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聚丙烯纤维染色性之探讨
来源:中国纤维网 添加人:service4 添加时间:2020-6-19

     过去廿年来PP合成纤维虽未列入三大纤维之列,但仍是开发较为成功的材质之一,近十年间,欧洲PP纤维长短纤的产量,相对于其他合成纤维约成长了80%,尤其在自动化车辆纺织品上之应用,十分引人注意,究其因乃PP纤维具有制程简易、比重轻、吸水性低之特性及耐化性、防静电性、防污性优之功能,而价格的优势更是另一考量的重要因素,其特性与其他纤维比较如表一至表三:

PP纖維的非極性結構,通常認為無法染色是其最大隱憂,由於纖維本身親水性能極低,故與染料及化學助劑之間的親和力不佳,運用傳統染色及印花方式,均無法達到著色的效果,目前PP纖維著色大都於紡絲時,加入有機或無機顏料,使其上色,此種方式簡單、成本低廉而且能夠獲得較佳的牢度,然而,此法亦有其不可避免之缺點,祇適合大量生產單一色系,在色譜上跟不上消費市場及更新的要求,其他缺點如:無法印花、庫存積壓...等,因此,使用上以無色或需求量較大的地毯產品及少量流行服飾產品為主,而耐隆及聚酯纖維則無上述之缺點,其染色性及印花性均佳,因此,如何把一般性的染整印花技術,應用於PP纖維,使之成為受歡迎的新素材,已成為緊迫任務。 PP纤维的非极性结构,通常认为无法染色是其最大隐忧,由于纤维本身亲水性能极低,故与染料及化学助剂之间的亲和力不佳,运用传统染色及印花方式,均无法达到着色的效果,目前PP纤维着色大都于纺丝时,加入有机或无机颜料,使其上色,此种方式简单、成本低廉而且能够获得较佳的牢度,然而,此法亦有其不可避免之缺点,只适合大量生产单一色系,在色谱上跟不上消费市场及更新的要求,其他缺点如:无法印花、库存积压...等,因此,使用上以无色或需求量较大的地毯产品及少量流行服饰产品为主,而耐隆及聚酯纤维则无上述之缺点,其染色性及印花性均佳,因此,如何把一般性的染整印花技术,应用于PP纤维,使之成为受欢迎的新素材,已成为紧迫任务。
有關PP纖維在染整、印花技術及配方上的研究,已有多年,但大部分面臨無法商業化的困境,茲將過去研究狀況摘要如下:有关PP纤维在染整、印花技术及配方上的研究,已有多年,但大部分面临无法商业化的困境,兹将过去研究状况摘要如下:
(1) 新型染料的研發: (1)新型染料的研发:
PP纖維因其為疏水性纖維,且結晶度高,即使是分散染料,與其聚合體的親和力亦非常低,而無法達到應有之上色值,為了增加其親和力,可在其發色團上接枝脂肪族側鍵,雖然此舉改善了其上色率,但因成本過高及染色性受限,而無法進一步拓展。 PP纤维因其为疏水性纤维,且结晶度高,即使是分散染料,与其聚合体的亲和力亦非常低,而无法达到应有之上色值,为了增加其亲和力,可在其发色团上接枝脂肪族侧键,虽然此举改善了其上色率,但因成本过高及染色性受限,而无法进一步拓展。
(2) 纖維表面局部改質: (2)纤维表面局部改质:
運用離子進行表面改質,經由氧化或接枝方式使PP纖維有能力攝取染料單體,形成共聚物,此法成本低廉且具有環染的效果,但摩擦牢度不佳,為了避免環染的現象,目前正研究。运用离子进行表面改质,经由氧化或接枝方式使PP纤维有能力摄取染料单体,形成共聚物,此法成本低廉且具有环染的效果,但摩擦牢度不佳,为了避免环染的现象,目前正研究。
(a)直接將離子導入纖維的聚合體,但是把酸性共聚單體當成催化劑進行之共聚作用,成功率並不高。 (a)直接将离子导入纤维的聚合体,但是把酸性共聚单体当成催化剂进行之共聚作用,成功率并不高。
(b)在聚合作用後,射出前進行聚合體主鍵的接枝,雖然過去成功機率不高,但已有新的方法出現。 (b)在聚合作用后,射出前进行聚合体主键的接枝,虽然过去成功机率不高,但已有新的方法出现。
(3) 加入添加劑: (3)加入添加剂:
