论文总字数：14987字

摘 要

UHMWPE纤维是三大特种纤维之一，这种纤维强度高，耐腐蚀性耐酸性防切割性以及润滑性优异，适合用于航天航空﹑野外越野装备﹑医疗设备﹑渔网等制造领域。但是UHMWPE纤维也存在许多不足和缺陷，例如：因为分子呈简单长链且缺少极性基团而导致纤维表面不容易发生反应，造成后续染色加工困难；耐热性较差，不能在高温条件下加工该纤维等。

随着UHMWPE纤维的应用越发广泛，许多UHMWPE纤维制品已经走进了我们的生活，但是因为其分子结构导致的表面化学惰性，使得UHMWPE纤维染色困难，难以采用常规染色方法染色。这次实验正是为了探索颜料乳液在UHMWPE纤维中的染色性能，找到一种适合UHMWPE纤维染色的常规染色方法。实验中我们选用分子量为250万以上，面密度为600g/m²的UHMWPE，用偶氮红PR170﹑钛菁蓝PB15:0和钛菁绿PG7对该纤维进行染色实验，并且测量所得样布的K/S值，分析出适合UHMWPE纤维的染色条件，得出结论，UHMWPE纤维在温度为130℃，染色时间为240min，着色剂浓度为4%条件下上染效果最佳。

关键词：颜料乳液 超高分子量聚乙烯 染色性能

Study on Dyeing Properties of Pigment Emulsion in Ultra High Molecular Weight Polyethylene

Abstract

Ultra-high molecular weight polyethylene fiber is one of the three special fibers,with high strength,good corrosion resistance,acid resistance,cut resistance and lubricity.It is suitable for aerospace,wild off-road equipment,medical equipment,fishing nets.And other manufacturing areas.However,UHMWPE fiber also has many shortcomings and defects.For example,because the molecule is simple and long-chain and lacks polar groups,the surface of the fiber is not easy to react,which makes the subsequent dyeing process difficult;the heat resistance is poor,and it cannot be under high temperature conditions.Processing the fiber or the like.

With the increasing use of UHMWPE fibers, many UHMWPE fiber products have entered our lives, but because of the chemical inertness of the surface caused by its molecular structure, UHMWPE fibers are difficult to dye and difficult to dye by conventional dyeing methods.  This experiment is to explore the dyeing properties of pigment emulsion in UHMWPE fiber, and to find a conventional dyeing method suitable for UHMWPE fiber dyeing.  In the experiment, we selected UHMWPE with a molecular weight of more than 2.5 million and an areal density of 600g/m2. The fiber was dyed with azo red, phthalocyanine blue and green, and the k/s value of the obtained sample was measured. It is suitable for the dyeing conditions of UHMWPE fiber. It is concluded that UHMWPE fiber has the best dyeing effect at 130 °C, dyeing time of 240 min and coloring agent concentration of 4%.

Key words:UHMWPE fibers; conventional dyeing method; pigment emulsion

目录

第一章 文献综述 1

1.1 引言 1

1.2 UHMWPE纤维的发展史 2

1.3 UHMWPE纤维的结构特点 3

1.3.1 UHMWPE纤维的化学结构 3

1.3.2 UHMWPE纤维的物理性能 3

1.4 UHMWPE的性能及应用 3

1.4.1优异的力学性能 3

1.4.2优异的电性能 4

1.4.3优良的耐化学腐蚀性能 4

1.4.4优异的耐气候性和耐磨性 4

1.4.5 UHMWPE纤维的不足 4

1.4.6 UHMWPE纤维的应用 5

表1.1UHMWPE纤维应用领域 5

1.5 UHMWPE的纤维染色 5

1.5.1分散染料染色法 6

1.5.2高温载体染色 6

1.5.3超临界CO2染色法 7

1.5.4油墨着色法 7

1.5.5原液着色法 7

1.6国内UHMWPE纤维染色发展现状 8

1.7课题研究的内容及意义 8

第二章 实验部分 9

2.1 实验仪器与试剂 9

2.2实验原理 10

2.3实验方法 10

2.4 染色工艺 10

第三章 结果与讨论 11

3.1 染色温度对k/s值的影响 11

3.2染色时间对k/s值的影响 12

3.3着色剂浓度对k/s值的影响 14

3.4 助剂对染色性能的影响 16

3.5 印花 17

第四章 结论与展望 18

4.1结论 18

4.2展望 19

参考文献 20

致谢 22

第一章 文献综述

引言

超高分子量聚乙烯(UHMWPE)纤维，它与芳纶(对位芳纶、间位芳纶)、碳纤维(CF)一起被誉为“当今三大特种纤维”。UHMWPE纤维强度很大，耐磨性能较好，不会被强酸强碱等一系列化学药品腐蚀，能够被电磁波穿过，摩擦系数比其他纤维制品要小，有超强的疏水性能，UHMWPE纤维制品不会对人体产生不良影响等特性^［1］，UHMWPE纤维的应用领域涵盖户外运动装备，冒险运动装备，医疗设备及卫生设备，远洋航海及渔网等多个行业。

