第一节 聚酯纤维材料的纺前着色
一、聚酯纤维材料的纺前着色方法
聚酯纤维材料的分子结构决定了其染色困难，人们研究出了很多方法来改进其染色性能，除了常用的织物染色外，还可在纤维纺丝前对其着色，然后直接制成有色纤维。纺前着色涤纶，因其具有较好的色牢度、较少的环境污染、适当的成本、优异的性能价格比等诸多良好的特性而受到重视，成为重点发展的纤维品种之一。涤纶纺前着色的牢度性能远优于浴染，其中包括耐光牢度和耐湿牢度（洗涤、漂白、干洗）。当然，涤纶纺前着色也有许多局限和不足，如其生产项目缺少可变性，换色时清洗设备复杂且费时，废料回收也是不可忽视的问题。
纺前染色的聚酯纤维既可以是短纤维，也可以是长丝。聚酯纤维的纺前染色方法有五种，即聚合加色、切片涂色、色母粒着色、切片染色、熔纺注色。从着色剂加入的时间上可大致区分为缩聚前加入（A、B）和缩聚后（C）加入；缩聚前加入法又可分为酯交换前加入（A）和酯交换后加入（B），即如图9-1所示。
图9-1 缩聚法制备聚酯纤维
缩聚前加入法是将颜料分散在乙二醇中以生产聚酯纤维有色丝，聚合加色属于此法；而缩聚后加入法是将颜料分散于同种或相似的聚合物中做成浓色母体或颜料预分散物以生产聚酯有色丝，切片涂色、母体着色、切片染色、熔纺注色都属于此法。
1.聚合加色
在缩聚阶段加着色剂直接得到有色涤纶树脂切片和有色纤维的着色方法称为聚合加色。也可将聚合加色所生产的有色切片称为全量着色。
聚合加色所用颜（染）料要能承受260～290℃高温并适应压力小于133.322Pa的真空。由于不能影响酯交换和缩聚反应，因此，着色剂的粒径小于1μm，能均匀地分散在聚酯树脂中。聚合加色使用的无机颜料仅有钛白和炭黑，使用的专用染料通常是蒽醌衍生物或含有羧酸和羟烷苯基团的酞菁类。该法成本低，适合于大批量的品种，但更换颜色时清洗比较麻烦。
2.切片涂色
切片涂色即将溶剂染料（颜料型着色剂不宜使用）与无色聚酯切片投放于真空干燥转鼓内，经过充分拌和而使染料包覆于树脂的表面，即可进行高温熔融挤压纺丝。切片涂色可以是聚酯切片单独与染料完成，也可以在石蜡、硅油或硬脂酸镁等黏附剂存在下进行。切片涂色仅适用于在高聚物熔化时可溶解的染料，对不溶性染料不适用，在螺杆挤压纺丝设备中运用的效果要优于熔栅纺丝设备的。该法适于染浅色、中色，若染深色品种易出现色差，且染料直接投放于转鼓内易使转鼓污染。
3.色母粒着色
将色母粒（浓色切片）按一定比例与白色切片混合，然后经高温熔融挤压纺丝生产有色纤维的方法称为色母粒着色，也称浓色体着色。
色母粒即用一种高聚物诸如聚乙烯或低熔点的聚酯生产出含有染料（10%～50%）的有色切片。
色母粒着色的优点是不污染树脂干燥设备和环境，适用于真空干燥转鼓或气流干燥装置，运输储藏方便，比较适合于生产短纤维。其问题在于白色和有色切片可能混合不完全。而干法在纤维中形成均匀的色相，使纺丝不均匀产生鱼眼、疵点，得不到较低特数的复丝，其各项物理性能都不会超过原来的纤维，色牢度低于其他方法生产的有色纤维。
4.切片染色
切片染色是用适当的分散染料或溶剂染料对无色切片先进行染色，再干燥和熔融纺丝。此法需要从染色的涤纶切片中除去水分是相当困难的，而在熔融纺丝时，残余的水分会造成聚酯切片的水解，聚酯切片干燥时分散染料因升华而挥发，用于染色的热氮气和空气会附带染料蒸气而污染其他干燥设备。
5.熔纺注色
在由聚乙烯或涤纶形成粉状或片状的浓色分散体中加入染料，在挤压纺丝设备中，当高浓度分散体熔融并与高聚物熔体混合时，用适当装置进行记录。此法需特殊的喷射设备，能将染料或其高浓分散体加入挤压机。要求着色剂能耐高温，可溶性染料在高温下不升华，与原色母粒相容性好。特点是有色纤维的色泽和强度稳定，不沾污设备和环境。各种纤维皆可生产，是现阶段涤纶原液染色的主要方法。
