納米顏料原液著色聚乳酸纖維的制備和性能研究

張 帥，曾泳春，汪 軍

(東華大學(xué)，上海 201620)

0 引言

聚乳酸(PLA)纖維有接近滌綸纖維的物理性能，屬于高強(qiáng)、中伸、低模量纖維[1]，且具備生物可降解性與生物相容性，是滌綸纖維的環(huán)保替代品。目前，聚乳酸纖維主流染色方法是采用分散染料高溫高壓染色，缺點(diǎn)是染色淺、損傷纖維的物理性能[2]。

纖維原液著色技術(shù)是在紡絲前或紡絲過程中加入顏料，使顏料顆粒均勻分散在纖維中，直接紡得有色纖維的技術(shù)，工藝簡單、色牢度好且無三廢污染[3]。這項技術(shù)目前已應(yīng)用在對聚酯和聚酰胺纖維的著色，隨著技術(shù)日臻成熟，正向著全色譜、高質(zhì)量纖維方向發(fā)展[4]。

為改善聚乳酸纖維染色淺、染色后性能差的問題，筆者嘗試使用色母粒原液著色法和納米顏料對其進(jìn)行原液著色，并討論普通分散劑和超分散劑對納米顏料用于原液著色纖維的著色效果和對其力學(xué)性能的影響。

1 原液著色紡絲試驗

1.1 試驗材料和儀器

試驗采用6201D 型聚乳酸切粒，納米級紅、黃、藍(lán)有機(jī)顏料；采用六輥紡絲機(jī)、T-16型平行雙螺桿擠出機(jī)和SHR-10A型三輥混合機(jī)。

1.2 試驗方法

1.2.1 制備普通分散納米顏料預(yù)分散體

按顏料比例為10%稱量并混合聚乳酸和每種納米顏料，混合均勻后倒入三輥混合機(jī)，加入少量聚乙烯蠟進(jìn)一步混合，轉(zhuǎn)速頻率為50 Hz；使納米顏料細(xì)化分散并均勻包覆在聚乳酸切粒上，得到顏料含量為10%的普通分散納米顏料預(yù)分散體。

1.2.2 制備超分散納米顏料預(yù)分散體

將超分散劑和納米顏料按4∶6的比例制備成顏料含量為60%的超分散納米顏料，再按超分散納米顏料含量為10%稱量聚乳酸和超分散納米顏料并混合，混合均勻后倒入三輥混合機(jī)以使超分散納米顏料細(xì)化分散并均勻包覆在聚乳酸切粒上，得到顏料含量為10%的超分散顏料預(yù)分散體。

1.2.3 制備色母粒

雙螺桿擠出機(jī)主要由螺桿、濾網(wǎng)、模頭3個部分組成。試驗時，設(shè)置雙螺桿擠出機(jī)螺桿溫度和濾網(wǎng)溫度均為170 ℃，模頭溫度為165 ℃，升溫到設(shè)定溫度后恒溫30 min；完成恒溫后，將上述預(yù)分散體放入雙螺桿擠出機(jī)，拉成長條并切粒，即得到顏料含量為10%的色母粒。

1.2.4 制備聚乳酸原液著色全拉伸絲(FDY)

本試驗紡制顏料含量為1%的深色絲。紡絲前需要將原料進(jìn)行干燥去水和儀器恒溫，應(yīng)用真空干燥箱將聚乳酸和制備的色母粒在60 ℃、50 Pa環(huán)境下干燥24 h；將六輥紡絲機(jī)參數(shù)按表1設(shè)置，升溫并恒溫30 min；按顏料含量為1%稱量聚乳酸和色母粒并混合均勻，聚乳酸和色母粒應(yīng)即用即取、避免因放置空氣中過久吸水而影響紡絲；將稱量的色母粒和聚乳酸混合物放入六輥紡絲機(jī)紡得顏料含量為1%的1056 dtex/120 F的聚乳酸原液著色絲。

