第三节 聚乳酸纤维的成型加工
聚乳酸是一种具有良好溶解性的热塑性高分子材料，其结晶性、透明性和耐热性都较好，并且具备良好的可纺性，可以生产可生物降解的聚乳酸纤维。聚乳酸是线型直链大分子，没有大侧基，由于结构单元存在手性碳原子，聚乳酸大分子有多种立体结构，可分为聚右旋乳酸（PDLA）、聚左旋乳酸（PLLA）和聚外消旋乳酸（PDLLA）。一般来说，生产聚乳酸纤维采用的是PLLA，其分子结构为等规立构，具有很强的结晶性，而另外两种聚乳酸的结构和性质不适合纺丝成型。
聚乳酸纤维具备较高的强度、良好的生物相容性和生物降解性，可应用领域广泛，具有良好的发展前景。聚乳酸纤维的形态主要有长丝和短纤，也可以根据最终用途需要，加入不同程度的卷曲。此外，聚乳酸还可以制成异形纤维和功能性纤维。聚乳酸纤维加工方式比较多，可以采用传统的溶纺和熔纺工艺，将PLA制备成胶体溶液或熔融成熔体，经喷丝口挤压成细流，在合适的介质中固化成纤维。虽然溶纺纤维的力学性能优于熔纺纤维，但是，溶纺的工艺复杂，溶剂回收困难，纺丝环境恶劣，成本较高，不适合工业化生产。故聚乳酸纤维的商品化生产都是采用熔融纺丝工艺。
一、熔融纺丝
熔融纺丝具有设备简单、污染小、投资少等优点，与其他纺丝方法相比，具有更强的工业化、商品化竞争力。目前，工业化生产的聚乳酸纤维主要是采用熔融纺丝法加工成型，并且熔融纺丝生产聚乳酸纤维的工艺及设备也在不断完善。
（一）工艺过程
目前工业化生产聚乳酸纤维，通常采用高速纺丝一步法或者纺丝—拉伸两步法。这两种方法各有特点，高速纺丝产率高，是两步法的6～15倍；而两步法得到的纤维力学性能优于高速纺丝纤维。聚乳酸两步法熔融纺丝的工艺流程见图1-9。
（二）原料预处理及干燥
聚乳酸纤维成型过程中，水的存在容易使聚乳酸分子链上的酯键断裂，发生水解降解，相对分子质量急剧下降，严重影响成纤的品质，因此，纺丝前必须严格控制聚乳酸的含水率。通常，原料会在高度真空下进行干燥，将含水率控制在50mg/kg以下。由于上述的水解反应，在温度较高的情况更容易发生，即使是经过充分干燥的原料，在熔融纺丝时，也会发生受热水解，相对分子质量损失可以达到15%以上。有研究表明，通过加入少量抗氧剂亚磷酸三壬基苯酯（TNPP），聚乳酸熔纺时的热水解得到有效的抑制，该研究认为，TNPP很有可能通过酯交换反应，对聚乳酸产生扩链作用[52]。
图1-9 聚乳酸纤维两步法熔融纺丝流程图
含水率高不仅使得聚乳酸在熔纺过程中易发生热降解，水分还容易在高温下形成气泡，出现断头、毛丝等影响纺丝的现象。如果原料真空干燥时间过长或者温度设置过高，原料切片也容易降解，相对分子质量降低，单体偏多，影响纺丝和纤维品质。因此，聚乳酸原料的预处理必须在合适的温度和干燥时间下进行。聚乳酸切片在不同温度、不同干燥时间条件下的含水率见表1-6（真空度高于30Pa）[53]。
表1-6 聚乳酸切片在不同温度、不同干燥时间条件下的含水率[53] 单位：mg/kg
从表1-6中可以看出，干燥初期，切片的含水率急剧下降，因为除去的是切片中的大量非结合水。干燥中后期，除去结合水速率较慢，随着时间延长，会最终达到一个平衡水分。在70℃干燥24h和100℃干燥12h后，含水率基本在10-4以内，基本满足纺丝要求。在100℃干燥，可以大幅缩短干燥时间，并且可以进一步提高结晶度，使结晶更充分，软化点提高，有利于纺丝。
（三）纺丝温度
聚L-乳酸（PLLA）对温度非常敏感，在熔融升温过程中，其特性黏度随着温度升高大幅降低，并且温度越高，特性黏度的降幅越大，见表1-7[54]。
表1-7 PLLA的特性黏度与温度的关系[54]
从表1-7中可以看出，温度对聚乳酸熔体流动性能影响非常大，如果温度过高，发生热降解，从而使熔体黏度大幅下降，容易出现断头、毛丝等现象。而聚乳酸由于本身熔体黏度较大，需要较高的纺丝温度，使其在纺丝成型时具有良好的流动性，获得表面光滑、成型良好的纤维。否则，温度过低，物料流动不通畅，从喷丝口流出的物料不能满足纺丝的要求。因此，PLA纺丝成型的温度范围非常小。纺丝温度对聚乳酸切片相对分子质量和降解率的影响如表1-8所示[55]。
表1-8 不同纺丝温度下聚乳酸切片相对分子质量变化和降解率[55]
从表1-8可见，从200℃到210℃，聚乳酸相对分子质量降低幅度很大，降解速率很快，而达到220℃，降解度已经达到15%。当纺丝温度设置为200℃时，虽然已经超过PLA熔点20℃以上，但是熔体流动性依然较差，不可纺；若纺丝温度在210～220℃，熔体流动性有所提高，但仍然不能满足纺丝条件，如果用提高剪切速率的方式增加熔体流动性，会造成丝条容易破裂，并且表面粗糙。只有在230℃时，挤出熔体形成连续的细流，具有良好的可纺性。再继续升高温度，熔体流动性有所提高，然而纤维色泽由白变黄，已接近聚乳酸分解温度（240℃）。综合来看，聚乳酸的纺丝温度，应该控制在235℃以下，以防分解严重；225℃以上，以防熔体流动性不佳。
纺丝温度不仅影响熔体的流动性，同时也影响初生纤维的自然拉伸比和最大拉伸比。表1-9是不同纺丝温度下PLA纤维取向性能指标的比较[53]。纺丝温度从205℃提升到222℃时，双折率降低了39.9%，表明取向度随着温度升高而降低，因为熔体黏度降低，PLA的相对分子质量也有所降低。由于取向度的降低，纤维的自然拉伸比和最大拉伸比有明显的提高，说明在保证PLA相对分子质量的前提下，适当提高纺丝温度，有利于后拉伸工序的进行，也有利于成品纤维具有良好的取向度。
表1-9 不同纺丝温度下PLA纤维取向性能指标的比较[53]
（四）纺丝气氛
