CN111501117B

CN111501117B - Pla/pha纤维以及在线制备pla/pha纤维的装置和方法

Info

Publication number: CN111501117B
Application number: CN202010431722.8A
Authority: CN
Inventors: 李义; 刘志刚; 佟毅; 孙丽娜; 许克家
Original assignee: Jilin Zhongliang Biomaterial Co ltd; Jilin COFCO Bio Chemical Co Ltd; Cofco Biotechnology Co Ltd
Current assignee: Jilin Zhongliang Biomaterial Co ltd; Jilin COFCO Bio Chemical Co Ltd; Cofco Biotechnology Co Ltd
Priority date: 2020-05-20
Filing date: 2020-05-20
Publication date: 2021-04-27
Anticipated expiration: 2040-05-20
Also published as: CN111501117A

Abstract

本发明涉及化学纤维领域，公开了一种PLA/PHA纤维以及在线制备PLA/PHA纤维的装置和方法。该装置包括依次连接的聚乳酸聚合装置、PLA/PHA在线改性装置和纺丝装置；该聚合装置包括脱单体反应器，脱单体反应器包括电磁激振器、驱动电机和驱动装置，驱动电机与驱动装置相连接以对搅拌频率进行调控，电磁激振器通过振动传递盘与驱动电机相连接以使驱动电机进行轴向振动；该改性装置包括双螺杆挤出机、PHA料斗和聚乳酸熔体管道，PHA料斗与双螺杆挤出机的一区相连接，聚乳酸熔体管道与双螺杆挤出机的四区相连接。该方法能够提高PLA/PHA纤维的品质和力学性能，且能够有效降低成本。

Description

PLA/PHA纤维以及在线制备PLA/PHA纤维的装置和方法

技术领域

本发明涉及化学纤维领域，具体涉及一种PLA/PHA纤维以及在线制备PLA/PHA纤维的装置和方法。

背景技术

近年来，以聚乳酸（PLA）、聚羟基脂肪酸酯（PHA）为代表的生物基材料由于其绿色、环境友好、资源节约等特点，正逐步成为引领当代世界科技创新和经济发展的又一个新的主导产业。

PLA/PHA纤维除与通用纤维性能相近外，但还具有生物降解、抑菌、较好抗紫外和一定的阻燃、阻隔性等优点，其生产出的合成蚕丝可替代天然蚕丝，定位于绿色、功能、高附加值产品，可应用于高端纺织、婴幼用品、卫生用品、医疗保健耗材等领域。

CN102392318A公开了一种生物基可降解纤维，其中，该纤维为包括物质A和物质B的组合物；所述的物质A是体积结晶度为5-75%的PHA均聚物或共聚物，物质B是体积结晶度为5-65%的PLA均聚物或共聚物；物质A的含量占所述纤维重量的5-55%，物质B的含量占所述纤维重量的45-95%，其中，还公开了通过将PHA（5~55%）与聚乳酸（45-95%）熔融共混，纺丝得到手感柔软的纤维。

CN102146598A公开了一种含PHBV的生物基化学纤维及其制备方法，该方法包括将1-89份PHBV（聚羟基丁酸-戊酸酯）和11-99份第二组分高分子分别进行干燥，然后按比例进行混合，熔融纺丝；其中，第二组分高分子为P(3HB-co-4HB)（3-羟基丁酸/4-羟基丁酸共聚物）、PBS（聚丁二酸丁二醇酯）、PBAT（聚对苯二甲酸-己二酸-丁二醇酯）、PP（聚丙烯）、PE（聚乙烯）中的至少一种。CN102181960A公开了一种含PHBV的生物基可降解纤维及其制备方法，该方法包括将1-89份PHBV和11-99份聚乳酸分别进行干燥，然后按比例进行混合，熔融纺丝。CN102146597A公开了一种含PHBV的可降解纤维及其制备方法，该方法包括将1-89份PHBV和11-99份含聚乳酸二元混合物分别进行干燥，然后按比例进行混合，熔融纺丝；其中，含聚乳酸二元混合物为聚乳酸与P(3HB-co-4HB)或PBS或PBAT。

但是，上述制备PLA/PHA纤维主要采用“切片纺”，首先将聚合得到的聚乳酸熔体经冷却造粒、结晶干燥、冷却、包装。其次再与PHA、助剂经双螺杆挤出机熔融共混改性，经冷却造粒、结晶干燥、冷却、包装得到PLA/PHA改性树脂。最后将PLA/PHA改性树脂再次干燥、经单螺杆挤出机熔融塑化、纺丝箱纺丝制得PLA/PHA纤维。聚乳酸从聚合完成到PLA/PHA纤维，需要经过造粒—结晶—除湿干燥—冷却—包装—一次熔融挤出改性—造粒—结晶—除湿干燥—冷却—包装—二次熔融挤出塑化-纤维等反复升温、熔融挤出剪切以及降温的过程。聚乳酸材料热降解较快，尤其树脂干燥不彻底、高温高剪切导致其分子量下降、粘度降低、熔体质量差。另外，反复的升降温、切粒、混炼、包装也造成了大量的能源消耗，使生产成本增加，而这些环节又是传统“切片纺”生产工艺中必不可少的，因此PLA/PHA纤维的成本较高，限制了其市场推广与应用。

