[发明专利]一种含31螺旋结构的聚乳酸纤维及其制备方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种含3₁螺旋结构的生物可降解聚乳酸纤维，该纤维的性能优于通常含10₃螺旋结构的聚乳酸纤维，本发明还涉及该纤维的制备方法。 

背景技术

聚乳酸纤维以天然可再生资源为原料，减小了对不可再生资源如石油的依赖性，同时具有生物可降解性。随着人们对环境的日益重视和树脂成本的下降，及其应用领域的不断扩展，聚乳酸纤维必将成为最重要的纤维品种之一，有望在很多应用领域代替丙纶、涤纶和锦纶等传统纤维材料。 

但是目前，与传统的纤维材料相比，聚乳酸还是存在性能上的不足。如公开号为CN1400343的中国发明专利报道，聚乳酸纤维的高温力学强度和蠕变性能差。针对这一缺点，该专利介绍了通过高速熔纺再高倍热牵伸的方法，例如，先在5000m/分的纺丝速度下制得未牵伸丝，再在140℃下热牵伸1.84倍得到牵伸丝，制备的聚乳酸纤维的力学性能尤其是高温力学强度得到提高，在25℃下强度为6.1cN/dtex，在90℃下强度为2.1cN/dtex。值得注意的是，这种性能上的提高是由于在聚乳酸纤维中形成了一种3₁螺旋结构的晶体。 

聚乳酸纤维的3₁螺旋结构晶体，又称为β晶，最早见于Eling等(Polymer，1982，23：1587)的报道，是在干法纺丝条件下对高分子量聚乳酸施加高倍热牵伸所形成的。在随后的报道(Polymer，1987，28：1695)中确认，含有β晶的聚乳酸纤维具有优异的力学性能，强度和模量分别达到2.1GPa和16GPa。 

Hoogsteen等(Macromolecules，1990，23：634)进一步研究了β晶在聚乳酸纤维中的形成及其结构特征。首先将超高分子量聚乳酸(黏均分子量56万～100万)通过干法纺丝得到未牵伸丝，然后在高温(204℃)下进行高倍热牵伸(12～19倍)，制得的聚乳酸纤维中部分或全部含有β晶。与聚乳酸α晶的10₃螺旋结构(每10个单体单元中具有3次旋转结构)相比，β晶具有3₁螺旋结构(每3个单体单元中具有1次旋转结构)。因此，可以将β晶看成是将α晶进行少许拉伸而成的伸长型结构。同时，从结晶形态上看，α晶对应于折叠链结构而β晶对应于微原纤状结构。 

聚乳酸β晶的形成并不限于干法纺丝过程。例如，Sawai等(J.Polym.Sci.Pt.B-Polym.Phys.2002，40：95)通过固相挤出在170℃下得到含有高度取向β晶的聚乳酸 样品。再如，美国发明专利US7083854报道了通过溶液或熔体静电纺丝得到含有β晶的纳米直径聚乳酸纤维，而且β晶的含量在加入改性有机黏土后有所升高。但是，通过熔纺直接得到含β晶或3₁螺旋结构聚乳酸纤维的报道却很少。事实上，通过常规熔纺工艺一般只能得到含10₃螺旋结构α晶的聚乳酸纤维。 

综上所述，在聚乳酸纤维中形成3₁螺旋结构十分有利于提高纤维性能尤其是高温力学性能，但是通过常规熔纺工艺通常不能直接产生3₁螺旋结构。虽然如中国发明专利CN1400343介绍，通过高速熔纺再高倍热牵伸的方法能够生产含有3₁螺旋结构β晶的聚乳酸纤维，但是该方法使用很高的纺丝速度和热牵伸倍率，对设备和工艺要求高，而且所达到的纤维性能与干纺纤维相比仍然存在较大的差距。因此，有必要对现有熔纺工艺进行改进，在较温和的条件下生产含有3₁螺旋结构的聚乳酸纤维，并进一步提高纤维性能。 

发明内容

本发明所要解决的首要技术问题是提供一种含3₁螺旋结构的聚乳酸纤维，3₁螺旋结构是指聚乳酸分子主链上每3个单体单元中具有1次旋转结构，它十分有利于提高纤维性能，尤其是高温力学性能。 

本发明所要解决的另一个技术问题是提供一种含3₁螺旋结构的聚乳酸纤维的制备方法，一种通过在熔融纺丝过程中改进纺丝动力学，在使用适中的纺丝速度和较低的热牵伸比的条件下生产含3₁螺旋结构的聚乳酸纤维的方法，以解决常规熔纺工艺不能产生3₁螺旋结构或必须使用很高的纺丝速度和热牵伸比从而造成工艺条件苛刻的问题。