芳族纤维特性和染色配伍

作者：    来源：CTA中国纺织及成衣

欢迎访问e展厅 展厅 5 印染整烫设备展厅 浆纱机, 印花机, 刷花机, ... 高性能纤维按照合成的原料不同，主要分为芳纶纤维、超高分子量聚乙烯纤维、碳纤维、特殊玻璃纤维，以及包括液晶聚合物、液晶高分子聚对苯并二噻唑和聚对苯并二味唑在内的高性能高分子纤维等五种类型。 目前，在合成纤维中，聚酯纤维2010年的全球产量已达3642万吨，占合成纤维总量4298万吨的84.7%。今后，世界合成纤维发展的重点是高性能为主导的产品，随着技术的进步和应用范围的扩大，许多高性能纤维已经实现产业化。 曾经在很长一段时间内，由于生产成本高，高性能纤维仅局限应用于国防及航天领域。目前，高性能纤维开始渗透到其它的应用领域，包括缆绳、轮胎帘子线、运动及医疗器械、个人防护装备和高性能复合材料，服装也由宇宙服、防弹服和特殊行业战斗服向民用服装发展。 芳纶纤维是高性能纤维中最主要的一类产品，预计2014年市场规模将达到18.67亿欧元。在所有高性能纤维中，芳纶纤维市场增长最快。其中，芳纶1313由美国杜邦（DuPont）研制成功，以商品名Nomex推向市场；芳纶1414以商品名Kevlar推向市场；芳砜纶是上纪70年代由上海纺织科学研究院与上海市合成纤维研究所自主研发的高性能纤维，属对位芳纶系列，商品名Tanlon。 “十二五”纺织工业科技进步将芳染环聚酰胺纤维列为研究项目，芳纶纤维产业化成为重要课题。 芳纶染色需先了解其纤维特性 芳纶1313主要特性是耐久热稳定性，可在220℃下使用十年以上，使用寿命高于所有工业有机纤维；在火焰中难以燃烧，能耐α、β和X射线，在X射线下辐射100小时，其强度能保持原有的73%，其它合成纤维早已成为粉末；因分子链具有独有的特征，其刚性大，柔性低，初始模量大，芳纶1313广泛用于耐热防护服、飞行服、赛车服以及高过滤布、电绝缘纸等。 芳砜纶的纤维强度为3.0~3.5CN/dtex，断裂伸长率在20~25%，初始模量7448N/mm2，比重1.416g/cm3；它具有优异的耐热性和热稳定性，在250℃和300℃时的强度保持率分别为70%和50%，在350℃时，仍然保持38%的强度，在400℃以上的高温下会分解，但不熔融，不收缩；在250℃和200℃的热空气中处理100小时后的强度保留率分别为80%和90%；在300℃的热空气中，收缩率仅为0.5~2%。 芳砜纶的限氧指数LOI值高达33，不需通过阻燃整理就有出色的阻燃性能，且可以永久保持；离开火焰后自熄，无续燃和阴燃现象。芳砜纶面料具有良好的尺寸稳定性，回潮率高达6.28%，与棉接近，透气性好，手感柔软；具有一定的热湿传递能力，以利于人体热量散失和汗液蒸发，穿着舒适。由于以上这些特性，可用于制作消防服、特种军服和炼钢工作服等，国防工业用于制作火箭壳体、喷管喉衬、救生伞、回收伞、宇宙服和飞行防护服等。 依据纤维特性为芳纶染色 添加结构相似的载体为芳纶1313和1414染色 芳纶1313和1414的超分子结构立体规整性好，玻璃化温度高达280℃，染色困难。染色结果表明，直接染料、活性染料、还原染料和酸性染料对芳纶只有轻微沾色。 采用阳离子染料或分散染料高温高压染色，可将芳纶染成中色。如果用这两种染料拼染，得色量明显高于单独使用阳离子染料或分散染料，可染至中深色，但耐洗牢度和摩擦牢度都不理想。 使用阳离子染料并添加氯化钠作为促染剂，降低了芳纶纤维与阳离子染料之间的电荷斥力，帮助染料充分吸附再扩散到纤维内部。添加载体对芳纶纤维有加强溶胀的作用，并使玻璃化温度下降，有利于染料上染。 采用与芳纶1313结构更相似的载体POE，根据相似者相溶原理，溶胀作用更强，对染料上染量的提高更为显着，在130℃时染色60分钟可得中深色，染色牢度优于不加载体的染色。 利用膨化剂对芳砜纶染色 芳砜纶纤维大分子结构的立体规整性高，大分子及其聚集体之间的相互作用力强，使芳砜纶纤维具有很高的玻璃化温度，达257℃；纤维疏水性强，造成染色困难，饱和染色量低，上染速度慢。 