聚乳酸无纺布亲水处理及其性能测试和分析2.docx
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聚乳酸无纺布亲水处理及其性能测试和分析2
题目聚乳酸无纺布亲水处理及其性能测试和分析
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2013年5月10日
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论文（设计）作者签名：
签名日期：
2013年5月10日
聚乳酸无纺布亲水处理及其性能测试和分析
摘要：
本文概述了聚乳酸纤维的性能和特点，阐述聚乳酸水刺无纺布和纺粘无纺布的加工流程，同时介绍了聚乳酸在医疗卫生材料领域的应用状况。
聚乳酸非织造材料的力学性能和加工性能好，可加工成各色各样的制品，应用在用即弃卫生用品中也将是世界可持续发展的必然要求。
但是由于聚乳酸亲水性能差，限制了聚乳酸材料的大规模生产。
采用工厂生产的二种不同的PLA无纺布进行亲水处理，对亲水剂种类、用量、亲水处理工艺进行实验性筛选，同时与没有经过亲水处理相同克重的PLA水刺和纺粘无纺布性能测试结果进行对比和分析，进而得出最优的亲水处理试剂和工艺。
关键词：
聚乳酸；无纺布；亲水性；性能
Polylacticacidnon-wovenhydrophilictreatmentanditsperformancetestingandanalysis
Abstract:
Thisarticleoutlinestheperformanceandfeaturesofthepolylacticacidfiber,manufacturingprocessesofspunlacepolylacticacidnon-wovenandspunbondnonwoven,andapplicationsofpolylacticacidinthefieldofhealthmaterials.Polylacticacidnon-wovenmaterialshavegoodmechanicalpropertiesandprocessingperformance.Itcanbeprocessedintodifferentkindsofproducts,whichbeusedindisposablehygieneproductswillalsobetheinevitablerequirementforasustainableworld.However,duetopoorhydrophilicpropertiesofpolylacticacid,whichlimitsthelarge-scaleproductionofapolylacticacidmaterial.Onthisbasis,usingthefactoryproductionoftwodifferenttypesofPLAnonwovenfabric,wemakethemhydrophilictreatment.Wemakeexperimentalscreeningforhydrophilicagenttypeandamountofthehydrophilictreatment.Atthesametime,wecompareditwithnohydrophilictreatmentofPLAspunlaceandspunbondnonwoven，sperformancetestresultsandanalysis,andthencometothebesthydrophilictreatmentreagentsandprocesses.
