纺长丝切片工艺
开篇：润墨网以专业的文秘视角，为您筛选了一篇纺长丝切片工艺范文，如需获取更多写作素材，在线客服老师一对一协助。欢迎您的阅读与分享！
聚乳酸(PLA)是一种具有生物降解性、良好生物相容性、加工成型方便的新型环保材料［1］。随着聚乳酸合成成本的下降和性能的提高，聚乳酸在纺织服装领域的应用越来越广，通过熔融纺丝可以制成长丝和短纤，并可加工成各类机织物、针织物和非织造布［2］。然而聚乳酸分子结构中存在酯键，熔融纺丝时极易发生水解，使分子质量下降;另外，纺丝时熔体中的水分会形成气泡，气泡夹杂在自喷丝孔吐出的熔体细流中，极易产生纺丝飘丝、毛丝、断丝或在单丝中留下隐患，在后拉伸时造成毛丝或断头;不经干燥的切片进入螺杆挤压后会很快软化黏结，造成环结阻料［3－4］，因此，纺丝前必须对切片进行干燥，严格去除水分，使切片含水率达到纺丝要求。熔融纺长丝一般要求含水率低于0.005%，同时还要满足板结率低、降解少的要求［5］。目前，聚乳酸切片干燥工艺研究多针对注塑及纺短纤维领域，而专门针对要求更高的纺长丝干燥工艺的研究甚少［6］。本文针对纺长丝干燥工艺中干燥时间与干燥温度对切片性能(含水率、板结率和黏均分子质量)的影响规律进行分析，达到使切片含水率低、板结少、降解低的目的。
1实验
1.1原料及设备6202D型聚乳酸切片，美国NatureWorks公司制造，黏均分子质量51000，含水率0.5%。DZF-6050型真空干燥箱，上海申贸恒温设备厂制造。
1.2测试方法
1.2.1差示扫描量热测试采用DSCQ100V9.4Build287型差示扫描量热仪，对原始聚乳酸切片的热熔性质进行测试。测定条件:在氮气氛围下，升温速度为10℃/min，温度变化范围为10～210℃。
1.2.2含水率采用SF-1型压差法水分测定仪(上海恩尔达科学仪器有限公司)测试聚乳酸切片的含水率，测试条件为:真空度10Pa以下，样品试管加热至150℃、加热20min，根据式(1)计算含水率［7］。式中:K为常数，本文取0.0295;P为油压差，cm;G为试样质量，g。
1.2.3板结率切片板结现象对纺丝不利，板结率越低越好。将干燥完毕的切片用电子天平称其质量G1，用镊子挑选出直径大于0.5cm左右的黏结板块，并在电子天平上称其质量G2，板结率1.2.4黏均分子质量采用直型乌式黏度计(台州市椒江玻璃仪器厂，毛细管内径为(0.38±0.001)cm，C球体积为(2.00±0.01)mL)，以三氯甲烷作溶剂，于(25±0.1)℃的玻璃恒温水浴中，测各种溶液流经a，b刻度所需时间t，在同样条件下，测定纯溶剂流经a，b将实验数据分别代入，作图外推求［η］，在聚乳酸三氯甲烷体系中，温度为25℃时，将［η］值代入式(3)，求出聚乳酸黏均分子质量
2结果与讨论
2.1聚乳酸结构与水解聚乳酸是由乳酸聚合而得，其分子结构见图1。分子结构中存在酯键，而酯键易水解，酯键的水解是聚乳酸降解的主要方式［9］。初始聚乳酸切片的DSC回温曲线如图2所示。曲线无明显结晶峰，可知初始聚乳酸切片基本为无定形结构，水分子能够迅速扩散进入无定形区，然后发生水解，且水解速度快，因此，在干燥工艺中需尽量使切片含水率降低，以防止聚乳酸水解。
2.2干燥温度的设计范围图3示出初始聚乳酸切片的DSC升温曲线。从图中可知聚乳酸切片的玻璃化转变温度Tg为59.38℃，熔点Tm为167.09℃。根据一般原理［10］，干燥温度应控制在高于玻璃化转变温度Tg而远低于熔点温度Tm，因此设计干燥温度应高于59.38℃而远低于167.09℃。
2.3干燥时间及温度对切片性能的影响
