［摘 要］PLA纖維是一種性能優異的聚酯纖維。本文綜合分析了PLA纖維的生物降解性和可循環性、無毒性、低溫染色性、回彈性和抗皺性、阻燃性、耐紫外線性，闡述了生產中應注意的問題，并對PLA纖維的應用前景作了論述。 21世紀，新材料的研制和開發占有舉足輕重的作用，特別是在“我們只有一個地球”的口號下，開發與利用生物可降解的聚乳酸（Polylactic Acid，PLA）纖維已成為本世紀紡織新原料的熱點。PLA纖維采用天然可再生的植物資源為原料，減少了對石油資源的依賴性，與常規的纖維材料相比，PLA纖維還具有獨特的優異性能，隨著人們對環境的日益重視和聚乳酸樹脂的大規模工業化生產以及PLA纖維應用領域的不斷開發，PLA纖維必將成為21世紀最重要的纖維材料之一。 1 PLA纖維的研究進展 PLA纖維是一種性能優異的聚酯纖維，是以L-乳酸為主要原料聚合得到的聚合物，而L-乳酸的主要原料來自玉米，所以PLA纖維也被稱為玉米纖維。生產PLA纖維的工藝為：玉米淀粉經水解為葡萄糖，再用乳酸桿菌厭氧發酵，發酵過程用液堿中和生成乳酸，發酵液經凈化后，用電滲析工藝，制成純度達99.5％的乳酸。由乳酸制PLA生產工藝有：（1）直接縮聚法，在真空下使用溶劑使脫水縮聚。（2）非溶劑法，使乳酸生成環狀二聚體丙交酯，再開環縮聚成PLA。 聚乳酸的研究和開發歷史可以追溯到20世紀20～30年代，著名高分子化學家Carothers曾對聚乳酸的合成做過報道。1944年，Filachiene在Hovey、Hodgins及Begji研究的基礎上，對聚乳酸的聚合方法進行了系統的研究。1954年Du pont公司采用新的聚合方法制備出了高分子量的聚乳酸，但由于其對熱和水十分敏感，因此未受到重視。20世紀60年代以后，由于發現聚乳酸酯在人體內可降解，人們對其作為生物醫用材料開展了廣泛的研究和應用。后來，美國知名谷物公司Cargill研發成功玉米PLA纖維。1997年，化學公司DowPolymers看好PLA纖維的后期發展，便與Cargill公司合資組建CargillDow Polymers LLC公司（CDP公司）生產聚乳酸，產品的商品名為Nature Works PLA。1989年，日本鐘紡公司與島津制作所合作開發玉米PLA纖維，原料來源于島津制作所和CDP公司。1994年開發出商品名為Lactron的纖維，1998年又開發出此種纖維的系列產品，并于長野冬季奧林匹克運動會上展示了由Lactron纖維制成的各種服飾。2000年1月，鐘紡公司與CDP合作，聯合生產聚乳酸樹脂。2003年1月，CDP公司在美國紐約向全世界發布了其Nature Work TMPLA纖維的新的名稱“Ingeo”，意為從地球來的有效成分，體現了人性、自然和技術的和諧統一，全球有85家著名的品牌生產廠商共同簽署了聯合開發和推廣應用聚乳酸纖維的協議。聚乳酸纖維成本過高的問題亦因聚乳酸樹脂工廠的投產而得到解決，目前價格比PET（聚對苯二甲酸乙二酯）價格便宜10％～15％。現在，世界各工廠生產聚乳酸纖維的原料均來自美國CDP公司，而杜邦、Monsanto等大廠也有建廠計劃。在第十屆上海國際紡織面料及輔料（秋冬）博覽會上，中國華孚集團、中國香港福田公司和臺灣遠東紡織公司，以及日本伊藤忠公司、CDP公司、Thermore公司、UnifiAsia公司等知名企業展出了各自的PLA纖維系列產品，預示著PLA纖維廣泛應用的時代已經到來。 2 PLA纖維的形態結構及其制品的性能 2.1 PLA纖維的形態結構與物理性能 2.1.1 PLA纖維的形態結構 PLA纖維的形態結構如圖1所示，由圖可知，聚乳酸纖維的橫截面呈非完整的圓形。 2.1.2 PLA纖維的物理性能 PLA纖維的性質見表1： 由表1可知：PLA纖維的密度、斷裂強度、伸長率和模量介于PET纖維和PA纖維之間，所以PLA纖維具有PET、PA纖維共同的優點，并且PLA纖維的吸濕性好于這兩種纖維。 2.2 PLA纖維及其制品的特性 2.2.1 PLA纖維的生物降解性和可循環性 與其它合成纖維相比，PLA纖維的最大優點是它在自然環境下容易被分解，分解產生的二氧化碳和水不會污染環境，并且可通過綠色植物的光合作用又重新進入生態循環當中去。 降解的方法有以下幾種： a降解（也稱混合肥中分解）。