超高分子量聚乙烯纖維染色研究進展

閆金龍 張麗平 王曉春 趙國樑

摘要：本文以超高分子量聚乙烯（UHMWPE）纖維為對象，針對UHMWPE纖維結晶度極高、缺乏染色基團的難題，從原液著色法、常規染料染色法、特定染料結構開發、特殊染色工藝等方面著重介紹了目前國內外對UHMWPE纖維染色的研究進展。

關鍵詞：超高分子量聚乙烯；原液著色；染色工藝；染料

中圖分類號：TS193.8 文獻標志碼：A

Research Progress in Dyeing Process of UHMWPE Fiber

Abstract： Due to its high degree of crystallinity and the lack of reactive groups， the dyeing property of UHMWPE fiber was poor. The research progress in dyeing of UHMWPE fiber was summarized from the liquid coloring method， a conventional dyeing method， the development of specific structure dye method and the special dyeing method.

Key words： ultra high molecular weight polyethylene； dope dyeing； dyeing process； dyes

超高分子量聚乙烯（UHMWPE）纖維是分子量在100萬 ～ 500萬的線型結構聚乙烯，是世界上繼碳纖維、芳綸纖維之后，出現的第三代高強、高模、高科技的特種纖維。雖然UHMWPE纖維與普通聚乙烯纖維的主鏈結構相同，但是極高的分子量賦予了UHMWPE纖維穩定性好，耐磨擦，耐切割，耐化學腐蝕，高結晶度，高防水性，抗沖擊以及表面光滑，質輕、柔軟等優良特性。

隨著應用領域的拓寬，市場對有色UHMWPE纖維的需求日益提升，但是由于UHMWPE纖維分子結構及特性的影響，常規纖維染色方法對UHMWPE纖維都不適用，導致色彩制約問題日益突出，研制有色UHMWPE纖維成為重要課題，本文針對UHMWPE纖維染色的研究進展進行闡述。

1 UHMWPE纖維的原液著色

目前，制備UHMWPE纖維常采用凝膠-超拉伸紡絲法，其基本工藝步驟為：溶解超高分子量聚乙烯→制備凝膠狀溶液→制備凍膠紡絲→制備超高分子量聚乙烯纖維。而原液著色方法就是在紡絲前將凝膠紡絲液著色，然后紡絲得到有色UHMWPE纖維。原液著色法是目前著色UHMWPE纖維應用最廣泛的方法。

寧波大成新材料股份有限公司以超高分子量聚乙烯樹脂為主體，與有機顏料色粉及添加劑混合，制備有色樹脂混合料，然后對其進行熔融擠壓，制成色母粒，再將色母粒磨成均勻粉狀，即得UHMWPE紡絲專用色母粒，進行后續紡絲獲得有色UHMWPE纖維。

劍喬科技江蘇有限公司將顏料與低分子量聚乙烯混合后，加入到主雙螺桿制備的UHMWPE溶液中，在流經噴絲孔時，由于其黏度較低，故自發性向纖維表面遷移，形成顏料含量由纖維表面向中心遞減的梯度結構的凝膠纖維，再經后續處理得到顏料含量梯度分布的成品纖維。

運用顏料直接與溶劑混合很難配制特別均一的染液，故常熟繡珀纖維有限公司將納米級有機雜環顏料與UHMWPE粉末混合，經加工得到有色紡絲原液，再進行后續熱拉伸等步驟可得到有色UHMWPE纖維。

荷蘭帝斯曼公司同樣采用原液染色法對UHMWPE纖維進行著色，該公司將超高分子量聚乙烯溶于十氫化萘后與再與顏料混合配制成有色紡絲液，經噴絲孔噴出得到有色初始紡絲束，然后進行冷卻、拉伸等步驟即完成有色UHMWPE纖維的生產。

2 UHMWPE纖維的常規染色

用染料給纖維直接染色是最簡便、快捷的著色方法，但是UHMWPE纖維的大分子鏈中僅含有C—C和C—H兩種基團，不存在其他極性官能團，且纖維的極端疏水性和高水平結晶性，使一般的染料及染色工藝無法對其著色。為突破這一瓶頸，很多研究者通過以UHMWPE纖維初生絲為對象、改變工藝條件等方法改善UHMWPE纖維的染色。

