桔瓣復合色纖維的設(shè)計、模擬及驗證

金龍升 尤士華 馬建偉

1. 青島大學紡織服裝學院，山東 青島 266071；2. 青島奧洛思新材料有限公司，山東 青島 266108

近年來，隨著生活水平的提高，人們在注重紡織品功能實用、健康環(huán)保和服用舒適的同時，越來越注重藝術(shù)審美。高品質(zhì)彩色纖維的開發(fā)，以及高效、環(huán)保地生產(chǎn)色彩鮮艷且性能穩(wěn)定的高品質(zhì)色紗，是解決紡織產(chǎn)品品種和色彩單一問題的有效方法，同時也符合未來對色彩精準控制的原液著色技術(shù)發(fā)展要求。

復合紡絲技術(shù)的快速發(fā)展為紡織纖維顏色的多樣化提供了有利的技術(shù)條件。桔瓣復合纖維的橫截面呈“橘瓣”狀，其生產(chǎn)技術(shù)已被廣泛用于制備滌錦超細纖維。將桔瓣紡技術(shù)與原液著色技術(shù)相結(jié)合，就能得到橫截面呈不同顏色相間排列的桔瓣結(jié)構(gòu)纖維。當這種纖維中相鄰兩種顏色的距離小于人眼的最低分辨距離時，人眼將識別到一種新的顏色。本文將基于該原理，對單根桔瓣復合纖維進行創(chuàng)新的結(jié)構(gòu)染色設(shè)計，通過對截面中不同的組分單獨染色，生產(chǎn)出桔瓣復合色纖維。這種利用顏色疊加原理生產(chǎn)色纖維的方法，不僅方便了色度的改變，縮短了產(chǎn)品的開發(fā)周期，降低了成本支出，解決了產(chǎn)品對市場流行色反應緩慢的問題，還滿足了人們對生活個性化、多樣化的需求，同時又能為同類產(chǎn)品的生產(chǎn)提供借鑒。

1 桔瓣復合纖維的紡絲技術(shù)

1.1 紡絲原理

桔瓣復合纖維是將兩種不同的高聚物利用熔融紡絲技術(shù)送入桔瓣紡絲組件中形成的，其是一種橫截面呈規(guī)律排列的纖維。桔瓣復合纖維生產(chǎn)工藝流程如圖1所示，生產(chǎn)的基本原理是高聚物顆粒分別在各自的螺桿擠出機中熔化后，經(jīng)計量泵定量送入紡絲組件，過濾后再由特殊的桔瓣形噴絲板擠出，最后經(jīng)拉伸、卷繞、成纖。該復合紡絲設(shè)備由紡絲擠出和接收兩部分組成。擠出部分主要包括加料筒、螺桿、計量泵、箱體、噴絲板等。其中，螺桿負責聚合物的輸送，主要分加料段、壓縮段、均化段三部分；兩個螺桿共同接入的部分為箱體，箱體的主要作用為熔體保溫與熔體分配；計量泵也連入箱體，負責控制熔體擠出的比例；噴絲板是決定復合纖維橫截面結(jié)構(gòu)的重要部件，其作用是將黏流態(tài)的聚合物熔體通過復雜的微孔轉(zhuǎn)變成特殊橫截面的熔體細流。接收部分的主要功能是纖維的卷繞與收集。熔融紡絲法與濕法紡絲法、靜電紡絲法等相比，前者無需對凝固浴溶劑及紡絲溶劑等進行回收，能有效避免對環(huán)境的污染。

圖1 桔瓣復合纖維紡絲工藝流程示意

1.2 纖維類別

桔瓣復合纖維的分類有多種。根據(jù)桔瓣中心的位置，可分為正心型與偏心型兩種(圖2)。根據(jù)桔瓣中聚合物的份數(shù)，可分為8+8(即桔瓣由8瓣聚合物A與8瓣聚合物B相互間隔組合而成)或6+6等類型。根據(jù)桔瓣能否剝離，可分為剝離型與非剝離型兩種。其中，剝離型桔瓣復合纖維多由聚酯和聚酰胺相間組成，這兩種聚合物易剝離，故此法是制備超細纖維[1]的一種方法。非剝離型桔瓣復合纖維常由一種或兩種具有相容性的聚合物制備，其可利用纖維橫截面的桔瓣結(jié)構(gòu)賦予纖維一定的功能。

