一种聚乳酸粗旦单丝的制备方法

摘要

本发明公开了一种聚乳酸粗旦单丝的制备方法，包含以下步骤：步骤一：将聚乳酸母料加入挤出设备中进行熔融，然后通过挤出设备挤出后，冷凝成聚乳酸拉条；步骤二：在惰性气体的保护下，将聚乳酸拉条经过100～120℃的预张力辊后，在40～55℃下进行恒张力一级热拉伸；步骤三：在惰性气体的保护下，将经过步骤二处理后的聚乳酸拉条在60～75℃下进行恒张力二级热拉伸；步骤四：在惰性气体的保护下，将经过步骤三处理后的聚乳酸拉条在80～100℃下进行恒张力三级热拉伸，制备得到聚乳酸粗旦单丝。该方法生产工艺简单，生产成本低，得到了纤度≥100D的聚乳酸粗旦单丝。

权利要求

1.一种聚乳酸粗旦单丝的制备方法，其特征在于，该方法包含以下步骤：步骤一：将聚乳酸母料加入挤出设备中进行熔融，然后通过挤出设备挤出后，冷凝成聚乳酸拉条；聚乳酸母料的熔融指数为4～5g/10min(2.16kg)；挤出设备中的挤出头的孔径为

0.5～5mm；

步骤二：在惰性气体的保护下，将聚乳酸拉条经过100～120℃的预张力辊后，在40～55℃下进行恒张力一级热拉伸；一级热拉伸速度为10～30m/min ;步骤三：在惰性气体的保护下，将经过步骤二处理后的聚乳酸拉条在60～75℃下进行恒张力二级热拉伸；二级热拉伸速度为15～75m/min ;步骤四：在惰性气体的保护下，将经过步骤三处理后的聚乳酸拉条在80～100℃下进行恒张力三级热拉伸，制备得到聚乳酸粗旦单丝。

2.按照权利要求1所述的聚乳酸粗旦单丝的制备方法，其特征在于，所述步骤一中，挤出设备为双螺杆挤出机或者单螺杆挤出机。

3.按照权利要求1所述的聚乳酸粗旦单丝的制备方法，其特征在于，所述步骤二中，一级热拉伸倍数为1～2。

4.按照权利要求1所述的聚乳酸粗旦单丝的制备方法，其特征在于，所述步骤三中，二级热拉伸倍数为1.5～2.5。

5.按照权利要求1所述的聚乳酸粗旦单丝的制备方法，其特征在于，所述步骤四中，三级热拉伸倍数为2～5，拉伸速度为30～400m/min。

6.按照权利要求1所述的聚乳酸粗旦单丝的制备方法，其特征在于，所述步骤四中，制备得到的聚乳酸粗旦单丝的直径为0.1--1mm。

说明书

一种聚乳酸粗旦单丝的制备方法

技术领域

[0001] 本发明涉及用于工业丝、牙刷刷丝的粗旦单丝的制备工艺，特别涉及一种聚乳酸粗旦单丝的制备方法。

背景技术

[0002] 全球暖化带来的严重后果，使节能减碳为全球迫切需要。中国在G20峰会中表达出减碳决心，宣示2020年单位GDP的碳排放量减至2005年的55-60％。生物塑料(含生物降解塑料和生物质塑料)的开发并大量使用是实现上述目标的重要途径之一。其中，特别鼓励发展高性能生物物料，以满足长期、持久的应用的需要。在生物物料领域，聚乳酸材料因其优异的特性，例如透明度极高、生物及化学降解性能好、降解时间可控、无毒无味、耐酸碱、防病菌、防紫外线、易加工成型及表面光滑等，受到广泛关注。

[0003] 聚乳酸材料虽有众多优点，但其硬度高、脆性大、流动性和拉伸性不佳，使得聚乳酸材料在成型及应用过程中，特别在成纤过程中受到很大限制。用于生产纤维时工艺条件苛刻，通常采用单螺杆挤出、本体连续熔融纺丝的方法。通常情况下，聚乳酸喷嘴的直径为0.1-0.8mm。小单丝旦数(<3D)时，喷嘴直径选用0.2-0.3mm；高单丝旦数时，喷嘴直径选用
0.4-0.8mm。同时，纺丝速度通常控制在较高的速度400-6000m/min。专利200810201370.6中公开了一种低收缩玉米改性聚乳酸长丝，其纺丝孔径0.2-0.5mm，纺丝速度400-1000m/min。
专利201510577086.9中公开了一种改性聚乳酸纤维，采用1500-2000m/min的纺丝速度。专利201711000151.7中公开的高强聚乳酸纤维纺丝速度控制在1000-1100m/min。专利
201710407641.2中公开的一种环保型聚乳酸纤维采用了1000m/min的纺丝速度制得。专利
201610977971.0中公开了在500-5000m/min的速度下可纺制一种耐热性高的皮芯结构聚乳酸纤维。

