采用化學(xué)回收的紡織廢料和反應(yīng)擠出改性的生物聚合物制備紗線

在過去的幾十年中，伴隨著原油價格的不確定性和石油資源的即將枯竭，由石油基聚合物引起的負(fù)面環(huán)境影響一直是人們關(guān)注的主要問題。合成聚合物材料旨在滿足終端消費(fèi)產(chǎn)品的不同需求，對于現(xiàn)代生活和全球經(jīng)濟(jì)而言至關(guān)重要。據(jù)估計(jì)，1950—2015年全球8個工業(yè)部門生產(chǎn)了83億t純石油基聚合物，用于樹脂、纖維和添加劑的制造。目前紡織行業(yè)生產(chǎn)、分配和應(yīng)用的工業(yè)系統(tǒng)幾乎是以完全線性的方式運(yùn)行，這是一種不可持續(xù)的聚合物廢料產(chǎn)生和處置模式(圖1)。

目前，合成聚合物主要以石油資源為基礎(chǔ)，而石油資源正因能源需求的增加而迅速枯竭。因此，一個迫在眉睫的挑戰(zhàn)是用可再生資源衍生的聚合物逐步取代石油基聚合物。此外，絕大多數(shù)合成聚合物的設(shè)計(jì)初衷是達(dá)到一定的性能和耐用性，而不是為具有降解性和可回收性而設(shè)計(jì)，這導(dǎo)致過去幾十年里廢棄聚合物量的巨大增長。事實(shí)上，在2015年底前產(chǎn)生的近63億t塑料廢棄物中，有12%被焚燒、9%被回收、79%被收集在垃圾填埋場或丟棄在自然環(huán)境中(圖2)。正是因?yàn)檫@個原因，目前由廢棄塑料的大量堆積而引起的污染問題是人類社會必須解決的最為重要的問題之一。

圖2 1950—2015年全球聚合物樹脂、合成纖維和添加劑的生產(chǎn)、使用和最終去向(數(shù)據(jù)單位：億t)

為了減少廢棄物堆積引起的環(huán)境污染，并遵循循環(huán)經(jīng)濟(jì)原則，采用兩種不同的方法開發(fā)可持續(xù)性功能紗線(圖3)。

圖3 Biorex項(xiàng)目概覽

1 使用天然聚合物

第一種方法是使用天然聚合物來取代傳統(tǒng)的合成聚合物。為此，采用反應(yīng)性擠出工藝，通過共價結(jié)合功能分子和(或)納米粒子，對可生物降解的聚合物基體進(jìn)行化學(xué)改性，從而改善其力學(xué)性能、熱性能和功能特性。

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

——通過多孔熔融紡絲制得PHB纖維，其強(qiáng)度約為0.167 cN/tex。

——采用PBS/PHB共混物通過單孔熔融紡絲制備PBS/PHB單絲，該生物可降解性單絲的力學(xué)性能在農(nóng)業(yè)紡織品市場上具有較高的競爭力。

——通過單孔熔融紡絲獲得了相比于原PLA具有改善的力學(xué)性能和疏水性能的PLA扁平帶。方法是，通過反應(yīng)擠出工藝對PLA聚合物基體進(jìn)行化學(xué)改性，功能分子(烷氧基硅烷)以共價形式結(jié)合到聚合物主鏈上，從而為PLA提供穩(wěn)定的力學(xué)性能和不可逆的疏水性能。

2 化學(xué)回收

第二種方法是在紡織廢料生命周期結(jié)束時對其進(jìn)行化學(xué)回收，以獲得原始聚合物。具體而言，聚酯(PET)基紡織纖維是紡織行業(yè)中最重要的合成纖維之一，其化學(xué)回收是通過解聚進(jìn)行的。解聚過程將聚合物裂解成其原始的單體，然后對這些單體進(jìn)行純化，用于隨后的聚合反應(yīng)，以制備純PET(圖4)。根據(jù)解聚階段使用的溶劑，該過程被命名為糖酵解(乙二醇)、水解(水)、甲醇裂解(甲醇)、胺解(胺)或氨解(氨)。

圖4 PET解聚-聚合反應(yīng)示意圖

基于糖酵解的解聚是文獻(xiàn)報(bào)道中發(fā)展最迅速的策略之一，因此在Biorex項(xiàng)目中對這種方法進(jìn)行了研究。目前針對PET糖酵解開展的研究已有很多，這種方法具有如下優(yōu)勢：簡單靈活、投資成本低、反應(yīng)條件較溫和、溶劑揮發(fā)性低，并且可以輕松應(yīng)用于傳統(tǒng)的聚酯生產(chǎn)工廠。

在Biorex項(xiàng)目中，糖酵解過程的產(chǎn)率取決于催化劑的用量，以及廢棄物的純度、組成和來源(消費(fèi)前或消費(fèi)后)。

劉甜夢 譯 于俊榮 校