這種堆肥條件的溫度為60℃，相對濕度為90％，其降解的主要機理是水解，通過溫度來催化，然后由細菌對殘留碎屑進行蠶食。 b土地埋入降解。將使用過的PLA纖維埋入地下，經過8～10個月，在土中微生物的作用下PLA纖維的強力和其它性能基本上全部或大部分損失。 c活性污泥中降解。主要是通過大量存在的細菌，使PLA纖維急速分解，一般只需1～2個月，制品強力全部喪失。 d海水浸漬降解。原理同土地埋人法相仿。 另外，在聚合中通過添加組分進行共聚可加速或減緩這種降解。 正因為如此，很多專家把它稱為“21世紀的環境循環材料”。 2.2.2 PLA纖維的無毒性 PLA纖維是以人體內含有的乳酸作原料合成的，對人體而言是絕對安全的。經測試，用PLA纖維制成的布料不會刺激皮膚，具有抗菌和防腐性能且對人體健康有益，并有舒適感，用于內衣，與PET和PBT纖維相比具有優良的懸垂性、滑爽性并富有光澤。纖維合成過程都無環境污染；纖維生產過程通常采用的熔融法紡絲在化纖工藝中最簡潔、最干凈，也沒有很難以處理的三廢問題。聚乳酸纖維植入體內無毒副作用，而且有一定的耐菌性和耐紫外線性能，因此安全性好，不但可用作可吸收的手術縫合線和組織工程材料，而且很適于室外應用領域和室內裝飾織物。并且PLA纖維燃燒無毒性，燃燒氣體中亦不含有二惡英，氮—氧氣體也極少。 2.2.3 PLA纖維的低溫染色性 合成纖維應用分散染料染色，只有在玻璃化溫度以上才能染成深色。PET纖維的玻璃化溫度大約在81℃左右，而且由于其結構致密，染料分子不易進入纖維內部，所以PET纖維只有在高溫高壓或有載體的情況下，才能用分散染料染成深色。而PLA纖維的玻璃化溫度一般為58～62℃，染料分子易進入纖維內部并能染成深色，所以其染色性能優于PET纖維，能夠在無載體的情況下常壓低溫染色或沸染。 PLA纖維用分散染料分別在70℃和100℃采用長短不同的時間進行染色，測定其上染率，證明分散染料染能使PLA獲得較好的染色深度，100℃×30min時能獲得最高上染率。染色前加入Keiralon JET-B或純堿，在60℃下處理15～20min，然后排水，水洗后備染。染色時升溫至40℃加入助劑Setamol BL，Palatex PC和HAC，處理5min后加入染料，調節pH值（3.5～4.0）。然后以2～3℃／min升溫至70℃，再以1～2℃／min升溫至100℃，可根據深度保溫染色一定時間。其染品的耐洗牢度和染料移染速率良好，色牢度高于3級；在氙弧光下不褪色。 2.2.4 PLA纖維的回彈性和抗皺性 纖維的回彈性是構成紡織制品彈性的基本因素，與制品的耐磨性、抗折縐性、手感和尺寸穩定性都有很密切的關系，因此纖維的回彈性是確定紡織加工工藝參數極為有用的指標。回彈性大的纖維能夠很好地經受拉力而不改變其構造，能夠穩定地保持本身的形狀，且經久耐用，其制品同樣也不失掉它本身的形狀[11]。PLA纖維的大分子結構決定了它有良好的回彈性，在5％應變作用下，回彈率是93％，在10％應變作用下，回彈率是64％；而PET纖維在5％應變作用下，回彈率是63％，在10％應變作用下，回彈率是51％。 2.2.5 PLA纖維的阻燃性能 隨著物質生活水平的提高，人們對紡織纖維阻燃性的要求越來越高。PLA纖維的極限氧指數（26％～27％）和羊毛的極限氧指數（24％～25％）相似，優于PET纖維（23％～24％），接近于國家標準對阻燃纖維極限氧指數的要求（28％～30％），燃燒時發熱量低（只有PET纖維的16％），只有輕微的煙霧釋出（只有PET纖維的57％），易自熄，火災危險性小。因此PLA纖維的阻燃性能已引起人們的特別關注。 2.2.6 PLA纖維的耐紫外線性 纖維大分子結構中的C—C、C—H等鍵，一般不吸收波長大于290nm的光線，照射到地球表面的紫外線，對含有這些鍵的纖維幾乎沒有影響[11]。而PLA纖維的分子結構中含有大量的C—C、C—H鍵，因此，PLA纖維具有優良的耐紫外線性。PLA纖維是由高純度的L-乳酸制成，所含雜質極少，這也是其具有優良耐紫外線性的原因之一。經科學實驗，PLA纖維經日曬500小時后，仍保持90％的強力，而PET纖維日曬200小時后，強力便降至60％左右。 