节能降耗新型分散染料常压可染聚酯及其纤维

张大省,周静宜,王建明

(北京服装学院，北京 100029)

节能降耗新型分散染料常压可染聚酯及其纤维

张大省,周静宜,王建明

(北京服装学院，北京 100029)

以对苯二甲酸(PTA)、乙二醇(EG)、间苯二甲酸(IPA)、聚乙二醇(PEG)为单体合成了一种新型分散染料常压可染聚酯(NEDDP)，其玻璃化转变温度低于70 ℃，冷结晶温度约为120 ℃，熔融温度为252 ℃。以NEDDP为岛组分，易水解聚酯(EHDP)为海组分纺制的海岛型复合纤维，用稀碱溶液水解剥离制备NEDDP超细纤维时，岛组分不会被刻蚀。0.006 texNEDDP超细纤维织物可在100 ℃下染中深色，120 ℃下染深色。用NEDDP也纺制了多种规格(10～15)tex/(48～72)f的DTY及FDY，该NEDDP纤维织物可在100 ℃染成黑色。NEDDP纤维织物具有优良染色牢度。与以往的PET纤维织物在130 ℃染色相比较，可节省能量30%以上，染中深色时可节约染料20%左右，可缩短染色时间25%，提高了劳动生产率。

分散染料常压染色聚酯；海岛复合纤维；节能；玻璃化转变温度

聚对苯二甲酸乙二酯(PET)纤维大分子结构具有较大的刚性和规整性，无定型PET玻璃化转变温度约为79 ℃，取向并结晶的成品PET纤维(涤纶)的玻璃化转变温度则升至125 ℃左右；又因PET大分子链上缺少可与染料结合的官能团，因此PET纤维只能采用分散染料在接近或超过自身玻璃化转变温度的高温、高压条件下染色。单纤维小于0.05 tex的超细纤维显色性很差，更难达到深染效果。解决PET纤维的染色问题可从染料结构、染色工艺等手段加以改进；倘若从对PET的化学结构改性加以改进，会收到较好效果。自PET纤维诞生以来，先后诞生了化学改性的分散染料常压可染聚酯(EDDP)纤维[1]，高温高压型和常压沸染型阳离子染料可染聚酯(CDP和ECDP)纤维[2-4]等，前期研究开发了一种新型阳离子染料可染聚酯(NECDP)超细纤维[5]，也有关于采用碱性染料染色的改性聚酯的报道，但尚未形成生产能力。

聚酯超细纤维的染色是国内外业界有待解决的一大难题。本文研究合成了一种新型分散染料常压可染聚酯(NEDDP)[6-7]，它具有良好的可纺性和制成纤维的物理机械性能；与PET相比较,NEDDP可降低玻璃化转变温度，适度地降低了其结晶能力，用以保证在常压条件下染色及良好的染色牢度；它具有良好的耐碱性能，可用于以NEDDP为岛组分，以易水解聚酯(EHDP)为海组分构成的海岛型复合纤维在碱减量剥离过程中不会伤害岛组分；NEDDP超细纤维织物还具有良好的耐日晒色牢度及强度保持率。本文重点介绍了NEDDP的基本结构与性能，纤维加工工艺和纤维性能，织物的染色效果及染色牢度以及染整加工过程的节能、减排与降耗效果。

1 实验部分

1.1 纤维制备

用复合纺丝机(螺杆直径为35 mm，单纺位6头)制备了EHDP/NEDDP海岛型复合纤维POY-DTY及FDY，以及不同规格的单组分 NEDDP圆形及异形截面纤维。

1.2 NEDDP热性能分析

1.3 海岛复合纤维织物的碱减量剥离

将海岛型复合纤维织物用质量分数为0.7%～1.0%的92～98 ℃NaOH水溶液处理25～35 min,以水解溶除EHDP，得到线密度约为0.006 tex的超细纤维织物。

