CN117659451A

CN117659451A - 一种聚乳酸色母粒的制备方法及其在原液着色红色pla纤维纺丝中的应用

Info

Publication number: CN117659451A
Application number: CN202311640966.7A
Authority: CN
Inventors: 谢艳霞; 朱俊杰; 刘玉婷; 徐亚宁; 左红梅; 汪自超; 李强; 邹梨花; 许世伟
Original assignee: Anhui Polytechnic University
Current assignee: Anhui Polytechnic University
Priority date: 2023-12-04
Filing date: 2023-12-04
Publication date: 2024-03-08

Abstract

本发明公开了一种聚乳酸色母粒的制备方法及其在原液着色红色PLA纤维纺丝中的应用，属于纤维生产技术领域。本发明将聚乳酸切片与聚乳酸色砂按照质量比混合，通过挤出造粒得到聚乳酸色母粒。然后将所得聚乳酸色母粒按比例加入聚乳酸切片中，通过熔融纺丝机纺丝，得到原液着色聚乳酸纤维材料。本发明通过原液着色处理技术，改善了聚乳酸纤维材料的强度、耐热性和加工性能，提高了其在实际应用中的可塑性和实用价值。

Description

一种聚乳酸色母粒的制备方法及其在原液着色红色PLA纤维纺丝中的应用

技术领域

本发明属于纤维生产技术领域，尤其涉及一种聚乳酸色母粒的制备方法及其在原液着色红色PLA纤维纺丝中的应用。

背景技术

随着环保意识的增强和纺织品消费者的需求多样化，可降解生物材料中一种重要的高性能材料——聚乳酸(PLA)应运而生。聚乳酸是一种聚酯类聚合物，以可再生的植物资源如玉米、小麦、秸秆等废弃资源为原料制成，它具有优异的机械性能和物理性能，适用于各种吹塑、热塑等加工方法，加工便利且应用广泛。聚乳酸同时也具有很好的生物可降解性，它可以被自然界中的微生物完全降解，进而生成二氧化碳和水，不会造成环境污染，是国际公认的环境友好型材料。PLA纤维作为环保的生物可降解的高分子材料，因具有很好的生物相容性和良好的加工性能，近年来得到了广泛的研究和应用。然而，纯PLA纤维材料具有极低的强度和韧性，且常常表现出较低的耐热性和抗温度变形能力，并且PLA纤维染色困难，制约了其在实际中的应用。PLA纤维染色存在以下问题和难点：(1)染色稳定性较差：PLA纤维与水之间的亲和力较弱，导致染色稳定性差，容易发生脱色和退色的现象；(2)纤维表面的光滑度和亲水性较低：这些特性使得染色剂难以在纤维表面均匀渗透和定位，从而影响染色效果，使染色不均匀甚至出现空白区；(3)选择合适的染料和助剂难度较大：PLA只对分散染料有亲和性，但亲和性弱于涤纶，用高温高压染色法和载体染色法进行染色时，染色深度和牢度要弱于涤纶；(4)染料在PLA纤维上的固定难度较大：染色后染料在纤维表面的固定性不够稳定，容易被洗掉或褪色，严重影响了染色效果和色牢度；(5)纤维本身结构的复杂性：PLA纤维本身的结构比较复杂，具有天然的结晶形态和非晶形态，对染料的吸附和扩散等过程也具有很大的影响，因此需要对PLA纤维的结构和性质进行深入的研究和探索；(6)染色技术和设备的改进：PLA纤维的染色需要借助先进的染色技术和设备，而目前的技术和设备仍有待完善。例如，高温高压染色法需要大量的水和电能，对环境造成较大的压力，而载体染色法则需要寻找合适的载体材料和优化染色工艺等。总的来说，聚乳酸纤维染色存在的问题和难点不容忽视，需要在染料、助剂、染色工艺和设备等方面进行进一步的研究和改进，以提高PLA纤维染色的效果和稳定性，推动PLA纤维的应用发展。因此，探究高质量、低成本的染色技术对于加快聚乳酸纤维的应用和推广至关重要。

