定型机、涂层机专业生成厂家无锡前洲兴华机械2022年2月28日讯 聚氨基甲酸酯弹性纤维 ( 氨纶 ) 是一种软硬链段交替的多嵌段共聚物，由于相分离的结构特点，具有断裂强力大、弹性回复率高等优点，因此得到广泛应用。但在染色性能方面，经过高温染色、皂洗等过程氨纶分子结构中的 C—O 键和 C—N 键可能 会发生大量水解，大分子链的分子间滑脱或化学键断裂，对氨纶的结构与性能造成严重伤害，进而影响织物的弹性和使用。

作者：华南理工大学机械与汽车工程学院 

游革新 陈曦日

中国工程物理研究院 杨波 周秀文

1.1 主要原材料

干纺聚醚型氨纶：40D，浙江开普特氨纶有限公司；

染料：分散蓝 56，浙江山峪染料化工有限公司；

分散剂 MF

乙酸钠、乙酸：工业品，市售。

1.2 主要仪器与设备

傅立叶变换红外光谱 (FTIR) 仪：VERTEX70 型，德国 Bruker 公司；

X 射线衍射 (XRD) 仪：D8ADVANCE 型，德国 Bruker 公司；

电子万能试验机：5965 型，美国 Instron 公司；

测 色 仪：UltraScan VIS 型，美 国 HunterLab 公司；

恒温振荡水浴锅：SHZ–82 型

1.3 染色

氨纶在恒温振荡水浴锅里染色，染料浓度 2% (owf)，分散剂 MF 浓度为 1 g／L，浴比为 1∶50，染 液 pH 值用乙酸溶液 ( 乙酸∶水 =1∶5)、乙酸钠溶 液 (1 g／mL) 缓冲溶液调节，于 40℃入染，升温速 率为 0.5℃／min，采用不同的时间、温度和染液 pH 值对氨纶进行染色、淋洗，晾干备用。

1.4 性能测试与表征

2.1 染色温度

当染色时间为 30 min、染液 pH 值等于 5 时， 不同染色温度下氨纶染色的色牢度等级列于表 1， 氨纶的 K／S 值和力学性能分别如图 1、图 2 所示。

由表 1 可以看出，在染色温度为 115～135℃ 下，染色温度对色牢度等级影响不大，仅在 125℃ 时色牢度等级为 3 级，稍高于其他温度时的染色氨纶。

由图 1 和图 2 可以看出，随着染色温度的升高， 在 120～130℃分散染料上染氨纶的表面色深值 K ／S 值变化不大，当温度大于 130℃时，K／S 值从 29.21 陡然下降至 25.21 ；氨纶的断裂强力也随着染色温度的上升从 115℃时的 36.98 cN 下降至 135℃ 时的 32.59 cN，当在 135℃染色时，断裂强力下降显著，相比于 130℃时的断裂强力，断裂强力损失接近 7%。这可能是因为氨纶在高温染液中染色时，分子结构中的 C—N 键和 C—O 键随着温度的升高水解加剧，导致纤维受到损伤，断裂强力降低，并且氨纶的硬段在玻璃化转变温度 (Tg) 下获得足够能量开始运动，结晶区中分子链间某些较弱的结合点由于分子的热运动被破坏，链段空隙变大，也会造成断裂强力下降，导致硬链段微区内部氢键减少，氢键化程度下降，使纤维的无定型区体积减少。由于染料分子一般进入大分子的无定形区，与纤维间形成键合，所以表面色深值也有大幅度的下降。

不同染色温度下氨纶的 XRD 曲线如图 3 所示。

由图 3 可以看出，在衍射角 2θ 为 20° 附近有 1 个衍 射峰。利用 Jade 软件计算出 5 组样品的结晶度列于表 2。

由表 2 可知，氨纶的结晶度随上染温度的升高而下降，而结晶度对染色也是一个很重要的影响因素，结晶度越高，染色越困难，因为氨基甲酸酯基和脲基使得氨纶结构中的硬段堆砌更紧密，微区结构更完整，染料分子难以进入硬链段，但在高温 下，氨纶分子链的运动加剧，硬链段变得松散，分子取向度也降低，各链之间的交联化程度也相应降低， 使得染料分子易与氨基甲酸酯基结合，降低硬段间的氢键化程度，因而硬链段的结晶度随之降低。

