CN103710772A - 纤维原液着色用超细炭黑水性色浆 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种通用于腈纶、粘胶纤维原液着色的超细炭黑水性色浆及其制备方法，该色浆由改性炭黑、分散剂、有机溶剂和去离子水组成，其中改性炭黑占该色浆总质量的15.0～40.0%，分散剂与改性炭黑的质量比为0.15:1～0.3:1，有机溶剂占该色浆总质量的5.0～15.0%，余量为去离子水，其中改性炭黑由炭黑经4-苯胺磺酸、硬脂酰胺和二乙基丙二酰脲中的至少一种表面改性剂表面改性而得，表面改性剂的用量为炭黑质量的2.0～5.0%；分散剂为由N-十二烷基亚氨基二丙酸二钠和脂肪胺聚氧乙烯醚按质量比为1:2～1:5组成的混合物。本发明所揭示的纤维原液着色用超细炭黑水性色浆具有粒径小、与纺丝原液相容性好等优点，可以避免纺丝过程中出现堵塞喷丝孔、前后色差大等问题。

Description

纤维原液着色用超细炭黑水性色浆

技术领域

本发明涉及一种用于腈纶和粘胶原液着色的超细炭黑水性色浆的制备方法，属精细化工科学技术领域。

背景技术

目前，针对粘胶、腈纶等纤维着色仍采用有机染料对纤维或者织物进行染色的工艺为主，该工艺上染要求高、能耗大，日晒牢度较低，且染色过程会产生大量废水，十分不利于有色纤维行业节能减排工作的展开，在能源和水资源日益枯竭、环保压力日益增大的社会背景下，如何避免印染过程中的高能耗、高污染是关系到纺织行业生存的重要问题。

原液着色是在化学纤维的纺丝原液中，加入着色剂进行纺丝直接制成有色化学纤维的工艺。该工艺制备的有色纤维颜色色差小、日晒牢度高，更重要的是省略了下游的化学纤维染色环节，对减少化学纤维染色成本和促进纤维制造行业的节能减排作用十分明显，是解决现有化学纤维着色工艺过程中能耗大、污染严重等问题的重要手段，具有良好的发展前景。

商品化的炭黑颜料主要是以凝聚体或聚集体等状态存在，颗粒大且分布不匀，直接添加到纺丝液后，会对纺丝液的流变性能以及纤维的力学性能产生较大的影响，需要将颜料和润湿剂、分散剂、水等原料经混合、分散、研磨、过滤、消泡等工艺制备成颜料颗粒平均粒径在1微米以下的超细水性色浆，该工艺主要利用分散剂在炭黑颜料表面形成的空间位阻或者静电排斥作用实现炭黑在水相中的稳定分散。但是原液着色工艺对水性色浆与纺丝原液的相容性、稳定性要求极高，因为一旦色浆在纺丝溶液中分散不充分或出现絮凝，就会导致颜料颗粒团聚现象的发生，导致出现堵塞喷丝孔、颜色不一的情况；同时为了避免换色带来的设备清洗及过度颜色纤维浪费等问题，有色纤维的单批次产量往往以数百吨记，对于色浆与纺丝原液的长时间相容性要求十分苛刻。因此如何降低原液着色用水性色浆的颜料粒径、提高其稳定性、增强其与纺丝原液的相容性，进而减少其在纺丝原液中团聚、堵塞喷丝孔、前后色差大等问题就成了制备原液着色用水性色浆的关键性问题。

为解决腈纶、粘胶等纤维原液着色用水性色浆的粒径控制、稳定性、与纺丝原液的相容性问题，相关领域的技术人员展开了大量的研究工作。申请号为CN02112308.X的中国专利揭示了使用萘磺酸盐甲醛缩合物、甲基萘磺酸盐甲醛缩合物或苄基萘磺酸盐甲醛缩合物中的至少一种作为分散剂，将炭黑、酞菁蓝、氧化铁或群青颜料稳定分散制备腈纶着色用水性色浆的方法，该色浆可以放置至少30天而没有明显分层和凝聚现象；申请号为CN200910263472.5的中国专利则揭示了一种使用分散剂、防沉降剂等助剂生产粘胶着色用黑色色浆的方法。

