生物基聚对苯二甲酸乙二醇酯(PET)纤维是以部分或全部生物质来源原料替代传统石化原料制备的聚酯纤维,其主要单体与传统PET纤维一致,为乙二醇(EG)和对苯二甲酸,不同之处在于原料来源向可再生生物质转变。从单体制备方式来看,生物基EG的制备技术相对成熟,其通常以甘蔗、玉米等植物为原料,经发酵制备乙醇,再通过脱水、氧化和水合等步骤合成EG,部分工艺亦可通过生物质气化制备合成气后间接合成。生物基对苯二甲酸的制备,一方面可通过生物基对二甲苯(PX)或混合芳烃(BTX)经氧化反应制得,另一方面也可通过生物质直接转化路径获得,如以糠醛等平台化合物为起始原料,经多步反应构建芳香族结构,实现生物基对苯二甲酸的合成。
在生物基PET的实际生产中,当前应用最广泛的仍是“部分生物基”PET,即对苯二甲酸仍来源于石油基原料,而EG由生物质制得(图1),相关产品的生物基含量通常约为30%。由于该聚合物在化学组成上与传统PET一致,能够适配现有聚酯聚合与纺丝体系,因此成为目前生物基PET纤维实现规模化生产的主流路径。相比之下,完全生物基PET(即对苯二甲酸与EG均来源于生物质)的技术路线仍处于研发或示范应用阶段。
日本东丽(Toray)集团最早实现商业化的部分生物基PET纤维以甘蔗糖蜜副产物制得的植物基EG为主要生物来源,已成功应用于Ultrasuede? PX和Ultrasuede? BX等仿麂皮合成材料中(图 2)。2009年,可口可乐公司推出生物基PET包装材料PlantBottle?,截至2016年累计应用于约450亿件商品包装中。尽管PlantBottle?技术主要面向包装领域,但其成熟的30%生物基PET技术同样可作为纺丝聚合物原料,为生物基PET纤维的开发提供了重要技术基础。在中国市场,大成集团与泉州海天材料科技股份有限公司合作开发的Socorna?(PDT)纤维是生物基PET的重要衍生产品,通过在PET体系中引入较高比例的植物来源EG,使其在兼顾环保属性的同时保持良好的纤维性能,进一步丰富了国内生物基聚酯纤维的产品体系。 值得关注的是,围绕完全生物基PET的关键单体技术 —— 生物基对苯二甲酸,相关研究已在科研与中试层面取得阶段性进展,为进一步提升PET的整体生物基比例提供了重要技术基础。例如,美国Virent公司开发了“BioFormPXTM”生物基PX工艺,与生物基EG匹配制得可回收再利用的100%生物基聚酯,可用于饮料包装和纤维生产;日本东丽公司与Virent合作,生产出100%生物基的PET纤维。Gevo公司开发了完全可再生的碳基PX,为实现聚酯纤维和包装材料的“全生物基化”提供了关键原料支撑。相关研究表明,完全基于植物来源的PET纤维在耐用性和加工适应性方面与传统聚酯相当,同时具备显著的温室气体减排潜力,未来在低碳材料需求持续提升的背景下具有重要的发展价值。