纺丝的气氛对聚乳酸熔体的稳定性有很大影响，由表1-10可知，没有氮气保护的熔融纺丝过程，聚乳酸降解率高达76.4%，而经过氮气保护，降解率明显降低，只有25.6%。因此，推荐在氮气气氛保护下，进行聚乳酸熔融纺丝。经过氮气保护的初生纤维，特性黏度降低较少，而没有氮气保护生产的初生纤维，特性黏度降低非常大。因为在空气气氛下熔融纺丝的聚乳酸，发生严重降解，相对分子质量大幅降低，从而使特性黏度明显降低。
表1-10 不同纺丝气氛下聚乳酸的降解率[56]
聚合物的相对分子质量影响其流动性能，相对分子质量越大，其特性黏度越高，为了满足纺丝所需的熔体流动性，需要设置的挤出温度越高。因此，不同相对分子质量的聚乳酸，需要设置的挤出温度不尽相同（表1-11）。
表1-11 聚乳酸的特性黏度和合适的挤出温度[56]
（五）纺丝速率
纺丝速率是影响卷绕丝预取向度的重要因素，对纤维最终性能起关键作用。纺丝速率对初生纤维的结晶度和力学性能有很大影响。研究表明，纺丝速率（0～5000m/min）越大，初生纤维的结晶度越高，在3000m/min时达到最大值43%，并且得到了最佳的力学性能：杨氏模量为6GPa、屈服强度为160MPa、拉伸强度为385MPa。而后继续增大纺丝速率，初生纤维的结晶度和力学性能有所下降。高纺丝速率下，聚乳酸分子链取向，纤维产生诱导结晶，结晶度和力学性能得到提升。如果纺丝速率过高，结晶时间偏短，结晶不完全，因此，结晶度和力学性能相对降低[57]。高速纺丝由于纺丝线上的速度梯度较大，产生冷却空气和丝束间摩擦阻力较大，使得卷绕丝的分子链具有较高的取向度，卷绕丝具有非常高的强度，后拉伸倍数可以相对降低。
在纺丝温度为195℃的条件下，制备聚乳酸长丝，其纺丝速率对初生纤维相对分子质量和取向度的影响见表1-12。
表1-12 纺丝速率对初生纤维降解率和取向度的影响[58]
由表1-12所见，纺丝速率越小，初生纤维的降解率越高，PLA相对分子质量降低越多。主要原因是从喷丝孔挤出的高温纺丝熔体，接触到空气中的氧气和水分，发生热水解和降解，导致相对分子质量下降。纺丝速率越慢，纺丝熔体接触空气的时间越长，相对分子质量损失越大。因此，提高纺丝速率是必要的，而且纺丝速率越大，熔体冷却速率变大，丝条表面温度低，发生热降解和水解的可能性减小，降低相对分子质量损失。
纺丝速率对纤维性能影响非常关键，有实验研究：利用PLA与多壁碳纳米管MWNT共混后采用双螺杆挤压机熔融纺丝制备特殊的液体泄漏检测材料。当MWNT用量在0.5%～5.0%（质量分数）时，能够在聚乳酸熔体中均匀分布。通过液体（水、正己烷、乙醇、甲醇）实验表明，随着MWNT的含量增加，液体传感响应的效果变差，溶剂不同，响应强度也不同；当卷绕速度增加时，大部分MWNT会沿着纤维轴向排列，响应减弱。最后得出MWNT为2%（质量分数）是最佳用量，可以取得最好的液体测漏效果[59]。
（六）拉伸条件
聚乳酸初生纤维的取向度和结晶度都比较低，并存在内应力，其强度低、伸长大、尺寸不稳定。拉伸可以有效提升初生纤维的性能，如断裂强度和耐磨性得到提高，产品的伸长率降低。拉伸倍数和PLA纤维力学性能的关系如表1-13所示。从表中数据可以看到，经过拉伸后的初生纤维断裂强度提高，断裂伸长率降低，单丝断裂强度最大可达4.1 cN/dtex，断裂伸长率为21%，初始模量达到了72.20 cN/dtex。随着拉伸倍数的提高，初生纤维取向，诱导结晶，部分折叠链转变成伸直链，使得晶片之间的连接点增多，强度有所提高，伸长率降低。
表1-13 拉伸倍数与PLA纤维的力学性能关系[55]
拉伸倍数对纤维结晶性能和结构也有很大影响，见表1-14。随着拉伸倍数的提高，初生纤维的结晶度相应提高，晶区的取向度也有所提高，表明拉伸可以使大分子进一步结晶，并且分子链在晶区和非晶区都沿着拉伸方向进一步取向排列，取向度提高，分子结构单元排列更加规整。尤其是拉伸倍数为3.8时，结晶度已经接近45%。
表1-14 初生纤维在不同拉伸倍数条件下的结晶性能[60]
拉伸倍数越大，纤维的取向规整度越高，此时稍加合适的拉伸温度（Tg以上），纤维的结构单元便可以发生热运动，降低分子间的内应力。PLA本身黏度较大，大分子活动性较差，提高拉伸温度，可以给分子间的结构单元提供足够的热运动能量，有利于链段运动，但是拉伸温度不宜过高或者过低，否则会降低纤维的力学性能，并且不利于形成均匀的拉伸丝。拉伸温度对聚乳酸纤维的力学性能和结构的影响见表1-15。聚乳酸纤维的一道拉伸温度宜控制在85～95℃。纤维断裂强度随着拉伸温度的升高而增大，拉伸温度在80℃以上时，基本不会出现冷拉时的脆性断裂现象。如果拉伸温度太高，比如超过100℃，容易出现丝条断裂，因为此时已经发生解取向现象，有效取向度降低。
表1-15 拉伸温度对聚乳酸纤维的力学性能和结构的影响[61]
拉伸速率的变化会影响拉伸温度（表1-16）。因为拉伸速率变快，纤维束在热盘上的停留时间变短，纤维的屈服应力和拉伸应力增大，纤维的拉伸温度需适当增加，但过高的拉伸温度会使分子解取向作用增强，从而产生不良的结晶形态，引起纤维断裂，导致纤维强度的损失。
表1-16 拉伸速率对PLA纤维拉伸性能的影响[62]
（七）卷曲和热定型工艺
聚乳酸纤维表面光滑，纤维之间抱合性较差，不利于后续加工。用物理、化学等方法对纤维卷曲变形加工，使纤维具有一定的卷曲度，可以有效改善纤维的抱合性，并增加其蓬松性和弹性。研究发现，在保持卷曲温度条件下，随着卷曲板压力增大，PLA纤维卷曲度和卷曲回复率明显提高，而卷曲弹性率逐步减小（表1-17）。
表1-17 不同卷曲压力下PLA短纤维卷曲性能指标[63]
如果适当提高卷曲温度，可以很好地改善PLA纤维的卷曲性能（表1-18）。但温度提高过多，聚乳酸纤维会出现变硬、板结的现象。控制卷曲温度在90～110℃，可以得到卷曲性能较好的聚乳酸纤维。
表1-18 不同卷曲温度时聚乳酸短纤维的卷曲性能[63]
