷却喷淋油剂浓度为3.5％，蒸汽熨烫温度为85℃，卷曲机速度为84.0m/min，卷曲轮主压压力为0.11MPa，卷曲轮背压为0.025MPa。
松弛热定型：卷曲后的丝束送入松弛热定型机中进行松弛定型。所述的松弛定型温度为55℃，定型时间为19min。
曳引切断、打包：将松弛定型后的丝束通过曳引张力机送入切断机中切断，并经打包机打包获得6.67dtex聚乳酸短纤维成品。
实施例2聚乳酸短纤维的制备(2)
(1)前纺步骤
转鼓干燥：向真空转鼓干燥机中加入聚乳酸切片，使用105℃干燥11h，测得干燥后原料含水量为0.024％。
熔融纺丝：将干燥后的原料输送到螺杆挤出机中加热熔融，并通过喷丝组件对熔体进行过滤、喷丝，形成初生纤维。所述的加热熔融时螺杆、纺丝箱温度为244℃；熔体过滤时选用过滤精度为20μm～25μm，滤网为50目～200目的复合过滤网，过滤砂采用20目的海砂。
冷却成型：将初生纤维通过环吹风冷却成型。所述的环吹风风压为310Pa，风温为21℃，风速为1.6m/s；
集束上油与落桶：冷却成型的初生纤维经上油机上油集束，并经牵引机、喂入机卷绕送入盛丝桶。所述的上油时油剂浓度为1.5％，落桶时纺丝速度为1100m/min。
(2)后纺步骤
集束、导丝、浸油、牵伸：将前纺获得的初生纤维集束后依次通过导丝机、浸油槽、第一牵伸机、油浴牵伸槽、第二牵伸机、蒸汽水浴箱、第三牵伸机对初生纤维进行牵伸，以取向结晶，提高物理机械性能。牵伸倍数为4.5倍。所述的浸油槽温度为47℃，第一牵伸机速度为22.2m/min，油浴牵伸槽温度73℃，第二牵伸机速度为90.0m/min，蒸汽水浴箱温度92℃，第三牵伸机速度为100.0m/min。所述的油浴牵伸槽油剂浓度为1.6％。
紧张热定型、冷却喷淋、蒸汽熨烫、卷曲：将牵伸后的初生纤维通过紧张热定型机进行热定型，之后经过冷却喷淋槽上油冷却，再经过牵引机和叠丝机送入蒸汽预热箱进行蒸汽熨烫，之后，送入卷曲机对丝片进行卷曲成型。所述的紧张热定型温度为115℃，热定型时间为7..9s，冷却喷淋油剂浓度为3.8％，蒸汽熨烫温度为88℃，卷曲机速度为105.0m/min，卷曲轮主压压力为0.12MPa，卷曲轮背压为0.03MPa。
松弛热定型：卷曲后的丝束送入松弛热定型机中进行松弛定型。所述的松弛定型温度为60℃，定型时间为16min。
曳引切断、打包：将松弛定型后的丝束通过曳引张力机送入切断机中切断，并经打包机打包获得1.67dtex聚乳酸短纤维成品。
实施例3聚乳酸短纤维的制备(3)
(1)前纺步骤
转鼓干燥：向真空转鼓干燥机中加入聚乳酸切片，使用115℃干燥12h，测得干燥后原料含水量为0.02％。
熔融纺丝：将干燥后的原料输送到螺杆挤出机中加热熔融，并通过喷丝组件对熔体进行过滤、喷丝，形成初生纤维。所述的加热熔融时螺杆、纺丝箱温度为249℃；熔体过滤时选用过滤精度为20μm～25μm，滤网为50目～200目的复合过滤网，过滤砂采用20目的海砂。
冷却成型：将初生纤维通过环吹风冷却成型。所述的环吹风风压为550Pa，风温为22℃，风速为2.1m/s；
集束上油与落桶：冷却成型的初生纤维经上油机上油集束，并经牵引机、喂入机卷绕送入盛丝桶。所述的上油时油剂浓度为2.0％，落桶时纺丝速度为1000m/min。
(2)后纺步骤