CN1900389A公开了聚乳酸聚合熔体直接制备纤维制品的方法，其中，在聚合反应的出料口与纺丝箱的进料口之间设置置于夹套中的熔体管道，且夹套中可循环引入进行保温的导热介质；但是，该方法仅适用于聚乳酸熔体单一组分，应用范围有限。

CN101597814A公开了聚乳酸聚合熔体直接制备有色聚乳酸纤维的方法，其中，采取色母粒经过螺杆熔融挤出后通入聚乳酸熔体管道，与聚乳酸熔体混合后进入纺丝箱直接纺丝制得有色纤维产品；但是，该方法存在聚乳酸熔体与色母熔体混合不均，纤维产生色差，影响产品质量的问题。

因此，研究和开发一种在线制备PLA/PHA纤维的方法或装置具有重要的意义。

发明内容

本发明的目的是为了克服现有技术存在的PLA/PHA纤维的品质差以及成本高的缺陷问题，提供了一种PLA/PHA纤维以及在线制备PLA/PHA纤维的装置和方法，该方法能够提高PLA/PHA纤维的品质和力学性能，且能够有效降低成本。

为了实现上述目的，本发明第一方面提供了一种制备PLA/PHA纤维的装置，其中，所述装置包括依次连接的聚乳酸聚合装置，PLA/PHA在线改性装置V和纺丝装置VI；

其中，所述聚乳酸聚合装置包括脱单体反应器IV，所述脱单体反应器IV包括电磁激振器4-1、搅拌驱动电机4-2和搅拌驱动装置4-7，且所述搅拌驱动电机4-2与所述搅拌驱动装置4-7相连接以对搅拌轴4-7-1的搅拌频率进行调控，以及所述电磁激振器4-1通过振动传递盘与搅拌驱动电机4-2相连接以使所述搅拌驱动电机4-2进行轴向振动；

其中，所述PLA/PHA在线改性装置V包括双螺杆挤出机、PHA进料料斗和聚乳酸熔体管道，且所述PHA进料料斗与所述双螺杆挤出机的一区相连接，所述聚乳酸熔体管道与所述双螺杆挤出机的四区相连接。

本发明第二方面提供了一种在线制备PLA/PHA纤维的方法，其中，该方法在制备PLA/PHA纤维的装置中进行，该方法包括：

（a）将经所述聚乳酸聚合装置得到的聚乳酸熔体经聚乳酸熔体管道进入双螺杆挤出机的四区；

（b）将PHA经PHA进料料斗进入所述双螺杆挤出机的一区；

（c）所述聚乳酸熔体和所述PHA依次在所述双螺杆挤出机的四区和五区进行接触，得到PLA/PHA聚合熔体；

（d）将所述PLA/PHA聚合熔体在纺丝装置VI中进行纺丝；

其中，所述PLA/PHA纤维的装置为前述所述的装置。

本发明第三方面提供了一种由前述所述的方法制备得到的PLA/PHA纤维。

通过上述技术方案，本发明具有如下优点：

（1）采用本发明的装置和方法，由于聚乳酸聚合熔体与PHA在线改性，保证共混体系熔体混合均匀，同时该方法不需经过反复的升降温、熔融挤出混炼、造粒、除湿干燥等过程，避免了材料因干燥因素、高温剪切造成的热降解、熔体质量差对纤维可纺性的影响，确保PLA/PHA纤维的品质；

（2）本发明的方法取消切片制造工序，减少水冷、切造粒、干燥、切片二次熔融改性等工序，降低能耗和设备投入，综合计算能耗降低30%，每吨可节约加工成本约2600元，有效降低了PLA/PHA纤维成本。

附图说明

图1是对比例1制备PLA/PHA纤维的工艺流程示意图；

图2是本发明实施例1在线制备PLA/PHA纤维的工艺流程示意图；

图3是本发明在线制备PLA/PHA纤维的装置的示意图；

图4是本发明脱单体反应器IV的示意图；

图5是本发明脱单体反应器IV中的传动装置示意图；

图6是本发明第二聚合反应器III的示意图。

附图标记说明

I、丙交酯熔融罐	II、第一聚合反应器	III、第二聚合反应器
			IV、脱单体反应器	V、双螺杆挤出机	Ⅵ、纺丝装置
1-1、丙交酯入口
			3-1、熔体进料口	3-2、第二导热油入口	3-3、脉动形变装置
3-5、熔体出料口	3-6、循环泵	3-7、第二导热油出口
			3-8、静态混合器
4-1、电磁激振器	4-2、搅拌驱动电机	4-3、连接轴
			4-4、聚乳酸熔体入口	4-5、第一导热油入口	4-6、第一导热油出口
4-7、搅拌驱动装置	4-7-1、搅拌轴	4-7-2、刮板
			4-8、丙交酯单体出口	4-9、聚乳酸成品出口

具体实施方式

在本文中所披露的范围的端点和任何值都不限于该精确的范围或值，这些范围或值应当理解为包含接近这些范围或值的值。对于数值范围来说，各个范围的端点值之间、各个范围的端点值和单独的点值之间，以及单独的点值之间可以彼此组合而得到一个或多个新的数值范围，这些数值范围应被视为在本文中具体公开。

