聚酯纖維的改性技術(shù)及其在海洋領(lǐng)域的應(yīng)用

宇 平,孫欽超,王 彥,胡祖明*

(1.江蘇海洋大學(xué) 環(huán)境與化學(xué)工程學(xué)院,江蘇 連云港 222005;2.山東華綸新材料有限公司,山東 臨沂 276600;3.東華大學(xué) 纖維材料改性國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,上海 201620)

聚酯通常是以二元酸和二元醇縮聚得到,其中聚對(duì)苯二甲酸乙二醇酯(PET)是一種通用的熱塑性聚酯材料,其重復(fù)單元含有柔性鏈段和剛性苯環(huán),可廣泛應(yīng)用于紡織纖維領(lǐng)域。由于聚酯纖維具有強(qiáng)度高、模量高、耐化學(xué)試劑性好,以及較高的性價(jià)比,自1947年英國(guó)帝國(guó)化學(xué)工業(yè)集團(tuán)實(shí)現(xiàn)聚酯纖維的工業(yè)化試驗(yàn)和1951年杜邦公司將其命名滌綸以來(lái),其在世界范圍內(nèi)獲得了極大的發(fā)展,已占世界紡織品市場(chǎng)的40%[1-2]。2020年,國(guó)內(nèi)聚酯纖維產(chǎn)量49 227 kt,約占化學(xué)纖維總產(chǎn)量的82%,在化學(xué)纖維中占有舉足輕重的地位。然而,與天然纖維和部分化學(xué)纖維相比,聚酯纖維存在具有親水性、染色效果差及阻燃性能不佳等缺陷,這在一定程度上制約了其發(fā)展,亟待進(jìn)一步擴(kuò)大其應(yīng)用領(lǐng)域。作者綜述了聚酯纖維的改性技術(shù)及其在海洋工程領(lǐng)域的應(yīng)用情況,旨在為高性能聚酯纖維的研發(fā)和生產(chǎn)提供借鑒。

1 聚酯纖維的物理化學(xué)改性和功能化

1.1 抗菌改性

織物由于本身具有微孔結(jié)構(gòu),被認(rèn)為是最適合真菌和細(xì)菌等微生物滋生和繁殖的溫床,因此,聚酯纖維及其織物的抗菌改性逐漸受到重視。為提高聚酯材料的抗菌效果,許多科研工作者開展了大量研究。WANG S H等[3]將PET與抗菌材料混合,使用雙螺桿擠出抗菌母料,再將抗菌母料和純PET樹脂通過(guò)高速熔紡設(shè)備制得抗菌率達(dá)90%且具有良好力學(xué)性能的復(fù)合抗菌PET纖維。DAI S H等[4]通過(guò)“種子”和“后期生長(zhǎng)”兩步化學(xué)溶液法在PET纖維表面合成氧化鋅納米結(jié)構(gòu)(ZnO@PET),該纖維對(duì)大腸桿菌的抗菌率為99%,洗滌20次后,雖部分納米ZnO脫落,但抗菌率仍保持在62%。LIN Y X等[5]將光敏劑四羧基酞菁鋅接枝到聚酯纖維上,然后在其纖維表面涂覆殼聚糖開發(fā)了一種雙接枝抗菌纖維材料,可殺滅高達(dá)99.99%的革蘭氏陽(yáng)性菌和陰性菌,同時(shí)表現(xiàn)出比未經(jīng)處理的 PET 纖維更好的細(xì)菌捕獲效率(95.68%),為開發(fā)能夠高效殺滅空氣中病原體并具有良好生物安全性的空氣過(guò)濾材料提供了新思路。ZHOU J L等[6]將質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.2%的納米片材氧化銅@磷酸鋯整合到原位聚合的PET纖維中,該纖維表現(xiàn)出高效的抗菌性能(抗菌率大于92%)。K.OPWIS等[7]利用超臨界二氧化碳將有機(jī)金屬化合物引入PET纖維,賦予了改性PET纖維紡織品電學(xué)、抗菌及催化性能。田梅香[8]利用二碳酸二叔丁酯作為絲氨醇分子中氨基的保護(hù)基合成第三單體并參與PET共聚,對(duì)大腸桿菌和金黃色葡萄球菌的抑菌率分別可達(dá)93%和95%。中國(guó)石油遼陽(yáng)石化公司成功實(shí)現(xiàn)纖維級(jí)抗菌聚酯試生產(chǎn),生產(chǎn)出合格產(chǎn)品超過(guò)1 kt[9]。袁凱等[10]制備了一種載銀海藻酸鹽/PET復(fù)合纖維,其親水性、抗靜電性能及抗菌性能較PET纖維具有明顯的提升。目前,無(wú)機(jī)抗菌劑以添加靈活、效果顯著等優(yōu)勢(shì)成為新型抗菌聚酯纖維的研究熱點(diǎn)。