用于腈纶、粘胶纤维纺丝的色浆有较高的要求，颜料颗粒的平均粒径必须小于1微米，对色浆的储存稳定性要求高，腈纶、粘胶纤维纺丝中组分复杂，含有大量电解质，并经历强酸强碱过程，纺丝时要求不会因色浆中颜料颗粒的团聚、粘附在管路或喷丝头等地方导致可纺性变差，纺出的色丝要求有较低的色差，不会因色浆与纺丝原液的相容性问题导致不同纺丝时间的色丝出现明显的前后色差。现有方法制备的粘胶、腈纶原液着色用炭黑水性色浆主要专注于色浆配方的改进，这些色浆只能分别用于腈纶或粘胶原液着色，不具通用性，而且因为炭黑粒子和纺丝原液的相容性、生产设备对颜料颗粒的吸附性等问题，仍存在粒径偏大、易堵塞喷丝头、纺丝前后色差大等现象，其与腈纶、粘胶等纤维的纺丝原液的长时间相容性仍有待提高。

发明内容

为了克服现有技术中存在的不足，本发明从炭黑表面改性入手，通过表面改性改变颜料表面性能，并筛选合适的分散体系，揭示了一种粘胶、腈纶纤维原液着色通用的、具有极高可纺性的超细炭黑水性色浆的制备方法，可以有效降低原液着色用炭黑水性色浆的粒径、提升加入色浆后纤维原液的可纺性。

本发明揭示的纤维原液着色用超细炭黑水性色浆由改性炭黑、分散剂、有机溶剂和去离子水组成，其中所述改性炭黑占该纤维原液着色用超细炭黑水性色浆总质量的15.0～40.0%，所述分散剂与改性炭黑的质量比为0.15:1～0.3:1，所述有机溶剂占该纤维原液着色用超细炭黑水性色浆总质量的5.0～15.0%，余量为去离子水。

本发明所用的改性炭黑由炭黑经表面改性剂表面改性而得，该表面改性剂为4-苯胺磺酸、硬脂酰胺和二乙基丙二酰脲中的至少一种，其用量占炭黑质量的2.0～5.0%，该炭黑表面改性工艺利用上述表面改性剂在炭黑表面吸附来改变炭黑表面性能。在上述3种表面改性剂中，4-苯胺磺酸微溶于冷水，溶于热水；硬脂酰胺不溶于水，常温下微溶于有机溶剂，溶于热乙醇、氯仿；二乙基丙二酰脲溶于热水和乙醇。利用上述表面改性剂在不同溶剂中的溶解性能，可以分别选用两种不同的工艺：将表面改性剂溶于有机溶剂后，加入炭黑经分散机以300～1000r/min分散至少20min后，再经三辊研磨机研磨，最后通过过滤和真空干燥得到改性后的炭黑，该工艺优选乙醇作为有机溶剂，为有效溶解相关表面改性剂，可以适当加热有机溶剂至40～55℃；也可以将表面改性剂溶于80～100℃的热水，加入炭黑，经分散机以300～1000r/min分散至少20min后，再经三辊研磨机研磨，降至室温后进行过滤，滤饼经真空干燥得到改性后的炭黑。该表面改性工艺中，真空干燥一般选择工业上常用的真空干燥工艺，控制温度在30～80℃，控制压力在0.02～0.08MPa。

本发明以N-十二烷基亚氨基二丙酸二钠和脂肪胺聚氧乙烯醚作为分散剂，其质量比为1:2～1:5，特别需要指出的是，N-十二烷基亚氨基二丙酸二钠不仅能够起到分散作用，还是一种很好的杀菌剂，该助剂的使用可以避免在色浆中额外使用专门的杀菌剂；本发明所揭示的纤维原液着色用超细炭黑水性色浆选用占该纤维原液着色用超细炭黑水性色浆总质量5.0～15.0%的有机溶剂来提高色浆的保湿性和抗冻性，优选乙二醇、丙二醇、一缩二乙二醇中的至少一种。