本发明第一方面提供了一种制备PLA/PHA纤维的装置，其中，所述装置包括依次连接的聚乳酸聚合装置，PLA/PHA在线改性装置V和纺丝装置VI；

根据本发明，聚乳酸用PLA表示，聚羟基脂肪酸酯用PHA表示。

根据本发明，所述PLA/PHA在线改性装置V还包括辅助料斗，且所述辅助料斗与所述双螺杆挤出机的五区相连接。

根据本发明，所述聚乳酸聚合装置包括依次连接的丙交酯熔融罐I、第一聚合反应器II、第二聚合反应器III和脱单体反应器IV。

在本发明中，图5是本发明脱单体反应器IV中的传动装置示意图，如图5所示，在所述脱单体反应器IV中，所述电磁激振器4-1依次与所述搅拌驱动电机4-2和所述连接轴4-3相连接设置，所述电磁激振器4-1通过振动传递盘与搅拌驱动电机4-2相连接以使所述搅拌驱动电机4-2进行轴向振动，所述搅拌轴4-7-1上的所述刮板4-7-2也随着所述搅拌轴4-7-1振动发生周期性变化，进而能够将振动力场引入所述脱单体反应器IV中的熔体（例如，经第二聚合反应后得到的第二熔体）中，更进一步地，熔体的剪切速率随振动力场也作周期性变化，振动力场的引入能够提高熔体剪切速率，使熔体界面拉伸、压缩，产生相应的振荡。

根据本发明，图4是本发明脱单体反应器IV的示意图，如图4所示，所述搅拌轴4-7-1上设置有多个刮板4-7-2；优选地，在以所述搅拌轴4-7-1上任一点为中心的水平面上，多个所述刮板4-7-2以36°-180°角度间隔地沿所述搅拌轴4-7-1的周向设置，具体地，可以以36°角度、72°角度、108°角度、144°角度、180°角度间隔地沿所述搅拌轴4-7-1的周向设置；优选地，在以所述搅拌轴4-7-1为中心的垂直面上，多个所述刮板4-7-2以5-8cm间隔层叠地沿所述搅拌轴4-7-1的轴向设置，优选为5-6cm间隔；所述脱单体反应器IV内部带有所述搅拌轴4-7-1，在脱单体过程中，通过旋转作用促使新的物料覆盖表面旧物料，使聚合物主体内部的单体在有限时间内停留，防止过热、避免发生再聚合。

另外，优选地，所述刮板4-7-2的外缘与所述脱单体反应器IV的内壁的间距为1-3cm，优选为1-2cm。在本发明中，聚乳酸高黏度熔体通过刮板，在内壁上形成均匀、超薄的膜状结构，该膜状结构可提供足够大的表面积，从而使残留丙交酯单体充分挥发出来。另外，在本发明中，需要说明的是，每一个所述刮板4-7-2具有两个长边和两个短边，其中的一个短边与所述搅拌轴4-7-1相接触，另一个短边的边缘即为所述刮板4-7-2的“外缘”。

根据本发明，所述脱单体反应器IV还设置有聚乳酸熔体入口4-4、第一导热油入口4-5、第一导热油出口4-6、丙交酯单体出口4-8和聚乳酸成品出口4-9。

根据本发明，所述第二聚合反应器III的内部设置有脉动形变装置3-3。优选地，所述脉动形变装置3-3为由带螺旋槽的鱼雷体、线圈架和电磁绕组组成的一体结构。

根据本发明，图6是本发明第二聚合反应器III的示意图，如图6所示，所述第二聚合反应器III还设置有静态混合器3-8以及与所述静态混合器以及与所述静态混合器3-8相连接设置的循环泵3-6，该静态混合器3-8的设置能够提高聚合熔体与助剂混合效率；在本发明中，所述第二聚合反应器III还设置有熔体进料口3-1、熔体出料口3-5、第二导热油入口3-2和第二导热油出口3-7。

根据本发明，所述第一聚合反应器II的内部设置有搅拌装置，以及在所述第一聚合反应器II的外部设置有夹套。

（b）将PHA经PHA进料料斗进入所述双螺杆挤出机的一区；

（d）将所述PLA/PHA聚合熔体在纺丝装置VI中进行纺丝；

其中，所述PLA/PHA纤维的装置为前述所述的装置。

根据本发明，在步骤（c）中，所述聚乳酸熔体和所述PHA的重量比为（4-9）：1，优选为（5-8）：1；在本发明中，所述聚乳酸熔体和所述PHA的重量比限定为前述所述的范围之内，优点是纤维制品兼顾强度适中，韧性好。

优选地，所述聚乳酸熔体和所述PHA的进料速度比为（4-12）：1，优选为（4-9）：1，更优选为（5-8）：1；在本发明中，将所述聚乳酸熔体和所述PHA的进料速度比限定为前述所述的范围之内，优点是纤维制品兼顾强度适中，韧性好。