热定型也是聚乳酸纤维生产过程中的一道重要工序。聚乳酸纤维经过拉伸、卷曲，其纤维结构并不稳定，存在较大内应力。热定型可以消除纤维内应力，防止纤维发生较大蠕变，降低沸水收缩率，提高结晶度，增加纤维的尺寸稳定性。实验研究表明，PLA纤维热定型温度不能超过120℃，否则其力学性能会明显变差，影响后加工。最佳定型温度为110～120℃，随着热定型时间增加，PLA纤维的卷曲度和回复率都得到明显提高[64]。热定型主要影响纤维大分子的取向，研究发现，以500m/min速率纺丝得到的PLA纤维基本上是无定形态，以1850m/min速率纺丝得到的纤维结晶度可达60%，但是两者大分子取向度都很低，而后续的牵伸和热定型工序显著提高了纤维的取向度[65]。
（八）冷却固化
熔融纺丝过程中，熔体细流和周围介质传热传质、冷却固化形成初生纤维，热交换主要是以传导和强制对流的形式进行。冷却的过程中，熔体黏度不断提高，直到卷绕张力不足以使纤维细流继续变细，就达到固化点。聚乳酸初生纤维结构与喷丝口到固化点的距离有非常大的关系。工业化生产中，通常采用风环冷却。风环冷却温度对卷绕丝的拉伸性能和折射率有很大的影响（表1-19）。双折射率随着冷却风温度上升而下降，自然拉伸比和最大拉伸比随着风温上升而稍增。这是因为冷却风温上升，冷却强度减弱，丝束固化速度变慢，凝固点变低，在纺丝线上流动取向和轴向速度梯度变小，丝束取向度也减小，双折射率降低；同时塑性区延长，有利于丝束拉伸，自然拉伸比和最大拉伸比变大[53]。因此，聚乳酸熔融纺丝过程中，风环冷却温度应该控制在25℃左右为宜。
表1-19 不同冷却风温度下初生纤维的拉伸性能和双折率指标[53]
目前，随着熔融纺丝工艺越来越成熟，通过多种方式改性聚乳酸，获得优良性能的纤维是比较热门的研究趋势。比如异形截面的聚乳酸纤维，皮芯结构的聚乳酸纤维，用纳米晶须作为增强剂和PLA共混熔融纺丝等。熔融纺丝以其污染小、成本低、便于自动化生产等优点，成为聚乳酸纤维工业化生产的主流纺丝方式，并在生产过程中，不断完善生产聚乳酸纤维的工艺和设备，具有优良的市场前景。
二、聚乳酸长丝的加工
（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。
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。
图1-10 聚乳酸长丝后加工工艺
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。
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。
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。
（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。
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
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]
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]
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]
三、聚乳酸短纤维纱线的加工
通常所谓的“纱线”，其实是“纱”和“线”的统称，“纱”是将许多短纤维或长丝排列成近似平行状态，并沿轴向旋转加捻，组成具有一定强力和线密度的细长物体；而“线”是由两根或两根以上的单纱捻合而成的股线。
聚乳酸短纤维纱线是由若干根聚乳酸短纤维（十几根到几十根，直至上百根），加工成连续、细长、纤维间结合紧密，具有一定的强力、弹性等力学性能的产品，可以用于制线、制绳、织布、针织和刺绣等[1]。
（一）聚乳酸短纤维的性能特点和可纺性
影响聚乳酸纤维纺纱的主要因素有长度、线密度、回潮率、摩擦因数和质量比电阻等[71]。熔融纺丝制得的聚乳酸纤维特点是高强度、中伸长率和低模量，聚乳酸纤维和常用纤维的物理性能比较见表1-23。
表1-23 聚乳酸纤维和其他纤维的物理性能比较[72]
聚乳酸纤维手感好，有较好的回弹性、卷曲性和卷曲持久性，纤维强度高，模量较低，容易弯曲，这些特点使聚乳酸纤维具有良好的可纺性。然而，聚乳酸纤维存在一些不利于纺纱的性能特点。比如，其质量比电阻高，易产生静电；吸湿性、回潮率都较差，容易受到纺丝环境温度、湿度的干扰，影响纤维品质；耐热性差；纤维平直光滑，摩擦力小，抱合力差，单独纺纱比较困难；蓬松性大，容易粘卷，且成网困难。为了提高聚乳酸的可纺性，要从纺纱各工序着手，改善纤维的物理及力学性能，并采取一定的技术措施，使纺纱加工得以顺利进行[71]。
目前，聚乳酸可以在棉纺系统、毛纺系统和各种新型纺纱设备上进行纺纱加工；产品种类有纯纺，与棉、毛、麻、天丝、莫代尔等纤维的混纺。
（二）聚乳酸短纤纯纺
聚乳酸短纤维的规格主要有1.1dtex×38mm、1.1dtex×51mm、1.5dtex×38mm、1.7dtex×38mm、1.7dtex×51mm、2.0dtex×70mm等。
聚乳酸纤维纯纺纱线线密度品种有9.8tex、11.5tex、14.7tex、19.7tex、27.8tex、29.5tex等[16]。
（1）原料：长度38mm，线密度1.5dtex，强度35cN/dtex，回潮率0.7%，色泽精白，其弹性中上，含油程度一般[73]。
（2）工艺流程：
A002C型抓棉机→A006B型混棉机→A036C型开棉机→A092A型双棉箱给棉机→A076C型成卷机→A186D型梳棉机→FA303型并条机（三道）→FA481型粗纱机→FA506型细纱机→ESPERO型自动络筒机[73]
