聚乳酸纤维的制作方法

1.本发明涉及一种聚乳酸纤维，特别是涉及一种芯鞘型聚乳酸纤维。


背景技术：

2.聚乳酸(polylactic acid，pla)是一种生物可分解性的结晶性高分子(crystalline polymer)，近年来随着全球环保意识抬头，而被广泛使用。
3.聚乳酸是一种热塑性脂肪族聚酯，由于其化学结构中并未包含任何苯环结构，使得聚乳酸本身的熔点及耐热性皆偏低。一般来说，聚乳酸纤维只可耐受110℃至115℃的加工温度，若温度过高，则聚乳酸纤维会熔融而失去原本机械强度。因此，聚乳酸纤维不仅加工温度有上限，连加工速率也受到限制，举例来说，若延伸拉丝的速率过快，聚乳酸纤维的机械强度可能不足以承受对应的应力，而会产生断丝。简言之，聚乳酸无法如其他芳香族聚酯纤维般，耐受较高的加工温度(180℃至200℃)。因此，聚乳酸纤维具有加工性较差的缺点。
4.举例来说，为了提升聚乳酸纤维的染色效果，通常会使聚乳酸纤维进行假捻加工(false twist)，以提升聚乳酸纤维的结晶度。然而，由于聚乳酸纤维的加工性不佳，在染色加工后，容易产生横条，无法制造染色均匀的聚乳酸纤维，而容易有聚乳酸纤维外观不佳的问题。
5.为了改善聚乳酸加工性不佳的问题，现有技术中会于聚乳酸原料中添加扩链剂(chain extender)或成核剂(nucleating agent)。通过添加扩链剂，可提升聚乳酸分子的链长，进而提升聚乳酸的分子量，以达到提升聚乳酸熔点的效果。另一方面，通过添加成核剂，可提升聚乳酸的结晶度，进而达到提升聚乳酸的耐热性的效果。然而，添加扩链剂或成核剂的改善效果有限，仍无法有效提升聚乳酸的耐热性，也无法解决聚乳酸加工性较差的问题。因此，现有技术中的聚乳酸纤维仍有待改善。


技术实现要素：

6.本发明所要解决的技术问题在于，针对现有技术的不足提供一种聚乳酸纤维。
7.为了解决上述的技术问题，本发明所采用的其中一技术方案是提供一种聚乳酸纤维。形成聚乳酸纤维的材料中包括一第一聚乳酸材料以及一第二聚乳酸材料，第二聚乳酸材料披覆于第一聚乳酸材料外，以聚乳酸纤维的总体积为100％，第二聚乳酸材料的体积占比为至少20％；其中，第二聚乳酸材料包括15重量百分比至85重量百分比的右旋聚乳酸(poly(d-lactic acid)，pdla)以及15重量百分比至85重量百分比的左旋聚乳酸(poly(l-lactic acid)，plla)。
8.更进一步地，第二聚乳酸材料包括左旋聚乳酸与右旋聚乳酸的立体错合物(stereocomplex)。
9.更进一步地，第二聚乳酸材料包括15重量百分比至50重量百分比的右旋聚乳酸以及50重量百分比至85重量百分比的左旋聚乳酸。
10.更进一步地，第二聚乳酸材料的一第一熔点为160℃至180℃，第二聚乳酸材料的一第二熔点为210℃至230℃。
11.更进一步地，第二聚乳酸材料的玻璃转移温度(glass transition temperature)为55℃至70℃。
12.更进一步地，第一聚乳酸材料以一内芯的形式存在，第二聚乳酸材料以一外鞘的形式存在。
13.更进一步地，聚乳酸纤维的断面是圆形，在径向方向上，外鞘的厚度与内芯的厚度的比值为0.1至0.5。
14.更进一步地，以聚乳酸纤维的总体积为100％，第二聚乳酸材料的体积占比为25％至50％。
15.更进一步地，聚乳酸纤维的结晶度为35％至45％。
16.更进一步地，聚乳酸纤维的一第一熔点为170℃至185℃，聚乳酸纤维的一第二熔点为215℃至230℃。
17.更进一步地，第一聚乳酸材料的熔点低于第二聚乳酸材料的熔点。
18.更进一步地，第一聚乳酸材料的熔点与第二聚乳酸材料的熔点的差距为40℃至60℃。
19.本发明的其中一有益效果在于，本发明所提供的聚乳酸纤维，其能通过“以聚乳酸纤维的总体积为100％，第二聚乳酸材料的体积占比为至少20％”以及“第二聚乳酸材料包括15重量百分比至85重量百分比的右旋聚乳酸以及15重量百分比至85重量百分比的左旋聚乳酸”的技术方案，提高聚乳酸纤维的耐热性，进而克服以往聚乳酸纤维加工性不佳的问题。
