聚酯纖維母粒的制備及發(fā)展趨勢(shì)

徐毅明

(蘇州寶麗迪材料科技股份有限公司，江蘇 蘇州 215144)

0 引言

聚酯纖維因具有優(yōu)異的物理性能而被廣泛應(yīng)用于服裝、家紡等領(lǐng)域。隨著人們對(duì)環(huán)境問題的關(guān)注度越來越高，聚酯纖維也逐漸朝著綠色、低碳、智能的方向發(fā)展?；w行業(yè)在“十三五”期間，通過發(fā)展綠色制造技術(shù)，提高了行業(yè)的綠色生產(chǎn)水平，圍繞著綠色、低碳、循環(huán)發(fā)展也開展了很多工作。面對(duì)“十四五”新的發(fā)展形勢(shì)，綠色、科技、智能制造將成為行業(yè)發(fā)展的關(guān)鍵詞[1]。

綠色纖維也稱為環(huán)保纖維或環(huán)境友好纖維，通過原液著色生產(chǎn)的聚酯有色纖維和功能纖維也屬于綠色纖維的一種。傳統(tǒng)的有色功能纖維主要是通過后道染整法進(jìn)行制備，不僅耗能高、廢水多，嚴(yán)重污染環(huán)境，且后期使用過程中，色牢度和功能持久性較差。

原液著色技術(shù)是指在紡絲原液中加入著色劑或者功能助劑，從而實(shí)現(xiàn)有色功能纖維的直接紡制，免去后道的染整過程。近年來，我國(guó)原液著色聚酯纖維行業(yè)的發(fā)展迅速。母粒作為原液著色的代表性產(chǎn)品，主要是指將超常量的著色劑(功能助劑)均勻地負(fù)載于載體樹脂中而制備得到的聚集體[2-3]。通過在紡絲過程中添加母粒來制備有色功能纖維，可以從源頭上減少?gòu)U水和COD的排放，不僅能夠突出環(huán)境友好的特征，做到紡織品的安全、健康、無化學(xué)殘留，還可以一次性賦予纖維色彩與功能。同時(shí)，由于原液著色纖維中的著色劑和功能助劑均勻分散在纖維內(nèi)部，可以明顯提高纖維的色牢度和功能持久性[4]。

1 聚酯纖維母粒的制備方法

聚酯纖維用母粒(色母粒/功能母粒)的傳統(tǒng)制備方法(圖1)操作流程簡(jiǎn)單、成本低，且具有較大的市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)優(yōu)勢(shì)，目前國(guó)內(nèi)外大部分的聚酯纖維母粒都是采用該方法生產(chǎn)[5]。隨著時(shí)代發(fā)展，下游市場(chǎng)對(duì)高濃度母粒的需求越來越強(qiáng)烈。用于纖維的著色劑和功能助劑大部分為粒徑較小的粉體，比表面積大易團(tuán)聚，并且堆積密度較小，很難通過傳統(tǒng)制備方法將超高濃度的粉體均勻分散在樹脂中且達(dá)到紡絲要求。

圖1 傳統(tǒng)方法制備聚酯纖維母粒的工藝流程圖

針對(duì)母粒傳統(tǒng)制備方式的不足，未來濕法制備工藝(圖2)也將成為聚酯纖維母粒行業(yè)的發(fā)展趨勢(shì)[5]。濕法制備工藝能夠通過研磨、均質(zhì)等處理手段，在較大程度上提高粉體的分散性能。研磨中通常使用乙二醇作為溶劑介質(zhì)，需要在研磨分散完畢后進(jìn)行溶劑回收，這無形中增加了生產(chǎn)成本，且溶劑殘留對(duì)后續(xù)產(chǎn)品使用也會(huì)有影響。為了響應(yīng)國(guó)家環(huán)保政策，同時(shí)降低生產(chǎn)成本，可以利用水代替乙二醇等溶劑。由于濕法制備工藝流程相對(duì)較為復(fù)雜，因此不具備市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)優(yōu)勢(shì)。通過濕法研磨轉(zhuǎn)相制備聚酯纖維母粒的方式目前還處于實(shí)驗(yàn)室或小規(guī)模生產(chǎn)階段，尚未形成大規(guī)模產(chǎn)量化。

圖2 濕法制備聚酯纖維母粒的工藝流程圖

2 聚酯纖維母粒的發(fā)展現(xiàn)狀

色母粒行業(yè)最早起源于20世紀(jì)50年代，當(dāng)時(shí)產(chǎn)業(yè)分布主要集中在美國(guó)、西歐和日本等國(guó)家和地區(qū)，主要生產(chǎn)企業(yè)有BASF、Hoechst、Hanna、Polyone、Ciba-Geigy等。當(dāng)時(shí)Cabot幾乎壟斷了30%的黑色母粒，而Clariant(其色母粒業(yè)務(wù)于2020年被美國(guó)普利萬收購(gòu)，并更名為Avient)、Hanna等公司壟斷了全球絕大部分的母粒生產(chǎn)與銷售。

