水性色漿在再生纖維素纖維原液著色中的應用

許 丹，梅成國，杜長森，宋文強，陳緒榮

(蘇州世名科技股份有限公司，江蘇 昆山 215337)

水性色漿在再生纖維素纖維原液著色中的應用

許 丹，梅成國，杜長森*，宋文強，陳緒榮

(蘇州世名科技股份有限公司，江蘇 昆山 215337)

介紹了再生纖維素纖維原液著色對所用水性色漿的性能要求，以及黏膠纖維、莫代爾纖維、Lyocell纖維等不同再生纖維素纖維原液著色技術的研究現狀和生產工藝優化情況。提出了提升原液著色用水性色漿與纖維紡絲原液的相容性、降低色漿粒徑分布、規避環境安全風險、避免顏料顆粒對原液著色纖維力學性能的影響以及優化紡絲工藝等推進該技術應用的重要措施。

再生纖維素纖維；原液著色；水性色漿

再生纖維素纖維是以天然纖維素為原料，通過化學或物理方法制備成黏稠的紡絲溶液，再通過濕法紡絲制成的纖維[1]，包括黏膠、莫代爾、Lyocell等多個纖維品種。目前，再生纖維素纖維制備的紡織品著色大多采用染料染色，存在能耗高、廢水排放量大等缺點。據統計，2014年我國紡織行業排放了19.6億t廢水，化學需氧量COD排放達到23.9萬t[2]，其中，紡織品染色占據了紡織行業大部分廢水排放。印染廢水中含有大量的漿料、染料和表面活性劑等物質，是公認較難處理的廢水之一，在能源和水資源枯竭、環保壓力日益增大的背景下，傳統染色面臨著越來越大的節能減排和環保壓力。

原液著色技術是指在紡絲原液中加入著色劑進行紡絲，直接制成有色纖維的技術。與傳統的染色工藝相比，原液著色技術省略了纖維產品的染色環節，有效降低了纖維色絲的生產成本，減少了水和能源的消耗，引起了研究者們的廣泛關注[3]。水性色漿作為黏膠纖維、莫代爾纖維等再生纖維素纖維進行原液著色的主要著色劑同樣得到了人們的廣泛關注。

1 原液著色水性色漿的性能要求

1.1 水性色漿與紡絲原液的相容性好

水性色漿與纖維紡絲原液的相容性好壞是影響水性色漿對纖維著色效果的主要因素。傳統的水性色漿是在水性介質中使用分散劑，經研磨工藝制備而得，在黏膠、莫代爾等纖維紡絲原液中，在高電解質、高聚合物含量、強堿等苛刻的環境下，水性色漿容易發生顏料顆粒間的架橋行為或分散劑從顏料表面的脫吸附行為，引起顏料顆粒團聚，造成顏料顆粒黏附在管路和噴絲頭上、堵塞噴絲孔、形成異狀絲、色絲色調不一、色澤暗淡等問題，從而對紡絲原液的可紡性和紡絲效果產生影響[4-5]。通過篩選合適分散劑、顏料包覆、利用機械力防止顏料顆粒團聚等方法，可以有效提升色漿中顏料顆粒與黏膠等再生纖維素纖維紡絲原液的相容性[6-7]。

1.2 對色絲力學性能影響小

用于纖維原液著色的水性色漿必須考慮其對纖維力學性能的影響。曹俊友等人研究表明，隨著色漿添加量的增大，原液著色黏膠纖維的斷裂強度和斷裂伸長率呈明顯下降的趨勢。陳莉娜等人研究了使用水性色漿作為著色劑制備原液著色黏膠纖維，發現與普通黏膠纖維相比，原液著色的黏膠纖維斷裂強力、斷裂伸長率和斷裂強度均比普通黏膠纖維有所下降，而拉伸性能則與普通黏膠纖維相近，且顆粒越大，對纖維的力學性能影響越大。為了提升黏膠色絲的性能，需要降低纖維中顏料顆粒的粒徑[8]。

1.3 環境安全性

環境安全性是制約原液著色用水性色漿應用的另一重要因素，國內外制定了一系列涉及紡織品環境安全性的標準和法規，對紡織品中重金屬、致癌芳香胺、甲醛、多環芳烴等有害物質的含量提出了嚴格的限制[9-11]，在開發再生纖維素纖維原液著色用水性色漿的過程中，必須嚴格控制色漿中上述有害物質的含量，規避下游纖維產品的環境安全風險。