优选地，所述PHA为P34HB，即，聚3-羟基丁酸酯/4-羟基丁酸酯共聚物。

根据本发明，在步骤（c）中，所述接触的条件包括：温度为190-215℃；更优选地，温度为205-210℃。

根据本发明，所述一区的温度为185-195℃，所述四区的温度为195-205℃；优选地，所述一区的温度为185-190℃，所述四区的温度为195-200℃。

根据本发明，该方法还包括：在步骤（c）中，将所述聚乳酸熔体、所述PHA和助剂进行接触；其中，所述助剂包括成核剂和润滑剂；优选地，所述成核剂为癸二酸二苯基二酰肼和/或滑石粉；优选地，所述润滑剂为乙撑双硬脂酰胺和/或芥酸酰胺。

根据本发明，以所述PLA和所述PHA的总重量为基准，所述助剂为0.1-1重量%，优选为0.2-0.8重量%；优选地，以所述PLA和所述PHA的总重量为基准，所述成核剂为0.1-0.4重量%，优选为0.2-0.3重量%。在本发明中，将所述成核剂的组分和组分用量限定为前述所述范围之内，能够达到最优成核效果，提高耐热性。

根据本发明，优选地，以所述PLA和所述PHA的总重量为基准，所述润滑剂为0.2-0.5重量%，优选为0.2-0.4重量%。在本发明中，将所述润滑剂的组分和组分用量限定为前述所述范围之内，能够减少摩擦力，提高纤维表面光泽度。

根据本发明，所述助剂经辅助料斗进入所述双螺杆挤出机的五区；其中，所述五区的温度为185-195℃，优选地185-190℃。

根据本发明，所述双螺杆挤出机包括双螺杆电机、减速机、螺杆一区、螺杆二区、螺杆三区、螺杆四区、螺杆五区、螺杆六区、螺杆七区、螺杆八区、螺杆九区、螺杆十区、螺杆十一区、换网器、过渡短接、出料熔体泵、开车阀、机头水下切；优选地，所述双螺杆挤出机的直径为75-90mm，长径比（48-52）：1。

根据本发明，在步骤（d）中，所述纺丝的条件包括：纺丝温度230-240℃，组件压力10-12Mpa，侧吹风温度20-25℃，纺丝速度300-350m/min，拉伸温度135-145℃，拉伸倍数2-4倍，定型温度115-125℃，卷曲速度280-300m/min。

根据本发明，所述聚乳酸熔体的制备方法包括：

（1）将丙交酯在丙交酯熔融罐I中进行熔融处理，得到熔融态丙交酯；

（2）在催化剂和引发剂的存在下，将所述熔融态丙交酯和复合稳定剂在第一聚合反应器II进行第一聚合反应，得到第一熔体；

（3）将所述第一熔体通入第二聚合反应器III中进行第二聚合反应，得到第二熔体；

（4）在搅拌条件和激振力的共同作用下，将所述第二熔体通入脱单体反应器IV中进行脱单体反应。

根据本发明，图3是本发明制备PLA/PHA纤维的装置的示意图，如图3所示，所述聚乳酸聚合装置包括依次连接设置的丙交酯熔融罐I、第一聚合反应器II、第二聚合反应器III和脱单体反应器IV。

根据本发明，在步骤（a）中，所述熔融处理的条件包括：温度为90-100℃，时间为1-1.2h；优选地，温度为90-95℃，时间为1-1.1h。在本发明中，优选情况下，在连续地氮气的保护下，将丙交酯加入到丙交酯熔融罐I；其中，丙交酯可以为外消旋丙交酯，内消丙交酯、左旋丙交酯或右旋丙交酯，在本发明中，丙交酯购自Total Corbion PLA(Thailand) Ltd，商品名为Lumilact^®L，净重600kg，型号为L85，纯度为99.5%。

根据本发明，在步骤（b）中，所述催化剂为辛酸亚锡。在本发明中，选择本发明所限定的催化剂的优点是当单体与催化剂比例较高的情况下，具有转化率高、消旋化现象少，聚合物分子量高的特点。

根据本发明，所述引发剂为聚乙二醇和/或异辛醇，优选为聚乙二醇。在本发明中，选择本发明所限定的引发剂聚乙二醇的优点是丙交酯的聚合从聚乙二醇的端羟基开始反应，生产聚乙二醇-聚乳酸的两嵌段聚合物，聚乙二醇在聚合过程中产生较短的分子链，低的引发剂含量产生高的聚合物分子量，得到较高的聚合度。

根据本发明，在第一聚合反应中，本发明的发明人发现，在聚乳酸聚合过程中，由于PLA聚合过程中不可避免要受到热、氧、机械剪切等因素的影响，会发生热降解，使熔融黏度降低，引起最终制品物理性能降低。同时在聚合过程中也会产生氧化降解，氧化降解是一个具有链引发、链增长、链终止过程的自动氧化连锁反应，清除自由基和分解氢过氧化物是抑制聚合物氧化降解的基本途径。进一步，本发明的发明人发现，由于丙交酯存在热老化和热氧老化等副反应，导致得到的聚乳酸切片呈微黄色；通过添加复合稳定剂，能够将氢过氧化物分解成不活泼产物，抑止自动催化氧化过程，进一步地，在聚乳酸聚合过程中加入1-3‰的所述复合稳定剂，优选地为2‰的所述复合稳定剂。能够很好的改善所制备的聚乳酸切片的色泽，尤其是能够降低切片色泽中的b值，比现有常规聚乳酸切片降低78.0%。

