聚苯硫醚纖維染色性能以及日曬牢度的提升

魏炳舉，覃樂文，邢鐵玲

(1. 蘇州大學(xué)紡織與服裝工程學(xué)院， 江蘇 蘇州 215123；2.上海安諾其集團(tuán)股份有限公司，上海 200051)

0 前言

聚苯硫醚(Polyphenylene sulfide，簡稱PPS)纖維是一種線型高分子結(jié)晶性聚合物,分子結(jié)構(gòu)比較簡單，分子主鏈由苯環(huán)和苯環(huán)對位上的硫原子交替排列。大量的苯環(huán)賦予PPS以剛性，大量的硫醚鍵又提供柔順性，使其分子結(jié)構(gòu)對稱，易于結(jié)晶[1]。PPS被廣泛應(yīng)用于制備環(huán)保型耐高溫和耐腐蝕材料，如PPS可以制成過濾織物、除塵器等用在火力發(fā)電、水泥、鋼鐵等高污染工業(yè)中，還可以應(yīng)用于制成化學(xué)品的過濾網(wǎng)、電絕緣材料、電纜白膠層、特種用紙、縫紉線、防護(hù)服、防火織物、保溫材料等[1-3]。近幾年，PPS纖維也開始逐漸被應(yīng)用于紡織行業(yè)，例如與不同高性能的纖維混紡，制備保暖、耐熱、阻燃以及抗靜電等功能的復(fù)合纖維面料[4]。

聚苯硫醚纖維玻璃化轉(zhuǎn)變溫度和結(jié)晶度都較高，采用傳統(tǒng)的分散染料高溫高壓染色，染色效果較差[5]，同時存在染色后日曬牢度差等問題。本文將苯甲酸芐酯作為載體，選用日曬牢度較好的分散染料安諾可隆系列，采用高溫高壓載體染色法，優(yōu)化了染色工藝，并通過加入日曬牢度提升劑和抗紫外試劑處理以提高纖維的耐日曬牢度。

1 試驗部分

1.1 材料、試劑和儀器

材料：纖維聚苯硫醚(PPS)纖維(四川安費(fèi)爾高分子材料科技有限公司提供，線密度1.9dtex，長度54mm。),染料安諾可隆紅HLC、安諾可隆黃HLC、安諾可隆藍(lán)HLC(均由上海安諾其集團(tuán)股份有限公司提供) 。

試劑：苯甲酸芐酯(蘇州斯麥福生物科技有限公司)，日曬牢度提升劑(上海安諾其集團(tuán)股份有限公司)，保險粉，氫氧化鈉，冰醋酸，碳酸鈉，納米TiO2(上海麥克林有限公司)，抗紫外整理劑RUCO-UV UVS(魯?shù)婪蚧び邢薰?，抗紫外整理劑RUCO-SHIELD RAY(魯?shù)婪蚧び邢薰?。

儀器：紅外染色機(jī)(上?；示迣崢I(yè)有限公司)，震蕩水浴鍋(中國靖江市新旺染整設(shè)備)，烘箱(上海朗高紡織設(shè)備有限公司)，分光測色儀(HunterLab)，雙光束紫外可見分光光度計(北京普析通用儀器有限公司)，日曬牢度實驗機(jī)(錫萊-亞太拉斯香港有限公司)，耐洗色牢度實驗機(jī)(無錫紡織儀器廠)，耐摩擦牢度實驗機(jī)(英國James H.Heal公司)。

1.2 實驗工藝

1.2.1 前處理工藝

前處理液處方：

氫氧化鈉/(g·L-1) 2

皂片/(g·L-1) 2

浴比 1:100

前處理工藝：

染色前處理(90℃，40 min)→熱水沖洗(60℃，10 min)→冷水沖洗→烘干

1.2.2 染色工藝

分散染料/%(owf) X

苯甲酸芐酯/(g·L-1) Y

pH值(用NaAc-HAc調(diào)節(jié)) 4.5～5

浴比 1:30

染色工藝曲線：

1.2.3 還原清洗工藝

保險粉/(g·L-1) 2

氫氧化鈉/(g·L-1) 2

時間/min 40

浴比 1:30

工藝：

還原清洗(80℃，40min)→熱水沖洗(50 ℃，10 min)→冷水沖洗→烘干

1.2.4 耐日曬牢度提升處理

室溫取0.5g納米TiO2粉末放入100mL水中，并加入適量六偏磷酸鈉，放入超聲波中30min，使其分散均勻，得到整理液，然后將染色后纖維浸在得到的整理液中，80℃預(yù)烘30min，在110℃下焙烘60min，最后皂洗。

