功能性聚酯纤维的产业化发展

2013-04-08王安华

石油化工技术与经济 2013年3期

王安华

( 石油化工管理干部学院，北京100012)

2012 年世界聚酯纤维产量达到53.2 Mt，其中长丝为33.6 Mt，短纤维为19.6 Mt。中国聚酯纤维产量约为37.56 Mt(不包括中国台湾省的产量)，占世界总量的70%以上。

功能性纤维是高科技纤维中发展领域最宽、用途甚广的品种，欧美、日本等发达地区和国家的相关技术发展很快，目前日本的功能性纺织品已占其纺织品总量的70% 以上;其次为欧洲，占55%以上;美国为45%以上。日本和欧美国家在服装纺织品、医药卫生以及高新技术领域的功能性纤维的研发均处于领先地位。

上世纪90 年代以来，中国对于包括功能性聚酯纤维纺织品在内的功能性纺织品的研究和应用持续高涨，目前中国功能性聚酯纤维的总产量为全球第一，产业化主要集中在染色改性纤维、阻燃纤维、抗静电纤维、远红外纤维、防紫外线纤维及抗菌除臭纤维等。聚酯合成技术的发展和制造成本的降低，带动了纺丝技术的多项革命性进展，使功能性聚酯纤维的应用领域从服装拓展到包括非织造布在内的产业用纺织品领域。

1 功能性聚酯纤维产业化产品

1.1 染色改性纤维［1-2］

在过去的3 年内，中国直接纺阳离子可染长、短丝大规模工业化取得成功，常温常压阳离子可染纤维在染整工序中使用相对分散染料，可降低能耗20%以上，同时减少污染排放30%。目前该技术已经在浙江桐昆化纤集团股份有限公司实现产业化，产能超过10 Mt/a。

采用生物法合成的多元醇取代传统的石油加工产品乙二醇单体(MEG)来合成聚对苯二甲酸多元醇酯，生产出的聚酯纤维在染色性能和手感等方面优于普通聚酯纤维，并可减少染料和减少染整能耗10%。同样，用生物法合成的1，3 -丙二醇(PDO)来生产的新型聚酯聚对苯二甲酸丙二醇酯(PTT)纤维，其染色性能也值得关注。

传统的观念上，本体染色工艺给人的印象始终是切片纺、小批量、高成本。近几年来，聚合在线添加染色技术得到很好的应用。原德国吉玛、原瑞士Inventa-Fisher 等公司开发的在线添加功能助剂的改性技术为功能性纤维的低成本、高效率生产提供了有效的技术支持，其关键在于无机添加剂的分散技术和在线混合技术。

从2000 年起，欧美和日本开发了改善纤维和织物外观的“聚酯仿棉流行面料”产品，主要技术特点是采用高浓度的二氧化钛(TiO2)母粒进行共混纺丝，可以得到外观优美、感觉舒适、稳定性好、易于洗护的功能性面料。近期，国内已经大规模采用直接纺丝的方法生产全消光民用丝，相对切片纺工艺，能耗降低30%。

1.2 阻燃纤维［3-5］

阻燃纤维按生产工艺过程分类有5 种:在酯交换或缩聚阶段加入反应型阻燃单体进行共聚;在熔融纺丝前在熔体中加入添加型阻燃剂;普通聚酯与含有阻燃成分的聚酯进行复合纺丝;在聚酯纤维或织物上与反应型阻燃剂进行接枝共聚;对聚酯纤维织物进行阻燃后处理。相对其他方法，聚合过程中进行阻燃改性的方法其阻燃效果最好，也最环保，可大大减少纺织品染整过程的含磷废水排放和减少染整的能耗。中国石化上海石油化工股份有限公司(以下简称上海石化)已在连续化生产装置上批量生产长丝、短纤维、膨化变形长丝(BCF)和工业丝用磷系阻燃聚酯。

1.3 吸湿排汗纤维

工业化生产时，纤维主要通过物理改性得到吸湿快干的功能。因纤维具有高比表面积和沟槽截面，利用这些沟槽，织造时纤维和纤维之间能形成通道，通过这些沟槽的芯吸效应达到吸湿快干的功效。此外，采用超细化手段(例如制成0.55 dtex 的短纤维)也能获得吸湿排汗的功能。亲水性的化学改性法主要是用一定相对分子质量的聚乙二醇(PEG)进行共聚，使纤维表面具备永久的亲水性，同时也在一定程度上具有抗静电性。以上海石化为例，在以往开发异形截面吸湿排汗聚酯短丝的基础上，又成功开发了具有永久亲水功能的纺丝级共聚酯。其纤维产品与非改性纤维相比，同样比表面积的纤维或其纺织物在几乎相同的染整条件下，亲水性能增加1 ～1.5 倍。

