聚乳酸(PLA)纤维的生产及应用开发

２００６年第３期　济南纺织化纤科技　．３ｌ・　聚乳酸（ＰＬＡ）纤维酌生产及应用开发　成玲　（天津工业大学　天津市改性与功能纤维重点实验室，天津３００１６０）　摘要：近年来，聚乳酸（ＰＬＡ）纤维作为一种利用玉米淀粉等可再生资源加工制造的完全可生　物降解的纤维材料，已经越来越引起广泛的关注。由于它有许多突出优异的性能，从而给纺织工业开发新　产品带来了新的发展机遇。充分认识和了解ＰＬＡ纤维的生产及其性能，对今后有效地进行该纤维的开发应　用十分重要。本文详细介绍了目前ＰＬＡ纤维的生产技术、纤维性能以及ＰＬＡ纤维在纺织上的应用。　关键词：聚乳酸（ＰＬＡ）纤维玉米淀粉可生物降解性纺织　１引言　２聚乳酸（ＰＬＡ）纤维的生产　随着人类崇尚自然，回归自然的需求以及环　南于ＰＬＡ纤维是以玉米等为原料并可生物降解　境保护意识的不断增强，２１世纪成为了一个绿色　的合成纤维，属于高科技纤维中的功能类纤维，其　环保的世纪。大力开发可生物降解纺织新材料，　开发生产目前在欧美及日本正在蓬勃发展，全球已　已经成为了目前世界纺织技术发展趋势之一。近年　有８５家公司参与研发。其中，开发最早和产量最大　来，一些著名的科研机构和企业相继推出了多种可　的美国ＣＤＰ公司正在生产商品名为“Ｉｎｇｅｏ”的ＰＬＡ　生物降角新材料，其中由美国的ＣＤＰ公司、日本钟　纤维。日本的钟纺公司通过采用熔融纺丝法生产的　纺合纤公司等研究机构研究开发的可生物降解的纤　商品名为“Ｌａｃｔｒｏｎ”的长丝已进入工业化生产阶段　维——聚乳酸（ＰＬＡ　千维异军突起，以其优异的性　并已开发了其在服装与生产业用纺织品领域的广泛　能、广泛的应用领域引起了全球纺织材料界的瞩目　应用。此外，１３本尤尼契卡、可乐丽公司也使ＣＤＰ　和青睐。　公司的ＰＬＡ成功开发生产出了商品名分别为：　聚乳酸（ＰＬＡ）纤维是一种完全可生物降解的　Ｔｅｒｒａｍａｃ和Ｐｌａｓｔａｒｃｈ的ＰＬＡ纤维。　聚合物，降解产物是二氧化碳和水，不会对环境产　商业化的聚乳酸（ＰＬＡ）纤维是以玉米淀粉等　生污染，并且其原料乳酸是从玉米等可再生天然物　发酵而成的乳酸为原料，经脱水聚合反应制成的　质中发酵制取，因此，开发ＰＬＡ纤维最大的优点之　聚乳酸酯溶液为纺丝液，通过纺丝加工而成的。　一就是不使用石油等不可再生资源。ＰＬＡ纤维的物　２．１乳酸的制成　理化学性质与ＰＥＴ纤维相似。该纤维强度高、延伸　乳酸是一种近年来人们十分关注发展较快的　度较大，分散染料常压染色，织物光泽柔和、亮丽，　有机酸。乳酸的学名为２一羟基丙酸，分子内有一　抗皱纺缩性能好，同时有芯吸排汗和抗紫外线的功　个不对称碳原子，存在右旋（Ｄ）乳酸和左酸（Ｌ）　能。因此，ＰＬＡ纤维为纺织工业新产品开发提供了　乳酸两种旋光对应异构体。