CN117987952A - 一种原液着色聚乳酸纤维的制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种原液着色聚乳酸纤维的制备方法，包括：将聚己二酸/对苯二甲酸丁二醇酯与染料混合，进行造粒得到色母粒，将左旋聚乳酸、色母粒和选自聚六亚甲基胍盐酸盐、聚六亚甲基双胍盐酸盐中的至少一种共混，制得有色混合熔体；纺丝，得到所述原液着色聚乳酸纤维。本发明的方法中，为改善聚己二酸/对苯二甲酸丁二醇酯与聚乳酸的相容性，采用聚六亚甲基胍盐酸盐和/或聚六亚甲基双胍盐酸盐，其大分子链上有多个NH键，可以在PBAT和聚乳酸大分子间形成“桥接”的氢键，从而改善二者相容性。另外，聚六亚甲基胍盐酸盐和/或聚六亚甲基双胍盐酸盐还是环保型高分子聚合物杀菌消毒剂，是目前最安全、有效的杀菌剂，增强了产品的抗菌性能。
Description
技术领域
本发明涉及高分子纤维技术领域，特别是涉及一种原液着色聚乳酸纤维的制备方法。
背景技术
近年来，我国原液着色纤维产业快速发展。所谓原液着色，即在纺丝溶液或熔体中加入着色剂，经纺丝过程得到的有色纤维，可以省去印染工序，避免产生大量印染废水。传统的原液着色工艺往往需要先配色制备指定颜色的母粒，在实际加工过程中往往有分散不均，尾料废弃率高等问题。
聚乳酸（PLA）纤维具有高结晶性和高取向性，因此具有较好的机械性能；同时，聚乳酸纤维表面呈弱酸性，与皮肤亲和性较好，具有天然抗菌的性能；聚乳酸纤维还具有较好的滑爽性、柔软舒适、干爽透气和抗紫外线功能，并有良好的光泽弹性和膨松性，是一种极具有发展前景的可持续性纺织材料。但是，聚乳酸本身较脆，仅对分散性染料有部分亲和作用，而分散染料的高温染色过程中聚乳酸会存在变硬变脆、染色均匀性差、上染率低等问题；同时，聚乳酸纤维因较高的结晶度而柔韧性较差；另外，仅靠聚乳酸本身弱酸性的表面环境也很难达到广泛的抗菌性能。
聚己二酸/对苯二甲酸丁二醇酯（PBAT）是己二酸丁二醇酯和对苯二甲酸丁二醇酯的共聚物，具有优良的生物降解性，且有较好的耐热性和柔韧性，是市场应用最好的可生物降解材料之一。PBAT综合了脂肪族聚酯的优异降解性能和芳香族聚酯的良好力学性能，且具有极佳的加工性能。
PBAT改性聚乳酸，可以使聚乳酸的脆性得到改善，表现为初始模量降低，断裂伸长率增大。但是，由于二者溶度参数不同，直接混合后可能会出现一定程度的相分离。
发明内容
为解决以上不足，本发明提供一种原液着色聚乳酸纤维的制备方法，引入聚六亚甲基胍盐酸盐，改善PBAT与聚乳酸的相容性，制备出聚乳酸纤维，既解决了聚乳酸纤维的原位着色问题，又获得了柔韧性能良好的产品。
为了实现以上技术目的，本发明采用的技术方案如下：
本发明提供一种原液着色聚乳酸纤维的制备方法，包括以下步骤：
S1，将聚己二酸/对苯二甲酸丁二醇酯与染料混合，进行造粒，制得聚己二酸/对苯二甲酸丁二醇酯色母粒；
S2，将左旋聚乳酸、S1的聚己二酸/对苯二甲酸丁二醇酯色母粒和选自聚六亚甲基胍盐酸盐、聚六亚甲基双胍盐酸盐中的至少一种共混，制得有色混合熔体；
S3，将S2的熔体纺丝，得到所述原液着色聚乳酸纤维。
进一步的，S1中聚己二酸/对苯二甲酸丁二醇酯与染料的混合物中，按重量计，染料的含量为10%-30%。
进一步的，S2形成的共混物中，按重量计，聚六亚甲基胍盐酸盐和/或聚六亚甲基双胍盐酸盐的总含量为0.1%-2%，优选1%-2%。
进一步的，S2中左旋聚乳酸与聚己二酸/对苯二甲酸丁二醇酯的质量比为（9:1）-（7:3）。
进一步的，S1制备的聚己二酸/对苯二甲酸丁二醇酯色母粒的特性黏数为1.2-1.5dL/g，其含水量低于50ppm。
进一步的，S2形成的共混物中，染料占左旋聚乳酸和聚己二酸/对苯二甲酸丁二醇酯色母粒总重量的0.5%-2%。
进一步的，所述左旋聚乳酸的重均分子量为10-30万Da，其中L旋光异构体的摩尔含量为95%~99%，含水量低于50ppm。
进一步的，所述左旋聚乳酸以切片形式加入至S2混合物中。
进一步的，S2中制得有色混合熔体采用螺杆挤出机完成；所述螺杆挤出机处于N2氛围中保护。
进一步的，S3中所述纺丝过程具体是：将有色混合熔体经熔体以计量泵精确计量挤出，经熔体管路进入纺丝组件，流过所述纺丝组件内的静态混合器和滤砂后，经由喷丝板毛细孔挤出。