Keywords:
polylacticacid;non-woven;hydrophilic;performance
2.1回潮率...........................................................................................................................................5
2.1.1实验原理............................................................................................................................5
3.1回潮率..........................................................................................................................................8
1绪论
1.1前言
随着石油资源的匮乏，人们环保意识的提高,天然生物降解高分子材料引起了全世界的关注。
聚乳酸作为一种可降解的新型材料，具有良好的生物降解性、生物相容性、和生物可吸收性[1]。
使用后，在土壤和水中能被微生物完全降解成水和二氧化碳，对人体无毒无害，对环境无污染。
聚乳酸纤维是由可再生的玉米、小麦等淀粉原料发酵而转变成乳酸，再经过聚合、溶液或熔融纺丝而制成的纤维，是第一个完全可再生的人造纤维，具有天然纤维与合成纤维的双重特点。
聚乳酸纤维是实现工业化生产的一种新型环保纤维,具有来源丰富、可生物降解、物理机械性能和加工性能优良等优点。
由聚乳酸纤维制成的布料具有手感柔软、光泽亮丽、悬垂性、吸水性和抗皱性好，穿着舒适,并具有抗紫外线和导湿的作用,且能释放人体气味等特性，是一种非常理想的面料。
聚乳酸纤维性能优越,有极好的悬垂性、滑爽性、吸湿透气性、良好的耐热性及抗紫外线功能,并富有光泽和弹性,可作服装面料、家用装饰材料、医用材料、非织造布材料、可生物降解的包装材料等[2-4]。
然而,PLA的均聚物存在不少缺陷。
PLA属聚酯,亲水性差,降低了其生物相容性。
本文选用五种亲水剂，如HS-DM-1、SF-608AA、TF-629、TF-629C、TF-629B，对两种聚乳酸无纺布进行亲水处理，以改善其亲水性。
通过芯吸高度、伸长长度、抗弯长度、抗弯刚度、透气率等评价指标衡量其亲水性的大小。
1.2聚乳酸纤维
1.2.1聚乳酸纤维简介
聚乳酸纤维（PolylacLicAcidFiber.简称PLA）是由玉米、小麦、马铃薯等淀粉原料经发酵转变成乳酸，乳酸经缩合反应合成低分子量聚乳酸,再利用耦合剂将低分子量的聚乳酸聚合成具有良好机械物性的较高分子量聚乳酸,再通过化学改性将其物理性质提高并使其纤维化。
再经过溶液或熔融纺丝制成的纤维[5]。
熔融纺丝时,采用分子量比较高的聚乳酸,先将PLA切片进行真空干燥后,然后在氮气保护下通过螺杆挤压机喷丝制得,成丝后以118～210km/min的速度进行卷绕,然后将初生纤维在热板上双区拉伸进行拉伸热定形,最后根据产品要求制成长纤、短纤[6]。
聚乳酸纤维是第一个完全可再生的人造纤维，兼有天然纤维和合成纤维的特点。
商业化生产的PLA纤维是以玉米淀粉发酵制成乳酸，经脱水聚合反应制得聚乳酸酯溶液进行纺丝加工而成，所以PLA纤维又被称为玉米纤维[7,8]。
聚乳酸纤维的优良特性使其开发和深加工产品具有更加广阔的前景，聚乳酸非织造布的生产过程干净环保无污染，对全世界的环保事业具有深远影响。
