由于芳綸纖維玻璃化轉變溫度高達275℃，按常規(guī)染色方法(130℃)難以染色。為了符合綠色染整目標，急需為芳綸織物開發(fā)環(huán)保型染色技術。而加入環(huán)保型載體對芳綸織物進行分散染料染色就是一項方便、有效、安全的染色技術。因此研究芳綸織物高溫高壓分散染料載體染色工藝和機理不僅具有理論價值，而且更有實際意義。

本文以間位或者芳綸織物為主要研究對象，通過單因素分析和正交實驗，確定了分散艷紅X、分散黃Y和分散深藍Z三只染料對芳綸織物高溫高壓染色的最佳工藝為：染色溫度T℃、染色時間tmin、pH值X、浴比1:X。在該最佳工藝的基礎上加入環(huán)保型載體X，確定芳綸織物高溫高壓載體染色的最佳工藝為：載體X濃度Xg/l、染色溫度X℃。結果表明：高溫高壓載體染色法能明顯改善芳綸織物分散染料染色性能：染色品的上染率>X%、K/S值>X；耐洗色牢度≥X-Y級、耐摩擦色牢度和耐光色牢度≥X級，耐熱壓色牢度≥X級。

通過紫外可見分光光度儀、動態(tài)光散射納米粒度分析儀和FESEM分析了載體X對分散染料色光、溶解性、粒度、分散狀態(tài)和分散穩(wěn)定性的影響，從而研究載體X對分散染料的作用機理。結果表明：載體X不影響分散染料的色光，即不影響分散染料的結構，但能提高分散染料在水中的溶解性，降低分散染料的粒度。

通過TGA、XRD、FTIR、SEM和光學顯微鏡分析了載體X對芳綸纖維結構及性能的影響，從而研究載體X對芳綸纖維的作用機理。結果表明：載體X不影響芳綸纖維的表面形態(tài)和化學結構，與芳綸纖維結構相似，兩者相似相溶；載體X使芳綸纖維的熱性能和物理機械性能略有增加，但不改變芳綸纖維內部晶體結構及阻燃性；載體X能明顯改善芳綸纖維的透染性，增加芳綸纖維的直徑、橫截面面積和空隙率。

以分散Y為例，通過對芳綸織物分散染料染色動力學和熱力學分析，研究了載體X對芳綸纖維分散染料染色過程的作用機理。染色動力學分析結果表明：載體X能增大分散染料在芳綸纖維上的染色速率常數(shù)和擴散系數(shù)，縮短半染時間。染色熱力學分析結果表明：在低濃度下，載體X不影響分散染料上染芳綸纖維的吸附等溫線類型，基本符合Nernst型吸附；載體X能增大分散染料在芳綸纖維上和染浴中的分配系數(shù)、染色親和力和染色熱，降低染色熵。

1.1.1芳綸纖維及其染色技術

芳綸是一種高科技特種纖維，它具有優(yōu)異的力學性能，穩(wěn)定的化學性質和理想的機械性能。它的全稱是“芳香族聚酰胺纖維”。芳綸和脂肪族聚酰胺纖維(如尼龍66)相比，由于在大分子鏈中以芳香基代替了脂肪鏈而柔性減小，剛性增大，反映在纖維性能方面則是耐熱性能增強，初始模量顯著增大[1]。

至今為止，芳綸纖維的種類很多，但最主要有兩種：對位芳綸和間位芳綸。對位芳綸的化學名稱為對苯二甲酰對苯二胺，英文簡稱PPTA(Poly-P-phenylene ferephthalamide的縮寫詞)[1]，也稱芳綸1414，商品名為“Kelvar”，它一般是由對苯二甲酰氯和對苯二胺縮聚而成。間位芳綸的化學名稱為間苯二甲酰間苯二胺，英文簡稱

