采用化学回收的纺织废料和反应挤出改性的生物聚合物制备纱线

在过去的几十年中，伴随着原油价格的不确定性和石油资源的即将枯竭，由石油基聚合物引起的负面环境影响一直是人们关注的主要问题。合成聚合物材料旨在满足终端消费产品的不同需求，对于现代生活和全球经济而言至关重要。据估计，1950—2015年全球8个工业部门生产了83亿t纯石油基聚合物，用于树脂、纤维和添加剂的制造。目前纺织行业生产、分配和应用的工业系统几乎是以完全线性的方式运行，这是一种不可持续的聚合物废料产生和处置模式(图1)。

目前，合成聚合物主要以石油资源为基础，而石油资源正因能源需求的增加而迅速枯竭。因此，一个迫在眉睫的挑战是用可再生资源衍生的聚合物逐步取代石油基聚合物。此外，绝大多数合成聚合物的设计初衷是达到一定的性能和耐用性，而不是为具有降解性和可回收性而设计，这导致过去几十年里废弃聚合物量的巨大增长。事实上，在2015年底前产生的近63亿t塑料废弃物中，有12%被焚烧、9%被回收、79%被收集在垃圾填埋场或丢弃在自然环境中(图2)。正是因为这个原因，目前由废弃塑料的大量堆积而引起的污染问题是人类社会必须解决的最为重要的问题之一。

图2 1950—2015年全球聚合物树脂、合成纤维和添加剂的生产、使用和最终去向(数据单位：亿t)

为了减少废弃物堆积引起的环境污染，并遵循循环经济原则，采用两种不同的方法开发可持续性功能纱线(图3)。

图3 Biorex项目概览

1 使用天然聚合物

第一种方法是使用天然聚合物来取代传统的合成聚合物。为此，采用反应性挤出工艺，通过共价结合功能分子和(或)纳米粒子，对可生物降解的聚合物基体进行化学改性，从而改善其力学性能、热性能和功能特性。

在Biorex项目中，研究了可生物降解的聚合物如聚乳酸(PLA)、聚羟基丁酸酯(PHB)、聚丁二酸丁二醇酯(PBS)及其共混物。在取得的成果中，最为突出的成果如下：

——通过多孔熔融纺丝制得PHB纤维，其强度约为0.167 cN/tex。

——采用PBS/PHB共混物通过单孔熔融纺丝制备PBS/PHB单丝，该生物可降解性单丝的力学性能在农业纺织品市场上具有较高的竞争力。

——通过单孔熔融纺丝获得了相比于原PLA具有改善的力学性能和疏水性能的PLA扁平带。方法是，通过反应挤出工艺对PLA聚合物基体进行化学改性，功能分子(烷氧基硅烷)以共价形式结合到聚合物主链上，从而为PLA提供稳定的力学性能和不可逆的疏水性能。

2 化学回收

第二种方法是在纺织废料生命周期结束时对其进行化学回收，以获得原始聚合物。具体而言，聚酯(PET)基纺织纤维是纺织行业中最重要的合成纤维之一，其化学回收是通过解聚进行的。解聚过程将聚合物裂解成其原始的单体，然后对这些单体进行纯化，用于随后的聚合反应，以制备纯PET(图4)。根据解聚阶段使用的溶剂，该过程被命名为糖酵解(乙二醇)、水解(水)、甲醇裂解(甲醇)、胺解(胺)或氨解(氨)。

图4 PET解聚-聚合反应示意图

基于糖酵解的解聚是文献报道中发展最迅速的策略之一，因此在Biorex项目中对这种方法进行了研究。目前针对PET糖酵解开展的研究已有很多，这种方法具有如下优势：简单灵活、投资成本低、反应条件较温和、溶剂挥发性低，并且可以轻松应用于传统的聚酯生产工厂。

在Biorex项目中，糖酵解过程的产率取决于催化剂的用量，以及废弃物的纯度、组成和来源(消费前或消费后)。

刘甜梦 译 于俊荣 校