聚乳酸纤维具有优良的降解性能。
它的降解不同于天然纤维的微生物酶解，聚乳酸的降解是由于聚合物链上酯键的水解，降解后产生二氧化碳和水。
最后在植物的光合作用下，又会生成淀粉的起始原料[9]，这个循环过程见图[10]。
图1-1聚乳酸纤维生态循环图
1.2.2聚乳酸纤维性能
PLA纤维具有良好的物理机械性能，是高结晶性、高取向性和高强度的纤维。
跟聚酯和聚酰胺纤维相对比，聚乳酸纤维的手感和悬垂性更好，抗紫外线（uv）性能好，比重低，可燃性差，发烟量小，卷曲性和保型性更好。
聚乳酸纤维吸湿吸水性小，水扩散性及渗水性佳，而且透湿性亦好，这些特性与衣料用途的吸汗速干性有关。
聚乳酸纤维与聚酯、棉纤维的性能对比如下[11]：
项目
PLA纤维
涤纶纤维
棉纤维
密度（g/cm-3）
1.27
1.38
1.54
熔点（℃）
175
260
/
玻璃化温度（℃）
57
70
/
标准状态吸湿率（%）
0.6
0.4
8.5
燃烧热（KJ*g-1）
18.84
23.03
/
断裂强度（CN/dtex）
4.0-4.9
4.0-4.9
3.0-4.9
伸长度（%）
30
30
/
染料种类
分散染料
分散染料
活性染料
染色温度（℃）
100
130
80
聚乳酸纤维具有的突出优点如下[12-15]：
（1）能耗低：
它的原材料十分丰富，都是可再生的资源，而且资源和能耗少：
聚乳酸纤维是当今最绿色和环保的有机高分子化合物。
其综合能源消耗是化学纤维生产中最低的。
（2）可生物降解无污染：
聚乳酸纤维具有良好的生物降解性，将其与其他废物同时埋入地下，较短时间内就可分成水和二氧化碳。
它对环境无污染，天然环保。
聚乳酸所用的原材料没有毒性，发酵污水处理不存在难题。
且其生产过程中都是无污染的，是最简洁干净的生产。
（3）物理机械性能和加工性能好：
聚乳酸纤维的强度、伸长等与涤纶和锦纶相差不大，但熔点和模量较低，具有良好的手感，弹性回复率高，玻璃化温度适宜。
（5）舒适性好：
聚乳酸的产品亲肤性好，与皮肤接触会感到十分舒适，且有天然的抗菌性。
（6）有一定的阻燃性：
聚乳酸纤维的极限氧指数是常用纤维中最高的。
它的难燃性与毛相似,优于涤纶。
限氧指数:
PLA:
26～27;羊毛:
24～25;涤纶:
23～24[16];，且其燃烧时散发的热量低，容易熄灭，火灾危险小。
（7）环境可持续性：
PLA纤维的原料是谷物等农产品，属于可重复使用的再生能源，取之不尽,用之不竭。
1.3聚乳酸非织造布工艺和应用
1.3.1纺粘法聚乳酸非织造布
纺粘法聚乳酸非织造布是以聚乳酸切片为原料,经过熔融纺丝、牵伸铺网,然后用热轧或针刺及水刺等方法固结而成的一种新型的长丝非织造布,。
纺粘法聚乳酸非织造布可以制作复合类产品，能够满足不同领域的需要。
纺粘法是一种既经济、快速又环保的生产方法。
由于聚乳酸在高温下容易解聚,所以切片要充分干燥,去除水分。
同时纺丝温度不能太高，要控制适当,才能保证纺丝的顺利进行。
聚乳酸纺粘法采用空气冷却并通过开纤装置将纺出的丝条杂乱散落堆积在网帘上,铺置成网,然后再经热轧辊加压热粘合,即可得到PLA纺热轧非织造布[17]。
聚乳酸纺粘法非织造布的工艺流程为:
聚乳酸切片→螺杆挤压机→熔体过滤器→计量泵→喷丝板→冷却吹风→气流牵伸→铺网→热轧成布（或水刺、针刺成布）→卷取→成品[18]。
由于聚乳酸的优良性能,使得用纺粘法制得的聚乳酸纺粘法非织造布在常温下具有良好的耐气候性、强度保持性;在土壤、海水、污泥等自然环境下经历一定时间后可完全分解为水和二氧化碳,对环境不造成污染,并且其分解产生的二氧化碳又通过植物的光合作用被重新合成淀粉等生产聚乳酸的原料,所以聚乳酸纺粘法非织造布是新型环保型的非织造布产品[19]。
