節(jié)能降耗新型分散染料分析范文
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摘要
以對苯二甲酸(PTA)、乙二醇(EG)、間苯二甲酸(IPA)、聚乙二醇(PEG)為單體合成了一種新型分散染料常壓可染聚酯(NEDDP)，其玻璃化轉變溫度低于70℃，冷結晶溫度約為120℃，熔融溫度為252℃。以NEDDP為島組分，易水解聚酯(EHDP)為海組分紡制的海島型復合纖維，用稀堿溶液水解剝離制備NEDDP超細纖維時，島組分不會被刻蝕。0．006texNEDDP超細纖維織物可在100℃下染中深色，120℃下染深色。用NEDDP也紡制了多種規(guī)格(10～15)tex/(48～72)f的DTY及FDY，該NEDDP纖維織物可在100℃染成黑色。NEDDP纖維織物具有優(yōu)良染色牢度。與以往的PET纖維織物在130℃染色相比較，可節(jié)省能量30%以上，染中深色時可節(jié)約染料20%左右，可縮短染色時間25%，提高了勞動生產率。
關鍵詞
分散染料常壓染色聚酯;海島復合纖維;節(jié)能;玻璃化轉變溫度
聚對苯二甲酸乙二酯(PET)纖維大分子結構具有較大的剛性和規(guī)整性，無定型PET玻璃化轉變溫度約為79℃，取向并結晶的成品PET纖維(滌綸)的玻璃化轉變溫度則升至125℃左右;又因PET大分子鏈上缺少可與染料結合的官能團，因此PET纖維只能采用分散染料在接近或超過自身玻璃化轉變溫度的高溫、高壓條件下染色。單纖維小于0.05tex的超細纖維顯色性很差，更難達到深染效果。解決PET纖維的染色問題可從染料結構、染色工藝等手段加以改進;倘若從對PET的化學結構改性加以改進，會收到較好效果。自PET纖維誕生以來，先后誕生了化學改性的分散染料常壓可染聚酯(EDDP)纖維［1］，高溫高壓型和常壓沸染型陽離子染料可染聚酯(CDP和ECDP)纖維［2－4］等，前期研究開發(fā)了一種新型陽離子染料可染聚酯(NECDP)超細纖維［5］，也有關于采用堿性染料染色的改性聚酯的報道，但尚未形成生產能力。聚酯超細纖維的染色是國內外業(yè)界有待解決的一大難題。本文研究合成了一種新型分散染料常壓可染聚酯(NEDDP)［6－7］，它具有良好的可紡性和制成纖維的物理機械性能;與PET相比較，NEDDP可降低玻璃化轉變溫度，適度地降低了其結晶能力，用以保證在常壓條件下染色及良好的染色牢度;它具有良好的耐堿性能，可用于以NEDDP為島組分，以易水解聚酯(EHDP)為海組分構成的海島型復合纖維在堿減量剝離過程中不會傷害島組分;NEDDP超細纖維織物還具有良好的耐日曬色牢度及強度保持率。本文重點介紹了NEDDP的基本結構與性能，纖維加工工藝和纖維性能，織物的染色效果及染色牢度以及染整加工過程的節(jié)能、減排與降耗效果。
1實驗部分
1.1纖維制備用復合紡絲機(螺桿直徑為35mm，單紡位6頭)制備了EHDP/NEDDP海島型復合纖維POY-DTY及FDY，以及不同規(guī)格的單組分NEDDP圓形及異形截面纖維。
1.2NEDDP熱性能分析采用SEIKOEXSTARDSC6200熱性能分析儀研究NEDDP的玻璃化轉變溫度Tg，冷結晶溫度Tcc及熔融溫度Tm等。預先將樣品消除熱歷史而后進行DSC掃描，升溫速度為20℃/min，掃描溫度范圍為室溫至300℃。用SEIKOEXSTARTGDTA6300熱分析儀研究NEDDP的熱失重性能，測試條件是N2氣氛，升溫速度為10℃/min，掃描溫度范圍為室溫至600℃。
1.3海島復合纖維織物的堿減量剝離將海島型復合纖維織物用質量分數(shù)為0.7%～1.0%的92～98℃NaOH水溶液處理25～35min，以水解溶除EHDP，得到線密度約為0.006tex的超細纖維織物。
1.4纖維的形態(tài)結構分析試樣先行鍍金后用JSM-6360LV型掃描電子顯微鏡觀察纖維形態(tài)結構并記錄。
1.5織物的染色NEDDP織物分別在100℃及130℃，采用不同品種和顏色的染料在實驗室及生產裝置上染色。染色織物測定K/S值，表征同種染料在不同染色溫度條件下的染色效果。
2結果與討論
