[超仿棉聚酯纤维的开发现状及发展前景]化工行业现状和前景

　　聚酯以及聚酯纤维从20世纪70年代步入大规模工业化以来，其发展速度无论是技术水平还是生产品种，远远大于其他合成材料和合成纤维，聚酯纤维的主要目标市场就是取代和部分取代天然纤维，尤其是棉纤维。2009年世界聚酯产量达到 4 810 万t，聚酯纤维产量达到 3 190 万t，占世界纤维总产量的 45.8%。中国大陆聚酯产量 2 100 万t，聚酯纤维约为 2 200 万t，包括使用再生聚酯生产约 460 万t。今后 10 年，世界聚酯以及聚酯纤维仍将保持 3% 以上的速度增长，聚酯纤维将占世界纤维产品总量的 60% 以上。
　　
　　1超仿棉聚酯纤维的技术发展
　　
　　1.1 大容量直接纺丝技术
　　源自原美国杜邦技术，Chemtex（康泰司）工程公司已经成功开发出超大容量（200 t/d）的直接纺短纤维生产制造技术，即所谓的NGSS（New Generation Staple Spinning）。该技术采用纺丝单部位 8 000 孔的超高密度技术手段，后处理采用干法拉伸，可生产出单丝纤度为 0.88 dtex的纤维，纤维均匀性更好，并可在直接纺生产线上柔性化生产多个品种，例如低起球、抗菌、染色性能改善等高附加值纤维。
　　Oerlikon Neumag（欧瑞康纽马格）公司是一家专业工程公司，在聚酯短纤维生产技术上居国际前列，采用由内向外的丝束冷却方法，原丝均匀性大大提高，单线产能可达400 t/d，由此可以大大降低生产成本。
　　中国大陆连续直接纺大型生产线上开发短纤维新产品首推上海石化，采用对聚酯部分改性和调整，能够生产出 1.3 dtex的超高强涤纶短纤维，单纤维断裂强度超过 6.4 cN/dtex，可用于高速缝纫用缝纫线。
　　1.2改性技术
　　1.2.1改善纤维感观的全消光聚酯
　　从2000年起，欧美和日本开发了改善纤维和织物外观的所谓“聚酯仿棉流行面料”产品，其中主要的技术特点是采用高浓度的TiO2母粒，进行共混纺丝，得到看上去好（looking good），外观优美；感觉好（feeling good），舒适、功能兼具；稳定性好（keeping good），易于护理的面料。它不仅具有光泽柔和的视觉效果，而且又有新颖时尚的感觉，广泛应用于羽绒服、泳衣、高档时装、汽车装饰、居家装饰等领域。由于TiO2同时具有良好的抗紫外线功能，因此全消光面料被业内人士认为将成为聚酯纤维感观仿棉的最合适的技术手段。
　　上海石化采用在聚酯聚合过程中添加TiO2的方法，成功取代了进口母粒，使纺丝加工成本降低了 15% 以上，同时纤维内TiO2的分布更均匀，产品质量更稳定。2008年，上海石化采用液态的纳米级TiO2和聚合工艺进行再优化，开发出了超细纤维专用的全消光聚酯产品。表 1 是钛白粉与其它白色颜料的光学性质对比。
　　
　　1.2.2吸湿排汗性及抗静电改性等
　　纯棉织物具有优良的吸湿透气性，但因其保水率较高，导湿性能较差。所谓“超仿棉”聚酯纤维和纺织品在很大程度上就是同时具有吸湿、快干特性的纤维及面料。
　　目前已经工业化生产的聚酯纤维主要通过物理改性法得到吸湿快干的功能，使纤维具有高比表面积，且具有沟槽截面，利用这些沟槽，织造时纤维和纤维之间形成通道，通过这些沟槽的芯吸效应达到吸湿快干的功效。
　　通过超细化手段，例如 0.55 dtex的短纤维，也能达到吸湿排汗的功能。细旦纤维织制的织物表面立起的细纤维形成无数个微细的凹凸结构，相当于无数个毛细管，因此织物芯吸效应明显增加，能起到传递水分子的作用，大大改善织物的透气性和输水导汗性能。