此外，等量的左旋体和　新的发展机遇。此外。ＰＬＡ纤维具有无毒无刺激性，　右旋体称为无光学活性的外消旋（ＤＬ）乳酸。目　尤其具有优良的生物相容性和生物分解吸收功能，　前，国际乳酸的产量约３０％来自化　【合成，７０％　因而，该纤维除了在纺织上具有广泛的用途之外，　采用生物　Ｔ＝程发酵工艺。其中，采用生物化学发酵　目前在手术缝合线等医用材料方面也被广为关注。　生产乳酸有多项优势，目前发展势头正旺。该方法　维普资讯 http://www.cqvip.com

・　３２　・　济南纺织化纤科技　２．３纺丝成形　２００６年第３期　以富含淀粉的玉米、小麦、木薯等为原料，以麦　芽酶、糖化酶为生物催化剂将淀粉转化为葡萄糖　用于制备纤维的聚乳酸一般是左旋聚乳酸　等单糖，再加入麦芽汁培养的纯乳酸菌和碳酸钙　（ＰＬＬＡ），其纺丝成形可以采用溶液纺丝法和熔　进行发酵。发酵液用石灰乳中和致微碱性，煮沸　杀菌，冷却后过滤，用热水重结晶。再加入５０％　的硫酸分解出乳酸和硫酸钙沉淀。滤出硫酸钙，　滤液在减压下蒸发浓缩，即得７０％的工业用乳酸。　纯乳酸可采用乙醚溶解ｌ　Ｉ业乳酸，用活性炭脱　色，过滤后将乙醚蒸发即得纯乳酸。　目前，随着生物１　程的发展，用生物发酵方　法进行乳酸生产的研究获得了重大突破，大大降　低了制造乳酸的生产成本，从而也使聚乳酸酯和　纤维的工业优化生产成为了现实。　２．２聚乳酸酯的聚合　聚乳酸并不是一种新的聚合物，早在１．９３２年，　ＤｕＰｏｎｔ公司的Ｃａｒｏｔｈｅｒｓ在真空条件下加热乳酸就　得到了低分子量的聚乳酸。源于玉米的聚乳酸首　先是由美国著名的谷物公司Ｃａｒｇｉｌｌ公司研制成功。　他们以玉米为原料发酵生产乳酸，然后在真空条　件下采用溶剂脱水的现代技术和微机控制反应，　生产高分子量聚乳酸。　聚乳酸的合成方法较多，既可以由乳酸脱水　后直接聚合，也可以由丙交酯开环聚合等途径制　备。由于采用聚合单体不同，因而制的得ＰＬＡ通　常可以为ＰＬＬＡ（左旋聚乳酸）、ＰＤＬＡ（右旋聚乳　酸）和Ｐ（Ｄ，Ｌ）一Ｍ（消旋聚乳酸）。　２．２．１直接聚合　由精制的乳酸可以直接进行聚合（缩合）生成　聚乳酸酯。这种方法是最早也是最简单的ＰＬＡ生　产方法。其特点是生产　Ｉ　艺流程短，成本低，生产　过程对环境友好，具有一定的技术优势，但不足之　处是制得的ＰＬＡ平均相对分子量较低（一般小于　５０００），不利于大规模。ｌ　业化生产。　２．２．２丙交酯开环聚合法　开环聚合是一种使用较多的生产聚乳酸酯的　方法，也是目前工业化生产高分子量聚乳酸酯的　唯一方法。该方法首先将酸脱水环化制成丙交酯，　然后通过将丙交酯开环聚合制得ＰＬＡ。用这种方　法合成的ＰＬＡ相对分子量较高，但也存在一定的　不足，如：生产工艺流程较长、生产成本较高、１二　艺较复杂、且在生产中需要消耗大量试剂等等。