20.为使能更进一步了解本发明的特征及技术内容，请参阅以下有关本发明的详细说明与附图，然而所提供的附图仅用于提供参考与说明，并非用来对本发明加以限制。
附图说明
21.图1为本发明的聚乳酸纤维的立体示意图。
22.图2为图1中ii-ii剖面的剖面示意图。
具体实施方式
23.以下是通过特定的具体实例来说明本发明所公开有关“聚乳酸纤维”的实施方式，本领域技术人员可由本说明书所公开的内容了解本发明的优点与效果。本发明可通过其他不同的具体实施例加以施行或应用，本说明书中的各项细节也可基于不同观点与应用，在不背离本发明的构思下进行各种修改与变更。另外，本发明的附图仅为简单示意说明，并非依实际尺寸的描绘，事先声明。以下的实施方式将进一步详细说明本发明的相关技术内容，但所公开的内容并非用以限制本发明的保护范围。另外，本文中所使用的术语“或”，应视实际情况可能包括相关联的列出项目中的任一个或者多个的组合。
24.请参阅图1所示，图1为本发明聚乳酸纤维的立体示意图。本发明的聚乳酸纤维1是一芯鞘型复合纤维(sheath-core composite fibre)，聚乳酸纤维1包括一内芯10以及一外鞘20。
25.聚乳酸纤维1的内芯10是由一第一聚乳酸材料所形成。第一聚乳酸材料包括左旋聚乳酸(poly(l-lactic acid)，plla)，具体来说，在本实施例中使用的是一般纺丝级的左旋聚乳酸，其熔点温度约为170℃。
26.于其他实施例中，除了左旋聚乳酸之外，第一聚乳酸材料还可进一步包含其他高分子材料，例如：聚己内酯(polycaprolactone，pcl)、聚乳酸甘醇酸(poly-lactic-glycolic acid，plga)、聚羟基脂肪酸酯(polyhydroxyalkanoates，pha)、聚甘醇酸(polyglycolic acid，pga)、透明质酸(hyaluronic acid)、明胶(gelatin)或其组合物。较佳的，第一聚乳酸材料中包括：左旋聚乳酸、聚己内酯、聚羟基脂肪酸酯或其组合物，以使第一聚乳酸材料完全是由生物可分解高分子所组成。
27.聚乳酸纤维1的外鞘20是由一第二聚乳酸材料所形成。第二聚乳酸材料包括左旋聚乳酸以及右旋聚乳酸(poly(d-lactic acid)，pdla)。以第二聚乳酸材料的总重为100重量百分比(wt％)，第二聚乳酸材料中包括15重量百分比至85重量百分比的右旋聚乳酸以及15重量百分比至85重量百分比的左旋聚乳酸。
28.于其他实施例中，除了右旋聚乳酸以及左旋聚乳酸之外，第二聚乳酸材料还可进一步包括：聚己内酯、聚乳酸甘醇酸、聚羟基脂肪酸酯、聚甘醇酸、透明质酸、明胶或其组合物。较佳的，第二聚乳酸材料中包括：左旋聚乳酸、右旋聚乳酸、聚己内酯以及聚羟基脂肪酸酯，以使第二聚乳酸材料完全是由生物可分解高分子所组成。或者，第二聚乳酸材料中也可包含染料。
29.第二聚乳酸材料中的右旋聚乳酸与左旋聚乳酸，在熔融状态或溶液状态下混合，会形成立体错合物(stereocomplex)，于说明书中简称为pdla/plla立体错合物。并且，相较于单独的左旋聚乳酸或是单独的右旋聚乳酸，pdla/plla立体错合物具有较高的熔点以及较高的结晶度。于本发明中，第二聚乳酸材料包括pdla/plla立体错合物，在一些实施例中，第二聚乳酸材料中除了pdla/plla立体错合物之外，还可包括单独的右旋聚乳酸或/和单独的左旋聚乳酸。
30.为了比较pdla/plla立体错合物对第二聚乳酸材料在特性上的影响，本发明分别调配不同重量比例的左旋聚乳酸及右旋聚乳酸，并使其在熔融状态下混合，以制备表1中的第二聚乳酸材料样品(样品1至4)。
31.接着，以微示差扫描热卡分析仪(differential scanning calorimeter，dsc)(厂牌：ta instrument,inc，型号：dsc q10)，对各样品进行玻璃转移温度(transition temperature)、熔点(tm1、tm2)以及熔化热变化量(δh1、δh2)的测量，测量结果列于下表1中。仪器设定的操作参数包括：测量温度区间为室温至250℃之间，升温速率为每分钟20℃，降温速率为每分钟20℃。
32.表1
[0033][0034]
