聚乳酸纖維在濕法非織造材料生產(chǎn)中的抄造性能

范玉敏 湯人望 胡曉東 李紅祝

(浙江省普瑞科技有限公司 (浙江省造紙研究所)，浙江省特種纖維紙基功能材料技術(shù)研究重點實驗室，浙江杭州，311215)

聚乳酸 (poly-lactic acid，PLA)纖維是以玉米、小麥或紅薯等淀粉為原料，經(jīng)發(fā)酵獲得乳酸，然后通過聚合、紡絲得到的纖維［1］。PLA纖維截面通常為圓形，且表面光滑，密度為1.25 g/cm3，小于天然纖維和低熔點聚酯 (PET)纖維，玻璃化轉(zhuǎn)變溫度(Tg)一般為55～65℃，熔融溫度 (Tm)為160～170℃［2］。PLA纖維生產(chǎn)過程不使用和產(chǎn)生有毒物質(zhì)，其制品在土壤或海水的微生物作用下可降解為二氧化碳和水，對環(huán)境無害，是一種無毒、無害、可生物降解、可回收利用的綠色環(huán)保纖維［3］。PLA纖維制品在生物醫(yī)用及日用領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用，在生物醫(yī)用領(lǐng)域可用作手術(shù)縫合線、傷口輔料、韌帶加強纖維裝置、組織工程編織支架等，在日用領(lǐng)域可用作繩索、牙刷、過濾膜材、面料等［4］。

近些年，PLA纖維非織造產(chǎn)品日益增多，法國Fiberweb公司，以100%PLA開發(fā)熔噴的和紡粘的名牌非織造布Deposa。日本鐘紡合纖公司與吳羽合纖公司共同開發(fā)了由PLA生成的生物降解纖維/Lactron制成的三維立體非織造材料。尤尼吉卡公司使用Cargill Dow聚合體公司由玉米生產(chǎn)的PLA，通過熔融紡絲技術(shù)成功地制成了PLA紡粘非織造布。德國薩克森紡織研究所的Blechschmidt等人也對聚乳酸紡粘非織造工藝參數(shù)和產(chǎn)品性能進行了探討［5］。天津工業(yè)大學(xué)紡織與服裝學(xué)院的任元林等人對PLA纖維非織造材料進行了一定的研究，他們用的主要是紡粘法［6］。然而PLA纖維在濕法非織造材料中的性能及應(yīng)用研究少有報道［7］。本實驗對PLA纖維濕法抄造性能進行研究，旨在為PLA纖維在濕法非織造材料(功能紙)，尤其是在新型功能材料中的應(yīng)用提供參考。

1 實驗

1.1 原料

單組分PLA纖維 (以下簡稱單組分PLAF):1.3 dtex×6 mm，熔融溫度170℃;雙組分PLA纖維 (以下簡稱雙組分PLAF):4.0 dtex×51 mm，人工剪短成12 mm左右，芯層熔融溫度130℃，皮層熔融溫度70℃;低熔點聚酯纖維 (以下簡稱PETF):1.1 dtex×3 mm，熔融溫度110℃;水溶性聚乙烯醇纖維 (以下簡稱PVAF):1.1 dtex×3 mm，水溶溫度70℃;分散劑聚丙烯酰胺。

1.2 儀器與設(shè)備

BK5000光學(xué)顯微鏡:重慶奧特光學(xué)儀器有限公司制造;ZQJI-B-2紙樣抄取器:陜西科技大學(xué)機械廠制造;DCP-KZ300A(R)電腦測控抗張試驗機:四川長江造紙儀器有限責任公司制造;YG461E/1數(shù)字式透氣量儀:寧波紡織儀器廠制造;HST-H3熱封試驗儀:濟南蘭光機電技術(shù)有限公司制造。

1.3 實驗方法

1.3.1 顯微鏡觀察PLA纖維形態(tài)

1.3.2 紙張的制備

實驗中纖維配比為:

(Ⅰ)單組分 PLAF∶雙組分 PLAF=(80% ～30%)∶(20% ～70%)

(Ⅱ)單組分PLAF∶PETF=(80% ～50%)∶(20%～50%)

