?芳綸載體染色

載體染色是芳綸的一種重要的染色方法,在調(diào)節(jié)染浴溫度下,利用載體調(diào)控纖維大分子鏈的動(dòng)態(tài)行為,改變纖維的玻璃化轉(zhuǎn)變溫度,削弱分子間氫鍵作用力,為染料的上染提供更多空間,促進(jìn)染料分子擴(kuò)散到纖維內(nèi)部,增加上染率。

Chen等研究了載體CindyeDnk對(duì)分散染料在芳綸上的染色速率常數(shù)和擴(kuò)散系數(shù)的影響。研究結(jié)果表明,該載體能夠提高分散染料對(duì)芳綸的親和力,降低染色熵和縮短半染時(shí)間。許曉鋒等以N,N-二乙基-間甲基苯甲酰胺(DEET)乳液作為載體,增大了纖維的自由體積,提高了分散染料的溶解度,促進(jìn)了染料在芳綸1313和芳綸1414內(nèi)部無(wú)定形區(qū)的擴(kuò)散,提高了2種纖維的染色性能。雖然DEET使芳綸的玻璃化轉(zhuǎn)變溫度和取向度降低,但是對(duì)其結(jié)晶度沒有影響。此外,鄭丹等還研究了DEET處理后芳綸1414的微觀結(jié)構(gòu)與性能,進(jìn)一步證明了DEET僅造成了纖維分子鏈結(jié)構(gòu)松散,未破壞其結(jié)晶區(qū),因此染色后的芳綸1414仍具有優(yōu)良的力學(xué)性能。Islam等采用N-甲基甲酰苯胺作為載體,研究了堿性染料對(duì)芳綸1313的染色動(dòng)力學(xué)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明,此載體溶脹纖維性能良好,且染色后的芳綸具有良好的色牢度。Azam等將苯甲醇用作芳綸1313分散染料染色的載體,充分利用苯甲醇分子尺寸小和穩(wěn)定性高的特點(diǎn),促進(jìn)染料分子滲透到纖維內(nèi)部,實(shí)現(xiàn)了芳綸的顏色構(gòu)建。Cao等研究了低染料濃度下2-苯氧乙醇載體對(duì)芳綸1313聚集態(tài)結(jié)構(gòu)與染色性能的影響。研究發(fā)現(xiàn),該載體與芳綸的氫鍵作用強(qiáng),能夠擴(kuò)大纖維的無(wú)定形區(qū),顯著提高染色性能,獲得色彩鮮艷的芳綸。同時(shí),該方法也破壞了纖維的結(jié)晶區(qū),降低了纖維的熱穩(wěn)定性。在該研究基礎(chǔ)上,基于節(jié)能減排和減少染色過(guò)程對(duì)纖維的損傷原則,Sheng等開發(fā)了2-苯氧乙醇載體預(yù)溶脹芳綸1313的方法,實(shí)現(xiàn)了芳綸的低溫(95℃)染色。該方法充分利用載體與染液形成的雙相體系,促進(jìn)陽(yáng)離子染料向載體相聚集,顯著提高了芳綸的染色性能。由此可見,研究人員在芳綸的載體染色方面已經(jīng)開展了大量的研究工作,特別是通過(guò)對(duì)纖維分子結(jié)構(gòu)的預(yù)調(diào)控處理,實(shí)現(xiàn)了芳綸的低溫染色。采用載體染色所制備的纖維具有色彩鮮艷和色牢度高的優(yōu)點(diǎn),但此方法中去除纖維內(nèi)部殘余載體、安全回用載體和進(jìn)一步減少載體對(duì)纖維力學(xué)性能的影響有待進(jìn)一步研究。

芳綸非水介質(zhì)溶劑染色

合適的非水溶劑能夠調(diào)控分散染料聚集體形貌結(jié)構(gòu)和纖維聚集態(tài)結(jié)構(gòu),溶脹纖維并促進(jìn)染料分子進(jìn)入纖維內(nèi)部,提高纖維的染色性能。