互相連接的芳基所構成的線型大分子。在它的晶體中，氫鍵在兩個平面內排列，從而形成了氫鍵的三維結構[2]。由于極強的氫鍵作用，使之結構穩(wěn)定，在一般高溫狀態(tài)下能保持較高的強力。在177-200℃工作溫度下，時間長達20000小時仍能保持原強度的90%左右；在260℃下持續(xù)1000小時，其強度仍保持原強度的65-70%[3]。

另外，芳綸1313纖維不熔融。當溫度超過400℃時，纖維逐漸發(fā)脆，炭化，直到分解，且不會產生熔滴，這一點對滿足人體的防護要求十分重要[4]。

(2)阻燃性能

芳綸1313纖維由于其自身固有的結構特點，在火焰中不延燃，極限氧指數(shù)為29-32%[3]。而且有數(shù)據(jù)表明：芳綸1313纖維的煙密度和燃燒時散發(fā)的有毒氣體都少于其它纖維[5]。

(3)熱濕舒適性能

所謂“熱濕舒適性”是指人們對熱環(huán)境比較滿意的條件。人體熱舒適最基本的條件是維持人體的熱平衡，即人體自身產熱量與向環(huán)境散熱量之間能量交換的平衡。在環(huán)境溫度較高的情況下(33℃以上)，人體與環(huán)境之間的溫差很小，甚至存在逆溫差，這是人體可以自主調節(jié)的，這時服裝的透濕性能就顯得尤為重要。

通過對幾種防火面料吸濕性及服裝舒適性測試，可以得出結論，NomexIIIA的吸濕性能優(yōu)于其他織物，而且它的熱防護性能相對于其他防火服裝也是最好的。所以，對于防火服裝來說，NomexIIIA具有優(yōu)良的熱濕舒適性[6]。

(4)化學性能

芳綸1313耐化學性良好，能耐大多數(shù)酸，長期浸漬在鹽酸，硝酸和硫酸中，強度略有下降；耐堿性能好，但長期在氫氧化鈉中，強度下降；它可耐大多數(shù)漂白劑及溶劑，在次氯酸鈉中，強度略有損失；對氧化物穩(wěn)定，在250℃的腐蝕氣體作用下，強度仍保持常溫時的60%；在酸的露點以上溫度具有抗氧化物的作用，但在露點以下，由于濃硫酸聚集在纖維上，強度往往下降[3]。

(5)防輻射性能

芳綸1313纖維耐輻射性較強，與滌綸，錦綸等相比，Nomex在β與γ射線的照射下仍具有較高的殘余強力[7]。

(6)機械性能

Nomex短纖維的一般性能：斷裂強度0.47N/tex，斷裂伸長率17%，彈性模量132CN/texe。有數(shù)據(jù)表明，與其它纖維的機械性能相比，芳綸1313(TEIJINCONEX)斷裂強度較高(高于普通滌綸，棉，尼龍66)，伸長較大，因而耐磨牢度好，耐穿耐[8]。正是由于芳綸纖維的這些優(yōu)異性能，近年來，隨著芳綸生產工藝的成熟和產量的增長，其應用范圍不斷擴大，如耐高溫紡織品(耐溫防護服，消防服，軍服和航天服等)，高溫下使用的過濾材料(高溫過濾袋和過濾氈)，防火材料和工業(yè)耐高溫設備的襯墊等。