(Ⅲ)單組分PLAF∶雙組分PLAF∶PVAF=(80%～50%)∶(15% ～45%)∶5%

(Ⅳ)單組分 PLAF∶PETF∶PVAF=(80% ～50%)∶(15% ～45%)∶5%

干燥溫度為130℃。抄造好的紙張按 GB/T 10739—2002的規(guī)定在性能檢測前進行恒溫恒濕處理。

1.3.3 紙張性能測試

紙張定量、厚度、抗張強度指標按國家標準進行測定［8］。

紙張熱封強度按照GB/T 25436—2010附錄A所述方法進行測量:設(shè)定熱封機的溫度 (165±5)℃、壓力0.2 MPa，時間5 s，熱封刀寬度5 mm;切取寬度為15 mm、長度至少為280 mm的試樣，應(yīng)確保夾持試樣時手不觸及試樣部分，將試樣的熱封面朝內(nèi)沿長度對折成兩層，在距離試樣折線10 mm處進行熱封。將熱封好的試樣按GB/T12914測定熱封強度，夾距為180 mm，熱封處應(yīng)在二夾距之間，當熱封處全部分開時，進行讀數(shù)，每個樣品測定10次，以算數(shù)平均值表示結(jié)果。

2 結(jié)果與討論

2.1 PLAF顯微鏡觀察

PLAF的顯微鏡照片如圖1和圖2所示。從圖1和圖2可以看出，PLAF表面光滑，粗細均勻;雙組分PLAF具有卷曲度。

圖1 單組分PLAF顯微鏡照片

圖2 雙組分PLAF顯微鏡照片

2.2 單、雙組分PLAF混合抄造紙張的物理性能

單組分PLAF和雙組分PLAF混合進行濕法抄造紙張的物理性能如表1所示。單組分PLAF表面光滑，沒有鍵合作用，且熔融溫度高，未達到熔融溫度時纖維之間不會產(chǎn)生黏結(jié)作用，因此100%的單組分PLAF濕法抄造，即使在130℃下干燥，紙張也無法成形。雙組分PLAF是由較高熔點的芯層和較低熔點的皮層通過雙組分PLAF復(fù)合噴絲板擠壓而成，在較低溫度下就能熔融從而起到黏結(jié)作用。本實驗所用的雙組分PLAF具有卷曲度，且纖維較長，不易分散，制備紙張過程中易纏繞而絮聚，致使紙張中纖維分散不均，紙張強度下降。由表1可知，隨著單組分PLAF用量的降低，紙張強度先增加后降低，透氣度先降低后增加，兩種纖維各占50%時性能較優(yōu)，主要是因為此時兩種纖維結(jié)合較好，雙組分PLAF較好地發(fā)揮黏結(jié)作用，紙張的強度最佳，同時紙張的緊度和勻度較好，使單位時間通過單位面積的空氣量降低，透氣度較低。

表1 單、雙組分PLAF混合抄造紙張的物理性能

2.3 單組分PLAF與雙組分PLAF或PETF混合抄造紙張的物理性能

按1.3.2中的纖維配比 (Ⅰ)、(Ⅱ)抄造紙張，紙張的物理性能如圖3～圖7所示。

圖3 雙組分PLAF、PETF用量對紙張緊度的影響

圖4 雙組分PLAF、PETF用量對紙張透氣度的影響

PETF長度為3 mm，在水中易分散，成紙勻度較好，同時具有較低的熔點，在130℃的干燥溫度下能更好地熔融而起到良好的黏結(jié)作用。從圖3～圖7中可看出，單組分PLAF與PETF混合抄造紙張 (纖維配比 (Ⅱ))的緊度、強度整體趨勢優(yōu)于單組分PLAF與雙組分PLAF混合抄造的紙張纖維配比 (Ⅰ)，透氣度呈相反趨勢，主要是因為PETF與單組分PLAF混合，成紙均勻，緊度高，單位時間單位面積通過的空氣量少。