Preston等采用水溶性吡啶溶劑對(duì)芳綸1313進(jìn)行染色,染色后的纖維具有明亮的顏色和良好的光穩(wěn)定性,同時(shí)保持良好的力學(xué)性能和優(yōu)異的耐光性?；谌玖戏肿釉谌軇┲械木奂螒B(tài)調(diào)控,Sheng等利用N,N-二甲基乙酰胺(DMAc)/水溶劑體系對(duì)芳綸進(jìn)行染色,系統(tǒng)地研究了染料在二元體系中的聚集行為及其上染動(dòng)力學(xué)。研究結(jié)果表明,DMAc通過(guò)調(diào)控染料聚集體的Zeta電位和粒徑提高了染色性能。在此基礎(chǔ)上,Sheng等提出了一種基于陽(yáng)離子的染色機(jī)制。DMAc除作為氫鍵調(diào)節(jié)劑外,還可與氯化鈉協(xié)同選擇性地破壞芳綸大分子的分子間氫鍵。在染色過(guò)程中,染料分子與DMAc形成陽(yáng)離子[DMAc-Dye]+,顯著提高了芳綸1313的染色性能,且染色后的纖維具有良好的力學(xué)性能和熱學(xué)性能。基于清潔、綠色、環(huán)保的制造理念,Zheng等采用超臨界二氧化碳作為溶劑代替水,研究了芳綸在超臨界二氧化碳中的染色特性,實(shí)現(xiàn)了多種分散染料對(duì)芳綸的顏色構(gòu)建,該方法具有色牢度高、工藝流程短和節(jié)能環(huán)保等優(yōu)點(diǎn),但對(duì)染色裝備的要求較高。離子液體作為新興的非水介質(zhì),同樣受到廣泛關(guān)注。Opwis等利用1-乙基-3-甲基咪唑乙基硫酸鹽離子液體刻蝕芳綸表面以提高其粗糙度,增加了離子型染料的吸附位點(diǎn),在室溫下構(gòu)建了高色牢度的芳綸1313。上述研究工作表明,非水介質(zhì)溶劑染色具有節(jié)水和染色牢度高的優(yōu)勢(shì),可高效再利用非水介質(zhì),在綠色環(huán)保染色領(lǐng)域具有獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)。

其它染色方法

利用表面改性的方法調(diào)控芳綸的表面結(jié)構(gòu),同樣有助于提高染色性能。主要包括聚丙烯酸接枝法、光引發(fā)接枝法、化學(xué)接枝法、FriedelCrafts烷基化反應(yīng)法、超聲波法、低溫等離子體法、臭氧處理法、微波輻照法等。上述表面方法通過(guò)在纖維表面引入豐富的極性基團(tuán)和粗糙界面來(lái)增加對(duì)染料的吸附,提高染色性能。同時(shí),物理結(jié)構(gòu)生色法也被應(yīng)用于芳綸顏色的構(gòu)建。Hasan等通過(guò)原位合成納米銀(AgNPs)對(duì)芳綸織物進(jìn)行結(jié)構(gòu)生色,通過(guò)調(diào)控AgNPs的形貌和粒徑改變織物顏色,可形成大吸收峰值位于543、445和599nm的紅、黃和藍(lán)三原色。Shi等在芳綸織物上引入多巴胺優(yōu)化了無(wú)機(jī)納米粒子與芳綸的界面作用力,采用高折射率硫化鋅在芳綸表面構(gòu)建周期性納米結(jié)構(gòu),制備了顏色鮮艷的芳綸,主要顏色有藍(lán)色、綠色和紅色。這種物理結(jié)構(gòu)生色法是一種環(huán)境友好型的顏色構(gòu)建方法,在構(gòu)建顏色過(guò)程中,不僅能夠保持纖維原本優(yōu)良的力學(xué)性能,同時(shí)還能夠賦予纖維功能特性,纖維的顏色主要依賴于光子晶體或納米粒子的結(jié)構(gòu)及排列,這也為其大規(guī)模產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用提出了挑戰(zhàn)。