第二聚乳酸材料中包含了pdla/plla立体错合物以及未形成错合物的左旋聚乳酸与右旋聚乳酸。因此，经差示扫描量热法(differential scanningcalorimetry)分析之后，可观察到两个熔点峰值(tm1、tm2)以及两个熔化热变化量(δh1、δh2)。
[0035]
根据上述表1的内容，第二聚乳酸材料的玻璃转移温度为55℃至70℃，较佳的，第二聚乳酸材料的玻璃转移温度为60℃至65℃。第二聚乳酸材料较低的熔点为160℃至180℃，为方便说明，以下称为第一熔点(tm1)，较佳的，第二聚乳酸材料的第一熔点为170℃至176℃。第二聚乳酸材料较高的熔点的为210℃至230℃，为方便说明，以下称为第二熔点(tm2)，较佳的，第二聚乳酸材料的第二熔点为219℃至222℃。并且，第二聚乳酸材料的第一熔点与第二熔点的差距为40℃至60℃，较佳的，第二聚乳酸材料的第一熔点与第二熔点的差距为40℃至50℃。
[0036]
换句话说，在本实施例中，第二聚乳酸材料的熔点高于第一聚乳酸材料的熔点，并且，第一聚乳酸材料的熔点与第二聚乳酸材料的熔点的差距为40℃至60℃，较佳的，第一聚乳酸材料的熔点与第二聚乳酸材料的熔点的差距为45℃至55℃。
[0037]
根据上述表1的内容，第二聚乳酸材料在第一熔点时的熔化热变化量(δh1)为20j/g至50j/g，较佳的，第二聚乳酸材料在第一熔点时的熔化热变化量为25j/g至45j/g。第二聚乳酸材料在第二熔点时的熔化热变化量(δh2)为3j/g至30j/g，较佳的，第二聚乳酸材料在第二熔点时的熔化热变化量为5j/g至25j/g。
[0038]
如此一来，本发明的第二聚乳酸材料具有较高的玻璃转移温度以及熔点，而可应用于较高的加工温度，因此，可克服以往受限于聚乳酸本身特性，造成聚乳酸纤维加工性差的问题。
[0039]
由于右旋聚乳酸的原料成本高于左旋聚乳酸的原料成本。因此，于本实施例中，第二聚乳酸材料中包括15重量百分比至50重量百分比的右旋聚乳酸以及50重量百分比至85重量百分比的左旋聚乳酸。
[0040]
于一些实施例中，右旋聚乳酸与左旋聚乳酸的用量相等，也就是说，右旋聚乳酸与左旋聚乳酸的重量比例为50/50。于另一些实施例中，右旋聚乳酸的用量低于左旋聚乳酸的用量，也就是说，第二聚乳酸材料中包括15重量百分比至小于50重量百分比的右旋聚乳酸以及大于50重量百分比至85重量百分比的左旋聚乳酸。
[0041]
另外，以聚乳酸纤维1的总体积为100％，外鞘20所占的体积比例至少为20％，以使
外鞘20可完整包覆内芯10。为比较不同外鞘20与内芯10的体积比对聚乳酸纤维1特性的影响，本发明调控第一聚乳酸材料及第二聚乳酸材料的用量，以制备出下表2中的聚乳酸纤维1(实施例1至4)。在实施例1至4中，第二聚乳酸材料是使用表1中样品3的第二聚乳酸材料。
[0042]
接着，以微示差扫描热卡分析仪对各实施例的聚乳酸纤维1进行熔点(tm1、tm2)、熔化热变化量(δh1、δh2)以及结晶度(xc1)的测量，测量结果列于下表2中。仪器设定的操作参数包括：测量温度区间为室温至250℃之间，升温速率为每分钟20℃，降温速率为每分钟20℃。
[0043]
表2
[0044][0045][0046]
形成聚乳酸纤维1的材料中包含了pdla/plla立体错合物以及未形成错合物的左旋聚乳酸与右旋聚乳酸。因此，经差示扫描量热法(differential scanning calorimetry)分析之后，可观察到两个熔点峰值(tm1、tm2)以及两个熔化热变化量(δh1、δh2)。
[0047]
根据上述表2的内容，聚乳酸纤维1较低的熔点为160℃至180℃，以下称为第一熔点(tm1)，较佳的，聚乳酸纤维1的第一熔点为175℃至180℃。聚乳酸纤维1较高的熔点为210℃至230℃，以下称为第二熔点(tm2)，较佳的，聚乳酸纤维1的第二熔点为220℃至225℃。另外，聚乳酸纤维1的结晶度(xc1)为30％至50％，较佳的，聚乳酸纤维1的结晶度(xc1)为35％至45％。
[0048]