2.4 添加PVAF混合抄造紙張的物理性能

按1.3.2中的纖維配比 (Ⅲ)、(Ⅳ)抄造紙張，紙張的物理性能如圖8～圖12所示。

圖5 雙組分PLAF、PETF用量對紙張抗張強度的影響

圖6 雙組分PLAF、PETF用量對紙張濕抗張強度的影響

圖7 雙組分PLAF、PETF用量對紙張熱封強度的影響

圖8 雙組分PLAF+PVAF、PETF+PVAF用量對紙張緊度的影響

圖9 雙組分PLAF+PVAF、PETF+PVAF用量對紙張透氣度的影響

圖10 雙組分PLAF+PVAF、PETF+PVAF用量對紙張抗張強度的影響

圖11 雙組分PLAF+PVAF、PETF+PVAF用量對紙張濕抗張強度的影響

圖12 雙組分PLAF+PVAF、PETF+PVAF用量對紙張熱封強度的影響

PVAF水溶溫度為70℃，較低溫度下就能發(fā)揮良好的黏結(jié)作用，在食品包裝紙等產(chǎn)品中有很好的應(yīng)用。從圖8～圖12中可以看出，PVAF的應(yīng)用明顯地提高了紙張的強度性能，與纖維配比 (Ⅰ)中單組分PLAF∶雙組分PLAF=50%∶50%混合抄造相比，纖維配比 (Ⅲ)中單組分PLAF∶雙組分PLAF∶PVAF=50%∶45%∶5%時的紙張抗張強度提高了38.7%，濕抗張強度提高了52.1%，熱封強度提高了42.0%。與纖維配比 (Ⅱ)中單組分PLAF∶PETF=50%∶50%混合抄造相比，纖維配比 (Ⅳ)中單組分 PLAF∶PETF∶PVAF=50% ∶45% ∶5% 時的紙張抗張強度提高了13.8%，熱封強度提高了39.8%。紙張強度的提高，為PLA纖維的應(yīng)用拓寬了領(lǐng)域。

3 結(jié)論

實驗對聚乳酸 (PLA)纖維 (單組分、雙組分)、低熔點聚酯 (PET)纖維、水溶性聚乙烯醇(PVA)纖維混合濕法抄造紙張性能進行了研究。

3.1 單組分PLA纖維的熔融溫度高，濕法抄造時干燥溫度達不到其熔融溫度要求，成形困難，應(yīng)用會受限。

3.2 雙組分PLA纖維、低熔點PET纖維、PVA纖維因其熔融溫度低，與單組分PLA纖維混合抄造時，能起到有效的黏結(jié)作用，提高了聚乳酸纖維應(yīng)用的可行性。

3.3 低熔點PET纖維的黏結(jié)效果優(yōu)于雙組分PLA纖維，水溶性PVA纖維的加入有利于紙張強度的進一步提高。

4 展望

PLA纖維所具有吸濕透氣性、抗菌性、可降解性等優(yōu)良性能引起了人們的廣泛關(guān)注。作為新型環(huán)保纖維，未來將會在更多領(lǐng)域得到應(yīng)用，例如作為過濾材料用于口罩，作為茶葉、咖啡等食品的外包裝袋等。PLA纖維在濕法功能材料中的研究應(yīng)用目前很少，我們將繼續(xù)在應(yīng)用領(lǐng)域開展深入研究和探討。

［1］ Xiong chun-hua，Zhang chuan-jie，Zhang nan-nan，et al．Study on Performance of PLA fiber［J］．Journal of WuHan Textile University，20011(3):7．熊春華，張傳杰，張楠楠，等．PLA纖維的性能研究［J］．武漢紡織大學(xué)學(xué)報，20011(3):7．

［2］ Yang fu-quan．Recent developments in PLA fibers［J］．Melliand-China，2010(1):10．楊夫全．PLA纖維新進展［J］．國際紡織導(dǎo)報，2010(1):10．

［3］ Liu wen-chao，Di jian-feng．The Development and Application of Green and Environment-friendly Fibers［J］．Journal of WuYi Univer-sity，2003(2):47．劉文超，狄劍鋒．綠色環(huán)保纖維的開發(fā)與應(yīng)用［J］．五邑大學(xué)學(xué)報，2003(2):47．

［4］ Yao jun-yan，Yang qing-fang，Zhou ying-xue，et al．Advances of poly(lactic acid)fibers with high performance［J］．Chemical Industry and Engineering Progress，2006，25(3):286．姚軍燕，楊青芳，周應(yīng)學(xué)，等．高性能聚乳酸纖維的研究進展［J］．化工進展，2006，25(3):286．

［5］ Xu li-ya．Development of PLA on Spunlaced Nonwovens［J］．Modern Business Trade Industry，2007，19(9):255．徐麗婭．聚乳酸水刺非織造布的開發(fā)［J］．現(xiàn)在商貿(mào)工業(yè)，2007，19(9):255．

［6］ Ren yuan-lin，Jiao xiao-ning，Cheng bo-wen，et al．Production and Application of Poly Lactic Acid Fiber and Its Nonwovens［J］．Technical Textiles，2005(4):9．任元林，焦曉寧，程博聞，等．聚乳酸纖維及其非織造布的生產(chǎn)和應(yīng)用［J］．產(chǎn)業(yè)用紡織品，2005(4):9．

［7］ Cao Xiu-jun，Chen Gang．Studies on beating and papermaking performance of PLA fibers［J］．China Pulp ＆ Paper Industry，2010，31(4):32．曹秀軍，陳 港．聚乳酸打漿及抄造性能的研究［J］．中華紙業(yè)，2010，31(4):32．

［8］ Shi shu-lan，He fu-wang．Pulp and Paper Analysis and Test［M］．Beijing:China Light Industry Press，2003．石淑蘭，何福望．制漿造紙分析與檢測［M］．北京:中國輕工業(yè)出版社，2003． CPP