原液着色作为一种新兴的染色方法，可以提高材料色彩一致性和稳定性，并且具有绿色环保的特点，PLA材料的原液着色处理技术有望为其在纺织领域的应用带来更多的可能性。原液着色技术向高端产品推广的瓶颈问题是色母粒的过滤性差，其关键因素是颜料的分散性影响色母粒的过滤性。

发明内容

针对上述现有技术中存在的问题，本发明提出了一种聚乳酸色母粒的制备方法及其在原液着色红色PLA纤维纺丝中的应用。制备的色母粒中颜料具有良好的分散性，避免了色母粒中较大团聚体的形成，从而提高了色母粒的过滤性能。将色母粒应用于原液着色处理技术制备PLA纤维材料时，可以改善PLA纤维材料着色不均的问题，同时也在一定程度上提高了纤维材料的强度、耐热性和加工性能，提高其在实际应用中的可塑性和实用价值。

为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：

技术方案一：一种聚乳酸色母粒的制备方法，包括以下步骤：将纤维基聚乳酸切片与聚乳酸色砂机械搅拌混合，然后投入挤出机中循环挤出混匀两次，最后挤出成型、冷却、切粒，得到聚乳酸色母粒。

进一步地，所述聚乳酸切片为聚乳酸粒料；所述聚乳酸色砂为颜料红4824聚乳酸微胶囊色砂。

进一步地，所述纤维基聚乳酸切片与聚乳酸色砂的质量比为1∶1。

进一步地，所述聚乳酸色母粒中颜料含量为25％。

进一步地，所述挤出机的工艺参数为：温度170-180℃，优选175±5℃。

技术方案二：一种利用上述制备方法制备得到的聚乳酸色母粒。

技术方案三：一种聚乳酸纤维材料，以所述聚乳酸色母粒和聚乳酸切片作为原料进行纺丝。

技术方案四：一种聚乳酸纤维材料的制备方法，包括以下步骤：将聚乳酸切片与聚乳酸色母粒干燥后混合，然后在熔融纺丝机中纺丝，得到聚乳酸原液着色丝，即原液着色聚乳酸纤维材料。

进一步地，所述聚乳酸色母粒的添加量为聚乳酸切片质量的0-2.5％。优选为0％、0.5％、1％、1.5％、2％、2.5％。聚乳酸色母粒含量在2％以内，颜料分散性较好，超过2.5％时，纤维内部会出现颜料团聚现象，因此优选范围为0-2％。

进一步地，所述纺丝参数为：温度为225±5℃，N₂压力700-1000kPa，收丝转速≥200rpm。纺丝温度达到200℃以上喷丝头才会开始出料，未达到230±10℃会出现熔滴，此时可适当加温加压。压力优选700-800kPa，更优选为800kPa，收丝转速优选为200rpm。

本发明还提供一种利用上述制备方法制备得到的原液着色聚乳酸纤维材料。

原液着色纺丝是指在聚合物合成时、纺丝前或纺丝时将染料加入到聚合物溶液中，再将有色聚合物纺成有色纤维的方法。

色母粒着色法是将聚合物和染料经过混合、挤出、切粒等步骤，制成均匀颜色的色母粒。在纺丝过程中，根据需要将色母粒加入聚合物熔体中，使其均匀分散，最终纺出有色纤维。色母粒着色法可以实现颜色精准调配，易于更换颜色，对纺丝设备污染更少，易清洗，另外色母粒中还可以添加功能填料，增加纤维的功能性能。