2 水性色漿在再生纖維素纖維中的原液著色

2.1 黏膠纖維

黏膠纖維是目前產量最大的再生纖維素纖維，其生產過程是將從木材、竹子等不可以直接紡絲的天然材料中得到的纖維素，經燒堿浸漬、二硫化碳化合、溶解于稀堿等化學加工工藝制成黏膠紡絲原液，再將黏膠紡絲原液通過噴絲孔噴到紡絲酸浴中，經凝固、分解、再生等工藝得到黏膠纖維。由于黏膠生產中會經歷強堿和強酸條件，多數染料會發生水解或者異構化，因此，除了還原染料以外的其他染料，一般都不能用于黏膠原液著色。潘建君利用堿性條件下還原染料經還原劑還原成可溶性的隱色體鈉鹽，在染料隱色體上染纖維后，再經氧化劑氧化而得到有色黏膠纖維[12]。然而，還原后的還原染料不僅會影響紡絲原液的穩定性和可紡性，還會因過早氧化而導致染料在色絲中分布不均勻。

將顏料顆粒穩定分散在水性體系中形成的水性色漿是黏膠原液著色過程中使用較多的著色劑。李靜研究了色漿用于黏膠原液著色的著色效果，認為黏膠原液著色用色漿必須滿足下列要求：良好的分散性和穩定性、耐酸堿性、較小的顆粒度、對紡絲浴和后處理無污染。王春霞等人采用微乳液聚合法，以聚合物包覆炭黑顏料制備炭黑色漿，該色漿用于黏膠原液著色，在紡絲原液中相容性好，紡出的色絲具有更高的拉伸強度、良好的色牢度和著色力。

2.2 莫代爾纖維

莫代爾纖維是一種高濕模量再生纖維素纖維，N Terinte等人研究和對比了原液著色和傳統染色工藝生產黑色莫代爾纖維的工藝流程(見圖1)及整個工藝流程中的原料消耗和廢水排放(見表1)。顯然，采用原液著色工藝制備的莫代爾纖維，具有顯著的節能減排優勢[13]。

能耗及排放傳統染色工藝原液著色工藝水/L11943化學品/kg10.1電/MJ153熱/MJ249廢水/L11943

2.3 Lyocell纖維

Lyocell纖維是以NMMO的水溶液溶解纖維素后進行紡絲制備的再生纖維素纖維，目前，將染料及顏料色漿用于Lyocell纖維原液著色均得到了廣泛研究。A P Manian等人使用還原染料對部分纖維素漿粕進行著色，再將著色后的漿粕與未著色的漿粕一起溶解在NMMO溶液中，紡絲制備有色Lyocell纖維。與傳統染色的Lyocell纖維相比，原液著色的Lyocell纖維具有更好的光牢度、更低的成本和更高的環境安全性[14]。付少海等人采用細乳液聚合技術制備聚合物包覆炭黑色漿，該炭黑色漿與Lyocell纖維的紡絲原液有極佳的相容性[15]。

3 原液著色生產工藝

由于存在不同顏色纖維間過渡纖維的浪費、紡絲設備清潔工藝繁雜等缺陷，原液著色工藝一般只有在大批量生產的有色纖維中才能顯示出較好的經濟效益。因此，對于再生纖維素纖維連續紡絲時間有較高的要求，需要盡量避免原液著色纖維紡絲過程中因顏料顆粒團聚等原因導致的堵塞噴絲孔、形成異狀絲、色澤暗淡等現象的發生。

高翔等人系統研究了原液著色黏膠纖維的生產工藝，在嚴格控制粒徑分布、平均粒徑和穩定性等色漿基礎性能的同時，針對色漿加入黏膠纖維后，凝固浴中纖維表面與凝固浴接觸面積減少、鈉離子和水分子向纖維外滲透距離增大等原因導致的纖維凝固速度降低、并絲現象增多等問題，通過提高凝固浴溫度和含酸量、降低黏膠熟成度等方法顯著改善了原液著色黏膠纖維的性能[16]，如圖2所示。

曹俊友等人研究了原液著色黏膠纖維的呈色機理，認為原液著色黏膠纖維生產的關鍵在于色漿中顏料顆粒是否保持微粒子狀態，并在單絲中均勻分布，通過充分利用外部剪切力混合分散、縮短色漿加入點到紡絲的管路長度等方法，可以有效防止顏料顆粒團聚形成的二次粒子，從而避免因顏料顆粒粒徑變大導致的產品色調不一、色澤暗淡等問題。