我國(guó)色母粒行業(yè)起步較晚，在20世紀(jì)70年代才開始進(jìn)行自主研發(fā)[6]。隨著我國(guó)聚酯行業(yè)，特別是滌綸行業(yè)的高速發(fā)展，中國(guó)占據(jù)了全球約70%的滌綸產(chǎn)量，聚酯纖維母粒的產(chǎn)能需求也隨之增大，且大部分被國(guó)內(nèi)企業(yè)所取代，聚酯纖維母粒也逐漸成為我國(guó)滌綸行業(yè)鏈中的重要組成部分[7]。目前，國(guó)內(nèi)聚酯纖維母粒的生產(chǎn)企業(yè)主要集中于江蘇、浙江、福建、廣東等地區(qū)，其中大規(guī)模生產(chǎn)品種主要有彩色母粒、黑色母粒、消光母粒等[8-9]。而聚酯纖維功能母粒，如抗菌母粒、導(dǎo)電母粒、阻燃母粒等品種，雖然附加值高，但其針對(duì)性較強(qiáng)，普適性低，市場(chǎng)需求量相對(duì)偏低，所以產(chǎn)量規(guī)模一般較小。

2.1 聚酯纖維母粒的配方原料篩選

隨著母粒行業(yè)的發(fā)展，母粒的發(fā)展趨勢(shì)也逐漸趨向于高濃度化方向，這也就對(duì)著色劑的分散提出了更高的要求。經(jīng)過近50年的發(fā)展，聚酯纖維母粒使用的著色劑約90%實(shí)現(xiàn)了國(guó)產(chǎn)化，一方面是因?yàn)閲?guó)外著名顏料生產(chǎn)廠商在國(guó)內(nèi)建立生產(chǎn)基地，如BASF、Lanxess、Clariant(其顏料業(yè)務(wù)于2021年被Heubach和SK Capital收購(gòu))、Cabot、Orion等，另一方面國(guó)內(nèi)顏料生產(chǎn)商通過不斷地提高與改進(jìn)，其產(chǎn)品性能也大大提升，某些品種已經(jīng)能夠替代進(jìn)口產(chǎn)品。但是仍有一些高性能顏料，由于產(chǎn)品合成工藝較為復(fù)雜，國(guó)內(nèi)顏料仍無法滿足使用要求[10]。

母粒中的載體樹脂主要功能是提高著色劑或功能材料與被著色樹脂間的親和力，以達(dá)到更好的分散和混合狀態(tài)?？紤]到載體樹脂與被著色樹脂的相容性，對(duì)于聚酯纖維母粒，載體樹脂通常采用酯類聚合物，如PET、改性PET、PBT等。由于載體樹脂黏度會(huì)影響熔體的流動(dòng)性，可以根據(jù)物料分散能力的不同，針對(duì)性選用特殊黏度的樹脂。

聚酯纖維母粒中的助劑多是指分散劑、流變改性劑等，主要是通過潤(rùn)濕粉體或改善載體樹脂的流動(dòng)性，從而提高著色劑或功能粉體在樹脂中的分散性。對(duì)于聚酯纖維母粒，應(yīng)用最為廣泛的分散劑主要是聚酯蠟、EBS、有機(jī)硅類以及某些丙烯酸接枝改性物。由于著色劑和功能粉體類型的多樣化，可針對(duì)其不同的結(jié)構(gòu)、物化性質(zhì)，根據(jù)實(shí)際加工情況選用其他類型的助劑，如偶聯(lián)劑等。

2.2 聚酯纖維母粒目前存在的問題

(1)原料分散問題。聚酯纖維色母粒中著色劑主要為溶劑型染料和顏料。溶劑型染料大部分分子量較小，耐溫性較差且容易遷移。采用溶劑型染料所紡的色紗，在經(jīng)過后道水洗、定型或者再次染色等處理時(shí)，因溫度較高，往往會(huì)出現(xiàn)嚴(yán)重的褪色、升華、遷移等現(xiàn)象，因此大大限制了其使用范圍。為了改善產(chǎn)品的性能，采用耐溫性能較好的顏料來生產(chǎn)聚酯纖維彩色母粒，這種需求也越來越迫切。與溶劑染料不同的是，雖然顏料的耐溫性能較好，但是著色力相對(duì)較低，大部分顏料是以微小的顆粒狀存在于樹脂中。由于這些顏料的比表面積大，樹脂很難滲透進(jìn)團(tuán)聚起來的顏料顆粒間，這就容易導(dǎo)致母粒中顏料分散不勻、顏料與樹脂界面相容性差等問題。與常規(guī)塑膠母粒不同的是，聚酯纖維母粒的下游用途主要為滌綸紡絲，而一般滌綸細(xì)旦絲的單絲纖度小于1 dpf(PET單絲直徑約10 μm)，且紡絲要求組件更換周期長(zhǎng)，紡絲過程不能出現(xiàn)斷絲等問題，如此嚴(yán)苛的生產(chǎn)要求，就必然對(duì)顏料的分散性提出了更大的挑戰(zhàn)。為了保證母粒的品質(zhì)以及穩(wěn)定性，粉體的分散及其與樹脂的相容性是決定母粒能否用于紡絲的關(guān)鍵。