1.4 纤维的形态结构分析

试样先行镀金后用JSM-6360LV型扫描电子显微镜观察纤维形态结构并记录。

1.5 织物的染色

NEDDP织物分别在100 ℃及130 ℃，采用不同品种和颜色的染料在实验室及生产装置上染色。染色织物测定K/S值，表征同种染料在不同染色温度条件下的染色效果。

2 结果与讨论

2.1 NEDDP的热性能

用于纺制海岛纤维和常规复丝的NEDDP等原料的主要性能如表1所示。

表1 纺丝原料主要性能Tab.1 Properties of spinning raw material

注：[η]为特性黏数。

图1、2示出NEDDP的DSC及TG分析谱图。

图1 NEDDP的DSC分析谱图Fig.1 DSC analysis of NEDDP

图2 NEDDP的TG分析谱图Fig.2 TG analysis of NEDDP

由表1及图1可见：NEDDP的特性黏数达到0.765 dL/g，可保证纤维良好的物理机械性能；NEDDP的Tg比PET降低了23 ℃，有利于在较低的温度下染色；Tcc比PET降低了20 ℃，且结晶峰型尖锐，表明它具有良好的结晶能力，有利于织物良好的染色牢度；Tm比PET降低了8 ℃，比其他的EDDP高4～5 ℃[8]，表明NEDDP的结构比EDDP的规整性要好，NEDDP应具有较好的耐碱性和染色牢度。而图2的TG谱图则表明，NEDDP的初始热分解温度为360 ℃，具有很好的热稳定性能。

批量控灯时CC2用户将基站底噪抬高，使CC1用户部分接入不了，而接入不了的CC1用户会不断复位尝试接入，这样会进一步抬升基站底噪，从而使CC0用户完全无法接入；现网表现就是批量控灯成功率底下。

2.2 海岛复合纤维制备及剥离

表2示出海岛型复合纤维的力学性能。EHDP/NEDDP海岛型复合纤维纺丝时，海组分与岛组分的配比例为30/70，POY的纺速为2 800 m/min，FDY的纺速为4 500 m/min，均与以PET为岛组分的EHDP/PET复合纤维纺速相同，可纺性良好。POY、DTY、FDY均有良好的物理机械性能，唯EHDP/NEDDP海岛型复合纤维比EHDP/PET复合纤维强度略低0.3 cN/dtex，但足以满足纺织加工及织物性能要求。

表2 海岛型复合纤维力学性能Tab.2 Mechanical properties of sea island composite fiber

注：HSPET为高收缩聚酯纤维。

图3示出海岛纤维横截面和碱减量开纤后的SEM照片。由图3(a)可见，海岛纤维岛与海的界区结构清晰，海岛型复合纤维经碱水解溶除海组分后制得NEDDP超细纤维。表3示出碱减量过程的减量率与处理时间的关系。可见在实验条件下，经过20～25 min可将海组分全部溶除。图3(b)示出该海岛纤维经碱溶液处理的减量率为29.8%时，岛纤维表面光滑，未受到刻蚀，单纤维直径约2 μm，经计算线密度为0.006 tex。这是以NEDDP作为海岛型复合纤维岛组分最为关键的突破，也显示了NEDDP化学结构与生产工艺设计的合理性。

图3 海岛纤维横截面和碱减量开纤后SEM照片Fig.3 Surface morphology of single fiber in fiber cross section (a) and alkali reduction of sea-island fiber (b)

表3 碱减量时间与减量率关系Tab.3 Relationship between time and reduction rate of alkali

注：EHDP与NEDDP的配比为30/70；m0为纤维起始质量，mt为纤维碱减量后质量,(m0-mt)/m0为减量率；碱质量浓度为10 g/L，温度为95 ℃。

2.3 单组分NEDDP纤维的成形加工

使用单组分NEDDP纺制了线密度为14 tex/36 f、11 tex/48 f、8.3 tex/48 f、8.3 tex/72 f等多种规格的POY-DTY及FDY圆形截面纤维以及8.3 tex/48 f“十”字型截面异形纤维，可纺性良好。表4示出线密度为8.3 tex/48 f的PET与NEDDP圆形截面纤维和“十”字型截面纤维的力学性能。值得注意的是NEDDP纤维的初始拉伸模量比常规PET纤维降低了24.6%，显然是由于NEDDP大分子链中引入的柔性PEG链段改善了纤维的硬挺度，使NEDDP纤维更加柔软。这样的“十”字型纤维织物同时兼具有常压沸染、吸湿排汗和良好的柔软性等多功能。