在PP纖維基質中加入添加劑,此添加劑具有接受染料的能力,以改善其染色性,此種方法廣為業界採用,大部份試驗是以極性聚合體在PP纖維中加入帶有酸性或鹼性基團,而使其具有可染性,可為鹽基性染料或酸性染料所染著,添加劑的類別有乙烯基砒啶、磺酸、共聚醯胺、叔胺等。在PP纤维基质中加入添加剂,此添加剂具有接受染料的能力,以改善其染色性,此种方法广为业界采用,大部份试验是以极性聚合体在PP纤维中加入带有酸性或碱性基团,而使其具有可染性,可为盐基性染料或酸性染料所染着,添加剂的类别有乙烯基砒啶、磺酸、共聚醯胺、叔胺等。
然截至目前,這些方法尚無法實際應用於產業上,因為缺乏一致性,結果導致纖維物性大幅降低,除了在纖維聚合體加入添加劑外,亦可以降低纖維的分子量來達到目標,稱之為Ni-modified PP,其具可染性的原因,是配合特殊染料在纖維熔點時與有機Ni-complexes產生結合作用,藉由移染滲入纖維,達到固色的效果,這是目前業界較為可行的方式,但仍有缺點,諸如射出問題,染料限制,深色化不易,豔色度不足等,再加上改染不易,再現性不良,批差控制不易,環保問題,使得Ni-modified PP使用受限,目前產品仍以地毯為主。然截至目前,这些方法尚无法实际应用于产业上,因为缺乏一致性,结果导致纤维物性大幅降低,除了在纤维聚合体加入添加剂外,亦可以降低纤维的分子量来达到目标,称之为Ni- modified PP,其具可染性的原因,是配合特殊染料在纤维熔点时与有机Ni-complexes产生结合作用,藉由移染渗入纤维,达到固色的效果,这是目前业界较为可行的方式,但仍有缺点,诸如射出问题,染料限制,深色化不易,艳色度不足等,再加上改染不易,再现性不良,批差控制不易,环保问题,使得Ni-modified PP使用受限,目前产品仍以地毯为主。
比利時纖維工業研究中心,針對PP纖維進行研究開發,以添加劑的方式,發展具環保性可染型之PP纖維,依過去研究,針對添加劑的產品,做了大量的篩選試驗,希望找出與PP纖維基質具有相容性之疏水性的添加劑,同時又有足夠的極性基能與染料產生反應,達到可染的目的,但這兩者的性質,本身是對立的,無法同時兼顧,為了符合此兩種特性的需求,添加劑的篩選是一關鍵性的課題。比利时纤维工业研究中心,针对PP纤维进行研究开发,以添加剂的方式,发展具环保性可染型之PP纤维,依过去研究,针对添加剂的产品,做了大量的筛选试验,希望找出与PP纤维基质具有相容性之疏水性的添加剂,同时又有足够的极性基能与染料产生反应,达到可染的目的,但这两者的性质,本身是对立的,无法同时兼顾,为了符合此两种特性的需求,添加剂的筛选是一关键性的课题。
此添加劑與纖維聚合體相容性之評估項目為 此添加剂与纤维聚合体相容性之评估项目为
● 添加劑的粒度 ●添加剂的粒度
● 在纖維基質的分佈狀況 ●在纤维基质的分布状况
● 不影響製程的穩定性 ●不影响制程的稳定性
● 不影響纖維的物性及化性 ●不影响纤维的物性及化性
至於染色性的評估則以事先篩選之分散染料依標準染色製程進行加工,由其k/s值來評定添加劑之種類及其濃度,由固色溫度來探討對PP纖維的移染性,當添加劑類別確定後,須進一步地進行更完善的實驗,尤其是染料的篩選,須考慮最終產品的牢度特性,大部分分散染料對PP纖維進行染色後,其日光牢度普遍不佳,即使對聚酯纖維日光牢度佳者,亦無法達到應有的牢度水準,有偏低現象,顯示PP纖維基質與染料分子之間的反應,對日光牢度有著莫大的影響,因此,PP纖維所使用之染料,必須逐一篩選,而無法用一般合纖染色之標準衡量之,另外,摩擦牢度亦為重要的評估指標,因此,添加劑的可染性將被侷限在一狹窄的範圍,上色性亦有所限制,當染色過飽和時,染料分子極易殘留於纖維上,造成上色率及摩擦牢度的下降。至于染色性的评估则以事先筛选之分散染料依标准染色制程进行加工,由其k/s值来评定添加剂之种类及其浓度,由固色温度来探讨对PP纤维的移染性,当添加剂类别确定后,须进一步地进行更完善的实验,尤其是染料的筛选,须考虑最终产品的牢度特性,大部分分散染料对PP纤维进行染色后,其日光牢度普遍不佳,即使对聚酯纤维日光牢度佳者,亦无法达到应有的牢度水准,有偏低现象,显示PP纤维基质与染料分子之间的反应,对日光牢度有着莫大的影响,因此,PP纤维所使用之染料,必须逐一筛选,而无法用一般合纤染色之标准衡量之,另外,摩擦牢度亦为重要的评估指标,因此,添加剂的可染性将被局限在一狭窄的范围,上色性亦有所限制,当染色过饱和时,染料分子极易残留于纤维上,造成上色率及摩擦牢度的下降。
