黏膠纖維原液著色用水性色漿應用技術研究進展

梅成國,周 偉,杜長森,梁 棟

(蘇州世名科技股份有限公司,江蘇 昆山 215337)

黏膠纖維是將漿粕與堿反應制備堿纖維素,將堿纖維素經老化、二硫化碳黃化形成纖維素黃酸酯,再在氫氧化鈉溶液中溶解得到黏膠纖維紡絲原液,經混合、過濾、脫泡后,在硫酸、硫酸鈉等組成的凝固浴中紡絲,經上油、干燥等工藝得到的一種再生纖維素纖維[1-2]。黏膠纖維具有吸濕透氣性好、抗靜電、易于紡織加工等優點,是最為常見的纖維品種之一。黏膠纖維原液著色工藝一般是將水性色漿與黏膠纖維紡絲原液充分混合后,再經過濾、脫泡、紡絲、上油等工藝,得到原液著色黏膠纖維。與傳統染色工藝相比,原液著色技術具有顯著的節能減排優勢。水性色漿是黏膠纖維原液著色工藝使用的主要著色劑,一般通過添加分散劑和采用超細化分散工藝等方式,將顏料穩定分散于水性體系中,形成一種水基顏料分散體。水性色漿用于黏膠纖維原液著色,具有耐候性優異、著色劑利用率高等優點[3-4]。然而,水性色漿與黏膠纖維紡絲原液混合時,顏料顆粒往往易于團聚,會對黏膠纖維紡絲原液的可紡性、著色效果和黏膠纖維力學性能等產生負面影響。因此,如何評估和提升黏膠纖維紡絲原液的過濾性能、優化紡絲工藝,是提升原液著色黏膠纖維品質的重要途徑。

1 水性色漿性能對原液著色黏膠纖維品質的影響

與水性色漿混合后,原液著色黏膠纖維的紡絲原液中存在大量顏料顆粒,一旦顏料顆粒聚集形成大顆粒,會嚴重影響原液著色黏膠纖維的過濾性能和可紡性,導致出現噴絲頭堵孔、異型絲增多、需頻繁更換噴絲頭等現象。近年來,國內外多位研究者分析了水性色漿對原液著色黏膠纖維可紡性和纖維性能的影響。Sharma等的研究表明,水性色漿對原液著色黏膠纖維的纖維性能和加工性能的影響,一方面在于水性色漿在使用前的分散穩定性,主要依賴于顏料顆粒間基于電荷排斥、空間位阻等的分散穩定作用,即水性色漿不能在使用前出現顆粒團聚等影響紡絲性能的問題;另一方面,低黏度的水性色漿與高黏度、堿性的黏膠纖維紡絲原液混合時,顏料顆粒在水、黏膠纖維紡絲原液等不同介質中分散,因為顏料顆粒間、顏料顆粒與紡絲原液的相互作用等原因,導致顏料顆粒變大,是工業化生產過程中顏料顆粒團聚的主要原因。Sharma等還對比了色漿中分散劑種類和添加量對原液著色黏膠纖維紡絲原液的過濾性能、壓力和纖維色差的影響,證明色漿中分散劑的種類和添加量是影響水性色漿穩定性和紡絲效果的重要因素,而水性色漿的p H 值也是影響顏料顆粒團聚的重要因素,水性色漿的p H 值達到14時,會導致混合后黏膠中5 μm 以上的大顆粒顯著增加[5]。李君寶等認為,黏膠原液著色用水性色漿需要具有較小的粒徑、較窄的粒徑分布、較好的穩定性和良好的抗沉降性,生產過程中需要及時檢測黏膠纖維紡絲原液中甲種纖維素含量,根據甲種纖維素含量波動而調整色漿加入量,以減少黏膠纖維的色差[6]。董占雙等研究了水性色漿對原液著色黏膠纖維成形的影響,當黑色水性色漿的粒徑小于0.45μm、黏度控制在100～300 mPa·s、p H 值控制在8～10、固含量控制在25%左右時,原液著色黏膠纖維會獲得較好的成形效果[7]。

水性色漿一般都是基于顏料顆粒間的電荷排斥和空間位阻以實現顏料顆粒的穩定分散,其穩定分散機理如圖1所示。如何調控顏料表面電荷分布,以及提升分散劑在顏料表面的錨固和分散作用效果,是顏料顆粒能夠保持穩定分散、不產生顏料顆粒團聚的關鍵因素[8]。水性色漿與黏膠纖維紡絲原液混合、紡絲過程中,不同介質中顯著的p H 值和黏度變化、混合過程的高剪切力,以及黏膠纖維紡絲原液中大分子物質對顏料顆粒的架橋作用,對色漿中分散劑在顏料表面的錨固定效果、顏料顆粒的抗團聚性提出了苛刻的要求。水性色漿與黏膠紡絲原液混合后,顏料顆粒因黏度變化、高剪切力等原因導致的分散劑脫附,以及黏膠紡絲原液中大分子物質的架橋作用導致的顏料顆粒團聚,如圖2所示。為了提升原液著色黏膠纖維的品質,國內外研究者在黏膠纖維原液著色用水性色漿制備方面進行了廣泛研究。Shukla等利用造紙制漿過程中產生的副產物黑液,作為堿性木質素的來源,制備水性炭黑色漿,發現隨著黑液用量的增加,炭黑色漿的分散穩定性得到改善。在黏膠纖維紡絲原液中加入該炭黑色漿制備的黑色原液著色黏膠纖維,比傳統工藝制備的色漿,具有更高的著色力[9]。宋偉廣等采用噴霧干燥的方式,制備自分散酞菁藍15∶3顏料,使用前,將其在水中分散制備水性色漿,該色漿具有優異的耐熱、耐酸堿穩定性,制備的原液著色黏膠纖維具有良好的耐摩擦、耐水洗牢度,還可以降低水性色漿的運輸成本,減少水性色漿在儲存過程中的團聚風險[10]。