另　外，乳酸的环化和提纯是制备丙交酯的技术难点，　也是制备ＰＬＡ的关键所在。　融纺丝法两种方式来实现。　２．３．１溶液纺丝　溶液纺丝主要采用干法一热拉伸工艺。采用二　氯甲烷、三氯甲烷、甲苯为溶剂，将聚乳酸酯溶解　制成纺丝液，进行纺丝。　艺流程为：　聚乳酸酯一纺丝液～　过滤一计量一喷丝板出　丝一溶剂蒸发一纤维成形一卷绕一拉伸一纤维成　品　使用该方法纺丝，聚乳酸酯热降解少，纤维强　度较高。但是，在纺丝过程中，由于溶剂有毒，纺　丝环境恶劣，工艺较为复杂，溶剂回收凼难，需做　特殊处理，使纤维生产成本高，限制了其　ｌ　业化生　产，因此，采用溶液纺丝制备ＰＬＡ纤维目前还停　留在实验室规模阶段。　２．３．２熔融纺丝　ＰＬＬＡ是一种热塑性聚合物，因此，目前各种　用于生产涤纶的熔融纺丝～　艺（高速纺丝一步法、　纺丝一拉伸二步法）都可以采用，关键在于控制　ＰＬＬＡ水分和纺丝温度，减少热解。同时，熔融纺　丝的可纺性和拉伸性在很大程度上都依赖于聚乳　酸酯的质量。　采用二步法进行纺丝的工艺流程为：　聚乳酸酯一真空干燥一熔融挤压一过滤一计　量一喷丝板出丝一冷却成形　Ｐ０Ｙ卷绕一热盘拉　伸一上油一成品丝　熔融纺丝具有丁艺技术成熟，环境污染小，生　产成本低．便于自动化、柔性化生产的优点，随着　ｒ艺与设备的不断改进完善，熔融纺丝法已经成　为ＰＬＡ长丝和短纤维生产的主要方法。　３聚乳酸（Ｐ／Ａ）纤维的开发应用　３．１　ＰＬＡ纤维的纺织加工　ＰＬＡ纤维融合了天然纤维和合成纤维的特点，　并集两者的优点于一身，具有许多优良性能，包　括：可生物降解性能，优良的机械性能和染色性　能，优异的触感、导湿性能、回弹性能、阻燃性能、　Ｕｖ稳定性以及抗污性能等　在表ｌ中列出了ＰＬＡ　纤维的一些主要性能。　由于ＰＬＡ纤维优良的性能，对ＰＬＡ纤维的纺　维普资讯 http://www.cqvip.com

２００６年第３期　济南纺织化纤科技　・３３・　表１　ＰＬＡ纤维的主要性能特征　性能　ＰＬＡ纤维　ＰＥＴ纤维　Ｎｙｌｏｎ纤维　比重（ｇ／ｃｍ　）　１．２７　１．３８　１．１４　断裂强度（ｃＮ／ｔｅｘ）　３９．５４　３９。５４　３９．５９　断裂伸长（％）　２５．３５　２５　３５　３０．４０　弹性恢复率（％）（拉仲５％）　９３　６５　８９　适用染料种类　分敞染料　分散染料　酸性染料　染色温度（℃）　ｌ００　ｌ３０　ｌ００　沸水收缩率　８．１　５　８．１５　８．１５　初始模量（ｃＮ／ｔｅｘ）　５９０　６９０　８８０．１ｌ０　２００．３９０　折射率　１．４　１．５７．１．６８　１．５７　潮率　０．５　０．４　４．５　Ｌ０１　２４．２６　２０．２２　２０．２４　完全降解时间（年）　１．（在土壤和水中的微生物作用下）　２　织加工性能的研究成为了目前的热点。通过Ｘ￣ＰＬＡ　合一卷取一成品。　