纳米技术在连续聚合改性聚酯装置中的应用

纳米技术在连续聚合改性聚酯装置中的

应用

摘要：近年来亚洲各地特别是中国新建了很多适合于常规聚酯的大生产线，

有的单线产量高达900t/d。差别化聚酯则太少，导致价格竞争激烈行业利润率偏低。中小型连续聚合装置因为单产成本较高在普通聚酯的生产中没有竞争力，生

产差别化产品则有独特优势，过渡废料少，灵活，适应市场需要。将添加功能型

纳米材料(粒径小于等于500nm)的方法生产的功能型改性聚酯及其纤维、薄膜、

包装瓶等，成为新世纪重要的合成材料。

关键词：纳米技术；连续聚合改性聚酯装置；应用

功能型改性聚酯传统使用以添加功能型微米材料(粒径0.5～2μm)的方法生产，有双螺杆混料造母粒和间歇聚合添加粉体的两种技术，两者都存在共混均匀

性差，能耗高，成本高等缺点，影响纳米技术改性聚酯的市场推广。中国纺织科

学研究院采用连续聚合直接添加纳米粉体的工艺技术与装备生产改性聚酯，简化

了工艺流程，经过纳米粉体表面改性处理和利用连续聚合装备优良的混合分散性，使产品质量均匀性好，并大大降低了成本，加速了功能型改性聚酯的市场推广。

用母粒法将功能粉与高粘度聚合物混合均匀非常困难。这种方法产生大量凝

聚粒子，混合熔体可纺性很差，由于熔体过滤器、纺丝组件经常阻塞，组件更换

周期不到24h。为了维持生产只好将功能粉含量降至3%。导致功能性指标下降。

总消耗定额高达1.6，也使功能纤维的生产成本太高，不利于功能纤维的推广。1999年，纺织科学研究院在淄博涤纶厂12t/d的3釜流程连续法改性聚酯装置上，实现聚合装置直接加功能粉体的工艺技术。在对酯化前乙二醇中添加或是在二氧

化钛浆料送往齐聚物中添加的比较中，分别解决了改善粉体微粒在体系中的分散

性难题，收到了很好的效果。使熔体的可纺性大大改善，组件使用寿命提高到5

天以上，总消耗定额降到1.3以下，聚合物中粉体含量提高到5%以上，远红外线

法向发射率可稳定在88%以上。由于粉体含量增加，织物表面温升改善，与纯涤

纶相比，回潮率由0.4%提高到1.6%，比电阻由2.0×1011降低到

1.1×109Ψ·cm，抗起毛起球提高到5级以上。

控制功能性粉体材料的粒度到小于数百纳米，并且控制其在高粘度聚合体中良好的分散性，使纳米材料的小尺寸效应和表面积效应得以充分发挥，可生产有特殊功能的聚酯及功能纤维。与母粒法相比较，在连续聚合装置中添加粉体的方法远较母粒法效率高、质量优和经济性好。

2一头多尾柔性聚合装置生产差别化聚酯

有些差别化产品可以连续聚合也可在间歇聚合装置生产，例如黑色纤维，阻燃纤维，阳离子染料染色，常压染色纤维，生物可降解纤维等。间歇聚合装置的设备投资成本较低，但产品的品质较差。有些差别化聚酯产品特别适合于中小型连续聚合熔体直纺装置，如抗起球，低熔点纤维，水溶性聚酯。这些产品切片干燥的要求比较高，熔体直纺则没有干燥要求。

中小型连续聚合装置的单产成本较高。从大型酯化装置分出的缩聚侧线或者一头多尾柔性生产装置则有效地解决了单产成本问题。在柔性聚合装置生产差别化产品的特殊要求是差别化产品的改性组分不能在酯化前加入而必须在酯化后加入。这对改性组分溶液或浆料的制备技术要求较高，对改性组分在低聚物中的分散要求更高，改性组分分散不均匀可能堵塞熔体过滤器并且缩短纺丝组件寿命。

2改性组分的加入与均匀分散

多数改性组分最理想的是以溶液状态加入低聚物，以分子状态均匀分布于聚酯中，最理想的溶剂是乙二醇。对于这些组分，"纳米"技术远远不如分子状态的均匀分散。

有些添加剂以浆料加入低聚物，如消光剂二氧化钛，必须以适当的尺寸在聚酯中均匀分散才能达到预期的光学要求。大部分颗粒的尺寸是0.1～0.5μm，大于1μm的颗粒越少越好。二氧化钛要是以"纳米"尺寸分散于聚酯中，就起不到消光剂的作用。

有的添加剂最理想的是以分子状态分散于聚酯中，但因为它们在乙二醇中不

溶解不能形成稳定溶液，只好退而求其次，希望以"纳米"尺寸分散于聚酯中。荧

光增白剂可以制成浆料加入低聚物或者制成母粒加入熔体管线。制成母粒加入熔

体管线会产生泄漏等问题。

3改性组分柔性加入例示

3.1黑色纤维

目前中国厂家多用色母粒生产黑色纤维，聚酯含炭黑较少，品质较差。欧美

把炭黑浆料加入聚合过程，聚酯中炭黑的质量分数为0.6%～2.3%，分散均匀，纺

丝断头率低，喷丝板寿命长。在聚合中加入炭黑浆料连续聚合和间歇聚合都能生产，"小聚酯"有过渡期废料少的优势。本技术的关键在于炭黑浆料的品质，因为

炭黑在乙二醇中极易沉降。炭黑浆料品质差会造成纺丝断头率高，喷丝板寿命短。炭黑的质量分数为20%的浆料品质一般用真空过滤来检测，高品质的浆料至少应

有500mL通过真空过滤(D57mm，5μm325×2300目)。格莱仕(无锡)聚酯技术有限

公司正在新建一套装置专业生产高品质的炭黑浆料。

3.2阳离子染料染色纤维

同低强度Na-SIPM(间苯二甲酸二甲酯-5-磺酸钠)阳离子染料染色纤维相比，

高强度Li-SIPM阳离子染料染色纤维的特点是:(1)特性黏度高;(2)熔体黏度低，

聚合装置的产能高;(3)喷丝板寿命长;(4)纺丝时断头率低、可纺性好;(5)加弹(DTY)速度提高20%;(6)可纺超细纤维(0.88dtex);(7)染色快，颜色鲜艳;(8)可同

氨纶纤维一起染色。

现有的技术是将Na-SIPE40%溶液稀释到20%使用，如果不稀释就会在聚酯中

产生未分散的Na-SIPE白点，影响可纺性。采用Na-SIPEG20%技术，过多EG蒸发

使连续聚合装置真空系统超负荷，导致日产量下降，分散不均匀导致喷丝组件压

力迅速上升。格莱仕化学公司的新技术可以将按照格莱仕配方制备的Na-SIPE40%

溶液不经稀释直接加入PTA低聚物系统，随溶液加入连续缩聚装置的乙二醇减少63%，真空系统负担减轻，而且改性组分在聚酯中分散均匀，可纺性好。

3.3高收缩和双组分纤维