聚乳酸长丝的加工工艺及特点

（一）聚乳酸长丝的分类和特点

长丝纱线是由多根长单丝经过拉伸、加捻或者变形工序组合形成的纤维集合体。通过改变聚乳酸长丝的生产工艺、生产路线，可以生产出很多品种的聚乳酸长丝。按照不同加工方法，可以将聚乳酸长丝进行分类，见表1-20。

表1-20　聚乳酸长丝种类

聚乳酸长丝和短纤维相比，有以下特点[1]：

（1）聚乳酸长丝生产是单锭生产方式。一根丝条有几十根单丝，从纺丝到变形的过程中，会经过几十个摩擦点，产生毛丝。若长丝在多锭位、多机台生产，由于设备、工艺、操作差异等因素，不同锭位的长丝性能上会存在一定差异。

（2）通过物理化学变形的方法，可以纺制差别化聚乳酸纤维，通过假捻、空气变形、复合等方法，使长丝具有毛型风格；通过改变喷丝孔的形状或者捻度的强弱，纺制仿丝型纤维；通过拉伸丝和预取向丝的混纤变形，制得仿麻竹节丝；通过各种空气喷射或加捻技术，可以仿制网络丝、网络变形丝、空气变形丝和包芯丝等。

（二）聚乳酸长丝的后加工工艺

从喷丝口挤出后冷却固化成型的初生纤维，存在较大的分子内应力，分子链没有充分伸展，取向度和结晶度也较低。因此初生纤维强度低、伸长大并且沸水收缩率高，不能直接纺织加工，必须经过一系列后加工，才能用于纺织生产。初生纤维通常需要经过集束拉伸、上油、加弹、热定型、消光、成筒等工艺。其中，集束拉伸和热定型最为重要[66]。

高分子熔体从喷丝板上的喷丝孔流出后，形成若干单丝束，集束拉伸过程就是用均匀的张力将这些丝束集合成规定规格的大丝束，然后再将大丝束按照一定倍数进行拉伸。集束拉伸工艺主要参数有拉伸温度、拉伸倍数及其分配比例、拉伸速率等，对聚乳酸长丝的力学性能有非常大的影响。因此，集束拉伸工艺非常关键。

图1-10　聚乳酸长丝后加工工艺

上油可以提高聚乳酸长丝的柔软性、润滑性和抗静电性。热定型主要是为了消除聚乳酸长丝中的内应力，提升其结构稳定性和尺寸稳定性，并且对长丝的力学性能有所改善。消光主要是添加消光剂，根据需要，控制聚乳酸长丝的光泽度。

常见的带有导丝轮的纺丝设备示意如图1-10所示。其主要工艺流程是集束、上油、导丝轮转向，最后在卷绕头卷绕成型。卷绕头的速率即为纺丝速率。

（三）聚乳酸长丝的后加工技术流程

聚乳酸长丝的生产主要是经过纺丝→拉伸→变形的工艺流程，按照纺丝速率分类，可以分为：低速纺丝（常规纺丝）、中速纺丝和高速纺丝。所得长丝的取向结晶、力学性能和沸水收缩率存在很大差异。

1.低速纺丝原丝的后加工技术

常规纺丝工艺成熟、设备稳定、技术易掌握，通常可以纺制33～167dtex的长丝。

（1）工艺流程如下。

纺丝卷绕→拉伸加捻→假捻变形（UDY→DY→TY）三步法工艺路线

（2）主要工艺参数。纺丝速率：v≤1200m/min，后加工拉伸倍数：2.5～3.2倍，拉伸加捻速率：200～600m/min，变形加工速率：120～160m/min。

（3）原丝特点。通过低速纺丝制备的聚乳酸长丝（UDY），其结晶和凝固速率大于分子链被拉伸取向速率，所以UDY的分子链取向程度极低，称为未取向丝或卷绕丝。成丝的强度低，断裂伸长率大，尺寸稳定性差，不能直接用作纺织物原料。

（4）变形纱特点。原丝（UDY）经过拉伸加捻形成低捻的普通牵伸长丝纱（DY），再经过变形加工形成变形长丝纱（TY）。可用的变形加工方法有假捻变形、空气变形、网络和花式纱变形等。