　　20世纪90年代，美国杜邦公司开发的COOLMAX® 聚酯纤维，是通过异形截面“十”字形和“CO”形来散湿快干的；Optimer公司开发的Dri � Release高吸湿纱线，采用“微混法”，在棉纤维的纺纱过程中，纺入少量的特殊涤纶，把棉和涤纶的优点发挥到最大限度以实现吸湿快干。日本东洋纺开发成功的CoolDry® 涤纶面料，它通过Y形截面来散湿；韩国晓星公司开发的Aerocool新型聚酯纤维，通过像“苜蓿草”的四叶子形的细微沟槽和孔洞来吸湿排汗；东国贸易株式会社研发的I � COOL® 系列纤维，台湾中兴纺织厂开发的Coolplus® 纤维也是通过异形截面的毛细管现象来吸湿排汗。
　　随着技术的不断进步以及市场需求的多元化，很多纤维品牌又在原有性能的基础上进一步细化，衍生出了多个子品牌，从而可用于多个领域。如COOLMAX® 面料在其经典的吸湿排汗性能的基础上，已拥有多个品牌。COOLMAX® ALLSeason面料炎热寒冷皆适宜，可使户外运动爱好者在面临环境变化时还能保持干爽和舒适；COOLMAX® Xtra Life面料的吸湿排汗性能比原来提高 3 倍，织造的袜子能保持脚步更凉快。COOLMAX® EcoMade 面料采用 97% 的回收资源制成（诸如塑料瓶等）；COOLMAX® freshFX® 面料添加了银基，使面料能有效并持久地抗菌。COOLMAX® Everyday面料柔软、轻便透气，针对休闲内衣面料；COOLMAX® Active面料能更快地将汗液从皮肤带到织物表面而快速蒸发，主要针对运动面料；COOLMAX®Extreme Performance面料采用生理贴体设计，适用于极限运动服装。
　　荷兰ADVANSA公司推出的Thermo°CoolTM 纤维是中空纤维和表面凹槽纤维的独特组合，旨在帮助穿着者在外部温度环境和运动强度的变化过程中始终保持体感舒适。运动量大时，凹槽纤维部分加速导湿，而中空纤维则致力于导湿过程中的内循环，从而使运动者感觉舒适；当运动量较小时，本身更轻的中空纤维起到热缓冲的作用，在不影响排湿的情况下保持穿着者的体温。Thermo°CoolTM 可应用于多种产品中，如运动服、时装、防水透气面料以及手套、靴子等中。另外，Thermo°CoolTM 纤维还开发出了系列产品，如Thermo°CoolTM Fresh纤维添加银离子可使织物有清新的感觉；Thermo°CoolTM &Tencel® 则是Thermo°CoolTM 纤维和Tencel® 的创新组合。
　　亲水性的化学改性法主要是用一定分子量的聚乙二醇进行共聚，使纤维表面具备永久的亲水化，同时也在一定程度上具有抗静电性。上海石化在以往开发异形截面吸湿排汗涤纶短纤的基础上，近期又成功开发了具有永久亲水功能的纺丝级共聚酯。
　　1.2.3染色改性、有色纤维
　　从20世纪50年代起，日本和美国开始研究聚酯的染色问题，1958年杜邦公司为了改进聚酯纤维的可染性，添加 2%（mol%）间苯二甲酸二甲酯 � 5 � 磺酸钠（SIPM）作为第 3 组分制成了名为“达克纶T64”的共聚品种。近期，美国Invista（英威达）公司将此类产品进一步升级成为大批量规模化的直接纺工艺。