但由于芳綸纖維的玻璃化轉變溫度(Tg)高達275℃，染色困難，日曬牢度差，因此國內外業(yè)內人士紛紛研究芳綸的染色技術。主要用分散染料和陽離子染料進行染色。

(1)分散染料染色法

柯曉超等人用分散染料高溫高壓法(130℃)染色，染料用量6%(o.w.f.)，可將芳綸織物染至中色，但芳綸染后的耐洗色牢度和摩擦牢度均不夠理想[9]。朱利峰等使用分散紅3BFFR在超高溫高壓(170℃)條件下對芳綸纖維進行染色，染料濃度3%(o.w.f.)，pH值為5.5左右，另外，為了避免高溫下助劑的影響，染液中不加助劑。結果發(fā)現(xiàn)，分散紅BFFR所染紗線的K/S值為2.3。但由于溫度太高，不僅對設備要求高，且消耗大量能量[10]。美國的Hamid M.Ghorashi等用非水溶性染料對芳綸進行染色，如用含25g/LC.I.分散黃42，6g/L瓜而膠增稠劑的染液對芳綸進行軋染，軋余率為50%，然后在飽和蒸汽箱用165℃蒸15min，結果表明：染料對纖維的盡染率很高，纖維得色較深[11]。日本的ShigenobuKobayashi等發(fā)現(xiàn)符合染料分子量在330-400的分散染料溶解或分散在液體介質(如水)中，在密閉容器150℃下染芳綸織物1小時，能得到較高的表面深度，較好的耐水洗牢度及耐日曬牢度。如符合分子量要求的分散藍2BLN(2%(o.w.f.))在170℃染60min，K/S值為4.6，在190℃時為5.7；分散紅3B在170℃染60min，K/S值為3.0，在190℃時為4.3[12]。

(2)陽離子染料染色法

吳贊敏等在130℃下用陽離子染料對芳綸纖維進行染色，染料濃度2%(o.w.f.)，發(fā)現(xiàn)加入電解質后，陽離子染料可以上染，雖然水洗和皂洗時也有掉色，但染色結果可以接受。但由于芳綸玻璃化溫度和結晶度高，采用常規(guī)方法很難上染[13]。朱利峰等在染液中不加助劑的條件下，用陽離子紅FG(染料濃度3%(o.w.f.))在高溫高壓(170℃)下對芳綸進行染色，所染織物的K/S值為1.96[10]。余艷娥等用麥西隆紅染料(濃度6%(o.w.f.))在120℃對芳綸進行染色，K/S值只有2.33[14]。

從所查閱的文獻看，在染液中不加助劑的條件下，芳綸織物經(jīng)分散染料染色后的表面深度和色牢度都比陽離子染料染色效果好，且分散染料價格較便宜，從節(jié)能、環(huán)保的角度，選用分散染料對芳綸織物染色比較合理。

1.1.2載體特性及其在芳綸纖維染色中的應用

Waters在1950年首次用“載體”(carrier)這個術語來定義在滌綸染色過程中具有促進上染率的化合物，它對染料和纖維都具有親和力，能使纖維膨化，當進入纖維內部時，也能把染料分子帶進去。因此，載體也稱攜染劑，導染劑或擔體。實際上也就是一種纖維的膨化劑。

載體按可溶性及使用時的狀態(tài)，分為乳化型載體，分散型載體和水溶性載體。

(1)乳化型載體

楊酸甲酯、氯苯、甲基萘均屬于這類載體，使用時需加入乳化劑，以使其乳化成乳液。這類載體種類較多，使用方便，但使用時必須保持乳液穩(wěn)定，否則易生成載體斑，造成染疵。此外，這種載體易因受熱而揮發(fā)，以至使載體與乳化劑及水的懸浮體系分離，濃度降低，而且如果揮發(fā)的載體再度回入染浴中，又易形成染斑。故需慎重選擇乳化劑，否則影響分散染料上染性能。

(2)分散型載體

對苯二甲酸二甲酯即屬于此類。這類載體水溶性較小，用量不大就可維持載體溶液飽和狀態(tài)，勻染效果很好。無加熱揮發(fā)現(xiàn)象，且無異味，但價格較高，易升華，染深性較差。

(3)水溶性暫溶性載體

如鄰羥基苯酚

1.1.3載體在芳綸纖維分散染料染色中的作用機理

1.1.3.1載體對分散染料的作用

一般來說，染料在載體中的溶解度增大，為載體重量的2-30%。因而，加熱時在染浴中加入載體，染浴中溶解的染料濃度就增加，上染速度也將隨之增加[23-24]。吳贊敏等人認為由于載體對染料的溶解能力比在水中高(不少染料在載體中的溶解度比在水中的高幾十倍)，因此，吸附在纖維表面的載體層中的染料濃度比在染浴中的濃度，從而提高了染料在纖維內外的濃度梯度，提高了染料的上染速率[13]。但是根據(jù)薩爾文等人的學說，在載體中染料的溶解度是不能預測的，染料和載體之間的作用是特異的，即使染料在載體中的溶解度高，其載體的作用也未必是好的，所以溶解度并不是載體的唯一基準[25]。關于載體對分散染料的其他作用未見報道。

