对位芳纶的染色及纤维结构与性能研究

摘要

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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第一章 绪论

1.1 引言

1.2 对位芳香族聚酰胺纤维的性能

1.3 对位芳香族聚酰胺纤维的应用

1.4 对位芳香族聚酰胺纤维的结构及其对染色性能的影响

1.5 对位芳香族聚酰胺纤维的染色方法

1.6 本论文的研究目的和意义

1.7 论文主要研究内容

第二章 着色染料的选择及性能研究

2.1 实验原料

2.2 实验仪器

2.3 实验方法

2.4 结果与讨论

2.5 本章小结

第三章 未干PPTA纤维的染色工艺研究

3.1 实验原料

3.2 实验仪器

3.3 实验方法

3.4 结果与讨论

3.5 本章小结

第四章 染色PPTA纤维的结构性能研究

4.1 实验原料

4.2 实验仪器

4.3 实验方法

4.4 结果与讨论

4.5 本章小结

第五章 未干PPTA纤维的染色机理研究

5.1 实验原料

5.2 实验仪器

5.3 实验方法

5.4 结果与讨论

5.5 本章小结

第六章 全文总结

参考文献

硕士研究生期间发表（录用）的论文

致谢