二、聚酯纤维材料纺前着色剂的选择
聚酯纤维纺前着色的关键是着色剂的选择和加工。着色剂的质量将会直接影响有色聚酯纤维的成品，除耐高温外，还应具有良好的色牢度，包括日晒、皂洗、摩擦、汗渍、氯漂、升华、烟熏及海水渍等。国内外用于涤纶纺前着色的着色剂见表9-1。
表9-1 涤纶纺前着色的着色剂
续表
1.颜料
（1）无机颜料。常用的无机颜料只有钛白和炭黑，前者作纤维的消光剂，后者为黑色着色剂。着色力强，成本低廉，但都必须加工成超细微粒才能使用。其他色彩的无机颜料，如铬黄、镉黄、铁黄、群青、铁蓝、钴蓝等，由于着色力低，色泽不鲜艳而应用不多。
（2）有机颜料。用于聚酯纤维原液着色的有机颜料要耐高温，在聚酯树脂中呈分散状态，粒径在0.5μm，在聚酯树脂中有一定的浸润性，颜料分子有足够的亲酯性基团。目前适用于此的有机颜料的化学结构主要是酞菁、喹吖啶、蒽醌、苝系、异吲哚啉、二
嗪、硫靛等。比较适用的品种有Poliotol黄L-0960、Hostaperm橙GR、Hostaperm粉红E、Novoperm红BL、Sandofil猩红4RF、Filester枣红RA、喹吖啶酮红、永固紫RL、酞菁蓝、酞菁绿G以及C.I.颜料黄147、192，C.I.颜料橙68，C.I.颜料红214等。
2.染料
常用染料有溶剂染料和分散染料两类，可直接溶解于聚合物中，要求耐300℃高温，色牢度优良，不分解、不升华，能与聚酯树脂相溶于一体，具有很好的酯溶性。染料不存在细度问题，只要严格控制内在的机械杂质即可。
溶剂染料按其在不同有机溶剂中的溶解性分为三种，即油溶性、醇溶性和酯溶性。酯溶性染料在大多数有机溶剂中的溶解度很小，用于树脂等着色，其结构有偶氮系、次甲基系、酞菁系、蒽醌系、呫吨系、喹酞酮系，用于聚酯原液着色的都属于此类。常用的溶剂染料有如下几种。
C.I.溶剂黄16、56、93、130、160、163；
C.I.溶剂紫8、9、13、36；
C.I.溶剂红45、52、111、135、179、230；
C.I.溶剂蓝4、5、6、35、36、38、59、78、97、104；
C.I.溶剂绿3、5、28；
C.I.溶剂橙60、63；
C.I.溶剂黑3等。
分散染料中有一些升华牢度和耐热性很好的品种也可作为可溶性染料使用，它们的结构特征与上述溶剂染料并无太大区别。能用于聚酯原液着色的分散染料有以下几种。
C.I.分散黄201、64、54；
C.I.分散橙47、32；
C.I.分散紫31、26；
C.I.分散红60、86；
Polysynthren蓝R、绿G、红G、3G、BB、GG、黄R、3G、GG、棕R；
Endegal蓝R、B、橙J、红TR、J、金黄RS；
Filester蓝GN、2RA、红GA；
Estofilo黄S-5GL、金黄S-GR、红S-GFP、红S-FBL、紫S-4RL、蓝S-RBL、蓝S-RLS、蓝S-FGL、蓝S-8MB、绿S-3GL、棕S-RL、棕S-FGL等。
3.色母粒
颜料和可溶于聚合物的染料都是粉末状，若通过辊磨或热扩散法添加到聚酯树脂上，则不能解决连续纺丝的问题；而且这些粉状染料、颜料浓度高，若处理不当，还会影响熔融纺丝液的着色均匀性，对聚酯的进一步加工产生明显的副作用；另外，这些粉末着色剂会明显污染设备。聚酯色母粒就是为了克服上述不足而开发的粒状着色剂。
色母粒通常由染料或颜料与载体组成，而聚酯色母料的载体则需具备五个条件：一是载体是一种可纺的聚酯树脂或共聚物，纺丝性和软化点与普通聚酯纤维的相似或相同；二是载体具有高的染料吸收能力和尽量高的颜料吸着率，即染色性好；三是载体熔体黏度适当，保证产品良好的物理力学性能；四是载体在某些溶剂中的溶解性好；五是载体与染料及聚酯的相容性好，有利于染料的均匀分散。一般采用三元共聚树脂为载体树脂，其组成为：对苯二甲酸二元醇酯、间苯二甲酸三元醇酯、对苯二甲酸多元醇酯，这三种单体以一定的比例，在钛系催化剂和磷酸酯类的有机化合物为稳定剂的作用下进行共缩聚。国内外涤纶色母粒品种见表9-2。