2.中速纺丝原丝的后加工技术

中速纺丝可以纺制33～167dtex的长丝，常见规格是50dtex和75dtex，生产效率低于高速纺丝，产品质量比常规纺丝差。

（1）工艺流程。中速纺丝为两步法工艺，有MOY—DY和MOY—DTY两种工艺路线。

（2）主要工艺参数。纺丝速率：1500～2500m/min，后加工拉伸倍数：2.1～2.4倍，拉伸加捻速度：800～1200m/min，拉伸变形加工速度：400～500m/min。

（3）原丝特点。通过中速纺丝制备的原丝，称为中等预取向丝（MOY），纺丝过程中拉伸作用大于常规纺丝，聚乳酸分子链被拉伸取向的速率略高于聚乳酸结晶和凝固速率，相比于UDY、MOY的大分子链有少量取向。由于取向度依然较低，长丝结构也不够稳定，仍存在低强度、高伸长、尺寸稳定性差等缺陷，不能直接作为织物原料使用。

（4）变形纱特点。MOY经过低速拉伸变形得到普通拉伸丝（DY），而经过高速拉伸变形，可以形成多种变形纱（DTY）。高速变形加工比低速变形加工的产量高，并且使长丝的取向更大。

3.高速纺丝原丝的后加工技术

（1）工艺流程。高速纺丝的后加工工艺路线有三种：

（2）主要工艺参数。纺丝速率：3000～5000m/min，后加工拉伸倍数：1.3～1.7倍，拉伸加捻速度：600～1100m/min，拉伸变形加工速度：450～800m/min。

（3）原丝特点。通过高速纺丝制得的预取向丝（POY）由于拉伸作用较大，聚乳酸大分子链被拉伸取向速度明显高于聚乳酸结晶和凝固速度，长丝具有一定的取向度，结构也比UDY和MOY稳定。然而，聚乳酸长丝的取向度和结晶度还是比较低，分子结构仍然不够稳定，强度还较低，伸长也较大，尺寸稳定性也不够，一般也不直接用作织物原料。在特殊情况下，常用做复合长丝的高收缩组分。

（4）变形纱特点。通过高速纺丝制备得到的预取向丝（POY），经过不同的后加工技术处理，可以制备出不同的长丝纱线。本书仅介绍以下几种。(www.xing528.com)

①FDY丝：POY丝经过高速拉伸，可以得到55～165dtex的全牵伸丝FDY。具有较高的结晶度和取向度，分子结构稳定，无卷曲。高强低伸长，尺寸稳定，可以直接用作织物的原料。POY→FDY这条工艺路线，成本低，产品质量稳定，染色均匀性好。

②DTY丝：POY丝经过高速拉伸、假捻加弹，得到低弹丝DTY。具有较高的结晶度和取向度，有较大的卷曲甚至少量纤维缠结。具有高强度、高弹性伸长、纱线蓬松的优点，可以直接用作织物的原料。该工艺是典型的两步法工艺路线，是目前采用最多的生产变形丝的工艺路线，具有流程短、效率高、成本较低等优点。

③ATY丝：POY丝经过中速拉伸、空气变形得到空气变形丝ATY。具有较高的结晶度和取向度，纱线内有大量卷曲纤维并且存在大量纤维缠结。ATY丝外观与短纤纱线相似，具有强度高、弹性伸长大、蓬松等优点，可以直接用作织物的原料。

④NSY丝：POY丝经过中速拉伸、空气网络变形后，得到网络变形丝NSY。具有较高的结晶度和取向度。长丝束内纤维每隔一定间隙会产生纤维缠结，即网络结。NSY丝具有高强度、蓬松、织造免上浆等优点，可以直接用作织物的原料。

（四）聚乳酸长丝的后加工工艺参数控制

1.拉伸温度

拉伸温度主要是影响聚乳酸长丝的热性能。拉伸温度对聚乳酸长丝的热性能影响见表1-21、图1-11和图1-12。

表1-21　不同拉伸温度下聚乳酸长丝的热性能[67]