1.1.3.2載體對芳綸纖維的作用

馮繼紅等人認為載體染色法的原理是，借助與纖維結構類似的有機物，使其先進入纖維內部，溶脹纖維，降低織物結構緊密程度，以便染料擴散和上染。高溫高壓則加快染料分子運動，促進纖維大分子鏈段運動，以利于上染[18]。譚艷君等人表明：采用助劑染色，能夠破壞芳綸大分子之間的氫鍵，使織物分子之間的間隙增大，降低芳綸分子間的范德華力，有利于染料進入纖維內部而顯著提高染料的上染率。經(jīng)DSC分析發(fā)現(xiàn)：芳綸用助染劑D處理前后的玻璃化溫度由273℃降低至97℃。原因是織物的無定形區(qū)受助染劑D作用，鏈段的自由度增大，大分子鏈的運動方式有可能是鏈段的長程運動，從而使芳綸-Nomex的玻璃化溫度降低。經(jīng)紅外光譜分析發(fā)現(xiàn)：芳綸織物經(jīng)過助染劑D處理后，芳綸纖維上的吸收峰發(fā)生了變化，表明助染劑D在纖維上有吸附。未處理芳綸-Nomex纖維表面十分光滑，經(jīng)過助染劑D處理后，纖維表面粗糙可能是助染劑D在纖維表面吸附所致[17]。

1.1.3.3載體對芳綸纖維分散染料染色熱力學和動力學的作用

在芳綸纖維分散染料染色熱力學方面，黑木宣彥認為分散染料對芳綸纖維的染色基本上符合Nernst型吸附等溫線，即[D]f/[D]s=K，K為分配系數(shù)[26]。分散染料在芳綸內部的擴散符合自由體積模型。但芳綸纖維分散染料染色動力學則未見報道。

1.2論文的研究意義、內容及創(chuàng)新點

1.2.1論文的背景及研究意義

許多用途都要求纖維具有堅牢的色澤，而芳綸纖維玻璃化轉變溫度(Tg)高達275℃，染色困難，日曬牢度差，所以對芳綸的染色問題已越來越為業(yè)內人士所關注。因此，研究芳綸染色技術及染品的色牢度具有重要意義。

國內外關于芳綸的染色已有不少研究，但普遍存在的問題是：由于芳綸纖維玻璃化溫度太高，按常規(guī)的分散染料高溫高壓染色法和陽離子染料染色法很難染色，染色后織物的表面深度偏低(K/S值＜3.0)，色牢度如耐洗牢度，耐日曬牢度等不理想，染料利用率低，大量染色殘液會造成環(huán)境污染。所以出現(xiàn)了染色新工藝，如超高溫高壓染色法，載體染色法，超臨界二氧化碳流體染色法等。其中超高溫高壓染色法(170℃)和超臨界二氧化碳染色法，由于對設備要求太高，會消耗大量的熱能而難以實現(xiàn)產業(yè)化。而載體染色法是目前國內外普遍采用的方法，染色后織物顏色鮮艷，色牢度有明顯提高，但因載體大多有刺激性氣味6或有毒，且存在較難乳化、染色時間長和脫載體困難等缺點，大大限制了其廣泛應用[9]。關于芳綸纖維分散染料染色機理方面，雖有一些載體對芳綸纖維的作用機理研究，但載體對不同結構分散染料的作用及芳綸纖維分散染料染色熱力學、動力學的作用幾乎沒有研究。本論文擬在尋找一種易乳化、脫載體方便、無毒和無刺激性氣味的環(huán)保型載體，以降低芳綸纖維的玻璃化轉變溫度，使其具有較好的染色表面深度及色牢度，符合現(xiàn)代社會綠色環(huán)保、節(jié)能的消費觀念。

