CN114561031B - 一种高颜料含量色母粒及其制备方法和应用 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种高颜料含量色母粒及其制备方法和应用，该色母粒按照质量份数包括如下组分：50～75份的载体；20～45份的自分散颜料；1～5份的助剂；所述自分散颜料按照以下方法制备得到：将质量为1～2份的表面活性剂A和质量为1～2份的表面活性剂B添加于质量为50～75份的水中，混匀后加入质量为20～45份的颜料，进行研磨、干燥得到该自分散颜料。本发明的制备方法是将载体、助剂与自分散颜料混合均匀后，经挤出机造粒，得到该高颜料含量的色母粒。该色母粒分散性能良好，能够很好的分散在聚酯中，与聚酯的相容性较好；且该色母粒中的颜料浓度较高，在熔体纺丝时的添加量少，对聚酯的影响较小。
Description
技术领域
本发明属于精细化工技术领域，具体涉及一种高颜料含量色母粒及其制备方法和应用。
背景技术
聚酯是由多元酸和多元醇缩聚而得的聚合物，主要指聚对苯二甲酸乙二醇酯，其具有优良的成纤性、抗蠕变性、耐磨性、耐热性、耐腐蚀性、电绝缘性等性能，在纤维、包装、工程塑料等领域得到广泛的应用。我国将含聚对苯二甲酸乙二醇酯组分大于85％的合成纤维称为聚酯纤维，商品名为涤纶。聚酯纤维经过纺丝过程中的拉伸和定形作用，其分子排列整齐呈线状直链，结晶度高，取向性好，分子间空隙小，染料不易渗入，大分子链上没有羟基、氨基等极性官能团，只有极性较小的酯基，因此聚酯纤维作为纺织材料具有较差的染色性。染料分子只有在高温高压条件下才能进入纤维内部进行染色；而染料染色工艺存在设备要求高、废水排放量大等问题。
色母粒具有分散性好、无污染和使用方便等优点，成为聚酯常用的着色方法。色母粒的制备主要有湿法和干法两种工艺；湿法工艺由于生产流程长、操作复杂、成本高等缺陷限制了其使用，而干法工艺成为生产色母粒的主要方法。但是干法工艺制造的色母粒颜料在色母粒中分散不均匀，特别是颜料含量较高的色母粒颜料更难分散均匀，从而导致结晶不完善和不均匀，耐迁移性、抗冲击力性能差，加工出来的色母粒产品耐热性不好，而聚酯纤维对颜料分散要求较严格。因此，如何提高聚酯色母粒着色率、耐迁移性、耐热性等品质，是聚酯着色时需迫切解决的问题。
公开号为CN110577656的中国专利揭示了一种高浓度高色牢度母粒的制备方法，将一定质量的PET、PBT、着色剂、紫外光吸收剂、光稳定剂、凉感粉、增韧剂、抗氧剂、分散剂、流变改性剂进行粉碎、干燥、混匀后，通过双螺杆挤出机挤出造粒，其中所用分散剂为带活性基团的聚酯类超分散剂、活性接枝有机硅类分散剂、丙烯酸酯分散剂中的一种或几种的混合物。公开号为CN106589846A的中国专利揭示了一种涤纶生态环保色母粒及其制备方法，具体为：将环保着色剂分散于乙二醇中；在研磨机中研磨，形成粒子的粒径为50nm；在10kv-30kv高压产生电场下形成带同性电荷的颗粒，在闪蒸斧中进行高温低压的闪蒸，得到环保着色剂；环保着色剂与聚酯树脂和分散剂在高速捏合机中混合，然后经过挤出机挤出造粒得到环保色母粒。专利号为US2002143090的美国专利揭示了一种聚酯用色母粒，含一种或多种共聚物和一种或多种着色剂，用于聚酯包装瓶着色。
然而，现有的以普通商品化颜料制备的色母粒颜料在聚酯载体中分布不均匀，并且颜料与聚酯载体的相容性较差，导致在聚酯纤维纺丝过程中容易堵塞过滤器和喷丝孔，制备的有色聚酯纤维色泽不均匀、耐洗牢度差。对颜料进行表面改性，是一种常见的提升色母粒性能的方法；如美国专利US8124672介绍了一种含有羧酸酯基水溶性阴离子表面活性剂的自分散颜料的制备方法，该自分散颜料主要用于制备塑料用色母粒；美国专利US7459017介绍了一种简单搅拌即可分散的自分散颜料制备方法，该方法使用炔类分散剂在浆料中分散、湿法研磨颜料至规定粒径，再干燥成颗粒状，得到自分散颜料；该方法中，炔类分散剂占颜料质量5-40％，制造成本较高。然而，上述方法制备的自分散颜料，尚未见可用于制备高颜料含量纤维母粒的报道。