(2)著色劑的安全問題。除了著色劑的分散是為了達(dá)到順利生產(chǎn)的要求外，著色劑的安全也不容忽視。隨著國(guó)內(nèi)聚酯纖維行業(yè)不斷發(fā)展，市場(chǎng)面向國(guó)際化，每年都有大量的聚酯纖維成品出口到歐盟等地。為了符合歐盟等國(guó)際紡織品安全要求，在選用著色劑時(shí)還要考慮其成分安全問題，根據(jù)出口區(qū)域和應(yīng)用領(lǐng)域不同，可參考生態(tài)紡織品歐盟和中國(guó)的法規(guī)要求。

(3)顏色管理及母粒測(cè)試問題。由于國(guó)內(nèi)色母粒行業(yè)起步較晚且發(fā)展迅速，導(dǎo)致國(guó)內(nèi)聚酯纖維母粒生產(chǎn)企業(yè)規(guī)模相差較大，生產(chǎn)的母粒質(zhì)量也是參差不齊，顏色各有差異。與涂料油墨行業(yè)不同，聚酯纖維及母粒行業(yè)目前沒有統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)色卡來實(shí)現(xiàn)母粒生產(chǎn)企業(yè)和下游紗線生產(chǎn)企業(yè)的有效溝通，行業(yè)內(nèi)尚缺乏顏色的標(biāo)準(zhǔn)化，這就限制了聚酯纖維母粒生產(chǎn)企業(yè)仍然只能通過“來樣定制”的傳統(tǒng)模式進(jìn)行配色。這種傳統(tǒng)的配色模式，由于沒有統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)色卡，客戶每次來樣不可避免會(huì)存在些許的顏色偏差，導(dǎo)致配色過程中衍生色越來越多，不僅效率低下，且人力、物力等資源成本高?；谶@種現(xiàn)狀，寶麗迪耗時(shí)三年制作了“寶麗迪通用色卡”，其中包括近2 000個(gè)顏色，以供客戶選用。

聚酯纖維色母粒行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)已于2021年正式頒布，由于頒布時(shí)間短，所以一系列母粒性能的檢測(cè)尚未普及到各大檢測(cè)機(jī)構(gòu)。如行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的聚酯纖維母粒的過濾值(FPV)測(cè)試，目前就該測(cè)試項(xiàng)目來講，國(guó)內(nèi)仍沒有一家檢測(cè)機(jī)構(gòu)可以進(jìn)行該項(xiàng)檢測(cè)并出具權(quán)威性報(bào)告。因此，在化纖母粒的專業(yè)性檢測(cè)方面，還有待進(jìn)一步的完善。

(4)上下游企業(yè)銜接問題。聚酯纖維母粒產(chǎn)品在聚酯產(chǎn)業(yè)鏈中處于中上游，其直接下游是各個(gè)熔體直紡廠家和滌綸切片紡絲企業(yè)。母粒的顏色、分散、黏度，尤其是色牢度等性能，都會(huì)直接影響下游客戶的使用狀況。但是目前的化纖廠家普遍對(duì)其下游客戶的使用需求及產(chǎn)品質(zhì)量要求了解不全，無法將該信息準(zhǔn)確傳遞至母粒制造企業(yè)。母粒制造企業(yè)、紡絲加工企業(yè)以及下游面料生產(chǎn)企業(yè)之間缺乏有效的溝通，滯緩了聚酯纖維母粒行業(yè)的產(chǎn)品質(zhì)量提升速度。

3 聚酯纖維母粒的發(fā)展趨勢(shì)及未來展望

3.1 聚酯纖維產(chǎn)業(yè)的發(fā)展趨勢(shì)

