PLA-Fasermaterial ist eine neue Art von biobasierten, biologisch abbaubaren Materialien, Milchsäure als Hauptrohstoff für die Polymerisation von Polymeren, Rohstoffe aus ausreichenden und erneuerbaren Quellen, hauptsächlich Mais, Maniok und andere Rohstoffe, können beim Schmelzspinnen und elektrostatischen verwendet werden Spinnen und andere Arten der Verarbeitung. PLA-Fasermaterial aufgrund guter Biokompatibilität, leicht abbaubarer erneuerbarer und anderer Eigenschaften, so dass es gute Aussichten für die Anwendung in den Bereichen Biomedizin, Filtration und Trennung, Verpackung usw. hat. Es bestehen gute Bewerbungsaussichten. Diese Studie konzentriert sich auf die Herstellung biobasierter PLA-Fasern.
1, Schmelzspinnen
Das Schmelzspinnverfahren basiert auf Polymerschmelze als Rohmaterial, das durch die Spinndüse extrudiert und durch schnelle Kondensation an der Luft zu Fasern verfestigt wird. Der Schmelzspinnprozess ist einfach, die Spinnflüssigkeit für die faserbildende Polymerschmelze selbst erfordert kein Spinnlösungsmittel oder eine Rückgewinnung des Kondensationsbads, und der Faserbildungsprozess wird in der Gasphase abgeschlossen, der Reibungswiderstand ist gering und kann für höhere Zwecke verwendet werden Spulengeschwindigkeit, hohe Produktionseffizienz. Allerdings können nicht alle faserbildenden Polymere zur Herstellung von Fasern durch Schmelzspinnen verwendet werden, eine der Bedingungen für die Herstellung von Fasern durch Schmelzspinnen: Die Schmelztemperatur des Polymers muss niedriger sein als seine thermische Zersetzungstemperatur von etwa 30 Grad, andernfalls Es ist schwierig, die klassische Schmelzmethode zum Spinnen zu verwenden.
Der Produktionsprozess des PLA-Schmelzspinnens ähnelt dem Spinnprozess von Polyethylenterephthalat-PET, der in ein einstufiges Hochgeschwindigkeitsspinnverfahren und ein zweistufiges Spinn-Streckverfahren unterteilt ist. Beim Schmelzspinnverfahren besteht ein Widerspruch zwischen der Wärmeempfindlichkeit der PLA-Abbaureaktion und der hohen Viskosität der Schmelze, was zu einem extrem engen Temperaturbereich für die PLA-Schmelzspinnverarbeitung und der Notwendigkeit führt, den Wassergehalt im Masterbatch zu kontrollieren verhindern Hydrolyse und Karbonisierung im Schmelzextrusionsprozess. Gleichzeitig führt die niedrige Kristallisationsrate von PLA zu einer niedrigen Wärmeformbeständigkeit, sprödem Material, schlechter Zähigkeit und langen Umformzyklen. Um die Leistung des PLA-Schmelzspinnens zu verbessern, haben Pan Xiaodi et al. fanden heraus, dass eine Erhöhung der Scherrate, also eine Erhöhung der Spinngeschwindigkeit, weniger Einfluss auf die scheinbare Viskosität der PLA-Schmelze hat und der Spinnprozess leichter zu kontrollieren ist.
Li et al. stellten Fasern aus Polypropylen/Poly(milchsäure) (PP/PLA) durch Schmelzspinnen her und untersuchten ihre Eigenschaften. Sie fanden heraus, dass die thermische Stabilität von PLA durch die Zugabe von PP leicht abnahm, die Kristallinität jedoch verbessert wurde Orientierung und mechanische Eigenschaften der PP/PLA-Mischfasern wurden verbessert.
CLARKSON et al. stellten hochsteife Cellulose-Nanofasern/Poly(milchsäure) (CNF/PLA)-Verbundfasern durch Schmelzspinnen unter wasserfreien und lösungsmittelfreien Bedingungen unter Verwendung von Polyethylenglykol (PEG) als Füllstoff her und ermittelten die mechanischen Eigenschaften der Fasern erhöhte sich nach thermischer Verstreckung um 600 %, wenn CNF mit einem Massenanteil von 1,3 % zugesetzt wurde.
2, Lösungsspinnen
Das Lösungsspinnen wird in zwei Arten von Lösungs-Trocken- und Nassverfahren unterteilt. Dichlormethan, Trichlormethan oder Toluol werden häufig als Lösungsmittel für die Herstellung von PLA-Faser-Spinnstofflösungen verwendet, wie z. B. YANG S et al. der die Kristallisation von lösungsgegossenen PLA/CNT-Verbundwerkstoffen mit hohem Molekulargewicht in Gegenwart von Lösungsmitteln wie Dichlormethan (CH2Cl2), Trichlormethan (CHCl3), N,N-Dimethylformamid (DMF) und 1,4-Dioxan untersuchte ( DIOX). -Dioxan (DIOX)-Lösungsmittel. Es wurde festgestellt, dass die Zugabe von Kohlenstoffnanoröhren (CNTs) mit einem Massenanteil von 0,1 % die Bildung neutraler Konformationskristalle (SCs) von Iso-PLLA/PDLA-Mischungen fördern könnte.
Weitwinkel-Röntgenbeugung und Differentialscanning-Berechnungen zeigen, dass die Fähigkeit von Lösungsmitteln, den SC-Gehalt in PLLA/PDLA/CNT-Kompositen zu erhöhen, in absteigender Reihenfolge von DMF, DIOX, CHCl3 und CH2Cl2 erfolgt. Insbesondere bilden sich in DMF charakteristische SC-Mikrokristalle. Dieser Unterschied kann durch Löslichkeitsparameter und Lösungsmitteldampfdruck erklärt werden. Die Ergebnisse der Studie liefern auch mögliche Lösungen zur Regulierung der kristallinen Zusammensetzung von PLLA/PDLA/CNT-Mischungen.
