纤维素纤维原液着色技术的研究进展解读

纤维素纤维原液着色技术的研究进展

纤维素原液着色技术实现了纤维素制品纺和染的一体化生产，解决了染料染色中存在日晒牢度差、色泽不匀等弊病，省略了下游产品的染色环节，减少了水和能源的消耗，是一项值得推广和发展的纤维染色技术。本文阐述和分析了纤维素纤维原液着色技术中着色剂、溶解纤维素纤维的溶剂以及着色剂与纺丝原液相容性基础问题的最新研究进展，认为超细颜料或超细包覆颜料是纤维素纤维原液着色着色剂的主要发展方向。

1 引言

纤维素纤维是最主要的纤维品种之—，在纺织、生物医药、交通、建筑和航空等领域有着广泛的应用。近年来，随着人们生活水平的提高，纤维素纤维的需求量日益增大。据相关文献统计，自2000年以来，我国纤维素纤维产品的年产量一直以15%-20%的速度增加，估计2009年我国粘胶短纤的产量在130万t左右。若对这些纤维染色，势必需要消耗大量的水和能源。

纤维原液着色技术实现了纤维制品纺和染的一体化生产，该技术起始于1936年英国的卜内门公司，其基本原理是将着色剂先均匀分散到纤维素纺丝原液中，然后直接纺出有色纤维。与传统的纤维染色方法相比，原液着色技术解决了染料染色中存在的日晒牢度和水洗牢度差、色泽不匀等弊病。更重要的是，该技术省略了下游产品的染色环节，极大地降低了纤维素色丝的生产成本，减少了水和能源的消耗，不存在因印染带来的环境污染问题，有效解决了印染厂的污水问题。

纤维素原液着色主要有两种方法，一是在纺丝溶液中加入着色剂，经过充分的混合、溶解和过滤后，纺制成有色纤维；二是在纺丝原液进入喷丝头之前定量注入着色剂或有色原液，经静态混和器混合后，纺制成有色纤维素。前者因纺丝管线长，着色剂对设备沾色严重，换色要进行大量的清洗；而后者换色方便，不沾污主要设备，是目前纤维素原液着色的主要方法。可见，实现纤维素原液着色，除了对设备有要求外，还应当充分了解掺杂着色剂的纺丝原液的性质，研究溶解纤维素用溶剂的性质以及纤维素着色用的着色剂。

2 纤维素纤维的溶剂

/NaOH 实现纤维素原液着色，首先要充分了解溶解纤维素纤维的溶剂。CS

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组成的溶剂体系是传统再生纤维素纤维（粘胶纤维）的主要溶解方法。但由于

，因此会对环境造成极大的危害。为了解决纤维素纤维该法在生产中使用了CS

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生产过程中的环境污染问题，近年来，开发了多种溶解纤维素的溶剂体系，如N-甲基吗啉-氧化物（NMMO）、LiCl/二甲基乙酰胺、离子液体、氨基甲酸酯等，以及NaOH/屎素或NaOH/硫脲溶剂体系。其中，以NMMO为纤维素溶剂，制备的纤维被称为Lyocell纤维，该纤维因制造工艺简单，溶剂无毒、可以回收，无环境污染，且纤维性能又优于普通粘胶纤维，因此被称为“绿色纤维”，具有良好的发展前景。另外，张俐娜教授以NaOH/尿素为溶剂，在-12℃的条件下对纤维素进行溶解后纺丝，同样得到了力学性能良好的再生纤维素丝锭。这个新开发的溶剂体系成本低廉、对环境污染小，具有很好的发展前景。

3 颜料色浆在纤维素原液着色技术中的应用

纤维素原液着色的颜料主要分无机和有机颜料两种，有机颜料颜色鲜艳，色谱齐全，毒性低，是纤维素原液着色的主要物质。制备粒径小、粒子分布窄以及稳定性高的颜料色浆是实现纤维素原液着色的前提。一般情况下，颜料颗