[0004] 上述公开的报道都是着眼在高速纺丝，而在高速纺丝的情况下，只能得到细旦聚乳酸纤维(通常在微米级)，只能用于纺织领域。而工业刷丝、牙刷刷丝等场合需要使用聚乳酸粗旦单丝(≥100D，其中，D表示旦，旦是纤维的单位，直径≥0.1mm)。如果单纯将纺丝速度降低，在较低的牵伸速度下，由于聚乳酸分子链无法形成高度取向结晶，因此得到的粗旦纤维热稳定性、韧性和强度较低，无法满足刷毛的工况要求。目前，对于本领域技术人员来说，制备聚乳酸粗旦单丝是一技术难题。

发明内容

[0005] 本发明的目的在于提供一种聚乳酸粗旦单丝的制备方法，该方法可以制备出聚乳酸粗旦单丝，且生产工艺简单，生产成本低，生产稳定；采用该方法制备的聚乳酸粗旦单丝具有高强度、高弹性和高热稳定性的优点。

[0006] 为解决上述技术问题，本发明实施例采用的技术方案为：

[0007] 一种聚乳酸粗旦单丝的制备方法，包含以下步骤：

[0008] 步骤一：将聚乳酸母料加入挤出设备中进行熔融，然后通过挤出设备挤出后，冷凝成聚乳酸拉条；

[0009] 步骤二：在惰性气体的保护下，将聚乳酸拉条经过100～120℃的预张力辊后，在40～55℃下进行恒张力一级热拉伸；

[0010] 步骤三：在惰性气体的保护下，将经过步骤二处理后的聚乳酸拉条在60～75℃下进行恒张力二级热拉伸；

[0011] 步骤四：在惰性气体的保护下，将经过步骤三处理后的聚乳酸拉条在80～100℃下进行恒张力三级热拉伸，制备得到聚乳酸粗旦单丝。

[0012] 作为优选例，所述步骤一中，聚乳酸母料的熔融指数为4～5g/10min(2.16kg)。

[0013] 作为优选例，所述步骤一中，挤出设备为双螺杆挤出机或者单螺杆挤出机。

[0014] 作为优选例，所述步骤一中，挤出设备中的挤出头的孔径为0.5～5mm。

[0015] 作为优选例，所述步骤二中，一级热拉伸倍数为1～2，拉伸速度为10～30m/min。

[0016] 作为优选例，所述步骤三中，二级热拉伸倍数为1.5～2.5，拉伸速度为15～75m/min。

[0017] 作为优选例，所述步骤四中，三级热拉伸倍数为2～5，拉伸速度为30～400m/min。

[0018] 作为优选例，所述步骤四中，制备得到的聚乳酸粗旦单丝的直径为0.1～1mm。

[0019] 与现有技术相比，本发明实施例具有以下有益效果：本发明的制备方法，通过对聚乳酸拉条预拉伸后，在步骤二、步骤三和步骤四三次热拉伸后，制备出聚乳酸粗旦单丝。整个生产工艺简单，生产成本低，生产稳定。同时，采用该方法制备的聚乳酸粗旦单丝具有高强度、高弹性和高热稳定性的优点。

具体实施方式

[0020] 下面对本发明的技术方案进行详细的说明。

[0021] 本发明实施例的一种聚乳酸粗旦单丝的制备方法，包含以下步骤：

[0022] 步骤一：将聚乳酸母料加入挤出设备中进行熔融，然后通过挤出设备挤出后，冷凝成聚乳酸拉条；

[0023] 步骤二：在惰性气体的保护下，将聚乳酸拉条经过100～120℃的预张力辊后，在40～55℃下进行恒张力一级热拉伸；

[0024] 步骤三：在惰性气体的保护下，将经过步骤二处理后的聚乳酸拉条在60～75℃下进行恒张力二级热拉伸；

[0025] 步骤四：在惰性气体的保护下，将经过步骤三处理后的聚乳酸拉条在80～100℃下进行恒张力三级热拉伸，制备得到聚乳酸粗旦单丝。

[0026] 上述实施例中，步骤二至步骤四可在常压下进行操作。常压下，压强为100kPa。

[0027] 作为优选例，步骤一中，聚乳酸母料的熔融指数为4～5g/10min(2.16kg)。2.16kg是砝码重量。在该砝码重量下测定熔融指数为4～5g/10min。步骤一中，挤出设备为双螺杆挤出机或者单螺杆挤出机。挤出设备中的挤出头的孔径为0.5～5mm。