（1）清花工序工艺要点：为保证棉卷的内在质量和外观质量，应遵循“勤抓少抓、多松少打、以梳代打、多混少落、速度降低、适当隔距”的工艺原则。
聚乳酸纤维表面光滑平直、整齐度好、蓬松性大、抱合力差、易黏附罗拉等机件，因此，生产前先要使聚乳酸纤维达到纺纱条件，通过加入适量的抗静电油剂、防滑剂等，增加纤维的抗静电能力，改善纤维之间的抱合力，车间相对湿度适当控制，以便后道工序能够顺利进行。由于纤维长度长，不含杂质，清花工序要以开松、均匀混合为主，减少打击力度和打击次数，尽量少损伤纤维，并尽量少落多松，各部件打手速度降低7%左右，为防止粘卷，卷中两层之间夹3～5根粗纱，或者采用防粘罗拉，或增大紧压罗拉的压力。成卷后用塑料薄膜包好，严防水分和油剂挥发。由于聚乳酸纤维疵点和杂质极少，清花工序要采用短流程，使用梳针打手，增加开松点，减少打击点，加强开松梳理，减少纤维损伤和散失，通过强调轻梳少伤、低速度、大隔距、薄喂入、多混和、少翻滚的技术措施，能提高卷子外观质量和内在质量[71]。
主要工艺参数：卷子质量398～420g/m, A036C打手转速418r/min, A036C给棉罗拉打手隔距13～14mm，棉卷罗拉转速12r/min，伸长率1.3%，卷子质量不匀率0.8%，温湿度：20℃、60%。
（2）梳棉工序工艺要点：梳棉机的主要工艺原则是轻打多梳，少伤纤维，多排除纤维疵点，增加转移，低速度，大隔距和小张力牵伸。梳棉过程中要注意搞好棉网转移，减少棉结形成，使棉网清晰，无破洞，还需防止纤维充塞梳理区损伤纤维[74]。
由于聚乳酸纤维具有良好的弹性和弹性恢复性，纤维蓬松，因此梳棉工序各部隔距应较大掌握，梳棉针布合理选配，以顺利完成分梳、转移的作用为主要目的，除杂、均匀混合的作用可适当降低，大小漏底、除尘刀的设置以减小落率为目的。梳棉机是去除棉结和杂质的主要设备，但它既排除短绒，同时也产生短绒。纤维在梳理过程中要考虑梳理度、梳理强度和转移率的关系，只有三者配置恰当，纤维才能获得充分梳理，减少损伤，均匀混合，顺利转移[72]。
主要工艺参数：生条定量19.6～21.8g/5m，锡林转速320r/min，道夫转速22.5r/min，刺辊转速795r/min，锡林与盖板间隔距为0.28mm、0.25mm、0.23mm、0.23mm、0.25mm，锡林与道夫隔距0.13mm，刺辊与锡林隔距0.18mm，生条质量不匀率2.5%，温湿度：25℃、68%。
（3）并条工序工艺要点：针对聚乳酸纤维弹性及弹性回复性好、导电性较差、纤维蓬松等特点，并条工序采用“重加压、中定量、低速度”的工艺原则，减少生产中的“三绕”和堵塞现象，同时合理配置牵伸，既要保证熟条中纤维的伸直平行，又要提高熟条的条干均匀度[72]。
聚乳酸纤维回潮率低、易起静电、纤维蓬松，因此张力控制要适当，喇叭口大小要适当，能够提高条子抱合力并且减少条子的不必要意外牵伸为宜，要保证在牵伸过程中对纤维的有效控制，以提高条干均匀度[74]。如果因为聚乳酸纤维的轻微静电，产生缠绕罗拉胶辊问题，可以采取的措施有：
①在胶辊表面涂料。
②适当降低车速，缩小喇叭口径，提高条子抱合力。
③将满筒长度由2km改为1.6km，以减轻条子与上圈条器表面的摩擦。
主要工艺参数：前罗拉线速160m/min，喇叭口2.4mm，熟条定量9.0g/5m，罗拉隔距15mm×20mm，温湿度：25℃、60%～63%。
（4）粗纱工序工艺要点：合理选择粗纱捻系数，既要提高纤维间抱合力，又要防止细纱出硬头；粗纱的张力偏小掌握，以减少纱条的意外伸长[75]。
由于聚乳酸纤维较蓬松，抱合力差，粗纱捻系数要适当选择，保证细纱牵伸顺利，不易断头。导条张力适当减小，可减少意外伸长而产生的细节。粗纱工序在工艺配置上仍以提高纤维的分离度和伸直平行度、改善纱条内在结构为原则，采用集中前区牵伸的工艺。因熟条极易分叉散开，操作时要严防条子起毛，破坏条子结构，生产中要求粗纱成形良好，条干均匀，提高粗纱的内在质量。生产中粗纱工序采用“低速度、重加压、轻定量、稳握持、适当大的径向和轴向卷绕密度、小伸长”的工艺原则[71]。
主要工艺参数：粗纱定量4.206～3.86g/10m，捻度4.52～4.86捻/10cm，罗拉隔距20mm×28mm，加压255N/双锭、147N/双锭、196N/双锭，质量不匀率0.9%，乌斯特条干CV为4.0%，温湿度：25℃、60%～63%。
（5）细纱工序工艺要点：合理选择各工艺参数，在采用大隔距、重加压的工艺基础上优选粗纱捻系数与细纱后区牵伸的匹配。
细纱工序要采取集中前区的牵伸工艺，后区隔距适当放大，在保证牵伸正常的前提下，适当减小后区牵伸和钳口隔距。细纱工序采用“强控制、稳握持、匀牵伸、重加压、小钳口、低速度”的工艺原则。
主要工艺参数：后区牵伸1.29～1.32倍，前罗拉速度174～184r/min，罗拉隔距19mm×30mm，罗拉加压147N/双锭、98N/双锭、137N/双锭，钳口隔距2.5～3.0mm，温湿度：29.5℃、63%。
（6）络筒工序工艺要点：针对聚乳酸纤维弹性较好以及成纱表面毛羽较多的特点，络筒工序在保证成形良好的前提下，采用了较低的络筒速度和较小的张力，以利于减少毛羽，提高纱线的外观质量，并降低筒子的卷装硬度[72]。
络筒采取低速小张力，以减轻对单纱条干CV值、毛羽的恶化程度，同时也可确保筒纱成形良好，减少后工序断头，保证筒纱内在及外观质量良好[75]。
主要工艺参数：络筒线速800m/min，温湿度：27℃、75%。
聚乳酸短纤维纯纺纱质量如表1-24所示。
表1-24 纯聚乳酸纤维纱线产品质量情况[71]
（三）聚乳酸短纤维的混纺
