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    芳綸載體染色

    ?芳綸載體染色

    載體染色是芳綸的一種重要的染色方法,在調節染浴溫度下,利用載體調控纖維大分子鏈的動態行為,改變纖維的玻璃化轉變溫度,削弱分子間氫鍵作用力,為染料的上染提供更多空間,促進染料分子擴散到纖維內部,增加上染率。

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    Chen等研究了載體CindyeDnk對分散染料在芳綸上的染色速率常數和擴散系數的影響。研究結果表明,該載體能夠提高分散染料對芳綸的親和力,降低染色熵和縮短半染時間。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,促進了染料在芳綸1313和芳綸1414內部無定形區的擴散,提高了2種纖維的染色性能。雖然DEET使芳綸的玻璃化轉變溫度和取向度降低,但是對其結晶度沒有影響。此外,鄭丹等還研究了DEET處理后芳綸1414的微觀結構與性能,進一步證明了DEET僅造成了纖維分子鏈結構松散,未破壞其結晶區,因此染色后的芳綸1414仍具有優良的力學性能。Islam等采用N-甲基甲酰苯胺作為載體,研究了堿性染料對芳綸1313的染色動力學。實驗結果表明,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定性高的特點,促進染料分子滲透到纖維內部,實現了芳綸的顏色構建。Cao等研究了低染料濃度下2-苯氧乙醇載體對芳綸1313聚集態結構與染色性能的影響。研究發現,該載體與芳綸的氫鍵作用強,能夠擴大纖維的無定形區,顯著提高染色性能,獲得色彩鮮艷的芳綸。同時,該方法也破壞了纖維的結晶區,降低了纖維的熱穩定性。在該研究基礎上,基于節能減排和減少染色過程對纖維的損傷原則,Sheng等開發了2-苯氧乙醇載體預溶脹芳綸1313的方法,實現了芳綸的低溫(95℃)染色。該方法充分利用載體與染液形成的雙相體系,促進陽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開展了大量的研究工作,特別是通過對纖維分子結構的預調控處理,實現了芳綸的低溫染色。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點,但此方法中去除纖維內部殘余載體、安全回用載體和進一步減少載體對纖維力學性能的影響有待進一步研究。

    芳綸非水介質溶劑染色

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    合適的非水溶劑能夠調控分散染料聚集體形貌結構和纖維聚集態結構,溶脹纖維并促進染料分子進入纖維內部,提高纖維的染色性能。

    Preston等采用水溶性吡啶溶劑對芳綸1313進行染色,染色后的纖維具有明亮的顏色和良好的光穩定性,同時保持良好的力學性能和優異的耐光性?;谌玖戏肿釉谌軇┲械木奂螒B調控,Sheng等利用N,N-二甲基乙酰胺(DMAc)/水溶劑體系對芳綸進行染色,系統地研究了染料在二元體系中的聚集行為及其上染動力學。研究結果表明,DMAc通過調控染料聚集體的Zeta電位和粒徑提高了染色性能。在此基礎上,Sheng等提出了一種基于陽離子的染色機制。DMAc除作為氫鍵調節劑外,還可與氯化鈉協同選擇性地破壞芳綸大分子的分子間氫鍵。在染色過程中,染料分子與DMAc形成陽離子[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性能和熱學性能?;谇鍧?、綠色、環保的制造理念,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,實現了多種分散染料對芳綸的顏色構建,該方法具有色牢度高、工藝流程短和節能環保等優點,但對染色裝備的要求較高。離子液體作為新興的非水介質,同樣受到廣泛關注。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,在室溫下構建了高色牢度的芳綸1313。上述研究工作表明,非水介質溶劑染色具有節水和染色牢度高的優勢,可高效再利用非水介質,在綠色環保染色領域具有獨特的優勢。

    其它染色方法

    利用表面改性的方法調控芳綸的表面結構,同樣有助于提高染色性能。主要包括聚丙烯酸接枝法、光引發接枝法、化學接枝法、FriedelCrafts烷基化反應法、超聲波法、低溫等離子體法、臭氧處理法、微波輻照法等。上述表面方法通過在纖維表面引入豐富的極性基團和粗糙界面來增加對染料的吸附,提高染色性能。同時,物理結構生色法也被應用于芳綸顏色的構建。Hasan等通過原位合成納米銀(AgNPs)對芳綸織物進行結構生色,通過調控AgNPs的形貌和粒徑改變織物顏色,可形成最大吸收峰值位于543、445和599nm的紅、黃和藍三原色。Shi等在芳綸織物上引入多巴胺優化了無機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建周期性納米結構,制備了顏色鮮艷的芳綸,主要顏色有藍色、綠色和紅色。這種物理結構生色法是一種環境友好型的顏色構建方法,在構建顏色過程中,不僅能夠保持纖維原本優良的力學性能,同時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構及排列,這也為其大規模產業化應用提出了挑戰。

