具有創新性和成本競爭力的紡織用生物基聚酰胺

A.Kedo

凱賽生物科技公司(中國)

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具有創新性和成本競爭力的紡織用生物基聚酰胺

A.Kedo

凱賽生物科技公司(中國)

摘要：凱賽生物科技公司(凱賽生物)生產的新型商用生物基聚酰胺56(PA 56)Terryl已應用于纖維和紡織品市場。這種聚酰胺基于凱賽生物科技公司生產的一種新型生物基可再生的二元胺——1,5- 戊二胺(5DN)。這推動了紡織品在吸水性、強度、舒適性、阻燃性及可染性等市場需求方面的發展。

關鍵詞：生物基聚酰胺；Terryl；可再生；紡織；性能

20世紀30年代中期，杜邦公司聯合高分子化學家Wallace Carothers首次合成了聚酰胺(PA)，包括聚酰胺66(PA 66)，其原料為1,6- 己二胺(HMDA)和己二酸(AA)。氨基酰胺鍵在合成聚合物中連接兩個單體，如同天然纖維(如蠶絲和羊毛)中的肽鍵。

此后，全球PA市場大部分都是基于HMDA這種二元胺。雖然高分子單體可以選擇使用各種二元酸，而經濟實用的二元胺卻很有限。聚酰胺所呈現的功能多樣性大都由所使用的二元酸決定，取決于是采用己二酸、壬二酸、癸二酸或十二烷二酸，還是其他二元酸。

PA 66為纖維和紡織工業中的一種高性能聚合物。相比于其他用于纖維和紡織品的短鏈聚酰胺和聚酯(PET)，PA 66具有優異的強度、耐磨性、可染性、吸濕性、舒適性及阻燃性，但它也有一些缺點，如染色過程中的不穩定性，并且染色結果的波動降低了織物的質量等級。盡管如此，PA 66也比PET容易染色。PA 66的染色不穩定性還會增加其下游生產的成本，如增加額外的工藝或造成損耗。

PA 66的不穩定性可以用圖1所示的2個PA 66分子間氫鍵引起的大分子排列來解釋。在PA 66中，所有的分子鏈內部氨基的氫和氧都與對面分子鏈上相當數量的氫和氧形成氫鍵。無論2個PA 66分子鏈是順序平行的還是反平行的，都可以形成氫鍵。因此，PA 66的染色性取決于聚合物鏈末端氨基上的鍵。

圖1　PA 66和Terryl的分子結構

1分子結構

為了解決PA 66的上述缺點，凱賽生物科技公司開發出一項商業化生產1,5- 戊二胺(5DN)的技術——通過生物過程工藝從可再生材料中轉化出新型二元胺，一種含5個碳的二元胺。5DN被用來生產Terryl(PA 56)。由于相比HMDA，二元胺5DN少1個碳，所以其打亂了PA 66中完美的氫鍵排列順序，使得Terryl的可染色位點有超過兩個數量級的增加。此外，這些新增的羰基和氨基會增強對水的吸收和內部遷移。這種被打亂的序列還可能提升其他一些關鍵性能，如可染性、柔軟度及流動性/黏度，同時也不會影響PA 66所具有的強度和耐磨性。因為PA 66內部所有的H和O都參與形成氫鍵，所以染色性能只能依靠聚合物兩端的氨基；而Terryl內部含有一些未成鍵的H和O位點，如圖1中綠色的X所示，因此可提供更好的可染性和芯吸現象。相比于PA 66，PA 56可染性的提高還有可能降低纖維紡絲的成本。

2性能

從大量的紡絲試驗可以證實前文的理論預期(表1)。 Terryl具有與PA 66相似的強度、密度及耐磨性。此外，使用PA 6紡絲設備，可以成功實現Terryl的高速紡制，生產通用規格的經編泳裝面料(44 dtex/12 f 全拉伸絲)和針織連褲襪(33 dtex/12 f 拉伸變形絲)。與預期的一致，Terryl的流動性/黏度使其可以直接進行聚合物熔融紡絲，從而大大降低了纖維生產成本。