[0028] 作为优选例，步骤二中，一级热拉伸倍数为1～2，拉伸速度为10～30m/min。步骤三中，二级热拉伸倍数为1.5～2.5，拉伸速度为15～75m/min。步骤四中，三级热拉伸倍数为2～5，拉伸速度为30～400m/min。

[0029] 上述优选例中，一级热拉伸、二级热拉伸、三级热拉伸中，拉伸速度逐渐增高。聚乳酸拉条通过第一对拉伸辊(对应一级热拉伸)加热后，使聚乳酸大分子处于玻璃化温度以上，链段运动处于活动状态，随后聚乳酸单丝的结晶度和取向度增加，其玻璃化温度也提高，第二对拉伸辊(对应二级热拉伸)、三对拉伸辊(对应三级热拉伸)的温度也逐级提高。通过温度控制得到具有高强度、高弹性、高热稳定的聚乳酸粗旦单丝(纤度≥100D)。)[0030] 通过上述步骤一至步骤四，制备得到的聚乳酸粗旦单丝的直径为0.1～1mm。

[0031] 本发明实施例的方法，通过在较高温度下进行预拉伸，避免从挤出头挤出时因温差过大而导致的聚乳酸结晶不良，并减少温差过大形成的气泡等缺陷，使初始纤维具有更好的可拉伸性；采用高于一级热拉伸温度的预拉伸温度，聚乳酸大分子处于玻璃化温度以上，链段运动处于活动状态，便于后续的拉伸诱导结晶。一级热拉伸、二级热拉伸、三级热拉伸工艺，采用逐级升高热拉伸温度，使得聚乳酸单丝经过在每一级拉伸过程中，其结晶度和取向度都能继续增加，最终得到具有高强度、高弹性、高热稳定的聚乳酸粗旦单丝(纤度≥100D)。

[0032] 上述实施例的方法解决了低速纺丝情况下，无法得到高拉伸取向及高结晶度，进而无法获得高强度、高热稳定性粗旦单丝的问题。该实施例的方法生产工艺简单、生产成本低。

[0033] 下面通过试验，验证本发明制备的聚乳酸粗旦单丝具有高强度、高弹性和高热稳定性的优点。

[0034] 实施例1

[0035] 熔融指数4g/10min的聚乳酸母料用单螺杆挤出机熔融挤出，挤出头孔径0.5mm，预拉伸温度100℃，在40℃下进行恒张力一级热拉伸，一级热拉伸倍数为1，拉伸速度为10m/min。在60℃下进行二级热拉伸，二级热拉伸倍数为1.5，拉伸速度为15m/min。在80℃下进行三级热拉伸，三级热拉伸倍数为2，拉伸速度为30m/min，制得聚乳酸粗旦单丝的直径为0.29mm，粗细均匀。

[0036] 实施例2

[0037] 熔融指数5g/10min的聚乳酸母料用双螺杆挤出机熔融挤出，挤出头孔径1/mm，预拉伸温度100℃，在45℃下进行恒张力一级热拉伸，一级热拉伸倍数为1.2，拉伸速度15m/min。在65℃下进行二级热拉伸，二级热拉伸倍数为1.8，拉伸速度为25m/min。在85℃下进行三级热拉伸，三级热拉伸倍数为4.17，拉伸速度50m/min，制得聚乳酸粗旦单丝的直径为0.33mm，粗细均匀，具体性能如表1所示。

[0038] 实施例3

[0039] 熔融指数4.5g/10min的聚乳酸母料用单螺杆挤出机熔融挤出，挤出头孔径3mm，预拉伸温度110℃，在50℃下进行恒张力一级热拉伸，一级热拉伸倍数为1.5，拉伸速度为20m/min。在70℃下进行二级热拉伸，二级热拉伸倍数为2.0，拉伸速度为50m/min。在90℃下进行三级热拉伸，三级热拉伸倍数为5，拉伸速度为120m/min，制得直径为0.77mm的聚乳酸粗旦单丝的，粗细均匀。

[0040] 实施例4

[0041] 熔融指数5g/10min的聚乳酸母料用双螺杆挤出机熔融挤出，挤出头孔径4mm，预拉伸温度110℃，在55℃下进行恒张力一级热拉伸，拉伸倍数为1.8，拉伸速度为25m/min。在70℃下进行二级热拉伸，二级热拉伸倍数为2.5，拉伸速度为60m/min。在95℃下进行三级热拉伸，三级热拉伸倍数为4.44，拉伸速度为250m/min，制得直径为0.84mm的聚乳酸粗旦单丝，粗细均匀。