　　进入21世纪以来，纺前着色聚酯纤维生产技术日益受到推崇。纺前着色是指将着色剂加入到聚合物熔体中，从而使着色剂能永久地存在于纤维中，并均匀分布在纤维内。这一技术优势比较明显，纤维对于紫外光、漂白剂和臭氧均有较好的色牢度；在恶劣环境下，迁移稳定性很好，批与批之间的染色均匀性好；生产工艺对环境友好（高效节能，因为纤维的染色和纺丝能同时完成，并且此工艺中无须用水，而传统的染色工艺耗水量大，可能需进行污水处理，同时由于染浴中只有 85% 左右的染料可被纤维吸收，染浴中仍留有部分分散染料，会造成环境污染）；产量高，废品少，产品颜色选择范围广，可将常规产品较容易地变为高附加值纤维。瑞士EMS公司和德国Lurgi Zimmer（鲁奇吉玛）公司等开发了熔体直纺在线熔体染色技术，其技术核心是在线染色均匀性高，能实现不同颜色的连续化批量生产。
　　现阶段国内第 3 组分和第 4 组分已可批量化供应市场，采用连续聚合方法和PTA法的工业化生产也有报道，例如分别采用一种外观为澄清粘稠液体、含量为 40%、溶于EG的 SIPE（间苯二甲酸二乙二醇酯 � 5 � 磺酸钠），以及平均分子量为 3 700 ～ 9 000 的白色固体聚乙二醇（PEG）为第 3 和第 4 组分生产的ECDP，其生产过程如图 1 所示。
　　
　　桐昆集团恒能公司年产 40 万t的聚酯熔体直纺项目于2009年投产，可生产 50 ～ 600 D全系列的半消光、大有光、全消光和阳离子涤纶长丝产品，以超细旦产品为主。熔体直纺染色改性纤维技术的应用使桐昆集团的产业规模和产品结构得到进一步优化，市场地位进一步巩固。
　　用分散染料在常压沸染条件下不可能在涤纶上获得较高的上染百分率。EDDP属于共聚醚酯型染色改性，是在聚酯结构的基础上适当引入聚醚段，这样就可在基本保持PET骨架的基础上（从而可以保持PET的诸多优点），使超分子结构变得松弛，从而实现沸染的目标。但必须看到问题的另一面，如果引入聚醚段过多，虽然染色会变得更容易，但会使其丧失PET的某些优良特性，因此该工艺的主要难点在于把握适当的改性程度。目前，国内批量化生产的技术还不很成熟，难点主要在于如何控制聚醚链段长度和在大分子链段中的合适位置。
　　2007年德国Trevira公司（已被印度Reliance公司收购）开发了“SWARANG”有色涤纶短纤维和长丝，其技术特点包括了在大分子链端中嵌入载色体化学基团，不会造成掉色和环保问题，更强的转移染色牢度，减少分步染色过程，由此可以有效降低水用量，使在线染色更容易，相比之前的无机纺前颜料染色和湿法纱线染色更具成本竞争力。
　　
　　1.2.4功能性添加型
　　与天然棉花相比，普通聚酯纤维在功能性上还有一些差距，因此，前 10 年聚酯纤维差别化开发的主要目标是进一步提高聚酯纤维的附加功能。其中最主要的是通过添加有机和无机添加剂使纤维具有远红外发射、负离子发射、抗菌、抗紫外线等性能。
　　远红外聚酯纤维是吸收外界能量如太阳能或人体自身的体热，再辐射给人体，促进人体的血液循环和新陈代谢。目前远红外聚酯纤维广泛用于护肩、护腕、护膝、护腰等保健品及作为内衣、袜子和被子的填充絮棉等。生产技术主要有3 种：一是在聚合过程中添加远红外辐射物质，二是在纺丝过程中添加远红外母粒，三是将远红外母粒与常规聚酯进行复合纺丝，其中第 2 种方法最常用。
　　防紫外线聚酯纤维织物可屏蔽辐射人体的紫外线，使人体免受伤害。其生产方法是将紫外线屏蔽剂与聚酯共混纺丝或皮芯复合纺丝，紫外线屏蔽剂主要有氧化锌和作为消光剂的二氧化钛。日本可乐丽公司在防紫外线聚酯纤维的开发方面处于领先地位，其产品以氧化锌为紫外线屏蔽剂。上海石化使用美国Eastman（伊士曼）化工公司的OB � 1作为防紫外线添加剂，效果也很理想，而且纤维的其它物化性能也不受影响。