圖1 水性色漿中顏料顆粒的穩定分散機理示意圖

圖2 導致顏料顆粒團聚因素示意圖

2 原液著色黏膠纖維紡絲工藝優化研究進展

劉稀等研究了黏膠纖維中不同炭黑質量分數條件下,炭黑顆粒在黏膠纖維內部和表面的分布情況、色深等性能。研究發現,在炭黑質量分數1%、3%條件下,炭黑在纖維內部和表面呈現較好的分布,當炭黑質量分數達到5%時,在纖維內部和表面均呈現明顯的炭黑團聚、表面疵點現象,說明在炭黑質量分數過高的情況下,黏膠纖維紡絲原液中炭黑顆粒間的距離減小,團聚趨勢十分明顯;隨著炭黑質量分數的增加,纖維的L值呈現下降趨勢,但達到3%以后,L值下降幅度要小得多,說明再增加炭黑含量,對降低纖維L值的作用在逐漸降低[11]。陳莉娜等測試了3種彩色原液著色黏膠纖維的表面形貌和力學性能,發現顏料顆粒會因為分散不穩定而出現聚集,導致原液著色纖維的斷裂強力、斷裂伸長率等力學性能低于普通黏膠纖維[12]。因此,在原液著色黏膠纖維紡絲工藝中,顏料添加量是影響顏料顆粒團聚、可紡性、纖維力學性能和著色效果的重要因素。

杜長森等研究了硫酸含量、溫度等凝固浴條件對原液著色黏膠纖維中分散劑擴散速率、纖維值以及炭黑在纖維內部和表面分布情況的影響,由于黏膠纖維紡絲原液進入凝固浴后,同時存在凝固浴中H+向黏膠纖維紡絲原液中擴散和黏膠纖維紡絲原液中Na+、水分子、分散劑向凝固浴中擴散,凝固浴中硫酸含量和溫度的提高,黏膠纖維紡絲原液和凝固浴中較大的離子濃度差以及離子、水分子運動速度,會提升分散劑的擴散速率,進而導致出現顏料顆粒團聚、L值變大、黑度降低等問題[13]。但是,高翔等認為,黏膠纖維紡絲原液進入凝固浴后,由于顏料顆粒的存在,減少了黏膠纖維紡絲原液和凝固浴的接觸面積,增加了Na+和水分子向凝固浴中擴散和H+向黏膠纖維紡絲原液中擴散的距離,會導致黏膠纖維凝固速度降低,容易出現并絲現象,適當提高凝固浴的溫度和H+含量,有助于減少并絲現象的發生[14]。因此,針對不同類型的水性色漿,需要綜合考慮溫度和H+含量提升引起的分散劑向凝固浴中擴散、顏料顆粒團聚、著色力降低風險,以及原液著色黏膠纖維紡絲原液中顏料顆粒的存在導致的并絲風險,通過調節溫度和H+含量、優化色漿分散劑品種和用量,達到最優的紡絲效果。

3 原液著色黏膠纖維過濾性能評價方法

黏膠纖維紡絲原液過濾性能的測試,是評估黏膠可紡性的重要方法。王薇將庫爾特計數器應用于黏膠纖維紡絲原液中大顆粒的測量,研究了不同濾材過濾前后黏膠大粒子的數量,具有取樣少、測試快等優點[15]。該測量方法在有色黏膠纖維的紡絲原液過濾性能評價方面,有很好的應用前景。目前,工業上一般采用阻塞系數Kw來評估黏膠纖維紡絲原液的過濾性能,阻塞系數Kw通常是根據黏膠纖維紡絲原液在一定壓力下連續兩段時間內流出的紡絲原液質量,按照固定公式計算出來的。2019 年發布的紡織行業標準FZ/T 51016—2019《粘膠纖維原液著色用水性色漿》,規定了阻塞系數Kw的計算方法,并采用加入色漿后的紡絲黏膠原液和紡絲黏膠原液的阻塞系數比值K,評估有色黏膠纖維紡絲原液的過濾性能[16]。該行業標準中,有色黏膠纖維紡絲原液阻塞系數Kwc按照式(1)進行計算。

式中:m1c和m2c分別為0～20 min、20～60 min流出的有色黏膠纖維紡絲原液的質量,g。

4 結束語

隨著黏膠纖維行業競爭壓力的增大,開發差別化黏膠纖維,成為黏膠纖維制造企業尋求產品附加值、提升產品競爭力的重要途徑。原液著色黏膠纖維、阻燃黏膠纖維、高白消光黏膠纖維等基于在黏膠纖維紡絲原液中添加色漿或功能材料的差別化黏膠纖維,進入了快速發展時期。然而,黏膠纖維紡絲過程中強烈的酸堿變化、對大顆粒團聚的高度敏感等特性,對紡絲原液中顆粒的抗團聚性提出了更高的要求,需要該領域原材料供應者和黏膠纖維制造者共同協作,研究不同分散劑、顆粒表面不同物理化學性能、漿料加工和紡絲工藝等對差別化黏膠纖維性能的影響,以實現生產高性能差別化黏膠纖維的目標。