新型聚乳酸纤维材料简介及应用内容摘要近年来，随着以石油为原料的塑料、橡胶及纤维工业的迅速发展，地球上能源存储量日趋减少、环境污染问题愈来愈严重，各国都在考虑可持续发展和环境保护问题。

如何解决这些污染并开发出可自然降解的新型材料已经成为近年来世界各国的重要研究目标。

目前环保行业的明星是利用乳酸生产的新型聚酯材料——聚乳酸（PLA）。

其中，以聚乳酸为原料加工而成的可降解纤维材料尤其引人关注。

本文主要讲诉聚乳酸纤维的性能，合成及研究现状。

关键词：聚乳酸纤维，聚乳酸纤维研究现状，聚乳酸纤维性能。

新型聚乳酸纤维材料简介及应用一、聚乳酸纤维简介（一）聚乳酸纤维简介聚乳酸纤维又称玉米纤维，它是由玉米等谷物原料经过发酵、聚合、纺丝制成的。

在其生产过程中，首先将玉米中的淀粉提炼成植物糖，再将植物糖经过发酵形成乳酸，乳酸再经过聚合生成高性能的乳酸聚合物，最后将这种聚合物经过熔体纺丝等纺丝方法制成聚乳酸纤维。

聚乳酸( Polylactic Acid)，简称PLA，化学结构式为：聚乳酸(PLA)它是一种以乳酸为主要原料的高分子聚合物。

聚乳酸由乳酸合成，而乳酸的原料是所有碳水化合物富集的物质，如粮食(玉米、甜菜、土豆、山芋等)以及有机废弃物(玉米芯或其他农作物的根、茎、叶、皮、城市有机废物和工业下脚料等)。

以涤纶为代表的合成纤维自问世以来，得到了快速的发展。

然而，随着以石油为原料的合成纤维产量的快速增长，石油过度开采引起的能源枯竭，以及石油制品废弃物的不可自然降解性对环境造成了极大的威胁。

从环保的观点出发，对生物可降解材料的研究和开发己变得非常迫切。

聚乳酸纤维是一种性能较好的可生物降解纤维。

在微生物的作用下，其废弃物会分解生成碳酸气体和水，它们在阳光下通过光合作用又会生成起始原料淀粉，而淀粉又是聚乳酸的原料（如图2-10），这实现了资源的可持续利用。

用玉米等谷物原料加工聚乳酸产品对综合利用资源，减少环境污染具有重要的意义和价值。

图2-10 聚乳酸纤维的可持续应用（二）聚乳酸纤维的形态结构图2-11和图2-12为聚乳酸纤维的横截面形态和纵向表面形态。

聚乳酸纤维横截面为近似圆形且表面存有斑点，而聚乳酸纤维纵面存在无规律的斑点及不连续性条纹，这些无规律的斑点及不连续性条纹形成的原因主要是由于聚乳酸存在着大量的非结晶部分，在水、细菌、氧气的存在下，可以进行较快的分解而形成的。

图2-11 聚乳酸纤维的横截面 图2-12 聚乳酸纤维的纵向 （三）聚乳酸纤维生产工艺乳酸经聚合反应得到聚乳酸，聚乳酸再经纺丝加工生成聚乳酸纤维。

（1）乳酸的合成生物降聚乳酸纤聚乳乳酸 淀粉 太CO 2、光乳酸的生产工艺路线有两种，一是石油原料的合成法，另一种是发酵法。

发酵法是以含淀粉的玉米、小麦、黑麦、稻谷、红薯、土豆以及甜菜等农作物为原料，采用连续发酵或间歇发酵两种发酵工艺制取乳酸。

发酵法生产成本远远低于合成法，再加上原料来源广泛，原料的利用率和转化率高等原因，因而被各国生产厂家普遍采用。

目前我国国内的生产以发酵法居多。

（2）聚乳酸的合成聚乳酸的合成方法通常有两种，即丙交酯(乳酸的环状二聚体)的开环聚合和乳酸的直接聚合。

①丙内酯开环聚合首先由乳酸经脱水环构化制得丙交酯：乳酸丙酯由丙内酯经开环聚合制得聚丙内酯（即聚乳酸，简称PLA）：丙酯聚乳酸（PLA）其生产工序为：第一步将乳酸脱水环化制成丙交酯；第二步将丙交酯开环聚合制得聚乳酸。