1.4 产业用功能纤维［6］

浙江古纤道新材料股份有限公司已经成功开发并投入产业化运行的液相增黏直接纺工业丝技术，相对于固相增黏技术可降低纺丝能耗30%，使高强高模低收缩工业丝的加工成本进一步降低，产品市场竞争力进一步加强。

荷兰欧洲纤维公司和日本帝人株式会社已成功将聚萘二甲酸乙二醇酯(PEN)工业丝应用于高档汽车轮胎行业，该类纤维具备更强的抗蠕变性能和抗温度骤变性能。

“头脑”又名“八珍汤”，是由黄芪、良姜、羊肉、煨面、羊尾油、藕根、长山药、黄酒等八种食材配制而成。头脑选料讲究，制作精细：羊肉选的是羊腰窝肉，易于煮烂且不腥膻；黄芪选的是质地优良的正北芪。将羊肉切小块，大火煮沸，加上花椒、黄芪、良姜等佐料后，改用小火煮熟后捞出；另将酒糟汁入锅煮沸，加料酒、煨面，煮成面糊汤，再把羊肉块、熟山药、藕片放入碗里，加羊尾油丁，浇上面糊汤便成。此种方法制作出来的头脑，面糊清白，浓黏厚重，喝到嘴里，甜、软、绵、香、热！酒香、药香、肉香，混在一起，一古脑地钻进鼻孔，令人忍不住馋涎滴流，立马抄匙大快朵颐一番！

10 年前上海石化开发成功聚酯超短纤维，应用于纸张增强，能减少木纸浆的用量，其在沥青混凝土道路的应用也取得成效。目前聚酯超短纤维已经在造纸、涂料、橡胶增强、建材增强领域占有一席之地，并还在继续不断开拓应用领域。

1.5 生物基和可降解聚酯纤维［7-9］

聚乳酸(PLA)属于脂肪族聚酯，是以玉米、小麦等淀粉原料经发酵、聚合、纺丝而制成，具有很好的生物降解性，目前美国PLA 产品已经形成年产数十万吨的规模，国内也正在积极开发，形成产业化规模。

聚丁二酸丁二醇酯(PBS)以脂肪族二元酸、二元醇为主要原料，这些原料可通过纤维素、奶业副产物、葡萄糖、果糖等自然界可再生的农副产物经生物发酵途径制得，而采用生物发酵工艺生产的原料，可大幅降低原料成本，从而进一步降低PBS 的成本。尽管这类纤维的常规纺丝技术还需要不断完善，但在熔喷、静电纺丝等领域已经实现了产业化。

1.6 超高性能聚酯纤维［10］

首个具有完全意义上的聚芳酯是由塞拉尼斯(Celanese)于20 世纪80 年代发明的Vectra 聚合物，于20 世纪90 年代开始商业化生产，其纤维产品的商品名为Vectran。本世纪初日本可乐丽集团购买了该类产品的生产经营权，扩大了产能，并成功开拓了应用市场。

Vectran 纤维具有高强度、低吸水性、高耐磨损性等特征，被用于绳索、渔网、包装材料等。另外，通过采用纺前染色实现了产品的色彩多样化，因此也被用在体育用品之类的产品中。美国国家航空航天局(NASA)火星探测车的着陆用气囊、日本提出的“同温层平台”构想中使用的飞艇也都采用了这类纤维。

1.7 其他品种

目前，运动休闲服饰中常用的功能性纤维不仅包括吸湿排汗与瞬间凉感纤维，还包括抗菌防臭、防紫外线和远红外纤维等等。上述纤维通常采用在纺丝过程中添加功能助剂的方法，在功能的永久性和减少环境污染方面取得了很好的效果，而皮芯层复合是赋予聚酯纤维上述功能的最有效的手段，可以进一步降低添加剂的使用成本。

2 功能性聚酯纤维产业化发展趋势

2.1 聚酯熔体改性技术成为发展的主流

与纺织染整赋予纺织品功能性技术相比，随着聚酯技术的快速发展，阻燃功能性、染色功能性和部分改善穿着舒适性的功能纤维，无论在加工成本、加工链整体节能环保和功能性的长期保持性方面都显示出极大的优势。美国、日本及韩国的传统聚酯纤维生产企业自2005 年以来都采用熔体改性的方法批量生产功能性纤维。中国纺织科学研究院聚友化工有限公司已经基本形成了在现有连续化大型聚酯装置上进行功能性聚酯纤维批量生产的成套技术，并在国内大型生产装置上取得良好业绩。