在本发明中，在所述复合稳定剂的选择上，本发明的发明人发现，目前广泛采用的抗氧剂主要是受阻酚和亚磷酸酯两大类。在抗氧过程中，受阻酚捕捉聚合物过氧化自由基（ROO·）后变成氢过氧化物（ROOH），氢过氧化物对氧化降解具有自动催化作用，而受阻酚自身不能分解氢过氧化物，所以单独使用时难以达到理想的抗氧效果。亚磷酸酯的抗氧作用发生在磷原子上，它能够分解氢过氧化物，由三价磷变成稳定的五价磷，但由于它不具有捕捉自由基的能力，单独使用也不能够令人满意。而将两者混合使用，作为复配稳定剂，使其作用相互补充，由于组分之间的协同作用，使抗氧和其它多方面效能得到了最大发挥，其性能优于任何单一组分的抗氧剂。

在抗氧剂筛选上从加工稳定性、长效稳定性及色泽稳定性三个方面考虑，选择主抗氧剂和辅助抗氧剂的复配。

其中，所述主抗氧剂为受阻酚类抗氧剂，所述受阻酚类抗氧剂为四[β-(3,5-二叔丁基-4-羟基苯基)丙酸]季戊四(醇)酯（AT-10）和/或β-(3,5-二叔丁基-4-羟基苯基)丙酸十八酯（AT-76）。

其中，所述辅助抗氧剂为亚磷酸酯类抗氧剂，所述亚磷酸酯类抗氧剂为三(2,4-二叔丁基苯基)亚磷酸酯（AT-168）和/或双(2,4-二叔丁基苯基)季戊四醇二亚磷酸酯（AT-626）。

优选情况下，所述受阻酚类抗氧剂和所述亚磷酸酯类抗氧剂的重量比为1：（0.1-3）；更优选为1：（0.5-2）；更进一步优选为1:（1-2）进行复配。在本发明中，将所述受阻酚类抗氧剂和所述亚磷酸酯类抗氧剂按照前述所限定的范围进行复配，能够更好地改善所制备的聚乳酸切片的色泽，尤其是能够更好地降低切片色泽中的b值。

根据本发明，最优选情况下，所述受阻酚类抗氧剂和所述亚磷酸酯类抗氧剂具体复配如下：

（1）复合稳定剂是由AT-10与AT-168按质量比1:1复配，标记为CS-1；

（2）复合稳定剂是由AT-10与AT-626按质量比1:1复配，标记为CS-2；

（3）复合稳定剂是由AT-76与AT-168按质量比1:1复配，标记为CS-3；

（4）复合稳定剂是由AT-76与AT-626按质量比1:1复配，标记为CS-4；

（5）复合稳定剂是由AT-10与AT-168按质量比1:2复配，标记为CS-5；

（6）复合稳定剂是由AT-10与AT-626按质量比1:2复配，标记为CS-6；

（7）复合稳定剂是由AT-76与AT-168按质量比1:2复配，标记为CS-7；

（8）复合稳定剂是由AT-76与AT-626按质量比1:2复配，标记为CS-8；

（9）复合稳定剂是由AT-10与AT-168按质量比2:1复配，标记为CS-9；

（10）复合稳定剂是由AT-10与AT-626按质量比2:1复配，标记为CS-10；

（11）复合稳定剂是由AT-76与AT-168按质量比2:1复配，标记为CS-11；

（12）复合稳定剂是由AT-76与AT-626按质量比2:1复配，标记为CS-12。

在本发明中，将所述受阻酚类抗氧剂和所述亚磷酸酯类抗氧剂按照如上限定的进行复配，能够很好的改善聚乳酸切片的色泽，其色值中的b值最低为4.19，比现有常规聚乳酸切片降低78.0%；将残留的丙交酯单体含量控制在最低程度，最终得到的聚乳酸切片残留丙交酯单体含量为0.8‰，比现有常规工艺生产的聚乳酸切片降低80.5%。

根据本发明，丙交酯、所述催化剂、所述复合稳定剂和所述引发剂的用量的重量比为1：（0.002-0.005）：（0.001-0.002）：（0.008-0.01）；优选为1：（0.002-0.004）：（0.001-0.015）：（0.008-0.009）。在本发明中，更进一步优选地，将丙交酯、所述催化剂、所述复合稳定剂和所述引发剂的用量的重量比1：0.002：0.0015：0.008，能够得到成本与性能兼优的聚乳酸熔体。

根据本发明，在步骤（b）中，所述第一聚合反应的条件包括：温度为150-160℃，压力为50-53KPa，反应时间为3-3.2h；优选地，温度为155-160℃，压力为50-52KPa，反应时间为3-3.1h。