[0042] 实施例5

[0043] 熔融指数5g/10min的聚乳酸母料用双螺杆挤出机熔融挤出，挤出头孔径5mm，预拉伸温度120℃，在55℃下进行恒张力一级热拉伸，拉伸倍数为2，拉伸速度为30m/min。在75℃下进行二级热拉伸，二级热拉伸倍数为2.5，拉伸速度为75m/min。在100℃下进行三级热拉伸，三级热拉伸倍数为5，拉伸速度为400m/min，从而制得直径为1mm的聚乳酸粗旦单丝，粗细均匀。

[0044] 对比例1

[0045] 所有条件与实施例1相同，但是采用的聚乳酸母料的熔指为3g/10min(2.16kg)，制得直径为0.45mm的聚乳酸粗旦单丝，且粗细不均匀。

[0046] 对比例2

[0047] 所有条件与实施例1相同，但是采用的聚乳酸母料的熔指为6g/10min(2.16kg)，制得直径为0.01mm的聚乳酸粗旦单丝，且粗细不均匀。

[0048] 对比例3

[0049] 所有条件与实施例1相同，但是步骤二中，经过预张力辊的温度为150℃(即预拉伸温度)，制得直径为0.02mm的聚乳酸粗旦单丝，且粗细不均匀。

[0050] 对比例4

[0051] 所有条件与实施例1相同，但是步骤二中，经过预张力辊的温度为90℃(即预拉伸温度)，制得直径为0.34mm的聚乳酸粗旦单丝，且粗细不均匀。

[0052] 对比例5

[0053] 所有条件与实施例1相同，但是步骤二中，一级热拉伸速度为45m/min，制得直径为0.15mm的聚乳酸粗旦单丝，且粗细不均匀。

[0054] 对比例6

[0055] 所有条件与实施例1相同，但是步骤三中，二级热拉伸速度为90m/min，制得直径为0.10mm的聚乳酸粗旦单丝，且粗细不均匀。

[0056] 对比例7

[0057] 所有条件与实施例1相同，但是步骤三中，二级热拉伸速度为500m/min，制得直径为0.05mm的聚乳酸粗旦单丝，且粗细不均匀。

[0058] 对比例8

[0059] 所有条件与实施例1相同，但是不采用逐级升温拉伸工艺，仅热拉伸一次，拉伸温度40℃，拉伸速度1000m/min，制得直径为0.001mm的聚乳酸粗旦单丝，粗细均匀。

[0060] 对比例9

[0061] 采用熔融指数为4g/10min的聚乳酸母料，经过单螺杆挤出机挤出，孔径为0.5mm，得到直径为0.6mm的聚乳酸拉条。

[0062] 对上述5个实施例和9个对比例，分别进行性能测试，包括：按照ISO11566-1996进行的拉伸强度测试，按照ISO11566-1996进行的断裂伸长率测试，以及按照GB/T 1634进行的热变形温度测试。测试结果如表1所示。

[0063] 表1

[0064]   拉伸强度/MPa 断裂伸长率/％ 热变形温度/℃实施例1 58 268 115
实施例2 59 257 117
实施例3 63 242 119
实施例4 65 230 121
实施例5 69 224 122
对比例1 23 390 79
对比例2 18 410 65
对比例3 17 430 62
对比例4 21 395 76
对比例5 16 367 63
对比例6 14 351 60
对比例7 13 343 58
对比例8 47 180 102
对比例9 6 550 50

[0065] 从表1可以看出：实施例1至实施例5的拉伸强度明显大于对比例1至对比例9。其中，实施例5的拉伸强度为69MPa，对比例9的拉伸强度为6MPa，实施例5的拉伸强度为对比例9的11倍多。因此，本实施例制备的聚乳酸粗旦单丝具有高强度性能。

[0066] 实施例1至实施例5的断裂伸长率为220％-270％之间。由于对比例8是高速拉伸，断裂伸长率性能会好。除了对比例8，对比例1至对比例9的断裂伸长率在340％以上。因此，本实施例制备的聚乳酸粗旦单丝具有高弹性性能。

[0067] 实施例1至实施例5的热变形温度均在110℃以上。除了对比例8，对比例1至对比例9的的热变形温度均在80℃以下。因此，本实施例制备的聚乳酸粗旦单丝具有高热稳定性。