CN102586940A - 一种生物质聚酯短纤及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种生物质聚酯短纤及其制备方法，将对苯二甲酸与生物质混合多元醇按摩尔比1∶1.05～1∶1.5配置成浆料，进行酯化、缩聚反应，制得生物质聚酯切片，生物质多组分多元醇包括如下重量比组分：乙二醇90～99.2wt％，1，2-丙二醇0.4～5wt％，1，2-丁二醇0.2～2wt％，戊二醇0.1～2wt％，山梨醇0.1～1wt％；利用常规聚酯纺丝设备将生物质聚酯切片进行加工获得本发明绿色生物质聚酯短纤，工序中控制特定的工序参数；本发明的一种绿色生物质聚酯短纤原料切片来源于生物质，减少了对石油资源的依赖，缓解了能源紧张的局面。生物质二元醇成分固定，获得产品质量稳定可控，制得的短纤维亲水性好，柔软性好，印染效果极佳，水洗牢度和熨烫牢度高，应用领域广。

Description

一种生物质聚酯短纤及其制备方法

技术领域

本发明涉及一种短纤及其制备方法，特别是涉及一种生物质聚酯短纤及其制备方法。

背景技术

聚酯涤纶纤维本身具有优异的性能和低廉的价格，是我国三大合成纤维中最具代表性、产量最大的纤维品种，而其主要原料乙二醇基本来源于石油工业产品，因此，从行业可持续发展的角度，必需寻找能替代石油基乙二醇的新材料和新工艺，使聚酯行业能有效规避石化原料持续上涨的价格风险。

最近以生物基乙二醇作为石油基乙二醇的一种替代补充产品，受到越来越越多的关注。如杜邦公司通过对玉米进行发酵，经过生物和化工过程，制得1，3-丙二醇，开发出了含有约36wt％来源于生物质的聚对苯二甲酸丙二醇酯(PTT)，并成功的运用到服装、薄膜、工程塑料等领域。而长春大成集团首先利用玉米为原料，通过生物发酵和化工氢化裂解方法，成功开拓世界上第三条以玉米为资源生产生物基二元醇的工业化路线。此类生物基乙二醇也可直接作为聚酯工业的原料，并可利用现有的聚合设备与精对苯二甲酸进行酯化，再缩聚，制得纺丝性能和染色性能比现有聚酯更为优异的新型共聚酯纤维PDT(聚对苯二甲酸多组分二元醇酯，PolyDihydricalcoholsTerephthalate)。目前，此类PDT聚酯纤维制备的现有技术并不成熟，比如现在只停留在对乙二醇含量进行标示，并没有单独限定生物基乙二醇中其余多元醇如丙二醇、丁二醇、山梨醇等的含量，如东华大学在CN200610028411.7专利中公开了一种玉米基乙二醇的制备方法，以及利用该方法制备得到的乙二醇直接聚合制备PDT共聚酯纤维的方法，得到多组分多元醇的成分稳定，其限定了乙二醇和丙二醇的含量，却没有涉及到其余组分含量以及后续纤维纺丝工艺的设计，这样容易导致聚酯本身性能指标的不稳定，继而影响后续的纺织品(例如短纤)的纺丝过程，无法满足工厂批量生产，不方便厂家对产品参数进行控制，所得纺织品的在品质及稳定性上存在不足。

有鉴于此，本发明人针对所述问题，提出了一种生物质聚酯短纤及其制备方法，本案由此产生。

发明内容

本发明的一目的是提供一种生物质聚酯短纤，其采用的原料为生物质，缓解了石油能源短缺的压力，而且所得的生物质聚酯短纤具有品质优异、性能稳定等特点。

本发明的另一目的是提供一种生物质聚酯短纤的制备方法，其制备的工艺简单，所制得的生物质聚酯短纤具有高质量、稳定性好、品质优异等特点。

一种生物质聚酯短纤，主要由摩尔配比为1∶1.05～1∶1.5的苯二甲酸、生物质多组分多元醇制备而成，该生物质多组分多元醇包括如下重量比组份：乙二醇90～99.2wt％，1，2-丙二醇0.4～5wt％，1，2-丁二醇0.2～2wt％，戊二醇0.1～2wt％，山梨醇0.1～1wt％；所述生物聚酯短纤的长度为38～76mm，纤度为0.8～7dtex，强度为3.5～6cN/dtex，伸长率为20～40％。