另外，PLA纖維和PET纖維同樣富有疏水性，對皮膚不發粘；如與棉混紡做內衣，有助于水份的轉移，接觸皮膚時有干燥感，更為重要的是，PLA纖維的生物相容性比較好，不刺激皮膚，因此穿著時的舒適感特別好。PLA纖維的加工適應性也很好，可以適應機織、針織、簇絨和非織造布等現有絕大多數加工設備，這為它的推廣應用提供了極大的便利。 3 紡織生產中應注意的問題 雖然PLA纖維具有很多的優點及特性，但在實際生產也應注意以下問題： 3.1 長纖與短纖的問題 PLA纖維利用一般熔融紡絲法，即可制成長纖或短纖，長纖一般有光絲（Bright）及普通（Regu-lar），而PLA長絲收縮率大，一般在20～23％，故在生產織物時要考慮，必要時可先進行蒸紗處理。短纖一般以1.2～1.4D為主，在進行紡紗時，因考慮伸長率高達47％，紡紗張力、絡筒等張力，都需要適當降低；而PLA纖維對溫度較敏感，在高溫下會使其變硬，如工序上因車速高而引起的高溫，都需減速生產。 3.2 織造方面的問題 因伸長率高，需要織布時張力適當配合，而縮率低，織物設計時要充分考慮，否則影響最終產品的規格。PLA纖維紗在針織生產時要注意：生產車間盡量溫度控制在25℃以內，相對濕度60％以上；生產機臺必須清理干凈，用透明膠紙圍住，以免形成飛花；織機車速不能太快，須控制在20轉／分以下，以減少爆孔等疵點；機臺紗道各接觸點，以瓷性導紗裝置為佳；如需翻紗，必須留意飛花，翻紗車速度不能太快。 3.3 染色整理的問題 因PLA纖維對溫度及堿（尤其是強堿）特別敏感，如染色溫度超過110℃會使PLA纖維手感明顯變硬，如定型溫度超出130℃會使PLA纖維熔融（PLA纖維的熔點：130～166℃）；若染色過程加入強堿，會使PLA降解（爆破力明顯降低），因此，整個染整過程，溫度必須盡量控制適當。 PLA纖維染色紗，存在易染花情況，顏色控制困難，工藝要摸索改良。PLA纖維生產花灰紗，存在嚴重的色變問題，成品后的顏色差異很大。 4 PLA纖維的應用前景 PLA纖維具有很多優異的性能，如比PET親水性好；懸垂性、舒適性和手感好；回彈性好；較好的卷曲性和卷曲持久性；收縮率可以控制；強度高達6.23cN／dtex；；UV（抗紫外線）穩定性好；比PET密度小；可以用分散性染料染色；成型加工性好；熱粘結溫度可以控制；結晶熔融溫度可以在120～170℃范圍內變化；可燃性低、發煙量小。這些特性刺激了PLA纖維在纖維和非織造布領域的應用，并且PLA纖維可以制成圓截面的單絲或復絲、三葉形截面的BCF（可用于織造地毯和毛氈）、卷曲或非卷曲的短纖維、雙組份纖維、紡粘非織造布和熔噴非織造布等，這使PLA纖維在服裝市場、家用及裝飾市場、非織造布市場、雙組份纖維領域、衛生及醫用等領域有潛在的應用前景。 目前，PLA纖維已制成復絲、單絲、短纖維、假捻變形絲、針織物和非織造布等，主要用于服裝和產業領域。以PLA纖維制得的布料具有真絲的光澤，優良的手感、亮度、吸水性、形狀保持性及抗皺性，因此是較理想的面料，適合做服裝尤其是婦女服裝。PLA纖維還適于制一次性服裝和野外作業服等。PLA纖維對許多溶劑包括干洗劑有很好的穩定性，對堿（NaOH等）的水溶液很敏感，而對酸（HCl等）則相當穩定，但是PLA纖維的耐磨損性比較差，這可能限制它在高性能服裝方面的應用。 PLA纖維在產業領域用途，主要是在土木工程中做網、墊子、沙袋和制土壤流失材料等，在農業、林業中做播種織物、薄膜、防蟲防獸害蓋布、防草袋和養護薄膜等，在漁業中做魚網、魚線等，在家用器具中做垃圾網、手巾、濾器、擦布等，在戶外器具中做蓬布、覆蓋布和帳篷等。 PLA纖維在衛生醫療領域主要作尿布、一次性失禁用品、婦女保健用品、抗紫外線織物、手術縫合線、骨內固定裝置、組織工程支架、繃帶、一次性工作服、載藥材料、人工管道、人工韌帶和人工肌腱等。 5 結束語 生態、健康、環保是21世紀的主題，PLA纖維從原料、生產、使用到廢棄是自然循環的過程，對地球和大氣無害，是一種可持續發展的生態纖維。PLA纖維及其產品以其良好的芯吸和導濕性、高的彈性回復率、好的阻燃性和低發煙量、UV穩定性、優良的手感和懸垂性等優異性能越來越受到人們的重視。研究PLA纖維的性能，開發能突出其優良特性的產品，是今后研究開發“生態紡織品”的一個重要組成部分，具有重大的社會意義和較高的經濟價值。