在本发明中，经所述第一聚合反应后，所得到的第一熔体的转化率高达50-55%。

根据本发明，在步骤（c）中，所述第二聚合反应的条件包括：温度为190-200℃，压力为6-6.5MPa，反应时间为1-1.2h；优选地，温度为195-200℃，压力为6-6.2MPa，反应时间为1-1.1h。

在本发明中，经所述第二聚合反应后，所得到的第二熔体的转化率高达95-97%。

另外，需要说明的是，在所述第二聚合反应中，由于熔体脉动形变装置和静态混合器相互作用，使得转化率得到提高。

根据本发明，在步骤（4）中，所述脱单体反应的条件包括：将所述第二次聚合反应后的熔体加入终止剂进行终止反应，其中，所述终止剂为亚磷酸和/或2-乙基辛酸；优选情况下，丙交酯与所述终止剂的用量质量比为1：（0.002-0.005），优选为1：（0.002-0.003）。

温度为210-215℃，压力为1-1.2KPa，反应时间为0.5-0.6h；搅拌速率为10-30rpm；振幅为0.15-0.3mm，振频为20-45Hz。在本发明中，在所述脱单体反应过程中，所述脱单体反应器IV中的所述电磁激振器4-1与通过振动传递盘与搅拌驱动电机4-2相连接以使所述搅拌驱动电机4-2进行轴向振动，能够有效地降低第二熔体中残留的丙交酯的含量，进而能够使得到的聚乳酸切片丙交酯含量较好地降低，另外，脱挥效率高，能够较好的改善聚乳酸切片的黄度。另外，所述搅拌轴4-7-1随所述电磁激振器4-1激振力的作用进行轴向振动，所述搅拌轴4-7-1上的所述刮板4-7-2也随着所述搅拌轴4-7-1振动发生周期性变化，将振动力场引入聚乳酸熔体，聚乳酸高黏度熔体通过该振动刮板，在内壁上形成均匀、超薄的膜状结构，该膜状结构可提供足够大的表面积，在生产过程中，使用所述脱单体反应器IV能够实现较大成膜面积和较快表面更新的结合，有助于提高熔体的分散混合，提高丙交酯单体挥发量，满足快速脱除单体的要求，能够将残留聚乳酸熔体的丙交酯单体含量控制在最低程度。

根据本发明，所述聚乳酸熔体的重均分子量为8万-25万，丙交酯单体含量为0.8-1.0‰，在2.16kg载荷下190℃的熔融指数6-27g/10min；优选地，所述聚乳酸的重均分子量为10万-25万，丙交酯单体含量为0.8-0.9‰，在2.16kg载荷下190℃的熔融指数8-27g/10min。

根据本发明，所述PLA/PHA纤维的重均分子量为8万-15万，细度为144-360D；优选地，重均分子量为8万-14万，细度为164-340D；更优选地，所述PLA/PHA纤维的重均分子量为11万-13.3万，细度为256D。另外，所述PLA/PHA纤维的拉伸强度为3.6-5.83cN/dtex，断裂伸长率为42.5-85%。

根据本发明，在所述PLA/PHA纤维中，PLA与PHA的重量比为（4-9）：1，优选为（5-8）：1。

以下实施例中和对比例中：

（1）力学性能测试

在发明中，拉伸强度和断裂伸长率采用智能电子拉力试验机准进行测试，仪器购自济南兰光机电电子有限公司，型号为XLW。

（2）重均分子量

在本发明中，重均分子量采用凝胶渗透色谱仪测试。

（3）原料来源

成核剂购自上海诚致化工有限公司；

润滑剂购自四川天宇油脂化学有限公司。

实施例1

本实施例在于说明采用本发明的装置和方法制备的PLA/PHA纤维。

如图2和图3所示：

（1）丙交酯熔融工序：在连续地氮气的保护下，将丙交酯加入到丙交酯熔融罐I中，在95℃下熔融1h，得到熔融态的丙交酯；

（2）第一次聚合反应工序：将熔融态的丙交酯通入第一次聚合反应器II，同时添加催化剂辛酸亚锡、开环聚合引发剂聚乙二醇、复合稳定剂CS-12（复合稳定剂CS-12是由AT-76与AT-626按质量比2:1复配），在温度为155℃，压力为50kPa，反应时间为3h的条件下进行第一次聚合反应，转化率达到55%。

（3）第二次聚合反应工序：将所述第一次聚合反应后的第一熔体通入第二次聚合反应器III，在温度为195℃，压力为6MPa，反应时间为1h的条件下进行第二次聚合反应，转化率达到95%。

（4）脱单体工序：将所述第二次聚合反应器内的第二熔体通入脱单反应器IV，并加入终止剂亚磷酸，进行脱单体反应，其中，激振器振幅A=0.15mm，振频f=25HZ，温度为210℃，压力为1KPa，反应时间为0.5h的条件下进行，最终得到的聚乳酸残留丙交酯单体含量为4.1‰；

（5）PLA/PHA在线改性工序：将脱单体工序得到的聚乳酸熔体通过熔体管道、进料泵注入双螺杆挤出机螺杆四区，PHA从双螺杆挤出机一区加入，成核剂癸二酸二苯基二酰肼重量为0.5%、润滑剂乙撑双硬脂酰胺重量为0.3%混合均匀后从双螺杆挤出机五区加入，并且，所述聚乳酸熔体和所述PHA的进料速度比为9：1；螺杆直径为75mm，长径比为52：1；在线共混改性温度205℃，最终得到PLA/PHA熔体，PLA：PHA重量比例为9：1；