上述对苯二甲酸与生物质多组分多元醇的摩尔比为1∶1.2～1∶1.5。

上述生物质多组分多元醇由生物发酵后提纯制得。

一种生物质聚酯短纤的制备方法，包括以下步骤：

(1)将对苯二甲酸与生物质多组分多元醇按照1∶1.05～1∶1.5的摩尔比配制成浆料；上述生物质多组分多元醇包括如下重量比组份：乙二醇90～99.2wt％，1，2-丙二醇0.4～5wt％，1，2-丁二醇0.2～2wt％，戊二醇0.1～2wt％，山梨醇0.1～1wt％；

(2)将配置好的浆料加入酯化反应釜进行酯化反应，再进行缩聚反应，经过缩聚反应制得生物质聚酯；

(3)将制得的上述生物质聚酯切片干燥，之后再将上述切片依次进行前纺、后纺工序，即可得生物质聚酯短纤；

上述前纺工序中，将切片挤压熔融后依次经过熔体过滤器、纺丝组件、卷绕集束，最后落桶，其中控制纺丝温度为270～300℃，纺丝速度为800～1500m/min；后纺工序包括并束、导丝、预拉伸、一道拉伸、二道拉伸、紧张热定型、上油、卷曲、松弛热定型，最后切断打包，其中控制拉伸温度为60～80℃，预拉伸倍率为1.02～1.10，一道拉伸倍率为2.80～3.20，二道拉伸倍率为1.05～1.15。

上述酯化反应的温度为225～280℃，时间为0.5～4h，相对压力为0～0.3MPa。

上述缩聚反应的温度保持在260～290℃，持续反应时间为2～6h。

上述对苯二甲酸与生物质多组分多元醇的摩尔比为1∶1.2～1∶1.5。上述酯化反应还加入钛系催化剂和/或锑系催化剂，加入量为120～550ppm，基数为上述对苯二甲酸的质量；上述钛系催化剂为二氧化钛和/或钛酸四丁酯，上述锑系催化剂为三氧化二锑、醋酸锑、乙二醇锑中的一种或多种。

上述酯化反应还加入热稳定剂和/或抗氧化剂，该热稳定剂的加入量为所述对苯二甲酸的0～0.02wt％，该抗氧化剂的加入量为所述对苯二甲酸的0～0.03wt％。

上述抗氧化剂为抗氧化剂1010、抗氧化剂168、抗氧化剂616中的一种或几种，上述热稳定剂为磷酸三甲酯、烷基磷酸二酯、三壬苯基亚磷酸酯中的一种或几种。

本发明的一种生物质聚酯短纤，采用的切片为新型绿色生物质聚酯(聚酯PDT)切片，其所用的生产原料多组分多元醇来源于生物质工业淀粉原料，如玉米、小麦、土豆、地瓜、甜菜、甜高粱、菊芋和木薯等等农作物产品或者秸秆，其中涉及的多组分二元醇也可由常规石油基乙二醇和生物质多组分多元醇混合使用，各组分含量满足上述要求即可。

所述的一种绿色生物质聚酯短纤，其生产工艺可以在常规普通聚酯短纤的生产设备上直接进行，无需对设备进行任何改动，但对其的工艺参数，如纺丝温度、纺丝速度、拉伸温度、预拉伸倍率、一道拉伸倍率及二道拉伸倍率有特别的要求，产品适应工厂模式，可工业化生产。

所述的一种绿色生物质聚酯短纤，可以是某种功能性短纤，使用上述原料切片与某种功能性母粒或功能添加剂共混纺丝，如添加纳米银系无机抗菌剂共混后纺丝而制备得到的纤维可具有良好的抗菌效果，或者与远红外剂进行熔纺获得远红外短纤，或者是导电、抗静电、阻燃、抗紫外、磁性、芳香和消臭等等功能性短纤，不再赘述。

本发明的一种绿色生物质聚酯短纤，与现有技术相比，其有益效果为：

1)原料采用独特的新型绿色生物质聚酯(聚酯PDT)切片，聚酯PDT切片的原料为多组分多元醇，并非传统的石油基乙二醇，因此从本质上改善了化纤行业对石油化工行业的依赖性，对企业低碳排放、节能降耗有重要意义，是一种绿色可再生资源型产品，而且有利于环境保护和可持续发展；