黑龍江金源侖特種纖維有限公司在UHMWPE纖維初生絲階段，即還未牽伸形成高取向、高結晶的分子鏈段前，用染色載體、染料和滲乳劑等配制成染液噴涂到UHMWPE纖維的初始紡絲束上，再經后續高溫拉伸等工藝處理得到有色纖維，經檢測纖維斷裂強度達到30 cN/dtex，模量在1 100 g/D以上。

紹興金漁紡織新技術有限公司利用分散染料或酸性染料借助勻染劑和導染劑著色預處理后的纖維，著色結束后將染液迅速排掉，再注入冷凍水處理后完成染色，可進行后處理。

杭州祥盛高強纖維材料股份有限公司采用雙溫載體染色法對UHMWPE纖維進行著色。首先用甲基萘系與鄰苯基苯酚系染色載體、分散劑、勻染劑及水配成染液，再進行雙溫染色，就可制得所需顏色的UHMWPE纖維。

另外，北京同益中特種纖維技術開發有限公司和中紡投資發展股份有限公司聯合開發了一種通過控制染色溫度來著色UHMWPE纖維的方法，即將凈化處理后的UHMWPE松式筒紗放入緩沖液中浸浴，并開始升溫至133 ℃，在此過程中需要進行多次控溫染色過程。染色結束后通過后處理，即得到成品的染色超高分子量聚乙烯纖維。

3 合成特定結構染料

盡管染色工作者在UHMWPE纖維上進行了大量的傳統染色方法試驗。其中也有一些染料具有一定的染色性能，但終因染料色譜不全、各項色牢度不理想等原因而無法工業化應用。為此，韓國慶北國立大學Taekyeong Kim等學者根據“相似相溶”原理，用疏水性的不同長度的烷基鏈作為取代基合成某些結構簡單的偶氮型和蒽醌型分散染料（表 1）并用于UHMWPE纖維著色試驗。

研究發現，特定結構染料可顯著提高UHMWPE纖維得色，其中丁基取代黃色偶氮染料的K/S值可達17.60，且所染織物的其他各項牢度良好。合成含雜原子的紫色染料中含氯原子的染料染UHMWPE纖維后染色K/S值較高，耐光色牢度為 3 級。

4 特殊染色工藝

為了克服超高分量聚乙烯纖維因結晶度極高、無活性基團的而難以染色的缺陷，染整工作者尋求各種特殊的染色設備以期能夠有所突破。

江蘇鏹尼瑪新材料有限公司將超臨界二氧化碳工藝運用到纖維染色中，該方法是將UHMWPE纖維干膠絲放入高壓染色艙內，然后將二氧化碳氣體加熱加壓到超臨界狀態，運用二氧化碳超臨界流體溶解染料后，將染料送至高壓染色艙內與UHMWPE纖維干膠絲進行接觸，給UHMWPE纖維進行染色，染色后的纖維干膠絲再進行超倍熱牽伸等工藝即可得到有色超分子量聚乙烯纖維。根據纖維低倍熱牽伸的倍數不同，超高分子量聚乙烯干膠絲的結晶度與以強力也有所不同，當熱牽伸倍數為 2 時，結晶度與比強力最大分別達到65%和20 cN/dtex。此外歐洲專利EP 0873445中，帝斯曼公司也采用超臨界法染色UHMWPE纖維。

東華大學有學者利用超聲波裝置進行染色實驗，首先將染料或顏料粉末與溶劑混合并攪拌，同時進行超聲波振動，以獲得均勻的染色浴液；提取干燥的超高分子量聚乙烯凝膠纖維，將其放到染色浴液中，并進行超聲波振動，取出后干燥，進行35倍拉伸即可得到強度為28.5 cN/dtex的有色UHMWPE纖維。

5 纖維改性染色

帝斯曼公司發明了增強UHMWPE纖維制品顏色強度的方法。主要步驟是在凝膠紡絲前或紡絲中加入顏色增強劑（由玻璃、礦物、金屬或碳纖維制成）然后在紡絲前、紡絲中或者紡絲后對該纖維進行著色。這種顏色增強劑在細玻璃纖維或礦物纖維上應用效果良好。故該研究是通過纖維的共混改性以提高其著色效果。研究結果表明顏色強度（K/S值）最大可達到6.1，且織物的色牢度根據EN ISO標準除有機溶劑（干洗）色牢度外均可達 4 級以上。

目前生產UHMWPE纖維均采用凝膠紡絲法，而日本東洋紡織株式會社采用熔融紡絲法紡出強力要求不高，只滿足耐切割性能即可的高性能聚乙烯纖維，并對纖維進行染色，且測試的各項牢度均可達到 3 級以上。