表1　Terryl與其他纖維的性能對比

相比于PA 66，Terryl織物具有更佳的彈性回復性、吸濕性(圖2)、芯吸性、舒適性及可染性(圖3)。Terryl地毯纖維可以在室溫下染出PA 66需在高溫下才能染出的顏色深度。在相同的染色條件下，對Terryl地毯、襪類及無縫內衣等的染色比相同品類PA 6和PA 66的染色更快，顏色更深，并且能節省能源、化學染料，降低不合格品率，同時還能改善環境碳足跡和纖維生產成本。超出預期的是，新型纖維的阻燃性也大大提高(圖4)。極限氧指數(LOI)指支持聚合物燃燒的氧的最低濃度。Terryl的LOI為32%～34%，明顯高于PA 6、PA 66及其他PET。Terryl較高的LOI具有另外兩個附加優點：第一，降低或消除添加阻燃劑所需的成本；第二，降低阻燃劑的級別有助于提高可紡性，從而有利于降低紡絲成本。

圖2　材料的吸濕性對比

圖3　Terryl(室溫下染色)和PA 66(高溫下染色)的染色性能對比

圖4　材料的阻燃性能對比

PA 66因其優異的染色性和耐磨性常被用于制作地毯。PTT的組成單體為生物基1,3- 丙二醇，由于其可再生性也開始用于地毯的制造。Terryl的耐磨性和輕質特性與PA 6和PA 66類似，且相比于可再生PTT，其包含更多的可再生部分。基于ASTM D 6866標準計算生物基碳含量，發現Terryl含有45%的生物基碳，而由生物基單體1,3- 丙二醇制成的PTT中僅含有27%的生物基碳。這些可再生的碳來源于由可再生原材料生產的5DN，因此為100%的可再生碳。Terryl因具有優良的彈性、吸濕性、舒適性、可染性及阻燃性，使得其在多樣化的紗線應用如地毯、襪類、無縫內衣及高性能運動服中具有潛在的性能優勢。

3環境影響

5DN除了可再生外，其生產過程對環境的影響也僅為HMDA的一小部分(圖5)。生產1 kg 5DN排放的CO2約為4 kg，而生產1 kg HMDA則要排放16 kg的CO2。此外，生產5DN的主要能源需求僅為生產HMDA的1/3～1/2，更重要的是生產5DN的主要能源來源于可再生資源。凱賽生物科技公司擁有通過生物質生產5DN的技術，這項技術可以進一步降低5DN的CO2排放量，使得生產1 kg 5DN排放的CO2降至3 kg以下。

相比于采用HMDA生產PA 66，采用5DN生產Terryl減少了27%的CO2排放量。

(a) CO2排放量

(b) 主要能源需求

4Terryl的貿易聯合發展

為了推廣Terryl，中國化學纖維協會于2014年3月牽頭成立了生物基聚酰胺產業技術創新戰略聯盟。聯盟由凱賽生物主導，包含了學術和行業的領導者，聚焦于Terryl應用方面的研究和開發。

5未來改進的方向

一些化工生產企業，如HMDA生產商目前已經可以接近或達到他們的理論生產量，即這方面已無太多的提升空間。相反，今后幾年內，工業上利用生物科技生產單體的過程被證實仍可以在產量、質量、減少循環時間及減少環境影響方面有所提高。如今5DN已具備競爭力，但5DN制備技術在今后仍有很大的優化和提升空間。

Terryl為注冊商標

胡紫東 譯王依民 校

Innovative,cost-competitive,bio-based polyamide for textiles

Alex Kedo

Cathay Industrial Biotech Ltd.,Shanghai/China

Abstract:The commercially new bio-based polyamide56(PA 56)Terryl by Cathay Industrial Biotech(Cathay Biotech) is used for the fiber and textile markets.This PA is based upon a new bio-based and renewable diamine—1,5-pentanediamine(5ND)—also produced by Cathay Biotech and offers these markets significant improvements in moisture management,strength,comfort,flame-resistance and dyeability.

Key words:bio-based polyamide；Terryl；renewing; textile；property