超高分子量聚乙烯纤维染色研究进展

摘要：本文以超高分子量聚乙烯（UHMWPE）纤维为对象，针对UHMWPE纤维结晶度极高、缺乏染色基团的难题，从原液着色法、常规染料染色法、特定染料结构开发、特殊染色工艺等方面着重介绍了目前国内外对UHMWPE纤维染色的研究进展。

关键词：超高分子量聚乙烯；原液着色；染色工艺；染料

中图分类号：TS193.8 文献标志码：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）纤维是分子量在100万 ～ 500万的线型结构聚乙烯，是世界上继碳纤维、芳纶纤维之后，出现的第三代高强、高模、高科技的特种纤维。虽然UHMWPE纤维与普通聚乙烯纤维的主链结构相同，但是极高的分子量赋予了UHMWPE纤维稳定性好，耐磨擦，耐切割，耐化学腐蚀，高结晶度，高防水性，抗冲击以及表面光滑，质轻、柔软等优良特性。

随着应用领域的拓宽，市场对有色UHMWPE纤维的需求日益提升，但是由于UHMWPE纤维分子结构及特性的影响，常规纤维染色方法对UHMWPE纤维都不适用，导致色彩制约问题日益突出，研制有色UHMWPE纤维成为重要课题，本文针对UHMWPE纤维染色的研究进展进行阐述。

1 UHMWPE纤维的原液着色

目前，制备UHMWPE纤维常采用凝胶-超拉伸纺丝法，其基本工艺步骤为：溶解超高分子量聚乙烯制备凝胶状溶液制备冻胶纺丝制备超高分子量聚乙烯纤维。而原液着色方法就是在纺丝前将凝胶纺丝液着色，然后纺丝得到有色UHMWPE纤维。原液着色法是目前着色UHMWPE纤维应用最广泛的方法。

宁波大成新材料股份有限公司以超高分子量聚乙烯树脂为主体，与有机颜料色粉及添加剂混合，制备有色树脂混合料，然后对其进行熔融挤压，制成色母粒，再将色母粒磨成均匀粉状，即得UHMWPE纺丝专用色母粒，进行后续纺丝获得有色UHMWPE纤维。

剑乔科技江苏有限公司将颜料与低分子量聚乙烯混合后，加入到主双螺杆制备的UHMWPE溶液中，在流经喷丝孔时，由于其黏度较低，故自发性向纤维表面迁移，形成颜料含量由纤维表面向中心递减的梯度结构的凝胶纤维，再经后续处理得到颜料含量梯度分布的成品纤维。

运用颜料直接与溶剂混合很难配制特别均一的染液，故常熟绣珀纤维有限公司将纳米级有机杂环颜料与UHMWPE粉末混合，经加工得到有色纺丝原液，再进行后续热拉伸等步骤可得到有色UHMWPE纤维。

荷兰帝斯曼公司同样采用原液染色法对UHMWPE纤维进行着色，该公司将超高分子量聚乙烯溶于十氢化萘后与再与颜料混合配制成有色纺丝液，经喷丝孔喷出得到有色初始纺丝束，然后进行冷却、拉伸等步骤即完成有色UHMWPE纤维的生产。

2 UHMWPE纤维的常规染色

用染料给纤维直接染色是最简便、快捷的着色方法，但是UHMWPE纤维的大分子链中仅含有C―C和C―H两种基团，不存在其他极性官能团，且纤维的极端疏水性和高水平结晶性，使一般的染料及染色工艺无法对其着色。为突破这一瓶颈，很多研究者通过以UHMWPE纤维初生丝为对象、改变工艺条件等方法改善UHMWPE纤维的染色。

黑龙江金源仑特种纤维有限公司在UHMWPE纤维初生丝阶段，即还未牵伸形成高取向、高结晶的分子链段前，用染色载体、染料和渗乳剂等配制成染液喷涂到UHMWPE纤维的初始纺丝束上，再经后续高温拉伸等工艺处理得到有色纤维，经检测纤维断裂强度达到30 cN/dtex，模量在1 100 g/D以上。

绍兴金渔纺织新技术有限公司利用分散染料或酸性染料借助匀染剂和导染剂着色预处理后的纤维，着色结束后将染液迅速排掉，再注入冷冻水处理后完成染色，可进行后处理。

杭州祥盛高强纤维材料股份有限公司采用双温载体染色法对UHMWPE纤维进行着色。首先用甲基萘系与邻苯基苯酚系染色载体、分散剂、匀染剂及水配成染液，再进行双温染色，就可制得所需颜色的UHMWPE纤维。

另外，北京同益种纤维技术开发有限公司和中纺投资发展股份有限公司联合开发了一种通过控制染色温度来着色UHMWPE纤维的方法，即将净化处理后的UHMWPE松式筒纱放入缓冲液中浸浴，并开始升温至133 ℃，在此过程中需要进行多次控温染色过程。染色结束后通过后处理，即得到成品的染色超高分子量聚乙烯纤维。

