熔紡聚乳酸纖維的結構與性能研究

（天津工業大學材料科學與工程學院、天津市改性與功能纖維重點實驗室，天津300387）

聚L-乳酸（PLLA）是一種具有良好的生物相容性、生物可降解性的聚酯類高分子材料，可塑性能好，易于加工成型，是生物醫用材料和可循環再生材料[1～3]。聚乳酸纖維可用于外科手術縫合線等醫藥學領域，市場前景十分廣闊。聚乳酸纖維的成形方法主要有溶液紡絲和熔融紡絲。溶液紡絲工藝復雜，溶劑有毒且難于回收，目前處于實驗室階段。熔融紡絲具有紡絲速度快，清潔無污染等優點[4,5]。本研究采用纖維級聚乳酸切片，通過熔融紡絲法制備了聚乳酸纖維，研究了紡絲溫度、拉伸倍數、定型時間和定型溫度等因素對聚乳酸纖維性能的影響。

1 實驗部分

1.1 主要原料

聚乳酸（PLLA），重均相對分子質量為15萬，DPI為1.9，深圳市光華偉業實業有限公司。

1.2 主要設備及儀器

臺式熔融紡絲機，北京若江化纖機械有限公司；

電子單纖維強力儀，LLY-06，萊州電子儀器有限公司；

X-射線衍射儀，D8，德國Bruker公司。

1.3 PLLA纖維的制備

將PLLA于60℃真空烘箱中干燥48h。將烘干后的PLLA加入到臺式熔融紡絲機中，壓實熔融后在一定的擠出速度下將PLLA紡成纖維并卷繞。

1.4 性能測試與結構表征

纖維力學性能：用LLY-06型電子單纖維強力儀測試纖維力學性能。拉伸速度為10mm/min，夾距為10mm，拉伸纖維直至斷裂，記錄斷裂后的最大強力及伸長，測量10次取平均值。

結晶性能（XRD）：利用德國Bruker公司的D8型X射線衍射儀測試纖維的結晶性能。將樣品纖維纏繞在樣品架上，掃描角度范圍10°～45°，Cu靶，40kV，40mA。

2 結果與討論

2.1 紡絲溫度對可紡性的影響

設定熔融紡絲機料腔溫度分別為190℃、195℃、200℃、205℃和210℃。當溫度為190℃時，熔融5min后，PLLA熔體流動性較差，成纖性能不好。當溫度為195℃時，熔體流動性有所改善。溫度為200℃時，5min后PLLA已完全熔融，熔體可紡性好，初生纖維表面光滑，粗細均勻。205℃時，初生纖維內會出現微量氣泡，說明在此溫度下PLLA可能發生少量降解。而當紡絲溫度為210℃時，PLLA熱降解逐漸加重，可紡性變差。

2.2 紡絲溫度對纖維力學性能的影響

圖1 不同紡絲溫度的PLLA初生纖維應力-應變曲線

表1 不同紡絲溫度的初生纖維力學性能

由圖1及表1可知，隨著紡絲溫度的升高，纖維的斷裂強度先增加后降低。當紡絲溫度為200℃時，纖維的斷裂強度達到50.1MPa，斷裂伸長率為5.43%。這是因為在200℃時，PLLA完全熔融且幾乎沒有降解，熔體流動性能好，纖維結構均勻且內部沒有氣泡。

2.3 拉伸倍數對纖維力學性能的影響

圖2 不同拉伸倍數PLLA纖維的應力-應變曲線

表2 不同拉伸倍數PLLA纖維的力學性能

由圖2及表2可知，紡絲溫度為200℃的PLLA纖維，在55℃水浴拉伸中拉伸不同的倍數，其斷裂強度隨拉伸倍數的增大而增大。當拉伸倍數為4倍時，纖維斷裂強度達到152.6MPa，斷裂伸長率也提高到59.37%。這是因為，隨著拉伸倍數的增加，纖維取向度增加，大分子鏈和鏈段沿纖維軸方向的取向程度增加，纖維被拉伸時能夠承受外力的分子鏈數量增加，加之可能存在的取向誘導結晶，纖維結晶度可能增大，使得PLLA纖維斷裂強度和斷裂伸長率均增大。

2.4 定型時間對纖維力學性能的影響

在圖3及表3中，PLLA纖維的紡絲溫度為200℃，在55℃水浴中拉伸4倍后，于60℃分別熱定型10min和30min。結果表明：定型30min的纖維比未定型或定型時間10min的纖維力學性能好，這是因為纖維經過熱定型時，之前沒有結晶的PLLA大分子鏈段發生結晶，使得纖維結晶度提高，同時內應力得以消除，取向變得均勻，纖維聚集態結構變得規整而致密，導致纖維的拉伸強度增加，定型30min時，纖維的斷裂強度達到269.0MPa。同時，因為分子鏈沿拉伸方向取向，沿徑向方向排列更加緊密，在承受外力拉伸時，隨外力增大分子鏈伸展程度增大，斷裂伸長率也有所提高。

圖3 不同定型時間PLLA纖維的應力-應變曲線

表3 不同熱定型時間的PLLA纖維力學性能

2.5 定型溫度對纖維力學性能的影響

圖4 不同定型溫度PLLA纖維的應力-應變曲線

表4 不同定型溫度PLLA纖維的力學性能

由圖4及表4可知，PLLA紡絲溫度為200℃，拉伸溫度為60℃，拉伸倍數為4，經30min熱定型處理，定型溫度為60℃的纖維比70℃和80℃的纖維的拉伸強度高，斷裂伸長率達到70%以上，有很高的柔韌性，力學性能很好。這是因為纖維的拉伸溫度為60℃，在60℃下熱定型，纖維內部的內應力得以消除，取向均勻程度提高，纖維聚集態結構變得規整而致密，導致纖維的拉伸強度增加。而當熱定型溫度提高到70和80℃時，纖維內部非晶區的分子鏈段會發生一定程度的解取向，取向程度降低，導致纖維拉伸強度降低。

2.6 纖維結晶性能

圖5 PLLA纖維的X-射線衍射圖

圖5是紡絲溫度為200℃時，PLLA初生纖維及經過拉伸和熱定型之后的纖維的XRD圖?？梢钥闯?，在2θ=13.9°、17°處存在PLLA典型的衍射峰，表明纖維中的晶體是典型α晶體，大分子鏈是左旋的10/3螺旋構象。PLLA大分子鏈沿外力方向取向，取向可能誘導結晶，使纖維結晶度增加。纖維定型30min以后，衍射峰強度進一步增加，峰形更加尖銳，說明熱定型過程使纖維的結晶度進一步增加，晶體的完善程度進一步提高，也從一個側面證明了定型后纖維力學性能的提高。

3 結論

PLLA在190℃至210℃范圍內均可紡絲，初生纖維的強度隨紡絲溫度的提高先升高后降低，200℃時，纖維可紡性最好。初生纖維經拉伸后力學性能明顯提高，拉伸條件對纖維的性能有很大影響。拉伸倍數為4倍，熱定型溫度為60℃，時間為30min時，PLLA纖維力學性能可獲得極大的改善，斷裂伸長率較高。纖維的晶區為α晶型。

[1]李旭明.聚乳酸紡絲工藝的研究[J].輕紡工業與技術,2013,(6):21-22,34.

[2]張越，鄧炳耀，劉慶生.聚乳酸/納米SiO2熔紡纖維的制備及其力學性能[J].合成纖維工業,2013,36(6):10-13.