（6）熔体纺丝工序：连续地将在线改性制得的PLA/PHA熔体经换网器、熔体泵导入纺丝箱，经牵伸、冷却、导丝等工序制得PLA/PHA纤维，具体工艺参数如下：纺丝温度230℃，组件压力10MPa，侧吹风温度25℃，纺丝速度300m/min，拉伸温度135℃，拉伸倍数2.5倍，定型温度115℃，卷曲速度290m/min。

制备的PLA/PHA纤维的性能如表2所示。

实施例2-12

实施例2-12在于说明采用本发明的装置和方法制备的PLA/PHA纤维。

按照与实施例1相同的装置和方法在线制备PLA/PHA纤维，所不同之处在于：将复合稳定剂CS-12进行替换，以及将步骤（4）中的条件进行修改，制备的条件如表1所示，制备的PLA/PHA的性能的测试结果如表2所示。

对比例1

如图1所示，采用“切片纺”制备PLA/PHA纤维；

（1）将实施例1脱单体得到的聚乳酸熔体经双螺杆挤出机水冷切粒、结晶干燥、冷却包装得到聚乳酸纤维树脂。

（2）将第一步得到的聚乳酸纤维树脂结晶干燥，然后与PHA混合均匀后加入双螺杆挤出机熔融改性，温度205～210℃，经水冷切粒、结晶干燥、冷却包装得到PLA/PHA纤维改性树脂。

（3）将第二步得到的PLA/PHA纤维改性树脂先干燥，然后进入单螺杆挤出机熔融塑化，熔体经换网器、熔体泵导入纺丝箱，经牵伸、冷却、导丝等工序制得PLA/PHA纤维，具体工艺参数如下：纺丝温度230℃，组件压力10Mpa，侧吹风温度25℃，纺丝速度300m/min，拉伸温度135℃，拉伸倍数2.5倍，定型温度115℃，卷曲速度290m/min，纤维规格256D。

（4）制备的PLA/PHA纤维作为测试样品和生产综合成本分析，结果参见表2。

对比例2-5

按照与实施例1相同的装置和方法在线制备PLA/PHA纤维，所不同之处在于：将其中的制备条件进行修改，制备的条件如表1所示，以及测试结果如表2所示。

表1

测试例1

取实施例1-12和对比例1-5样品，使用GPC测重均分子量，使用智能电子拉力机测拉伸强度和断裂伸长率，测试结果见表2所示。

表2

从表2能够看出：实施例1-12采用本发明的装置和方法制备的PLA/PHA纤维的产量介于0.25-0.3kg/h之间，并且，重均分子量介于112062-132368之间，拉伸强度介于3.6-5.83cN/dtex之间，断裂伸长率介于51-85%之间，生产成本3100元/吨，生产成本低。而对比例1-5制备的PLA/PHA纤维的重均分子量介于104081-110364之间，拉伸强度介于2.46-3.37cN/dtex之间，断裂伸长率介于41.9-50%之间，生产成本介于3150-5700元/吨，生产成本高。说明采用本发明的装置和方法制备的PLA/PHA纤维的品质好，力学性能好，且能够有效降低成本。

以上详细描述了本发明的优选实施方式，但是，本发明并不限于此。在本发明的技术构思范围内，可以对本发明的技术方案进行多种简单变型，包括各个技术特征以任何其它的合适方式进行组合，这些简单变型和组合同样应当视为本发明所公开的内容，均属于本发明的保护范围。

Claims

1.一种制备PLA/PHA纤维的装置，其特征在于，所述装置包括依次连接的聚乳酸聚合装置，PLA/PHA在线改性装置（V）和纺丝装置（VI）；

其中，所述聚乳酸聚合装置包括脱单体反应器（IV），所述脱单体反应器（IV）包括电磁激振器（4-1）、搅拌驱动电机（4-2）和搅拌驱动装置（4-7），且所述搅拌驱动电机（4-2）与所述搅拌驱动装置（4-7）相连接以对搅拌轴（4-7-1）的搅拌频率进行调控，以及所述电磁激振器（4-1）通过振动传递盘与搅拌驱动电机（4-2）相连接以使所述搅拌驱动电机（4-2）进行轴向振动；

其中，所述搅拌轴（4-7-1）上设置有多个刮板（4-7-2）；在以所述搅拌轴（4-7-1）上任一点为中心的水平面上，多个所述刮板（4-7-2）以36°-180°角度间隔地沿所述搅拌轴（4-7-1）的周向设置；在以所述搅拌轴（4-7-1）为中心的垂直面上，多个所述刮板（4-7-2）以5-8cm间隔层叠地沿所述搅拌轴（4-7-1）的轴向设置；

其中，所述刮板（4-7-2）的外缘与所述脱单体反应器（IV）的内壁的间距为1-3cm；

其中，所述PLA/PHA在线改性装置（V）包括双螺杆挤出机、PHA进料料斗和聚乳酸熔体管道，且所述PHA进料料斗与所述双螺杆挤出机的一区相连接，所述聚乳酸熔体管道与所述双螺杆挤出机的四区相连接。