2.1NEDDP的熱性能用于紡制海島纖維和常規(guī)復絲的NEDDP等原料的主要性能如表1所示。由表1及圖1可見:NEDDP的特性黏數(shù)達到0.765dL/g，可保證纖維良好的物理機械性能;NEDDP的Tg比PET降低了23℃，有利于在較低的溫度下染色;Tcc比PET降低了20℃，且結晶峰型尖銳，表明它具有良好的結晶能力，有利于織物良好的染色牢度;Tm比PET降低了8℃，比其他的EDDP高4～5℃［8］，表明NEDDP的結構比EDDP的規(guī)整性要好，NEDDP應具有較好的耐堿性和染色牢度。而圖2的TG譜圖則表明，NEDDP的初始熱分解溫度為360℃，具有很好的熱穩(wěn)定性能。
2.2海島復合纖維制備及剝離表2示出海島型復合纖維的力學性能。EHDP/NEDDP海島型復合纖維紡絲時，海組分與島組分的配比例為30/70，POY的紡速為2800m/min，F(xiàn)DY的紡速為4500m/min，均與以PET為島組分的EHDP/PET復合纖維紡速相同，可紡性良好。POY、DTY、FDY均有良好的物理機械性能，唯EHDP/NEDDP海島型復合纖維比EHDP/PET復合纖維強度略低0.3cN/dtex，但足以滿足紡織加工及織物性能要求。圖3示出海島纖維橫截面和堿減量開纖后的SEM照片。由圖3(a)可見，海島纖維島與海的界區(qū)結構清晰，海島型復合纖維經堿水解溶除海組分后制得NEDDP超細纖維。表3示出堿減量過程的減量率與處理時間的關系。可見在實驗條件下，經過20～25min可將海組分全部溶除。圖3(b)示出該海島纖維經堿溶液處理的減量率為29.8%時，島纖維表面光滑，未受到刻蝕，單纖維直徑約2μm，經計算線密度為0.006tex。這是以NEDDP作為海島型復合纖維島組分最為關鍵的突破，也顯示了NEDDP化學結構與生產工藝設計的合理性。
2.3單組分NEDDP纖維的成形加工使用單組分NEDDP紡制了線密度為14tex/36f、11tex/48f、8.3tex/48f、8.3tex/72f等多種規(guī)格的POY-DTY及FDY圓形截面纖維以及8.3tex/48f“十”字型截面異形纖維，可紡性良好。表4示出線密度為8.3tex/48f的PET與NEDDP圓形截面纖維和“十”字型截面纖維的力學性能。值得注意的是NEDDP纖維的初始拉伸模量比常規(guī)PET纖維降低了24.6%，顯然是由于NEDDP大分子鏈中引入的柔性PEG鏈段改善了纖維的硬挺度，使NEDDP纖維更加柔軟。這樣的“十”字型纖維織物同時兼具有常壓沸染、吸濕排汗和良好的柔軟性等多功能。
2.4超細纖維織物的染色圖4a示出0.006texNEDDP超細纖維織物在100℃的染色效果，可染成多種鮮艷的中深色。由圖4(b)、(c)可見，NEDDP超細纖維織物在120℃染色，可獲得深棕色或深黑色的效果。這一直是國內外PET類超細纖維的研究目標。圖5示出PET及NEDDP超細纖維織物印花后再經100℃汽蒸熱固色再還原清洗后的效果。圖中顯示出PET超細纖維印花織物100℃汽蒸未能很好固色，而NEDDP超細纖維印花織物固色效果良好。而圖6示出PET及NEDDP超細纖維麂皮絨在125℃高溫高壓染色效果。顯然，經過化學改性后的NEDDP超細纖維較PET超細纖維具有更好的染色性能。通常較粗的纖維應當具有較好的顯色性，然而以8.3tex/48fPET纖維為底層，以0.006texNEDDP纖維為表層構成的麂皮絨織物在常壓沸染時顯示出NEDDP絨面超細纖維顏色遠較底層較粗PET纖維具有更深的顏色，結果如圖7所示。結果表明在沸染過程中NEDDP纖維具有更加優(yōu)異的上染率，奪走了染料，致使PET纖維幾乎未能上染。表7示出圖6中的PET和NEDDP深棕色超細纖維麂皮絨的染色牢度檢驗結果。可見:PET及NEDDP2個試樣的染色牢度均能達到國家標準;只是NEDDP的耐濕摩擦牢度比PET略低半級，而NEDDP的耐皂洗牢度高于PET半級。0.006texNEDDP超細纖維織物也可采用轉移印花技術，節(jié)約用水，印花效果如圖8所示。由圖可見，隨定型溫度的升高顏色加深，超過175℃顏色基本不再變化。
