Chất liệu sợi PLA là một loại vật liệu phân hủy sinh học mới, axit lactic là nguyên liệu thô trùng hợp chính của polyme, nguyên liệu thô từ các nguồn đủ và có thể tái tạo, chủ yếu là ngô, sắn và các nguyên liệu thô khác, có thể được sử dụng trong kéo sợi nóng chảy, tĩnh điện kéo sợi và các cách xử lý khác. Vật liệu sợi PLA do khả năng tương thích sinh học tốt, dễ phân hủy, tái tạo và các đặc tính khác, do đó nó có triển vọng ứng dụng tốt trong các lĩnh vực y sinh, lọc và tách, đóng gói, v.v. Nó có triển vọng ứng dụng tốt. Nghiên cứu này tập trung vào việc điều chế sợi PLA sinh học.
1, Quay nóng chảy
Phương pháp kéo sợi nóng chảy dựa trên sự tan chảy polyme làm nguyên liệu thô, được ép đùn qua máy trộn và đông cứng thành sợi bằng cách ngưng tụ nhanh trong không khí. Quá trình kéo sợi nóng chảy rất đơn giản, chất lỏng kéo sợi cho polyme tạo sợi tự tan chảy, không cần quay dung môi hoặc thu hồi dung dịch ngưng tụ, và quá trình tạo hình sợi được hoàn thành trong pha khí, lực cản ma sát nhỏ và có thể được sử dụng ở mức cao hơn tốc độ cuộn dây, hiệu quả sản xuất cao. Tuy nhiên, không phải tất cả các polyme tạo sợi đều có thể được sử dụng để chuẩn bị sợi bằng phương pháp kéo sợi nóng chảy, một trong những điều kiện để chuẩn bị sợi bằng phương pháp kéo sợi nóng chảy: nhiệt độ nóng chảy polyme phải thấp hơn nhiệt độ phân hủy nhiệt của nó khoảng 30 độ, nếu không thì nó sẽ rất khó sử dụng phương pháp nấu chảy cổ điển để kéo sợi.
Quy trình sản xuất kéo sợi nóng chảy PLA tương tự như quy trình kéo sợi của polyethylene terephthalate PET, được chia thành phương pháp kéo sợi một bước tốc độ cao và phương pháp kéo sợi kéo dài hai bước. Trong quá trình kéo sợi nóng chảy, có sự mâu thuẫn giữa độ nhạy nhiệt của phản ứng phân hủy PLA và độ nhớt cao của nóng chảy, dẫn đến phạm vi nhiệt độ cực kỳ hẹp cho quá trình kéo sợi nóng chảy PLA và nhu cầu kiểm soát hàm lượng nước trong masterbatch để ngăn chặn quá trình thủy phân và cacbon hóa trong quá trình ép đùn nóng chảy. Đồng thời, tốc độ kết tinh thấp của PLA dẫn đến nhiệt độ biến dạng nhiệt thấp, vật liệu giòn, độ bền kém và chu kỳ tạo hình dài. Để cải thiện hiệu suất kéo sợi nóng chảy PLA, Pan Xiaodi et al. nhận thấy rằng việc tăng tốc độ cắt, tức là tăng tốc độ quay ít ảnh hưởng đến độ nhớt biểu kiến của sự tan chảy PLA và quá trình kéo sợi dễ kiểm soát hơn.
Li và cộng sự. Sợi polypropylen/poly(axit lactic) (PP/PLA) được điều chế bằng cách kéo sợi nóng chảy và nghiên cứu các đặc tính của chúng, và nhận thấy rằng có sự giảm nhẹ về độ ổn định nhiệt của PLA khi bổ sung PP, nhưng độ kết tinh được cải thiện và độ bền nhiệt được cải thiện. tính định hướng và tính chất cơ học của sợi pha PP/PLA được cải thiện.
CLARKSON và cộng sự. sợi tổng hợp sợi nano cellulose/poly(axit lactic) (CNF/PLA) có độ cứng cao được điều chế bằng cách kéo sợi nóng chảy trong điều kiện khan và không có dung môi sử dụng poly(ethylene glycol) (PEG) làm chất độn và các tính chất cơ học của sợi đã được xác định tăng 600% sau khi kéo giãn nhiệt khi thêm CNF với phần khối lượng 1,3%.
2, Giải pháp quay vòng
Kéo sợi dung dịch được chia thành hai loại phương pháp khô và ướt dung dịch. dichloromethane, trichloromethane hoặc toluene thường được sử dụng làm dung môi để điều chế dung dịch gốc kéo sợi PLA, chẳng hạn như YANG S et al. người đã nghiên cứu sự kết tinh của dung dịch đúc vật liệu tổng hợp PLA/CNT có trọng lượng phân tử cao với sự có mặt của các dung môi như dichloromethane (CH2Cl2), trichloromethane (CHCl3), N,N-dimethylformamide (DMF) và 1,4-dioxane ( DIOX). -Dung môi dioxan (DIOX). Người ta nhận thấy rằng việc bổ sung các ống nano cacbon (CNT) với phần khối lượng là 0,1% có thể thúc đẩy sự hình thành các tinh thể hình dạng trung tính (SC) của hỗn hợp iso-PLLA/PDLA.
Tính toán nhiễu xạ tia X góc rộng và quét vi sai cho thấy khả năng dung môi làm tăng hàm lượng SC trong vật liệu tổ hợp PLLA/PDLA/CNT theo thứ tự giảm dần là DMF, DIOX, CHCl3 và CH2Cl2. Đặc biệt, các vi tinh thể SC đặc biệt được hình thành trong DMF. Sự khác biệt này có thể được giải thích bằng các thông số độ hòa tan và áp suất hơi dung môi. Kết quả nghiên cứu còn đưa ra các giải pháp khả thi để điều chỉnh thành phần tinh thể của blend PLLA/PDLA/CNT.
