陳艷華 王瑄

PHBV/PLA共混長絲性能及上漿工藝研究

陳艷華 王瑄

通過PHBV與PLA熔融共混紡絲制備PHBV/PLA長絲，并通過改變上漿方案對PHBV/PLA長絲進(jìn)行上漿實(shí)驗(yàn)。通過對純PLA長絲和未上漿的PHBV/PLA長絲以及上漿的PHBV/PLA長絲的強(qiáng)伸性能、吸濕性能、沸水收縮率和外觀形態(tài)的測試分析，討論了熔融共混紡絲制備PHBV/PLA長絲上漿方案。

PHBV；PLA；長絲；上漿工藝

PHBV（聚羥基丁酸戊酸共聚酯）在寧波有較好的生產(chǎn)條件，它是一種生物高分子聚酯，是以可再生資源——淀粉為主要原料，通過淀粉糖加丙酸發(fā)酵的生物工程生產(chǎn)PHBV，它具有良好的生物相容性、生物降解和生物可吸收性，在各種環(huán)境中都具備完全的生物降解能力，其分子降解或灰化后，形成二氧化碳?xì)怏w，不對土壤和空氣產(chǎn)生毒害。然而由于PHBV本身的缺點(diǎn)，如結(jié)晶速率慢、結(jié)晶度高、熱穩(wěn)定性差、斷裂伸長率低以及成型加工困難等，極大地限制了PHBV的應(yīng)用，因此，研究人員過物理改性(也稱共混改性)和化學(xué)改性對其進(jìn)行改性，試圖提高PHBV的性能，拓展其應(yīng)用。然而，對于PHBV與PLA共混改性研究的報道仍以制備復(fù)合材料或復(fù)合纖維膜為主[1-5]。本文采用PHBV與PLA共混熔融紡絲制備PHBV/PLA共混長絲來拓展PHBV的紡織應(yīng)用，通過對上漿前后PHBV/PLA共混長絲的結(jié)構(gòu)及物理性能的測試分析，掌握纖維的基本性能，為后續(xù)合理設(shè)計(jì)織造工藝、染整工藝，且開發(fā)出性能優(yōu)異的新產(chǎn)品奠定基礎(chǔ)。

1 試驗(yàn)部分

1.1 試驗(yàn)原料

PHBV/PLA共混長絲，共混比為30/70，規(guī)格為109dtex/72f；PLA長絲，規(guī)格為109dtex/72f。以上兩種長絲均由中國科學(xué)院寧波材料技術(shù)與工程研究所制備。

長絲專用漿料A，寧波新大昌織造有限公司提供；長絲專用漿料B，PS-320A型，立明集團(tuán)提供。

1.2 試驗(yàn)設(shè)備

全電子式單紗上漿機(jī)，GA392型，江陰市通源紡機(jī)有限公司；電子單紗強(qiáng)力儀，YG0G1F型，萊州元茂儀器有限公司；電子恒溫鼓風(fēng)干燥箱，DHG-9053A型，上海精宏實(shí)驗(yàn)設(shè)備有限公司；電子天平，AB204-N型，梅特勒托利多儀器(上海)有限公司；通風(fēng)式快速八籃恒溫烘箱，YG747型，寧波紡織儀器廠；彩色閉路監(jiān)控?cái)z像機(jī)，WV-CP470/CH型，蘇州松下系統(tǒng)科技有限公司；縷紗測長儀，YG086，寧波紡織儀器廠。

1.3 漿紗工藝

本研究選用兩種漿料，一種是新寧波新大昌織造有限公司提供（長絲專用漿料A），另一種是立明集團(tuán)提供（長絲專用漿料B）。通過對漿料含固量，漿紗工藝參數(shù)設(shè)置的改變進(jìn)行漿紗實(shí)驗(yàn)。漿紗過程中未添加其他任何助劑。根據(jù)漿料和漿紗工藝不同，將漿紗方案分為3種，列于表1中。

表1 漿紗方案及工藝參數(shù)表

1.4 性能測試

1.4.1 強(qiáng)伸性能測試

用YG0G1F型電子單紗強(qiáng)力儀對長絲進(jìn)行力學(xué)性能測試，拉伸性能主要包括強(qiáng)力和伸長兩方面。參照GBT14344-2008《化學(xué)纖維長絲拉伸性能試驗(yàn)方法》[6]對樣品進(jìn)行測試。夾持距離500mm，拉伸速度500 mm/min，預(yù)加張力5cN，每一試樣測試50次。將實(shí)測數(shù)據(jù)取平均值。