1.2.2論文的研究內容及創(chuàng)新點

1.2.2.1論文的研究內容

本論文的研究內容包括以下5個方面：

(1)在高溫高壓染色條件下，通過單因素分析及正交實驗，確定芳綸織物分散染料染色的最佳工藝；并在此基礎上加入環(huán)保型載體，確定芳綸織物高溫高壓載體染色的最佳工藝，使芳綸織物在較低的溫度下仍能達到較好的染色效果。并分析載體對芳綸纖維染色性能的影響。

(2)通過現(xiàn)代分析測試手段，研究載體對分散染料的色光、溶解性、粒度、分散狀態(tài)和分散穩(wěn)定性的影響。

(3)采用現(xiàn)代分析測試手段，研究載體對芳綸纖維的熱性能、結晶形態(tài)、化學結構、表面形貌、阻燃性、力學性能、直徑、橫截面面積及孔隙率的影響。

(4)選取其中一種分散染料-分散黃S-4G，將染料提純后進行有關測試和分析。研究載體對芳綸纖維分散染料染色的染色速率常數(shù)，半染時間及擴散系數(shù)的影響，分析載體對芳綸纖維分散染料染色動力學的作用。

(5)以分散Y為例，研究載體對芳綸纖維分散染料染色吸附等溫線、染色親和力、

染色焓和染色熵等染色熱力學參數(shù)的影響，分析載體對芳綸纖維分散染料染色熱力學的作用。在以上研究的基礎上，探討載體對芳綸纖維分散染料染色的作用機理，為建立載體對芳綸纖維分散染料染色理論奠定可靠的基礎。

1.2.2.2論文的創(chuàng)新點

本論文的創(chuàng)新點在于研究了載體X對分散染料色光、粒徑、分散狀態(tài)及分散穩(wěn)定性的作用；研究了載體X對芳綸纖維阻燃性、直徑、橫截面面積及孔隙率的作用；研究了載體對芳綸纖維分散染料染色動力學的作用。

第二章芳綸織物分散染料高溫高壓載體染色工藝研究

本章以間位芳綸織物為主要研究對象，用分散染料對其進行染色，重點研究高溫高壓染色工藝單因素對芳綸織物染色性能的影響，并通過正交試驗確定芳綸織物分散染料高溫高壓染色的最佳工藝；在此基礎上加入載體，通過載體的種類和濃度因素分析確定分散染料高溫高壓載體染色的最佳工藝。通過測試染色織物的耐洗色牢度、耐摩擦色牢度和耐光色牢度等指標來確定載體對分散染料染色品質量的影響。

2.1實驗部分

2.1.1實驗材料、藥品及儀器

實驗材料：1.67dtex×38mm(40S/2)間位芳綸織物(山東煙臺氨綸股份有限公司)；

實驗藥品：分散艷紅SF-B(200%)，分散黃S-4G(200%)，分散深藍UN-SE(200%)(浙江龍盛)，NaNO3(AR)，擴散劑CNF(工業(yè)品)，pH緩沖劑((NH4)2SO4-CH3COOH，Na2CO3-NaHCO3)，尤利華丁DPL、尤利華丁PB(亨斯曼)、HS-312N(浙江華晟化學制品有限公司)、Cindye Dnk(寧波卜賽特)；

