新型聚酯纖維PTT的研究進(jìn)展

蔣曉東，王建坤，郭晶

(天津工業(yè)大學(xué)紡織學(xué)院，天津300387)

0 前言

從二十世紀(jì)九十年代末開(kāi)始，越來(lái)越多的國(guó)內(nèi)企業(yè)研究PTT纖維的合成、性能和應(yīng)用技術(shù)，但由于原材料的限制，到2011年底，國(guó)內(nèi)只有張家港輝煌化工有限公司生產(chǎn)PTT纖維，該公司一年可以生產(chǎn)3萬(wàn)噸產(chǎn)品。2012年4月，由盛宏集團(tuán)旗下的中路科技發(fā)展有限公司研發(fā)的PTT聚合裝置在中國(guó)市場(chǎng)上投入使用，打破了國(guó)外PTT纖維生產(chǎn)技術(shù)在中國(guó)市場(chǎng)的壟斷地位。2011年，中國(guó)消耗了近3萬(wàn)噸PTT樹(shù)脂，其中，90%的PTT樹(shù)脂用于生產(chǎn)紡織纖維，剩余的10%的PTT樹(shù)脂用于生產(chǎn)工程塑料和薄膜[1]。PTT纖維在中國(guó)市場(chǎng)上有很大的潛力，這與其良好的性能是分不開(kāi)的。在彈性和手感方面，PTT纖維明顯優(yōu)于PET和PA纖維。因此，PTT纖維被廣泛用于生產(chǎn)服裝和地毯等紡織品。目前，PTT面料在國(guó)內(nèi)市場(chǎng)上備受歡迎，被廣泛用來(lái)制造風(fēng)衣和夾克等時(shí)尚服裝。另外，PTT纖維具有良好的防污性能和抗靜電性能，是生產(chǎn)地毯的理想材料[2]。PTT纖維逐漸成為取代滌綸和錦綸的新型纖維之一。

1 PTT纖維的合成和結(jié)構(gòu)

1.1 PTT的合成

PPT纖維是聚對(duì)苯二甲酸丙二醇酯纖維的簡(jiǎn)稱，是由從可再生資源(如玉米)衍生而來(lái)的1.3-丙二醇與對(duì)苯二甲酸縮聚而成的一種芳香族聚酯纖維[3]。 PTT纖維是一種高熔點(diǎn)聚酯，其制備方法與滌綸纖維相似。第一步是將1,3-丙二醇與對(duì)苯二甲酸(TPA)或二甲基對(duì)苯二甲酸酯進(jìn)行酯交換，第二步是將酯化或經(jīng)酯化的產(chǎn)品縮聚，以去除縮聚物[4]，直到達(dá)到理想的分子量。制備PTT的原料 1,3-丙二醇是可再生資源，使PTT纖維具有環(huán)保性。

1.2 PTT纖維的分子結(jié)構(gòu)

PTT纖維的化學(xué)式如圖1所示，PTT纖維具有O-(CH2)3-O鍵合構(gòu)象，每個(gè)亞甲基基團(tuán)中的亞甲基與分子鏈呈一定傾斜角排列，從而迫使分子鏈形成一個(gè)延伸的鋸齒形結(jié)構(gòu)[5]。PTT纖維的分子鏈中存在“奇碳效應(yīng)”，奇數(shù)個(gè)亞甲基不能與苯環(huán)在一個(gè)平面內(nèi)，而是成一定夾角排列，這種特殊的結(jié)構(gòu)賦予分子鏈螺旋構(gòu)象。在外力的作用下，PTT纖維的分子鏈容易拉伸變形，而且很容易恢復(fù)原狀。

圖1 PTT的化學(xué)式

芳香族聚酯纖維的分子鏈結(jié)構(gòu)如圖2所示，PET纖維的大分子鏈構(gòu)型接近全伸展型，其結(jié)晶單元的長(zhǎng)度約占整個(gè)分子鏈長(zhǎng)度的98%，這種結(jié)構(gòu)使PET纖維具有超高模量和低伸長(zhǎng)率[6]。PBT纖維大分子鏈的伸展程度比PET纖維略小，其結(jié)晶單元的長(zhǎng)度占整個(gè)分子鏈長(zhǎng)度的88%～96%，在外力作用下，PBT分子鏈的伸長(zhǎng)率在10%到12%之間。PTT纖維的結(jié)晶單元占整個(gè)分子鏈長(zhǎng)度的75%左右，這種特殊的分子鏈構(gòu)象使PTT分子呈“Z”型螺旋結(jié)構(gòu)[7]。PTT纖維特殊的分子鏈結(jié)構(gòu)和較低的結(jié)晶程度賦予其良好的彈性和回彈性。

圖2 芳香族聚酯纖維分子鏈的結(jié)構(gòu)