与现有技术相比，本发明具有如下优点和技术效果：

本发明采用聚乳酸色砂，其与聚乳酸具备很好的相容性，将聚乳酸色砂和聚乳酸切片混合后在挤出机中循环混匀，再挤出成型，可制备颜料均匀分散度高、浓度高的聚乳酸母粒。

聚乳酸色砂采用聚乳酸微胶囊色砂，内部颜料分子为纳米级，比表面积较大，容易团聚，微胶囊对颜料分子进行了包覆，同时微胶囊中还含有聚乙烯蜡和分散助剂，进一步避免了颜料分子的团聚现象，从而提高了颜料在聚乳酸母粒中的分散度。

本发明以聚乳酸切片与聚乳酸色砂为原料制备所需的色母粒，然后将所得聚乳酸色母粒添加到聚乳酸切片中，通过改变色母粒的添加量控制所得PLA纤维的颜料含量。发现：(1)制备PLA色母粒的适宜温度为175±5℃。温度继续升高，物料熔融不成条；温度低于此范围，物料难以挤出。(2)纺丝适宜的温度为225±5℃。温度≥200℃时，喷丝头喷出物料；温度≥230℃会出现熔滴大幅滴落；(3)纺丝压力为700-800kPa，可根据PLA混料流动情况在700-1000kPa内调整；(4)收丝转速大于200rpm，可根据纤维细度在100～600内调整；(5)颜料含量为25％的色母粒添加含量低于1.5％时，肉眼观察下几乎不显红色，低于2.5％肉眼观察呈淡粉色，但难以拍摄呈现，不过持续增加色母粒含量会降低纤维的力学性能。故实际生产过程中，在保证色母粒品质的前提下，在制备色母粒的工艺中应尽量提高其颜料含量，纺丝时减小色母粒的添加量，以降低色母粒对纤维性能的影响。

附图说明

构成本申请的一部分的附图用来提供对本申请的进一步理解，本申请的示意性实施例及其说明用于解释本申请，并不构成对本申请的不当限定。在附图中：

图1为本发明聚乳酸色母粒制备工艺流程图；

图2为本发明聚乳酸原液着色丝制备工艺流程图；

图3为本发明实施例1制备的聚乳酸色母粒的切面形貌，其中：(c)为整体形貌；(a)、(b)、(d)均为局部放大图；

图4为本发明实施例1中聚乳酸切片及聚乳酸色母粒的特性粘度；

图5为本发明实施例1中聚乳酸切片及聚乳酸色母粒的DSC曲线，其中：(a)为升温曲线；(b)为降温曲线；

图6为本发明实施例1中聚乳酸切片及聚乳酸色母粒的TG和DTG曲线；

图7为本发明实施例1中聚乳酸切片及聚乳酸色母粒的熔体流动速率；

图8为本发明实施例1制备的聚乳酸纤维材料表面形貌，其中，聚乳酸色母粒添加量分别为(a)0％、(b)0.5％、(c)1％、(d)1.5％、(e)2％、(f)2.5％；

图9为高清CCD测量显微镜放大五倍观察下本发明实施例1制备的聚乳酸纤维表面形貌，其中：聚乳酸色母粒添加量分别为(a)0％、(b)0.5％、(c)1％、(d)1.5％、(e)2％、(f)2.5％；

图10为扫描电镜观察下本发明实施例1制备的聚乳酸纤维表面形貌，其中：(a)、(b)为纯PLA纤维表面形貌；(c)、(d)为原液着色PLA纤维表面形貌；

图11为本发明实施例1制备的不同聚乳酸色母粒掺杂的聚乳酸纤维的单纤线密度；

图12为本发明实施例1制备的原液着色聚乳酸纤维的断裂强度(a)和断裂伸长率(b)。

具体实施方式

现详细说明本发明的多种示例性实施方式，该详细说明不应认为是对本发明的限制，而应理解为是对本发明的某些方面、特性和实施方案的更详细的描述。

应理解本发明中所述的术语仅仅是为描述特别的实施方式，并非用于限制本发明。另外，对于本发明中的数值范围，应理解为还具体公开了该范围的上限和下限之间的每个中间值。在任何陈述值或陈述范围内的中间值以及任何其他陈述值或在所述范围内的中间值之间的每个较小的范围也包括在本发明内。这些较小范围的上限和下限可独立地包括或排除在范围内。