2)首次明确限定聚酯PDT切片中多组分多元醇中各个多元醇的含量，并可对含量进行调控，而且根据混合多元醇含量的变化，对聚合工艺进行相应的调控，能充分保证原料聚酯的质量，从根本上保证后续生产短纤的高质量和稳定性；

3)本发明提出并确定了一种新型绿色生物质聚酯短纤的工艺条件，不同于常规PET聚酯短纤，其在长链大分子中引入-CH3，增加了一定数量的支链，非晶态结构增加，共聚物的熔点有所下降，因此本产品具有其独特的纺丝工艺要求，如纺丝过程的温度相比PET低；另外该生产工艺可以在常规普通聚酯短纤的生产设备上直接进行，无需对设备进行任何改动，通过调整纺丝工艺参数即可生产，方便可行；

4)本发明的绿色生物质聚酯短纤，与常规聚酯短纤相比，强度低，柔软性好，可低温染色，印染效果极佳，水洗牢度和熨烫牢度高PET半级，且具抗静电和低起球效果，可广泛使用于非织造，经纺成纱线后，可用于机织、纬编针织、经编针织类织物及复合材料的粘合性纤维等等领域。

由此，本发明的一种绿色生物质聚酯短纤，其原料切片来源于生物质，减少了对石油资源的依赖，缓解了能源紧张的局面；生物质二元醇成分固定，获得产品质量稳定可控；制得的短纤维亲水性好，柔软性好，印染效果极佳，水洗牢度和熨烫牢度高，应用领域广。

具体实施方式

下面结合具体实施方式，进一步阐述本发明。应理解，这些实施例仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围。此外应理解，在阅读了本发明讲授的内容之后，本领域技术人员可以对本发明作各种改动或修改，这些等价形式同样落于本申请所附权利要求书所限定的范围。

实施例1

原料生物聚酯PDT为连续式聚合工艺生产，即将对苯二元酸与生物质多组分多元醇按照1∶1.05的摩尔比配制成浆料，经过酯化反应、缩聚反应，制得生物质聚酯(聚酯PDT)；其中，生物质多组分多元醇由生物质工业淀粉发酵后制得，其包括如下重量比组份：乙二醇90wt％，1，2-丙二醇5wt％，1，2-丁二醇2wt％，戊二醇2wt％，山梨醇1wt％；酯化反应的温度为280℃，相对压力为0.3MPa；缩聚反应温度约保持在290℃，持续时间为6h；上述酯化反应中还加入催化剂、热稳定剂及抗氧化剂，其中催化剂为二氧化钛，加入量为500ppm，热稳定剂为三氧化二锑，加入量为0.02wt％，抗氧化剂为抗氧化剂1010，加入量为0.03wt％，所述催化剂、热稳定剂和抗氧化剂的加入量的基数都为所述对苯二甲酸的质量。

采用上述所得的生物质聚酯制备生物聚酯短纤的生产方法如下：

1、切片干燥

首先将生物质聚酯进行切片，再将该切片经真空转鼓干燥，干燥温度为160℃，干燥时间4h，干燥后切片含水量降低到30ppm以下。

2、前纺

将上述干燥后的切片送入螺杆装置，待挤压熔融后分别经过熔体过滤器、纺丝组件、卷绕集束，最后进行落桶。

3、后纺

后纺工序依次为：并束、导丝、预拉伸、一道拉伸、二道拉伸、紧张热定型、上油、卷曲、松弛热定型、切断、打包至成品生物质聚酯短纤。

上述各工序的详细工艺参数如下表1所示，其中，纺丝温度(即箱体熔体温度)为270℃，纺丝速度为800m/min，拉伸温度(即牵伸浴槽温度)为60℃，预拉伸倍率为1.10，一道拉伸倍率为3.20，二道拉伸倍率为1.15；通过上述工艺，所生产得到的该绿色生物质聚酯短纤指标为：短纤长度为51mm，纤度为1.5dtex，强度为4cN/dtex，伸长率为20％。