发明内容
为解决上述技术问题，本发明的目的在于提供一种高颜料含量色母粒及其制备方法和应用；该色母粒分散性能良好，能够很好的分散在聚酯中，与聚酯的相容性较好；且该色母粒中的颜料浓度较高，在熔体纺丝时的添加量少，对聚酯的影响较小。
为实现上述技术目的，达到上述技术效果，本发明通过以下技术方案实现：
一种高颜料含量色母粒，按照质量份数包括如下组分：
50～75份的载体；
20～45份的自分散颜料；
1～5份的助剂；
其中，所述自分散颜料按照以下方法制备得到：将质量为1～2份的表面活性剂A和质量为1～2份的表面活性剂B添加于质量为50～75份的水中，混匀后加入质量为20～45份的颜料，进行研磨、干燥得到该自分散颜料。
自分散颜料中，表面活性剂A为具有通式(I)结构的化合物：
通式(I)中，a、b、c均为≥0的整数，且a+b+c＝10～60。
进一步的，该表面活性剂A的制备方法为：向蓖麻油中加入氢氧化钠催化剂，减压升温脱水，然后通入氮气，温度升至140～180℃，通入适量的环氧乙烷进行反应得到该表面活性剂A。
其中的表面活性剂B为具有通式(II)结构的化合物：
通式(II)中，m为10～30之间的整数，n为10～30之间的整数，Y为H或甲基。
进一步的，该表面活性剂B的制备方法为：将异佛尔酮二异氰酸酯与烯丙基聚醚反应后，再与聚氧化乙烯或聚氧化丙烯反应得到。
进一步的，自分散颜料中的颜料具有优异的耐热稳定性能，其包括但不限于颜料蓝15:3、颜料红122、颜料紫23、颜料棕26、颜料黄192、炭黑中的至少一种。
进一步的，在该色母粒中，所述载体为聚酯；聚酯是由多元酸和多元醇缩聚而得的聚合物，主要指聚对苯二甲酸乙二醇酯。
进一步的，在该色母粒中，所述助剂为抗氧化剂、抗粘连剂、爽滑剂、紫外线稳定剂、热稳定剂中的一种或两种及以上的混合物。
其中，所述抗氧化剂为酚类抗氧化剂、亚磷酸酯类抗氧化剂中的一种或两种及以上的混合物。酚类抗氧化剂，如四[β-(3,5-二叔丁基-4-羟基苯基)丙酸]季戊四醇酯(简称：抗氧化剂1010)、β-(3,5-二叔丁基-4-羟基苯基)丙酸十八碳醇酯(简称：抗氧化剂1076)、硫代二乙撑双[3-(3,5-二叔丁基-4-羟基苯基)丙酸酯](简称：抗氧化剂1035)；亚磷酸酯类抗氧化剂，如亚磷酸三(2,4-二叔丁基苯基)酯(简称：抗氧化剂168)。
其中，所述抗粘连剂为硅藻土、碳酸钙、合成二氧化硅中的一种或两种及以上的混合物。
其中，所述爽滑剂为油酸酰胺、芥酸酰胺、季戊四醇四硬脂酸酯中的一种或两种及以上的混合物。
其中，所述紫外线稳定剂为苯并三唑类紫外线吸收剂、二苯甲酮类紫外线吸收剂中的一种或两种及以上的混合物。苯并三唑类紫外线吸收剂，如2-(2-羟基-5-叔辛基苯基)苯并三唑、2-(2-羟基-3,5-二叔丁基苯基)-5-氯苯并三唑等；二苯甲酮类紫外线吸收剂，如2,4-二羟基二苯甲酮、2,2’-二羟基-4-甲氧基二苯甲酮等。
其中，所述热稳定剂为环氧甘油酯、环氧脂肪酯、硬脂酸钙或硬脂酸锌中的一种或两种及以上的混合物。
本发明进一步提供了该高颜料含量色母粒的制备方法，包括如下步骤：
(a)将载体、助剂磨粉后与自分散颜料混合均匀，得到混合粉体；此外，载体、助剂在使用前需要进行除水处理，避免混合粉体中的水分在加热熔融过程中使聚酯降解；
(b)将混合粉体注入到挤出机中进行造粒，得到聚酯纤维用高颜料含量色母粒。
进一步的，在上述方法中，所述挤出机为双螺杆挤出机或单螺杆挤出机，挤出机的螺杆转速为200～300转/分钟，挤出机的温度为240～275℃。