聚酯纖維的發(fā)展趨勢(shì)主要分為兩個(gè)方向。一個(gè)方向是綠色化、差別化、功能化。目前全國(guó)的聚酯纖維年產(chǎn)量已高達(dá)5 000多萬噸，而在如此龐大的產(chǎn)能與激烈的市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)中，生產(chǎn)高附加值的差別化、功能化聚酯纖維才是競(jìng)爭(zhēng)中的“重磅籌碼”[11]。另外，隨著國(guó)家相關(guān)法規(guī)和標(biāo)準(zhǔn)的出臺(tái)，以安全、節(jié)能、可持續(xù)發(fā)展為核心的產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)調(diào)整也是必然趨勢(shì)[12]。與后染整相比，通過色母粒對(duì)聚酯纖維進(jìn)行紡前著色，成本更低，污染更少。據(jù)統(tǒng)計(jì)，通過原液著色方法生產(chǎn)纖維，可比傳統(tǒng)染整工藝少89%的污水、62%的二氧化碳以及67%的COD產(chǎn)生、排放，可節(jié)約63%的各方面耗能和助劑使用[13]。因此，通過母粒添加進(jìn)行紡前改性也正是順應(yīng)時(shí)代發(fā)展的選擇。若將功能粉體與著色劑做成復(fù)合型母粒，制備出功能化彩色纖維，這將會(huì)為傳統(tǒng)聚酯纖維行業(yè)帶來新的發(fā)展和質(zhì)的飛躍。

聚酯纖維發(fā)展的另一方向是朝生態(tài)化發(fā)展，如生物基聚酯等[14]。隨著天然石油資源的日益緊張，生物基材料的研發(fā)也逐漸提上議程。以非糧食生物質(zhì)為原料制備生物基對(duì)二甲苯(PX)進(jìn)而合成生物PET逐漸成為研究開發(fā)熱點(diǎn)，如美國(guó)Virent 公司研發(fā)出生物基對(duì)二甲苯的“BioformPXTM”生產(chǎn)工藝，與生物基乙二醇匹配制得可回收再利用的100%生物基聚酯，該產(chǎn)品主要用于軟包包裝和纖維領(lǐng)域[15]。利用生物基聚酯制備母粒，再添加至生物基聚酯中制備生物可降解再生綠色纖維，符合“綠色、環(huán)保、易降解、可再生”的國(guó)際發(fā)展理念。

3.2 聚酯纖維母粒行業(yè)的發(fā)展趨勢(shì)及展望

聚酯纖維母粒行業(yè)的發(fā)展趨勢(shì)應(yīng)該是朝著差異化、復(fù)合功能化、生態(tài)環(huán)?；较虬l(fā)展。

母粒生產(chǎn)企業(yè)要能夠根據(jù)下游應(yīng)用的不同需求，開發(fā)出多功能化、高技術(shù)含量的母粒產(chǎn)品，滿足市場(chǎng)的需要。下游企業(yè)可以通過添加母粒改性，賦予聚酯纖維各種性能，如親水、抗靜電、抗菌防霉、拒水防污、發(fā)熱保暖、紫外線防護(hù)、輻射防護(hù)等功能，提高聚酯纖維產(chǎn)品的附加值和競(jìng)爭(zhēng)力。除市場(chǎng)需求外，還需要不斷研發(fā)高科技先進(jìn)功能性母粒，主動(dòng)引導(dǎo)并推廣市場(chǎng)應(yīng)用，以達(dá)到優(yōu)化產(chǎn)品結(jié)構(gòu)，推進(jìn)國(guó)內(nèi)聚酯纖維行業(yè)朝著差異化、高端化方向發(fā)展的進(jìn)程。

隨著聚酯纖維的生態(tài)化發(fā)展，利用生物基聚酯制備生物基母粒也是一種發(fā)展的必然趨勢(shì)，如PTT、PLA母粒等。目前國(guó)內(nèi)近幾年對(duì)于生物基、可降解材料的開發(fā)報(bào)道較多，但是距離大規(guī)模產(chǎn)業(yè)化還有一定距離。另外，與該產(chǎn)業(yè)鏈相關(guān)的母粒企業(yè)也在加快開發(fā)進(jìn)程，力求早日實(shí)現(xiàn)研究成果工業(yè)化，再次助力聚酯產(chǎn)業(yè)的發(fā)展。

通過不斷加強(qiáng)工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)等智能制造的研發(fā)與應(yīng)用，將標(biāo)準(zhǔn)化、數(shù)字化與產(chǎn)業(yè)發(fā)展深入融合，不斷提高聚酯產(chǎn)業(yè)鏈上中下游企業(yè)的有效溝通和良性互動(dòng)，通過上中下游的深度合作，攜手推進(jìn)聚酯纖維產(chǎn)業(yè)鏈的優(yōu)化與升級(jí)，努力實(shí)現(xiàn)全產(chǎn)業(yè)鏈的原材料國(guó)產(chǎn)化，滿足市場(chǎng)的需求。