进一步的，S3中纺丝后还包括对聚乳酸纤维进行后处理的过程，以获得柔韧的原液着色聚乳酸纤维，所述后处理选自方法a和方法b中的至少一种：
方法a：依次经过冷却、上油、热牵伸和热定型的处理；
方法b：依次经过冷却、上油、卷绕和热牵伸变形处理。
进一步的，方法a中，所述热牵伸的温度为70℃-90℃，热牵伸的倍数为1.5倍-2.5倍，热牵伸过程中的卷绕速率为2500m/min-3500m/min；所述热定型的温度为100℃-120℃。
进一步的，方法b中，所述卷绕的速率为2000m/min-3000m/min；所述热牵伸变形处理过程中，温度为70℃-90℃，热牵伸倍数为1.6倍-2.0倍，热定型的温度为100℃-120℃。
在以上制备方法中，还包括对所使用的原料及每步制得的产品进行必要的干燥的过程，以使原料或产品符合含水量要求。所述干燥为真空干燥，
实施本发明的技术方案，具有以下优势：
（1）本发明的方法中，为改善聚己二酸/对苯二甲酸丁二醇酯与聚乳酸的相容性，采用聚六亚甲基胍盐酸盐和/或聚六亚甲基双胍盐酸盐，其大分子链上有多个NH键，可以在PBAT和聚乳酸大分子间形成“桥接”的氢键，从而改善二者相容性。另外，聚六亚甲基胍盐酸盐和/或聚六亚甲基双胍盐酸盐还是环保型高分子聚合物杀菌消毒剂，是目前最安全、有效的杀菌剂，增强了产品的抗菌性能。
（2）本发明方法中的原液着色技术是首先将PBAT做成母粒，然后将PBAT母粒按照比例与左旋聚乳酸切片混合，并加入一定比例的聚六亚甲基胍盐酸盐和/或聚六亚甲基双胍盐酸盐，再用熔融纺丝法制备了柔韧性的原液着色抗菌PLA纤维，该方法简单可靠、解决了聚乳酸纤维的原位着色问题，完全适用于大规模工业化生产柔韧的原液着色抗菌聚乳酸纤维。
（3）本发明制备的原液着色聚乳酸纤维的柔韧性高，耐热性能和耐水解性能都比较好；该方法实施简单，成本低廉，可降低有色尾料的废弃率，并且避免了用聚乳酸直接做色母粒需要高温加工引起的聚乳酸的降解该方法简化了耐温聚乳酸纤维的加工工艺，增强了其环保替代性，拓宽了聚乳酸的使用范围，可以实现工业级的无缝切换，完全适用于大规模的工业化柔韧的原液着色抗菌聚乳酸纤维生产。
本发明的其它特征和优点将在随后的具体实施方式部分予以详细说明。
具体实施方式
下述非限制性实施例可以使本领域的普通技术人员更全面地理解本发明，但不以任何方式限制本发明。
本实施例中，左旋聚乳酸切片、聚己二酸/对苯二甲酸丁二醇酯、染料和聚六亚甲基胍盐酸盐均为市售产品。
本实施例中，聚己二酸/对苯二甲酸丁二醇酯色母粒是聚己二酸/对苯二甲酸丁二醇酯配制的单色母粒，其中采用的分散剂里包括聚乙二醇，此为本领域技术人员常用分散剂。
以下实施例中的测试方法如下：
着色效果测试：
着色均匀性测试在室温（23~25℃），正常光照（100～300 lux）的室内环境中进行。将每种柔韧的原液着色抗菌聚乳酸纤维制成色卡，然后使用NH310电脑色差仪（测试孔径8mm，D65光源）进行黑白校正后测试每个色卡的色值，每个样品取5个点求取平均值。
抗菌效果测试：
参考标准 GB/T20944-2007纺织品抗菌性能的评价，选取金黄色葡萄球菌作为测试菌种，分别将试样与对照样装入一定浓度的试验菌液的三角烧瓶中，在规定的温度下振荡一定时间，测定三角烧瓶内菌液在振荡前及振荡一定时间后的活菌浓度，计算抑菌率。
柔韧性效果测试：
参考GB/T14344-2008《化学纤维长丝拉伸性能试验方法》，用Instron万能材料试验机对纤维试样进行测试，纤维夹持长度500 mm，拉伸速率500 mm/min，测试纤维的断裂强度和断裂伸长率，每个试样测试5 次，结果取平均值。测试环境温度20 ℃、相对湿度65%。
实施例1
S1，PBAT黑色母粒的制备：将PBAT和黑色染料按照染料的含量为15%混合，造粒，制得PBAT黑色母粒；
S2，混合熔体制备：先将PLLA，PBAT黑色母粒分别在真空烘箱中干燥，干燥设定温度为110℃，干燥时间为12小时，最终含水量：PLLA为25ppm，PBAT黑色母粒为51ppm；聚六亚甲基双胍盐酸盐（PHMB）80℃下真空干燥12小时。按PLLA：PBAT黑色母粒质量比为8：2混合，按PHMB在混合体系中重量占比为1%加入PHMB。
S3，螺杆挤出和纺丝：将S2的混合物采用螺杆挤出机获得有色混合熔体；将有色混合熔体经熔体以计量泵精确计量挤出，经熔体管路进入纺丝组件，流过所述纺丝组件内的静态混合器和滤砂后，经由喷丝板毛细孔挤出。