2 PTT纖維的性能

2.1 拉伸回彈性能

PTT纖維、PET纖維和PBT纖維經(jīng)拉伸伸長(zhǎng)20%后的回彈性能如表1所示。由表1可知，在三種聚酯纖維中，PTT纖維的急彈伸長(zhǎng)回復(fù)率82%，明顯高于PET纖維和PBT纖維，可以看出PTT纖維有良好的彈性性能[8]。由于PTT纖維中分子鏈的碳基是以“對(duì)式-旁式-旁式-對(duì)式”的“Z”字型螺旋排列。因此，PTT纖維具備良好的彈性和回彈性[9]。

表1 三種芳香族聚酯纖維的彈性性能比較

2.2 力學(xué)性能

對(duì)于芳香族聚酯纖維而言，雖然不同纖維的化學(xué)結(jié)構(gòu)相似，只在亞甲基的數(shù)量上存在差異，但是亞甲基的數(shù)量對(duì)纖維分子鏈的構(gòu)象有很大影響。

聚酯纖維分子鏈既有剛性鏈(苯環(huán))又有柔性鏈(亞甲基)，這種結(jié)構(gòu)使纖維既有一定強(qiáng)度又有一定柔性[10]。從聚酯纖維的分子結(jié)構(gòu)而言，PTT、PET和PBT有數(shù)量不同的亞甲基，使得其分子鏈中不同鏈段的運(yùn)行難易程度存在差異，其中，PET纖維的亞甲基數(shù)量最少，彎曲剛度最大，最不易發(fā)生分子鏈段的運(yùn)行，伸長(zhǎng)回復(fù)率最小。PTT纖維的亞甲基數(shù)量介于PET和PBT之間，其分子鏈的柔性大于PET而小于PBT。從動(dòng)態(tài)和靜態(tài)力學(xué)分析，PET的玻璃化轉(zhuǎn)變化溫度(80℃)最高[11]，在熔融紡絲過(guò)程中，纖維中結(jié)晶區(qū)的形成速度較慢，成型的纖維經(jīng)過(guò)速度較快的冷卻固化，使其結(jié)晶不完善，造成PET纖維的尺寸穩(wěn)定性變差。因此，實(shí)際生產(chǎn)中常常加入結(jié)晶核材料，加快PET纖維的快速結(jié)晶。PBT的玻璃化轉(zhuǎn)變溫度(25℃)最低，相對(duì)于PET，PBT具有結(jié)晶和成型速度快的特點(diǎn)，但其產(chǎn)品易于變性，需要和其他材料混合進(jìn)行熔融噴絲，來(lái)增加其尺寸穩(wěn)定性。PTT的玻璃化溫度介于PBT和PET之間，結(jié)晶速度較為適中，制品的尺寸穩(wěn)定性優(yōu)于其他兩種聚酯纖維。

表2 PET纖維、PTT纖維和PBT纖維的力學(xué)性質(zhì)

從表2可以看出，PTT纖維的拉伸強(qiáng)度略小于PET纖維，卻高于PBT纖維，其伸長(zhǎng)率明顯高于PET纖維。PTT纖維的彈性回復(fù)率明顯優(yōu)于另外兩種聚酯纖維[15],在熔融噴絲成形過(guò)程中，PTT纖維的成型縮率與PBT相似，比PET纖維略小。

2.3 熱穩(wěn)定性能

聚酯纖維的熱穩(wěn)定性可以通過(guò)熔融狀態(tài)下的特性粘度和端羧基含量來(lái)表征[12]，而溫度是影響聚酯纖維熱穩(wěn)定性的最主要原因。從表3可知，PTT的熱變形溫度和玻璃化溫度介于PET和 PBT之間，而且其熔點(diǎn)明顯小于PET纖維。另外，PET纖維的熱穩(wěn)定性優(yōu)于PTT纖維，但PTT纖維的熔點(diǎn)明顯低于PET纖維，在受熱300℃情況以下不會(huì)出現(xiàn)明顯的質(zhì)量減少。因此，PTT纖維可以在熔融狀態(tài)下進(jìn)行紡絲。

表3 三種聚酯纖維的熱學(xué)性質(zhì)

2.4 染色性能

聚酯纖維的染色性能主要由纖維的晶格堆砌方式?jīng)Q定[13]，染料容易從纖維的無(wú)定形區(qū)進(jìn)入纖維內(nèi)部。纖維的結(jié)晶程度越高，染色性能越差。PET纖維的結(jié)晶程度高達(dá)98%，染料很難越過(guò)表面的結(jié)晶區(qū)進(jìn)入纖維內(nèi)部，造成PET的染色性能較差，其玻璃化轉(zhuǎn)變溫度又較高。因此，PET纖維經(jīng)常運(yùn)用高溫高壓或有載體的方式進(jìn)行染色[14]。PTT纖維的分子鏈折疊程度較大，不易形成結(jié)晶區(qū)，無(wú)定形區(qū)比例較大，染料容易從無(wú)定形區(qū)進(jìn)入纖維內(nèi)部，染色性能較好，而PET纖維的分子鏈比較平直，已形成結(jié)晶區(qū)，染料不易進(jìn)入纖維內(nèi)部。