根据上述表2的内容，聚乳酸纤维1在第一熔点时的熔化热变化量(δh1)为20j/g至50j/g，较佳的，聚乳酸纤维1在第一熔点时的熔化热变化量为30j/g至40j/g。聚乳酸纤维1在第二熔点时的熔化热变化量(δh2)为5j/g至30j/g，较佳的，聚乳酸纤维1在第二熔点时的熔化热变化量为10j/g至25j/g。
[0049]
由于本发明的聚乳酸纤维1使用第二聚乳酸材料作为外鞘20的材料，即使内芯10维持使用一般的聚乳酸材料，就整体而言，聚乳酸纤维1仍可具有较佳的耐热性以及较高的结晶度，而可应用于较高的加工温度，因此，可克服以往受限于聚乳酸本身特性，造成聚乳酸纤维加工性差的问题。
[0050]
由于第二聚乳酸材料的原料成本高于第一聚乳酸材料的原料成本，因此，于本实施例中，以聚乳酸纤维1的总体积为100％，外鞘20所占的体积比例为25％至50％。
[0051]
于本实施例中，聚乳酸纤维1的断面为圆形，如图2所示。为方便比较不同体积比时的内芯10与外鞘20的厚度，下表3中列出表2中不同外鞘20与内芯10体积比时，在径向方向上，外鞘20的厚度d2与内芯10的厚度d1之间的关系。
[0052]
表3
[0053][0054]
也就是说，在径向方向上，外鞘20的厚度d2与内芯10的厚度d1的比值(d2/d1)为0.1至0.5。较佳的，外鞘20的厚度d2与内芯10的厚度d1的比值为0.15至0.45。
[0055]
本发明的聚乳酸纤维1可用以制造聚乳酸织物，并可依据用途选择制造的方式。一般来说，聚乳酸纤维1可以通过热熔纺丝(melt spinning)或静电纺丝(electrospinning)的方式制造。
[0056]
首先，先齐备第一聚乳酸材料以及第二聚乳酸材料。第一聚乳酸材料中的主要成分是左旋聚乳酸，但也可包含前述其他高分子材料。第二聚乳酸材料中的主要成分是左旋聚乳酸以及右旋聚乳酸，但也可以进一步包含前述其他高分子材料。
[0057]
于一些实施例中，聚乳酸纤维1是使用熔融纺丝的方式制造。将前述的第一聚乳酸材料以及第二聚乳酸材料分别投入熔融纺丝机中。通过熔融纺丝机，先制成部分延伸丝(partial oriented yarn，poy)，再经过延伸假捻加工机制成假捻加工丝(draw textured yarn，dty)。接着，可再根据用途，将聚乳酸纤维1以不同的编织方式织造成各类织物。在此实施例中，第二聚乳酸材料中的左旋聚乳酸以及右旋聚乳酸，是于熔融状态混合，部分的左旋聚乳酸以及部分的右旋聚乳酸会形成pdla/plla立体错合物。
[0058]
于另一些实施例中，聚乳酸纤维1是使用静电纺丝的方式制造。将前述的第一聚乳酸材料以及第二聚乳酸材料，以相同或不同的电纺液分别溶解。第二聚乳酸材料中同时包含了左旋聚乳酸以及右旋聚乳酸，故电纺液需可同时溶解左旋聚乳酸以及右旋聚乳酸，例如：二氯甲烷和氯仿。接着，使用静电纺丝装置，将第一聚乳酸材料以及第二聚乳酸材料喷至一承载体上，并通过控制喷丝器的移动，使聚乳酸纤维1沿特定方向紧密堆叠、缠绕或交织，而形成厚度均匀的聚乳酸织物。在此实施例中，第二聚乳酸材料中的左旋聚乳酸以及右旋聚乳酸，是于溶液状态混合，部分的左旋聚乳酸以及部分的右旋聚乳酸会形成pdla/plla立体错合物。
[0059]
使用本发明的聚乳酸纤维1制成的聚乳酸织物，具有生物可分解性、较高的耐热性以及较佳的加工性，有利于聚乳酸织物进行后续加工处理。
[0060]
[实施例的有益效果]
[0061]
本发明的其中一有益效果在于，本发明所提供的聚乳酸纤维1，其能通过“以聚乳酸纤维1的总体积为100％，第二聚乳酸材料的体积含量至少为20％”以及“第二聚乳酸材料
包括15至85重量百分比的右旋聚乳酸以及15至85重量百分比的左旋聚乳酸”的技术方案，提高聚乳酸纤维1的耐热性，进而克服以往聚乳酸纤维加工性不佳的问题。
[0062]
更进一步来说，本发明所提供的聚乳酸纤维，其能通过“第二聚乳酸材料包括左旋聚乳酸与右旋聚乳酸的立体错合物”的技术方案，提高第二聚乳酸材料的熔点。
[0063]
以上所公开的内容仅为本发明的优选可行实施例，并非因此局限本发明的权利要求书的保护范围，所以凡是运用本发明说明书及附图内容所做的等效技术变化，均包含于本发明的权利要求书的保护范围内。