    1.碳纖維顏色構建

    碳纖維由于其優異的力學性能、耐腐蝕和耐摩擦性能、良好的熱穩定性和高導電性,被廣泛應用于航空航天、電子、軍工、汽車、能源和體育等眾多領域。然而,碳纖維的黑色外觀無法滿足日益增長的色彩的需求。碳纖維的高結晶度、高化學惰性和強烈光吸收特性,較難用傳統的染料或色素分子著色,顏色構建難度極大。

    目前,碳纖維顏色的構建主要采用物理結構生色法。主要實現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)技術在碳纖維表面沉積了厚度可控的TiO?層,制備了紅色、黃色、藍色和綠色4種顏色的碳纖維,為碳纖維顏色構建開辟了新途徑。Liu等通過電泳沉積法制備了結構色可控的彩色碳纖維。在環形電場作用下,負電荷的聚甲基丙烯酸甲酯微球在導電碳纖維表面組裝,形成鮮艷的藍色、黃綠色和紅色結構色。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構。通過引入具有周期性梯度的一維光子層,形成了一系列具有結構顏色梯度和良好力學性能的新型光子雙面彩色碳纖維。由于其獨特的光子結構周期性,碳纖維在全光譜中表現出連續顏色梯度,顯示了藍色、綠色、橙色和紫紅等系列顏色。Eyckens等基于原位聚合過程的表面改性技術,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藍色。Lin等采用一步水熱法在碳纖維表面原位生長FeOOH,通過調控水熱反應的溫度來改變FeOOH的粒徑,制備出了藍色、綠色和黃色的碳纖維。該方法制備的彩色碳纖維具有優異的結構穩定性,如耐酸性和堿性條件下的重復洗滌、光照和等離子體蝕刻。Yu等通過熱輔助重力沉降法促進poly(St-MMA-AA)在碳纖維表面自組裝生成光子晶體。根據布拉格定律和斯涅爾定律,計算合成的poly(St-MMA-AA)納米顆粒的尺寸,成功預測了碳纖維在可見光譜中的結構色。上述碳纖維顏色構建的共性都是從原子或者分子反應出發,在碳纖維表面組裝成特定的結構,從而實現顏色的構建。

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    2.聚酰亞胺纖維顏色構建

    聚酰亞胺纖維具有環狀和剛性的分子鏈,使其具有優異的耐熱性、高強高模、阻燃性、抗輻射性等高性能屬性,因此,被廣泛用于航空航天、高溫過濾、電氣絕緣、防火防熱防護服等領域。然而,聚酰亞胺纖維分子鏈上用于染色的官能團較少,且其較高的玻璃化轉變溫度限制了分子鏈的運動,這對其顏色的構建提出了巨大挑戰。此外,聚酰亞胺纖維本身的金黃色也會影響后續染色加工的顏色。目前,聚酰亞胺纖維的顏色構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業化前景,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比。伍雙燕等利用相似相溶原理,依據聚酰亞胺溶解度參數設計了相似的載體,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。邵冬燕等根據聚酰亞胺的分子結構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、避蚊胺載體對聚酰亞胺纖維染色性能的影響。結果表明,芳基酮類載體對聚酰亞胺纖維的親和力強,可迅速進入纖維內部,減弱纖維內分子鏈間的作用力,提高染料在纖維內部的擴散速率,其染色效果最好。

    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,還進一步分析了N-甲基氨基苯胺對聚酰亞胺纖維結構與性能的影響。研究表明,N-甲基甲酰苯胺通過氫鍵、π-π鍵等相互作用滲透到聚酰亞胺纖維中,其產生溶脹效應,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,利用堿劑預處理纖維,能夠增加聚酰亞胺分子鏈段上的極性基團以提高其染色性能。Stephans等研究了聚酰亞胺在堿性溶液中轉化為聚酰胺酸的過程,發現其轉化程度隨時間、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聚酰亞胺纖維進行預處理,不僅能夠提高纖維表面的粗糙度和比表面積,而且產生的功能性官能團促進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建

    超高分子量聚乙烯纖維因其優良的耐化學腐蝕性、耐磨性、耐沖擊性、防彈防切割、高強和高模等性能,被廣泛應用于軍工、航天、生物醫用材料和防護裝備等方面,但超高分子量聚乙烯纖維結晶度高、取向度高、分子鏈中不含極性基團、表面化學惰性強,致使染料難以進入纖維內部。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