表1 一种绿色生物质聚酯短纤的生产工艺参数

实施例二

原料生物聚酯PDT为连续式聚合工艺生产，即将对苯二元酸与生物质多组分多元醇按照1∶1.5的摩尔比配制成浆料，经过酯化反应、缩聚反应，制得生物质聚酯；其中，生物质多组分多元醇由生物质工业淀粉发酵后制得，其包括如下重量比组份：乙二醇99.2wt％，1，2-丙二醇0.4wt％，1，2-丁二醇0.2wt％，戊二醇0.1wt％，山梨醇0.3wt％；酯化反应的温度为225℃，相对压力为0.1MPa；缩聚反应温度约保持在260℃，持续时间为2h；上述酯化反应中还加入催化剂、热稳定剂及抗氧化剂，其中加入催化剂为钛酸四丁酯，加入量为120ppm，热稳定剂为烷基磷酸二酯，加入量为0.002wt％，抗氧化剂为抗氧化剂168，加入量为0.003wt％，所述催化剂、热稳定剂和抗氧化剂的加入量的基数都为所述对苯二甲酸的质量。

采用上述所得的生物质聚酯制备生物聚酯短纤的生产方法如下：

1、切片干燥

首先将生物质聚酯进行切片，再将该切片经真空转鼓干燥，干燥温度为160℃，干燥时间4h，干燥后切片含水量降低到30ppm以下。

2、前纺

将上述干燥后的切片送入螺杆装置，待挤压熔融后分别经过熔体过滤器、纺丝组件、卷绕集束，最后进行落桶。

3、后纺

后纺工序依次为：并束、导丝、预拉伸、一道拉伸、二道拉伸、紧张热定型、上油、卷曲、松弛热定型、切断、打包至成品生物质聚酯短纤。

上述各工序的详细工艺参数如下表2所示，其中，纺丝温度为300℃，纺丝速度为1500m/min，拉伸温度(即牵伸浴槽温度)为60℃，预拉伸倍率为1.02，一道拉伸倍率为2.8，二道拉伸倍率为1.05；通过上述工艺，所生产得到的该绿色生物质聚酯短纤指标为：短纤长度为38mm，纤度为0.8dtex，强度为6cN/dtex，伸长率为25％。

表2.一种绿色生物质聚酯短纤的生产工艺参数

实施例三

原料生物聚酯PDT为连续式聚合工艺生产，即将对苯二元酸与生物质多组分多元醇按照1∶1.2的摩尔比配制成浆料，经过酯化反应、缩聚反应，制得生物质聚酯；其中，生物质多组分多元醇由生物质工业淀粉发酵后制得，其包括如下重量比组份：乙二醇95wt％，1，2-丙二醇3.1wt％，1，2-丁二醇1wt％，戊二醇0.8wt％，山梨醇0.1wt％；酯化反应的温度为225℃，相对压力为0.2MPa；缩聚反应温度约保持在260℃，持续时间为3h；上述酯化反应中还加入催化剂、热稳定剂及抗氧化剂，其中加入催化剂为三氧化二锑，加入量为300ppm，热稳定剂为三壬苯基亚磷酸酯，加入量为0.001wt％，抗氧化剂为抗氧化剂616，加入量为0.002wt％，所述催化剂、热稳定剂和抗氧化剂的加入量的基数都为所述对苯二甲酸的质量。

采用上述所得的生物质聚酯制备生物聚酯短纤的生产方法如下：

1、切片干燥

首先将生物质聚酯进行切片，再将该切片经真空转鼓干燥，干燥温度为160℃，干燥时间4h，干燥后切片含水量降低到30ppm以下。

2、前纺

将上述干燥后的切片送入螺杆装置，待挤压熔融后分别经过熔体过滤器、纺丝组件、卷绕集束，最后进行落桶。

3、后纺

后纺工序依次为：并束、导丝、预拉伸、一道拉伸、二道拉伸、紧张热定型、上油、卷曲、松弛热定型、切断、打包至成品生物质聚酯短纤。

上述各工序的详细工艺参数如下表3所示，其中，纺丝温度为290℃，纺丝速度为1000m/min，拉伸温度(即牵伸浴槽温度)为60℃，预拉伸倍率为1.08，一道拉伸倍率为2.86，二道拉伸倍率为1.10；通过上述工艺，所生产得到的该绿色生物质聚酯短纤指标为：短纤长度为76mm，纤度为7dtex，强度为5cN/dtex，伸长率为40％。