抗紫外整理劑RUCO-UV UVS、RUCO-SHIELD RAY浸漬處理染色后纖維，RUCO-SHIELD RAY在室溫處理。

工藝如下：

抗紫外整理劑/ %(owf) 8

pH值 5

浴比 1:10

溫度/℃ 40

時間/ min 20

烘干/℃ 110

將日曬提升劑B15在室溫時加入到染液中，進(jìn)行同浴染色。

1.3 測試方法

1.3.1 上染百分率

上染百分率可以用測定染后殘液的吸光度與染料原液吸光度之比的辦法來計算。實驗使用TU-1900雙光束紫外可見分光光度計，對染色前后的染液吸光度A0和Ai進(jìn)行測定，上染百分率(E)按式(1)計算：

E=(1-Ai/A0)×100%

(1)

1.3.2 K/S值

使用測色儀Ultra Scan PRO對染色后PPS纖維的K/S值進(jìn)行測定，采用D65光源、100觀察視角，測試三次取得平均值。

1.3.3 色牢度

對染后纖維的耐洗色牢度，按照GB/T 3921-2008《紡織品色牢度試驗?zāi)拖瓷味取返臉?biāo)準(zhǔn)來進(jìn)行判定；對染后纖維的耐摩擦色牢度，按照GB/T 3921-2008《紡織品色牢度試驗?zāi)湍Σ辽味取窐?biāo)準(zhǔn)來進(jìn)行判定；對染后纖維的耐日曬牢度，按照GB/T 8426-1998《紡織品色牢度試驗?zāi)凸馍味?日光》的標(biāo)準(zhǔn)來進(jìn)行判定，操作的時候把樣品和藍(lán)色羊毛標(biāo)準(zhǔn)樣進(jìn)行同時同條件下的日曬牢度測試，對比藍(lán)色羊毛標(biāo)準(zhǔn)樣上的顏色變化程度，對測試樣品的顏色變化進(jìn)行日曬牢度的等級判定。

2 結(jié)果與討論

2.1 聚苯硫醚纖維高溫高壓載體染色

聚苯硫醚纖維的玻璃化溫度(106℃～112℃)較高[6]。使用傳統(tǒng)的染色工藝進(jìn)行染色，染料分子難以進(jìn)入到纖維內(nèi)部發(fā)生反應(yīng)，染色后上染百分率、表觀得色深度以及各項色牢度均不夠理想。本文采用苯甲酸芐酯為載體，用高溫高壓載體染色法對纖維進(jìn)行染色。

2.1.1 載體濃度對染色性能的影響

安諾可隆紅HLC、安諾可隆黃HLC、安諾可隆藍(lán)HLC三種染料質(zhì)量分?jǐn)?shù)為6%(owf),染色溫度為135℃，染色時間為60min，考察苯甲酸芐酯的質(zhì)量濃度對聚苯硫醚纖維染色的性能的影響，結(jié)果如圖1和圖2。