图1-11　PLA长丝玻璃化转变和松弛[67]

图1-12　PLA长丝结晶和熔融[67]

表1-21表明，在一定拉伸比下，拉伸辊温度上升会导致结晶度和玻璃化温度上升，而松弛焓和热容变化的程度在下降[18]。当拉伸温度很高时，分子取向度有所改善，因此结晶度得到提升，结晶度的提升，影响了分子的运动能力，从而影响了玻璃化转变温度和热容变化。

与PET相比，聚乳酸的主链上没有苯环，其链的柔性大，因此其玻璃化温度低，相比同规格的PET来说，应适当降低拉伸温度。但是拉伸温度过低（70℃时），由于链段未完全解冻，单丝表面容易破裂，内部可能出现空洞，产生毛丝和断头；若拉伸温度过高，分子链的活动能力太强，拉伸应力变小，长丝条的抖动加剧，影响拉伸的稳定性，容易导致毛丝的产生，大分子的取向度反而随温度的升高而降低，达不到提高强度的目的（图1-13），因此，拉伸温度根据纤维细度及单丝细度的不同选择在80～90℃较为适当[68]。

图1-13　拉伸热盘温度对聚乳酸长丝强度的影响[68]

2.拉伸倍数

拉伸倍数对长丝的取向度和结晶度有直接影响，取向度和结晶度的变化会引起长丝强度、伸长率等力学性能的变化。聚乳酸分子链有较好的柔性，可以进行较大倍数的拉伸。拉伸过程中，纤维的晶区和非晶区并非同时取向，非晶区往往比晶区先完成沿着拉伸方向的分子链取向，因此，拉伸倍数过大，纤维的应力变化较大，纤维各区域强度不均率和伸长不均率上升，造成毛丝，以致缠辊[68]。

由表1-22可知，随着拉伸倍数提高，聚乳酸长丝的断裂强度提高，断裂伸长率降低，取向因子变大。在牵伸过程中，聚乳酸长丝内大分子沿着轴向取向，取向度会提高。同时，拉伸诱导大分子结晶，致使长丝的结晶度提高。取向和结晶度的提高，使长丝的断裂强度增加。取向和结晶的增加，会导致长丝中无定形区减小，导致断裂伸长率降低。因此，提高拉伸倍数可以有效改善聚乳酸长丝的取向结构，提高强度。然而，拉伸倍数主要还是取决于对长丝成品的性质要求，如果要求高强度低伸长率的长丝，那么选择较大的拉伸倍数，反之则小。另外，拉伸倍数的确定还与原丝的质量以及纺丝速率有关。通常来说，聚乳酸长丝需要经过两次拉伸工艺，拉伸倍数需要在这两次拉伸过程中合理分配。第一次拉伸是最重要的，其拉伸比占总拉伸比的80%～90%，通常大于自然拉伸比，此时拉伸细颈基本消失。

表1-22　不同拉伸倍数下PLA长丝的力学性能和取向度[69]

3.热定型

热定型的作用是消除聚乳酸长丝在拉伸工艺中形成的内应力，提高结构稳定性和尺寸稳定性，降低沸水收缩率。经过拉伸工艺的聚乳酸长丝，其断裂伸长率降低，经过热定型后，伸长率有所提高，并且随着定型温度的升高，聚乳酸长丝解取向程度升高，表现出伸长率随着定型温度的升高而增加（图1-14）。研究发现，聚乳酸可以在5000m/min的高速下纺丝制备长丝，只有当纺丝速率为2000～3000m/min时，聚乳酸长丝的结晶、双折射率、力学性能等指标才能达到最佳值，此时沸水收缩率也最低[70]。通常来说，聚乳酸长丝的沸水收缩率较高，明显高于聚酯，因此，通过热定型降低聚乳酸长丝的沸水收缩率非常重要。如图1-15所示，随着热定型温度升高，聚乳酸长丝的沸水收缩率明显降低。

图1-14　定型热板温度对聚乳酸长丝伸长率的影响[68]

图1-15　定型热板温度对聚乳酸长丝沸水收缩率的影响[68]