紡絲級(jí)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粒或其他形式加入到紡絲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(duì)環(huán)境友好，對(duì)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?yàn)闊o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(jí)的大趨勢下，特別是經(jīng)過這次新冠肺炎的考驗(yàn)人們更加意識(shí)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(huì)發(fā)展的重要攻堅(jiān)任務(wù)，也是紡織行業(yè)轉(zhuǎn)型升級(jí)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(gè)新定位?！霸褐崩w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?jiǎng)?chuàng)新成果，成為化纖行業(yè)的流行趨勢。此時(shí)代背景下，原液著色纖維因?yàn)槠洹熬G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(bào)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?jí)炭黑生產(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(huì)責(zé)任。公司以亞太技術(shù)中心ATC為創(chuàng)新平臺(tái)，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(duì)化纖的最終性能有非常重要的影響，在此重點(diǎn)對(duì)炭黑對(duì)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(duì)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(gè)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(shí)，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(jí)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?yàn)檫@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(duì)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(gè)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(gè)聚集體的半徑是30nm，而另一個(gè)則為100nm，通過計(jì)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(duì)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(jí)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(jí)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(dòng)非晶相和剛性非晶相。剛性非晶相被定義為一個(gè)薄的非晶層，具有部分有序性，而移動(dòng)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(huì)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(huì)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(shí)，對(duì)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(duì)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(duì)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(huì)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(duì)化纖顏色的影響情況，建立相對(duì)可靠的預(yù)測公式。另外， 紡絲工藝對(duì)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(duì)光的吸收;同樣的道理，化纖的截面形狀的改變會(huì)顯著影響炭黑對(duì)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。