对位芳纶的染色及纤维结构与性能研究

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对位芳香族聚酰胺纤维有着优异的力学性能、热性能和耐化学性能,在航空航天、军事、消防等领域有着广泛的用途。由于PPTA纤维结构紧密,结晶度高,小分子染料很难进入纤维大分子内部,导致其染色困难。因此目前市场上有色对位芳纶所占比重较少。这阻碍了PPTA纤维在防护服等应用领域的进一步拓展。本文采用未干的PPTA纤维,选择阳离子红染料和分散蓝染料对其进行高温高压染色,研究在未干纤维的染色机理及两种染料对纤维的染色工艺,以及染色工艺对纤维产品的结构与性能的影响,为对位芳香族聚酰胺纤维的染色工艺优化提供基础和理论指导。  论文首先就阳离子红染料和分散蓝染料的性质作了比较,分析了两种染料的粒径分布,耐热性能,以及染料的结构。结果表明:阳离子红染料的分解温度在210℃,而分散蓝染料没有一个固定的热分解温度,因此,用这两种染料对PPTA纤维进行染色时,染色温度不易高于200℃。阳离子红染料和分散蓝染料的平均粒径分别为185nm和214nm。染料的粒径越小,染料的透明度、光泽度、着色强度也越高。两种染料的结构中含有苯环,而这样的结构使染料性能稳定,不易在染色过程中发生其他化学反应。  其次,采用对位芳纶生产线上经液晶纺丝、凝固、水洗之后未经干燥的PPTA纤维,分别用阳离子染料和分散染料对其进行高温高压染色,测试了染色纤维的上染率及K/S值,探讨纤维含水率、染色温度、染色时间、染料种类和用量对纤维染色性能的影响。结果表明:相比于成品PPTA纤维,使用未干的PPTA纤维,可明显提高纤维的上染率和K/S值。随着纤维含水率的增加,染色纤维的上染率和K/S值也随之增加,当含水率为50%时,阳离子红染料染色纤维的上染率可达到99.9%以上,K/S值可达到7.0;随着染液浓度的增大,纤维因对染料的吸附量逐渐增加并趋于饱和而使上染率有所下降,K/S值随之增加;随着染色温度的升高,染色纤维的上染率和K/S值先有所升高,又因高温使部分染料降解而下降。因此,合理的染色工艺为:浴比为1∶20,纤维含水率为30%以上,染色温度为110-120℃,染色时间为100min以上,阳离子染料优于分散染料。  然后,论文研究了不同染色工艺条件处理下,PPTA染色纤维的色牢度,以及日晒对纤维的染色深度及力学性能的影响,并对染色前后PPTA纤维的表面形态、热性能、力学性能、化学结构以及结晶度进行了分析。结果表明:染色前纤维表面较为光滑,而染色后纤维表面较为粗糙,附有颗粒物,相比于分散蓝染料,用阳离子红染色的纤维,其表面更为粗糙,颗粒物负载量更多;经染色后的纤维,其力学性能略微有所下降,但降幅不大;热重测试表明,经染色后的纤维,其热分解温度较原丝略有提高,而纤维残留率则有所下降;成品PPTA纤维经过染色后,其色牢度较差,而未干PPTA纤维经过染色后,表现出了较好的耐皂洗色牢度和耐摩擦色牢度;未干PPTA纤维经高浓度的染料染色后,纤维表现出较好的耐日晒性能。经过40小时的日晒,成品 PPTA纤维的强度保持率达到94.26%,而用分散蓝染料和阳离子红染料染色后的纤维,其强度保持率分别为83.97%和84.10%;成品纤维及未干纤维染色后纤维的结构基本相同,染色对PPTA纤维的化学结构没有产生影响;成品 PPTA纤维的结晶度的结晶度为70.68%,未干纤维的结晶度为64.75%,未干纤维染色后纤维的结晶度为65.24%,结晶度的下降,有利于染料的上染。  最后,基于阳离子染料和分散染料的染色机理,以具有荧光性的罗丹明 B替代染料,研究了染料在纤维表面以及纤维内部的扩散情况。结果表明:未干PPTA纤维用罗丹明B染色后,在荧光显微镜下能观察到强烈的荧光,而成品PPTA纤维用罗丹明B染色后,其荧光性能不明显,而采用激光共聚焦显微镜观察时,成品纤维染色后荧光信号呈点状分布,而未干纤维染色后荧光信号较为密集,随着染色时间的增加,染色温度的提高,在激光共聚焦显微镜下纤维逐步呈现出荧光现象并形成荧光圆环,随染色保温时间的延长,荧光圆环宽度变宽,空心部分逐渐缩小,荧光染料不断由表及里,向纤维内部扩散。
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