6 結束語

UHMWPE纖維作為高性能纖維，對其進一步開發和研究，具有非常重要的現實意義。目前超高分子量聚乙烯纖維的工業化染色工藝，大多集中在原液著色方向，雖然可生產有色纖維，但仍然不盡如人意。為更好地推動這一纖維的發展，需要研究更加簡便、快捷、不損害纖維特性的工業化染色工藝，使其應用領域更加廣泛，實現更多的經濟效益和社會效益。

參考文獻

[1] 化百南. 超高分子量聚乙烯的特性及其應用[J]. 四川化工，2003，7（1）：27-29.

[2] 袁俊霞. 超高分子量聚乙烯的性能、改性及應用[J]. 化工新型材料，2003，31（3）：19-21.

[3] 杭州翔盛高強纖維材料股份有限公司. 一種超高分子量聚乙烯纖維有機顏料分散錨固原液著色方法：中國專利，CN103572397A[P]. 2014-02-12.

[4] 寧波大成新材料股份有限公司. 超高分子量聚乙烯紡絲專用色母料的制備方法：中國專利，CN102875881A[P]. 2013-01-16.

[5] Gu Q，Wang Z B，Wang J，Wang L P. Preparation method for ultra-high molecular weight polyethylene colored fibers：Espacenet，CN103866416A[P]. 2014.

[6] Xu H X，Liu Z F，Li Z G，et al. Method for preparing ultrahigh molecular weight polyethylene（UHMWPE）colored fibre：Espacenet，CN102199805A[P]. 2011.

[7] Simmelink Joseph Arnold Paul Maria，Claudia Maria Vaz. COLORED SUTURE：Espacenet，EP2158344（A1）[P]. 2010.

[8] 黑龍江金源侖特種纖維有限公司. 一種有色超高分子量聚乙烯纖維的制備方法：中國專利，CN103422195A[P]. 2013-12-04.

[9] 紹興金漁紡織新技術有限公司. 有色超高分子量聚乙烯纖維的制備方法：中國專利，CN103046403A[P]. 2013-04-17.

[10] 杭州祥盛高強纖維材料股份有限公司. 一種超高分子量聚乙烯纖維染色裝置及其方法：中國專利，CN102953186A[P]. 2013-03-06.

[11] 北京同益中特種纖維技術開發有限公司，中紡投資發展股份有限公司. 一種超高分子量聚乙烯纖維的染色方法：中國專利，CN103711007A[P]. 2014-04-09.

[12] Kim T K，Jeon S H，Kwak D S，et al. Coloration of ultra high molecular weight polyethylene fibers using alkyl-substituted anthraquinoid blue dyes[J]. 2012，13（2）：212-216.

[13] Kim T K，Jeon S H. Coloration of ultra high molecular weight polyethylene fibers using alkyl-substituted monoazo yellow and red dyes[J]. Fibers and Polymers，2013，14（1）：105-109.

[14] Kim T K，Chae Y. Synthesis and application of novel high light fastness red dyes for ultra high molecular weight polyethylene fibers[J]. Fibers and Polymers，2014，15（2）：248-253.[15] Bae J S，Kim T K，Lee C W. Synthesis of novel violet dyes for polyolefin fibers using N， N-dihexyl-2-methoxy-5-methylaniline and various diazo components[J]. Fibers and Polymers，2014，15（12）：2466-2471.

[16] 江蘇鏹尼瑪新材料有限公司. 超高分子量聚乙烯有色纖維的生產方法：中國專利，CN102587060A[P]. 2012.

[17] DSM N.V.. Process for dyeing of highly oriented highmolecularweight polyethylene moulded articles：Espacenet，EP0873445（B1）[P]. 2001.

[18] Yu J R，Hu Z M，Zhu J，et al. Preparation method of colored polyethylene fiber with ultrahigh relative molecular mass：Espacenet，CN103590128（A）[P]. 2014.

[19] 帝斯曼知識產權資產管理有限公司. 增強UHMWPE制品的著色的方法、經著色的制品和包含該制品的產品：中國專利，CN104136667A[P]. 2014.

[20] TOYOBO CO. LTD. Highly functional polyethylene fiber， and dyed highly functional polyethylene fiber：Espacenet，EP2682504（A1）[P]. 2014.