生物基聚合物的熔融纺丝：熔纺生物高分子的性能及潜能概述

J. Davin, P. K. Manvi, G. Seide, T. Gries

亚琛工业大学 纺织技术研究所(德国)

生物基聚合物的熔融纺丝：熔纺生物高分子的性能及潜能概述

J. Davin, P. K. Manvi, G. Seide, T. Gries

亚琛工业大学 纺织技术研究所(德国)

摘要：近年来，随着人们环保意识的增强及生物高分子的生态友好性，生物基聚合物在生产与应用方面呈现出增长趋势。然而，在纺织领域，生物高分子却仅占据较低的市场份额，与传统聚合物相比，其力学性能不足、加工性能差且价格高昂。生物高分子(俗称生物塑料)的产量持续增长，2012年产量已达150万t，预计2018年将达670万t。

关键词：生物高分子；熔融纺丝；力学性能

1生物高分子的分类与分布

原油不仅是一种能源，还是当今社会所采用的一切化学产品的基础。在这些产品中，最重要的两类材料当属高分子和塑料。由于石油及石油化工产品属于有限资源，因而开发生物基聚合物代替石油化工类产品引发了人们广泛的兴趣。生物高分子并不是指具有特殊性能的一类材料，而是指生物基的或具有生物可降解性能的一类材料。根据来源和降解性能可将生物高分子分为如图1所示的4类。

图1　生物高分子的分类

很多因素都会影响生物高分子产品的市场增长及其在全球的应用。如，生产便利性、加工方法、产品性能、成本、生物相容性等。这些因素直接影响消费者对这类产品的兴趣，从而决定了聚合物生产商对生物高分子的市场推广力。图2和图3分别给出了2013年全球范围内生物高分子的种类分布及2011年生物高分子的应用分布情况。

图2　2013年全球生物高分子的种类分布

图3　2011年全球生物高分子的应用分布(单位:万t)

2熔纺生物高分子长丝的制备及其性能

生物高分子的应用领域及其在产业用纺织品领域的应用取决于它的力学性能。因而，另一个影响其市场价值的因素是它的拉伸强度。图4对比了不同生物高分子的力学性能。在众多的生物高分子材料中，聚乙烯呋喃酸酯(PEF)的拉伸强度最高，聚乳酸(PLA)的拉伸强度次之。目前，PEF多用于生产瓶子，但PEF的产量不高，从而限制了它在其他领域的应用。而PLA早已实现了工业化生产，并且在诸多领域表现出很大的开发潜能。

图4　生物高分子的拉伸强度

后文将具体阐述PLA预取向丝(POY)的制备工艺及相关研究。若要制作一件PLA T恤(图5)，需要在PLA熔融纺丝后对纱线进行变形加工。

图5　PLA纱线变形加工后得到的T恤

熔融纺丝及变形加工的工艺参数如下所述。

——PLA熔融纺丝的工艺参数

干燥温度：140 ℃

挤出温度：230 ℃

侧吹风参数：0.55 m/s，18 ℃

加工速度：2 500 m/min

POY的线密度：165 dtex

——PLA变形处理的工艺参数

变形工艺：假捻

加热器温度：205 ℃

拉伸倍数：1.95

速比：1.8

加工速度：600 m/min

熔融纺丝时，纤维可以顺利地从喷丝口挤出，难点在于卷绕。加工运行过程中，仅卷绕10 min后， 卷绕筒上的纱线就会发生断裂，而且当卷绕速度为2 500～ 3 500 m/min时，也会出现断裂现象。

这种现象可以解释为，在纺丝过程中纤维发生了快速结晶，即在快速纺丝(如PET纺丝)过程中产生了应力诱导结晶。纤维内部分子的高度取向促进了结晶进程。然而，当PLA的纺丝速度进一步加大时，却不会影响结晶度和加工的稳定性。

显而易见的是，由于冷却速度过快，高分子迅速固化，使得其在到达卷绕区时分子链尚未完全伸展。同时，在卷绕过程中，由于摩擦导致丝束的温度升高，造成了其轻微松弛，进而导致丝束不能紧密地缠绕在筒管上，破坏了丝束在筒管上的成形。

为解决上述问题，设计了另一个用于PLA熔融纺丝的装置(图6)。这个装置与全拉伸丝(FDY)的加工装置类似，只是没有后期的拉伸工序。丝束在100 ℃下经过两组导丝辊，从而使得纤维有充分的时间进行松弛和结晶，其他工序的工艺参数则与原来的POY纺丝试验相同。在该装置条件下，可连续卷绕2 h，制得5 kg丝束。

图6　用于PLA熔融纺丝的POY装置及类似FDY装置

纺制的PLA丝束与PET丝束的力学性能对比如图7所示。从图7可以看出，PLA丝束的断裂强度比PET的低很多，而断裂伸长率则处于同一水平。

图7　PLA丝束与PET丝束力学性能的对比

黄铄涵 译王依民 校

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Melt spinning of bio-based polymers：Overview on properties and potential of melt spinnable biopolymers

JulienDavin,PavanKumarManvi,GunnarSeide,ThomasGries

Institute für Textiltechnik Der RWTH, Aachen University, Aachen/Germany

Abstract:An increasing trend for biopolymer production and application is being seen due to environmental awareness in the past years and eco-friendliness of biopolymers. In the textile sector biopolymers occupy a relatively low market share due to their insufficient mechanical properties compared to conventional polymers, challenges during polymer processing and their higher price. The production of biopolymers (commonly known as bioplastics ) is continuously increasing and recorded as 1.5 million tons in 2012, which is expected to reach to 6.7 million metric tons in 2018.

Key words:biopolymer； melt spinning； mechanical property