2.5 抗污性能

PTT纖維有良好的抗污性，被廣泛應(yīng)用到地毯生產(chǎn)。由于PTT纖維的奇碳效應(yīng)，使其具有較小的表面張力。另外，PTT纖維的表面光滑，靜電性較低，不易吸附空氣中的灰塵。因此，PTT纖維具有良好的拒油和易洗滌的性能。

3 PTT纖維的應(yīng)用

3.1 服裝

PTT纖維具有良好的紡織性能，可直接紡紗或與其它纖維進(jìn)行混紡。PTT純紡織物的拉伸彈性和回彈性良好，滿足了人們對(duì)服用紡織品的要求，其良好的手感和外觀懸垂型，符合貼身服裝的要求。另外，PTT織物具有易于染色特性和較好的色牢度，可以用于各種樣式的染色，其良好的抗污性可使服裝更容易清洗和護(hù)理。PTT纖維和其他纖維混紡，可以有效的提高織物的整體性能。純紡的棉織物具有手感較硬和尺寸穩(wěn)定性較差的特點(diǎn)，與PTT纖維混紡后，織物的手感柔軟程度和尺寸穩(wěn)定性有很大提高。醋酸纖維具有較差的染色性能，與PTT纖維混紡可以明顯提高織物的染色性能。純的絲制品(蠶絲織物)的抗皺性較差，容易產(chǎn)生褶皺，影響織物的外觀，與PTT纖維混紡后的織物具有較好的抗皺性，改善了絲制品的性能。超細(xì)的PTT纖維可用于生產(chǎn)仿皮革，相對(duì)于PET超細(xì)纖維，PTT超細(xì)纖維具有較好的彈性，并且在較低的溫度下完成高速拉伸[16]。PTT纖維織物憑借其良好的彈性、手感和耐磨性，廣泛用于制作彈性內(nèi)衣、泳裝和運(yùn)動(dòng)服。

3.2 地毯

目前，生產(chǎn)地毯的原料主要是尼龍纖維(PA)和丙綸纖維(PP)。尼龍地毯的耐磨性好，但抗靜電性差，且尺寸穩(wěn)定性較差。丙綸地毯具有質(zhì)地輕和價(jià)格便宜等優(yōu)點(diǎn)，但易于點(diǎn)燃。與PA地毯和PP地毯相比，PTT纖維地毯具有結(jié)實(shí)耐用、耐腐蝕、手感柔軟和抗靜電性好等優(yōu)點(diǎn)，具有較好的應(yīng)用前景。另外，PTT樹(shù)脂可以直接在熱空氣條件下生產(chǎn)出蓬松度較高的地毯[17]，具有良好的發(fā)展前景。

3.3 非織造布

PTT纖維是制備非織造布的一種良好的材料，可以被完全回收利用。目前，PTT非織造布的制備方法有熔噴和水刺等方法，制備出的產(chǎn)品可以有效的阻擋γ射線，可廣泛應(yīng)用到醫(yī)療用品領(lǐng)域。

3.4 開(kāi)發(fā)前景

PTT纖維具有高拉伸強(qiáng)度和良好的彈性與回彈性等特點(diǎn)，其綜合性能明顯優(yōu)于PET和PA纖維，是一種具有良好前景的新型聚酯纖維。目前，國(guó)內(nèi)PTT纖維的生產(chǎn)處于起步階段，對(duì)PTT纖維的研究還有待深入[18]，這種情況造成了PTT纖維價(jià)格偏高的局面。只有利用原創(chuàng)技術(shù)制備原料1,3-丙二醇，打破外國(guó)技術(shù)的壟斷，才能降低PTT纖維的生產(chǎn)成本。另外，國(guó)內(nèi)PTT纖維的需求量巨大，而產(chǎn)量遠(yuǎn)遠(yuǎn)不足，這種現(xiàn)象成為發(fā)展PTT纖維制備技術(shù)的強(qiáng)大動(dòng)力。PTT具有高附加值[19]，可用來(lái)制備差別化纖維，使其具備特殊性能，具有良好的發(fā)展前景。

4 結(jié)束語(yǔ)

PTT纖維兼?zhèn)銹ET纖維和PA纖維的優(yōu)點(diǎn)，具有拉伸強(qiáng)度高、彈性好、易于染色和色牢度好等特點(diǎn)，其織物具有良好的尺寸穩(wěn)定性、手感柔軟、回彈性優(yōu)異、易于清洗、抗污性好和抗靜電性好等特點(diǎn)，被廣泛應(yīng)用到服裝、地毯和非織造布等領(lǐng)域，需求量正在逐年增加，而國(guó)內(nèi)對(duì)PTT纖維的研究尚處在初級(jí)階段，大量的原料還需要進(jìn)口，產(chǎn)量不能滿足人們的需求。因此，必須大力發(fā)展PTT纖維的生產(chǎn)技術(shù)并提高其產(chǎn)量。