Nghiên cứu kéo sợi giải pháp để chuẩn bị sợi PLA ít hơn, với sợi kéo sợi nóng chảy, kéo sợi dung dịch có những ưu điểm sau: trong quá trình kéo sợi, cấu trúc mạng ít vướng víu polyme hơn nên sợi sơ cấp có đặc tính chịu kéo cao; nhiệt độ kéo sợi thấp, độ suy giảm nhiệt thấp hơn so với sợi kéo sợi nóng chảy; tính chất cơ học của sợi tốt, độ bền của sợi kéo nóng chảy cao, nhưng kéo sợi dung dịch thì kéo sợi chậm hơn, quá trình kéo sợi bị ô nhiễm dung môi và các vấn đề tái chế, nhưng ứng dụng sản xuất công nghiệp còn hạn chế hơn. Do đó, nó bị hạn chế hơn trong các ứng dụng sản xuất công nghiệp.
3, Quay tĩnh điện
Kéo sợi tĩnh điện đề cập đến quá trình kéo sợi của dung dịch polyme hoặc nóng chảy dưới tác dụng của điện trường ứng dụng và các sợi được chuẩn bị có thể đạt tới kích thước nano (5 nm ~ 1000 nm), nhưng điều kiện kéo sợi dễ có tác động lớn đến hình thái và tính chất của sợi. Yin Xuebing và cộng sự. đã nghiên cứu ảnh hưởng của dichloromethane (DCM), hexafluoroisopropanol (HFIP) và dimethylformamide (DMF) đến khả năng tạo sợi của dung dịch PLLA, cấu trúc vi mô của sản phẩm kéo sợi và đặc tính lọc.
Người ta nhận thấy rằng dung môi hỗn hợp DCM/DMF có thể cải thiện hiệu quả sự hình thành sợi và độ ổn định phản lực của dung dịch PLLA, đường kính sợi giảm đáng kể và cấu trúc đặc biệt của các đường chéo thô và mịn được hình thành giữa các sợi và hiệu suất tổng thể tốt nhất của màng sợi thu được từ dung dịch kéo sợi PLLA khi tỷ lệ thể tích của DCM/DMF là 0.2.
Vương và cộng sự. đã sử dụng phương pháp kéo sợi tĩnh điện vi sai nóng chảy để chuẩn bị sợi PLA và đường kính trung bình của sợi đạt tối thiểu 400 nm ở nhiệt độ kéo sợi 260 độ, tốc độ dòng khí 20 m3/h, nhiệt độ dòng khí 100 độ và khoảng cách quay 5,5 cm. Ngoài ra, Zhong Guo-Thành và cộng sự. đã sử dụng axit polylactic loại D (D PLA) có nắp hydroxyl làm chất khởi đầu cao phân tử để bắt đầu quá trình trùng hợp mở vòng của xương sống L-propyl lactide để tạo ra sự khác biệt. Ngoài ra, Zhong và cộng sự. đã sử dụng PLA loại D có nắp hydroxyl làm chất khởi đầu cao phân tử để bắt đầu quá trình trùng hợp mở vòng của thể L-propyl lactide để điều chế PLA diblock khối tuyến tính với các trọng lượng phân tử trung bình số khác nhau và các sợi siêu nhỏ được chuẩn bị bằng phương pháp kéo sợi tĩnh điện.
Kết quả cho thấy điểm nóng chảy của các tinh thể hỗn hợp hình khối được hình thành là trên 215 độ, độ ổn định nhiệt được cải thiện và độ dẻo dai tốt được thể hiện. Kéo sợi tĩnh điện có thể thực hiện quá trình sàng lọc vật liệu sợi so với công nghệ kéo sợi truyền thống và việc hình thành các tinh thể tổ hợp khối PLA có thể giúp cải thiện tính chất cơ học của vật liệu sợi.
4. Nhận xét kết luận
Hiện tại, việc hình thành và ứng dụng sợi và sản phẩm PLA gốc sinh học ở Trung Quốc vẫn đang ở giai đoạn sơ khai. Dữ liệu cho thấy đến cuối năm 2021, năng lực sản xuất PLA ở Trung Quốc là khoảng 452,000 tấn và dự kiến sẽ đạt 5 triệu tấn vào năm 2025.PLA, là một loại hình xanh và thân thiện với môi trường vật liệu thân thiện, có tiềm năng thay thế các vật liệu sợi gốc dầu truyền thống. Phân tích và so sánh các phương pháp tạo sợi PLA dựa trên sinh học hiện có cũng như ưu điểm và nhược điểm của chúng, phản ứng phân hủy PLA cần được giải quyết trong quá trình kéo sợi nóng chảy với triển vọng công nghiệp hóa. Quá trình kéo sợi nóng chảy với triển vọng công nghiệp hóa, cần giải quyết mâu thuẫn giữa độ nhạy nhiệt và độ nhớt cao của nóng chảy, đồng thời mở rộng phạm vi nhiệt độ xử lý của kéo sợi nóng chảy PLA.
Đồng thời, với sự trợ giúp của công nghệ tái chế PLA để đẩy nhanh việc cung cấp nguyên liệu sợi PLA ổn định tại Trung Quốc. Trong chiến lược "carbon kép" quốc gia và các chính sách thuận lợi khác, có thể kỳ vọng rằng các vật liệu và sản phẩm sợi PLA dựa trên sinh học sẽ mở ra sự phát triển nhảy vọt, trong lĩnh vực y sinh, lọc và tách, đóng gói và các lĩnh vực khác cho thấy kết quả tốt triển vọng ứng dụng.