高耐温聚乳酸纤维熔体纺丝过程中微观形态控制及其机理

In recent years, poly(lactic acid) (PLA) has attracted many interests on the development of textile and garment products in PLA applications due to excellent biodegradability, flame retardant, anti-UV performance. PLA has low melting point, but poor heat resistance. Its fabric can’t be dyed using conventional dyeing method. Iron it at a high temperature is easy to deform. This research intends to improve the PLA fiber‘s heat resistance property. Blend poly(L-lactic acid) (PLLA) and poly(D-lactic acid) (PDLA) to form stereocomplex crystallites (sc-PLA) with high melting temperature , while take advantage of sc-PLA and other nucleating agent or plasticizer to accelerate crystallization rate and improve the crystallinity of PLA fiber. On the basis of previous studies, the effect on the formation of sc-PLA and PLA fiber micromorphology during the complex heat and force history of the melt spinning will be studied in detail. Clarify the effect mechanism of homogeneous and heterogeneous nucleation on PLA fiber microstructure and heat resistance property. Analyze the effect that the PLA fiber composition and structure on the heat resistance and mechanical properties of PLA fiber. Obtain the optimum recipes and processes to prepare PLA fiber products with heat resistance temperature > 180℃. Results of this study will provide experimental and theoretical basis to develop industrial high heat resistance PLA fiber.

近年来，聚乳酸（PLA）因具有优良的生物降解性、阻燃性、抗紫外线等性能引起了人们对开发PLA产品在纺织服装上应用的兴趣。但PLA熔点低，耐热性差，其织物不能采用常规染色方法进行染色，在高温熨烫下易产生变形。本项目拟从提高PLA纤维耐热性问题出发，共混聚左旋乳酸（PLLA）和聚右旋乳酸（PDLA）形成高熔点的立构复合晶体（sc-PLA），同时利用sc-PLA及其它成核剂和增塑剂以加速PLA成核和结晶生长速度，提高PLA纤维结晶度。揭示sc-PLA结晶及PLA纤维微观结构在熔体纺丝的复杂热和力历史中的形成机理；阐明均相成核和异相成核对PLA纤维微观结构及耐热性的影响机理；分析PLA纤维组成、结构对形成的PLA纤维耐热性和其它性质产生差异的原因。获得最佳加工配方和工艺，并最终获得耐热温度>180℃的PLA纤维制品。本研究将为高耐温PLA纤维的工业化生产提供实验和理论基础。

聚乳酸（PLA）熔点低，耐热性差，其织物不能采用常规染色方法进行染色，在高温熨烫下易产生变形。PLA纤维耐热性差这一不足，提高了PLA纤维织物的后整理成本，大大限制了PLA纤维在纺织领域的推广应用。因此探索提高PLA纤维耐热性的方法具有重要的产业意义。. 本项目主要通过共混聚左旋乳酸（PLLA）和聚右旋乳酸（PDLA）形成高熔点的立构复合晶体（sc-PLA），同时利用其它成核剂和增塑剂以加速PLA成核和结晶生长速度，提高PLA结晶度，尤其是提高其中高熔点sc-PLA的结晶度。分析了成核剂和增塑剂对PLA微观结构（主要是聚集态结构）及结晶动力学和耐热性的影响机理。研究表明，山西化工研究院提供的成核剂TMC-306和增塑剂PEG的复合使用，表现出促进sc-PLA结晶同时抑制同型晶体（hc-PLA）形成的协同作用。. 我们成功地利用熔体纺丝法制备出了改性的PLA纤维，且性能优异。主要探讨了sc-PLA结晶及PLA纤维微观结构在熔体纺丝的复杂热和力历史中的形成机理，分析了PLA纤维组成、结构对形成的PLA纤维耐热性以及其它性质产生差异的原因。结果表明，在适宜的纺丝条件下获得的改性PLA初生纤维，经过3倍热拉伸和160oC热处理，纤维耐氧化降解性能和耐热性能都较市售的PLLA纤维有较大幅度提升。其耐热温度可以达到170oC。本研究成果为高耐温PLA纤维的工业化生产提供实验和理论基础。