1.3.2、聚乳酸水刺无纺布
聚乳酸具有中等的强力，比天然纤维要高，但是其吸湿率不如其他的天然纤维,表现出较好的疏水性。
因此可以选择水刺固结。
水刺法聚乳酸非织造布的基本工艺过程为:
聚乳酸短纤维→开松→气流成网→水刺固结→后处理（烘干）→成品卷绕。
聚乳酸水刺非织造布具有良好的透气性、悬垂性，且手感柔软、外观光滑、不起毛，良好的亲肤性、降解性及生物相容性等[20]。
聚乳酸纤维的优良特性使其开发和深加工产品具有更加广阔的前景，聚乳酸水刺非织造布的生产过程干净环保无污染，对全世界的环保事业具有深远影响。
现在中国的新丽无纺和美国农业生技公司CargillDow合作生产出一种可分解式聚乳酸纤维（PLA）应用于医疗床垫,取代了传统的聚酯纤维,进一步打开美国市场销路[18]。
国内外聚乳酸水刺无纺布已经被应用于医疗卫生用布、家庭装饰用品、餐厅用布等各个方面,相信将来必然有着广阔的研究和应用前景。
1.3.3、医疗卫生领域的应用
聚乳酸纤维具有良好的生物相容性，无毒和生物降解性，因此被广泛应用于医疗和卫生领域。
在医疗领域，聚乳酸具有同涤纶相似的强度，且其降解产物也为人体代谢的产物。
对人体无害，因此被广泛应用于医用的缝线，伤口慢慢愈合，缝合线也逐渐降解掉，无需拆线，大大的减轻了病人的痛苦。
聚乳酸纤维也可用于外科手术的植入材料，如人工肾、人工尿道、人工食管等生物器官，生物相容性好，对人体无害。
此外，在卫生领域，聚乳酸降解产物是水和二氧化碳，对环境无害。
用聚乳酸制成的卫生巾、尿布、一次性口罩等用即弃产品，不需要焚烧，不会留下有毒气体和产物。
因此，聚乳酸产品必将取代对环境有害的材料，在未来的发展中具有广泛的应用前景。
1.4本课题研究的意义
绿色纺织品的发展是一种势不可抵挡的潮流。
聚乳酸最大的优点是以可再生的植物为原料，在整个生产过程中消耗的能量低，从原料到废弃物都可经微生物作用分解成二氧化碳和水，具有天然的生物降解功能，燃烧时不会散发毒气，不会造成污染。
聚乳酸纤维融合了天然纤维和合成纤维的优异性能于一体，是21世纪的环保材料，是新型的生态性纤维。
随着聚乳酸纤维的不断开发，其在非织造布中的应用也日渐增多。
在石油资源日益短缺和环境污染十分严重的时代，更需要研究既能解决能源的危机又对环境没有污染的绿色纤维。
目前聚乳酸纤维还是存在一些问题，如聚乳酸纤维的染色性能差且生产成本过高。
因此对聚乳酸材料性能的测试，并对实验的数据结果作分析研究，从而聚乳酸纤维材料进一步的了解。
课题以聚乳酸非织造布为研究对象，选择最优良的亲水整理方案，从而对聚乳酸材料的性能有更好的认识，为实际工作中充分利用聚乳酸材料特性提供提论和、实验依据。
2实验部分
亲水整理是一种方法简便、效果显著、成本低廉的非织造布后整理工艺，一般分为浸渍法和浸轧法，另外还有喷洒法和泡沫整理法。
浸轧法能提高亲水整理剂的附着力并能均匀分布在非织造布上，工艺简单易行，所以实际生产中主要采用浸轧法[21]。
浸轧法的原理是将亲水剂覆盖在聚乳酸非织造布的表面，形成亲水薄膜，然后加热烘干，使亲水剂固着在非织造布表面。
本文中的无纺布规格是30g/m2纺粘法聚乳酸无纺布，80g/m2水刺法聚乳酸无纺布。
亲水整理工艺为将HS-DM-1、SF-608AA、TF-629、TF-629C、TF-629B五种亲水剂分别配制成浓度为0.3%、0.5%的溶液，放入烧杯。
将试样放入烧杯中，二浸二轧后，放入温度分别为80、110、140摄氏度的烘箱内90s。
最后取出，放于标准大气压下24小时。
2.1回潮率
2.1.1实验原理
回潮率表示纺织材料吸湿程度的指标。