　　抗菌、消臭纤维可抑制细菌的产生或加速恶臭物质的分解，尤其适用于袜子、鞋垫及卧床病人的用品等。抗菌剂的种类多种多样，包括金属离子、二苯基醚及其衍生物、季胺盐类物质等。目前聚酯纤维常用的抗菌剂主要为含有银、锌等离子的泡沸石及陶瓷微粉末，日本帝人、东丽、钟纺等公司均有该类产品。日本还将海底火山喷发出的 3 种天然矿石超微粒化，然后混入聚酯中进行纺丝，所得纤维称为奥拉纤维（AURA），这种纤维的消臭性和抗菌性优良。
　　1.3适合环保和安全的产品开发
　　所谓“适合环保和安全”聚酯纤维产品的开发主要围绕 4 大目标，一是采用新技术新工艺降低原料合成和整个加工链的能耗、物耗及污染；二是开发能替代石油资源的原料，以提高可持续发展性；三是从纺织原料的角度出发对纤维进行改性，以提高加工性能和环保性能；四是纤维产品的循环利用。
　　1.3.1无重金属聚酯
　　传统的聚酯合成一般采用锑系催化剂，生产工艺决定了催化剂参与反应后滞留在产品内，按照Oeko � Tex® Standard l00标准，可提取重金属（锑）含量被检出的可能性比较大，因此欧洲、日本等一些公司多年来非常重视对非重金属催化剂的研究。钛系聚酯催化剂的研发及其应用是聚酯合成催化剂的重要发展方向之一。
　　上海石化已经在连续化装置上采用国产的钛系催化剂成功生产出无重金属大有光、半消光和全消光聚酯切片，纺丝及后加工状况良好，符合美国食品和药物管理局（FDA）有关安全和卫生的指标。相对锑系催化剂，其残留在产品中的催化剂含量降低至原先的 1% 以下，因此可有效提高产品的洁净程度以及产品的服用安全性。
　　1.3.2可生物降解聚酯
　　芳香族无规共聚酯PBTS（Ecoflex®），其单体包括己二酸、对苯二甲酸、1，4 � 丁二醇，目前生产能力在 14 万t/a，主要产品包括美国伊士曼的EastarBio®，美国Showa的Bionelle® 产品（日本的Showa Highpolymer和韩国SK Chemicals向其提供树脂），SK Chemicals的Sky Green BDP® 以及美国杜邦的Biomax® 等等。该类产品可在正常堆肥条件下完全生物降解。
　　除应用于做薄膜和涂层料外，还可通过熔融纺丝抽成单组分或双组分固结纤维，或纺粘、熔喷非织造布。纺粘产品为半结晶体，具有弹性、良好的悬垂性、柔软的手感、不会发出声响等特点。
　　该产品开拓了众多用可弃和限次使用领域，包括无菌医疗用盖布、外科手术包装料、揩拭布、吸液芯材、适体卫生用品、育种垫、地面覆盖和其它季节性农业/园艺织物、热成形产品和各种层合材料。这种材料可满足美国和欧盟国家直接和食品接触的卫生要求，达到甚至超过德国DIN标准所规定的生物可降解指标，符合日本可降解塑料学会和美国堆肥（处理）协会的要求。
　　中国石化、北京化工研究院、上海石化已经成功开发可降解聚酯（PBTS），并已经可以批量供应市场。
　　
　　2超仿棉聚酯纤维的发展前景
　　
　　2.1市场定位和技术经济可行性
　　“超仿棉”聚酯纤维批量化和工业化的成功与否，在很大程度上取决于该产品的市场定位和技术经济的可行性。与“差别化”产品开发概念不尽相同，“超仿棉”大部分的市场定位应当是现有常规涤纶的升级换代产品，例如，在不大幅降低涤纶物理机械性能和纺织加工性能的条件下，对其进行物理改性和化学改性，使“超仿棉”纤维不仅具有外观的“仿棉”，还要提高染色性、吸湿性、安全环保性等性能。