纤维的开发应用，提升纺织产品档次和附加值，　干法成网工艺流程为：聚乳酸纤维一开松一　提高市场竞争力成为了许多纺织企业努力的方向。　梳理一成网（可采用热轧、针刺或水刺等方法）　３．１．１传统纺织加工　一卷取・一成品。　（１）纺纱。对ＰＬＡ纤维进行纺纱时，其纺纱　３．２　ＰＬＡ纤维产品的应用开发　＿Ｊ　艺流程与普通化纤的　ｌ　艺流程相差不大。如，对　３．２．１服装用产品的应用开发　于棉型纤维，　艺流程为：开清棉一梳棉一并条一　（１）内衣面料　粗纱一细纱。可以采用的设备有：ＦＡＯ０２一ｌ０７　ｌ　内衣被称为人的第二皮肤，内衣面料要求触　成卷一ｌｌ８ｌＣ梳棉一ＦＡ３０２　ＦＡ３　ｌ　１并条一Ａ４５４Ｇ　感柔软、热湿适性好、对皮肤兀毒兀刺激等。ＰＬＡ　粗纱一ＦＡ５０６细纱等。但是，需要注意的是，纺　纤维不仅质轻、触感柔软、光泽好，而日．具有良好　纱过程中。分离胶辊抗缠绕性能要好。隔距稍大一　的导湿性，纯纺或与棉混纺作内衣穿着时，皮肤不　些，梳理速度要偏低掌握，从而保证成纱质量。　发粘，并在接触皮肤时有干爽感。此外，南于ＰＬＡ　此外，ＰＬＡ纤维多与棉纤维混纺生产精梳系　纤维是以人体能够接受的乳酸为原料，因此对皮　统纱。工艺流程为：开清棉一梳棉一精梳准备一精　肤不会产生刺激，而且安全舒适，所以非常适合进　梳一并条一粗纱一细纱。工艺要点为＿纤维长度３８　行针织内衣产品的开发。　—４０ｍｍ，与棉精混纺配比多为６０／４０或５０／５０，纱　目前。ＰＬＡ纤维在针织内衣产品方面的开发进　线细度范围在：２３．３～９．７ｔｅｘ。　展很快，如采用ＰＬＡ短纤维纯纺或其它天然纤维如　（２）织造。由于ＰＬＡ纤维的机械性质良好，其　棉、毛、丝等混纺已经开发出了各￣ＰＰＬＡ针织织物，　织造性能较好。但是，由于ＰＬＡ纤维熔点较低（１　７５　包括：平纹织物、双面织物、罗纹织物、珠地织物　℃）所带来的在织造过程中浆纱困难的问题目前　等，在市场上引起广泛的关注。采用ＰＬＡ纤维开发　还没有更好的解决办法。　针织内衣产品，将具有广泛的市场前景。　３．１．１非织造生产　（２）外衣面料　在非织造加工生产中，ＰＬＡ纤维可以使用纺　ＰＬＡ纤维具有优良的弹性、良好的保型性、悬　粘法或熔喷法直接制成非织造布，也可以先纺制　垂性以及染色性能。因此，由ＰＬＡ纤维纯纺纱或　成短纤维，在经干法或湿法成网制成非织造布。　与毛纤维混纺纱加工制成的服装织物毛型感强、　纺粘法工艺流程为：聚乳酸切片一螺杆挤出　抗皱性好。同时，由于ＰＬＡ纤维初始模量适中，织　机一熔融纺丝一完全冷却一拉伸一铺网一热轧粘　物具有良好的悬垂性和手感。因此，ＰＬＡ纤维是开　维普资讯 http://www.cqvip.com