1.碳纖維顏色構(gòu)建

碳纖維由于其優(yōu)異的力學(xué)性能、耐腐蝕和耐摩擦性能、良好的熱穩(wěn)定性和高導(dǎo)電性,被廣泛應(yīng)用于航空航天、電子、軍工、汽車、能源和體育等眾多領(lǐng)域。然而,碳纖維的黑色外觀無(wú)法滿足日益增長(zhǎng)的色彩的需求。碳纖維的高結(jié)晶度、高化學(xué)惰性和強(qiáng)烈光吸收特性,較難用傳統(tǒng)的染料或色素分子著色,顏色構(gòu)建難度極大。

目前,碳纖維顏色的構(gòu)建主要采用物理結(jié)構(gòu)生色法。主要實(shí)現(xiàn)方法有原子層沉積法、電泳沉積法、磁控濺射法、原位聚合接枝改性法、水熱法和自組裝沉降法等,如表2所示。

Chen等首次采用原子層沉積(ALD)技術(shù)在碳纖維表面沉積了厚度可控的TiO?層,制備了紅色、黃色、藍(lán)色和綠色4種顏色的碳纖維,為碳纖維顏色構(gòu)建開辟了新途徑。Liu等通過(guò)電泳沉積法制備了結(jié)構(gòu)色可控的彩色碳纖維。在環(huán)形電場(chǎng)作用下,負(fù)電荷的聚甲基丙烯酸甲酯微球在導(dǎo)電碳纖維表面組裝,形成鮮艷的藍(lán)色、黃綠色和紅色結(jié)構(gòu)色。Zhao等采用磁控濺射法在碳纖維上引入具有周期性梯度的Al2O3和TiO2交替的一維光子晶體薄膜結(jié)構(gòu)。通過(guò)引入具有周期性梯度的一維光子層,形成了一系列具有結(jié)構(gòu)顏色梯度和良好力學(xué)性能的新型光子雙面彩色碳纖維。由于其獨(dú)特的光子結(jié)構(gòu)周期性,碳纖維在全光譜中表現(xiàn)出連續(xù)顏色梯度,顯示了藍(lán)色、綠色、橙色和紫紅等系列顏色。Eyckens等基于原位聚合過(guò)程的表面改性技術(shù),將丙烯酸聚合物薄膜快速接枝到碳纖維表面,基于薄膜干涉使碳纖維呈現(xiàn)藍(lán)色。Lin等采用一步水熱法在碳纖維表面原位生長(zhǎng)FeOOH,通過(guò)調(diào)控水熱反應(yīng)的溫度來(lái)改變FeOOH的粒徑,制備出了藍(lán)色、綠色和黃色的碳纖維。該方法制備的彩色碳纖維具有優(yōu)異的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性,如耐酸性和堿性條件下的重復(fù)洗滌、光照和等離子體蝕刻。Yu等通過(guò)熱輔助重力沉降法促進(jìn)poly(St-MMA-AA)在碳纖維表面自組裝生成光子晶體。根據(jù)布拉格定律和斯涅爾定律,計(jì)算合成的poly(St-MMA-AA)納米顆粒的尺寸,成功預(yù)測(cè)了碳纖維在可見光譜中的結(jié)構(gòu)色。上述碳纖維顏色構(gòu)建的共性都是從原子或者分子反應(yīng)出發(fā),在碳纖維表面組裝成特定的結(jié)構(gòu),從而實(shí)現(xiàn)顏色的構(gòu)建。

2.聚酰亞胺纖維顏色構(gòu)建

聚酰亞胺纖維具有環(huán)狀和剛性的分子鏈,使其具有優(yōu)異的耐熱性、高強(qiáng)高模、阻燃性、抗輻射性等高性能屬性,因此,被廣泛用于航空航天、高溫過(guò)濾、電氣絕緣、防火防熱防護(hù)服等領(lǐng)域。然而,聚酰亞胺纖維分子鏈上用于染色的官能團(tuán)較少,且其較高的玻璃化轉(zhuǎn)變溫度限制了分子鏈的運(yùn)動(dòng),這對(duì)其顏色的構(gòu)建提出了巨大挑戰(zhàn)。此外,聚酰亞胺纖維本身的金黃色也會(huì)影響后續(xù)染色加工的顏色。目前,聚酰亞胺纖維的顏色構(gòu)建方法主要包括載體染色法和表面改性染色方法。

