未干聚對苯二甲酰對苯二胺纖維的染色工藝

林 琳，于俊榮，陳 蕾，王 彥，諸 靜，胡祖明

(東華大學(xué)纖維材料改性國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，上海 201620)

聚對苯二甲酰對苯二胺(PPTA)纖維是經(jīng)液晶紡絲方法制得的高強(qiáng)度、高模量纖維，是當(dāng)前最重要的高性能纖維之一。PPTA纖維有著優(yōu)異的力學(xué)性能［1－2］、熱性能和耐化學(xué)性能，因而在航空航天、軍事、消防等領(lǐng)域有著廣泛的用途［3－5］。與其他高性能纖維相比，PPTA纖維分子結(jié)構(gòu)緊密，結(jié)晶度高，大分子間存在強(qiáng)烈的氫鍵作用，且表面無活性基團(tuán)，小分子染料很難進(jìn)入纖維大分子內(nèi)部，導(dǎo)致其染色異常困難［6－7］，無法采用常規(guī)的染色方法對其進(jìn)行染色。目前市場上有色對位芳綸纖維很少，多數(shù)還停留在研究階段。這阻礙了PPTA纖維在防護(hù)服等應(yīng)用領(lǐng)域方面的進(jìn)一步拓展。

由液晶紡絲擠出的PPTA纖維［8］，在凝固、水洗之后，大量水分存在于PPTA微纖間，部分水分子與PPTA分子間形成氫鍵降低了PPTA分子鏈的規(guī)整性，使其處于一種開放的狀態(tài)，易于染料分子進(jìn)入纖維內(nèi)部。本試驗(yàn)采用工業(yè)線上水洗之后的未干纖維作為染色對象，分別用陽離子染料和分散染料進(jìn)行染色，研究在不同的工藝條件下纖維的染色情況。

1 試驗(yàn)部分

1.1 材料與試劑

試樣:未干的PPTA纖維，規(guī)格133 tex/800 f，含水率約50%，蘇州兆達(dá)特纖科技有限公司提供。

實(shí)驗(yàn)藥品:冰醋酸(分析純，昆山晶科微電子有限公司);無水乙酸鈉(分析純，國藥集團(tuán)化學(xué)試劑有限公司);陽離子紅染料(東京化工有限公司);分散藍(lán)染料(E-4R，浙江長征化工有限公司)。

儀器和設(shè)備:Pyrotee-2000型高溫紅外染色機(jī)(英國Roaches公司)，Lambda35型液體紫外分光光度計(jì)(美國 Perkin Elmer公司)，Datacolor-650型電腦測色配色儀(美國 Datacolor公司)，Washtec-A2型水洗牢度測試儀(英國 Roaches公司)，YB571B型摩擦牢度測試儀(溫州大隆紡織儀器有限公司)，XQ-1A型纖維強(qiáng)伸度儀(上海新纖儀器有限公司)。

1.2 染色工藝

按表1所示染色處方配制染液，將纖維及染液置于Pyrotee-2000型高溫紅外染色機(jī)中，升溫至35℃，保溫10 min，而后以1℃/min的速度升溫至所需染色溫度，保溫1h，隨后降溫至60℃，取出纖維，經(jīng)多次水洗后，離心甩干，而后置于通風(fēng)櫥中24 h以上使得纖維風(fēng)干。

表1 染色處方Tab.1 Dyeing prescription

1.3 測試方法

1.3.1 K/S 值

采用美國Datacolor公司生產(chǎn)的Datacolor-650型電腦測色配色儀，在最大吸收波長下測定染后纖維的K/S值，以表征纖維的染色深度。

1.3.2 上染率

將染色前后的染液稀釋至合理的稀釋倍數(shù)，采用美國PERKIN ELMER公司生產(chǎn)的Lambda35型液體紫外分光光度計(jì)測試染液的吸光度，按下式計(jì)算纖維的上染率:

式中:A染前，A染后分別為染色前后染液吸光度;b為染液稀釋倍數(shù)。

1.3.3 耐皂洗色牢度

采用Washtec-A2型水洗牢度測試儀，測定染色纖維的耐皂洗色牢度，參照GB/T 3921—2008《紡織品色牢度試驗(yàn)?zāi)驮硐瓷味取分蠧(3)方法測定。