・　３４　・　济南纺织化纤科技　２００６年第３期　发外衣服装织物较为理想的原料。ＰＬＡ纤维产品的　开发也为毛纺行业提高面料外观风格和内在品质提　供了新的发展机会。　此外，ＰＬＡ纤维还非常适合开发运动休闲服　装产品。可以用短纤维成纱或直接用长丝生产用　于运动休闲产品织物。也可以用ＰＬＡ纤维与棉纤　维混纺，制成吸汗速干型复合面料。例如，目前已　经开发出的像“Ｄｒ．Ｄｒｙ”（干爽博士）的具有排汗　效果的功能性面料。　３．２．２装饰用产品的应用开发　由于玉米纤维具有可燃性低，燃烧时发炯量　少，抗紫外线性能好等特点，使其在家用装饰产品　方面具有广阔的开发空间，并月　它优异的弹性更拓　宽了其在该领域的应用。因此，特别适合开发室内　装饰产品如：窗帘、帷幔以及地毯等产品。　３．２．３产业用产品的应用开发　玉米纤维的强度高、耐用性好，不易燃，抗紫　外线性能强，耐热性能好，可生物降解性等优点，　使其非常适合开发民用工程和建筑装潢用产品，　如编织袋、　［业墙嵌板、人造草坪等。还可开发农、　林、渔业用产品，如农、林业覆盖材料、拥扎带、　除草袋、植被网、养护薄膜、渔业用捕鱼网、钓鱼　线和可生物降解的包装材料。　３．２．４医疗用品的应用开发　虽然ＰＬＡ纤维的生产和应用在全球尚处于起步　阶段，但是由于其优良的生物相容性和生物可降解　性，在医药领域的应用却被广泛关注。　目前ＰＬＡ纤维在医用产品方面的应用开发主　要有：（１）手术缝合线。这种缝合线一经问世，就　立即受到广泛青睐，不仅是因为它在伤口愈合后　能自动降解并被人体吸收，术后无需拆线，同时，　因为它具有较强的抗张强度，可以有效控制降解　速度，使缝线随着伤口的愈合自动缓慢降解。（２）　骨材料。传统的医用高分子骨材料有聚四氟乙烯、　硅油、硅橡胶等，但是它们各有不理想的地方，聚　乳酸有效地弥补了这些不足，逐渐成为人体内使　用的高分子材料的主导品种。聚乳酸作为骨材料　的大量临床试验表明其优良的人体适应性，从而　使有望在血管、韧带、皮肤、肝胀等组织的修复和　培养中使用。当然，目前聚乳酸纤维在医药领域的　应用仍在不断扩展，如其非织造布可用作手术衣、　手术覆盖布、口罩等，也可以用在纱布、外用脱脂　棉、绷带等方面。　４结束语　．　从环保的观点来看，ＰＬＡ纤维以其低原料能源　取胜于其他合成纤维，并目．在生物降解方面有着特　殊的优势。据预测，ＰＬＡ在未来的几年中将得到巨　大的发展，预计在未来的５一ｌ０年内随着我国ＰＬＡ　技术的引进与成熟，我国ＰＬＡ纤维的市场需求量至　少可以达到１００万吨／年以上。此外，我国有着极其　丰富的玉米原料，每年产量在１２＇［Ｌ吨以上，占世界　总产量的四分之一左右。而目前由于世界市场玉米　价格低迷，我国不少玉米产区经常发生“卖粮难”的　问题。在急需为玉米找到良好消化渠道的我国，生　产ＰＬＡ纤维可谓孕育着极大的商机，尤其在减少污　染加强环境保护方面，大力开发应用ＰＬＡ纤维无疑　可造福万代。　