    王曉春等系統探究了疏水染料結構中疏水基團數量、鏈長以及強極性基團對超高分子量聚乙烯染色性能的影響。結果表明:染料的疏水性和溶解度參數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和親和力。依據此原理,王菊等合成了1-對甲苯氨基-4-蒽醌己基醚、1-對甲苯氨基-4-蒽醌癸基醚和1-對甲苯氨基-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-對甲苯氨基-4-蒽醌十四烷基醚染料的溶解度參數為8.93(J/cm3)1/2,與超高分子量聚乙烯溶解度參數8.00(J/cm3)1/2相接近,染色效果最佳。Kim等研究了不同烷基取代基蒽醌藍染料對超高分子量聚乙烯纖維染色性能的影響。發現隨著烷基取代基長度增加,超高分子量聚乙烯纖維的染色性能有逐漸提高的趨勢。采用單偶氮基團上烷基取代基長度不同的偶氮黃色和紅色染料對超高分子量聚乙烯纖維進行染色,隨著烷基取代基長度增加到一定長度時,其對超高分子量聚乙烯纖維的染色性能變差。在此基礎上,根據烷基取代基長度與染色性能的關系,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量的蒽醌紅染料,對超高分子量聚乙烯纖維進行染色,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。根據纖維的性質對染料進行改性,是有效解決纖維染色困難的方法。目前,通過增加染料疏水基團數量或疏水鏈長度來改變染料的疏水性,有利于提高染料與超高分子量聚乙烯纖維間的親和力,進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)。無機顏料具有化學穩定性好、耐熱性好、價格經濟等優點,是原液著色常用的優良著色劑??赏ㄟ^對顏料顆粒表面改性改善其在聚合物中的分散性,解決無機顏料的聚集對超高分子量聚乙烯可紡性、力學性能和染色性能的影響。劉銘等采用硅烷偶聯劑改性鐵黃無機顏料,提高了顏料與超高分子量聚乙烯的相容性,實現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。研究發現:在一定范圍內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級分別達到5和4~5級;但顏料含量的增加會影響纖維大分子鏈的連續性,使著色纖維的力學性能下降。

    超高分子量聚乙烯纖維非水介質溶劑染色

    基于超臨界二氧化碳在染色過程中不會破壞有機化合物結構的特性,Ma等實現了以超臨界二氧化碳為介質對超高分子量聚乙烯織物的染色。在超臨界二氧化碳環境下,以20MPa壓力和120℃溫度對超高分子量聚乙烯織物進行染色,隨著染色時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到4~5級。

    超高分子量聚乙烯纖維表面改性染色

    賈冬等通過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和苯環結構,增強了染料分子與纖維的結合力。經過表面改性后超高分子量聚乙烯纖維的染色性能明顯提高,經活性紅2染色后,其K/S值達到6.144。Enomoto等以甲基丙烯酸甲酯、丙烯酸和苯乙烯為單體,對超高分子量聚乙烯纖維進行了輻射誘導接枝改性,提高其染色親和性。研究結果表明,在一定范圍內,接枝率越高,纖維顏色越深,經陽離子染料染色后,其K/S值可達16.5,色度較深。

    目前,在超高分子量聚乙烯纖維顏色的構建過程中,使纖維的力學性能保持穩定具有非常重要的意義。

    結束語

    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,因其優異的性質廣泛應用于國防科技、軍事工程、航空航天、交通運輸、建筑工業、醫療防護等重要領域,但是產品顏色的單一性限制了其應用的進一步拓展。針對高性能纖維難染色或難染深的問題,其顏色構建方法主要包括載體染色、非水介質溶劑染色、纖維表面改性染色、原液著色等化學染色法以及物理結構生色法?;谀壳案咝阅芾w維顏色構建技術現狀,推進節能低碳綠色環保染色,加強清潔安全生產,助力紡織行業高質量發展將成為未來主要發展趨勢。同時,需進一步加強高性能纖維顏色構建的理論基礎研究,結合高性能纖維的大分子鏈、化學結構、成形方式、表面物理和化學性能,在高性能纖維的顏色構建中取得理論突破,為制備彩色高性能纖維提供原理創新和理論指導。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建過程的結構損傷,保持纖維的高力學性能也是亟需解決的問題。在研究中平衡好高性能纖維的顏色構建技術與纖維性能之間的關系,將促進高性能纖維及其制品的高質量發展和應用拓展。

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