Lösungsspinnen zur Herstellung von PLA-Fasern Forschung weniger, bei schmelzgesponnenen Fasern hat das Lösungsspinnen folgende Vorteile: Im Spinnprozess ist die Polymerverflechtung der Netzwerkstruktur geringer, so dass das Primärfilament eine hohe Zugfestigkeit aufweist; Die Spinntemperatur ist niedrig, der thermische Abbau ist geringer als bei schmelzgesponnenen Fasern. Die mechanischen Eigenschaften der Faser sind gut, die Festigkeit der schmelzgesponnenen Fasern ist hoch, aber beim Lösungsspinnen gibt es ein langsameres Spinnen, bei dem Spinnprozess treten Lösungsmittelverunreinigungen und Recyclingprobleme auf, aber die industriellen Produktionsanwendungen sind begrenzter. Daher ist es bei industriellen Produktionsanwendungen eingeschränkter.
3, Elektrostatisches Spinnen
Unter elektrostatischem Spinnen versteht man den Spinnprozess von Polymerlösungen oder -schmelzen unter Einwirkung eines angelegten elektrischen Feldes. Die hergestellten Fasern können den Nanobereich (5 nm bis 1000 nm) erreichen, die Spinnbedingungen haben jedoch tendenziell einen großen Einfluss auf die Fasermorphologie und -eigenschaften. Yin Xuebing et al. untersuchten die Auswirkungen von Dichlormethan (DCM), Hexafluorisopropanol (HFIP) und Dimethylformamid (DMF) auf die Filamentbildungsfähigkeit der PLLA-Lösung, die Mikrostruktur der Spinnprodukte und die Filtrationseigenschaften.
Es wurde festgestellt, dass das gemischte Lösungsmittel aus DCM/DMF die Filamentbildung und Strahlstabilität der PLLA-Lösung wirksam verbessern konnte, der Faserdurchmesser deutlich abnahm und eine spezielle Struktur aus groben und feinen Kreuzen zwischen den Fasern gebildet wurde und die beste Gesamtleistung erzielt wurde Die Fasermembran wurde aus der PLLA-Spinnlösung erhalten, wenn das Volumenverhältnis von DCM/DMF 0,2 betrug.
Wang et al. verwendeten elektrostatisches Schmelzdifferentialspinnen zur Herstellung von PLA-Fasern, und der durchschnittliche Durchmesser der Fasern erreichte ein Minimum von 400 nm bei einer Spinntemperatur von 260 Grad, einer Luftströmungsrate von 20 m3/h, einer Luftströmungstemperatur von 100 Grad und a Schleuderweite von 5,5 cm. Darüber hinaus haben Zhong Guo-cheng et al. verwendeten Hydroxyl-verkappte Polymilchsäure vom D-Typ (D PLA) als makromolekularen Initiator, um die ringöffnende Polymerisation des L-Propyllactid-Rückgrats zu initiieren und so unterschiedliche Produkte herzustellen. Darüber hinaus haben Zhong et al. verwendeten Hydroxyl-verkapptes D-Typ-PLA als makromolekularen Initiator, um die Ringöffnungspolymerisation des L-Propyllactid-Körpers zu initiieren, um lineares kubisches Diblock-PLA mit unterschiedlichen zahlenmittleren Molekulargewichten herzustellen, und stellten Submikronfasern mittels elektrostatischem Spinnen her.
Die Ergebnisse zeigten, dass die Schmelzpunkte der gebildeten kubischen Verbundkristalle über 215 Grad lagen, die thermische Stabilität verbessert war und eine gute Zähigkeit auftrat. Durch elektrostatisches Spinnen können Fasermaterialien im Vergleich zur herkömmlichen Spinntechnologie verfeinert werden, und die Bildung kubischer PLA-Verbundkristalle kann zur Verbesserung der mechanischen Eigenschaften von Fasermaterialien beitragen.
4. Schlussbemerkungen
Derzeit befinden sich die Formung und Anwendung biobasierter PLA-Fasern und -Produkte in China noch im Anfangsstadium. Daten zeigen, dass die Produktionskapazität von PLA in China bis Ende 2021 etwa 452.000 t beträgt und es wird erwartet, dass sie im Jahr 2025 5 Millionen t erreichen wird. PLA ist eine Art grünes und umweltfreundliches Produkt freundliches Material, hat das Potenzial, die traditionellen erdölbasierten Fasermaterialien zu ersetzen. Bei der Analyse und dem Vergleich der bestehenden biobasierten PLA-Faserbildungsmethoden und ihrer Vor- und Nachteile muss die PLA-Abbaureaktion im Schmelzspinnprozess mit Industrialisierungsaussichten gelöst werden Angesichts der Industrialisierung des Schmelzspinnprozesses ist es notwendig, den Widerspruch zwischen Wärmeempfindlichkeit und hoher Viskosität der Schmelze zu lösen und den Verarbeitungstemperaturbereich des PLA-Schmelzspinnens zu erweitern.
Gleichzeitig soll mit Hilfe der PLA-Recyclingtechnologie die stabile Versorgung mit PLA-Faserrohstoffen in China beschleunigt werden. Im Rahmen der nationalen „Double-Carbon“-Strategie und anderer günstiger Maßnahmen ist zu erwarten, dass biobasierte PLA-Fasermaterialien und -Produkte eine sprunghafte Entwicklung in den Bereichen Biomedizin, Filtration und Trennung, Verpackung und anderen Bereichen einleiten werden Aussichten für eine Bewerbung.