分散染料結構如下：

分散黃

分散藍：為拼色染料；

實驗儀器： IR－12紅外染色機臺灣新瑞開發(fā)科技有限公司

UV2550紫外分光光度計Shimadzu Corporation

雷磁phS-3CpH計東莞市創(chuàng)瑞檢測試驗設備有限公司

DHG-9140A型電熱恒溫鼓風干燥箱英博聯(lián)科技公司

SHA-C數(shù)顯恒溫水浴振蕩器常州國華電器有限公司

FA2004電子天平天津市天有利有限公司

風冷式日曬試驗機XENOTEST150S+美國Atlas公司

Y571(L)染色摩擦牢度儀浙江溫州紡織儀器廠

SF600X Datacolor測色光譜儀美國DATA COLOUR公司

YG(B)605型熨燙升華色牢度試驗儀溫州大榮紡織標準儀器廠

2.1.2實驗及測試方法

2.1.2.1染色工藝及流程

(1)染色工藝處方

擴散劑CNF/g/L                                  5

分散染料/%(o.w.f.)                                  2

pH值(用pH緩沖劑調節(jié))                  4.0、4.5、5.0、5.5、6.0

溫度/℃                                  120、125、130、135、140

時間/min                                 20、40、60、80、100

浴比                                    1:10、1:20、1:30、1:40、1:50

(2)染色工藝流程

圖2.1芳綸織物染色工藝流程

2.1.2.2正交試驗

固定染料用量2%(o.w.f.)和染色時間60min，以染色溫度(130℃、135℃、140℃)、pH值(4.5、5.0、5.5)和浴比(1:15、1:20、1:25)進行三因素三水平正交試驗，正交試驗設計見

表2.1：

表2.1正交試驗設計表

2.1.2.3測試方法

(1)上染百分率：用紫外可見分光光度計測試，染色前后染液在最大吸收波長下的吸光度分別為A0、A，接下列公式計算：上染率/%=(A0-A)/A0×100%[27]

(2)K/S值和色差△E：用Datacolor SF600測色配色儀測定。

(3)耐光色牢度：參照GB/T 8427-l998《紡織品色牢度試驗耐人造氣候色牢度：氙弧》測定。

(4)耐洗色牢度：參照GB/T3921.1-l997《紡織品色牢度試驗耐洗色牢度》測定。

(5)耐摩擦色牢度：參照GB/T 3920-l997《紡織品色牢度試驗耐摩擦色牢度》測定。

(6)耐熱壓色牢度：參照GB/T6152-1997《紡織品色牢度試驗耐熱壓色牢度》測定。

2.2結果與討論

2.2.1高溫高壓染色

2.2.1.1單因素分析

以染色溫度、染色保溫時間、染液pH值和染液浴比為單因素分析芳綸織物分散染料高溫高壓染色工藝。

1染色溫度

采用分散艷紅SF-B、分散黃S-4G和分散深藍UN-SE(2%(o.w.f.))三只分散染料，在pH值4.5、浴比1:30，分別于120、125、130、135和140℃對芳綸織物染色保溫60min，染色溫度與分散染料在芳綸織物的上染率關系見圖2.2：

圖2.2染色溫度對分散染料在芳綸織物的上染率的影響?

由圖2.2可知，三只分散染料對芳綸織物的上染率都隨溫度升高而逐漸增大，當溫度從130℃升高到140℃時，分散艷紅SF-B和分散黃S-4G的上染率增加明明顯，故將染色溫度暫定為140℃。

2保溫時間?

在染色溫度為140℃、pH值4.5、浴比1:30時，對芳綸織物分別染色(保溫)0、10、20、40、60、80和100min，染色時間與分散染料在芳綸織物的上染率關系

見圖2.3：

圖2.3保溫時間對分散染料在芳綸織物的上染率的影響?

由圖2.3可知，在染色保溫開始0～60min，隨著染色時間的增加，三只分散染料對芳綸織物的上染率都增大；但隨保溫時間的進一步延長，上染率幾乎趨于平衡，因此確定保溫時間為60min。

3染液pH值?

在染色溫度140℃、保溫時間60min和浴比1:30時，改變染液pH值為4.0、4.5、5.0、5.5和6.0進行試驗，染液pH值與分散染料在芳綸織物的上染率關系見圖2.4：

3染液pH值?

在染色溫度140℃、保溫時間60min和浴比1:30時，改變染液pH值為4.0、4.5、5.0、5.5和6.0進行試驗，染液pH值與分散染料在芳綸織物的上染率關系見圖2.4：上染率達到最大；但繼續(xù)增大pH值，其上染率有所下降，這可能是因為分散染料適合于在弱酸性條件下染色，故染色pH值定在5.0。