2.3.1对含水率的影响聚乳酸切片在不同温度下干燥，每隔6h所测得含水率如图4所示。由图4可知:聚乳酸切片含水率随干燥时间延长而降低;干燥温度越高，24h后含水率越低;在18～24h时间段含水率下降都不大，24h后含水率趋于平衡;在低温(如60、80℃)条件下干燥24h含水率趋于平衡，即使再延长干燥时间也不会达到纺丝要求的低于0.005%含水率，只能采用升温的方式去除多余水分。聚乳酸属于聚酯类，端基为羟基(—OH)或羧基(—COOH)，水在其中以2种状态存在:吸附水和缔合水，吸附水在较低温度下可除去，而缔合水要进一步升温才能除去［11］。由图4推测，干燥温度低于100℃时只能去除吸附水，要想去除切片内部的缔合水，还需将温度升高至100℃以上。
2.3.2对板结率的影响图5示出聚乳酸切片在不同温度下干燥，每隔由图5可知:100、120℃干燥6h就会产生板结，干燥24h后，板结率高达35%以上;而60、80℃干燥24h板结率不到5%。在真空干燥箱中低于5%的板结率一般会在转鼓等干燥方式下消除，而在100℃或120℃恒温干燥24h后的板结率远高于5%，达不到要求。由于初始聚乳酸切片基本是无定形结构，软化点低，所含水分相对较多，如果一开始就以高温(100℃及以上)干燥，切片的水分还来不及从内部扩散到表面，再从表面蒸发到真空环境中，切片表面就水解软化，开始板结，而表面板结又滞缓了水分的扩散蒸发，以致切片水解、板结更加严重，分子质量大幅下降［12］，这在后文的分析当中得以验证。
2.3.3对黏均分子质量的影响干燥24h后，聚乳酸切片在不同温度下的黏均分子质量及其相对初始切片下降百分比见表1。由表1可知:干燥温度越高，干燥后切片的黏均分子质量越低，尤其是120℃干燥24h后，切片分子质量相对初始聚乳酸切片下降了62.7%，下降严重;而60℃时黏均分子质量下降为7.8%，下降较少。干燥温度越高，聚乳酸水解反应越强烈，干燥工艺开始就以高温(100℃及以上)干燥的话，切片所含水分来不及扩散蒸发，导致聚乳酸水解板结严重，分子质量下降严重。
2.4阶段干燥工艺从以上分析可知，为得到较低的含水率，使缔合水从切片中分离，干燥温度越高越好，宜选择100℃以上温度;但是一开始就以这样高的温度干燥又容易造成切片的板结和分子质量下降，为此设计了阶段升温干燥实验，也就是先以较低温度干燥除去大部分水，同时防止板结、分子质量下降;再在含水率极低的情况下，以高温除去较难分离的缔合水。从图4可知，含水率达到0.005%时的干燥时间为20h左右，而且考虑到时间再长含水已趋于平衡和实际生产周期的限制，因此设计高温干燥阶段时间为20h。
2.4.1二阶段干燥工艺结合生产实践，设计了二阶段干燥实验方案，见表2。由表3可知:1#和2#方案最终含水率不能达到纺长丝要求的低于0.005%;4#方案在24h的干燥后含水率达到纺丝要求，但板结现象过于严重，且分子质量下降巨大;3#方案含水率接近纺丝要求，板结率稍高，分子质量下降稍大。分析原因可能是在干燥第1阶段，虽然干燥温度降低为80℃，但4h干燥时间过短，去除水分不充分，还是引起了后阶段切片的板结和分子质量下降，因此，对3#方案部分参数进行修改，设计成三阶段干燥工艺:在80℃干燥4h之后，增加100℃干燥4h阶段，最高温度仍然为110℃，干燥20h，将总的干燥时间延长为28h。当然渐进升温理论上可分更多阶段，但阶段过多不利于实际生产调整。
2.4.2三阶段干燥工艺三阶段干燥工艺见图6。切片干燥28h后，性能测试结果如表4所示。从表4可知，三阶段干燥实验切片的含水率低于0.005%，板结率低，分子质量下降也不大，总体指标符合纺丝要求。分3个阶段对切片进行干燥，从低温逐渐过渡到高温，在低温下，可以避免板结及分子量的大幅下降，同时除去了大部分水;在高温时，绝大部分是缔合水，吸咐水量已经很少，不会产生剧烈水解反应，同时高温可进一步除去切片内部的缔合水。
3结论
1)干燥时间越长、干燥温度越高，聚乳酸切片的含水率越低，板结率越高，降解越严重。2)分阶段升温干燥比恒温干燥效果好，初始阶段应用低温以除去切片中大部分水分，再在高温下干燥以除去少量内部缔合水，最终使切片含水率低于0.005%，且板结少、降解低。3)优化干燥工艺为三阶段干燥:80℃，4h;100℃，4h;110℃，20h。