3 合成特定结构染料

尽管染色工作者在UHMWPE纤维上进行了大量的传统染色方法试验。其中也有一些染料具有一定的染色性能，但终因染料色谱不全、各项色牢度不理想等原因而无法工业化应用。为此，韩国庆北国立大学Taekyeong Kim等学者根据“相似相溶”原理，用疏水性的不同长度的烷基链作为取代基合成某些结构简单的偶氮型和蒽醌型分散染料（表 1）并用于UHMWPE纤维着色试验。

研究发现，特定结构染料可显著提高UHMWPE纤维得色，其中丁基取代黄色偶氮染料的K/S值可达17.60，且所染织物的其他各项牢度良好。合成含杂原子的紫色染料中含氯原子的染料染UHMWPE纤维后染色K/S值较高，耐光色牢度为 3 级。

4 特殊染色工艺

为了克服超高分量聚乙烯纤维因结晶度极高、无活性基团的而难以染色的缺陷，染整工作者寻求各种特殊的染色设备以期能够有所突破。

江苏镪尼玛新材料有限公司将超临界二氧化碳工艺运用到纤维染色中，该方法是将UHMWPE纤维干胶丝放入高压染色舱内，然后将二氧化碳气体加热加压到超临界状态，运用二氧化碳超临界流体溶解染料后，将染料送至高压染色舱内与UHMWPE纤维干胶丝进行接触，给UHMWPE纤维进行染色，染色后的纤维干胶丝再进行超倍热牵伸等工艺即可得到有色超分子量聚乙烯纤维。根据纤维低倍热牵伸的倍数不同，超高分子量聚乙烯干胶丝的结晶度与以强力也有所不同，当热牵伸倍数为 2 时，结晶度与比强力最大分别达到65%和20 cN/dtex。此外欧洲专利EP 0873445中，帝斯曼公司也采用超临界法染色UHMWPE纤维。

东华大学有学者利用超声波装置进行染色实验，首先将染料或颜料粉末与溶剂混合并搅拌，同时进行超声波振动，以获得均匀的染色浴液；提取干燥的超高分子量聚乙烯凝胶纤维，将其放到染色浴液中，并进行超声波振动，取出后干燥，进行35倍拉伸即可得到强度为28.5 cN/dtex的有色UHMWPE纤维。

5 纤维改性染色

帝斯曼公司发明了增强UHMWPE纤维制品颜色强度的方法。主要步骤是在凝胶纺丝前或纺丝中加入颜色增强剂（由玻璃、矿物、金属或碳纤维制成）然后在纺丝前、纺丝中或者纺丝后对该纤维进行着色。这种颜色增强剂在细玻璃纤维或矿物纤维上应用效果良好。故该研究是通过纤维的共混改性以提高其着色效果。研究结果表明颜色强度（K/S值）最大可达到6.1，且织物的色牢度根据EN ISO标准除有机溶剂（干洗）色牢度外均可达 4 级以上。

目前生产UHMWPE纤维均采用凝胶纺丝法，而日本东洋纺织株式会社采用熔融纺丝法纺出强力要求不高，只满足耐切割性能即可的高性能聚乙烯纤维，并对纤维进行染色，且测试的各项牢度均可达到 3 级以上。

6 结束语

UHMWPE纤维作为高性能纤维，对其进一步开发和研究，具有非常重要的现实意义。目前超高分子量聚乙烯纤维的工业化染色工艺，大多集中在原液着色方向，虽然可生产有色纤维，但仍然不尽如人意。为更好地推动这一纤维的发展，需要研究更加简便、快捷、不损害纤维特性的工业化染色工艺，使其应用领域更加广泛，实现更多的经济效益和社会效益。

参考文献

[1] 化百南. 超高分子量聚乙烯的特性及其应用[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、改性及应用[J]. 化工新型材料，2003，31（3）：19-21.

[3] 杭州翔盛高强纤维材料股份有限公司. 一种超高分子量聚乙烯纤维有机颜料分散锚固原液着色方法：中国专利，CN103572397A[P]. 2014-02-12.

[4] 宁波大成新材料股份有限公司. 超高分子量聚乙烯纺丝专用色母料的制备方法：中国专利，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] 黑龙江金源仑特种纤维有限公司. 一种有色超高分子量聚乙烯纤维的制备方法：中国专利，CN103422195A[P]. 2013-12-04.

[9] 绍兴金渔纺织新技术有限公司. 有色超高分子量聚乙烯纤维的制备方法：中国专利，CN103046403A[P]. 2013-04-17.

[10] 杭州祥盛高强纤维材料股份有限公司. 一种超高分子量聚乙烯纤维染色装置及其方法：中国专利，CN102953186A[P]. 2013-03-06.

[11] 北京同益种纤维技术开发有限公司，中纺投资发展股份有限公司. 一种超高分子量聚乙烯纤维的染色方法：中国专利，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.