PLA混纱纺线品种较多，可以与棉、毛、麻、天丝、莫代尔等纤维进行混纺。本书仅以聚乳酸纤维和棉纤维混纺为例，对混纱纺线工艺流程进行介绍。
聚乳酸纤维与棉混纺[73]：PLA/JC（60/40），14.7tex；PLA/JC（60/40），9.8tex。
（1）原料选用。
聚乳酸纤维：长度38mm，线密度1.5dtex，强力3.9cN，回潮率0.5%，色泽精白，其弹性中上，含油程度一般。
棉纤维：精梳棉。
（2）工艺流程。
JC：清钢联DK760→预并FA302→条卷E5/3→精梳E7/6
PLA：A002抓棉机→A006混棉机→A036C开棉机→A092棉箱→A076C成卷机→梳棉1181C→预并FA302→头并FA302（与精梳棉条混合）→二并FA311→三并FA311→粗纱A454G→细纱FA506→自动络筒MCN0-2
（1）并条工序工艺要点：并条工序是提高纺纱质量的关键工序。因两种纤维长度差异较大，隔距应合理控制。聚乳酸纤维回潮率低，易起静电，纤维蓬松，因此张力控制要适当，喇叭口大小要适当，以能够提高条子抱合力并且减少条子的不必要意外牵伸为宜，要保证在牵伸过程中对纤维的有效控制，以提高条干均匀度。宜采用“重加压、中定量、低速度”的工艺原则。车速应偏低掌握，通道要光洁，保持绒板的运转良好，减少压力棒的短绒积聚，做好纱疵的控制工作[75]。
工艺参数：前罗拉线速150m/min，喇叭口3.0mm，棉条干重15.0g/5m，罗拉隔距13mm×15mm，温湿度：25℃、60%。
（2）粗纱工序工艺要点：为防止意外牵伸而带来的条干恶化，在粗纱工序采用“大隔距，重加压”的工艺原则，同时适当加大粗纱的捻系数，这样既可保证粗纱成形与细纱退绕时不至于产生意外牵伸，又有利于细纱后区牵伸中纤维的控制。但要注意避免细纱出“硬头”现象。隔距的选择应考虑到原料性质和纤维长度、纺纱线密度、牵伸倍数等参数，聚乳酸纤维纯纺纱与棉混纺品种采用了22.5/35mm的隔距。适当降低粗纱前罗拉速度，注意大、中、小张力及断头的逐步调整，张力偏小掌握，以减少粗纱飘头、防止粗纱意外牵伸为原则。
粗纱工序主要工艺参数：粗纱定量为3.6～4.2g/10m，后区牵伸为1.30倍，主牵伸为7.7～8.1倍，牵伸区隔距与棉混纱为22.5/30，粗纱捻系数68～70，温湿度：25℃、63%。
（3）细纱工序工艺要点：常用的牵伸倍数在1.25倍左右，由于聚乳酸纤维纱存在良好的弹性和弹性回复性，在设计牵伸倍数时还应该考虑到其回缩，根据实际经验在设计时略大5～15掌握。适当放大后牵伸倍数，以便降低牵伸力，减小牵伸力的波动，利于减少出硬头，但后牵伸倍数过大对条干的均匀度有影响，即较小的后区牵伸隔距可提高纱线的均匀度。隔距的选择应考虑到原料性质和纤维长度、纺纱线密度、牵伸倍数等参数。适当降低前罗拉速度，注意大、中、小气圈及断头的逐步调整，以减少细纱断头为原则。另外由于聚乳酸纤维熔点低，防止纺纱时速度过高导致钢领与钢丝圈温度过高。根据纱的最终用途选择不同的捻系数，纺低支纱时捻系数适当降低，纺高支纱时捻系数适当提高。
细纱工序主要工艺参数：总牵伸28.57倍，后牵伸1.25倍，捻系数330～336，前罗拉转速130r/min，罗拉隔距18mm×24mm，钳口隔距块2.5mm，温湿度：29.5℃、63%。
聚乳酸纤维混纱纺与其他纱线的成品质量数据对比见表1-25。
表1-25 聚乳酸纤维混纱纺与其他纱线的质量对比[76]
聚乳酸纤维与绵混纺纱线的成品质量数据见表1-26。
表1-26 PLA/棉纱线产品质量情况[53]
（四）聚乳酸纤维的新型纺纱技术
自20世纪60年代开始，出现了多种新型纺纱方法，如转杯纺、喷气纺、静电纺、摩擦纺等。新型纺纱技术突破了传统环锭纺纱方法的加捻卷绕方式，有的还在纤维牵伸、凝聚、排列等方面实现了大的突破，也由此使得新型纺纱技术共同具有产量高、卷装大、纺纱工艺流程短等特点。新型纺纱方法的纺纱原理、生产效率、产品质量、纱线结构以及织物风格等均与环锭纺纱方法有很大的区别[77]。与传统的环锭纺相比，新型纺纱方法具有以下特点[78]。
（1）工序短：新型纺纱如转杯纺、喷气纺、摩擦纺等都采用条子喂入纺纱，并在纺纱机上直接卷绕成筒，省略了粗纱与络筒两道工序。
（2）效率高：由于新型纺纱多数为自由端纺纱，依靠高速回转气流或喷嘴直接成纱，取消了环锭纺纱中钢领、锭子等加捻卷绕部件对纺纱速度提高的束缚，故纺纱速度均高于环锭纺纱。
（3）质量优：各新型纺纱方法的成纱条干均优于环锭纱；成纱直径更粗，染色性较好；成纱强力低于环锭纱，但强力不匀率比环锭纱好；纱线毛羽少；耐磨性更好；抗起球性更好。
（4）用工省：由于新型纺纱方法缩短了工序流程，减少了机台配置，提高了装备自动化程度，不但改善了工人劳动强度，而且减少了用工。
（5）成本降低：采用新型纺纱技术后，在相同的产量下，因设备配台减少，厂房面积节约，从而可降低纺纱成本。
转杯纺又称气流纺，是目前使用最多的一种新型纺纱方法，其发展趋势是提高速度、改善排杂效果、增加头数和卷装、提高自动化程度。与其他新型纺纱方法相比较而言，其技术最成熟、发展速度最快。
转杯纺纱机主要有自排风和抽气式两种形式。转杯纺属于自由端纺纱，其纺纱原理是棉条经分梳辊梳理成单纤维状态，在气流负压及高速转杯的作用下凝聚并加捻成纱。由于纺纱机理不同，转杯纱与环锭纱结构有显著的差异。环锭纱没有纱芯，纤维在纱中大多呈螺旋状排列。转杯纱由芯纱与外包纤维两部分组成，内层的纱芯比较紧密，外层的包缠纤维结构松散。内层圆锥型和圆柱型螺旋线纤维比环锭纺少，而弯钩、对折、打圈、缠绕纤维比环锭纺多得多。与同线密度环锭纱相比，强力低10%～20%；为提高纺纱强力，捻度配置要高20%～30%，因而成纱手感偏硬，这些都在较大程度上限制了转杯纱的应用。然而转杯纺成纱强力不匀率较低，对提高织机效率有利；条干CV值能够降低1～2个百分点，纱疵数只有环锭纱的1/3～1/4，耐磨性提高10%～15%，蓬松度高出10%～15%，弹性好、伸长大、染色性能好，形成了转杯纱独特的性能优势[77]。