圖1 染色載體質(zhì)量濃度對上染率的影響

圖2 染色載體質(zhì)量濃度對纖維K/S的影響

由圖1和圖2可知，苯甲酸芐酯質(zhì)量濃度在2g/L以下時，隨著載體濃度的增加，安諾可隆黃HLC、安諾可隆藍(lán)HLC的上染率和K/S值明顯提高，安諾可隆紅HLC的上染率和K/S值在苯甲酸芐酯質(zhì)量濃度為3g/L時最高；當(dāng)苯甲酸芐酯質(zhì)量濃度達(dá)到2g/L后，安諾可隆黃HLC、安諾可隆藍(lán)HLC的上染率和K/S值開始下降，安諾可隆紅HLC的上染率和K/S值在苯甲酸芐酯質(zhì)量濃度達(dá)到3g/L后開始下降。這是因為，苯甲酸芐酯對聚苯硫醚纖維有增塑作用，載體苯甲酸芐酯的加入使聚苯硫醚大分子鏈段流動性的增加，纖維的玻璃化溫度(Tg)和染色轉(zhuǎn)變溫度(Td)降低，染料分子更容易進(jìn)入纖維分子內(nèi)部發(fā)生反應(yīng)[7]。同時，苯甲酸芐酯對聚苯硫醚纖維有增溶作用，當(dāng)苯甲酸芐酯質(zhì)量濃度超過一定量后，染料溶解于過量的載體形成的分散相(第三相)中，阻礙了纖維與染料的結(jié)合，導(dǎo)致纖維的上染率和K/S值降低。因此，安諾可隆黃HLC、安諾可隆藍(lán)HLC染色時苯甲酸芐酯質(zhì)量濃度為2g/L，安諾可隆紅HLC染色時苯甲酸芐酯質(zhì)量濃度為3g/L。

2.1.2 染料質(zhì)量分?jǐn)?shù)對染色性能的影響

取染料質(zhì)量分?jǐn)?shù)分別為2%、4%、6%、8%、10%，染色溫度為135℃，染色時間為60min，載體質(zhì)量濃度安諾可隆黃HLC、安諾可隆藍(lán)HLC為2g/L，安諾可隆紅HLC為3g/L，考察染料質(zhì)量分?jǐn)?shù)對聚苯硫醚纖維染色的性能的影響，結(jié)果如圖3和圖4。

圖3 染料質(zhì)量分?jǐn)?shù)對上染率的影響

圖4 染料質(zhì)量分?jǐn)?shù)對纖維K/S的影響

由圖3和圖4可知，染料質(zhì)量分?jǐn)?shù)對染料的上染率和K/S值影響比較大。隨著染料濃度的增加，纖維的K/S值增加，當(dāng)染料質(zhì)量分?jǐn)?shù)為6%(owf)時，纖維K/S值明顯增加，后邊增加緩慢。在實際應(yīng)用中，可根據(jù)顏色深度的要求，調(diào)整染料的實際用量。當(dāng)染料質(zhì)量分?jǐn)?shù)為2%(owf)時，上染率在90%以上，隨著染料濃度的增加，上染率明顯下降；染料質(zhì)量分?jǐn)?shù)為10%(owf)時，上染率在80%左右。因此，后續(xù)工藝選用的染料質(zhì)量分?jǐn)?shù)為6%(owf)。

2.1.3 染色溫度對染色性能的影響

安諾可隆紅HLC、安諾可隆黃HLC、安諾可隆藍(lán)HLC，三種染料質(zhì)量分?jǐn)?shù)為6%(owf),染色時間60min，載體質(zhì)量濃度安諾可隆黃HLC、安諾可隆藍(lán)HLC為2g/L，安諾可隆紅HLC為3g/L，考察染色溫度對聚苯硫醚纖維染色的性能的影響，結(jié)果如圖5和圖6。

圖5 染色溫度對上染率的影響

圖6 染色溫度對纖維K/S值的影響

由圖5和圖6可知，染色溫度對染料上染率和K/S值影響很大。當(dāng)染色溫度低于130℃時，染料上染率和K/S值隨著溫度的升高快速增加，當(dāng)溫度超過130℃時染料上染率和K/S值隨著溫度的升高增加緩慢。這是因為，聚苯硫醚纖維玻璃化溫度較高(106℃～112℃)，當(dāng)溫度低于其玻璃化轉(zhuǎn)變溫度時，纖維分子鏈段運(yùn)動不劇烈，染料難以進(jìn)入纖維內(nèi)部發(fā)生反應(yīng)，隨著溫度升高，染料無定型運(yùn)動增加，纖維分子鏈段運(yùn)動劇烈，大量的染料和纖維結(jié)合，從而提高了染料的上染率和K/S值。因此，選定染色溫度為135℃。