参考文献：　【ｌｌＪ．Ｓｕｅｓａｔ，Ｄ．Ａ．Ｓ．Ｐｈｉｌｌｉｐｓ，Ｍ．Ａ．Ｗｉｌｄｉｎｇ．Ｔｈｅ　ｉｎｆｌｕｅｎｃｅ　ｏｆ　ｙａｍ－ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ　ｐａｒａｍｅｔｅｒｓ　ｏｎ　ｔｈｅ　ｔｅｎｓｉｌｅ　ｐｒｏｐｅｒｔｉｅｓ　ａｎｄ　ｓｔｒｕｃ－　ｔｕｒｅ　ｏｆ　ｐｏｌｙ（Ｌ－ｌａｖｔｉｃ　ａｃｉｄ）ｉｆｂｅｒｓ【Ｊ】　Ｐｌｏｙｍｅｒ，２００３，４４：５９９３－６００２．　ｆ２］Ｙｕａｎ　Ｘ，Ｍａｋ　Ａ　Ｆ　Ｔ，Ｙａｏ　Ｋ．Ｃｏｍｐａｒａｔｉｖｅ　ｏｂｓｅｒｖａｔｉｏｎ　ｏｆ　ａｃｃｅｌｅｒａｔｅｄ　ｄｅｇｒａｄａｔｉｏｎ　ｏｆ　ｐｏｌｙ（Ｌ－ｌａｃｔｉｅ　ａｃｉｄ）ｉｆｂｅｒｓ　ｉｎ　ｐｈｏｓｐｈａｔｅ　ｂｕｆｆｅｒｅｄ　ｓａｌｉｎｅ　ａｎｄ　ａｄｉｌｕｔｅ　ａｌｋａｌｉｎｅ　ｓｏｌｕｔｉｏｎ［Ｊ］．Ｐｌｏｙｍｅｒ　Ｄｅｇｒａｄａ－　ｔｉｏｎ　ａｎｄ　Ｓｔａｂｉｌｉｔｙ，２００２，７５：４５－５３．　【３］Ｙｕａｎ　Ｘ，Ｍａｋ　Ａ　Ｆ　Ｔ，Ｙａｏ　Ｋ．Ｓｕｒｆａｃｅ　ｄｅｇｒａｄａｔｉｏｎ　ｏｆ　ｐｏｌｙ（Ｌ－　ｌａｃｔｉｃ　ａｃｉｄ）ｉｆｂｒｅｓ　ｉｎ　ａ　ｃｏｎｃｅｎｔｒａｔｅｄ　ａｌｋａｌｉｎｅ　ｓｏｌｕｔｉｏｎ［Ｊ］．Ｐｏｌｙｍｅｒ　Ｄｅｇｒａｄａｔｉｏｎ　ａｎｄ　Ｓｔａｂｉｌｉｔｙ，２００３，７９：４５－５２．　ｆ４１Ｌ．Ｆａｍｂｒｉ，Ａ．Ｐｅｇｏｒｅｔｔｉ，Ｒ．Ｆｅｎｎｅｒ．Ｂｉｏｄｅｇｒａｄａｂｌｅ　ｉｆｂｅｒｓ　ｏｆ　ｐｏｌｙ（Ｌ－ｌａｃｔｉｃ　ａｃｉｄ）ｐｒｏｄｕｃｅｄ　ｂｙ　ｍｅｌｔ　ｓｐｉｎｎｉｎｇ［Ｊ］．Ｐｌｏｙｍｅｒ，１　９９７，　３８（１）：７９－８５．　【５］Ｌｕｎｔ　Ｊ，Ｂｏｎｅ　Ｊ．Ｐｒｏｐｅｒｔｉｅｓ　ａｎｄ　ｄｙｅａｂｉｌｉｔｙ　ｏｆｆｉｂｅｒｓ　ａｎｄ　ｆａｂ－　ｉｒｅｓ　ｐｒｏｄｕｃｅｄ　ｆｒｏｍ　ｐｏｌｙｌａｃｔｉｄｅ（ＰＬＡ）ｐ０ｌｙｍｅｒｓ【Ｊ】．Ｔｅｘｔｉｌｅ　Ｃｈｅｍｉｓｔ　ａｎｄ　Ｃｏｌｏｒｉｓｔ　ａｎｄ　Ａｍｅｒｉｃａｎ　Ｄｙｅｓｔｕｆｆ　Ｒｅｐｏｒｔｅｒ，２００１．３（９）：２０－２３．　［６１Ｊａｍｅｓ　Ｌｕｎｔ等。从玉米中提取的聚乳酸聚合物在纺　织工业中的应用ｆＪ】＿国外纺织技术．２００２（８）：２３—２７．　［７１：Ｅ竹林，金立国．环保型聚乳酸纤维的开发和应用　『Ｊ１．针织丁业．２００３（５）：６２—６４．　『８１廖镜华，聚乳酸纤维　化纤与纺织技术．２００３（４）：２３—　２７．　ｆ９】渠叶红，柯勤飞．熔喷聚乳酸非织造材料的研究进　展ｆＪ］＿产业用纺织品．２００３（１２）：１—９．　ｆ１０１唐昕压用纺织品及其新技术ｆＪ】．广乐化纤．２００３（Ｉ）：　３６－３８