紡絲級特種炭黑在合成纖維中的應用

原液著色纖維——名副其實的綠色纖維

我國是世界最大的化纖生產國和消費國，巨大的市場需求和生產規模呼吁更加清潔、環保和高效節能的制造方式 。化纖 “原液著色”技術，是將著色劑在紡絲前以母粒或其他形式加入到紡絲中而制得有色纖維的方法，不需要后道印染 。相比于傳統印染，原液著色具有以下優勢：一是環境友好無污染。原液著色所用著色劑不含禁用化學結構和有害成分 ，對環境友好，對人體不造成傷害，不產生廢氣廢水廢渣，原料利用率為100%。二是具有成本優勢，因為無廢水生產，省去了污水處理等費用，原液著色的成本是印染成本的一半左右。三是低能耗。原液著色僅在母粒加工制造和化纖使用中消耗電能，比印染更為節能。

在消費升級的大趨勢下，特別是經過這次新冠肺炎的考驗人們更加意識到綠色、健康和安全的重要性和緊迫性。治污染、保護生態環境是當前我國經濟社會發展的重要攻堅任務，也是紡織行業轉型升級的重要著力點，建設責任關懷的綠色產業是紡織行業的一個新定位。“原液著色”纖維和生物基纖維、循環再利用化學纖維并稱為“綠色纖維”領域的重要創新成果，成為化纖行業的流行趨勢。此時代背景下，原液著色纖維因為其“綠色纖維”的屬性被應用在服裝，車用紡織品，戶外紡織品和家紡等領域。

據報道，2017年我國原液著色纖維產量就已達到500多萬噸，其中黑色纖維的產量達到300萬噸以上，炭黑作為黑色顏料成為原液著色技術最重要的著色劑。卡博特公司作為一家世界級炭黑生產企業，一直扎根中國，踐行環保理念，并將其作為企業的社會責任。公司以亞太技術中心ATC為創新平臺，與客戶合作，突破原液著色技術瓶頸，為環保綠色貢獻力量。

炭黑在“原液著色”纖維中的作用

如下圖所示，炭黑一般以母粒的形式通過熔融紡絲制備成織物。在此過程中，炭黑的正確選擇對化纖的最終性能有非常重要的影響，在此重點對炭黑對化纖顏色，可紡性和組件使用壽命等大家所關心的問題展開了討論。

炭黑對纖維著色的影響

大家知道炭黑是一種用途廣泛的黑色顏料。有沒有想過一個問題，炭黑為什么是黑色的?首先來解釋下物體為什么呈現黑色。我們知道彩色是由于吸收特定波長可見光而呈現出互補色，而黑色卻不同，物體要呈現黑色必須吸收所有可見光的波段。如圖3所示，只有物體表面反射率小于1%時，物體呈現黑色。

再來看一下炭黑的基本構成。上圖是炭黑高分辨TEM照片，實際上炭黑的初級顆粒都是由許多石墨層組成的。而石墨結構的電子性質決定了它的吸光性能。石墨結構的電子帶隙能量非常低，幾乎為零。因為這種帶隙結構，石墨中鍵帶和反鍵帶之間的能量差非常小，這保證了非常低能量的電子激發也可以被吸。這就是為什么炭黑可以吸收波長210nm到遠紅外波段的原因，換句話說它能吸收6 eV (210 nm) 到小于0.5 eV (2.5 μm) 的電子能量。所以，炭黑的吸光范圍甚至可以到紅外區外。接下來還再來討論一下炭黑顆粒的大小及分散性對顏色的影響。

眾所周知，炭黑附聚體是炭黑使用的最小粒徑，其大小與炭黑的比表面積成反比，炭黑顆粒越小比表面積越大，炭黑通常的聚集體尺寸在100nm到300nm，在保證分散條件一致的情況下，越小的炭黑的聚集體尺寸帶來更高的黑度。舉個簡單的例子，假定有兩種炭黑其大小有差異而形狀均接近于圓球。假設其中一個聚集體的半徑是30nm，而另一個則為100nm，通過計算可以知道，這種粒子的比表面積差異達到了11倍(R2/R1)2，而在相同添加量下，小顆粒炭黑的所占體積分數是另一種炭黑的37倍，也就是說其總的投影面積將是大顆粒炭黑的3.4倍，理論上吸光效率是其3.4倍。這里面的假定條件是兩種炭黑具有相同的分散性，然而事實上炭黑聚集體越小，需要的分散的能量就越高，越難分散。炭黑分散性對于顏色的展現至關重要。如下圖所示，這是卡博特紡絲級炭黑BP5560在滌綸里的電鏡照片(放大5000倍)，從圖中可以看出， BP5560具有非常小的粒徑，并且具有非常優異的分散性，其分散尺寸與BP5560聚集體尺寸幾乎相當，達到~100-150nm范圍，因此BP5560成為市面上最受歡迎的紡絲級炭黑之一。

化纖的顏色最終體現是炭黑與高分子材料的相互作用上，必須考慮高分子材料的特性。以滌綸PET為例，PET是一種半結晶材料，通常認為它可以分為兩相：結晶相和非晶相。然而，越來越多的研究表明PET材料的非晶相又可以分為移動非晶相和剛性非晶相。剛性非晶相被定義為一個薄的非晶層，具有部分有序性，而移動非晶相與大塊的非晶材料有關。在非均質的物質里，會產生雙折射現象，滌綸本身是一種雙折射系數很高的材料。炭黑的加入，會影響PET分子鏈的取向與結晶，特別是當炭黑的體積分數增加時，對雙折射現象的影響更為顯著。

化纖具有非常高的長徑比，其單絲直徑通常在10 μm ~30 μm，這種亞微米尺寸決定了纖維對光線的反射與散射有很強的作用。炭黑的加入，實際上增加了內部的界面效應，使得對化纖顏色預測更加復雜。這種界面效應還跟織物的構造有關，不同的構造方式會影響光在空氣/化纖界面上的散射。只有通過精確而詳實的應用測試，才能得到炭黑對化纖顏色的影響情況，建立相對可靠的預測公式。另外， 紡絲工藝對于化纖顏色有顯著效應，比如DTY加彈工藝能影響化纖表面的粗糙度，進而影響炭黑對光的吸收;同樣的道理，化纖的截面形狀的改變會顯著影響炭黑對光的吸收。原液著色法制備的化纖取代傳統“印染染色”的進程中，需要行業內上下游的共同努力。