喷气涡流纺原理[80]：经牵伸单元牵伸后的纱条在纺纱喷嘴轴向气流的牵引作用下，通过螺旋曲面的引导作用到达针固定器上的导纱针，并沿此下滑，纤维头端进入喷气涡流纱尾中心。脱离前罗拉钳口后并倒伏在纺锭表面的纤维尾端在旋转气流的作用下对内层平行芯纤维束缠绕加捻，形成喷气涡流纱，纱体结构呈现中心部分为无捻或弱捻的芯纤维，外层为螺旋状加捻纤维。
以开发14.7tex 55/45麻赛尔与玉米纤维MVS混纺纱为例[79]，分析研究影响成纱性能的主要工艺参数有纺纱速度v，前罗拉钳口至纺锭距离L，喷嘴压力p，纺锭内径Φ及喷嘴型号等。主要以纱线强力、断裂伸长率、条干不匀及耐磨性为评价指标对工艺进行优化。研究结果表明：v为280m/min、L为20mm、p为0.55MPa、Φ为1.1mm，采用四孔喷嘴纺纱得到的14.7tex 55/45麻赛尔与玉米纤维MVS混纺纱断裂强力大，条干好，耐磨性优良。
四、聚乳酸纤维的染整加工
（一）染色原理
聚乳酸纤维内有较多的酯基和甲基，没有亲水性的极性基团和反应性基团，属疏水性纤维，目前主要采用非离子型疏水分散染料进行染色。聚乳酸纤维具有很高的结晶度时，分子结构比较紧密，应选择扩散性能好、分散稳定且分子呈直线型和共面性较强的分散染料，此类染料透染性和匀染性较佳，染色过程通过染料分子在纤维表面聚集，染料分子由纤维表面向内部扩散，符合自由体积模型扩散[80]。高温高压染色时，为了使染料有良好的分散稳定性、匀染性，需添加适量的耐高温分散剂、匀染剂。聚乳酸纤维的染色对温度比较敏感[81]，该染色过程与涤纶染色过程类似。
聚乳酸纤维染色过程分四个阶段：
（1）流动的染液把染料输送到纤维表面扩散边界层。
（2）扩散边界层中存在染料浓度梯度，染料从扩散边界层扩散到达纤维表面。
（3）到达纤维表面附近的染料立刻被纤维表面吸附。
（4）在纤维内外染料浓度梯度推动下，纤维表面的染料再扩散到内部，最后内外平衡，完成上染过程。上染过程如图1-16所示。
图1-16 一般疏水性染料染色过程
上述上染过程对常用染料都是适用的，但不同染料性质不同，其上染性能也不同。非离子型分散染料，溶解度低，染料在染液中分散剂的作用下形成稳定的悬浮液，此时染料以单分子、结晶状态和胶团状态存在，这三种状态保持平衡，在聚乳酸纤维染色时，既有单分子上染，也有染料胶团同时上染的可能。
（二）聚乳酸纤维织物的前处理
工业生产中织物前处理通用方法一直是碱性煮练工艺。由于聚酯类纤维不耐高温强碱，所以只能采用低温弱碱的条件。常用的退浆方法较多，有酶、碱、酸和氧化剂退浆等。退浆后，必须即时用热水洗净，因为淀粉的分解产物等杂质会重新凝结在织物上，严重妨碍以后的加工过程。在前处理练漂中，练漂质量取决于润湿渗透效果。所以，除煮练剂和氧化剂双氧水外，还要加入渗透剂。在漂白过程中，为了提高漂白效果，同时为了使漂白液稳定，一般需加入稳定剂（如硅酸钠）。另外还有乳化剂（肥皂、合成洗涤剂等）、匀染剂等。PLA/棉/Polynosic/竹纤维混纺织物在织造中以变性淀粉浆为主，并含有PVA或少量聚丙烯酸酯等化学浆料。
聚乳酸纤维的熔点为160～175℃，比聚酯（265℃）和锦纶6（215℃）低得多，前处理时应该严格控制加工温度，不宜超过100℃。聚乳酸属于脂肪类聚酯，纤维本身柔顺性较好，无须进行碱减量加工，在55℃以上的碱性条件下容易水解。由于目前许多织造厂家采用淀粉和PVA复合浆料对聚乳酸交织物或混纺织物浆纱处理，所以有时仍需进行适量的碱处理，以保证织物退浆和煮练效果。碱处理时要考虑织物的失重和收缩，根据聚乳酸纤维和织物组织特点，结合实际生产设备状况，可采用低碱、低温（＜70℃）的前处理工艺。室温条件下，25g/L的NaOH可使聚乳酸纤维溶解；在12g/L的NaOH条件下沸煮15min可使聚乳酸织物严重降强。实际生产表明，对于聚乳酸纤维与棉交织物在95℃时用10g/L的NaOH进行前处理，效果可以达到要求，有采用生物酶法前处理，避免浓碱损伤聚乳酸纤维的相关研究及应用实例[85，86]。
（三）聚乳酸纤维的染色工艺
纯聚乳酸纤维织物性能类似于涤纶织物，但由于聚乳酸纤维比涤纶强度低，且耐碱性差，纤维对于染色温度比较敏感，适宜的PLA纤维及其混纺织物染色温度为70℃左右，染浴温度达到80℃后要控制升温速度（1℃/min），染色在110～120℃之间保温一段时间后，上染趋于平缓，继续延长保温时间对上染率影响不大，染中浅色时保温时间在30～40min为宜。染色温度不要过高，温度超过130℃对纤维有损伤，以115～120℃为宜，可达到较好的上色率及匀染效果。
杨栋梁[82]综述了用偶氮染料和蒽醌染料按照1/1标准浓度染色PLA织物性能，其染色及光褪色机理与涤纶近似，但褪色速度比涤纶较快，耐晒牢度也要相差1～2级。建议PLA纤维染色应选用高浓度、高耐晒牢度的中温型分散染料。杨文芳[83]等用四种类型的分散染料对PLA纤维染色，通过对染色速率和各项色牢度进行研究分析表明，选用S型分散染料得色浅，E型、SE型分散染料和醋酸纤维专用染料染PLA纤维能够获得深色，并指出还原清洗对提高染料的耐皂洗色牢度和耐干熨烫色牢度有利。胡玲玲[84]等在不同pH、温度和时间条件下，选用不同分散染料对PLA纤维染色，研究结果表明，当pH为5，浴比为1/20时，在110℃染色30～40min后，PLA纤维可以获得稳定的染色效果，为了保证皂洗沾色牢度，需小心控制还原清洗条件，否则会造成色相和色深明显变化。为了获得高上染率和较好的染色牢度，一般用高温高压染色法染PLA纤维及其混纺面料；为了提高分散染料的上色率和染色过程稳定性，在一定浴比条件下加入耐高温分散剂或促染剂[85]；为了获得色光及匀染性好的染色效果，在染色过程中会加入匀染剂。