除非另有说明，否则本文使用的所有技术和科学术语具有本发明所述领域的常规技术人员通常理解的相同含义。虽然本发明仅描述了优选的方法和材料，但是在本发明的实施或测试中也可以使用与本文所述相似或等同的任何方法和材料。本说明书中提到的所有文献通过引用并入，用以公开和描述与所述文献相关的方法和/或材料。在与任何并入的文献冲突时，以本说明书的内容为准。

在不背离本发明的范围或精神的情况下，可对本发明说明书的具体实施方式做多种改进和变化，这对本领域技术人员而言是显而易见的。由本发明的说明书得到的其他实施方式对技术人员而言是显而易见的。本申请说明书和实施例仅是示例性的。

关于本文中所使用的“包含”、“包括”、“具有”、“含有”等等，均为开放性的用语，即意指包含但不限于。

本发明中所述的“室温”如无特别说明，均按25±2℃计。

本发明以下实施例所用实验原料和设备如表1和表2。

表1实验原料

表2实验设备与仪器

以下实施例作为本发明技术方案的进一步说明。

本发明使用的聚乳酸微胶囊色砂中，含有颜料、聚乙烯蜡和分散助剂等添加剂。

实施例1

1、试样的制备：

(1)制备聚乳酸色母粒

使用DZF-6020型真空干燥箱，将在60℃的环境下干燥8h的颜料红4824聚乳酸微胶囊色砂与聚乳酸切片按质量比1∶1的比例混合，并在电动搅拌下混合均匀，加入SJZS-10A型微型双螺杆挤出机中，在170℃下经过2次循环工艺熔融剪切混合均匀，，挤出成条冷却后切粒，得到颜料含量25％的聚乳酸色母粒(流程图参见图1)。

(2)制备原液着色聚乳酸纤维

纺丝前用DZF-6020型真空干燥箱将制备的聚乳酸色母粒与聚乳酸切片在60℃的环境下干燥8h，然后与聚乳酸切片混合均匀，按照不同添加量(聚乳酸色母粒添加量为聚乳酸切片质量的0％、0.5％、1％、1.5％、2％、2.5％)分为六组，加入M12型熔融纺丝机纺得聚乳酸原液着色丝，聚乳酸切片及母粒的质量约为100g，纺丝料筒温度设为230℃，N₂压力设为800kPa，收丝转速设为200rpm(流程图参见图2)。

(3)制备聚乳酸色板

使用SZS-20型微型注塑机，设定模板区温度为50℃，注射区温度190℃，注射时间一、二分别设置为5s、2s，将制备得到的聚乳酸色母粒熔融注塑为厚度为2mm的标准色板，用于后续性能测试。

2、表征与测试

1)颜料分散程度

使用扫描电镜观察PLA色母粒横截面中颜料颗粒的形态，使用GP-300C型高清CCD测量显微镜和扫描电镜观察PLA原液着色丝的表面形貌。使用扫描电镜前需先用液氮脆断色母粒及PLA纤维制样，然后再进行喷金处理。

2)特性黏度

采用乌氏粘度计法测试PLA的特性粘度。乌氏粘度计的毛细管直径为0.5-0.6mm，测试温度(25±0.1)℃，溶剂为苯酚-四氯乙烷(质量比为3∶2)，计算公式如式(1)所示。

式中：相对粘度t₀为测试溶剂的流出时间，t为测试样品的流出时间；增比粘度η_sp＝η_r-1。

3)示差扫描量热(DSC)

从色板上刮取5mg试样，在N₂流速30mL/min的氛围下，从25℃升温至250℃，速度为10℃/min，保持2min后再降温至40℃，速度为10℃/min，记录第1次降温曲线；再次以10℃/min升温至250℃，记录第2次升温曲线后自然降至室温。

