閆金龍 張麗平 王曉春 趙國樑

摘要：本文以超高分子量聚乙烯（UHMWPE）纖維為對象，針對UHMWPE纖維結(jié)晶度極高、缺乏染色基團(tuán)的難題，從原液著色法、常規(guī)染料染色法、特定染料結(jié)構(gòu)開發(fā)、特殊染色工藝等方面著重介紹了目前國內(nèi)外對UHMWPE纖維染色的研究進(jìn)展。

關(guān)鍵詞：超高分子量聚乙烯；原液著色；染色工藝；染料

中圖分類號：TS193.8 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

Research Progress in Dyeing Process of UHMWPE Fiber

Abstract： Due to its high degree of crystallinity and the lack of reactive groups， the dyeing property of UHMWPE fiber was poor. The research progress in dyeing of UHMWPE fiber was summarized from the liquid coloring method， a conventional dyeing method， the development of specific structure dye method and the special dyeing method.

Key words： ultra high molecular weight polyethylene； dope dyeing； dyeing process； dyes

超高分子量聚乙烯（UHMWPE）纖維是分子量在100萬 ～ 500萬的線型結(jié)構(gòu)聚乙烯，是世界上繼碳纖維、芳綸纖維之后，出現(xiàn)的第三代高強、高模、高科技的特種纖維。雖然UHMWPE纖維與普通聚乙烯纖維的主鏈結(jié)構(gòu)相同，但是極高的分子量賦予了UHMWPE纖維穩(wěn)定性好，耐磨擦，耐切割，耐化學(xué)腐蝕，高結(jié)晶度，高防水性，抗沖擊以及表面光滑，質(zhì)輕、柔軟等優(yōu)良特性。

隨著應(yīng)用領(lǐng)域的拓寬，市場對有色UHMWPE纖維的需求日益提升，但是由于UHMWPE纖維分子結(jié)構(gòu)及特性的影響，常規(guī)纖維染色方法對UHMWPE纖維都不適用，導(dǎo)致色彩制約問題日益突出，研制有色UHMWPE纖維成為重要課題，本文針對UHMWPE纖維染色的研究進(jìn)展進(jìn)行闡述。

1 UHMWPE纖維的原液著色

目前，制備UHMWPE纖維常采用凝膠-超拉伸紡絲法，其基本工藝步驟為：溶解超高分子量聚乙烯→制備凝膠狀溶液→制備凍膠紡絲→制備超高分子量聚乙烯纖維。而原液著色方法就是在紡絲前將凝膠紡絲液著色，然后紡絲得到有色UHMWPE纖維。原液著色法是目前著色UHMWPE纖維應(yīng)用最廣泛的方法。

寧波大成新材料股份有限公司以超高分子量聚乙烯樹脂為主體，與有機顏料色粉及添加劑混合，制備有色樹脂混合料，然后對其進(jìn)行熔融擠壓，制成色母粒，再將色母粒磨成均勻粉狀，即得UHMWPE紡絲專用色母粒，進(jìn)行后續(xù)紡絲獲得有色UHMWPE纖維。

劍喬科技江蘇有限公司將顏料與低分子量聚乙烯混合后，加入到主雙螺桿制備的UHMWPE溶液中，在流經(jīng)噴絲孔時，由于其黏度較低，故自發(fā)性向纖維表面遷移，形成顏料含量由纖維表面向中心遞減的梯度結(jié)構(gòu)的凝膠纖維，再經(jīng)后續(xù)處理得到顏料含量梯度分布的成品纖維。

運用顏料直接與溶劑混合很難配制特別均一的染液，故常熟繡珀纖維有限公司將納米級有機雜環(huán)顏料與UHMWPE粉末混合，經(jīng)加工得到有色紡絲原液，再進(jìn)行后續(xù)熱拉伸等步驟可得到有色UHMWPE纖維。

荷蘭帝斯曼公司同樣采用原液染色法對UHMWPE纖維進(jìn)行著色，該公司將超高分子量聚乙烯溶于十氫化萘后與再與顏料混合配制成有色紡絲液，經(jīng)噴絲孔噴出得到有色初始紡絲束，然后進(jìn)行冷卻、拉伸等步驟即完成有色UHMWPE纖維的生產(chǎn)。

2 UHMWPE纖維的常規(guī)染色

用染料給纖維直接染色是最簡便、快捷的著色方法，但是UHMWPE纖維的大分子鏈中僅含有C—C和C—H兩種基團(tuán)，不存在其他極性官能團(tuán)，且纖維的極端疏水性和高水平結(jié)晶性，使一般的染料及染色工藝無法對其著色。為突破這一瓶頸，很多研究者通過以UHMWPE纖維初生絲為對象、改變工藝條件等方法改善UHMWPE纖維的染色。

黑龍江金源侖特種纖維有限公司在UHMWPE纖維初生絲階段，即還未牽伸形成高取向、高結(jié)晶的分子鏈段前，用染色載體、染料和滲乳劑等配制成染液噴涂到UHMWPE纖維的初始紡絲束上，再經(jīng)后續(xù)高溫拉伸等工藝處理得到有色纖維，經(jīng)檢測纖維斷裂強度達(dá)到30 cN/dtex，模量在1 100 g/D以上。

紹興金漁紡織新技術(shù)有限公司利用分散染料或酸性染料借助勻染劑和導(dǎo)染劑著色預(yù)處理后的纖維，著色結(jié)束后將染液迅速排掉，再注入冷凍水處理后完成染色，可進(jìn)行后處理。