4 結語

原液著色技術不僅有利于促進紡織行業的節能減排進程，而且在有色纖維色牢度、著色劑利用效率等方面也具有顯著的優勢，在強調清潔生產和低碳生活的社會背景下，原液著色技術制造的再生纖維素纖維必然會贏得一個很好的發展前景。提升原液著色用水性色漿與纖維紡絲原液的相容性、降低粒徑分布、規避相關環境安全風險、避免顏料顆粒對原液著色纖維力學性能的影響、優化紡絲工藝是推進該技術在再生纖維素纖維制造行業中應用的重要措施。

[1] 逄奉建. 新型再生纖維素纖維[M]. 沈陽：遼寧科學技術出版社，2009.

[2] 中華人民共和國環境保護部. 2014年環境統計年報—廢水[EB/OL]. (2016-1-22)[2016-3-20]. http://zls.mep.gov.cn/hjtj/nb/2014tjnb/201601/t20160122_326785.htm.

[3] P Ackroyd. The mass coloration of man-made fibres[J]. Review of Progress in Coloration and Related Topics1974, 5(1): 86-96.

[4] A P Manian, H Ruef, T Bechtold. Mass coloration of regenerated cellulosics-a review[J]. Lenzing Berichte, 2006, 85:87-90.

[5] 曹俊友，邢善靜，謝躍亭. 原液著色粘膠纖維的開發生產及應用[J]. 紡織服裝科技，2014，35(3):18-20.

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[7] C X Wang, C S Du, A L Tian,etal.Regeneratedcellulosefibersspun-dyedwithcarbonblack/latexcompositedispersion[J].CarbohydratePolymers, 2014, 101: 905-911.

[8] 陳莉娜，孔繁榮，許瑞超. 原液著色黏膠纖維的拉伸性能研究[J]. 河南工程學院學報(自然科學版)，2014, 26(1):19-21.

[9]GB18401-2010，國家紡織產品基本安全技術規范[S].

[10]GB/T18885-2009，生態紡織品技術要求[S].

[11]Internationalassociationforresearchandtestinginthefieldoftextileecology.OEKO-TEX?standard100Generalandspecialconditions[S].

[12]潘建君. 還原染料在粘膠紡液著色加工中的應用研究[D]. 上海：東華大學，2007.

[13]NTerinte,BMKManda,JTaylor,etal.Environmentalassessmentofcolouredfabricsandopportunitiesforvaluecreation:spin-dyeingversusconventionaldyeingofmodalfabrics[J].JournalofCleanerProduction, 2014, 72:127-138.

[14]APManian,HRuef,TBechtold.Spun-dyedlyocell[J].DyesandPigments, 2007, 74: 519-524.

[15]SHFu,CSDu,CXWang,etal.Propertiesoflyocellspinningsolutionwiththeadditionofcarbonblack/latexcomposite[J].ColloidsandSurfacesA:PhysicochemicalandEngineeringAspects, 2013, 428:1-8.

[16]高 翔，肖 丹，鄭會廷. 著色粘膠短纖維質量的改進[J]. 人造纖維，2007，37(1):10-12.

Application of Water-based Pigment Dispersion in Mass Coloration for Regenerated Cellulose Fibers

XU Dan, MEI Cheng-guo, DU Chang-sen*, SONG Wen-qiang, CHEN Xu-rong

(Suzhou Sunmun Technology Co. Ltd., Kunshan 215337, China)

The main technical requirements of the water-based pigment dispersions used in the mass colored regenerated cellulose fibers were discussed. The research status and production process optimization about the mass coloration technology adopted to produce regenerated cellulose fibers were described for viscose, modal and lyocell. The important measures to promote widely applications of mass coloration technology were proposed, such as improving the compatibility of the pigment dispersion and the spinning solution, decreasing the particle size distribution of pigment dispersion, avoiding the environmental hazard and the influence of pigment particles on fabric mechanical properties and optimizing the production process.

regenerated cellulose fiber; mass coloration; water-based pigment

2016-04-20

江蘇省自然科學基金(BK2012212)

許 丹(1980-)，男，湖南湘陰人，工程師，博士，主要從事紡織化學品的研發和應用研究。

*通信作者：杜長森(1976-)，男，江西星子人，高級工程師，技術總監，主要從事水基顏料分散體的研發和應用研究，E-mail: changsen.du@smcolor.com.cn。

TQ340.6

B

1673-0356(2016)08-0033-03