其中包括：（1）螺杆设定温度：1区210℃，2区215℃，3区220℃，4区220℃；（2）计量泵温度：220℃；（3）熔体管道温度235℃；（4）箱体/组件温度235℃。
喷丝板：PRB-φ85-48H-0.3x0.9。
侧吹风设定：（1）风温/风湿：20℃/90RH%；（2）风速：0.5 m/s。
集束高度：1300 mm。
卷绕速度：2800 m/min。
可纺性：纺丝过程稳定，得到的纤维无毛丝。
后处理：牵伸温度80℃，定型温度120℃，牵伸倍数1.6。
所得纤维为黑色，色差仪测试结果显示平均色差ΔE为0.4%。
抗菌测试表明：该原液着色抗菌聚乳酸纤维对金黄色葡萄球菌抗菌率大于90%。
力学性能测试：断裂强度3.5 cN/dtex，初始模量32 cN/dtex，断裂伸长率42%。
实施例2
S1，PBAT黑色母粒的制备：将PBAT和黑色染料按照染料的含量为15%混合，造粒，制得PBAT黑色母粒；
S2，混合熔体制备：先将PLLA，PBAT黑色母粒分别在真空烘箱中干燥，干燥设定温度为110℃，干燥时间为12小时，最终含水量为PLLA:27ppm，PBAT黑色母粒:46ppm；聚六亚甲基双胍盐酸盐（PHMB）80℃下真空干燥12小时。按PLLA：PBAT黑色母粒质量比为7：3混合，按PHMB在体系中重量占比为2%加入PHMB，采用螺杆挤出机获得有色混合熔体。
S3，螺杆挤出和纺丝：将S2的混合物采用螺杆挤出机获得有色混合熔体；将有色混合熔体经熔体以计量泵精确计量挤出，经熔体管路进入纺丝组件，流过所述纺丝组件内的静态混合器和滤砂后，经由喷丝板毛细孔挤出。
其中包括：（1）螺杆设定温度：1区210℃，2区215℃，3区220℃，4区220℃；（2）计量泵温度：220℃；（3）熔体管道温度232℃；（4）箱体/组件温度232℃。
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集束高度：1300 mm。
卷绕速度：2800 m/min。
可纺性：纺丝过程稳定，得到的纤维无毛丝。
后处理：牵伸温度80℃，定型温度120℃，牵伸倍数1.6。
所得纤维为黑色，色差仪测试结果显示平均色差ΔE为0.4%。
抗菌测试表明：该原液着色抗菌聚乳酸纤维对金黄色葡萄球菌抗菌率大于92%。
力学性能测试：断裂强度3.2 cN/dtex，初始模量29 cN/dtex，断裂伸长率45%。
对比例1
以PLLA切片直接进行纺丝：
PLLA切片在真空烘箱中干燥，干燥设定温度为110℃，干燥时间为12小时，最终含水量为25 ppm。
纺丝温度设定，其中包括：（1）螺杆设定温度：1区210℃，2区215℃，3区220℃，4区220℃；（2）计量泵温度：220℃；（3）熔体管道温度220℃；（4）箱体/组件温度220℃。
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侧吹风设定：（1）风温/风湿：20℃/90RH%；（2）风速：0.5 m/s。
集束高度：1300 mm。
卷绕速度：2800 m/min。
可纺性：纺丝过程稳定，得到的纤维无毛丝。
后处理：牵伸温度80℃，定型温度120℃，牵伸倍数1.6。
所得纤维为本白色，色差仪测试结果显示平均色差ΔE为0.1%。
抗菌测试表明：该纯聚乳酸纤维对金黄色葡萄球菌抗菌率低于5%。
力学性能测试：断裂强度4.1cN/dtex，初始模量45 cN/dtex，断裂伸长率38%。
对比例2
以PLLA切片和PBAT黑色母粒的混合熔体进行纺丝
PLLA切片，PBAT黑色母粒在真空烘箱中干燥，干燥设定温度为110℃，干燥时间为12小时，PLLA切片最终含水量为23ppm，PBAT黑色母粒最终含水量为31 ppm。
加料配比：PLLA：PBAT黑色母粒=8：2。
纺丝温度设定，其中包括：（1）螺杆设定温度：1区210℃，2区215℃，3区220℃，4区220℃；（2）计量泵温度：220℃；（3）熔体管道温度225℃；（4）箱体/组件温度225℃。
喷丝板：PRB-φ85-48H-0.3x0.9。
侧吹风设定：（1）风温/风湿：20℃/90RH%；（2）风速：0.5 m/s。
集束高度：1300 mm。
卷绕速度：2800 m/min。
可纺性：纺丝过程稳定，得到的纤维有少量毛丝。