本发明所揭示的纤维原液着色用超细炭黑水性色浆的制备方法包括如下步骤：

a)预留去离子水总质量的10～20%，将其余去离子水和分散剂、有机溶剂使用分散机以500～800r/min转速分散15～20min，得到预混合液；

b)将分散机转速调至300～500r/min，将改性炭黑加入步骤a）所得预混合液中，在1000～2000r/min的转速下进行分散不低于20min，并于分散过程中加入步骤a）中预留的去离子水，得到预混合水性炭黑浆；

c)将步骤b）所得预混合水性炭黑浆在卧式研磨机中进行研磨，连续研磨5～10遍，再经过脱泡、过滤，得到纤维原液着色用超细炭黑水性色浆。步骤c）中，卧式研磨机所用研磨介质优选粒径0.4mm～0.8mm的氧化锆珠或陶瓷珠。

本发明揭示的纤维原液着色用超细炭黑水性色浆，具有粒径小、可纺性高，可以通用于粘胶和湿法腈纶的原液着色，与纺丝原液相容性好，可以避免纺丝过程中堵塞喷丝孔、前后色差大等问题。

具体实施方式

通过下列实施例，可进一步阐述本发明的实施过程和突出优点，但本发明不局限于下列实施例。

炭黑表面改性

实施例1

将200g硬脂酰胺加入8kg温度在55℃左右的乙醇中，分散机以300r/min速度搅拌混合30min，得到硬脂酰胺的乙醇溶液，在温度保持55℃左右的情况下，将4kg炭黑加入该硬脂酰胺的乙醇溶液，再以300r/min分散50min得到55℃左右的炭黑浆，随后将该炭黑浆经三辊研磨机研磨，降至室温后进行过滤，将滤饼在60℃、0.08MPa的真空干燥箱内干燥50min，得到改性炭黑。

实施例2

将20g4-苯胺磺酸和20g二乙基丙二酰脲加入5kg温度在80℃左右的热水中，分散机以500r/min速度搅拌混合50min，得到4-苯胺磺酸的水溶液，在温度保持80℃左右的情况下，将2kg炭黑加入该4-苯胺磺酸的水溶液中，再以1000r/min分散20min得到炭黑浆，随后将该炭黑浆经三辊研磨机研磨，降至室温后进行过滤，将滤饼在在80℃、0.02MPa的真空干燥箱内干燥50min，得到改性炭黑。

实施例3

将60g二乙基丙二酰脲加入4kg温度为98℃的热水中中，分散机以1000r/min速度搅拌混合30min，得到二乙基丙二酰脲的水溶液，在温度保持98℃左右的情况下，将2kg炭黑加入该甲基苯胺的氯仿溶液中，再以1000r/min分散40min得到炭黑浆，随后将该炭黑浆经三辊研磨机研磨，降至室温后进行过滤，将滤饼在30℃、0.02MPa的真空干燥箱内干燥50min，得到改性炭黑。

纤维原液着色用超细炭黑水性色浆的制备

分别取实施例1、2、3制备的改性炭黑和未改性的炭黑，以表1中每个实施例和对比实施所用组分制备纤维原液着色用超细炭黑水性色浆，表1中，实施例1、2、3制备的改性炭黑分别被命名为改性炭黑1、改性炭黑2和改性炭黑3，各组分均以其占纤维原液着色用超细炭黑水性色浆总质量的百分比计算。

实施例5～8和对比实施例9～12色浆的制备过程为：预留去离子水总质量的20%，将其余80%去离子水和分散剂、有机溶剂等组分使用分散机以500～800r/min转速分散15～20min，得到预混合液；将分散机转速调至300～500r/min，将改性炭黑加入预混合液中，在1500r/min的转速下进行分散30min，并于分散过程中加入预留的去离子水，得到预混合水性炭黑浆；将该预混合水性炭黑浆在卧式研磨机中进行研磨，连续研磨5～10遍，再经过脱泡、过滤，得到纤维原液着色用超细炭黑水性色浆，其中，实施例5～6和对比实施例9～12色浆均研磨10遍，实施例7研磨8遍，实施例8研磨5遍。

表1.实施例5～8和对比实施例9～13色浆的配方组成

纤维原液着色用超细炭黑水性色浆性能测试

粒径测试：以英国马尔文仪器有限公司的Zetasizer NanoZs90型纳米粒度和Zeta电位仪测试实施例5～8和对比实施例9～12制备的纤维原液着色用超细炭黑水性色浆的粒径分布，测试结果中D50表示所测颗粒中50%的粒子都能通过的最小粒径，以D100表示所测颗粒中所有粒子都能通过的最小粒径，以D50和D100表征色浆中颜料粒子的粒径分布。