1.2 阻燃改性

PET纖維織物屬于易燃材料,如果發(fā)生火災(zāi),會(huì)劇烈燃燒,熔體滴落會(huì)對(duì)皮膚造成很大傷害,因此,開發(fā)阻燃性能優(yōu)異且能自熄的聚酯織物具有重要意義。J.FABIA等[11]基于商用的有機(jī)蒙脫石,提出了降低聚酯纖維可燃性的替代方法,改性聚酯纖維極限氧指數(shù)(LOI)值為24.0%,同時(shí)氧化降解產(chǎn)物毒性沒有明顯增加。ZHU S F等[12]利用輻照劑量為200 kGy、劑量率為12 kGy/s的電子束對(duì)聚酯纖維進(jìn)行輻照處理,發(fā)現(xiàn)輻照后的纖維斷裂伸長(zhǎng)率增加,斷裂強(qiáng)度降低,這主要是因?yàn)檩椪者^(guò)程交聯(lián)度會(huì)降低,同時(shí)不可避免地造成了纖維的損傷;另外,燃燒時(shí),由于交聯(lián)密度不夠高,該體系不能有效地防止燃燒熔體的滴漏。XUE B X等[13]以碳微球?yàn)樘荚?磷酸三聚氰胺為酸源和氣源制備PET復(fù)合纖維,纖維LOI值和垂直燃燒等級(jí)分別為27.4%和B-1級(jí),纖維的阻燃性能提高。何秀澤[14]通過(guò)添加含磷的阻燃劑進(jìn)行改性,阻燃共聚酯纖維的LOI值約為29%,垂直燃燒UL-94級(jí)別為V-2級(jí)。許卓等[15]將新型環(huán)保阻燃劑2-羧乙基苯基次磷酸與乙二醇進(jìn)行預(yù)酯化制得酯化液,再與精對(duì)苯二甲酸的酯化液混合,經(jīng)聚合反應(yīng)后得到阻燃聚酯,其LOI值為32%,達(dá)到FV-0級(jí)?？傊?基于共混技術(shù)的阻燃物理改性相對(duì)化學(xué)改性,具有成本低、制備簡(jiǎn)單、易于市場(chǎng)推廣等顯著優(yōu)勢(shì),同時(shí)由于鹵系阻燃劑的環(huán)境影響,磷系等無(wú)鹵阻燃劑改性聚酯纖維逐漸受到關(guān)注。

1.3 導(dǎo)電改性

靜電會(huì)對(duì)聚酯纖維的生產(chǎn)過(guò)程造成影響,同時(shí)使得衣服糾纏人體,產(chǎn)生不舒服感,更為嚴(yán)重的是靜電會(huì)引發(fā)火災(zāi)等危險(xiǎn)[16]。導(dǎo)電纖維具有導(dǎo)電、導(dǎo)熱、抗電磁屏蔽等特點(diǎn),作為一種重要的功能纖維,近年來(lái)廣泛受到研究者的關(guān)注。馬良玉[17]研究了碳納米/石墨烯復(fù)合導(dǎo)電液與聚酯纖維相互作用,改性纖維電阻穩(wěn)定在100 Ω/cm以下。W.K.CHOI等[18]對(duì)超細(xì)PET纖維表面進(jìn)行化學(xué)鍍鎳使得纖維導(dǎo)電性能增強(qiáng)。S.MAZINANI等[19]采用多壁碳納米管對(duì)PET熔紡纖維進(jìn)行改性,獲得高導(dǎo)電性能(電導(dǎo)率為0.01 S/cm),最大斷裂拉伸應(yīng)變值是純PET纖維的3倍。目前主要采用填充法制備聚酯導(dǎo)電纖維,賦予材料抗靜電和導(dǎo)電等功能。