PLA纤维及面料染色工艺技术条件为：使用醋酸/醋酸钠缓冲溶液调配染浴pH为4～5，染浴从40℃时加入染色助剂、染料及试样，浴比在1:10左右，染料染色深度1%～3%根据色深要求配置。控制高温高压染样机程序升温，染液以2～3℃/min的升温速度升温至70℃，然后再以1～2℃/min的升温速度升温至100～115℃，保温染色20～30min。染色保温后，以2℃/min的降温速度降温至50℃，然后排液，对已染色PLA纤维及面料进行还原清洗、水洗。还原清洗时，一般保险粉用量为2g/L，还原清洗温度为60～65℃[87]。推荐的PLA纤维及面料染色工艺曲线见图1-17。
聚乳酸纤维织物染色问题主要在染料上色率低，染色后纤维力学性能保持性较差，采用浸染的方式很难将PLA纤维染得深色。因为它的折射系数并不高，以致染得的服装浅色多，深色少，颜色鲜艳亮丽的更少；纤维染色中的两个主要自身障碍是纤维低熔点和遇碱降解性问题。染色过程中，易受温度、酸度、各种助剂以及染料结构和粒度等因素的影响[87]。
图1-17 聚乳酸纤维及面料染色工艺曲线图
（四）聚乳酸纤维及面料染色主要影响因素
纯聚乳酸纤维入染温度以70℃左右为宜，80℃后要控制升温速度（1℃/min），以达到较好的匀染效果。染色于100～110℃后上染趋于平缓，保温时间对上染率影响不大，中浅色保温时间一般以30～40min为宜。染色温度不宜太高，温度超过130℃对纤维有损伤，以110℃最为适宜。PET纤维随染色温度的上升，上染率增加很快，而聚乳酸纤维随着染色温度的提高，上染率增加较为缓慢，而且上染率的增加并不随染色时间的延长而上升，一旦出现色差或染花现象很难通过染色时间的延长来纠正，所以，在实际染色过程中，须严格控制染色温度及时间。
分散染料染聚乳酸纤维受浴比影响不大，从经济效益和设备适应性，以及节能减排考虑，浴比通常为1:8～1:20。聚乳酸纤维织物在酸性浴和碱性浴中染色时，纤维均会发生明显的水解损伤，纤维的强力和延伸性均会降低；同时酸碱度对染料的影响有时也较大，聚乳酸纤维耐一定酸性，但耐碱性较差。
（五）聚乳酸纤维染色面料的后整理及其对性能的影响
聚乳酸纤维及面料在后整理过程容易水解，从而使强力降低，同时因整理过程受热也会造成纤维上已上染的染料流失，因此，需注意染色后面料要还原清洗。碱剂种类对还原清洗效果有较大影响，由聚乳酸分解生成的乳酸会使还原液的碱度迅速降低，成为还原清洗不稳定的因素。例如聚乳酸织物在质量浓度为1g/L的碳酸氢钠溶液中于60℃处理15min后，处理液的pH也会降至5.0以下。综合考虑，适宜的清洗条件是（60～65℃）×15min，清洗液的组成为纯碱、保险粉和非离子表面活性剂。随着聚乳酸纤维的广泛应用，其部分性能还不能完全满足实际应用要求，需对其进行功能性及定型整理加工。
聚乳酸纤维面料具有一定抗菌性，通过对其抗菌性能研究，主要是利用聚乳酸纤维可生物降解，对抗菌药物的缓释性，并且缓释性大小可以通过控制聚乳酸的相对分子质量的方式来控制纤维降解率。近年来，包含银纳米颗粒的静电纺微纤维的抗菌性研究取得了较好的效果。它的作用原理是在静电纺丝时，在纺丝溶液中加入一定量的AgNO3，利用聚乳酸纤维的降解和随后的氢还原作用生成纳米级活性银颗粒（粒径在30nm左右），从而使织物具有抗菌性。聚乳酸纤维的缓释银离子对葡萄球菌和埃希氏属菌的抗菌率分别达到了98.5%和94.2%。
聚乳酸纤维受日光照射影响较小，日光照射后纤维的强度损失明显小于涤纶，这是因为聚乳酸纤维对紫外线的吸收率低，对紫外线的透射率高，而纤维吸收的紫外线越多越容易降解损伤。为了减少紫外线对人体的危害，有必要对聚乳酸纤维的夏季服饰面料进行抗紫外线整理。整理方法通常是在不损伤或较轻损伤纤维的情况下，浸渍紫外线吸收剂，以减少紫外线的透过率。有人采用苯并噻唑型紫外线吸收剂整理聚乳酸织物，其抗紫外线效果显著，并且具有良好的耐久性。
聚乳酸纤维本身具有一定的阻燃性，具有自灭火性好、发烟量低、不产生有毒气体等性质，适合于制作窗帘等家用纺织品，但还不能完全满足公共场所使用纺织品的阻燃性能要求，需要进行阻燃整理。将溴系及磷系阻燃剂应用于聚乳酸织物，并对整理前后聚乳酸的性能变化进行探讨，用磷酸三苯酯（TPP）等磷系阻燃剂对聚乳酸织物进行阻燃处理，吸收量较高，具有比较显著的阻燃效果，但处理后织物强力稍有下降。有报道称，日本生产商尤尼吉卡不使用任何阻燃剂，而是利用聚乳酸纤维自身的阻燃性已成功开发出具有一定阻燃性能的聚乳酸新产品（纤维和非织造布的极限氧指数为28%～30%），并已获生产许可，产品主要用于床上用品和衬里的填充材料，并推广到汽车内饰等应用领域。
聚乳酸纤维面料在整理加工过程易于变形，作为商品进行功能性整理，或直接作为商品销售均需要定形整理，满足商品化实际应用要求。整理过程如温度高或工艺条件变化，可能使面料变硬变脆，发生降解或泛黄，失去商品性能，因此，后加工及定形过程需要确定严格的工艺技术条件，防止面料变质，防止面料变质主要是防止高温或局部过热，当使用传统涤纶定形设备时应对原设备进行认真改造，避免局部高温过热造成面料损害。
（六）聚乳酸混纺织物染色