以材料中所含水分重量占干燥材料重量的百分数表示。
在纺织品的贸易中为了计重和核价的需要，必须对各种纺织材料的回潮率作出统一规定，称公定回潮率。
2.1.2实验准备
实验仪器：
剪刀、直尺、烘箱、天平。
实验试样：
量取30cm×30cm的聚乳酸纺粘无纺布和水刺无纺布。
2.1.3实验步骤
称重，放入60摄氏度的烘箱烘30min，然后称重，与之前的重量对比，得出回潮率。
2.2接触角性能测试
2.2.1实验原理
润湿是自然界和生产过程中常见的现象。
通常将固—气界面被固液界面所取代的过程称为润湿。
将液体滴在固体表面上，由于性质不同，有的会铺展开来，有的则粘附在表面上称为平凸透镜状，这种现象称为润湿作用。
前者称为铺展润湿，后者称为粘附润湿。
如水滴在干净玻璃板上可以产生铺展润湿。
如果液体不粘附而保持椭球状，则称为不润湿。
2.2.2试样准备
实验仪器：
剪刀，接触角测量仪。
实验试样：
将HS-DM-1、SF-608AA、TF-629、TF-629C、TF-629B五种亲水剂分别配制成浓度为0.3%、0.5%的溶液，放入烧杯。
将试样放入烧杯中，二浸二轧后，放入温度分别为80、110、140摄氏度的烘箱内90s。
最后取出，放于标准大气压下24小时。
2.2.3实验步骤
实验步骤：
开机—调焦—加入样品—接样—冻结图像—量角法
2.3毛细效应
2.3.1实验原理
织物毛细效应测定是将一定规格的试样悬挂在支架上，下端浸入水中，液体即沿毛细管而上升一定高度。
可以用在一定时间内液体上升高度标示个cm数。
2.3.2试样准备
实验仪器：
剪刀，直尺，铅笔，毛细效应测验仪。
实验试样：
剪取30cm×5cm的无纺布布条，在离开布条一端1cm处画一水平线，并在此末端挂约2g重锤。
2.3.3实验步骤
将毛细效应测定仪安装并调整好水平，盘底内倒入水，调整页面与标尺读数对齐。
将布条上端固定，使其下端沿笔线与标尺读数对齐，然后将横架连同标尺及试样一起下降，知道标尺读书零点与水平接触为止。
在5min和30min时记录液体上升的高度，最后娶平均值作为测量结果。
2.4织物刚柔性测试
2.4.1实验原理
在YG（B）022D型自动硬挺度测试仪上，试样被作为均布再喝悬臂梁平直于工作台上通过驱动季候使其沿长度方向做匀速运动。
当试样被从工作平台上推出，因自重作用弯曲下垂，实验的头端接触与水平线呈41.5。
倾角的斜面检测线时，测得伸长长度L，计算得出抗弯长度和抗弯刚度两个力学指标，根据抗弯刚度越大越难弯曲的原料，作为评价被测材料刚柔性能硬挺度的测试指标。
2.4.2实验准备
实验仪器：
剪刀、直尺、YG（B）022D型自动硬挺度测试仪。
实验试样：
从未处理和经过亲水整理的聚乳酸无纺布中裁出25cm×2.5cm的布条。
2.4.3实验步骤
选用正反面测试法，将实验条放上工作台，点击测试。
2.5织物透气性实验
2.5.1测试原理
在规定的压差下，测定单位时间内垂直通过试样的空气流量，推算织物的透气性。
本实验是将试样夹持在织物透气仪的进气孔上，通过设定织物两面的压差，调整流量孔径的大小，测量流过试样的空气流量。
当压差一定时，其流量孔径越大，单位时间流过的空气量也越大；当测试试样的面积大小不同时，同样的压力差所对应的空气流量不同，试样面积越大，同样的压力差所对应的空气流量越大。
2.5.2试样准备
实验仪器：
电脑式透气测试仪。
实验试样：
剪裁后剩下的无纺布。
2.5.3实验步骤
选用16号喷气嘴，将试样放上工作台测试。
2.6透湿性测定
2.6.1实验原理
把盛有吸湿剂或水，并封有织物试样的透湿杯放置于规定温度和湿度的密封环境中，根据一定时间内透湿杯（包括试样和吸湿剂或水）质量的变化计算出透湿量。