1.4 超疏水改性

像荷葉一樣的超疏水材料具有自清潔、油水分離、防污、防腐蝕、減阻等功能,為滿足復(fù)雜環(huán)境的需求,具有優(yōu)異耐久性和自修復(fù)性能的超疏水織物越來(lái)越受到人們的關(guān)注。周存等[20]為制備兼具疏水和導(dǎo)電功能織物,先對(duì)PET織物進(jìn)行導(dǎo)電整理,再采用溶劑誘導(dǎo)結(jié)晶的方法在導(dǎo)電織物的表面構(gòu)造微觀粗糙結(jié)構(gòu),然后用甲基三氯硅烷修飾,制備出水接觸角不低于158.6°的導(dǎo)電織物。ZHOU F等[21]利用十二烷基三甲氧基硅烷改性二氧化鈦?zhàn)鳛橥繉硬牧?使得PET織物的水接觸角達(dá)到158.6°±0.6°,經(jīng)過(guò)50次洗滌循環(huán)后仍能保持在150°以上。H.J.KIM等[22]基于聚二甲基硅氧烷涂層改性PET織物的吸水和吸油行為,織物表層水接觸角高達(dá)155°±4.9°,對(duì)水分的吸收率由25.1%降至0.1%,具有比聚丙烯織物更為優(yōu)異的吸油性能,是一種潛在的石油吸附劑,可用于清理石油泄漏。周旋[23]利用有機(jī)硅氧烷甲基三甲氧基硅烷、正辛基三乙氧基硅烷和三甲基氯硅烷、含氟改性劑1H,1H,2H,2H-全氟癸基三乙氧基硅烷及含氟樹脂聚偏氟乙烯在PET織物表面構(gòu)造超雙疏表面,其在紫外光持續(xù)照射35 h的情況下仍保持著超疏水和疏油性能(油接觸角大于140°)。朱寶順[24]采用聚二甲基硅氧烷母粒和季戊四純硬脂酸酯改性PET纖維,使得體系的水接觸角由68.6°提高到110.3°,提升了織物的拒水性能。聚酯纖維的超疏水改性手段包括納米顆粒沉積,以及硅氧烷、含氟化合物等低表面能物質(zhì)修飾改性等,在實(shí)驗(yàn)室中已相對(duì)比較成熟,相關(guān)文獻(xiàn)研究也較多。

1.5 黏附力改性

聚酯纖維材料的黏附力會(huì)影響其與其他材料的復(fù)合效果。J.TREJBAL等[25]探究離子體處理對(duì)水泥復(fù)合材料中PET纖維的表面性能影響,通過(guò)顯微鏡觀察和潤(rùn)濕角測(cè)量,證明等離子體處理能有效改變PET纖維表面,離子轟擊使纖維表面粗糙化,同時(shí)激活纖維表面極性基團(tuán),使纖維與膠凝基質(zhì)的附著力更好。LIU X D等[26]提出一種通過(guò)在甲苯溶液中用異氰酸酯處理,高效提高PET織物黏合力方法,與未改性PET織物相比,其最大剝離強(qiáng)度達(dá)到2.27 kN/m,提高了3倍。M.RAZAVIZADEH等[27]采用紫外線照射將PET羧基化,增強(qiáng)了其與丁腈橡膠的附著力。

聚酯纖維功能化改性方法包括熔融共混改性、接枝改性、復(fù)合紡絲改性、化學(xué)溶液改性、原位聚合改性、后處理改性等。其中,熔融共混改性對(duì)原料的粒度要求不嚴(yán)格,但在制備過(guò)程中要考慮共混料的分散效果、相容情況及熱穩(wěn)定性;復(fù)合紡絲改性改性劑用量少,對(duì)聚酯纖維力學(xué)性能影響小,但存在噴絲板加工難度大、生產(chǎn)成本高的缺點(diǎn);采用接枝改性制備出來(lái)的改性聚酯性能比較穩(wěn)定、成分通常不易析出、耐久性好,但制備過(guò)程復(fù)雜、反應(yīng)條件嚴(yán)格,不利于工業(yè)化生產(chǎn);后處理改性操作簡(jiǎn)單、易實(shí)施,但往往會(huì)出現(xiàn)纖維耐久性、耐水洗牢度較差及環(huán)境污染等問(wèn)題[28]。