可纺性测试：

腈纶原液着色：分别取2kg实施例5～8和对比实施例9～12制备的纤维原液着色用超细炭黑水性色浆和腈纶纺丝原液组成40kg的原料混合均匀后，将其通过30孔0.08毫米的喷丝孔进行纺丝，纺丝速度为15m/min，连续纺丝12小时，观察有无堵塞纺丝孔的情况。

粘胶原液着色：分别取2kg实施例5～8和对比实施例9～12制备的纤维原液着色用超细炭黑水性色浆和粘胶纺丝原液组成80kg的原料混合均匀后，将其通过30孔0.08毫米的喷丝孔进行纺丝，纺丝速度为15m/min，连续纺丝12小时，观察有无堵塞纺丝孔的情况。

纺丝色差测试：根据标准GB/T8424.1纺织品色牢度试验表面颜色的测定通则、GB/T8424.2-2001纺织品色牢度试验相对白度的仪器评定方法和GB/T8424.3-2001纺织品色牢度试验色差计算，对可纺性测试过程中，分别取纺丝开始0.5小时、10小时制备的腈纶和粘胶纤维，对比不同时间所纺色丝的色差。

上述测试结果如表2所示。

表2.实施例5～8和对比实施例9～12性能测试结果

Claims (7)

1.一种纤维原液着色用超细炭黑水性色浆，其特征在于：由改性炭黑、分散剂、有机溶剂和去离子水组成，其中

所述改性炭黑占该纤维原液着色用超细炭黑水性色浆总质量的15.0～40.0%，

所述分散剂与改性炭黑的质量比为0.15:1～0.3:1，

所述有机溶剂占该纤维原液着色用超细炭黑水性色浆总质量的5.0～15.0%，

余量为去离子水；

其中所述改性炭黑由炭黑经表面改性剂表面改性而得，所述表面改性剂为4-苯胺磺酸、硬脂酰胺和二乙基丙二酰脲中的至少一种，其用量为炭黑质量的2.0～5.0%；

所述分散剂为由N-十二烷基亚氨基二丙酸二钠和脂肪胺聚氧乙烯醚按质量比为1:2～1:5组成的混合物。

2.根据权利要求1所述的纤维原液着色用超细炭黑水性色浆，其特征在于：所述有机溶剂为乙二醇、丙二醇和一缩二乙二醇中的至少一种。

3.根据权利要求1所述的纤维原液着色用超细炭黑水性色浆，其特征在于：所述改性炭黑由下述改性工艺制得：将表面改性剂溶于醇类有机溶剂后，加入炭黑并经分散机以300～1000r/min分散至少20min后，再经三辊研磨机研磨，最后经过滤和真空干燥得到改性炭黑。

4.根据权利要求3所述的纤维原液着色用超细炭黑水性色浆，其特征在于：所述醇类有机溶剂为乙醇。

5.根据权利要求1所述的纤维原液着色用超细炭黑水性色浆，其特征在于：所述改性炭黑由下述改性工艺制得：将表面改性剂溶于80～100℃的热水后，加入炭黑并经分散机以300～1000r/min分散至少20min后，再经三辊研磨机研磨，降至室温后进行过滤得炭黑滤饼，将该炭黑滤饼经真空干燥得到改性炭黑。

6.根据权利要求1至5中任一权利要求所述的纤维原液着色用超细炭黑水性色浆的制备方法，其特征在于：包括如下步骤：

a)预留去离子水总质量的10～20%，将其余去离子水和分散剂、有机溶剂使用分散机分散均匀，得到预混合液；

b)将改性炭黑加入步骤a）中所得预混合液中，使用分散机分散不低于20min，并于分散过程中加入步骤a）中预留的去离子水，得到预混合水性炭黑浆；

c)将步骤b）中所得预混合水性炭黑浆在卧式研磨机中进行研磨，研磨介质为粒径0.4mm～0.8mm的氧化锆珠或陶瓷珠，连续研磨5～10遍，再经过脱泡、过滤，得到纤维原液着色用超细炭黑水性色浆。

7.根据权利要求1至5中任一权利要求所述的纤维原液着色用超细炭黑水性色浆的应用，其特征在于：所述超细炭黑水性色浆通用于粘胶和湿法腈纶的原液着色。