上述高颜料含量色母粒可应用于聚酯纤维纺丝中，以制备有色聚酯纤维。
本发明的有益效果是：
本发明利用两种具有特殊结构的表面活性剂对颜料进行表面改性，通过两种表面活性剂的协同作用，一方面提高了颜料的分散稳定性，另一方面提高了颜料与聚酯的向同性。改性后的自分散颜料分散性能良好，能够很好的分散在聚酯中，并且与聚酯的相容性好。
本发明的色母粒可以用于聚酯熔体纺丝，可以延长纺丝工艺的换网周期，减少飘丝、断丝现象，所制备的有色聚酯纤维色泽均匀，耐洗色牢度强。
本发明的色母粒中的颜料浓度高，在熔体纺丝时色母粒添加量少，可以减小色母粒添加量较多所带来的对聚酯性能的影响。
具体实施方式
下面将结合具体实施例对本发明中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
本发明提供了一种高颜料含量色母粒，其按照质量份数包括如下组分：
50～75份的载体；
20～45份的自分散颜料；
1～5份的助剂；
其中，所述自分散颜料按照以下方法制备得到：将质量为1～2份的表面活性剂A和质量为1～2份的表面活性剂B添加于质量为50～75份的水中，混匀后加入质量为20～45份的颜料，进行研磨、干燥得到该自分散颜料。
自分散颜料中，表面活性剂A为具有通式(I)结构的化合物：
通式(I)中，a、b、c均为≥0的整数，且a+b+c＝10～60。
具体的，该表面活性剂A的制备方法为：将质量为100份的蓖麻油投入反应釜中，加入质量为0.1～0.3份的氢氧化钠催化剂，减压升温脱水，然后通入氮气，温度升至140～180℃，通入适量的环氧乙烷进行反应得到该表面活性剂A。通过控制环氧乙烷的质量，可制备不同聚氧乙烯含量的表面活性剂A。
其中的表面活性剂B为具有通式(II)结构的化合物：
通式(II)中，m为10～30之间的整数，n为10～30之间的整数，Y为H或甲基。
具体的，该表面活性剂B的制备方法为：以二月桂酸二丁基锡为催化剂(用量为异佛尔酮二异氰酸酯质量的0.1～0.2％)，将1mol异佛尔酮二异氰酸酯与1mol烯丙基聚醚在在80～90℃反应后，再与聚氧化乙烯或聚氧化丙烯反应得到。通过控制聚氧化乙烯或聚氧化丙烯的摩尔量，制备不同n值的表面活性剂B。
自分散颜料中的颜料具有优异的耐热稳定性能，其包括但不限于颜料蓝15:3、颜料红122、颜料紫23、颜料棕26、颜料黄192、炭黑中的至少一种。
在该色母粒中，所述载体为聚酯；聚酯是由多元酸和多元醇缩聚而得的聚合物，主要指聚对苯二甲酸乙二醇酯。
在该色母粒中，所述助剂为抗氧化剂、抗粘连剂、爽滑剂、紫外线稳定剂、热稳定剂中的一种或两种及以上的混合物。
其中，抗氧化剂为酚类抗氧化剂、亚磷酸酯类抗氧化剂中的一种或两种及以上的混合物。酚类抗氧化剂，如四[β-(3,5-二叔丁基-4-羟基苯基)丙酸]季戊四醇酯(简称：抗氧化剂1010)、β-(3,5-二叔丁基-4-羟基苯基)丙酸十八碳醇酯(简称：抗氧化剂1076)、硫代二乙撑双[3-(3,5-二叔丁基-4-羟基苯基)丙酸酯](简称：抗氧化剂1035)；亚磷酸酯类抗氧化剂，如亚磷酸三(2,4-二叔丁基苯基)酯(简称：抗氧化剂168)。
其中，抗粘连剂为硅藻土、碳酸钙、合成二氧化硅中的一种或两种及以上的混合物。
其中，爽滑剂为油酸酰胺、芥酸酰胺、季戊四醇四硬脂酸酯中的一种或两种及以上的混合物。
其中，紫外线稳定剂为苯并三唑类紫外线吸收剂、二苯甲酮类紫外线吸收剂中的一种或两种及以上的混合物。苯并三唑类紫外线吸收剂，如2-(2-羟基-5-叔辛基苯基)苯并三唑、2-(2-羟基-3,5-二叔丁基苯基)-5-氯苯并三唑等；二苯甲酮类紫外线吸收剂，如2,4-二羟基二苯甲酮、2,2’-二羟基-4-甲氧基二苯甲酮等。
其中，热稳定剂为环氧甘油酯、环氧脂肪酯、硬脂酸钙或硬脂酸锌中的一种或两种及以上的混合物。