4)热失重(TG)及DTG

从色板上刮取10mg试样放入坩埚内，在N₂流速50mL/min的氛围下，以10℃/min的升温速率从25℃升至700℃，记录热失重曲线。

5)熔体流动速率(MFR)

按照GB/T3682.2-2018《塑料热塑性塑料熔体质量流动速率(MFR)和熔体体积流动速率(MVR)的测定》使用WKT-400型熔体流动速率仪测试熔体流动速率，与空白组比较熔体流动性及挤出成型效果。计算公式如式(2)所示。

式中：m为样条质量的平均值，g；t为切取样条的时间间隔，s。

6)PLA原液着色丝线密度

卷绕着色丝100m，称量重量，最后按公式计算着色丝的线密度。计算公式如式(3)所示。

tex＝(g/L)×1000 (3)

式中：tex为纤维线密度，tex；g为单丝的质量，g；L为纤维的长度，m。

7)纤维力学性能

使用YG(B)001A型电子单纤维强力机，按照GB/T14344—2022《化学纤维长丝拉伸性能试验方法》标准测试方法测试纤维的断裂强力和断裂伸长率，夹距设定为10mm，起拉力值10cN，速度20mm/min，预加张力0.2cN。

3、结果与分析

3.1红色PLA色母粒性能及分析

3.1.1颜料分散性能

颜料颗粒根据大小分为原生颗粒、凝聚体和团聚体三种状态，颜料原生颗粒或凝聚体吸附变大成团聚体的过程也称作团聚。颜料颗粒越小，比表面积越大，越容易吸附在一起变成更大的颜料颗粒，团聚效果越强。

因为纳米颜料颗粒的比表面积大、团聚效应强，在色母粒制备过程中，颜料颗粒容易团聚成更大的颜料团聚体，导致色母粒中的颜料颗粒比加入时更大，加分散剂可减弱颜料颗粒的团聚效应，提高颜料的分散程度。

图3为红色PLA色母粒的切面形貌，从图3(c)色母粒切面结构整体形貌及其放大图(a)和(b)可以看出，母粒断面较为规整，无明显缺陷区域，颜料红色粉与PLA树脂基体相容性好，颜料分散较为均匀；但由图3(c)及其局部放大图(d)可以看出，色母粒中也存在少量颜料分散不均匀现象。表明色母粒的二次挤出循环混匀工艺有效提高了颜料的分散均匀性。

3.1.2特性黏度

图4为PLA切片和红色PLA色母粒的特性粘度。可以看出，PLA切片和红色PLA色母粒的特性粘度分别为1.357dl/g和0.634dl/g，相对于PLA切片，红色PLA色母粒的特性粘度下降了53.28％。

特性黏度是表征聚合物分子量的重要指标，通常情况下，聚合物分子量越高，分子链之间相互缠结作用越大，溶液的分子间作用力越高，其溶液粘度及特性粘度也越高。本发明中红色PLA色母粒特性粘度明显下降，分析认为，可能是色母粒中的颜料、聚乙烯蜡和分散助剂等添加剂混合到PLA切片中，会综合降低色母粒的PLA分子间作用力，从而降低其特性粘度。

进一步分析，色母粒中颜料的主要成分为纳米级有机颜料单偶氮钙盐色淀，因其强大的比表面积，用量较少时，与PLA大分子形成较强的作用力，使大分子形成物理交联，提高PLA分子间作用力，提高特性粘度；当用量较大时，颜料颗粒在PLA大分子间形成隔离，减小PLA分子的缠结等分子作用力。色母粒中的聚乙烯蜡是一种非极性有机烃类化合物，分子间作用力较小，且分子量相对较低，在PLA分子中形成隔离，减小了PLA分子间的作用力，降低特性黏度。分散助剂通常是表面活性剂，促使颜料更好地分散在PLA中，颜料分散越好，通常对PLA分子可以影响PLA分子形成隔离作用，降低特性粘度。