聚酰亞胺纖維載體染色

聚酰亞胺纖維的載體染色法具有良好的產(chǎn)業(yè)化前景,利用小分子化合物作為載體,提高染料和纖維的親和力,改善纖維的染色性能。表3示出聚酰亞胺纖維的載體染色方法對(duì)比。伍雙燕等利用相似相溶原理,依據(jù)聚酰亞胺溶解度參數(shù)設(shè)計(jì)了相似的載體,在體積比為2∶5的N,N-二甲基甲酰胺與甲基異丁基甲醇的溶劑體系中,獲得了良好的染色效果。邵冬燕等根據(jù)聚酰亞胺的分子結(jié)構(gòu)制備了醚醇類染色載體,該載體能顯著改善聚酰亞胺的染色性能,且染色牢度高。肖超鵬等研究了芳基醇類、芳基酮類、避蚊胺載體對(duì)聚酰亞胺纖維染色性能的影響。結(jié)果表明,芳基酮類載體對(duì)聚酰亞胺纖維的親和力強(qiáng),可迅速進(jìn)入纖維內(nèi)部,減弱纖維內(nèi)分子鏈間的作用力,提高染料在纖維內(nèi)部的擴(kuò)散速率,其染色效果好。

Shao等采用N-甲基甲酰苯胺、苯氧異丙醇和苯乙酮作為載體提高了聚酰亞胺纖維的染色性能,還進(jìn)一步分析了N-甲基氨基苯胺對(duì)聚酰亞胺纖維結(jié)構(gòu)與性能的影響。研究表明,N-甲基甲酰苯胺通過(guò)氫鍵、π-π鍵等相互作用滲透到聚酰亞胺纖維中,其產(chǎn)生溶脹效應(yīng),提高了纖維的染色性能。綜上可知,載體染色法有利于聚酰亞胺纖維顏色的構(gòu)建,特別是酮類載體,能夠顯著提高染色效果。

聚酰亞胺纖維表面改性染色

聚酰亞胺纖維在堿性條件下易水解,利用堿劑預(yù)處理纖維,能夠增加聚酰亞胺分子鏈段上的極性基團(tuán)以提高其染色性能。Stephans等研究了聚酰亞胺在堿性溶液中轉(zhuǎn)化為聚酰胺酸的過(guò)程,發(fā)現(xiàn)其轉(zhuǎn)化程度隨時(shí)間、溫度和氫氧根離子濃度的變化而變化,堿處理能夠提高聚酰亞胺的染色性能。Wang等采用氫氧化鉀溶液對(duì)聚酰亞胺纖維進(jìn)行預(yù)處理,不僅能夠提高纖維表面的粗糙度和比表面積,而且產(chǎn)生的功能性官能團(tuán)促進(jìn)了纖維表面染料的吸附,從而有效提高了纖維的染色性能和染色牢度。

3.超高分子量聚乙烯纖維顏色構(gòu)建

超高分子量聚乙烯纖維因其優(yōu)良的耐化學(xué)腐蝕性、耐磨性、耐沖擊性、防彈防切割、高強(qiáng)和高模等性能,被廣泛應(yīng)用于軍工、航天、生物醫(yī)用材料和防護(hù)裝備等方面,但超高分子量聚乙烯纖維結(jié)晶度高、取向度高、分子鏈中不含極性基團(tuán)、表面化學(xué)惰性強(qiáng),致使染料難以進(jìn)入纖維內(nèi)部。目前,超高分子量聚乙烯纖維的染色方法主要包括改性染料染色、原液著色、表面改性染色等。表4對(duì)比了不同染色方法上染超高分子量聚乙烯纖維的工藝參數(shù)和K/S值。