本发明进一步提供了该高颜料含量色母粒的制备方法，包括如下步骤：
(a)按照质量份数将载体、助剂磨粉后与自分散颜料混合均匀，得到混合粉体；此外，载体、助剂在使用前需要进行除水处理，避免混合粉体中的水分在加热熔融过程中使聚酯降解；
(b)将混合粉体注入到挤出机中进行造粒，得到聚酯纤维用高颜料含量的色母粒。
在上述方法中，挤出机为双螺杆挤出机或单螺杆挤出机，挤出机的螺杆转速为200～300转/分钟，挤出机的温度为240～275℃。
本发明的高颜料含量色母粒可应用于聚酯纤维纺丝中，以制备有色聚酯纤维。
以下具体实施例和对比例中所采用的表面活性剂A和表面活性剂B的化学结构分别如下所述：
表面活性剂A为具有通式(I)结构的化合物：
表面活性剂A1的结构式中，a+b+c＝30；
表面活性剂A2的结构式中，a+b+c＝10；
表面活性剂A3的结构式中，a+b+c＝60。
表面活性剂B为具有通式(II)结构的化合物：
表面活性剂B1的结构式中，m为20，n为20，Y为H；
表面活性剂B2的结构式中，m为30，n为10，Y为H；
表面活性剂B3的结构式中，m为10，n为30，Y为甲基。
实施例1
将质量为1.5份的表面活性剂A1和质量为1.5份的表面活性剂B1，添加在质量为62份的水中，混匀后加入质量为35份的颜料蓝15:3，进行研磨、干燥得到自分散颜料。
将质量为62份的聚酯载体、质量为1份的抗氧化剂1010、质量为1份的硅藻土、质量为1份的2-(2-羟基-5-叔辛基苯基)苯并三唑磨粉后，与质量为35份的自分散颜料混合均匀，得到混合粉体；将混合粉体注入到挤出机中进行造粒，得到高颜料含量色母粒。
实施例2
将质量为1份的表面活性剂A2和质量为2份的表面活性剂B2，添加在质量为50份的水中，混匀后加入质量为20份的颜料红122，进行研磨、干燥得到自分散颜料。
将质量为75份的聚酯载体、质量为1份的抗氧化剂1010、质量为1份的合成二氧化硅、质量为1份的2-(2-羟基-3,5-二叔丁基苯基)-5-氯苯并三唑、质量为2份的2,4-二羟基二苯甲酮磨粉后与质量为20份的自分散颜料混合均匀，得到混合粉体；将混合粉体注入到挤出机中进行造粒，得到高颜料含量色母粒。
实施例3
将质量为2份的表面活性剂A3和质量为1份的表面活性剂B3，添加在质量为75份的水中，混匀后加入质量为45份的颜料紫23，进行研磨、干燥得到自分散颜料。
将质量为50份的聚酯载体、质量为1份的抗氧化剂1035、质量为1份的抗氧化剂168、质量为1份的油酸酰胺、质量为2份的硬脂酸锌磨粉后，与质量为45份的自分散颜料混合均匀，得到混合粉体；将混合粉体注入到挤出机中进行造粒，得到高颜料含量色母粒。
实施例4
将质量为1.5份的表面活性剂A1和质量为1.5份的表面活性剂B2，添加在质量为70份的水中，混匀后加入质量为40份的炭黑，进行研磨、干燥得到自分散颜料。
将质量为59份的聚酯载体、质量为0.5份的抗氧化剂1076、质量为0.5份的硬脂酸钙磨粉后，与质量为40份的自分散颜料混合均匀，得到混合粉体；将混合粉体注入到挤出机中进行造粒，得到高颜料含量色母粒。
对比例1(与实施例1相比，使用普通的颜料)
将质量为62份的聚酯载体、质量为1份的抗氧化剂1010、质量为1份的硅藻土、质量为1份的2-(2-羟基-5-叔辛基苯基)苯并三唑磨粉后，与质量为35份的颜料蓝15:3混合均匀，得到混合粉体；将混合粉体注入到挤出机中进行造粒，得到高颜料含量色母粒。
对比例2(与实施例1相比，使用普通的颜料和聚乙烯蜡分散剂)
将质量为59份的聚酯载体、质量为1份的抗氧化剂1010、质量为1份的硅藻土、质量为1份的2-(2-羟基-5-叔辛基苯基)苯并三唑、质量为3份的聚乙烯蜡磨粉后，与质量为35份的颜料蓝15:3混合均匀，得到混合粉体；将混合粉体注入到挤出机中进行造粒，得到高颜料含量色母粒。