2.根据权利要求1所述的装置，其中，所述PLA/PHA在线改性装置（V）还包括辅助料斗，且所述辅助料斗与所述双螺杆挤出机的五区相连接。

3.根据权利要求1或2所述的装置，其中，所述聚乳酸聚合装置包括依次连接的丙交酯熔融罐（I）、第一聚合反应器（II）、第二聚合反应器（III）和脱单体反应器（IV）。

4.根据权利要求1或2所述的装置，其中，所述脱单体反应器（IV）还设置有聚乳酸熔体入口（4-4）、第一导热油入口（4-5）、第一导热油出口（4-6）、丙交酯单体出口（4-8）和聚乳酸成品出口（4-9）。

5.根据权利要求3所述的装置，其中，所述第二聚合反应器（III）的内部设置有脉动形变装置（3-3）。

6.根据权利要求5所述的装置，其中，所述脉动形变装置（3-3）为由带螺旋槽的鱼雷体、线圈架和电磁绕组组成的一体结构。

7.根据权利要求5所述的装置，其中，所述第二聚合反应器（III）还设置有静态混合器（3-8）以及与所述静态混合器（3-8）相连接设置的循环泵（3-6）。

8.根据权利要求5所述的装置，其中，所述第二聚合反应器（III）还设置有熔体进料口（3-1）、熔体出料口（3-5）、第二导热油入口（3-2）和第二导热油出口（3-7）。

9.根据权利要求3所述的装置，其中，所述第一聚合反应器（II）的内部设置有搅拌装置，以及在所述第一聚合反应器（II）的外部设置有夹套。

10.一种在线制备PLA/PHA纤维的方法，其特征在于，该方法在制备PLA/PHA纤维的装置中进行，该方法包括：

（b）将PHA经PHA进料料斗进入所述双螺杆挤出机的一区；

（d）将所述PLA/PHA聚合熔体在纺丝装置（VI）中进行纺丝；

其中，所述PLA/PHA纤维的装置为权利要求1-9中任意一项所述的装置。

11.根据权利要求10所述的方法，其中，在步骤（c）中，所述聚乳酸熔体和所述PHA的重量比为（4-9）：1。

12.根据权利要求11所述的方法，其中，所述聚乳酸熔体和所述PHA的重量比为（5-8）：1。

13.根据权利要求10所述的方法，其中，所述聚乳酸熔体和所述PHA的进料速度比为（4-12）：1。

14.根据权利要求13所述的方法，其中，所述聚乳酸熔体和所述PHA的进料速度比为（4-9）：1。

15.根据权利要求14所述的方法，其中，所述聚乳酸熔体和所述PHA的进料速度比为（5-8）：1。

16.根据权利要求10所述的方法，其中，所述PHA为聚3-羟基丁酸酯/4-羟基丁酸酯共聚物。

17.根据权利要求10所述的方法，其中，在步骤（c）中，所述接触的条件包括：温度为190-215℃。

18.根据权利要求17所述的方法，其中，所述接触的条件包括：温度为205-210℃。

19.根据权利要求17所述的方法，其中，所述一区的温度为185-195℃。

20.根据权利要求17所述的方法，其中，所述四区的温度为195-205℃。

21.根据权利要求10-20中任意一项所述的方法，其中，该方法还包括：在步骤（c）中，将所述聚乳酸熔体、所述PHA和助剂进行接触，其中，所述助剂包括成核剂和润滑剂。

22.根据权利要求21所述的方法，其中，所述助剂经辅助料斗进入所述双螺杆挤出机的五区。

23.根据权利要求22所述的方法，其中，所述五区的温度为185-195℃。

24.根据权利要求21所述的方法，其中，所述成核剂为癸二酸二苯基二酰肼和/或滑石粉。

25.根据权利要求21所述的方法，其中，所述润滑剂为乙撑双硬脂酰胺和/或芥酸酰胺。

26.根据权利要求21所述的方法，其中，以所述PLA和所述PHA的总重量为基准，所述助剂为0.1-1重量%。

27.根据权利要求21所述的方法，其中，以所述PLA和所述PHA的总重量为基准，所述成核剂为0.1-0.4重量%，所述润滑剂为0.2-0.3重量%。

28.根据权利要求10所述的方法，其中，在步骤（d）中，所述纺丝的条件包括：纺丝温度230-240℃，组件压力10-12MPa，纺丝速度300-350m/min，拉伸温度135-145℃，拉伸倍数2-4倍，定型温度115-125℃，卷曲速度280-300m/min。

29.权利要求10-28中任意一项所述的方法制备得到的PLA/PHA纤维。

30.根据权利要求29所述的纤维，其中，所述PLA/PHA纤维的重均分子量为8万-15万。

31.根据权利要求29所述的纤维，其中，所述PLA/PHA纤维的拉伸强度为3.6-5.83cN/dtex。

32.根据权利要求29所述的纤维，其中，在所述PLA/PHA纤维中，PLA与PHA的重量比为4-9：1。