表1 六輥紡絲機(jī)參數(shù)設(shè)置

1.3 聚乳酸著色全拉伸絲的性能測試與表征

1.3.1 納米顏料微觀測試

用掃描電鏡觀察普通分散納米顏料和超分散納米顏料在色母粒中的形態(tài)。

1.3.2 強(qiáng)伸性能測試

按GB/T 14344—2008《化學(xué)纖維 長絲拉伸性能試驗方法》[5]測試聚乳酸著色絲的斷裂強(qiáng)力和斷裂伸長率。

1.3.3 耐熱遷移性能測試

原液著色紡制的纖維無論是在紡絲或后處理等熱處理時經(jīng)常需要在高溫下接觸水蒸氣、水溶液或表面活性劑等介質(zhì)，此時纖維中的顏料在這些介質(zhì)中變得活躍，可能遷移到纖維表面或介質(zhì)中，即熱遷移，從而導(dǎo)致著色纖維在紡絲或后處理中色澤變淺、著色不勻而達(dá)不到預(yù)期著色效果，耐熱遷移性可以反映原液著色纖維的著色效果和顏色保持性。

a) 用卷繞機(jī)將試驗紡制的著色絲卷繞100 m并束成小捆，置于120 ℃以上的水蒸氣中15 min，取出后將著色絲用重物壓在白紙上并放置30 min；然后使用評定沾色用色卡對每種著色絲在白紙上殘留的顏色進(jìn)行評級。

b) 選用最常接觸的紡絲油劑為測試用的表面活性劑，將著色絲置于80 ℃表面活性劑的環(huán)境中放置15 min，然后根據(jù)著色絲在表面活性劑中殘留的顏色濃度，按上述方法評級。

c) 將著色絲置于100 ℃水中15 min，然后根據(jù)著色絲在水中殘留的顏色濃度，按上述方法評級。

2 結(jié)果與討論

2.1 顏料分散狀態(tài)

圖1和圖2為普通分散母粒和超分散母粒在放大2500倍時的掃描電鏡圖。普通分散母粒中顏料多為粒徑約為5 μm的不規(guī)則球體，而超分散母粒中有一部分粒徑約為5 μm的不規(guī)則球體顏料，更多顏料碎成納米級的顆粒狀散布在聚乳酸中，顏料粒徑更小、分散更均勻。

圖1 普通分散黃色母粒電鏡圖(2500×)

圖2 超分散黃色母粒電鏡圖(2500×)

2.2 對強(qiáng)伸性能的影響

2.2.1 著色工藝對強(qiáng)伸性能的影響

兩種原液著色工藝對全拉伸絲強(qiáng)伸性能的影響，見表2。

表2 原液著色纖維強(qiáng)伸性能損失對比

從表2可知，全拉伸絲中添加納米顏料后，除了超分散紅，纖維的平均斷裂強(qiáng)度和平均斷裂伸長率都有損失。整體上，普通分散納米顏料強(qiáng)伸性能損失約為10%，超分散納米顏料是強(qiáng)伸性能損失不大于3%以內(nèi)、小于普通分散的納米顏料，但均小于高溫高壓染色為11%以上的強(qiáng)伸性能損失[6]。

相對于聚乳酸分子，原液著色添加納米顏料顆粒和添加劑都是小分子，會使聚乳酸紡絲熔體粘度降低，進(jìn)而影響全拉伸絲的拉伸性能，使纖維的強(qiáng)伸性能下降。顏料顆粒越小、顏料分散越均勻，纖維強(qiáng)伸性能的損失則越?。划?dāng)顏料顆粒足夠小、足夠均勻時，甚至能增強(qiáng)纖維的強(qiáng)伸性能。范闖[7]在使用超細(xì)顏料紡制原液著色尼龍6纖維的試驗中，纖維強(qiáng)伸性能提高了5%，具體的增強(qiáng)條件與增強(qiáng)幅度需要進(jìn)一步驗證。

2.2.2 分散方法對強(qiáng)伸性能的影響

表3中的CV值可以表示兩種分散方法的納米顏料對全拉伸絲力學(xué)性能穩(wěn)定性的影響。

表3 原液著色FDY絲的強(qiáng)伸變異系數(shù)