2 聚酯纖維在海洋領(lǐng)域中的應(yīng)用

當(dāng)前,我國(guó)正在加快建設(shè)海洋強(qiáng)國(guó)并且海洋工程正在向深海和遠(yuǎn)海發(fā)展。面對(duì)海上復(fù)雜的極端環(huán)境及海洋工程向深水區(qū)域發(fā)展的未知風(fēng)險(xiǎn),開發(fā)具備耐海水侵蝕、耐老化、高強(qiáng)度及抗蠕變等特性的高性能纖維對(duì)推進(jìn)海洋生態(tài)保護(hù)、海洋經(jīng)濟(jì)發(fā)展和海防建設(shè),培育壯大海洋戰(zhàn)略性新興產(chǎn)業(yè),建設(shè)現(xiàn)代海洋產(chǎn)業(yè)體系,具有十分重大的意義和作用。

目前,聚酯纖維已在深海纜繩、海洋混凝土、油污收集網(wǎng)、大型遠(yuǎn)洋漁具等海洋工程領(lǐng)域取得一定進(jìn)展,極大地提高了材料的安全服役壽命,并拓展了聚酯纖維在深海遠(yuǎn)海等高端領(lǐng)域的應(yīng)用。

2.1 深海纜繩

傳統(tǒng)的鋼纜繩難以在水下保持緊繃狀態(tài),同時(shí)由于其密度大,安裝過(guò)程比較復(fù)雜性,且減弱了船舶的有效載荷能力。早在20世紀(jì)60年代,纖維繩就被建議作為主要的系泊繩索,以避免鏈條和鋼絲繩的缺點(diǎn)[29]。纖維繩密度小、質(zhì)量輕,且力學(xué)性能、耐磨性及拒海水性好,不僅可以提高船舶的載荷能力,而且擁有鋼纜繩優(yōu)良的力學(xué)性能。

聚酯纖維具有高強(qiáng)、耐磨、耐疲勞等特點(diǎn),且耐海水腐蝕性較好,可以提高系泊系統(tǒng)的耐磨性和耐久性,已成為深遠(yuǎn)海系泊系統(tǒng)首選材料[30]。國(guó)外深海系泊聚酯纖維纜繩生產(chǎn)商主要在歐美國(guó)家,代表性的纜繩制造商有Bexco公司、Lankhorst Ropes公司、Bridon公司等。2001年,巴西國(guó)家石油公司將聚酯纖維繩索成功應(yīng)用于鉆井平臺(tái)、浮式生產(chǎn)及儲(chǔ)存和卸載系統(tǒng)[31]。

國(guó)內(nèi)海洋工程用聚酯纖維纜繩生產(chǎn)、應(yīng)用起步較晚。2020年,在南海陵水17-2氣田上,聚酯纖維纜繩首次被應(yīng)用于深海油氣田作業(yè)平臺(tái)的系泊系統(tǒng)。目前該聚酯纖維纜繩已應(yīng)用于國(guó)際多個(gè)深海系泊平臺(tái)項(xiàng)目,為國(guó)產(chǎn)聚酯纜繩的自主研發(fā)生產(chǎn)提供堅(jiān)強(qiáng)保障[32]。2021年,我國(guó)自主勘探開發(fā)的首個(gè)1 500 m超深水大氣田“深海一號(hào)”在海南島東南陵水海域正式投產(chǎn),標(biāo)志我國(guó)海洋工程中油氣田開采進(jìn)入“超深水”時(shí)代,不斷增加的水深和風(fēng)、浪、流的影響,對(duì)工作平臺(tái)的系泊系統(tǒng)提出了更高的要求,亟待開發(fā)性能更優(yōu)的聚酯纖維纜繩以滿足新的、更高的應(yīng)用需求。浙江金匯特材料有限公司采用特殊結(jié)構(gòu)噴絲板紡得的海洋纜繩用高強(qiáng)低伸滌綸工業(yè)絲涂覆拒海水型功能油劑后,耐磨次數(shù)對(duì)數(shù)值最高達(dá)4.21且上油均勻性好,油劑添加量明顯減少[33]。該紡絲工藝可有效降低海洋纜繩用高耐磨高強(qiáng)低伸滌綸工業(yè)絲的生產(chǎn)成本,提高產(chǎn)品附加值。山東華綸新材料有限公司通過(guò)共混反應(yīng)先得到側(cè)基含蒽官能團(tuán)的增黏聚酯,再與雙馬來(lái)酰亞胺進(jìn)行熔融共混紡絲,可在不影響熔體可紡性以及廢舊聚酯纖維回收利用的前提下提高纖維的強(qiáng)度及抗蠕變性,在海洋用繩索及其他工業(yè)領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前景[34]。