其中乳酸的环化和提纯是制备丙交酯的难点，也是制备聚乳酸的关键。

这种方法可制得高分子量的聚乳酸，可以较好地满足成纤聚合物和骨固定材料等的要求，因此是当今生产聚乳酸的主要方法。

②乳酸直接聚合乳酸聚乳酸（PLA）由精制的乳酸直接进行聚合，是制备聚乳酸最早也是最简单的方法。

该法生产工艺简单，但得到的聚合物分子量低，且分子量分布较宽，其加工性能等尚不能满足成纤聚合物的需要；而且聚合反应在高于180℃的条件下进行，得到的聚合物极易氧化着色，使应用受到一定的限制。

（3）聚乳酸的纺丝聚乳酸的纺丝可采用溶液纺丝和熔融纺丝两种方法来实现。

①溶液纺丝法制备聚乳酸纤维溶液纺丝主要采用干纺-热拉伸工艺，纺丝原液的制备一般采用二氯甲烷或甲苯作溶剂。

针对不同分子质量的聚乳酸，选用不同的溶剂。

二氯甲烷和三氯甲烷适用于分子质量低一些的聚乳酸纺丝过程，而甲苯是分子质量高一些的聚乳酸的良好溶剂。

该法优点是制得纤维的机械性能优于熔融纺纤维。

在溶液中，链的缠结比熔体中要低得多，因此该法制得的初生纤维显示出高的拉伸性能；而且溶液纺丝通常在相对低的温度下进行，热降解少，因此通过干纺和热拉伸过程可制得强度较高的聚乳酸纤维。

溶液纺丝的缺点是工艺较为复杂，溶剂回收难，纺丝环境恶劣。

同时所采用的溶剂有毒，需经特殊处理才能适合于医疗卫生的要求，致使其最终产品的成本更高，从而限制了其应用。

到目前为止采用溶液纺丝制备聚乳酸纤维还停留在实验室阶段，还未有商业化生产报道。

②熔体纺丝法制备聚乳酸纤维的工艺流程熔融纺丝法可用生产涤纶的熔融纺丝工艺，如高速纺丝一步，纺丝-拉伸二步法。

目前，熔融纺丝法生产聚乳酸纤维的工艺和设备正在不断改进和完善，已经成为聚乳酸纺丝加工的主流方法。

（四）聚乳酸纤维研究现状最早以玉米为原料的纤维生产于1948年，产品名为“维卡拉”，是玉米蛋白质纤维，由美国维吉尼亚—卡里罗来纳化学公司于1948 年至1957 年批量生产。

聚乳酸的研究和开发历史则可以追溯到20 世纪30 年代，当时美国杜邦公司的著名高分子化学家Carotbers首次用乳酸以真空加热方式生产出一种低分子量的玉米聚乳酸酯。

之后在1948年美国维吉尼亚卡罗来纳化学公司利用玉米残渣提取玉米醇熔蛋白质，生产出Vicara 纤维；1962年美国Cyanamid 公司利用聚乳酸酯制成性能优异的可吸收缝合线等。

由于受早期科技水平的制约，上述研制出的各种聚乳酸酯纤维因强度低、物理机械性能差、达不到纺织纤维的基本要求，均未能实现工业化生产。

1997年，美国两家大公司Dopolymers 与Cargill 合作，联合开发了聚乳酸酯树脂和聚乳酸酯纤维，生产的聚乳酸酯现已成为钟纺、尤尼吉卡、三菱树脂等大厂的纤维原料，开创了聚乳酸酯纤维的工业化发展阶段。