　　采用钛系催化剂、醇改性的亲水性共聚酯、超细纤维级全消光仿棉型聚酯等都已经在大型连续聚酯生产线上实施生产，比如上海石化等公司，其开发的产品已具备了技术和经济的可行性。
　　2.2产业链利益的优化和协调
　　作为“超仿棉”纤维的原料生产商，更应当重视聚酯产业链的可持续发展。近 30 年来，涤纶短纤不断升级换代，最早开发的“棉型”1.67 dtex短纤的强度只有 2.5 ～ 3.5 cN/dtex，断裂伸长率为 30% ～ 40%，但棉型感很强；为适应中国纺织加工业的发展和市场需求，进一步将纤度降低至 1.56 dtex，同时提高模量、降低伸长率，虽逐步丧失了棉型感，但涤纶本身的特点非常明显；之后，为进一步提高纺织加工效率并改善手感，短纤纤度进一步降低至 1.3 dtex，使织物的手感得到有效改善。化纤行业通过技术创新和观念创新，未将新增成本转嫁至产业链的下游生产环节，而是通过技术进步（如大容量生产线、高开孔密度喷丝板等）、扩大生产量以及降低物耗和能耗等手段来抵消新增成本。同时尽可能地适应纺织业和印染后整理的技术加工水平，完善纤维的纺织加工性能，稳定产品质量，降低产品成本，吸引更多的用户。
　　上游企业在很大程度上应充分关注如何为下游产业提高生产率和节能减排，片面追求局部利益的最大化对产业链健康发展不利。对于聚酯纤维产业链来说，聚酯改性、纤维改性比纺纱、织造、染整差异化处理的投入低，能耗低，对环境的影响也相对较小。
　　
　　链接
　　一项调查表明，目前我国服用进口面料主要是化纤产品，占进口面料总数的 60% 左右，主要来自韩国、中国台湾、中国香港、日本等国家和地区。而服装企业选用进口面料的主要原因是国产化纤面料的外观风格、手感性能、疵点、悬垂性（成形性）、颜色这 5 方面的质量较差。经分析，中高档化纤面料进口产品的主体为涤纶差别化长丝面料，少部分为其它新型化纤面料及其混纤面料。
　　目前，日本、韩国和中国台湾等化纤业发达地区的最新面料的纤维组成已经发展到 2 ～ 4 种，多的达 5 ～ 6 种，通过纤维结构变化和织物组织结构的变化，实现仿真、超仿真效果，已成为发展趋势。但现阶段我国新型化纤的性能还不稳定，应用还不普遍，因此部分仿真面料中的新型化纤由国外公司提供。但由于一些面料开发企业缺少对原料的了解，开发后达不到高档原料制得高档面料的要求。
　　日本在化纤原料开发方面处于世界领先地位。针对面料的最终风格，开发出异形截面、超细、高收缩、多成分共聚等新型纤维。通过对纤维结构、纱布结构进行综合设计，巧妙复合了化纤、纺织、染整各领域技术进步成果开发出了“仿真、超仿真”的新合纤面料。
　　台湾地区化纤企业在各种功能性纤维、仿真纤维、超细纤维的研发生产上与欧、美、日等国家和地区并驾齐驱，有些新产品处于世界领先地位，特别是在吸湿、排汗、速干、瞬间凉感等新型纤维的开发上可圈可点。
　　
　　对话
　　嘉宾名片
　　东华大学高性能纤维制品研究室主任、材料科学与工程学院教授王华平
　　太仓市金辉化纤实业有限公司董事长、高级经济师谈 辉
　　江苏德赛化纤有限公司总经理潘鸿庆
　　
　　怎么理解“超仿棉”？