超高分子量聚乙烯纖維改性染料染色

王曉春等系統(tǒng)探究了疏水染料結(jié)構(gòu)中疏水基團(tuán)數(shù)量、鏈長(zhǎng)以及強(qiáng)極性基團(tuán)對(duì)超高分子量聚乙烯染色性能的影響。結(jié)果表明:染料的疏水性和溶解度參數(shù)是影響超高分子量聚乙烯纖維染色性能的重要因素;染料溶解度參數(shù)與超高分子量聚乙烯纖維越接近,越有利于提高染料和纖維之間的分配系數(shù)和親和力。依據(jù)此原理,王菊等合成了1-對(duì)甲苯氨基-4-蒽醌己基醚、1-對(duì)甲苯氨基-4-蒽醌癸基醚和1-對(duì)甲苯氨基-4-蒽醌十四烷基醚3種具有高疏水性的紫色改性染料。其中,改性1-對(duì)甲苯氨基-4-蒽醌十四烷基醚染料的溶解度參數(shù)為8.93(J/cm3)1/2,與超高分子量聚乙烯溶解度參數(shù)8.00(J/cm3)1/2相接近,染色效果佳。Kim等研究了不同烷基取代基蒽醌藍(lán)染料對(duì)超高分子量聚乙烯纖維染色性能的影響。發(fā)現(xiàn)隨著烷基取代基長(zhǎng)度增加,超高分子量聚乙烯纖維的染色性能有逐漸提高的趨勢(shì)。采用單偶氮基團(tuán)上烷基取代基長(zhǎng)度不同的偶氮黃色和紅色染料對(duì)超高分子量聚乙烯纖維進(jìn)行染色,隨著烷基取代基長(zhǎng)度增加到一定長(zhǎng)度時(shí),其對(duì)超高分子量聚乙烯纖維的染色性能變差。在此基礎(chǔ)上,根據(jù)烷基取代基長(zhǎng)度與染色性能的關(guān)系,Kim等還以1-氨基-2-溴-4-羥基蒽醌和烷基酚為原料合成了系列不同分子質(zhì)量的蒽醌紅染料,對(duì)超高分子量聚乙烯纖維進(jìn)行染色,獲得了高耐光、高色牢度的紅色纖維。綜上,染料的極性影響染料與纖維之間的親和力。根據(jù)纖維的性質(zhì)對(duì)染料進(jìn)行改性,是有效解決纖維染色困難的方法。目前,通過(guò)增加染料疏水基團(tuán)數(shù)量或疏水鏈長(zhǎng)度來(lái)改變?nèi)玖系氖杷?有利于提高染料與超高分子量聚乙烯纖維間的親和力,進(jìn)一步改善纖維的染色性能。

超高分子量聚乙烯纖維原液著色

在彩色熔紡超高分子量聚乙烯纖維的制備過(guò)程中,紡絲溫度較高,因此,要求著色劑具有耐高溫性(300℃以上)。無(wú)機(jī)顏料具有化學(xué)穩(wěn)定性好、耐熱性好、價(jià)格經(jīng)濟(jì)等優(yōu)點(diǎn),是原液著色常用的優(yōu)良著色劑?？赏ㄟ^(guò)對(duì)顏料顆粒表面改性改善其在聚合物中的分散性,解決無(wú)機(jī)顏料的聚集對(duì)超高分子量聚乙烯可紡性、力學(xué)性能和染色性能的影響。劉銘等采用硅烷偶聯(lián)劑改性鐵黃無(wú)機(jī)顏料,提高了顏料與超高分子量聚乙烯的相容性,實(shí)現(xiàn)了有色熔紡超高分子量聚乙烯纖維的制備。Wang等采用鈦酸鹽偶聯(lián)劑改性Fe?O?顏料,用于熔紡彩色超高分子量聚乙烯纖維的制備。研究發(fā)現(xiàn):在一定范圍內(nèi)隨著顏料含量的增加,纖維K/S值增加,且耐干濕摩擦色牢度評(píng)級(jí)分別達(dá)到5和4~5級(jí);但顏料含量的增加會(huì)影響纖維大分子鏈的連續(xù)性,使著色纖維的力學(xué)性能下降。