后处理：牵伸温度80℃，定型温度120℃，牵伸倍数1.6。
所得纤维为本白色，色差仪测试结果显示平均色差ΔE为0.2%。
抗菌测试表明：该纯聚乳酸纤维对金黄色葡萄球菌抗菌率低于5%。
力学性能测试：断裂强度3.6 cN/dtex，初始模量35 cN/dtex，断裂伸长率43%。
尽管已描述了本发明的优选实施例，但本领域内的技术人员一旦得知了基本创造性概念，则可对这些实施例作出另外的变更和修改。所以，所附权利要求意欲解释为包括优选实施例以及落入本发明范围的所有变更和修改。
显然，本领域的技术人员可以对本发明进行各种改动和变型而不脱离本发明的精神和范围。这样，倘若本发明的这些修改和变型属于本发明权利要求及其等同技术的范围之内，则本发明也意图包含这些改动和变型在内。
Claims (12)
1.一种原液着色聚乳酸纤维的制备方法，包括以下步骤：
S1，将聚己二酸/对苯二甲酸丁二醇酯与染料混合，进行造粒，制得聚己二酸/对苯二甲酸丁二醇酯色母粒；
S2，将左旋聚乳酸、S1的聚己二酸/对苯二甲酸丁二醇酯色母粒和选自聚六亚甲基胍盐酸盐、聚六亚甲基双胍盐酸盐中的至少一种共混，制得有色混合熔体；
S3，将S2的熔体纺丝，得到所述原液着色聚乳酸纤维。
2.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，S1中聚己二酸/对苯二甲酸丁二醇酯与染料的混合物中，按重量计，染料的含量为10%-30%。
3.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，S2形成的共混物中，按重量计，聚六亚甲基胍盐酸盐和/或聚六亚甲基双胍盐酸盐的总含量为0.1%-2%。
4.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，S2中左旋聚乳酸与聚己二酸/对苯二甲酸丁二醇酯的质量比为9:1-7:3。
5.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，S1制备的聚己二酸/对苯二甲酸丁二醇酯色母粒的特性黏数为1.2-1.5dL/g，其含水量低于50ppm。
6.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，S2形成的共混物中，染料占左旋聚乳酸和聚己二酸/对苯二甲酸丁二醇酯色母粒总重量的0.5%-2%。
7.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述左旋聚乳酸的重均分子量为10-30万Da，其中L旋光异构体的摩尔含量为95%~99%，含水量低于50ppm。
8.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，S2中制得有色混合熔体采用螺杆挤出机完成；所述螺杆挤出机处于N2氛围中保护。
9.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，S3中所述纺丝过程具体是：将有色混合熔体经熔体以计量泵精确计量挤出，经熔体管路进入纺丝组件，流过所述纺丝组件内的静态混合器和滤砂后，经由喷丝板毛细孔挤出。
10.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，S3中纺丝后还包括对聚乳酸纤维进行后处理的过程，以获得柔韧的原液着色聚乳酸纤维，所述后处理选自方法a和方法b中的至少一种：
方法a：依次经过冷却、上油、热牵伸和热定型的处理；
方法b：依次经过冷却、上油、卷绕和热牵伸变形处理。
11.根据权利要求10所述的制备方法，其特征在于，方法a中，所述热牵伸的温度为70℃-90℃，热牵伸的倍数为1.5倍-2.5倍，热牵伸过程中的卷绕速率为2500m/min-3500m/min；所述热定型的温度为100℃-120℃。
12.根据权利要求10所述的制备方法，其特征在于，方法b中，所述卷绕的速率为2000m/min-3000m/min；所述热牵伸变形处理过程中，温度为70℃-90℃，热牵伸倍数为1.6倍-2.0倍，热定型的温度为100℃-120℃。
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