　　王华平：到目前为止，可以说，聚酯纤维仿棉主要经历了 3 个阶段：第一阶段是从形态、形貌上仿；第二阶段是从性能上仿，比如起毛起球性等，从单个指标上来比对，有一些指标是能达到棉纤维的水平的，而有些指标则有较大差距，比如染色、光泽等；目前提到的“超仿棉”很重要的一点是要关注它的最终应用，是从功能上定位的，这样就使评价体系不以单个指标为准，是一个综合评判的过程。比如超仿棉面料开发出来后，首先看上去要像棉织物，摸上去像棉织物，穿起来也要像棉织物。另外，涤纶在某些性能或功能上确实优于棉花，因此在纤维及面料开发过程中怎么充分利用涤纶本身的优势也有很大学问。因此，超仿棉产品体系的设计应以“1＋x”形式为主，1 代表以仿棉为主，目标定位实际上是颜色、光泽、手感及基本性能上跟棉花相当，而“x”是指根据终端市场的一些应用要求进行某项或某几项功能的强化，目的是希望不仅能达到棉制面料的感官性能，同时在舒适性、功能性上也有大的提升，在这个基础上再融合一些人体工程学的设计理念，符合人性化需求。
　　当然在这个过程中要尽量避免棉纤维的一些固有缺陷。比如我们很关注纤维的回潮率和亲水性。从功能角度来说，一种纤维材料或一块面料的回潮率不能太高，因为太高容易影响其舒适性，因此就要提高纤维或面料的温湿度调控能力，实现吸放湿的动态效应，保证穿着者舒适。这是超仿棉涤纶很重要的一点。
　　谈辉：日本在20世纪80年代就提出了“新合纤”的概念，而我国“超仿棉”概念是在“十一五”发展纲要才正式提出的。虽然近年来我国化纤的总产能在全世界保持领先，但差别化率与功能性纤维的开发与世界发达国家相比还有较大差距。所有的材料都有优点和缺点，现在谈“超仿棉”涤纶，就是尽量达到棉的优点，并克服它的一些缺陷。首先是“仿”，从视觉和触觉等直接感观上，使涤纶织物在形态、光泽、手感上达到棉织物的质感；其次是“超”，从特性和功能诉求上，一方面保留棉织物的优点，另一方面从改变棉在应用上的局限和缺点入手，最终实现棉所无法达到或满足的功能。
　　潘鸿庆：“超仿棉”聚酯纤维有两层意思，一是作为化纤，在某些功能上是否可以超越棉花，二是在舒适性方面却超级像棉花的化纤。如果将其定义为全面超越棉花的化纤，从技术角度来说还不成熟，但在功能性方面完全可以利用物理或化学改性实现对棉花的超越。当然棉花是目前舒适性最好的纤维，化纤要超越它还有一大段路要走，这也是世界性的难题。
　　
　　从企业角度怎样完善超仿棉聚酯的产品开发及应用？
　　谈辉：从加工层面上来说，这是一个化学与物理过程在纤维上共同作用的过程；从应用层面上说，需要整个产业链协同合作，只有发挥好各自的优势和强项才能完成。目前太仓金辉已经同织造、印染后整理、服装等产业链下游行业开展了紧密合作，并按终端用户的要求逐步改进。
　　进入21世纪以来，尤其是随着中国经济全球化进程的深入，所有行业都面临着一个超竞争时代的来临，有序健康的竞争才会带动和促进行业的进步和产业的快速发展。
　　潘鸿庆：2010年棉价已突破 3 万元/t，预计今后将长期稳定在 2 万元/t以上，这给化纤企业带来了机会也提出了新的要求。比如在家纺行业，一些不跟皮肤直接接触的产品，使用化纤是完全没问题的，而在与皮肤接触类的家纺产品当中，怎么解决化纤产品舒适性是个重要课题。事实上，化纤和棉花并不是单纯的竞争关系，关键是怎样优势互补。20世纪70、80年代的混纺产品以涤纶为主，棉花为辅，比如涤/棉（70/30），后来为了解决舒适性的问题，把棉花含量提高了，变成棉/涤（70/30）。
　　在超仿棉涤纶产品的开发中，如果把涤纶的功能性和一些特性如强度、悬垂感充分发挥出来，加上仿棉的舒适性，将来如果能将混纺织物中涤纶短纤的用量从目前的30% 再增至 40% ～ 50%，这就对下游行业的原料来源起了很大的作用，不一定百分之百要代替棉花。
　　目前在超仿棉涤纶短纤的开发方面，德赛化纤已同一些科研院所展开合作，一是解决涤纶的吸湿、导湿，另外，静电、起毛起球等也是较突出的问题。