3.1.3示差扫描量热(DSC)

图5是PLA切片及红色PLA色母粒的DSC曲线。由图5中的(a)升温曲线可知，PLA切片有两个明显的共融熔融峰，PLA色母粒有一个明显的熔融峰，其熔点T_m为163.74℃左右。相比PLA切片，PLA色母粒的熔融峰减少，可能是色母粒制备过程中，在挤出机高温剪切作用条件下，颜料与PLA基体均匀混合，且纳米颜料易作为成核剂，改变了PLA大分子的结晶性能，形成163.74℃的熔融峰。因此，色母粒的加工过程改变了PLA基体树脂的结晶性能。

由图5中的(b)降温曲线可知，PLA切片没有出现结晶峰，而色母粒在112.68℃出现明显的结晶峰。分析认为，冷结晶是分子链重新规整排列导致结晶的经典现象，在冷却条件下，PLA切片冷却后固化为非无定形(非晶)结构，PLA色母粒存在的纳米颜料作为成核剂促进了PLA基体的结晶。

3.1.4热失重(TG)及DTG

图6是PLA切片及红色PLA色母粒的TG和DTG曲线。由TG曲线可知，PLA切片经历一个阶段的重量损失，重量损失率为99.99％，其初始分解温度为318.38℃，终止温度为363.77℃；色母粒经历三个阶段的重量损失。由DTG曲线可知，PLA切片的最大热分解温度T_max为347.18℃左右，色母粒的最大热分解温度T_max为289.43℃和436.25℃左右。分析认为，PLA切片在347.18℃左右的失重是PLA基体大分子降解，色母粒三个阶段的失重分别可能是聚乙烯蜡等颜料分散剂、PLA基体、颜料等成分。进一步分析，相对PLA切片，色母粒的PLA基体大分子的失重温度下降，这可能是由于色母粒制备工艺中的高温处理致使PLA大分子热老化形成。

因此，由TG测试曲线可以得到，应将纺丝温度参数设置在起始热分解温度247.42℃以下，防止PLA在纺丝过程中热降解。

3.1.5熔体流动速率(MFR)

图7为PLA切片及红色PLA色母粒的熔体流动速率。可以看出，PLA切片的MFR为9.5g/10min，红色PLA色母粒的MFR为23.6g/10min，色母粒的熔体流动速率比PLA切片高，这是因为PLA色母粒中添加的分散剂、增塑剂、颜料等成分以及高温工艺的影响，都会导致PLA色母粒的熔体流动速率比PLA切片高。

原液着色的均匀性受由色母粒和聚合物之间的扩散性能影响。为了研究色母粒的性能，需要对其扩散性能进行表征。常用指标是熔体流动速率MFR，它可以表征色母粒的流动性能。MFR值越大，熔体的流动性越好，与聚合物熔体共混时的扩散性和分散性能越好，从而使得原液着色的均匀性更好。在进行原液着色时，色母粒的MFR值需要高于所使用的聚合物的MFR值，才能确保颜料能够均匀地分散在聚合物中。本发明中红色PLA色母粒MFR明显上升，分析认为，可能是色母粒中添加的分散剂和增塑剂导致PLA分子链的排列和构型改变，进而提高了其熔体流动性能。

进一步分析，色母粒中的分散剂可以使颜料在物料熔融状态下均匀分散在PLA分子间，改善PLA的物理性能。而色母粒中的增塑剂会促进PLA分子链交错，降低聚乳酸的软化点，使得熔体剪切力减小，从而提高其熔体流动性能。颗粒细小、均匀分布的颜料能够增加塑料熔融物的表面积，使其在熔融状态下更容易流动，并且，PLA色母粒的熔体流动速率受温度的影响较大，在生产PLA色母粒时，通常需要经过高温混合和加工过程，这会导致PLA分子链之间的物理、化学连接变弱，因此导致熔体流动速度比PLA切片高。