超高分子量聚乙烯纖維非水介質(zhì)溶劑染色

基于超臨界二氧化碳在染色過(guò)程中不會(huì)破壞有機(jī)化合物結(jié)構(gòu)的特性,Ma等實(shí)現(xiàn)了以超臨界二氧化碳為介質(zhì)對(duì)超高分子量聚乙烯織物的染色。在超臨界二氧化碳環(huán)境下,以20MPa壓力和120℃溫度對(duì)超高分子量聚乙烯織物進(jìn)行染色,隨著染色時(shí)間和染料用量的增加,超高分子量聚乙烯織物的染色性能隨之提高;染色后織物的耐摩擦和耐升華色牢度達(dá)到4~5級(jí)。

超高分子量聚乙烯纖維表面改性染色

賈冬等通過(guò)在超高分子量聚乙烯纖維表面沉積聚多巴胺引入親水基團(tuán)和苯環(huán)結(jié)構(gòu),增強(qiáng)了染料分子與纖維的結(jié)合力。經(jīng)過(guò)表面改性后超高分子量聚乙烯纖維的染色性能明顯提高,經(jīng)活性紅2染色后,其K/S值達(dá)到6.144。Enomoto等以甲基丙烯酸甲酯、丙烯酸和苯乙烯為單體,對(duì)超高分子量聚乙烯纖維進(jìn)行了輻射誘導(dǎo)接枝改性,提高其染色親和性。研究結(jié)果表明,在一定范圍內(nèi),接枝率越高,纖維顏色越深,經(jīng)陽(yáng)離子染料染色后,其K/S值可達(dá)16.5,色度較深。

目前,在超高分子量聚乙烯纖維顏色的構(gòu)建過(guò)程中,使纖維的力學(xué)性能保持穩(wěn)定具有非常重要的意義。

結(jié)束語(yǔ)

以芳綸、碳纖維、聚酰亞胺纖維和超高分子量聚乙烯纖維為代表的高性能纖維,因其優(yōu)異的性質(zhì)廣泛應(yīng)用于國(guó)防科技、軍事工程、航空航天、交通運(yùn)輸、建筑工業(yè)、醫(yī)療防護(hù)等重要領(lǐng)域,但是產(chǎn)品顏色的單一性限制了其應(yīng)用的進(jìn)一步拓展。針對(duì)高性能纖維難染色或難染深的問(wèn)題,其顏色構(gòu)建方法主要包括載體染色、非水介質(zhì)溶劑染色、纖維表面改性染色、原液著色等化學(xué)染色法以及物理結(jié)構(gòu)生色法?；谀壳案咝阅芾w維顏色構(gòu)建技術(shù)現(xiàn)狀,推進(jìn)節(jié)能低碳綠色環(huán)保染色,加強(qiáng)清潔安全生產(chǎn),助力紡織行業(yè)高質(zhì)量發(fā)展將成為未來(lái)主要發(fā)展趨勢(shì)。同時(shí),需進(jìn)一步加強(qiáng)高性能纖維顏色構(gòu)建的理論基礎(chǔ)研究,結(jié)合高性能纖維的大分子鏈、化學(xué)結(jié)構(gòu)、成形方式、表面物理和化學(xué)性能,在高性能纖維的顏色構(gòu)建中取得理論突破,為制備彩色高性能纖維提供原理創(chuàng)新和理論指導(dǎo)。此外,提高纖維的染色深度和色牢度,降低高性能纖維顏色構(gòu)建過(guò)程的結(jié)構(gòu)損傷,保持纖維的高力學(xué)性能也是亟需解決的問(wèn)題。在研究中平衡好高性能纖維的顏色構(gòu)建技術(shù)與纖維性能之間的關(guān)系,將促進(jìn)高性能纖維及其制品的高質(zhì)量發(fā)展和應(yīng)用拓展。