從表3可知，普通著色絲的斷裂強(qiáng)度CV值均不大于5%，斷裂伸長CV值不大于8%；超分散著色絲的斷裂強(qiáng)度CV值不大于3%，斷裂伸長CV值基本不大于5%。一般企業(yè)在原液著色纖維生產(chǎn)中，以斷裂強(qiáng)度CV值小于4%、斷裂伸長CV值小于8%為優(yōu)等品質(zhì)。兩種原液著色全拉伸絲的穩(wěn)定性均為優(yōu)等，納米顏料用于原液著色在纖維的穩(wěn)定性上影響很小，能夠滿足生產(chǎn)要求。

2.3 耐熱遷移性

表4為原液著色絲在高溫蒸汽、高溫表面氧化劑和高溫水溶劑環(huán)境中耐熱遷移等級。普通分散著色絲3種耐熱遷移等級都小于3級為全部不合格，表明耐熱遷移性能比較差，以致在3種環(huán)境中會發(fā)生明顯的熱遷移，尤其在接觸表面活性劑的時候都有嚴(yán)重的熱遷移，其中又以藍(lán)色納米顏料熱遷移最為嚴(yán)重，紅色、藍(lán)色次之；而超分散著色絲的耐熱遷移等級都在3級以上，為全部合格，能夠滿足生產(chǎn)和后處理要求。超分散后，藍(lán)色納米顏料熱遷移性最好，黃色次之，紅色最差。

表4 聚乳酸著色絲耐熱遷移等級

耐熱遷移性反映纖維在加工和后處理時著色的穩(wěn)定性，耐熱遷移性好則顏料與聚乳酸相容性好，在纖維加工或后處理時顏料能很好的保持在纖維中，著色纖維的可加工性能好；耐熱遷移性差則顏料易遷移到介質(zhì)中，纖維著色不均勻、達(dá)不到需求的色深，還會污染儀器或介質(zhì)溶液，可加工性能差。

根據(jù)普通著色絲和超分散著色絲在3種環(huán)境條件下的耐熱遷移等級可知，納米顏料只使用普通分散劑分散時顏料粒徑能達(dá)到微米級，不會嚴(yán)重降低全拉伸絲的強(qiáng)伸性能。但是，在高溫條件下的加工性能差，會降低纖維的著色效果、污染設(shè)備和加工介質(zhì)。當(dāng)添加超分散劑后顏料粒徑達(dá)到納米級，即能改善和聚乳酸的相容性，在高溫條件下耐熱遷移性能好，滿足生產(chǎn)加工的要求。

3 結(jié)論

3.1使用Nature Works 6201D型聚乳酸在240 ℃下成功紡制深色聚乳酸原液著色全拉伸絲，其中超分散的納米顏料原液著色絲色彩鮮艷、著色效果好，擁有接近正常紡絲的纖維性能、耐熱遷移性好、著色穩(wěn)定，可滿足紡織生產(chǎn)加工需求。

3.2使用納米顏料進(jìn)行色母粒法原液著色時會發(fā)生團(tuán)聚，添加普通分散劑的納米顏料在色母粒中粒徑為微米級，最小約為5 μm；添加超分散劑的納米顏料粒徑可達(dá)納米級。

3.3纖維中納米顏料的加入對聚乳酸纖維的強(qiáng)伸性能影響較小，且擁有優(yōu)秀的強(qiáng)伸穩(wěn)定性。整體上，普通分散納米顏料強(qiáng)伸性能損失約為10%，超分散納米顏料的強(qiáng)伸性能損失不大于3%、小于普通分散的納米顏料，全部小于高溫高壓染色大于11%的強(qiáng)伸性能損失。

3.4聚乳酸原液著色纖維中的納米顏料在生產(chǎn)加工或后處理過程中會發(fā)生熱遷移，添加普通分散劑的納米顏料著色纖維在加工和后處理時熱遷移嚴(yán)重，在高溫條件下的加工性能很差，以致會降低纖維的著色效果、污染設(shè)備和接觸的介質(zhì)；而當(dāng)經(jīng)過超分散劑提升分散程度后，超分散著色絲的耐熱遷移性可得到極大改善，纖維能在生產(chǎn)加工與后整理中保持著色效果，滿足生產(chǎn)加工需求。