[发明专利]生物基2,5-呋喃二甲酸基共聚酯纤维及其制法与应用

说明书

本发明公开了一种生物基2,5‑呋喃二甲酸基共聚酯纤维及其制法与应用。所述2,5‑呋喃二甲酸基共聚酯纤维主要是通过使2,5‑呋喃二甲酸、对苯二甲酸、乙二醇及C₁₂‑C₂₀二元醇醚组合物聚合形成2,5‑呋喃二甲酸基共聚酯，之后再经熔融纺丝和热牵伸处理制得。与具有相同分子量、分子量分布的现有PET纤维相比较，本发明制备的2,5‑呋喃二甲酸基共聚酯纤维不仅具有更高的拉伸强度和断裂伸长率，突破了常规共聚酯纤维低拉伸强度的性能瓶颈，扩展了呋喃基共聚酯纤维的应用范围，而且在采用分散染料染色的情况下，具有更高的上染率和优良的分散染料常压可染性，克服了高温染色对纤维品质损害的难题，显著降低了染色时的能耗。

技术领域

本发明属于纤维技术领域，涉及一种生物基2,5-呋喃二甲酸基共聚酯纤维及其制备方法与应用。

背景技术

在过去的几十年里，合成纤维被广泛应用于诸如纺织、生物医药以及农业等多个领域。聚酯如聚对苯二甲酸乙二醇酯(PET)是这些领域中常用的聚合物之一，但其为石油基。随着近年来全球对环保和可持续发展的高度重视，生物基或部分生物基聚酯的研发方兴未艾，代表性品种有聚乳酸(PLA)、聚羟基脂肪酸酯(PHA)、聚丁二酸丁二醇酯(PBS)等。然而，上述生物基聚酯均为脂肪族，链结构中缺乏刚性环，在强度、耐热性及韧性等方面性能不足。

聚酯的刚性源自对苯二甲酸(PTA)，目前无法通过生物路线大规模制备。幸运的是，生物基二元酸-2,5-呋喃二甲酸(FDCA)在结构上与PTA及其相似，因而可作为PTA的合适替代物。FDCA与生物基乙二醇(EG)聚合得到的聚2,5-呋喃二甲酸乙二醇酯(PEF)为全生物基聚酯，发现其力学、热性能与PET相近，且优于上述生物基脂肪族聚酯。

尽管FDCA能够通过生物路线小规模生产，但其价格较PTA而言依然较高。目前更切实可行的策略是用FDCA来部分替代PTA，即制备2,5-呋喃二甲酸基聚酯。通常而言，将其他二酸或二醇引入PET分子链中会破坏原有分子链的规整性，从而阻碍分子链的取向和结晶，最终导致在断裂伸长率增加的同时，共聚酯纤维的拉伸强度下降且低于相同分子量、分子量分布的PET纤维的拉伸强度。例如，将PTA、EG、己二酸与聚乙二醇共聚得到共聚酯并纺成纤维(Textile Research Journal，2015，16，1691-1703)，当己二酸的共聚含量达到相对PTA的0.117mol时，其断裂伸长率达186.7％，较PET纤维有所提高，但拉伸强度仅为1.19gf/den(1.05cN/dtex)，较PET纤维降低了44.9％。目前，采用2,5-呋喃二甲酸基聚酯来制备纤维的公开报道较少。重要的是，还未见有关拉伸强度和断裂伸长率均高于相同分子量、分子量分布的PET纤维的2,5-呋喃二甲酸基聚酯纤维的报道。

另一方面，PET纤维因自身亲水性基团的缺乏、高立构规整的链结构以及高结晶度，导致其常压染色上染率低，目前只能在高温高压条件下染色。共聚是改善PET纤维染色性能的主要手段之一，但是，现有的技术通常是以PET纤维力学性能的牺牲，来提高上染率。例如，将PTA、EG、新戊二醇与间苯二甲酸双羟乙酯-5-磺酸钠共聚得到共聚酯并纺成纤维(The Journal of the Textile Institute，2017，11，1949-1956)，当共聚酯中新戊二醇的含量为9mol％时，共聚酯纤维的上染率为95.91％，较PET纤维提高了79.3％，但拉伸强度仅为2.03cN/dtex，较PET纤维降低了36.7％。

综上所述，开发一种上染率、拉伸强度和断裂伸长率均高于相同分子量、分子量分布的PET纤维的2,5-呋喃二甲酸基聚酯纤维，极具现实意义。

发明内容

本发明的主要目的在于提供一种生物基2,5-呋喃二甲酸基共聚酯纤维及其制法与应用，以克服现有技术的不足。

为实现前述发明目的，本发明采用的技术方案包括：