随后日本钟纺公司和尤尼吉卡公司、美国的杜邦公司等先后成功开发出聚乳酸酯纤维。

此外，日本的尤尼吉卡和仓敷公司也相继使用CDP 公司的PLA 聚合物纺制长丝、短纤或用纺粘法生产非织造布产品。

2002年4月在瑞士日内瓦举办的非织造布贸易展览会上，日本大阪的纤维生产商Kanebo Gohsen有限公司作了有关PLA纤维的报告。

该公司目前的生产能力为700t/年，并可能根据发展的需求扩大生产规模。

德国Inventa Fscherwc公司的年产3000t 聚乳酸中试实验装置也已获得成功，并着手进行年产1万t的生产线的开发。

中国的聚乳酸工业起步较晚。

1987年前后,上海工业微生物研究所、江苏省微生物研究所、天津工业微生物研究所等开展了发酵法聚乳酸的研究。

我国研制聚乳酸纤维的有南开大学、浙江省医学科学院、东华大学、华南理工大学、中国科学院长春应用化学研究所等。

东华大学承担的中国石油化工股份有限公司的项目“聚乳酸的合成方法及纤维制备工艺”2003年7月通过了中国石化集团公司的技术鉴定。

经中国化纤工业协会化纤产品检测中心测定，项目制备的拉伸纤维断裂强度达4.0cN/dtex，拉伸模量达62.3cN/dtex，断裂伸长为31%；经国家教育部东华大学纺织检测中心测定，热定型纤维断裂强度达 3.79cN/dtex，拉伸模量达51.3cN/dtex，断裂伸长为23.5%，达到了国际先进水平。

但从总体上来说我国的聚乳酸纤维的研究基本上还处于研发引进阶段，国内使用的聚乳酸酯纤维大多是从美国、日本和台湾进口的，国内仅有少量生产。

2002年上海华源股份有限公司与美国CDP公司合作，成为国内第一家实现工业化开发聚乳酸酯产品的化纤企业。

二、聚乳酸纤维性能：（一）聚乳酸纤维的物理性能聚乳酸纤维是新一代环保型纤维，具有很多优越的性能。

表2-16为聚乳酸纤维与聚酯、锦纶纤维的物理性能比较。

由表可知，(1) 聚乳酸纤维的密度介于聚酯和锦纶之间，比棉、丝、毛等密度小，说明聚乳酸纤维具有较好的膨松性，制成的服装比较轻盈；(2) 聚乳酸纤维的强度较高，达到310～415 cN/ dtex，接近合成纤维；(3)聚乳酸纤维的断裂伸长率在30 %～50 %，远高于聚酯和锦纶，会给后道织造工序带来相当的难度；(4)纤维模量小(与锦纶相近)，属于高强、中伸、低模型纤维。

杨氏模量可以表征纤维的硬度，杨氏模量高，纤维发硬；杨氏模量低，则纤维柔软。

因此聚乳酸纤维制成的织物手感柔软、悬垂性很好；(5) 聚乳酸纤维与聚酯纤维具有相似的耐酸碱性能，这是由其大分子结构决定的。

表2-16 聚乳酸、聚酯、锦纶纤维性能比较项目聚乳酸纤维聚酯纤维锦纶纤维密度/g·cm-3 1.27 1.38 1.14断裂强度/cN·dtex-1 3.0~4.5 4.0~4.9 4.0~5.3断裂伸长率/%30~5025~3025~40玻璃化温度/℃577040熔点/℃175260215杨氏模量/kg·mm-2400~6001100~1300300耐酸碱性耐酸不耐碱耐酸不耐碱耐碱不耐酸聚乳酸纤维和常用纤维弹性回复率比较见表2-17。

由表可以看出，聚乳酸纤维在小变形时弹性回复率比锦纶还要好。

即使变形在10%以上，纤维的弹性回复率也锦纶以外的纤维高很多。

聚乳酸纤维抗皱性好，非常适合做运动衣。

表2-17 聚乳酸纤维和常用纤维弹性回复率比较应变聚乳酸回复率(%)棉纤维回复率(%)涤纶回复率(%)粘胶回复率(%)羊毛回复率(%)锦纶回复率(%)2%99.275.088.082.099．0——5%92.652.065.032.069.089.010%63.923.051.023.051.089.0由于聚乳酸纤维是一种高结晶性、高取向性和高强度的纤维，它的物理性能介于聚酯纤维和锦纶之间。

在服用性能方面，聚乳酸纤维具有更好的手感和悬垂性，比重较轻，有较好的卷曲性和保型性。

聚乳酸纤维无需特别的装置和操作，可用常规的工艺进行加工处理。

它和化纤一样，可加工成长丝、短纤维、单丝、非织造布以及编织物、带子、缆绳等多种制品。

（二）聚乳酸纤维的生物降解性能聚乳酸纤维可降解的根本原因是聚合物上酯键的水解。

一般认为，其末端羧基对其水解起催化作用，降解过程从无定型区开始。

水解速率不仅与聚合物的化学结构、分子量、形态结构及样品尺寸有关，而且依赖于外部水解环境，如微生物的种类及其生长条件、环境温湿度、pH值等。

在正常的温度和湿度条件下，聚乳酸及其制品是极其稳定的，但在一定的环境和条件下，聚乳酸则可以分解成二氧化碳和水。