3.2红色PLA纤维性能及分析

3.2.1颜料分散性能

图8为纯PLA纤维和原液着色PLA纤维的表面形貌；图9是高清CCD测量显微镜观查下的PLA纤维表面形貌。由图8可以看出，肉眼观察下不同色母粒添加量(0％、0.5％、1％、1.5％、2％、2.5％)的六组纤维颜色大体上逐渐加深，由白色渐渐向粉色转变。由图9可以看出，高清CCD测量显微镜观察下的色母粒添加量为0.5％、1％的两组与纯PLA纤维相比并无明显差异，但从色母粒添加量为1.5％组往后，纤维内部开始出现明显红色颜料，贯穿整条纤维，这说明颜料在纺丝过程中分散较好，但色母粒添加量为2.5％组部分纤维内部出现颜料团聚现象，可能是随着色母粒添加含量的上升，颜料变得更易团聚。

图10为扫描电镜观察下的纯PLA纤维和原液着色PLA纤维的表面形貌。由图10中的(a)可知，纯PLA纤维的表面有横纹，可能是纺丝过程中牵伸速率小，取向度低，且牵伸后冷却过程中纤维未受力导致其呈收缩状；从图10中的(b)可以看出，纯PLA纤维的表面略有一些颗粒，可能是杂质或者纺丝时仪器中的残余聚合物粒子。由图10中的(c)可知，原液着色PLA纤维的表面同样有横纹，但从与图10中的(b)同样放大倍率1.0k的图10中的(d)可以看出，纤维表面存在的不规则凸起和颗粒很少，不规则凸起和颗粒应该是纤维中的靠近喷丝孔的颜料颗粒在经过喷丝孔时影响PLA熔体出成型或者嵌于纤维表面导致的，这说明颜料在纺丝过程中分散较好，故纤维表面较为平滑。

3.2.2PLA纤维线密度

图11为纯PLA纤维和原液着色PLA纤维的单纤线密度。由图11可以看出，在其余实验条件相同的情况下，与纯PLA纤维相比，原液着色PLA纤维的线密度均下降50％以上，这与加入色母粒后PLA的熔体流动性上升有关，随着PLA的熔体流动性上升，纺丝喷丝孔的挤出速度加快，原液着色PLA纤维的线密度变小。

3.2.3纤维力学性能

图12为纳米颜料原液着色PLA纤维的断裂强度和断裂伸长率，可以表示不同含量的纳米颜料对原液着色PLA纤维的拉伸性能的影响。由图12中的(b)可知，在纺丝温度和牵伸速度等条件不变的情况下，比起纯PLA纤维，添加不同含量色母粒的PLA着色丝断裂伸长率均有不同程度的下降，分析认为，可能是PLA添加色母粒进行原液着色后影响了PLA的分子量以及晶态和非晶态区域的分布，从而影响了纤维的力学性能。

进一步分析，色母粒中的颜料颗粒、分散剂、增塑剂等成分都是小分子，使得PLA纺丝流动性变强，黏度下降，从而降低了纤维的断裂伸长率。

从图12中的(a)可以看出，随着色母粒含量的增加，原液着色PLA纤维的断裂强度呈先上升再下降的态势，但比起纯PLA纤维均有所上升。这是由于纳米颜料的添加导致聚合物模量增大，故断裂强度上升。

总体来说，纤维的断裂强度和断裂伸长率在色母粒添加量为0-1％含量范围内变化幅度最大，色母粒添加量从1％往后纤维的断裂强度和断裂伸长率呈上下波动态势，纤维力学性能变化较为稳定。

3.3小结

色母粒相对于PLA切片黏度下降，流动性变强，熔点变低，热稳定性变差，制备色母粒的最佳工艺温度范围为170-180℃，纺丝的最佳工艺温度为230℃，颜料含量为25％的色母粒纺丝添加量最好在1％以内。