1.3.4 耐摩擦色牢度

采用YB571B型摩擦牢度測試儀測定染色纖維的耐摩擦色牢度，參照GB/T 3920—1997《紡織品色牢度試驗(yàn)?zāi)湍Σ辽味取窚y定。

1.3.5 纖維力學(xué)性能

采用XQ-1C型纖維強(qiáng)伸度儀，測試染色前后纖維單絲的力學(xué)性能，纖維夾距為20mm，拉伸速度為20mm/min。

2 結(jié)果與討論

2.1 纖維含水率對樣品上染率及K/S值的影響

將含水50%的未干PPTA纖維置于通風(fēng)櫥中，室溫風(fēng)干一定時(shí)間至所需含水率(40%、30%、20%、10%、0)。按所需干燥纖維的質(zhì)量稱取一定量的未干纖維，放入染料用量為1%(o.w.f)的染液中，于120℃下染色60 min，測得染色纖維的上染率和K/S值，結(jié)果如表2和圖1所示。

表2 不同含水率PPTA纖維的上染率Tab.2 Dyeing rate of different moisture content of PPTA fibers

圖1 不同含水率PPTA纖維染色的K/S值Fig.1 Dyeing K/S value of different moisture content of PPTA fibers

從表2可看出，相比于干燥的PPTA纖維，未干纖維的上染率明顯增加，而且隨著纖維含水率的增加，其上染率呈遞增的趨勢。對比不同染料，采用干燥纖維染色時(shí)分散藍(lán)上染率高于陽離子紅，而采用未干纖維染色時(shí)，陽離子紅染料染色的效果明顯優(yōu)于分散藍(lán)染料。這是由于采用干燥纖維染色時(shí)，分散藍(lán)染料在染浴中以微小顆粒的分散狀態(tài)存在，在相同染色溫度下，較陽離子染料更易進(jìn)入纖維的無定形區(qū)，而采用未干纖維染色時(shí)，未干PPTA纖維上的酰胺基基團(tuán)電離，使纖維帶負(fù)電荷，與帶正電的陽離子染料之間產(chǎn)生靜電引力，使染料向纖維遷移并吸附在纖維上，因此，陽離子染料上染率優(yōu)于分散染料［9］。從染色后染液的情況來看，未干纖維經(jīng)陽離子紅染料染色后，染液呈透明液，上染率幾乎達(dá)到100%。

從圖1可看出，用分散藍(lán)染料染色時(shí)，當(dāng)纖維含水率高于10%，K/S值雖略有增加，但變化趨于平緩，用陽離子紅染料染色時(shí)，隨著含水率的增加，染色纖維的K/S值也增加，當(dāng)纖維含水率為50%時(shí)，K/S值達(dá)到了7。這是由于未干的PPTA纖維中，部分水分子與PPTA形成的氫鍵降低了高分子鏈的規(guī)整性，使其處于一種開放的狀態(tài)，易于染料小分子進(jìn)入到纖維內(nèi)部。

2.2 染色溫度對纖維K/S值的影響

取含水率為50%的未干PPTA纖維和純干燥的PPTA纖維，放置于用量為1%(o.w.f)的陽離子染料和分散染料中，分別在不同溫度下染色60 min，測得染色纖維的K/S值，如圖2所示。

由圖2可知，隨著染色溫度的升高，未干纖維的K/S值先增加，在染色溫度超過120℃后又逐漸降低，而干燥PPTA纖維的K/S值變化不大。這是由于隨著染色溫度的升高，未干纖維中的原有水分子運(yùn)動(dòng)劇烈使得纖維無定形區(qū)的分子鏈運(yùn)動(dòng)進(jìn)一步加劇，纖維內(nèi)自由體積增大，染料分子更易擴(kuò)散進(jìn)入纖維內(nèi)部，從而提高K/S值，溫度的升高也會(huì)使染料分子活性增大，對纖維的上染加快［10］，當(dāng)溫度超過120℃后，高溫下染料的穩(wěn)定性下降，并且溫度過高也可使染料的解析速率加快，使得K/S值有所下降。而對于干燥的PPTA纖維，纖維結(jié)構(gòu)較為緊密，并且纖維玻璃化溫度在270℃以上，在染色溫度下很難使纖維分子鏈運(yùn)動(dòng)，因此總體上纖維染色性能較差，在試驗(yàn)溫度范圍內(nèi)上染率變化也不大。鑒于此，陽離子紅和分散藍(lán)染料的染色溫度控制在110～120℃為宜。