表4 8.3 tex/48 f纤维的力学性能Tab.4 Mechanical properties of 8.3 tex/48 f fiber

2.4 超细纤维织物的染色

图4a示出0.006 tex NEDDP超细纤维织物在100 ℃的染色效果，可染成多种鲜艳的中深色。由图4(b)、(c)可见，NEDDP超细纤维织物在120 ℃染色，可获得深棕色或深黑色的效果。这一直是国内外PET类超细纤维的研究目标。

图4 NEDDP超细纤维织物分散染料染色效果Fig.4 Dyeing effect of NEDDP superfine fiber fabric with disperse dyes at atmospheric boiling (a)，120 ℃ for deep color (b) and 120 ℃ for dark color

图5示出PET及NEDDP超细纤维织物印花后再经100 ℃汽蒸热固色再还原清洗后的效果。图中显示出PET超细纤维印花织物100 ℃汽蒸未能很好固色，而NEDDP超细纤维印花织物固色效果良好。

注：100 ℃高温高压染色。图5 2种超细纤维织物印花效果Fig.5 Printing effect of PET(a) and NEDDP(b)superfine fiber fabrics

而图6示出PET及NEDDP超细纤维麂皮绒在125 ℃高温高压染色效果。显然，经过化学改性后的NEDDP超细纤维较PET超细纤维具有更好的染色性能。

注：125 ℃高温高压染色。图6 0.006 tex超细纤维麂皮绒染色效果Fig.6 Dyeing effect of PET(a) and NEDDP(b) superfine fiber fabrics

图7 8.3 tex/48 f PET纤维(底面)与 0.006 texNEDDP超细纤维麂皮绒常压同浴沸染效果Fig.7 Effect of atmospheric pressure of PET 8.3 tex/48 f fiber (bottom surface) and NEDDP 0.006 tex fiber fabric in same bath

通常较粗的纤维应当具有较好的显色性，然而以8.3 tex/48 f PET纤维为底层，以0.006 texNEDDP纤维为表层构成的麂皮绒织物在常压沸染时显示出NEDDP绒面超细纤维颜色远较底层较粗PET纤维具有更深的颜色，结果如图7所示。结果表明在沸染过程中NEDDP纤维具有更加优异的上染率，夺走了染料，致使PET纤维几乎未能上染。

表7示出图6中的PET和NEDDP深棕色超细纤维麂皮绒的染色牢度检验结果。可见：PET及NEDDP 2个试样的染色牢度均能达到国家标准；只是NEDDP的耐湿摩擦牢度比PET 略低半级，而NEDDP的耐皂洗牢度高于PET半级。

表5 深棕麂皮绒色牢度检测结果Tab.5 Color fastness test results of dark brown suede

注：所有检验项目由北京纺织纤维检验所均按相关国家标准检验。

0.006 texNEDDP超细纤维织物也可采用转移印花技术，节约用水，印花效果如图8所示。由图可见，随定型温度的升高颜色加深，超过175 ℃颜色基本不再变化。

图8 0.006 tex NEDDP麂皮绒在不同定型温度时转移印花效果Fig.8 0.006 tex NEDDP suede transfer printing effect in different setting temperature

2.5 常规线密度NEDDP纤维的染色

图9示出纱线线密度为8.3 tex/48 f 的涤/棉(65/35)双层织物的染色效果图。图中所示的涤/棉织物是在125 ℃而NEDDP/棉织物在95 ℃染黑色的效果比较，可见二者的染色基本一致，但目测涤/棉织物略泛红光，而NEDDP/棉织物略泛蓝光。而在此前聚酯类纤维织物是无法在常压下采用分散染料染成深黑色的。表6示出上述深黑色涤/棉织物色牢度检测结果。表中显示除耐湿摩擦牢度(或许与棉纤维有关)，其余指标均达到国家标准。然而，该批货是出口产品，该公司是依据日本标准JIS L0849—2004《耐摩擦色牢度试验方法》评价的，所有合成纤维深色织物湿摩擦牢度要求为 2 级。