表9-2 部分品牌涤纶色母粒品种
4.色粉
瑞士山德士（Sandoz）公司的涤纶原液着色剂基本上都是色粉。即将色母粒粉碎成粉末状。粉碎加工可在零下80℃于特种万能磨粉机中进行，冷却方法采用干冷，粉碎温度不宜太高，否则会使涤纶树脂或共聚物软化黏结；另一种制造色粉的常用方法是把上述颜料和染料与零下80℃粉碎的涤纶树脂或共聚物的粉末填充剂充分混合，其中颜（染）料的含量为30%～40%。Estofil染料就属于后一种色粉着色剂。色粉与色母粒相比有粉尘飞扬和劳动保护的问题。
各种Estofil着色剂见表9-3，国内上海染化十厂也开发了9种聚酯色粉，即涤黄8201、8203、8207，涤橙8201，涤红8201、8206，涤紫8201，涤蓝8201，涤绿820l。
表9-3 各种Estofil着色剂品种
5.色浆
涤纶原液染色色浆即 EG着色剂，是将颜料分散在乙二醇中的浆状物。大日精化的EG着色剂商品的物理性质见表9-4。
表9-4 大日精化的EG着色剂商品的物理性质
6.液状着色剂
液状着色剂是以有一定酸价和黏度的液体聚酯为溶剂与前述染（颜）料组成。而液体聚酯则由脂肪族饱和或不饱和的一元酸或二元酸（如大豆油脂肪酸、己二酸、对苯二甲酸、邻苯二甲酸等）、多元醇（如1，3-丁二醇、正戊二醇、甘油）等合成，这种液状聚酯在200℃的蒸汽压力小于1333.22Pa条件下合成后，可简单地借助减压蒸馏把未反应物与低沸点生成物除去。精制的液状聚酯可避免纺丝时产生发泡而影响丝的质量，在纺丝温度（270℃以上）下不分解变质。在常温下，黏度为1500Pa·s时仍有流动性，有助于染（颜）料的分散。选择合适的酸和醇组成的液状聚酯黏度小于200Pa·s，可制成浓度为25%～35%的液状着色剂。液状聚酯与纺丝聚酯的相容性好，不影响透明性和纺丝性，不降低丝的物理性能。
三、聚酯纤维材料纺前着色工艺
我国生产聚酯纺前着色纤维多采用注射法，采用的着色剂以色粉、色母粒为主，两者各占50%。一般情况下，两者纤维质量无大差异，使用色母粒生产管理易于进行，生产过程中几乎无粉尘产生，更换颜色简单，无须清洗设备，但使用色母粒生产成本要比使用色粉高20%左右。
1.工艺流程
纺前注射法是指在原有纺丝机上螺杆进料处增设失重加料器，定量地连续向螺杆挤出机进料口注入染料。染料与切片由螺杆机混合，熔融后，经计量泵喷丝板制得各种不同要求的有色纤维。
2.原料
（1）切片。采用的切片有国产的，也有进口的，需根据不同的品种要求和纺丝质量选用。切片分为有光切片、半消光切片，熔点为258～265℃，特性黏度为0.645～0.67dL/g，凝聚粒子（直径＞10μm）含量为0.1～0.25个/mg，水分含量为0.1%～0.18%。
（2）着色剂。使用的着色剂采用色粉着色的多采用山道士公司的Estofil PES系列染料，其用量和性能参见表9-5。该着色剂一般含水0.2%，不易吸湿结块，使用前不必烘干。但当夏季相对湿度较大时，染料会吸收一定的水分，严重时也会造成纺丝不正常，此时可在100℃下干燥2h，并在储存中注意防潮。
表9-5 Estofil PES系列着色剂用量和性能
续表
Estofil S系列着色剂可与涤纶熔体融为一体，呈均匀相，故不影响过滤，也不会使纺丝熔体凝聚，其熔点见表9-6。
表9-6 Estofil S系列着色剂的熔点
采用色母粒着色时，大多采用国产涤纶色母粒，也有采用进口色母粒，如大日精化的PESM，其对涤纶的质量比为2%～10%，如果少于2%则会影响着色纤维的色泽均匀度，部分PESM应用浓度见表9-7。
表9-7 PESM应用浓度