2.2 绿色环保形成共识

目前，降低聚酯纤维以及后加工产业链的整体成本和能耗、减少排放、对聚酯材料进行回收再生和环境友好已成为业界的共识。功能性聚酯纤维产品开发将主要围绕四大目标:一是采用新技术、新工艺降低原料合成和整个加工链的能耗、物耗、污染;二是开发替代石油资源的原料，以提高发展的可持续性;三是从纺织原料的角度对纤维进行改性，以提高纤维的纺织加工性能和环保性能;四是纤维产品的循环利用。

2.3 应用领域快速发展［11-12］

全球产业用纺织品市场需求在2012 年仍保持快速增长，增量最大的是亚洲，特别是中国。服装、产业用品及家用纺织品是纺织业的三大终端产品，其中产业用纺织品是纺织产业中技术层级和附加价值均较高的产品，近年来发展迅速。

随着化纤BCF 技术的发展，在地毯纱和地毯领域，聚对苯二甲酸多元醇酯(PDT)、聚对苯二甲酸乙二酯(PET)、PTT 等的本体着色聚酯将会逐步取代性价比相对较差的聚酰胺(PA)和聚丙烯(PP)。在中国，服装行业产品要求髙、市场竞争激烈，相对而言，产业用纺织品发展空间较大。

高性能纤维应用领域已经从以往的单纯为军事和航天领域逐步转向工业领域。产业用纺织品是发达国家重点发展的纺织品品种，占整体纺织产业的比重日益增加，因此高性能纤维的发展潜力巨大。

2.4 生物资源取代矿物资源［13］

2011 年全球用生物基原料生产的可降解和非降解的高分子聚合物达到1.16 Mt，其中聚酯产品占45%以上，预计2016 年上述高分子聚合物产量可以达到5.78 Mt。

生物基PET 前些年一直是采用生物基MEG，而另一主要原料精对苯二甲酸(PTA)仍来源于石油资源。美国Virent 公司采用“生物成型”(bioforming)技术，玉米、甘蔗等含糖植物通过生物转化生产对二甲苯(PX)，而且试验已经获得成功，正在与拥有专利的化工设备企业合作进行批量生产。

日本东丽工业株式会社于2011 年宣布已经采用美国Gevo 公司异丁醇(isobutanol)生物技术制PX 工艺，并已生产出100%生物基PET 纤维。

荷兰Avantium 公司研究开发了最具革命性的“YXY”技术，其技术核心是将植物资源得到的呋喃糖通过生物转化为2 -5 呋喃羧酸(2，5 -furan di carboxylic，FDCA)，取代传统意义上的对苯二甲酸与MEG 发生酯化并聚合，生成聚呋喃二羧酸乙二醇酯(polyethylene furanoate，PEF)，进行纺丝，得到PEF 纤维已为期不远。

世界范围内生物基二醇和多元醇产能最大的是中国长春大成实业集团有限公司(以下简称长春大成)，其次是美国嘉吉公司(Cargill)。

东华大学、海天轻纺集团、上海石化合作采用长春大成的生物基多元醇成功生产出了PDT 纤维，在提高可纺性、纺织品染色性能和改善织物手感、亲水性等方面比PET 更具竞争优势。

脂肪族原料己二酸、丁二酸2011 年产量为3 Mt，部分用于合成聚酰胺，少部分用于脂肪族可降解聚酯，丁二酸、丁二醇可以合成PBS。目前中国PBS 装置的建设正在加快，部分企业已经实现了产业化。

3 发展建议

(1)功能性聚酯纤维的产业化发展带动了相关产业链的技术研究和创新开发，应继续加大产业链协同合作及市场利益调整，应当兼顾大专院校、研究单位、原料生产企业和最终产品销售单位的利益，维持可持续发展的良好氛围。

(2)功能性聚酯纤维产业化发展最重要的环节是应用市场的开发，在这方面我国与发达国家的差距比较大。建议加大应用技术领域的研发投入，逐步实现主要品种及其制品的商品化和国产化，为迈入世界纤维强国打下坚实基础。

(3)行业标准的制定和规范使用是功能性聚酯纤维产业化发展的助推器。聚酯纤维行业的快速发展，新材料、新工艺的不断涌现，为行业标准的制定带来困难。标准体系建设的滞后也制约着行业的发展，而制定标准的工作是一项既繁杂又细致的工作，尤其是如何体现“功能性”特征值，需要成熟工艺和大量数据的支撑。用标准把关生产过程和产品质量，用标准把关营销，同行业共同遵守标准和规范使用标准，必将推动功能性聚酯纤维产业化的提升和发展。