紡絲級特種炭黑在合成纖維中的應(yīng)用

原液著色纖維——名副其實(shí)的綠色纖維

我國是世界最大的化纖生產(chǎn)國和消費(fèi)國，巨大的市場需求和生產(chǎn)規(guī)模呼吁更加清潔、環(huán)保和高效節(jié)能的制造方式 ?；w “原液著色”技術(shù)，是將著色劑在紡絲前以母?；蚱渌问郊尤氲郊徑z中而制得有色纖維的方法，不需要后道印染 。相比于傳統(tǒng)印染，原液著色具有以下優(yōu)勢：一是環(huán)境友好無污染。原液著色所用著色劑不含禁用化學(xué)結(jié)構(gòu)和有害成分 ，對環(huán)境友好，對人體不造成傷害，不產(chǎn)生廢氣廢水廢渣，原料利用率為100%。二是具有成本優(yōu)勢，因為無廢水生產(chǎn)，省去了污水處理等費(fèi)用，原液著色的成本是印染成本的一半左右。三是低能耗。原液著色僅在母粒加工制造和化纖使用中消耗電能，比印染更為節(jié)能。

在消費(fèi)升級的大趨勢下，特別是經(jīng)過這次新冠肺炎的考驗人們更加意識到綠色、健康和安全的重要性和緊迫性。治污染、保護(hù)生態(tài)環(huán)境是當(dāng)前我國經(jīng)濟(jì)社會發(fā)展的重要攻堅任務(wù)，也是紡織行業(yè)轉(zhuǎn)型升級的重要著力點(diǎn)，建設(shè)責(zé)任關(guān)懷的綠色產(chǎn)業(yè)是紡織行業(yè)的一個新定位。“原液著色”纖維和生物基纖維、循環(huán)再利用化學(xué)纖維并稱為“綠色纖維”領(lǐng)域的重要創(chuàng)新成果，成為化纖行業(yè)的流行趨勢。此時代背景下，原液著色纖維因為其“綠色纖維”的屬性被應(yīng)用在服裝，車用紡織品，戶外紡織品和家紡等領(lǐng)域。

據(jù)報道，2017年我國原液著色纖維產(chǎn)量就已達(dá)到500多萬噸，其中黑色纖維的產(chǎn)量達(dá)到300萬噸以上，炭黑作為黑色顏料成為原液著色技術(shù)最重要的著色劑?？ú┨毓咀鳛橐患沂澜缂壧亢谏a(chǎn)企業(yè)，一直扎根中國，踐行環(huán)保理念，并將其作為企業(yè)的社會責(zé)任。公司以亞太技術(shù)中心ATC為創(chuàng)新平臺，與客戶合作，突破原液著色技術(shù)瓶頸，為環(huán)保綠色貢獻(xiàn)力量。

炭黑在“原液著色”纖維中的作用

如下圖所示，炭黑一般以母粒的形式通過熔融紡絲制備成織物。在此過程中，炭黑的正確選擇對化纖的最終性能有非常重要的影響，在此重點(diǎn)對炭黑對化纖顏色，可紡性和組件使用壽命等大家所關(guān)心的問題展開了討論。

炭黑對纖維著色的影響

大家知道炭黑是一種用途廣泛的黑色顏料。有沒有想過一個問題，炭黑為什么是黑色的?首先來解釋下物體為什么呈現(xiàn)黑色。我們知道彩色是由于吸收特定波長可見光而呈現(xiàn)出互補(bǔ)色，而黑色卻不同，物體要呈現(xiàn)黑色必須吸收所有可見光的波段。如圖3所示，只有物體表面反射率小于1%時，物體呈現(xiàn)黑色。