2.2 海洋混凝土

海洋環(huán)境下的強(qiáng)腐蝕性和海洋微生物的破壞對(duì)混凝土的耐久性和耐腐蝕性提出了更高的要求,普通水泥混凝土由于易膨脹開裂、脆性大、表面起層剝落等缺陷,很難適應(yīng)海水中的氯離子滲透腐蝕和海洋微生物的破壞。聚酯纖維具有抗拉強(qiáng)度和彈性模量高、耐堿性好等優(yōu)勢(shì),在混凝土中摻雜聚酯纖維可大大改善抗裂性和抗?jié)B性,提升強(qiáng)度和韌性[35]。

2.3 油污收集網(wǎng)

溢油已成為海水的重要污染來(lái)源,嚴(yán)重危害人類生存健康,清除泄漏到海洋、河流和陸地的石油一直備受關(guān)注。為了有效地分離油與水,研究者對(duì)各種吸收劑結(jié)構(gòu)進(jìn)行了大量研究,研究表明,聚酯纖維織物是一種潛在的用于去除泄漏石油的吸收劑,具有很好的成本效益,且吸油性能優(yōu)異。王洪杰等[36]以正硅酸乙酯為硅源,以氟硅烷為疏水改性劑,采用一步法制備了負(fù)載硅納米粒子的超疏水聚酯纖維織物,水接觸角可達(dá)156.2°,對(duì)水和柴油混合物的分離效率達(dá)到98.32%。

2.4 大型遠(yuǎn)洋漁具

聚酯纖維由于具有性價(jià)比高、耐腐蝕性好及強(qiáng)度高等優(yōu)勢(shì)已取代天然纖維,應(yīng)用于捕撈和漁業(yè)工程方面。20世紀(jì)90年代,日本東麗公司推出一種聚芳酯(Vectran)纖維,具有耐磨性、耐切割性、耐沖擊性及耐酸堿性好等優(yōu)勢(shì),已用于釣魚線、繩索等的生產(chǎn)[37]。2017年11月,江蘇恒力化纖股份有限公司聯(lián)合多家科研院所攻克了聚酯纖維材料抗蠕變和抗水解的關(guān)鍵技術(shù)難題,具有抗海水腐蝕、拒紫外線照射等特殊功能,大大提升了聚酯纖維在海洋環(huán)境下的應(yīng)用韌性。2022年9月,江蘇德力化纖有限公司的“高均勻性超柔軟聚酯纖維”、“微細(xì)聚酯纖維”、“親水速干滌綸”、“親水阻燃功能性聚酯纖維”及“親水抗菌功能性聚酯纖維”五款產(chǎn)品通過(guò)省級(jí)新產(chǎn)品鑒定,有望助推聚酯纖維在海洋領(lǐng)域的拓展應(yīng)用[38]。

3 展望

近10年來(lái),雖然我國(guó)聚酯纖維改性技術(shù)取得了很大進(jìn)展,不少改性品種已投入工業(yè)化生產(chǎn),但與國(guó)外先進(jìn)技術(shù)相比,仍存在較大差距,尤其是在海洋工程領(lǐng)域,如水下防護(hù)網(wǎng)、隔離網(wǎng)、過(guò)濾網(wǎng)及防污網(wǎng)用高強(qiáng)高模聚酯纖維,高性能經(jīng)編格柵及土工布用聚酯纖維,抗芯吸輕量化耐磨聚酯纖維,懸浮式海洋油污攔截網(wǎng)和處理收集網(wǎng)用聚酯纖維,以及基于海洋風(fēng)電和海上制氫的海洋清潔能源裝備用聚酯纖維等,開發(fā)應(yīng)用還有很大提升空間。同時(shí),我國(guó)海洋工程用聚酯纖維在設(shè)備、自動(dòng)化控制,以及專業(yè)測(cè)試手段方面還相對(duì)比較薄弱,亟待加強(qiáng)。綠色化、清潔化、差別化、功能化是實(shí)現(xiàn)聚酯纖維可持續(xù)發(fā)展的必由之路。未來(lái),在實(shí)現(xiàn)聚酯纖維綠色、清潔生產(chǎn)的基礎(chǔ)上,應(yīng)進(jìn)一步加強(qiáng)以PET為基材的差別化新型聚酯及其纖維的研發(fā),進(jìn)一步拓寬聚酯纖維在海洋工程領(lǐng)域的應(yīng)用,同時(shí)賦予聚酯纖維功能化,提高產(chǎn)品綜合性能和附加值。