粒越小、粒子分布越窄，其着色力越高，颜色也越鲜艳，同时对纤维的微观结构、表面形貌和力学性能影响也越小。

在分散剂的协助下，直接对颜料分散加工是制备性能优良的颜料分散体的常见方法，该法的技术关键在于分散剂和分散设备的选择。此外，制备具有核-壳结构的包覆颜料是提高颜料分散稳定性的另一个重要方法。这种颜料的分散体中，由于壳层聚合物和核层颜料接触面积大，相互作用强，聚合物不会在颜料表面发生脱吸附现象，可解决颜料在分散体中的分散稳定性。当前制备具有核-壳结构包覆颜料的方法有很多，如细乳液聚合法、原子转移聚合法、相分离法、层层组装法、溶胶凝胶法以及原位聚合法等。

纤维素纤维原液着色中，除了要求颜料在水中具有良好的分散稳定性外，还要求其在纺丝原液中具有良好的分散稳定性。由于纤维素纺丝原液的组成比较复杂，含有纤维素大分子、颜料颗粒、分散剂、溶解和电解质等，因此颜料分散体虽然在水中具有良好的分散稳定性，但在纤维素纺丝原液中可能会发生聚沉。特别是在分散剂协助下分散的颜料体系，这种现象尤其明显。原因可能是在这个体系中，颜料与分散剂间仅靠范德华力吸附在一起，在高温、强电解质、强碱或强酸的作用下，分散剂易从颜料表面脱落，发生脱吸附。目前这种颜料色浆在性能要求不高的粘胶短纤中勉强可以应用，但在要求较高的粘胶长丝中无法应用。同直接分散不同，在包覆颜料中，这种脱吸附现象很少发生。

图1是在显微镜下拍摄的包覆炭黑颜料（a）和分散炭黑颜料（b）在粘胶纺丝原液中的分散情况。

从图1可以看出，包覆炭黑颜料与纺丝原液的相容性明显优于分散炭黑颜料。此外，掺杂颜料后纤维素纺丝原液的流变性变化也需引起广泛关注。郭利伟等人的研究表明，纳米炭黑掺杂到纤维素/NMMO纺丝原液后，其黏度随纳米炭黑添加量的增加呈先减小后增大的变化规律。笔者在研究中发现，将颜料掺杂到粘胶纤维纺丝原液中后，出现了3种情况：一是颜料发生团聚，纺丝原液黏度急剧增大；二是颜料在纤维素纺丝原液中分散不均匀，纺丝原液黏度明显增大；三是颜料在纤维素纺丝原液中均匀分散，纺丝原液黏度变化不明显。显然，这些变化恰好是纺丝原液中纤维素大分子形态以及纤维素大分子、颜料、分散剂和分散介质间相互作用变化的宏观表现。

另外，颜料颗粒在纤维素纤维中的分散稳定性也是保证纤维素具有良好颜色性能和力学性能的重要因素。考虑到纤维素大分子上含有很多羟基，分子间作用力大，因此在对颜料表面改性时，应尽量在颜料表面引入可与纤维形成氢键的基团，增强颜料与纤维的相互作用，减少因长时间放置发生颜料在纤维素内部迁移的现象，避免因颜料颗粒增大出现颜料展色性低，力学性能、摩擦牢度和水洗牢度严重下降的问题。图2是包覆炭黑在粘胶纤维原液着色纤维中的分布情况，从图中可以发现，颜料已经均匀分散到纤维内部，表现出了良好的颜色特征和力学性能。

4 还原染料在纤维素原液着色技术中的应用

水溶性染料无法应用于纤维素纤维的原液着色，一方面由于在凝固浴成纤过程中，水溶性染料会向凝固浴扩散，另外在强碱或强酸环境下，染料结构会被破坏，从而造成染料浪费和颜色不鲜艳等弊病。与其它水溶性染料不同，还