聚乳酸纤维/棉（PLA/C）织物性能类似于涤/棉织物，但由于聚乳酸纤维比涤纶强度低，且耐碱性差，不是所有适合涤/棉织物染色的分散染料及染色工艺均适合PLA/棉织物染色。该纤维对于染色温度比较敏感，PLA纤维及其混纺织物比涤/棉织物染色温度要低，染浴温度达到80℃后要控制升温速度（1℃/min），染色在110～120℃之间保温一段时间后，上染趋于平缓，继续延长保温时间对上染率影响不大，染中浅色时保温时间在30～40min为宜。染色温度不要过高，以115～120℃为宜，可达到较好的上色率及匀染效果。参照涤/棉织物传统两步两浴法染色，聚乳酸/棉织物染色大部分仍需采用两步两浴法。分散染料在弱酸性条件下首先高温高压上染混纺织物中的聚乳酸纤维，清洗后在第二染浴弱碱性条件下用活性染料染混纺织物中的棉纤维，两步两浴染色流程如图1-18所示。
图1-18 两步两浴法染色流程示意图
两步两浴法染色工艺成熟，但因耗水耗能大，加工时间长，经济效益低，对环境排放废水量大，虽然很多企业现在采用这种工艺，但因成本和生态环保的压力影响，未来适合聚乳酸混纺织物“一浴一步”的染色新工艺及染料将得到快速发展。目前，已开发了一浴两步法和一浴一步法染色新工艺技术[88]。由于近年来国家在节能减排、环境保护方面的强制性推广，涤/棉织物染色一浴两步或一浴一步法研究报道较多[89]。
聚乳酸纤维玻璃化温度低，结构致密，结晶度较低，虽升高染色温度有利于提高分散染料对涤纶的上染及染色牢度。但高温染色时聚乳酸纤维会受到损伤，影响织物的手感及物理性能。因此，棉/聚乳酸织物采用两浴法，染色温度降至105～125℃。随着涤/棉织物染色研究向小浴比、低污染、低能耗及一浴一步法新技术发展，免保险粉及还原清洗新技术、棉织物少盐染色在混纺织物染色研究方面也成为染整科技工作者努力的方向。
一浴法染色与两浴法染色分散染料对聚乳酸纤维、活性染料染棉纤维的无论是一浴法染色还是两浴法染色，其染色机理相同，要求在染两种纤维前后必须进行净洗，以保证良好的上染率和固色牢度。
一浴两步法染色工艺比两浴法染色少了还原清洗，对分散染料提出了要求，要求染料对织物沾色必须容易清洗，并且在活性染料固色的热碱性条件下浮色容易被洗掉，且对盐的稳定性好，在染色过程中不会发生凝聚、沉淀，对棉的沾污少。一浴法工艺要求活性染料在高温高压下或热熔条件下稳定性好，与分散染料及染色助剂具有良好相容性。Sumitomo化学公司在20世纪90年代提出一浴两步法（RPD Surpra）的派生方法。该工艺提出，初始碱性染液中加入某些可以水解的酯，由于酯水解作用引起温度的略微升高并使pH下降，使染浴在碱性条件以及温度一直到80～90℃时，活性染料能够对棉纤维上染。
日本大和化学的Triden法以及日本化药的Kayacelon E/Kayacelon React法[90]被借鉴引入PLA/棉织物染色，获得良好效果，该类染料分子结构中吡啶阳离子为强吸电子性，使均三嗪环上的电子云密度大大降低，染料的反应性增强，可在中性条件下与纤维素纤维发生反应。因此这类染料可以与分散染料同浴，可实现一浴一步法对涤/棉织物和纤维同时进行染色。随着新型染料和助剂品种的不断开发及应用，国内对涤/棉织物一浴一步法染色技术研究文献多有报道，但仅限于染中浅色，对于PLA纤维/棉织物染深色还是一个具有挑战性的技术问题。
国内染色科技工作者对PLA/棉一浴一步法染色工艺技术进行了系统研究。宋新远教授[91]研究提出PLA纤维的多组分纺织品一浴染色时，要注意湿热处理条件，pH越高，湿热处理后纤维力学性能下降越严重。在130℃染色60min，虽然得色很深，但机械强力几乎完全损失；在110℃处理60min，强力损失也达30%左右，通常染色温度不应高于120℃，PLA纤维在pH为5左右最稳定。由于耐碱性很差，所以PLA纤维的多组分纺织品一浴法染色适合弱酸性或中性一浴法染色加工，不适合通常的碱性高温浴染色，染色后的水洗温度也不能过高，也不适合用碱性皂洗液水洗。
一浴一步法染聚乳酸纤维及面料，染液中有活性染料、分散染料、pH缓冲试剂、无机盐等，染液pH在7左右。染色时，始染温度为40℃，染色10min后，将染液逐渐升温至100℃，在110～120℃染色，保温染色30min。可解决PLA纤维混纺织物不耐碱，在中性条件染色的要求。染色后进行水洗、皂洗、水洗等后处理。染浓色时，为提高染色产品的湿处理牢度，可采用聚酰胺类或季铵盐类固色剂进行固色处理。英国ICI公司的Procion T型活性染料、国产P型活性染料等属于膦酸基型活性染料。在氰胺或双氰胺的催化作用下，这些染料可在高温、弱酸性条件下与纤维素纤维发生反应，固着在纤维上。
刘昌龄[92]等研究一氯均三嗪型活性染料（国产K型染料）能在受热条件下与烟酸钠迅速发生反应，在K型活性染料染浴中加入烟酸钠，然后在一定温度下使之成为一羧基吡啶基活性染料，而达到中性固色的目的，反应式如下所示：
从以上反应式中可以看出，在染色过程中烟酸钠并没有参加反应，只是起到催化的作用，由于K型活性染料品种很多，所以根据以上反应原理，染料的选择比较方便。在加烟酸钠的基础上还向染液中加入双氰胺以提高固色率。这种方法可以使活性染料获得和碱性工艺相当的固色率，在中性条件下染色，基本解决了棉织物碱性高温条件下泛黄的问题，鲜艳度有明显的改善。该类型染料有可能成为聚乳酸纤维混纺织物在中性或弱碱性“一浴染色”高上染率染料。但是烟酸钠成本比较高，其循环使用有待进一步研究。
聚乳酸混纺织物也可采用一浴两步法染色工艺，染色工艺流程如图1-19所示。
图1-19 一浴两步法染色工艺流程
由图1-19工艺流程示意图可以看出，聚乳酸混纺织物一浴两步法比两浴法染色少了还原清洗一步，这样就对分散染料提出了要求，要求对盐的稳定性好，不发生凝聚、沉淀，对棉的沾污少。一浴两步法染色比两浴法工艺步骤缩短，节约工时，并且节水、节能。但目前筛选染料有局限性，需要聚乳酸混纺织物一浴染色专用染料及应用技术创新，该工艺一般条件下只能染得中浅色织物，很难染得深色织物。
近年来，在耐碱性分散染料对聚乳酸混纺织物同浴染色方面已有染料及应用技术报道，未来有望实现聚乳酸混纺织物一浴一步或同浴混纺织物直接染色。