圖2 染色溫度對PPTA纖維K/S值的影響Fig.2 Effect of dyeing temperature on K/Svalue of PPTA fiber

2.3 染料用量對纖維上染率及K/S值的影響

取含水率為50%的未干纖維，用陽離子染料和分散染料分別在不同染料用量的染液中120℃下染色60 min，測得染色纖維的上染率及K/S值隨染料用量的變化如表3和圖3所示。

表3 不同染料用量下PPTA纖維的上染率Tab.3 Dyeing rate ofPPTA fibers under different dye concentrations

由表3可知，隨著染料用量的增加，陽離子染料在用量 1%(o.w.f)～2%(o.w.f)范圍內(nèi)上染率均保持在99%以上，染料用量升至2%以后上染率開始逐漸降低，分散藍(lán)染料的上染率則先略微上升，在染料用量達(dá)2.5%(o.w.f)之后又呈下降趨勢。這是因?yàn)槔w維與染料之間存在著一個(gè)吸附平衡，隨染料用量的升高，纖維對染料的吸附量增大，并逐漸趨于吸附飽和，因此當(dāng)染料用量過大時(shí)，上染率則開始下降。

圖3 染料用量對PPTA纖維K/S的影響Fig.3 Effect of dye concentration on K/S value of PPTA fibers

由圖3可見，隨著染料用量的增大，纖維對染料的吸附量逐漸增大，因此纖維K/S值有所增大。相比于分散藍(lán)染料，陽離子紅染料對未干PPTA纖維的染色效果更佳。

2.4 染色纖維的色牢度測試

取含水率為50%的未干PPTA纖維和干燥的PPTA纖維，分別用陽離子紅染料和分散藍(lán)染料在染料用量1%(o.w.f)、120 ℃下染色60 min，測試不同染料染色后纖維的耐皂洗色牢度和耐摩擦色牢度，結(jié)果如表4所示。

表4 PPTA染色纖維的耐皂洗色牢度和耐摩擦色牢度Tab.4 Soaping and rubbing fastness of PPTA dyed fibers

由表4可知，干燥的PPTA纖維用分散藍(lán)染料染色后，其耐皂洗色牢度和耐摩擦色牢度較差，而未干的PPTA纖維用2種染料染色后，其耐皂洗色牢度和耐摩擦色牢度都非常好。這主要是因?yàn)槲锤衫w維結(jié)構(gòu)疏松，染料分子更易進(jìn)入到纖維內(nèi)部，增強(qiáng)了染料與纖維之間的牢度，而干燥的纖維結(jié)構(gòu)較為致密，染色后染料大部分浮于纖維表面，經(jīng)過皂洗、摩擦測試，易于褪色。

2.5 染色對PPTA纖維力學(xué)性能的影響

表5示出染料用量為1%(o.w.f)、120℃下染色60 min的幾種染色PPTA纖維的力學(xué)性能。

表5 染色前后PPTA纖維的力學(xué)性能Tab.5 Mechanical properties of PPTA fibers before and after dyeing

染色后，染料分子進(jìn)入纖維，影響了纖維的致密性和排列規(guī)整程度，致使纖維斷裂強(qiáng)度和模量有所下降，但總體降幅不大?？烧J(rèn)為未干PPTA纖維經(jīng)過染色后，基本不會(huì)影響纖維原有的力學(xué)性能。

3 結(jié)論

1)相比干燥的PPTA纖維，用未干的PPTA纖維進(jìn)行染色，可明顯提高著色纖維的上染率和K/S值。

2)染色纖維的K/S值隨未干纖維含水率的增大而增大，隨著染料用量的提高而增大，陽離子染料對PPTA纖維的染色效果優(yōu)于分散染料。

3)未干的PPTA纖維經(jīng)染色后，具有較高的耐皂洗色牢度和耐摩擦色牢度，且染色基本不會(huì)影響纖維原有優(yōu)異的力學(xué)性能。

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