1.4.2 吸濕性能測試

參照GBT6503-2008《化學(xué)纖維回潮率試驗(yàn)方法》[7]對長絲進(jìn)行測試。取試樣約10g，放入稱量盒一起稱量，精確至0.001g；開啟烘箱電源開關(guān)盒分源升溫開關(guān)，并將烘箱的溫度計(jì)調(diào)整到所需控制溫度105±2°C；將已裝試樣的稱量盒放入烘箱，打開稱量盒蓋，將試樣烘干2h后，迅速蓋上稱量盒蓋放入干燥器，冷卻至室溫后稱量。稱量前應(yīng)瞬時打開盒蓋在蓋上。纖維與紡織材料的吸濕性用回潮率W和含水率M來表示?；爻甭蔠和含水率M的計(jì)算公式為：

式中：G為未干燥樣品的重量；G0為干燥樣品的重量。將測試所得數(shù)據(jù)按照公式計(jì)算出樣品的回潮率W和含水率M。

1.4.3 沸水收縮率測試

測量長絲經(jīng)沸水處理前的長度和處理后的長度，可以計(jì)算沸水收縮率。參照GBT 6505-2008《化學(xué)纖維長絲熱收縮率試驗(yàn)方法》[8]對長絲進(jìn)行測試。采用小絞試驗(yàn)法。用周長為1m的紗框測長器，卷曲25m長的樣絲，成為一小絞，進(jìn)行煮前平衡，平衡時間為2h。然后掛在立式量尺上，并掛5cN預(yù)加張力重錘，30s后測量其煮前長度。把各絲絞扭成8字形，再對折使之形成四層圈狀，按順序用網(wǎng)袋包好，放在沸水中煮30min，取出水平放置，打開包裝取出試樣，用吸水紙吸干水份。在無張力和松弛狀態(tài)下將試樣置于烘箱中55±5°C烘干。將烘干后的試樣松弛無張力地掛起，進(jìn)行熱處理后平衡，時間4h以上。再將平衡后的干燥試樣掛在立式直尺上，掛上5cN預(yù)加張力重錘，30s后測量其煮后收縮長度。沸水收縮率的計(jì)算公式為：

式中：L0為煮前長度（cm）；L1為煮后長度（cm）。將測試所得數(shù)據(jù)按照上述公式計(jì)算出樣品的沸水收縮率。

1.4.4 形態(tài)結(jié)構(gòu)分析

取一段長絲，整理平直，按在載玻片上，另一只手蓋上蓋玻片，使附在載玻片上的纖維平直；然后在蓋玻片的兩對頂角上各滴一滴甘油，使蓋玻片粘著并增加視野的清晰度。通過改變放大倍數(shù)，得到清晰顯微鏡照片。

2 結(jié)果與討論

2.1 長絲強(qiáng)伸性能

按照GBT 14344-2008《化學(xué)纖維長絲拉伸性能試驗(yàn)方法》對未上漿PLA長絲和PHBV/PLA長絲以及不同上漿方案的PHBV/PLA長絲樣品進(jìn)行強(qiáng)伸性能測試，測試結(jié)果列于表2中。

表2 PLA長絲和PHBV/PLA長絲強(qiáng)伸性能測試結(jié)果

由表2可以看出，未上漿PHBV/PLA長絲的斷裂強(qiáng)度約是純PLA長絲的斷裂強(qiáng)度1/2，但是，上漿后PHBV/PLA長絲的斷裂強(qiáng)度有所變化，按方案3上漿的PHBV/PLA長絲的斷裂強(qiáng)度較未上漿長絲提高了約33%，這表明方案3上漿后的PHBV/PLA長絲更有利于上機(jī)織造。紗線的斷裂伸長率反映紗線的彈性大小，斷裂伸長率大則紗線的彈性較大，對于上漿經(jīng)紗，斷裂伸長率還反映漿膜的堅(jiān)韌性，斷裂伸長率大則漿膜堅(jiān)韌完整，在織造過程中不易落漿[9]。斷裂伸長率測試結(jié)果可以看出，未上漿PHBV/PLA長絲的斷裂伸長率大于純PLA長絲的斷裂伸長率，表明未上漿PHBV/PLA長絲的彈性大于純PLA；因?yàn)榉桨?上漿后的PHBV/PLA長絲斷裂伸長率大于方案1和方案3上漿后的PHBV/PLA長絲，所以方案2上漿后的PHBV/PLA長絲漿膜堅(jiān)韌更為完整。

2.2 長絲吸濕性能

對未上漿PLA長絲和PHBV/PLA長絲每種樣品選取5個試樣進(jìn)行吸濕性能測試。測試按照GBT 6503-2008《化學(xué)纖維回潮率試驗(yàn)方法》進(jìn)行，測試結(jié)果列于表3中。