表3.一种绿色生物质聚酯短纤的生产工艺参数

实施例四

原料生物聚酯PDT为连续式聚合工艺生产，即将对苯二元酸与生物质多组分多元醇按照1∶1.2的摩尔比配制成浆料，经过酯化反应、缩聚反应，制得生物质聚酯；其中，生物质多组分多元醇由生物质工业淀粉发酵后制得，其包括如下重量比组份：乙二醇95wt％，1，2-丙二醇2wt％，1，2-丁二醇1.5wt％，戊二醇0.5wt％，山梨醇1wt％；酯化反应的温度为240℃，相对压力为0.2MPa；缩聚反应温度约保持在280℃，持续时间为5h；上述酯化反应中还加入催化剂、热稳定剂及抗氧化剂，其中加入催化剂为醋酸锑，加入量为300ppm，热稳定剂为磷酸三甲酯、烷基磷酸二酯，加入量各为0.001wt％，抗氧化剂为抗氧化剂168、抗氧化剂616，加入量各为0.001wt％，所述催化剂、热稳定剂和抗氧化剂的加入量的基数都为所述对苯二甲酸的质量。

采用上述所得的生物质聚酯制备生物聚酯短纤的生产方法如下：

1、切片干燥

首先将生物质聚酯进行切片，再将该切片经真空转鼓干燥，干燥温度为160℃，干燥时间4h，干燥后切片含水量降低到30ppm以下。

2、前纺

将上述干燥后的切片送入螺杆装置，待挤压熔融后分别经过熔体过滤器、纺丝组件、卷绕集束，最后进行落桶。

3、后纺

后纺工序依次为：并束、导丝、预拉伸、一道拉伸、二道拉伸、紧张热定型、上油、卷曲、松弛热定型、切断、打包至成品生物质聚酯短纤。

上述各工序的详细工艺参数如下表4所示，其中，纺丝温度为290℃，纺丝速度为1100m/min，拉伸温度(即牵伸浴槽温度)为80℃，预拉伸倍率为1.02，一道拉伸倍率为3.10，二道拉伸倍率为1.10；通过上述工艺，所生产得到的该绿色生物质聚酯短纤指标为：短纤长度为51mm，纤度为1.5dtex，强度为3.5cN/dtex，伸长率为20％。

表4.一种绿色生物质聚酯短纤的生产工艺参数

实施例五

原料生物聚酯PDT为连续式聚合工艺生产，即将对苯二元酸与生物质多组分多元醇按照1∶1.1的摩尔比配制成浆料，经过酯化反应、缩聚反应，制得生物质聚酯；其中，生物质多组分多元醇由生物质工业淀粉发酵后制得，其包括如下重量比组份：乙二醇96wt％，1，2-丙二醇2wt％，1，2-丁二醇1wt％，戊二醇0.5wt％，山梨醇0.5wt％；酯化反应的温度为260℃，相对压力为0.15MPa；缩聚反应温度约保持在275℃，持续时间为3h；上述酯化反应中还加入催化剂、热稳定剂及抗氧化剂，其中加入催化剂为二氧化钛和乙二醇锑，加入量各为200ppm，热稳定剂为磷酸三甲酯、烷基磷酸二酯，加入量各为0.001wt％，抗氧化剂为抗氧化剂1010、抗氧化剂616，加入量各为0.002wt％，所述催化剂、热稳定剂和抗氧化剂的加入量的基数都为所述对苯二甲酸的质量。

采用上述所得的生物质聚酯制备生物聚酯短纤的生产方法如下：

1、切片干燥

首先将生物质聚酯进行切片，再将该切片经真空转鼓干燥，干燥温度为160℃，干燥时间4h，干燥后切片含水量降低到30ppm以下。

2、前纺

将上述干燥后的切片送入螺杆装置，待挤压熔融后分别经过熔体过滤器、纺丝组件、卷绕集束，最后进行落桶。

3、后纺

后纺工序依次为：并束、导丝、预拉伸、一道拉伸、二道拉伸、紧张热定型、上油、卷曲、松弛热定型、切断、打包至成品生物质聚酯短纤。

上述各工序的详细工艺参数如下表5所示，其中，纺丝温度为290℃，纺丝速度为1500m/min，拉伸温度(即牵伸浴槽温度)为60℃，预拉伸倍率为1.10，一道拉伸倍率为3.00，二道拉伸倍率为1.15；通过上述工艺，所生产得到的该绿色生物质聚酯短纤指标为：短纤长度为51mm，纤度为1.5dtex，强度为4cN/dtex，伸长率为20％。