當分散染料篩選完成後,由實驗室打樣到現場染色須做進一步的評估,並將染色方法予以固定,根據實際的經驗,染色固色溫度及染色時間對纖維的上色影響最為重要。当分散染料筛选完成后,由实验室打样到现场染色须做进一步的评估,并将染色方法予以固定,根据实际的经验,染色固色温度及染色时间对纤维的上色影响最为重要。
添加劑經過篩選評估後,其性質須如前所述,一為必須使PP纖維基質含有染色席座,另一為提高與PP纖維的相容性,兩者的配合才能提高PP纖維的上染率及染著速率,為了製程的穩定性,必須針對PP纖維及添加劑之流變性來加以配合設備,即可生產不同的纖維,目前已由此利時Elf-Atochem予以商業化,其商品名為Chromatex,其在製造過程中,添加了8%的添加劑,即獲得了良好的染色性(親和力、深色化),或高或低的添加量,均會影響其染色性,可依工業上實際需求而調整之,但仍以8%的染色性及牢度較能達到標準。添加剂经过筛选评估后,其性质须如前所述,一为必须使PP纤维基质含有染色席座,另一为提高与PP纤维的相容性,两者的配合才能提高PP纤维的上染率及染着速率,为了制程的稳定性,必须针对PP纤维及添加剂之流变性来加以配合设备,即可生产不同的纤维,目前已由此利时Elf-Atochem予以商业化,其商品名为Chromatex,其在制造过程中,添加了8%的添加剂,即获得了良好的染色性(亲和力、深色化),或高或低的添加量,均会影响其染色性,可依工业上实际需求而调整之,但仍以8%的染色性及牢度较能达到标准。
在開發PP纖維可染性的計畫中,篩選不同公司的分散染料進行測試,以120℃及100℃下進行吸盡法染色如圖一所示。在开发PP纤维可染性的计画中,筛选不同公司的分散染料进行测试,以120℃及100℃下进行吸尽法染色如图一所示。

染料篩選之主要因素為 染料筛选之主要因素为
● 上色率 ●上色率
● 固色率 ●固色率
● 溫度依存性 ●温度依存性
● 日光牢度、摩擦牢度 ●日光牢度、摩擦牢度
● 生態問題 ●生态问题
由於染色材質不同,無法以過去染聚酯纖維的經驗法則,進行染料的篩選,再加上染料公司對染料結構亦有所保留,以致無法由染料結構來判定其染色性及牢度,所以必須經由實驗逐一篩選,以判定之,圖二顯示的為測試後,其達於標準者,雖然牢度優劣與否與染料濃度有極大關連,PP纖維染色濃度高,易降低其上色率及摩擦牢度,所以染色時,須控制染料濃度的範圍,避免產生過飽和現象造成浪費及品質下降。由于染色材质不同,无法以过去染聚酯纤维的经验法则,进行染料的筛选,再加上染料公司对染料结构亦有所保留,以致无法由染料结构来判定其染色性及牢度,所以必须经由实验逐一筛选,以判定之,图二显示的为测试后,其达于标准者,虽然牢度优劣与否与染料浓度有极大关连,PP纤维染色浓度高,易降低其上色率及摩擦牢度,所以染色时,须控制染料浓度的范围,避免产生过饱和现象造成浪费及品质下降。

染料的變因除上述之因素外,亦可分為三部分討論,其一為三原色組合良好的染料,因其有較接近的染色速率,受材質的影響較低,其二為具高牢度的分散染料,可適合不同的染程的需求,但其相容性是否良好,仍需進一步確認,其三為高日光牢度但摩擦牢度降低,主要乃因纖維殘留過多的分散染料,由圖三試驗得知,一旦超過飽和點,品質即大幅降低,且各染料結構不同,其飽和值亦不同,有些染料濃度低於0.5%,有些則高達2%左右。染料的变因除上述之因素外,亦可分为三部分讨论,其一为三原色组合良好的染料,因其有较接近的染色速率,受材质的影响较低,其二为具高牢度的分散染料,可适合不同的染程的需求,但其相容性是否良好,仍需进一步确认,其三为高日光牢度但摩擦牢度降低,主要乃因纤维残留过多的分散染料,由图三试验得知,一旦超过饱和点,品质即大幅降低,且各染料结构不同,其饱和值亦不同,有些染料浓度低于0.5%,有些则高达2%左右。