杭州祥盛高強纖維材料股份有限公司采用雙溫載體染色法對UHMWPE纖維進(jìn)行著色。首先用甲基萘系與鄰苯基苯酚系染色載體、分散劑、勻染劑及水配成染液，再進(jìn)行雙溫染色，就可制得所需顏色的UHMWPE纖維。

另外，北京同益中特種纖維技術(shù)開發(fā)有限公司和中紡?fù)顿Y發(fā)展股份有限公司聯(lián)合開發(fā)了一種通過控制染色溫度來著色UHMWPE纖維的方法，即將凈化處理后的UHMWPE松式筒紗放入緩沖液中浸浴，并開始升溫至133 ℃，在此過程中需要進(jìn)行多次控溫染色過程。染色結(jié)束后通過后處理，即得到成品的染色超高分子量聚乙烯纖維。

3 合成特定結(jié)構(gòu)染料

盡管染色工作者在UHMWPE纖維上進(jìn)行了大量的傳統(tǒng)染色方法試驗。其中也有一些染料具有一定的染色性能，但終因染料色譜不全、各項色牢度不理想等原因而無法工業(yè)化應(yīng)用。為此，韓國慶北國立大學(xué)Taekyeong Kim等學(xué)者根據(jù)“相似相溶”原理，用疏水性的不同長度的烷基鏈作為取代基合成某些結(jié)構(gòu)簡單的偶氮型和蒽醌型分散染料（表 1）并用于UHMWPE纖維著色試驗。

研究發(fā)現(xiàn)，特定結(jié)構(gòu)染料可顯著提高UHMWPE纖維得色，其中丁基取代黃色偶氮染料的K/S值可達(dá)17.60，且所染織物的其他各項牢度良好。合成含雜原子的紫色染料中含氯原子的染料染UHMWPE纖維后染色K/S值較高，耐光色牢度為 3 級。

4 特殊染色工藝

為了克服超高分量聚乙烯纖維因結(jié)晶度極高、無活性基團(tuán)的而難以染色的缺陷，染整工作者尋求各種特殊的染色設(shè)備以期能夠有所突破。

江蘇鏹尼瑪新材料有限公司將超臨界二氧化碳工藝運用到纖維染色中，該方法是將UHMWPE纖維干膠絲放入高壓染色艙內(nèi)，然后將二氧化碳?xì)怏w加熱加壓到超臨界狀態(tài)，運用二氧化碳超臨界流體溶解染料后，將染料送至高壓染色艙內(nèi)與UHMWPE纖維干膠絲進(jìn)行接觸，給UHMWPE纖維進(jìn)行染色，染色后的纖維干膠絲再進(jìn)行超倍熱牽伸等工藝即可得到有色超分子量聚乙烯纖維。根據(jù)纖維低倍熱牽伸的倍數(shù)不同，超高分子量聚乙烯干膠絲的結(jié)晶度與以強力也有所不同，當(dāng)熱牽伸倍數(shù)為 2 時，結(jié)晶度與比強力最大分別達(dá)到65%和20 cN/dtex。此外歐洲專利EP 0873445中，帝斯曼公司也采用超臨界法染色UHMWPE纖維。

東華大學(xué)有學(xué)者利用超聲波裝置進(jìn)行染色實驗，首先將染料或顏料粉末與溶劑混合并攪拌，同時進(jìn)行超聲波振動，以獲得均勻的染色浴液；提取干燥的超高分子量聚乙烯凝膠纖維，將其放到染色浴液中，并進(jìn)行超聲波振動，取出后干燥，進(jìn)行35倍拉伸即可得到強度為28.5 cN/dtex的有色UHMWPE纖維。

5 纖維改性染色

帝斯曼公司發(fā)明了增強UHMWPE纖維制品顏色強度的方法。主要步驟是在凝膠紡絲前或紡絲中加入顏色增強劑（由玻璃、礦物、金屬或碳纖維制成）然后在紡絲前、紡絲中或者紡絲后對該纖維進(jìn)行著色。這種顏色增強劑在細(xì)玻璃纖維或礦物纖維上應(yīng)用效果良好。故該研究是通過纖維的共混改性以提高其著色效果。研究結(jié)果表明顏色強度（K/S值）最大可達(dá)到6.1，且織物的色牢度根據(jù)EN ISO標(biāo)準(zhǔn)除有機溶劑（干洗）色牢度外均可達(dá) 4 級以上。

目前生產(chǎn)UHMWPE纖維均采用凝膠紡絲法，而日本東洋紡織株式會社采用熔融紡絲法紡出強力要求不高，只滿足耐切割性能即可的高性能聚乙烯纖維，并對纖維進(jìn)行染色，且測試的各項牢度均可達(dá)到 3 級以上。

6 結(jié)束語

UHMWPE纖維作為高性能纖維，對其進(jìn)一步開發(fā)和研究，具有非常重要的現(xiàn)實意義。目前超高分子量聚乙烯纖維的工業(yè)化染色工藝，大多集中在原液著色方向，雖然可生產(chǎn)有色纖維，但仍然不盡如人意。為更好地推動這一纖維的發(fā)展，需要研究更加簡便、快捷、不損害纖維特性的工業(yè)化染色工藝，使其應(yīng)用領(lǐng)域更加廣泛，實現(xiàn)更多的經(jīng)濟(jì)效益和社會效益。

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