再來看一下炭黑的基本構(gòu)成。上圖是炭黑高分辨TEM照片，實(shí)際上炭黑的初級顆粒都是由許多石墨層組成的。而石墨結(jié)構(gòu)的電子性質(zhì)決定了它的吸光性能。石墨結(jié)構(gòu)的電子帶隙能量非常低，幾乎為零。因為這種帶隙結(jié)構(gòu)，石墨中鍵帶和反鍵帶之間的能量差非常小，這保證了非常低能量的電子激發(fā)也可以被吸。這就是為什么炭黑可以吸收波長210nm到遠(yuǎn)紅外波段的原因，換句話說它能吸收6 eV (210 nm) 到小于0.5 eV (2.5 μm) 的電子能量。所以，炭黑的吸光范圍甚至可以到紅外區(qū)外。接下來還再來討論一下炭黑顆粒的大小及分散性對顏色的影響。

眾所周知，炭黑附聚體是炭黑使用的最小粒徑，其大小與炭黑的比表面積成反比，炭黑顆粒越小比表面積越大，炭黑通常的聚集體尺寸在100nm到300nm，在保證分散條件一致的情況下，越小的炭黑的聚集體尺寸帶來更高的黑度。舉個簡單的例子，假定有兩種炭黑其大小有差異而形狀均接近于圓球。假設(shè)其中一個聚集體的半徑是30nm，而另一個則為100nm，通過計算可以知道，這種粒子的比表面積差異達(dá)到了11倍(R2/R1)2，而在相同添加量下，小顆粒炭黑的所占體積分?jǐn)?shù)是另一種炭黑的37倍，也就是說其總的投影面積將是大顆粒炭黑的3.4倍，理論上吸光效率是其3.4倍。這里面的假定條件是兩種炭黑具有相同的分散性，然而事實(shí)上炭黑聚集體越小，需要的分散的能量就越高，越難分散。炭黑分散性對于顏色的展現(xiàn)至關(guān)重要。如下圖所示，這是卡博特紡絲級炭黑BP5560在滌綸里的電鏡照片(放大5000倍)，從圖中可以看出， BP5560具有非常小的粒徑，并且具有非常優(yōu)異的分散性，其分散尺寸與BP5560聚集體尺寸幾乎相當(dāng)，達(dá)到~100-150nm范圍，因此BP5560成為市面上最受歡迎的紡絲級炭黑之一。

化纖的顏色最終體現(xiàn)是炭黑與高分子材料的相互作用上，必須考慮高分子材料的特性。以滌綸PET為例，PET是一種半結(jié)晶材料，通常認(rèn)為它可以分為兩相：結(jié)晶相和非晶相。然而，越來越多的研究表明PET材料的非晶相又可以分為移動非晶相和剛性非晶相。剛性非晶相被定義為一個薄的非晶層，具有部分有序性，而移動非晶相與大塊的非晶材料有關(guān)。在非均質(zhì)的物質(zhì)里，會產(chǎn)生雙折射現(xiàn)象，滌綸本身是一種雙折射系數(shù)很高的材料。炭黑的加入，會影響PET分子鏈的取向與結(jié)晶，特別是當(dāng)炭黑的體積分?jǐn)?shù)增加時，對雙折射現(xiàn)象的影響更為顯著。

化纖具有非常高的長徑比，其單絲直徑通常在10 μm ~30 μm，這種亞微米尺寸決定了纖維對光線的反射與散射有很強(qiáng)的作用。炭黑的加入，實(shí)際上增加了內(nèi)部的界面效應(yīng)，使得對化纖顏色預(yù)測更加復(fù)雜。這種界面效應(yīng)還跟織物的構(gòu)造有關(guān)，不同的構(gòu)造方式會影響光在空氣/化纖界面上的散射。只有通過精確而詳實(shí)的應(yīng)用測試，才能得到炭黑對化纖顏色的影響情況，建立相對可靠的預(yù)測公式。另外， 紡絲工藝對于化纖顏色有顯著效應(yīng)，比如DTY加彈工藝能影響化纖表面的粗糙度，進(jìn)而影響炭黑對光的吸收;同樣的道理，化纖的截面形狀的改變會顯著影響炭黑對光的吸收。原液著色法制備的化纖取代傳統(tǒng)“印染染色”的進(jìn)程中，需要行業(yè)內(nèi)上下游的共同努力。