2.1.4 染色時間對染色性能的影響

安諾可隆紅HLC、安諾可隆黃HLC、安諾可隆藍(lán)HLC三種染料質(zhì)量分?jǐn)?shù)為6%(owf),染色溫度135℃，載體質(zhì)量濃度安諾可隆黃HLC、安諾可隆藍(lán)HLC為2g/L，安諾可隆紅HLC為3g/L，考察染色時間對聚苯硫醚纖維染色的性能的影響，結(jié)果如圖7和圖8。

圖7 染色時間對上染率的影響

圖8 染色時間對纖維K/S值的影響

由圖7和圖8可知，染料的上染率和K/S值隨著染色時間的延長而提高，當(dāng)染色時間超過60min后，染料的上染率和K/S值增加緩慢并趨于染色平衡。從節(jié)約能源及成本考慮，確定染色時間為60min。

2.2 纖維耐日曬牢度

按1.2.3節(jié)工藝對聚苯硫醚纖維進(jìn)行耐日曬牢度處理，分別測試經(jīng)過日曬牢度提升劑B15、納米TiO2、抗紫外整理劑RUCO-UV UVS、抗紫外整理劑RUCO-SHIELD RAY處理后纖維耐日曬牢度，結(jié)果見表1。

表1 不同耐日曬牢度整理劑

由表1可知，聚苯硫醚纖維用安諾可隆紅HLC染色后，未經(jīng)任何處理的纖維耐日曬牢度為3級，添加日曬牢度提升劑B15耐日曬牢度為3～4級，進(jìn)一步采用抗紫外整理劑納米TiO2處理后耐日曬牢度為4級，用RUCO-UV UVS、RUCO-SHIELD RAY處理后的耐日曬牢度都為3～4級；纖維經(jīng)安諾可隆黃HLC染色后，未處理纖維的耐日曬牢度為4級，添加日曬牢度提升劑B15的染色纖維耐日曬牢度為4～5級，分別經(jīng)納米TiO2、RUCO-UV UVS、RUCO-SHIELD RAY處理后耐日曬牢度都達(dá)到5級；纖維用安諾可隆藍(lán)HLC染色后，未處理的纖維耐日曬牢度為3～4級，添加日曬牢度提升劑B15和經(jīng)過納米TiO2、RUCO-UV UVS處理的耐日曬牢度均為4～5級，用RUCO-SHIELD RAY處理后耐日曬牢度為4級。因此，染色時添加日曬牢度提升劑并經(jīng)抗紫外整理劑處理后的纖維，耐日曬牢度可達(dá)到優(yōu)等品要求。

2.3 纖維其它染色牢度

分別測試?yán)w維染色后的耐皂洗牢度和耐摩擦牢度，測試結(jié)果為：纖維的耐皂洗牢度可達(dá)到4級，耐干摩擦牢度可達(dá)到3～4級、濕摩擦牢度可達(dá)到3級。

3 結(jié)論

(1)苯甲酸芐酯可作為聚苯硫醚纖維分散染料染色時的載體，能夠改善聚苯硫醚纖維的染色性能，染色效果較好。優(yōu)化的工藝為：染色溫度為135℃，染色時間60min，載體苯甲酸芐酯質(zhì)量濃度為2g/L～3g/L。在此工藝條件下，染料上染率達(dá)到85%以上，耐皂洗色牢度4級，耐干摩擦牢度可達(dá)到3～4級、濕摩擦牢度可達(dá)到3級。

(2)采用日曬牢度提升劑B15和纖維進(jìn)行同浴染色，纖維耐日曬牢度僅達(dá)到合格產(chǎn)品要求。在日曬牢度提升劑同浴染色的基礎(chǔ)上，對纖維染色后進(jìn)行抗紫外整理，經(jīng)過納米TiO2、抗紫外整理劑RUCO-UV UVS和RUCO-SHIELD RAY處理后的纖維耐日曬牢度可達(dá)到優(yōu)等品要求。