大咖分享｜纺丝级特种炭黑在合成纤维中的应用

 卡博特亚太技术中心（ATC），拥有世界顶尖的设备与技术团队，从能源、化工、基础设施、交通等行业到消费者的衣食住行，展开全方位的应用需求驱动的技术创新。与客户紧密合作，创造差异化的解决方案。

本期大咖

程利

ATC应用开发资深研究员

原液着色纤维——名副其实的绿色纤维

 我国是世界最大的化纤生产国和消费国，巨大的市场需求和生产规模呼吁更加清洁、环保和高效节能的制造方式 。化纤 “原液着色”技术，是将着色剂在纺丝前以母粒或其他形式加入到纺丝中而制得有色纤维的方法，不需要后道印染 。相比于传统印染，原液着色具有以下优势：一是环境友好无污染。原液着色所用着色剂不含禁用化学结构和有害成分 ，对环境友好，对人体不造成伤害，不产生废气废水废渣，原料利用率为100%。二是具有成本优势，因为无废水生产，省去了污水处理等费用，原液着色的成本是印染成本的一半左右。三是低能耗。原液着色仅在母粒加工制造和化纤使用中消耗电能，比印染更为节能。

“原液着色“纤维在日常生活中的应用

在消费升级的大趋势下，特别是经过这次新冠肺炎的考验人们更加意识到绿色、健康和安全的重要性和紧迫性。治污染、保护生态环境是当前我国经济社会发展的重要攻坚任务，也是纺织行业转型升级的重要着力点，建设责任关怀的绿色产业是纺织行业的一个新定位。“原液着色”纤维和生物基纤维、循环再利用化学纤维并称为“绿色纤维”领域的重要创新成果，成为化纤行业的流行趋势。此时代背景下，原液着色纤维因为其“绿色纤维”的属性被应用在服装，车用纺织品，户外纺织品和家纺等领域。

“原液着色“纤维在日常生活中的应用

据报道，2017年我国原液着色纤维产量就已达到500多万吨，其中黑色纤维的产量达到300万吨以上，炭黑作为黑色颜料成为原液着色技术最重要的着色剂。卡博特公司作为一家世界级炭黑生产企业，一直扎根中国，践行环保理念，并将其作为企业的社会责任。公司以亚太技术中心ATC为创新平台，与客户合作，突破原液着色技术瓶颈，为环保绿色贡献力量。

炭黑在“原液着色”纤维中的作用

如下图所示，炭黑一般以母粒的形式通过熔融纺丝制备成织物。在此过程中，炭黑的正确选择对化纤的最终性能有非常重要的影响，在此重点对炭黑对化纤颜色，可纺性和组件使用寿命等大家所关心的问题展开了讨论。

炭黑“原液着色“技术流程图

炭黑对纤维着色的影响

大家知道炭黑是一种用途广泛的黑色颜料。有没有想过一个问题，炭黑为什么是黑色的？首先来解释下物体为什么呈现黑色。我们知道彩色是由于吸收特定波长可见光而呈现出互补色，而黑色却不同，物体要呈现黑色必须吸收所有可见光的波段。如图3所示，只有物体表面反射率小于1%时，物体呈现黑色。

图3：实验室通过熔融纺丝制备的丝饼及袜带（1dpf）

物体表面反射率与黑度的关系

炭黑颗粒高分辨率电镜照片

再来看一下炭黑的基本构成。上图是炭黑高分辨TEM照片，实际上炭黑的初级颗粒都是由许多石墨层组成的。而石墨结构的电子性质决定了它的吸光性能。石墨结构的电子带隙能量非常低，几乎为零。因为这种带隙结构，石墨中键带和反键带之间的能量差非常小，这保证了非常低能量的电子激发也可以被吸。这就是为什么炭黑可以吸收波长210nm到远红外波段的原因，换句话说它能吸收6 eV (210 nm) 到小于0.5 eV (2.5 µm) 的电子能量。所以，炭黑的吸光范围甚至可以到红外区外。接下来还再来讨论一下炭黑颗粒的大小及分散性对颜色的影响。

众所周知，炭黑附聚体是炭黑使用的最小粒径，其大小与炭黑的比表面积成反比，炭黑颗粒越小比表面积越大，炭黑通常的聚集体尺寸在100nm到300nm，在保证分散条件一致的情况下，越小的炭黑的聚集体尺寸带来更高的黑度。举个简单的例子，假定有两种炭黑其大小有差异而形状均接近于圆球。假设其中一个聚集体的半径是30nm，而另一个则为100nm，通过计算可以知道，这种粒子的比表面积差异达到了11倍（R2/R1）2，而在相同添加量下，小颗粒炭黑的所占体积分数是另一种炭黑的37倍，也就是说其总的投影面积将是大颗粒炭黑的3.4倍，理论上吸光效率是其3.4倍。这里面的假定条件是两种炭黑具有相同的分散性，然而事实上炭黑聚集体越小，需要的分散的能量就越高，越难分散。炭黑分散性对于颜色的展现至关重要。如下图所示，这是卡博特纺丝级炭黑BP5560在涤纶里的电镜照片（放大5000倍），从图中可以看出， BP5560具有非常小的粒径，并且具有非常优异的分散性，其分散尺寸与BP5560聚集体尺寸几乎相当，达到~100-150nm范围，因此BP5560成为市面上最受欢迎的纺丝级炭黑之一。

炭黑BP5560分散在涤纶中电镜照片

化纤的颜色最终体现是炭黑与高分子材料的相互作用上，必须考虑高分子材料的特性。以涤纶PET为例，PET是一种半结晶材料，通常认为它可以分为两相：结晶相和非晶相。然而，越来越多的研究表明PET材料的非晶相又可以分为移动非晶相和刚性非晶相。刚性非晶相被定义为一个薄的非晶层，具有部分有序性，而移动非晶相与大块的非晶材料有关。在非均质的物质里，会产生双折射现象，涤纶本身是一种双折射系数很高的材料。炭黑的加入，会影响PET分子链的取向与结晶，特别是当炭黑的体积分数增加时，对双折射现象的影响更为显著。

化纤具有非常高的长径比，其单丝直径通常在10 µm ~30 µm，这种亚微米尺寸决定了纤维对光线的反射与散射有很强的作用。炭黑的加入，实际上增加了内部的界面效应，使得对化纤颜色预测更加复杂。这种界面效应还跟织物的构造有关，不同的构造方式会影响光在空气/化纤界面上的散射。只有通过精确而详实的应用测试，才能得到炭黑对化纤颜色的影响情况，建立相对可靠的预测公式。另外， 纺丝工艺对于化纤颜色有显著效应，比如DTY加弹工艺能影响化纤表面的粗糙度，进而影响炭黑对光的吸收；同样的道理，化纤的截面形状的改变会显著影响炭黑对光的吸收。原液着色法制备的化纤取代传统“印染染色”的进程中，需要行业内上下游的共同努力。