2.5常規(guī)線密度NEDDP纖維的染色圖9示出紗線線密度為8.3tex/48f的滌/棉(65/35)雙層織物的染色效果圖。圖中所示的滌/棉織物是在125℃而NEDDP/棉織物在95℃染黑色的效果比較，可見二者的染色基本一致，但目測滌/棉織物略泛紅光，而NEDDP/棉織物略泛藍光。而在此前聚酯類纖維織物是無法在常壓下采用分散染料染成深黑色的。表6示出上述深黑色滌/棉織物色牢度檢測結果。表中顯示除耐濕摩擦牢度(或許與棉纖維有關)，其余指標均達到國家標準。然而，該批貨是出口產品，該公司是依據(jù)日本標準JISL0849—2004《耐摩擦色牢度試驗方法》評價的，所有合成纖維深色織物濕摩擦牢度要求為2級。圖10示出8.3tex/48fNEDDP十字型纖維筒子紗的染色效果。該產品兼具常壓可染和吸濕排汗功能，可在色織產品方面展現(xiàn)出更好的效果。表7示出用K/S值表征的同種染料在不同染色溫度時的染色效果。可見，對于上述纖維而言，在100℃常壓沸染時可獲得多種深淺各異且鮮艷的顏色，然而不同牌號染料的色相略有差異。在2種不同溫度下染色織物的K/S值只在所選用的個別染料的個別顏色時產生些許差異。圖11示出8.3tex/48fNEDDP纖維分別在100℃和130℃溫度，使用D、F、T、Y4種不同牌號染料所染效果。
2.6常規(guī)線密度NEDDP纖維的印花圖12示出用33.3tex/144f扁平一字型同規(guī)格PET與NEDDP纖維織造的毛毯印花效果。其中PET纖維毛毯是在130℃汽蒸定型，而NEDDP纖維毛毯則是在100℃汽蒸定型。NEDDP纖維染色效果鮮艷，與PET纖維樣品相近。NEDDP印花毛毯測試依據(jù)為GB18401—2010《國家紡織產品基本安全技術規(guī)范》A類及FZ/T61004—2006《拉舍爾毯》，檢測的色牢度均合格。
2.7NEDDP纖維與粘膠纖維交織物的染色圖13示出NEDDP纖維與粘膠纖維交織織物分別在100℃與130℃的染色效果。其染色深度基本相當，但低溫染色織物比高溫染色織物的手感柔軟性有較大的改善。
2.8NEDDP纖維加工及織物染色的節(jié)能降耗由上述可知，NEDDP纖維具有良好的分散染料常壓可染性能和染色牢度。而且從原料聚合物的合成、纖維成形加工、織物的染色等整個生產過程具有節(jié)能、減排及降耗的特點。表8示出NEDDP和PET合成及紡絲溫度。由表可見，無論NEDDP切片的制造和紡絲加工過程的溫度均比PET低，在長期的生產過程中是一筆不小的能耗縮減。NEDDP的染整加工過程中更是顯示出非常顯著的節(jié)能及降低染料消耗的效益。圖14示出高溫高壓染色與常壓沸染過程的操作曲線圖。織物染色通常是在40℃入浴，常壓染色是沿A-B-D-E-F路徑:升溫—保溫(100℃)—降溫—出織物;而高溫高壓染色過程是沿A-B-C-G-H-I-J路徑:升溫—保溫(130℃)—降溫—出織物。若計算二者之間的能耗差異，常壓染色時可以A-B-D-E-F-A所包含的面積計算，高溫高壓染色時可以A-B-C-G-H-I-J-A所包含的面積計算。那么，常壓染色比高溫高壓染色節(jié)約的能量差值即為圖中所示陰影的面積。若對染色過程的熱量進行理論分析，可按下述數(shù)據(jù)粗略計算。即高溫高壓染色耗能為常壓染色時的1.5倍，亦即常壓染色可節(jié)省能量33.3%。這和上述圖13的面積估算相近，也與企業(yè)初步生產統(tǒng)計結果相近。表9示出常壓染色與高溫高壓染色的生產周期，常壓染色比高溫高壓染色生產周期縮短了25%，提高了勞動生產率。NEDDP化學結構的改變不僅可降低染色溫度，還會提高上染率，因此NEDDP纖維與PET纖維染色相比較，在獲得同樣染色深度時，可降低染料使用量。初步生產實踐的結果表明，在染中深色織物時大約可降低染料量20%～25%。
3結論
NEDDP具有低玻璃化轉變溫度、低結晶溫度，決定著其纖維可降低染色溫度及具有良好的染色牢度，同時改善了聚酯類纖維的柔軟性能。NEDDP超細纖維(0.006tex)織物可在100℃使用分散染料染成多種中深色，又可在120℃左右染成深棕、藏藍及深黑色;NEDDP纖維(10～15)tex/(48～72)f織物在95℃即可染至深黑色;還可將印花織物于常壓完成汽蒸定型，并均具有良好的色牢度。常壓染色對節(jié)能、降耗、提高勞動生產率具有非常重要的意義。
作者：張大省 周靜宜 王建明 單位：北京服裝學院