由表3可以看出，未上漿PHBV/PLA長絲的回潮率和含水率均大于PLA長絲。因材料吸濕性對其力學(xué)性能影響很大，絕大多數(shù)纖維隨著回潮率的增加而強(qiáng)力下降[7]。結(jié)合表2中的測試結(jié)果可以看出，未上漿PHBV/PLA長絲的斷裂強(qiáng)度比純PLA長絲的斷裂強(qiáng)度減小了一半。另外，所有纖維的斷裂伸長率都隨著回潮率的升高而增大，表2中的斷裂伸長率值也體現(xiàn)了這一理論。

表3 未上漿長絲吸濕性能測試結(jié)果

2.3 長絲熱收縮性能

按照GBT 6505-2008《化學(xué)纖維長絲熱收縮率試驗(yàn)方法》對未上漿PLA和PHBV/PLA長絲做沸水收縮率測試，并按公式3求出兩種長絲的沸水收縮率列于表4中。

化學(xué)纖維是線型或支鏈型的高分子聚合物，在加工過程中已經(jīng)過了多次的拉伸和熱定型，大分子間的取向和結(jié)晶已達(dá)到了一定的程度。但由于大分子間還有一定的內(nèi)應(yīng)力，當(dāng)纖維遇干熱和濕熱時，會改變原來大分子間的取向度與結(jié)晶狀態(tài)，松弛了有序排列的分子鏈段，發(fā)生了鏈折疊和重結(jié)晶現(xiàn)象，使纖維產(chǎn)生了不可逆的收縮[10]，由表4可以看出，與純PLA長絲相比，PHBV/PLA長絲的沸水收縮率明顯減小，說明與純PLA長絲相比，PHBV/PLA共混長絲分子間的取向度較好且結(jié)晶較為完整。因此，PHBV/ PLA長絲織物的尺寸穩(wěn)定性也好于PLA長絲織物。

表4 未上漿PLA和PHBV/PLA長絲沸水收縮率測試結(jié)果

2.4 長絲外觀形態(tài)

對未上漿和不同方案上漿的PHBV/PLA長絲在顯微鏡下觀察，得到一組圖片，如圖1所示。

從圖1 PHBV/PLA未上漿長絲和上漿長絲的顯微鏡照片（放大40倍）可以看出，方案1和方案3上漿后的PHBV/PLA長絲表面被覆完整，滲透較好，漿紗表面均勻、光滑，且上漿后長絲抱合較好。然而，用方案2上漿后的PHBV/PLA長絲表面被覆完整，但抱合差，單纖維處于完全分散狀態(tài)，不能用于上機(jī)織造。

3 結(jié)語

1）通過對未上漿PHBV/PLA長絲和純PLA長絲的強(qiáng)伸性能、吸濕性能和沸水收縮率的測試分析表明，未上漿的PHBV/PLA長絲的斷裂強(qiáng)度約低于純PLA長絲的斷裂強(qiáng)度，而斷裂伸長率大于純PLA長絲的斷裂伸長率；未上漿PHBV/PLA長絲的回潮率和含水率均大于純PLA長絲；與純PLA長絲相比，未上漿PHBV/PLA長絲的沸水收縮率明顯減小。

2）通過對不同方案上漿后的PHBV/PLA長絲的強(qiáng)伸性能測試分析表明，按方案3上漿的PHBV/PLA長絲的斷裂強(qiáng)度提高，且斷裂伸長率減小，更易于上機(jī)織造；方案2上漿后的PHBV/PLA長絲漿膜堅(jiān)韌更為完整。

3）通過對未上漿和不同方案上漿的PHBV/PLA長絲外觀形態(tài)觀察結(jié)果表明，方案1和方案3上漿后的PHBV/PLA長絲上漿效果較好。

圖1 PHBV/PLA未上漿長絲和上漿長絲顯微鏡照片（放大40倍）

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[7]中國國家標(biāo)準(zhǔn)化管理委員會.GBT 6503-2008中國標(biāo)準(zhǔn)書號[S].北京：中國標(biāo)準(zhǔn)出版社，2008.

[8]中國國家標(biāo)準(zhǔn)化管理委員會.GBT 6505-2008中國標(biāo)準(zhǔn)書號[S].北京：中國標(biāo)準(zhǔn)出版社，2008.

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（責(zé)任編輯：田犇）

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On the Performance and Sizing Process of PHBV/PLA Blend Filaments

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PHBV;PLA;filament;sizing process

TQ325.3 TS193.6

C

1674-2346（2014）04-0001-05

10.3969/j.issn.1674-2346.2014.04.001

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