国外对芳砜纶纤维的研究鲜有报导，国内的上海纺织科学研究院和东华大学对此有较多研究。曾有研究者采用芳砜纶纺丝原液着色法，可以使用分散染料或有机颜料赋予芳砜纶不同的颜色，但所得颜色单一，限制了它的使用。分散染料高温高压染色的上染率低，色泽黯淡。 有人研究了溶剂与芳砜纶之间的相互作用，并用溶胀剂对芳砜纶纤维进行溶胀预处理，提高了可染性。根据同一原理，采用阳离子染料在膨化剂预处理后100℃时染色，可以得到鲜艳的芳砜纶织物。但膨化剂有一定的毒性，染色后需洗净残留物，废液需要后处理，染前需要前处理，工艺比较复杂。工艺过程愈长，耗能、耗水愈多，不符合节能减排方针。 分散和阳离子染料载体法技术探讨 目前，国内普遍采用分散染料载体法染色和阳离子染料载体法染色。 载体对芳砜纶起增塑作用，降低玻璃化温度。它对染料的溶解能力比水高，不少染料在载体中的溶解度比在水溶液中高几十倍，所以吸附在纤维表面的载体层中的染料浓度比染浴中的染料浓度要高很多，由此提高了染料在纤维内外的浓度梯度，可以加速染料的上染，并提高上染率。 据悉，理想的载体应该是无毒或低毒、无臭味、上染效果好、不影响色泽和染色牢度、易于洗除、成本低的有机化合物。 分散染料上染芳砜纶的染色机理与上染涤纶纤维相同，一般都在溢流染色机中进行，并趋向超小浴比（在1:10以下），因此都选用快速型分散染料，例如：Foron Yellow RD-4GRL、Foron Br Red RD-RGL 200和Foron Blue RD-2RE 300三原色。 阳离子染料主要用于腈纶染色，与腈纶纤维是离子键结合。而阳离子染料染芳砜纶时，主要依靠与芳砜纶大分子聚集体之间的范德华引力的相互作用，所以，必需选用疏水性较强的阳离子染料，增加与纤维的吸附速率，提高给色量。 阳离子染料的疏水性可以用k值来表示。 k值愈小，疏水性愈大；k值愈大则亲水性愈大，疏水性愈小。阳离子染料的亲和力和扩散速率的相互关系，通过数字来表明究竟那些染料可以相互拼混。 1972年，美国染化协会公布了一套配伍值k，分别为1、2、3、4、5，k值为5的亲水性最大，k值为1则疏水性最大。 k值本来是用来拼混染色时作染料选用的依据。阳离子染料染芳砜纶时除了需要选用相同或相近k值，更有实际意义的是需选用k值较小的阳离子染料，这样才能达到较好的染色效果。k值是阳离子染料染睛纶而设置的，在染芳砜纶时会有一定的差异，需要进一步进行系统研究。阳离子染料染芳砜纶较分散染料色彩丰富，颜色鲜艳。 有关苯乙酮载体法染色的研究比较多，用分散染料和阳离子染料的载体法染色所得染色纤维的k/s值明显高于非载体染色法，以阳离子染料不加载体的k/s值为6.0953，用苯乙酮载体法染色的k/s值为22.8880，与膨化法预处理后染色的k/s值23.7060不相上下，且工艺简单，染色较深，鲜艳度好。但苯乙酮具有中等毒性，且具有强烈的刺激性气味，因为不溶于水，染色后纤维上苯乙酮很难去除。 最近有研究发现，采用苯甲酮和苯甲醇混合载体，分散染料或阳离子染料载体法染色效果与苯乙酮相比更好。苯甲酮的急性毒性LD50=980mg/kg（兔口服），毒性低于苯乙酮，微溶于水，类似于橘子气味；苯甲醇的急性毒性LD50=3100mg/kg（相当于食盐的急性毒性），在水中的溶解度为4%，易水洗除去，略有淡淡的芳香味，是一种比较安全且有效的芳砜纶染色载体。 分散染料或阳离子染料载体染色法的皂洗牢度、汗渍牢度和耐摩擦牢度（干，湿）均可达到4级或4~5级，但日晒牢度（深于1/12标准深度）仅3级（5级制），较差。 分散染料载体法染芳砜纶纤维的工艺条件是：100℃（或130℃）下保湿1小时，PH=4.5，添加匀染剂。阳离子染料载体法染芳砜纶纤维的工艺条件是：100℃（或135℃）下保温1小时，PH=3.0，除了需添加匀染剂，还需加入食盐作为促染剂。染后冷水洗，95℃皂洗，再冷水洗，最后烘干。 本文作者是中国染料工业专家顾问团高级顾问及上海涂料染料行业协会高级顾问。(end)

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