集束、导丝、浸油、牵伸：将前纺获得的初生纤维集束后依次通过导丝机、浸油槽、第一牵伸机、油浴牵伸槽、第二牵伸机、蒸汽水浴箱、第三牵伸机对初生纤维进行牵伸，以取向结晶，提高物理机械性能。牵伸倍数为5.0倍。所述的浸油槽温度为50℃，第一牵伸机速度为26.0m/min，油浴牵伸槽温度78℃，第二牵伸机速度为117.0m/min，蒸汽水浴箱温度98℃，第三牵伸机速度为130.0m/min。所述的油浴牵伸槽油剂浓度为1.5％。
紧张热定型、冷却喷淋、蒸汽熨烫、卷曲：将牵伸后的初生纤维通过紧张热定型机进行热定型，之后经过冷却喷淋槽上油冷却，再经过牵引机和叠丝机送入蒸汽预热箱进行蒸汽熨烫，之后，送入卷曲机对丝片进行卷曲成型。所述的紧张热定型温度为125℃，热定型时间为6.1s，冷却喷淋油剂浓度为4.5％，蒸汽熨烫温度为92℃，卷曲机速度为136.5m/min，卷曲轮主压压力为0.15MPa，卷曲轮背压为0.05MPa。
松弛热定型：卷曲后的丝束送入松弛热定型机中进行松弛定型。所述的松弛定型温度为68℃，定型时间为15min。
曳引切断、打包：将松弛定型后的丝束通过曳引张力机送入切断机中切断，并经打包机打包获得0.89dtex聚乳酸短纤维成品。
以上的实施例仅仅是对本发明的优选实施方式进行描述，并非对本发明的范围进行限定，在不脱离本发明设计精神的前提下，本领域普通工程技术人员对本发明的技术方案做出的各种变型和改进，均应落入本发明的权利要求书确定的保护范围内。

Claims (1)

1.一种聚乳酸短纤维的制备方法，其特征在于，所述制备方法包括前纺和后纺步骤，
其中，所述前纺步骤中依次如下：
在熔融纺丝之前对切片进行干燥，以严格控制切片的含水量；所述干燥为：前纺步骤中纤维级聚乳酸切片进入转鼓真空干燥，温度为95℃～115℃，干燥时间为10h～12h，使干燥后的切片含水量≤0.03‰；将含水量≤0.03‰的纤维级聚乳酸切片通过235℃～250℃螺杆挤压熔融，形成熔体；
熔体过滤后经纺丝箱体和纺丝组件喷丝，纺丝箱体温度为235℃～250℃；
喷丝后冷却成型：环吹风风压为200Pa～800Pa，风温为18℃～24℃，风速为1.2m/s～2.5m/s，得到初生纤维，初生纤维经集束上油、落筒；集束上油时，油剂浓度为0.8％～2.0％；落筒时，纺丝速度为800m/min～1500m/min；
其中，在熔体过滤时，熔体过滤的过滤精度为20μm～25μm，滤网为50目～200目的复合过滤网，过滤砂采用20目海砂；
所述后纺步骤依次包括：初生纤维集束后依次进行导丝、浸油、第一道牵伸、油浴牵伸、第二道牵伸、蒸汽水浴、第三道牵伸、紧张热定型、冷却喷淋、牵引、叠丝、蒸汽熨烫、卷曲、输送、松弛热定型、曳引切断、打包；
其中，第一、二、三道牵伸的牵伸速度均为20m/min～150m/min，总牵伸倍数为3.0～5.0；
后纺步骤中，浸油时，温度为40℃～50℃；油浴牵伸时，温度为70℃～80℃，油剂浓度为1.0％～2.0％；
蒸汽水浴时，温度为85℃～100℃；紧张热定型时，热定型温度为105℃～130℃，热定型时间为5.2s～9.9s；冷却喷淋时，油剂浓度为2.0％～5.0％；蒸汽熨烫时，温度为80℃～100℃；
卷曲时，卷曲机速度为63.0m/min～157.5m/min，卷曲轮主压的压力为0.1MPa～0.15MPa，卷曲轮背压的压力为0.02MPa～0.05MPa；松弛热定型时，热定型温度为50℃～70℃，热定型时间为15min～20min。
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