综上，本发明针对PLA纤维染料上色环保性较差，不利于双碳目标达成的问题，基于环保性突出的PLA原液着色工艺制备了红色母粒用于PLA纺丝，探究红色PLA母粒及PLA纤维的分散、加工、力学及热学等性能，研究PLA纤维材料在不同成分比例下的性能变化规律。

首先自制纺丝所需的色母粒，通过改变色母粒的添加量控制PLA纤维的颜料含量，探索颜料成分对纤维性能的影响规律，并对制备出的色母粒的加工性能、PLA纤维的力学性能进行表征分析，研究色母粒着色法对PLA纤维强度、耐热性和加工性能等的影响，通过研究找出原液着色颜料的适宜含量。通过实验研究得出以下几点结论：

(1)制备PLA色母粒的适宜温度为170℃左右；

(2)纺丝适宜的温度为230℃，但收丝转速应大于200RPM；

(3)颜料含量为25％的色母粒添加含量低于1.5％肉眼观察下几乎不显红色，低于2.5％肉眼观察呈淡粉色但难以拍摄呈现，不过持续增加色母粒含量会降低纤维的力学性能。故实际生产过程中，在保证色母粒品质的前提下，在制备色母粒的工艺中应尽量提高其颜料含量，纺丝时减小色母粒的添加量，以降低色母粒对纤维性能的影响。

对比例1

同实施例1，区别在于，颜料红4824聚乳酸微胶囊色砂与聚乳酸切片分别按质量比50∶50、60∶40、70∶30比例混合。

结果发现：当色砂与聚乳酸切片的质量比为50∶50时，色砂在色母粒及纤维的分散均匀性、纤维的力学性能及连续可纺性均较好；当色砂与聚乳酸切片的并用比例为60∶40和70∶30时，色砂在色母粒及纤维的分散均匀性、纤维的力学性能及连续可纺性均变差。色砂在色母粒中的含量及色母粒在纺丝物料的占比对纤维着色和可纺性能会形成较大的影响。

以上，仅为本申请较佳的具体实施方式，但本申请的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本申请揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本申请的保护范围之内。因此，本申请的保护范围应该以权利要求的保护范围为准。

Claims

1.一种聚乳酸色母粒的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：将纤维基聚乳酸切片与聚乳酸色砂机械搅拌混合，然后投入挤出机中循环挤出混匀两次，最后挤出成型、冷却、切粒，得到聚乳酸色母粒。

2.根据权利要求1所述的聚乳酸色母粒的制备方法，其特征在于，所述聚乳酸色砂为颜料红聚乳酸微胶囊色砂。

3.根据权利要求1所述的聚乳酸色母粒的制备方法，其特征在于，所述纤维基聚乳酸切片与聚乳酸色砂的质量比为1∶1。

4.根据权利要求1所述的聚乳酸色母粒的制备方法，其特征在于，所述挤出机的工艺参数为：温度170-180℃。

5.一种如权利要求1-4任一项所述的制备方法制备得到的聚乳酸色母粒。

6.根据权利要求5所述的聚乳酸色母粒，其特征在于，所述聚乳酸色母粒中颜料含量为25％。

7.一种聚乳酸纤维材料，其特征在于，以聚乳酸切片和权利要求5所述的聚乳酸色母粒作为原料进行纺丝。

8.一种如权利要求7所述的聚乳酸纤维材料的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：将聚乳酸切片与聚乳酸色母粒干燥后混合，然后在熔融纺丝机中纺丝，得到聚乳酸原液着色丝，即原液着色聚乳酸纤维材料。

9.根据权利要求8所述的制备方法，其特征在于，所述聚乳酸色母粒的添加量为聚乳酸切片质量的0-2.5％。

10.根据权利要求8所述的制备方法，其特征在于，纺丝设备加压方式为氮气加压，纺丝料筒内无螺杆，料筒体积为500mL；所述纺丝的工艺参数为：温度225±5℃，压力700-1000kPa，收丝转速≥200rpm。