2.2 染色时间

设定温度 130℃染液 pH 值等于 5，分散染料染氨纶的时间不同时氨纶的力学性能如图 5 所示，氨纶的染色性能列于表 3。

由图 5 和 表 3 可以看 出，染色时间在 20～ 40 min 范围内 K／S 值变化不大，当染色时间为 50 min 时，K／S 值降低至 27.713，而在 30～40 min 范围内，色牢度等级均为 3 级，高于其他染色时间的氨纶。但随着染色时间的增加，氨纶的断裂强力从 38.47 cN 下降到 50 min 时的 33.69 cN，而弹性回复率先上升后下降，在 30 min 时达到最大值，为 94.76%。因为氨纶软链段为分散染料上染的主要部分，随着染色时间的增加，染料分子与软段相互结合使其结构更加松弛，弹性回复率上升，而染色时间大于 30 min 后，染料分子与氨纶形成的氢键和其他吸附力会遭到较大破坏，因此弹性回复率又有所下降；在高温条件下，染色时间越长，氨纶软硬链段的分离程度越大，导致大分子链的分子间滑脱或化学键断裂，断裂强力下降，硬链段之间的氢键相互作用减少，氢键化程度下降，结晶度随之降低。

不同染色时间下氨纶的 XRD 曲线如图 6 所示。

从图 6 可以看出，经过染色的氨纶的结晶度明显低于未染色氨纶。利用 Jade 软件计算出 5 组样品的结晶度列于表 4。

表 4 数据表明，氨纶的结晶度确实会随着染色时间的延长而降低，这也证实了上述 观点。

波数在2700~3400cm范围内氨纶的FTIR如图7所示。

由图7可以看出3324cm附近的弱吸收峰为NH基团的伸缩振动,表征硬链段,从理论上来讲.染鱼时间越长,硬链段之间的氢键断裂程度越大氢键化程度越低,而染色时间为30min的氨纶的NH基团吸收峰明显大于未染色的且吸收峰最强。这可能是由于分散染料中的-NH与氨纶中硬链段上的酰胺键-CONH一相结合形成了较强的氢键:2853cm和2940cm 附近的两处吸收


峰是CH基团的伸缩振动,染色时间为30min和40min的氨纶的两处吸收峰均较强，但由图5可知。染色时间越长,氨纶的断裂强力越差。综上所述，染
色时间选在30min时染色效果最佳。

2.3 染液的 pH 值

设定染色温度为 130℃，时间为 30 min，不同染液 pH 值下氨纶的 K／S 值和力学性能如图 8、图 9 所示。实验结果表明，当染液的 pH 值等于 9 时， 染色氨纶的 K／S 值过差并且实际样品已呈粉色，失去原有色泽，所以仅对 pH 值为 4～8 时进行讨论与分析。

由图 8 和图 9 可以看出，分散染料在弱酸性条件下染色性能较好，染液 pH 值在4～7 范围内，氨纶的断裂强力从 33.75 cN 上升至 34.81 cN，而表面色深值 (K／S 值 ) 从 27.47 下降至 22.26，当 pH 值等于 8 时，K／S 值继续下降为 19.44，而断裂强力大幅度下降至 31.65 cN。这是由于聚醚型氨纶的耐酸性较好，而耐碱性很差，在强酸、强碱条件下都会发生不同程度的水解，但最易受碱攻击的氨基甲酸酯基 (—O—CO—NH—) 在碱性条件下会加速水解，降低形成氢键的能力，导致氨纶的染色性能变差。

1. 用分散染料上染氨纶，其最佳工艺条件为：温度 125℃，时间 30～40 min，pH 值为 5～6。

2. 染色温度应控制在 120～130℃区间，小于 120℃时色牢度不够，易脱色；大于 130℃时，表面色深值和色牢度都明显下降，且染色温度越高，氨纶硬链段间氢键化程度越小，硬链段的结晶度越低，对其力学性能和结构造成的损伤越严重。

3. 染色时间一般控制在 30 min，染色时间短， 染料分子与氨纶结合差，色牢度和色深值均不能达到标准，大于 30 min 会造成大分子链的分子间滑脱或化学键断裂严重，氢键化程度下降，结晶度降低， 导致断裂强力降低，染色性能变差。

4. 氨纶纤维的耐酸性较好，耐碱性很差，在染液 pH 值等于 5～6 的弱酸条件下表现出较好的染色性能且对氨纶的力学性能损伤较小。

5. 通过 FTIR 和 XRD 测试方法从氨纶的微观结构分析染色性能，将其与基团氢键进行综合分析， 更加清晰准确地说明染色工艺对氨纶的影响，可保证氨纶染色效果最佳且损伤最小。