图9 8.3 tex/48 f纤维织物染色比较Fig.9 Comparison of dyeing of 8.3 tex/48 f conventional fabric

图10示出8.3 tex/48 f NEDDP十字型纤维筒子纱的染色效果。该产品兼具常压可染和吸湿排汗功能，可在色织产品方面展现出更好的效果。

表7示出用K/S值表征的同种染料在不同染色温度时的染色效果。可见，对于上述纤维而言，在100 ℃常压沸染时可获得多种深浅各异且鲜艳的颜色，然而不同牌号染料的色相略有差异。在2种不同温度下染色织物的K/S值只在所选用的个别染料的个别颜色时产生些许差异。图11示出8.3 tex/48 f NEDDP纤维分别在100 ℃和130 ℃温度，使用D、F、T、Y 4种不同牌号染料所染效果。

表6 深黑色8.3 tex/48 f涤/棉纬编织物色牢度检测结果Tab.6 Color fastness result of 8.3 tex/48 f PET fiber/cotton fabric

注：所有检验项目均按相关国家标准测定，耐湿摩擦牢度2级满足客户按日本JIS L0849 Ⅱ形(干/湿)的要求。

图10 8.3 tex/48 f纤维筒子纱染色效果Fig.10 8.3 tex/48 f fiber yarn dyeing effect

表7 NEDDP织物不同染色温度下的K/S值Tab.7 K/S values of different dyeing temperature of NEDDP fabric

注：每组染料的第1行、第2行分别示出在100、130 ℃下的染色效果。图11 8.3 tex/48 f NEDDP纤维织物使用不同染料的染色效果Fig.11 Dyeing appearance of 8.3 tex/48 f NEDDP fiber fabric dyed with different dyes

2.6 常规线密度NEDDP纤维的印花

图12示出用33.3 tex/144 f扁平一字型同规格PET与NEDDP纤维织造的毛毯印花效果。其中PET纤维毛毯是在130 ℃汽蒸定型，而NEDDP纤维毛毯则是在100 ℃汽蒸定型。NEDDP纤维染色效果鲜艳，与PET纤维样品相近。NEDDP印花毛毯测试依据为GB 18401—2010《国家纺织产品基本安全技术规范》A类及FZ/T 61004—2006《拉舍尔毯》，检测的色牢度均合格。

图12 印花毛毯外观Fig.12 Printing blanket.(a) PET blanket printing (130 ℃ for air vapor); (b) NDEEP blanket printing (100 ℃ for air vapor)

2.7 NEDDP纤维与粘胶纤维交织物的染色

图13示出NEDDP纤维与粘胶纤维交织织物分别在100 ℃与130 ℃的染色效果。其染色深度基本相当，但低温染色织物比高温染色织物的手感柔软性有较大的改善。

图13 不同温度染色的NEDDP/粘胶纤维交织物Fig.13 NEDDP/viscose fiber with different temperature.(a) 100 ℃ atmospheric pressure dyeing; (b) 130 ℃ high temperature and high pressure dyeing

2.8 NEDDP纤维加工及织物染色的节能降耗

由上述可知，NEDDP纤维具有良好的分散染料常压可染性能和染色牢度。而且从原料聚合物的合成、纤维成形加工、织物的染色等整个生产过程具有节能、减排及降耗的特点。表8示出NEDDP和PET合成及纺丝温度。由表可见，无论NEDDP切片的制造和纺丝加工过程的温度均比PET低，在长期的生产过程中是一笔不小的能耗缩减。

表8 NEDDP与PET合成及纺丝温度Tab.8 Color fastness test results of NEDDP printing blankets

NEDDP的染整加工过程中更是显示出非常显著的节能及降低染料消耗的效益。图14示出高温高压染色与常压沸染过程的操作曲线图。

图14 高温高压染色与常压沸染过程的操作曲线图Fig.14 Operation curve of high temperature and high pressure dyeing and atmospheric boiling dyeing proces

