聚乳酸纖維/玉米纖維的制備

聚乳酸纖維是一種可完全生物降解的合成纖維，它可從谷物中取得。其制品廢棄后在土壤或海水中經微生物作用可分解為二氧化碳和水，燃燒時，不會散發毒氣，不會造成污染。是一種可持續發展的生態纖維。

化學定義
　　聚乳酸纖維 聚乳酸(PLA)是一種聚羥基酸。乳酸是乳酸桿菌產生的一種碳水化合物，是生物體(包括人體)中常見的天然化合物。通過乳酸環化二聚物的化學聚合或乳酸的直接聚合可以得到高分子量的聚乳酸。以聚乳酸為原料得到的制品，具有良好的生物相容性和生物可吸收性，以及很好的生物降解性，并且在可降解熱塑性高分子材料中PLA具有最好的抗熱性。

如何聚合
　　聚乳酸的聚合方法有兩種，一種是減壓在溶劑中由乳酸直接聚合的方法，即：乳酸→預聚體→聚乳酸；另一種方法是常壓下以環狀二聚乳酸為原料聚合得到，即：乳酸→預聚體→環狀二聚體→聚乳酸。
　　聚乳酸纖維是一種新型的可完全生物降解的合成纖維，系從谷物中取得，其制品廢棄后在土壤或海水中經微生物作用可分解為二氧化碳和水，燃燒時不會散發毒氣，不會造成污染。目前，學術界對聚乳酸纖維的研究很多，主要以日本鐘紡公司為代表。由玉米、甘蔗或甜菜通過發酵和蒸餾的方法提取乳酸，聚合成聚乳酸，通過溶液紡絲方法得到聚乳酸纖維，日本鐘紡公司的聚乳酸纖維的商品名為Lactron，其性能見表1，從表中數據可以看出，聚乳酸纖維具有與聚酯幾乎同等強度和伸長，楊氏模量較低，其織物比較柔軟，是一種優良的面料原料。Lactron可以加工成短纖維、復絲和單絲形式，與棉、羊毛或粘膠等可分解性纖維混紡，可制得類似絲的織物，制成內衣和襯衫等服裝，不但耐用、吸濕性好，而且通過加工形成優良的形態穩定性和抗皺性能。

聚乳酸的原料生產
　　聚乳酸的原料是乳酸，即-羥基丙酸、2-羥基丙酸。由于乳酸分子中有一個不對稱碳原子，所以具有d-型（右旋光）和L-型（左旋光）兩種對映體，等量的L-乳酸和d-乳酸混合而成的dL-乳酸不具旋光性。成纖聚乳酸以L-乳酸為單體。
　　L-乳酸的工業化生產主要有微生物發酵法和化學合成法兩大類。中國發酵乳酸工業主要采用玉米、大米、薯干粉等為原料，以谷糠、麥皮等為輔料，以α-淀粉酶、糖化酶為液化劑、糖化劑，CaCO3為中和劑，經發酵生產乳酸鈣，再進一步酸化純化得到乳酸產品。

聚乳酸的合成
　　聚乳酸有兩種合成方法，即丙交酯（乳酸的環狀二聚體）的開環聚合和乳酸的直接聚合。
　　丙交酯開環聚合生產工序為：先將乳酸脫水環化制成丙交酯；再將丙交酯開環聚合制得聚乳酸。其中乳酸的環化和提純是制備丙交酯的難點和關鍵，這種方法可制得高分子量的聚乳酸，也較好地滿足成纖聚合物和骨固定材料等的要求。
　　乳酸直接縮聚是由精制的乳酸直接進行聚合，是最早也是最簡單的方法。該法生產工藝簡單，但得到的聚合物分子量低，且分子量分布較寬，其加工性能等尚不能滿足成纖聚合物的需要；而且聚合反應在高于180℃的條件下進行，得到的聚合物極易氧化著色，應用受到一定的限制。
　　由于原料原因，聚乳酸有聚d-乳酸（PDLA）、聚L-乳酸（PLLA）和聚dL-乳酸（PDLLA）之分。生產纖維一般采用PLLA。

聚乳酸纖維的制備
　　聚乳酸在所有生物可降解聚合物中熔點最高，結晶度大，熱穩定性好，加工溫度在170~230℃之間，有良好的抗溶劑性，因此能用多種方式進行加工，如擠壓、紡絲、雙軸拉伸、注射吹塑。
　　聚乳酸及其共聚物的紡絲可采用溶液紡絲和熔融紡絲工藝，主要采用干紡-熱拉伸工藝，而干紡纖維的機械性能要優于熔紡纖維。研究表明，聚乳酸的分子量及其分布、紡絲溶液的組成及濃度、拉伸溫度、聚乳酸的結晶度和纖維直徑，都影響最終纖維的性能。
　　聚乳酸是熱塑性聚合物，可采用熔融紡絲。熔紡同溶液紡相比具有經濟上的優勢，因此對其研究非?；钴S。PLLA對溫度非常靈敏，在升溫過程中特性粘度有較大幅度的下降，而且溫度越高，△η越大。因此成纖聚合體中的金屬、單體、水等的含量必須嚴格控制，尤其是殘留金屬及水分子在紡絲前必須嚴格去除，否則在紡絲過程中會引起分子量的急劇下降和腐蝕加工機械，制得的纖維性能降低。
　　在熔融紡絲前，把聚乳酸未端的-OH基用醋酸酐和吡啶進行乙?；?，結果發現其熱穩定性有所提高，為紡絲溫度低于200℃，聚乳酸基本不發生熱降解。采用二步法，即第一步熔融擠壓，第二步熱拉伸，可制得斷裂強度高于7.2 cN/dtex的聚乳酸纖維。