圖2 桔瓣復合纖維截面示意

1.3 染色方式

化學纖維的染色方式有多種[2-3]，按照著色順序可分為紡前染色和紡后染色兩類。紡前染色是將樹脂切片與顏料混合后再經(jīng)噴絲板擠出成纖的，其主要有原液染色法和色母粒染色法兩種[4-5]。紡后染色指成纖后纖維通過溶液浸染的方式將染料附著在纖維表面或滲透到纖維內(nèi)部，其以水浴染色法為代表。

1.3.1 原液染色法

原液染色法是化纖生產(chǎn)中一種重要的染色方法，其將著色劑添加到紡絲溶液中，再經(jīng)混合、過濾后擠出成纖，該過程屬物理變化過程[6]。原液染色時，著色與紡絲同時進行，生產(chǎn)周期短，成本低。陳勝等[7]提出了一種原液著色復合纖維的制備方法，其將染色納米纖維素加入到聚合物中，通過控制染色納米纖維素的含量獲得不同顏色和深度的復合纖維。但目前原液染色法還存在一些不足，如不能實現(xiàn)對顏色的精準控制，不同批次纖維間易出現(xiàn)色差，紡絲過程中需配備專用的混和設(shè)備，以及著色劑的添加會導致設(shè)備沾色嚴重等。

1.3.2 色母粒染色法

色母粒染色法是將色母粒與本色切片按一定比例共同輸入紡絲設(shè)備后紡絲成纖的一種方法。曹欣羊等[8]介紹了有色滌綸絲的色母粒測配色和紡絲技術(shù)，該技術(shù)能在降低成本的同時改善有色滌綸的品種適應性。色母粒染色法能在轉(zhuǎn)換顏色方便的同時不會使紡絲設(shè)備沾色，避免了環(huán)境的污染，但該方法僅適合單一品種纖維的批量化生產(chǎn)，轉(zhuǎn)換顏色時原料浪費較多，且只適合生產(chǎn)中、深色的纖維，較難生產(chǎn)顏色鮮艷的纖維。

1.3.3 水浴染色法

水浴染色法是最悠久的一種化纖染色方法，主要通過水浴加以實現(xiàn)，適合產(chǎn)業(yè)化生產(chǎn)，所染制的化學纖維色彩鮮艷。錢旺燦[9]探討了一種改進后的滌錦筒子紗染色工藝，所得滌錦紗色差小、色澤鮮艷、質(zhì)量穩(wěn)定。水浴染色法適合小批量、多品種染色的需要，但染色牢度較差，染色過程中會產(chǎn)生廢水、廢氣等污染物。

2 桔瓣復合色纖維的色彩模擬分析

2.1 桔瓣復合色纖維原理

三原色原理是經(jīng)典的色彩學理論，即將任意兩種原色搭配就可以產(chǎn)生新的顏色(圖3)。色光的三原色為紅(R)綠(G)藍(B)，顏料的三原色分別為品紅(M)、黃(Y)、青(C)[10]。本文依據(jù)顏料的三原色對復合色纖維的顏色進行設(shè)計。

圖3 三原色原理

桔瓣復合色纖維是利用三原色原理制備出所需顏色纖維的。具體來說，即利用非剝離型桔瓣復合纖維的結(jié)構(gòu)，通過控制計量泵和螺桿的轉(zhuǎn)速，調(diào)節(jié)桔瓣中各顏色纖維組分的面積比，以實現(xiàn)精準控制纖維顏色的色相、明度和純度[11]。該原理的應用不但能夠精準控制纖維的顏色，還能夠解決工業(yè)染色中特殊顏色(如膚色、藏青色等)染色色差大等問題，確保了不同批次纖維間顏色的一致性。此外，采用該原理生產(chǎn)桔瓣復合色纖維還可以避免水浴染色造成的水污染問題，具有重要的社會效益與經(jīng)濟效益。