近年来UHMWPE纤维研究发展迅猛，而且在今后几年内这个行业还将会继续高速发展，现有企业的产能扩大以及新生企业的建成投产将同时进行，国内超高分子量聚乙烯纤维产业要想在国际市场中占据一定市场，要求的不仅仅是产能的提升，还要提高生产技术争取价格优势和质量优势^[2]。虽然UHMWPE纤维有许多优良的特性，应用领域较广，但是由于UHMWPE纤维分子长链中几乎没有极性基团，有很高的结晶度，纤维分子都整齐的排列在一起，几乎不存在任何缝隙，所以染料分子几乎无法渗透到分子的缝隙之间；而且因为分子表面电荷对染料排斥现象非常明显，所以具有很强的疏水性，分子长链中几乎没有极性基团可以和染料分子发生反应结合到一起，所以染料不能渗透到结晶区，而是渗透到长链中的无定形区。利用一般染色方法对UHMWPE纤维进行染色，就算能够染上色，固色率和色牢度也会很差，不能满足使用需求^[3]。所以一直以来超高分子量聚乙烯纤维大多都采用原液着色的方法得到有色纤维，虽然这种方法相对便捷并且成本较低，但是只能大批量得到单一有色纤维，后期无法加工上色，所以探寻一种有效可行的常规染色方法迫在眉睫。此论文旨在探究颜料乳液在超高分子量聚乙烯纤维中的染色性能，利用控制变量法从染色的温度、时间、染料浓度等方面来进行实验，从而找到较为适合UHMWPE纤维的常规染色方法。

1.2 UHMWPE纤维的发展史

在1970年，英国的Capaccio和Ward率先研制出UHMWPE纤维^[4]。1975年，DSM公司进行了创新，该公司的Smith^[5]和Lemstra提出凝胶纺丝法，以十氢萘溶解普通PE初步研制出UHMWPE纤维，于1979年申请了专利^[6]。1990年，荷兰DSM公司在Heerlen工厂能够大批量的生产UHMWPE纤维，每年能生产出5kt产品，商品名“dyneema”。1982年美国联信公司购买了帝斯曼公司的专利权，改进了这类产品的生产技术，用矿物油溶解超高分子量聚乙烯，生产出了性能更为优异的UHMWPE纤维，研发出了自己的生产技术，1984年该公司开始生产出售这种纤维，并取名为“Spectra”。1988年“spectra”纤维基本实现商业化生产，每年产出的纤维达3kt。除此之外，Honeywell公司研制出的这种“spectra”纤维，它的模量和强度都比DuPont公司的对位芳纶Kevlar更加出色。美国Honeywell公司生产的“spectra”比DSM公司的dyneema模量更强，但是断裂强度比较差，所以Honeywell研发的UHMWPE纤维在制造防弹设备时更具优势，首次利用UHMWPE纤维无纬布成功研制出防弹衣和防弹头盔，并在2001年后不断扩大产能^[7]。在亚洲，就在美国Honeywell公司开始大批量产出“spectra”的时候，1984年荷兰DSM公司与日本东洋纺(Toyobo)滋贺工厂合作建厂开始研发生产UHMWPE纤维，在1989年生产出一种UHMWPE纤维，并且开始产业化生产，该纤维被命名为“DyneemaSK－60”。1983年，日本三井石化(Mitsui)公司将PE溶解在石蜡里利用凝胶挤压—超拉伸技术得到一种UHMWPE纤维产品并且命名为“Tekmilon”，1984年通过欧洲专利评审，1988年正式商业化生产^[2]。之后荷兰不仅在日本投资建厂，还在欧美国家的一些城市建厂生产UHMWPE纤维。20世纪80年代初，我国政府发现UHMWPE纤维的应用性能及价值，大力支持这种纤维材料的开发利用，中国纺织科学研究院、东华大学^[8]、天津工业大学、盐城超强高分子材料工程技术研究所等科研机构相继取得了很多研究成果，并且研发出自己的纺丝技术，让我国成为世界上继美国、荷兰之后第三个拥有自主知识产权生产UHMWPE纤维的国家^[9-12]。1996年，宁波大成联合科研院所开始对UHMWPE纤维的研发，1999年发明混合溶剂凝胶纺丝工艺，并申请专利，2000年在国内率先实现产业化。目前，我国山东、广东、浙江、湖南、北京等城市都有了很大的研究进展，发展十分迅猛。

1.3 UHMWPE纤维的结构特点

1.3.1 UHMWPE纤维的化学结构

UHMWPE具有和常规聚乙烯一样的构造。它们的分子长链由-C-C-连接在一起组成，分子长链结构对称，长链中几乎不包含任何极性基团，表面呈现超强的疏水性能和化学惰性。其大分子是很多个-CH₂-连接在一起形成的锯齿形长链，所以亚甲基很容易进入到UHMWPE纤维晶体内部。

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