织物染色通常是在40 ℃入浴，常压染色是沿A-B-D-E-F路径：升温—保温(100 ℃)—降温—出织物；而高温高压染色过程是沿A-B-C-G-H-I-J路径：升温—保温(130 ℃)—降温—出织物。若计算二者之间的能耗差异，常压染色时可以A-B-D-E-F-A所包含的面积计算，高温高压染色时可以A-B-C-G-H-I-J-A所包含的面积计算。那么，常压染色比高温高压染色节约的能量差值即为图中所示阴影的面积。若对染色过程的热量进行理论分析，可按下述数据粗略计算。

设:Q1为常压染色时，由40 ℃升至100 ℃所需热量；Q2为高温高压染色时，由40 ℃升至130 ℃所需热量。

则：

CKGK(T1-t)

同理：

CKGK(T2-t)

式中：CL、CS、CK分别表示染液、织物、设备的比热；当温度变化不大时，比热C可近似看作常量。GL、GS、GK分别表示染液、织物、设备的质量。T1为 100 ℃，T2为 130 ℃，t为 40 ℃。

则可得知高温高压染色与常压染色能耗的比值

即高温高压染色耗能为常压染色时的1.5倍，亦即常压染色可节省能量33.3%。这和上述图13的面积估算相近，也与企业初步生产统计结果相近。表9示出常压染色与高温高压染色的生产周期，常压染色比高温高压染色生产周期缩短了25%，提高了劳动生产率。

表9 常压染色与高温高压染色生产周期Tab.9 Production cycle of atmospheric dyeing and high temperature and high pressure dyeing

NEDDP化学结构的改变不仅可降低染色温度，还会提高上染率，因此NEDDP纤维与PET纤维染色相比较，在获得同样染色深度时，可降低染料使用量。初步生产实践的结果表明，在染中深色织物时大约可降低染料量20%～25%。

3 结 论

NEDDP具有低玻璃化转变温度、低结晶温度，决定着其纤维可降低染色温度及具有良好的染色牢度，同时改善了聚酯类纤维的柔软性能。NEDDP超细纤维(0.006 tex)织物可在100 ℃使用分散染料染成多种中深色，又可在120 ℃左右染成深棕、藏蓝及深黑色；NEDDP纤维(10～15)tex/(48～72)f织物在95 ℃即可染至深黑色；还可将印花织物于常压完成汽蒸定型,并均具有良好的色牢度。常压染色对节能、降耗、提高劳动生产率具有非常重要的意义。

FZXB

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Polyester fibers dyed with disperse dyes under atmospheric pressure

ZHANG Dasheng,ZHOU Jingyi,WANG Jianming

(BeijingInstituteofFashionTechnology,Beijing100029,China)

A new easy disperse dyeable polyester (NEDDP) has been synthesized by pure terephthalic acid,ethylene glyol,iso phthalic acid and polyethylene glycol,and it can be dyed using disperse dyes under atmospheric pressure.This polyester′s glass transition temperature is below than 70 ℃,cold crystal temperature is about 120 ℃ and melting temperature is about 252 ℃.Using it (NEDDP) as island component and easily hydrolyzable polyester (EHDP) as sea component,sea-island compound fibers can be obtained.Further these compound fibers are hydrolyzed by sparse alkali solution,and NEDDP super fine fibers are made.And during hydrolysis course island component was not damaged by alkali.Fabric of NEDDP super fine fibers (0.006 tex) can be dyed close to deep color at 100 ℃ and dyed black color at 120 ℃.POY-DTY and FDY of (10-15) tex/(48-72) f can also be produced from NEDDP.Fabrics woven from them can be dyed black color at 100 ℃.NEDDP fabrics have good dye fastness.Compared with common PET fabrics being dyed black color at 130 ℃,the energy cost can be saved by 30% if NEDDP fabrics dyed the same color.When dying close to deep color,the energy cost can be saved by 20% and dyeing time can be shortened by 25%.

easy disperse dyeable polyester; sea-island compound fiber; energy conservation; glass transition temperature

10.13475/j.fzxb.20151005808

2015-07-26

2015-11-12

获奖说明：本文荣获中国纺织工程学会颁发的第16届陈维稷优秀论文奖

张大省(1942—),男,教授。主要从事各种改性聚酯类聚合物的合成、结构与性能研究。E-mail: z-ds@263.net。

TQ 342.2；TS 102.65

A