2.2 桔瓣復合色纖維的模擬

利用Rhino三維建模軟件與KeyShot三維模型渲染軟件對桔瓣復合色纖維進行模擬，并選擇顏料的三原色進行顏色匹配。圖4分別為正心型和偏心型桔瓣復合色纖維的模擬圖，其中纖維截面分別以品紅/青、品紅/黃、黃/青這三種搭配方式進行組合。從圖4可以明顯看出，品紅與青搭配時纖維呈藍色，品紅與黃搭配時纖維呈紅色，黃與青搭配時纖維呈綠色，這與顏色疊加理論一致，只是正心型與偏心型桔瓣復合色纖維在顏色的色相和純度方面表現(xiàn)出了細微區(qū)別。該模擬展示了桔瓣復合色纖維中兩種顏色疊加時的狀態(tài)，其能為實際桔瓣復合色纖維的紡制提供指導。

圖4 桔瓣復合色纖維三原色模擬

2.3 桔瓣復合色纖維的色彩驗證

根據(jù)湯方明等[12]對人眼最低分辨率的研究可知，當桔瓣復合色纖維中兩種顏色之間的距離超出人眼的分辨能力時，色彩產(chǎn)生疊加效應，故纖維將呈現(xiàn)出新的顏色。為驗證桔瓣復合色纖維設(shè)計原理的可行性，本文采用黃色和青色兩種色母粒紡制規(guī)格為0.139 tex的桔瓣復合色纖維，還將黃色和青色色母粒單獨紡制了黃色和青色纖維用作對照樣(圖5)。利用TESCAN VEGA3型鎢絲燈掃描電鏡觀察每根桔瓣復合色纖維，發(fā)現(xiàn)其直徑在(13.44±0.40 )μm。利用黃色和青色兩種色母粒，并結(jié)合桔瓣紡技術(shù),得到的復合色纖維呈綠色。

圖5 桔瓣復合色纖維與對照樣

接著，使用DataColor 850型測色儀對黃、青、綠三種纖維的顏色進行測定，得到纖維Lab模式的顏色數(shù)據(jù),其中L數(shù)值表示亮度、a數(shù)值代表紅綠程度、b數(shù)值代表黃藍程度。同時，將測得的兩種對照樣(黃色和青色纖維)的顏色載入PhotoShop軟件中，利用軟件的正片疊底功能獲得兩種顏色的疊加色彩，最后用吸管工具吸取得到疊加色的相關(guān)數(shù)據(jù)。表1對兩種軟件得到的顏色數(shù)據(jù)進行了歸納。

表1 兩種軟件得到的顏色數(shù)據(jù)

結(jié)果表明，基于三原色原理紡制的桔瓣復合色纖維基本符合顏色的疊加理論，故利用桔瓣紡工藝紡制復合色纖維切實可行。

3 桔瓣復合色纖維的優(yōu)勢

3.1 顏色精準控制

桔瓣紡工藝只需將相應配比的色母粒與聚合物切片混合后即可進行紡絲，所得纖維橫截面中不同顏色的組分間隔分布，纖維色度可人為精準控制，能確保不同批次間纖維色度的一致性，且經(jīng)簡單試紡就能生產(chǎn)出所需顏色的纖維，生產(chǎn)工序少、效率高、成本低。

3.2 市場需求應對快速

因為流行色及審美的轉(zhuǎn)變，彩色纖維具有產(chǎn)品更新速度快、周期短等特點，所以批量、快速生產(chǎn)出彩色纖維是很多公司應對市場快速變化的重要手段。桔瓣復合色纖維基于三原色原理進行顏色搭配，可快速高效地制備出所需顏色的纖維，滿足客戶需求，并能在無形中降低企業(yè)開發(fā)新品種的費用。

此外，隨著紡絲技術(shù)的不斷發(fā)展，復合色纖維的應用已不僅局限于服用領(lǐng)域，其還在不斷向汽車、醫(yī)用、裝飾等領(lǐng)域拓展。

3.3 綠色環(huán)保

原液染色法制備的復合色纖維沾色嚴重，且更換顏色時需沖刷料筒，故不可避免地會對環(huán)境造成污染。桔瓣紡工藝制備復合色纖維能避免顏料筒沾色等問題，且后處理過程污染小，生產(chǎn)效率高，還能節(jié)省原料。

4 結(jié)論與展望

桔瓣紡工藝是一種可精準制備復合色纖維的新工藝，其能解決有色纖維在批量化生產(chǎn)中產(chǎn)生的色差問題，可為有色纖維的生產(chǎn)提供參考。今后，還可采用具備防螨抗菌、抗靜電、防紫外線等其他功能的母粒混合紡絲，拓寬桔瓣復合色纖維的功能及應用范圍。