表5.一种绿色生物质聚酯短纤的生产工艺参数

Claims (10)

1.一种生物质聚酯短纤，其特征在于：主要由摩尔配比为1∶1.05～1∶1.5的苯二甲酸、生物质多组分多元醇制备而成，该生物质多组分多元醇包括如下重量比组份：乙二醇90～99.2wt％，1，2-丙二醇0.4～5wt％，1，2-丁二醇0.2～2wt％，戊二醇0.1～2wt％，山梨醇0.1～1wt％；所述生物聚酯短纤的长度为38～76mm，纤度为0.8～7dtex，强度为3.5～6cN/dtex，伸长率为20～40％。

2.如权利要求1所述的一种生物质聚酯短纤，其特征在于：上述对苯二甲酸与生物质多组分多元醇的摩尔比为1∶1.2～1∶1.5。

3.如权利要求1所述的一种生物质聚酯短纤，其特征在于：上述生物质多组分多元醇由生物发酵后提纯制得。

4.如权利要求1所述的一种生物质聚酯短纤的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：

(1)将对苯二甲酸与生物质多组分多元醇按照1∶1.05～1∶1.5的摩尔比配制成浆料；上述生物质多组分多元醇包括如下重量比组份：乙二醇90～99.2wt％，1，2-丙二醇0.4～5wt％，1，2-丁二醇0.2～2wt％，戊二醇0.1～2wt％，山梨醇0.1～1wt％；

(2)将配置好的浆料加入酯化反应釜进行酯化反应，再进行缩聚反应，经过缩聚反应制得生物质聚酯；

(3)将制得的上述生物质聚酯切片干燥，之后再将上述切片依次进行前纺、后纺工序，即可得生物质聚酯短纤；

上述前纺工序中，将切片挤压熔融后依次经过熔体过滤器、纺丝组件、卷绕集束，最后落桶，其中控制纺丝温度为270～300℃，纺丝速度为800～1500m/min；后纺工序包括并束、导丝、预拉伸、一道拉伸、二道拉伸、紧张热定型、上油、卷曲、松弛热定型，最后切断打包，其中控制拉伸温度为60～80℃，预拉伸倍率为1.02～1.10，一道拉伸倍率为2.80～3.20，二道拉伸倍率为1.05～1.15。

5.如权利要求4所述的一种生物质聚酯短纤的制备方法，其特征在于：上述酯化反应的温度为225～280℃，时间为0.5～4h，相对压力为0～0.3MPa。

6.如权利要求4所述的一种生物质聚酯短纤的制备方法，其特征在于：上述缩聚反应的温度保持在260～290℃，持续反应时间为2～6h。

7.如权利要求4所述的一种生物质聚酯短纤的制备方法，其特征在于：上述对苯二甲酸与生物质多组分多元醇的摩尔比为1∶1.2～1∶1.5。

8.如权利要求4所述的一种生物质聚酯短纤的制备方法，其特征在于：上述酯化反应还加入钛系催化剂和/或锑系催化剂，加入量为120～550ppm，基数为上述对苯二甲酸的质量；上述钛系催化剂为二氧化钛和/或钛酸四丁酯，上述锑系催化剂为三氧化二锑、醋酸锑、乙二醇锑中的一种或多种。

9.如权利要求4所述的一种生物质聚酯短纤的制备方法，其特征在于：上述酯化反应还加入热稳定剂和/或抗氧化剂，该热稳定剂的加入量为所述对苯二甲酸的0～0.02wt％，该抗氧化剂的加入量为所述对苯二甲酸的0～0.03wt％。

10.如权利要求9所述的一种生物质聚酯短纤的制备方法，其特征在于：上述抗氧化剂为抗氧化剂1010、抗氧化剂168、抗氧化剂616中的一种或几种，上述热稳定剂为磷酸三甲酯、烷基磷酸二酯、三壬苯基亚磷酸酯中的一种或几种。