公式：
WVT=（24*△m）/（s*t）
式中：
WVT—－每平方米每天（24h）的透湿量，g/（m2.d）;
△m—－同一试验组合体两次称重之差，g;
s—－试样试验面积，m2;
t—－试验时间，h。
2.6.2实验准备
实验仪器：
YG601Ⅰ/Ⅱ型电脑式织物透湿仪、透湿杯、烘箱、硅胶干燥器、垫圈、压环
实验试样：
未亲水处理的纺粘法和水刺法聚乳酸无纺布；处理温度为80℃，浓度为0.3%的HS-DM-1处理的纺粘法聚乳酸无纺布；处理温度为110℃，浓度为0.5%的TF-629处理的水刺法聚乳酸无纺布。
2.6.3实验步骤
将吸湿剂无水氯化钙在烘箱中干燥3小时，将干燥后的吸湿剂装入透湿杯内，试样测试面朝上放在透湿杯上，装上垫圈和压环，组成试验组合体，放入试验箱内，平衡0.5小时，盖上杯盖，在硅胶干燥器中平衡30分钟，称量，除去杯盖放入试验箱内，经1小时取出，称量。
2.7拉伸强力测定
2.7.1实验原理
规定尺寸的试样以恒定伸长速率被拉伸直至断脱，测试它能承受的最大力，记录断裂强力、断裂伸长、断脱强力及断脱伸长率等数据。
2.7.2实验准备
实验仪器：
YG（B）026H型电子织物强力机、剪刀、直尺、玻璃杯
实验试样：
未亲水处理的纺粘法和水刺法聚乳酸无纺布；处理温度为80℃，浓度为0.3%的HS-DM-1处理的纺粘法聚乳酸无纺布；处理温度为110℃，浓度为0.5%的TF-629处理的水刺法聚乳酸无纺布。
2.7.3实验步骤
在每种无纺布的纵横向各剪取3条5cm*30cm将夹持距离调整为与设定值一致，200mm，选用相应的预张力夹，2N,在液晶屏上根据要求，设定试验参数，夹好试样，开始测试，结果取平均值。
3实验结果分析
3.1回潮率
回潮率测试结果如下：
表3-1聚乳酸无纺布的回潮率
烘干前
烘干后
回潮率
平均值
纺粘
4.1470
4.1391
0.0019086
0.0016
4.0603
4.0531
0.0017765
4.053
4.0476
0.0013341
烘干前（g）
烘干后（g）
回潮率
平均值
水刺
9.0749
9.0448
0.0033279
0.0031
9.3472
9.3203
0.0028862
6.5028
6.4821
0.0031934
无纺布的回潮率能够反映其吸湿程度，纺粘法聚乳酸无纺布回潮率为0.16%左右，而水刺法聚乳酸无纺布回潮率约为0.31%，水刺法聚乳酸无纺布的回潮率比纺粘法聚乳酸无纺布大0.15%，说明水刺法无纺布的吸湿性比纺粘法好，加工工艺的不同也会影响无纺布的回潮率。
回潮率的大小对纺织材料的物理机械性质，如强力、伸长率、比重，以及纺织工艺都有影响。
3.2接触角结果分析
接触角测试结果如下：
纺粘法聚乳酸无纺布水刺法聚乳酸无纺布
亲水整理后的无纺布
图3-2-1中，纺粘法聚乳酸无纺布接触角为121度，水刺法聚乳酸无纺布的接触角为104度。
在图3-2-2中，水滴滴在亲水整理后的无纺布上，瞬间就被吸收了。
无纺布表面无液滴，测不出接触角。
液滴完全铺展润湿在无纺布上。
3.3芯吸高度结果分析
纺粘法聚乳酸无纺布毛细效应测试结果如下：
表3-3-1纺粘法聚乳酸无纺布芯吸高度
温度
时间
亲水剂（浓度0.3%）
无
HS-DM-1
SF-608AA
TF-629
TF-629C
TF-629B
80℃
5min
0
7.8
4.5
4.8
6
6.2
30min
0
9.3
4.9
5.8
8
6.9
110℃
5min
1
7.3
7.1
7.1
7
6.2
30min
1
8.5
8
8
7.8
7.1
140℃
5min
0
7
7.2
5
5
5.9
30min
0
9
升级会员 