圖三、染料濃度上色率,牢度之關係图三、染料浓度上色率,牢度之关系
Dyesfuff conc type ΣK/S 420-680nm ΣK/S420-680nm dyed at 120℃ lightfastness dyed at 120℃ lightfastness rubfastness dry rubfastness dry wet
Polanil Red BF Polanil Red BF  anthraquin one anthraquin one     
 0.05%  19 6 4/5-5 4/5-5
 0.1%  32 6 4/5 4/5-5
 0.5%  112 7+ 4-4/5 4/5
 0.75%  135 7+ 4-4/5 4/5
 1.25%  167 7+ 2/3-3 3
 1.5%  156 7+ 2/3 2/3-3
 2%  154 7+ 2-2/3 2/3-3

摘自International Dyer August 1998 摘自International Dyer August 1998
基本上,染料的選擇亦可由染色設備及製程來做進一步的探討,PP纖維分散染料染色上色之溫度為95~120℃,在120℃的染色溫度下,可提高染著率,有時亦可增加上色值,其標準配方流程如下:基本上,染料的选择亦可由染色设备及制程来做进一步的探讨,PP纤维分散染料染色上色之温度为95~120℃,在120℃的染色温度下,可提高染着率,有时亦可增加上色值,其标准配方流程如下:
● 洛比:1:10 ●洛比:1:10
● 染料:1% ●染料:1%
● 分散率:1g/l ●分散率:1g/l
● PH:4.5~5 ● PH:4.5~5
● 染色溫度100℃×50~60min or 120℃×50~60min ●染色温度100℃×50~60min or 120℃×50~60min
● 還原洗 ●还原洗
● Na2S2O4:1g/l ● Na2S2O4:1g/l
● Naorl:3cc/l ● Naorl:3cc/l
● 條件:30℃×15’ ●条件:30℃×15’
亦可加入Cibatex APS or Cibafast來提高其抗紫外線的功能,改善其日光牢度。亦可加入Cibatex APS or Cibafast来提高其抗紫外线的功能,改善其日光牢度。
綜合上述,PP纖維在染色技術發展上有跡可循,可應用於不同之PP纖維產品,如:紗、平織物、針織物等,尤其是車輛紡織品及地毯的產品,再加上PP纖維具回收再使用功能,配合眼前環保問題,無疑是一大利基,PP短纖染色產品目前應用範圍不多,未來配合傢俱類或成衣類,或可部份取代Nylon及PES在特定市場的需求下,PP可染型纖維,將可提供惰性、低吸水性、舒服、絕緣、毛細效應、低密度等特性。综合上述,PP纤维在染色技术发展上有迹可循,可应用于不同之PP纤维产品,如:纱、平织物、针织物等,尤其是车辆纺织品及地毯的产品,再加上PP纤维具回收再使用功能,配合眼前环保问题,无疑是一大利基,PP短纤染色产品目前应用范围不多,未来配合家具类或成衣类,或可部份取代Nylon及PES在特定市场的需求下,PP可染型纤维,将可提供惰性、低吸水性、舒服、绝缘、毛细效应、低密度等特性。 其未來的發展,則有賴於紡織中、下游產業根據其經驗,開發創新不同的產品,或取代目前現有的產品,運用於不同的領域。其未来的发展,则有赖于纺织中、下游产业根据其经验,开发创新不同的产品,或取代目前现有的产品,运用于不同的领域。