对比例3(只使用表面活性A1，未用表面活性剂B1)
将质量为3份的表面活性剂A1，添加在质量为62份的水中，混匀后加入质量为35份的颜料蓝15:3，进行研磨、干燥得到自分散颜料。
将质量为62份的聚酯载体、质量为1份的抗氧化剂1010、质量为1份的硅藻土、质量为1份的2-(2-羟基-5-叔辛基苯基)苯并三唑磨粉后，与质量为35份的自分散颜料混合均匀，得到混合粉体；将混合粉体注入到挤出机中进行造粒，得到高颜料含量色母粒。
对比例4(只使用表面活性B1，未用表面活性剂A1)
将质量为3份的表面活性剂B1，添加在质量为62份的水中，混匀后加入质量为35份的颜料蓝15:3，进行研磨、干燥得到自分散颜料。
将质量为62份的聚酯载体、质量为1份的抗氧化剂1010、质量为1份的硅藻土、质量为1份的2-(2-羟基-5-叔辛基苯基)苯并三唑磨粉后，与质量为35份的自分散颜料混合均匀，得到混合粉体；将混合粉体注入到挤出机中进行造粒，得到高颜料含量色母粒。
色母粒性能测试
(1))色母粒含水率测试
按GB/T 14190-1993《纤维级聚酯切片分析方法》中水分测试的方法进行，测试实施例1-4和对比例1-4制备的色母粒的含水率。
(2)色母粒压滤值测试
测试混合物的配置：由实施例1-4和对比例1-4制备的色母粒与聚酯切片组成总重量为2000g的测试混合物，其中测试混合物中颜料含量为100g。
压滤性能测试仪：单螺杆挤出机螺杆直径为25mm，熔体计量泵规格为2.4cc，滤网面积S为6.15cm2，主滤网为1400目。
测试步骤：熔体温度为295℃、熔体计量泵泵前压力设定值为6.5MPa、熔体计量泵计量流量为50g/min；先将200g聚酯从压滤性能测试仪中挤出，记录平衡压力为初始压力P0，然后将2000g测试混合物从压滤性能测试仪中挤出，再将200g聚酯从压滤性能测试仪中挤出，记录平衡压力为终止压力P1，按照公式(1)计算色母粒压滤值DF：
DF＝(P1-P0)*6.15/100 (1)
其中：P1为终止压力，单位MPa；P0为初始压力，单位MPa。
(3)有色聚酯纤维耐水洗测试
取质量为2份的实施例1-4和对比例1-4制备的色母粒，添加到质量为98份的聚酯切片中，进行纺丝制备有色聚酯纤维。分别取质量为10份的有色聚酯纤维，与质量为150份的去离子水一起放入带冷凝回流管的烧瓶中，于95℃下加热1小时，取出纤维，看溶液是否变色。√表示未见变色；○表示略有变色，但不明显；×表示溶液有明显变色。
(4)有色聚酯纤维色泽均匀度
观察由实施例1-4和对比例1-4制备的有色聚酯纤维的色泽均匀度，√表示色泽均匀无瑕疵；○表示可见色泽不均匀有瑕疵，但需要仔细观察才可以发现；×表示明显色泽不均匀有瑕疵。
按照上述测试方法对具体实施例1-4和对比例1-4制备的色母粒和有色聚酯纤维进行测试，测试结果如表1所示。
表1测试结果
由表1可知，本发明实施例的色母粒在聚酯中的分散性较好，且利用本发明实施例的色母粒制备的有色聚酯纤维色泽均匀性好，耐洗色牢度强。
以上所述仅为本发明的实施例，并非因此限制本发明的专利范围，凡是利用本发明说明书内容所作的等效结构或等效流程变换，或直接或间接运用在其他相关的技术领域，均同理包括在本发明的专利保护范围内。
Claims (8)
1.一种高颜料含量色母粒，其特征在于，按照质量份数包括如下组分：
50～75份的载体；
20～45份的自分散颜料；
1～5份的助剂；
其中，所述自分散颜料按照以下方法制备得到：将质量为1～2份的表面活性剂A和质量为1～2份的表面活性剂B添加于质量为50～75份的水中，混匀后加入质量为20～45份的颜料，进行研磨、干燥得到该自分散颜料；
所述表面活性剂A为具有通式(I)所示结构的化合物：
通式(I)中，a、b、c均为≥0的整数，且a+b+c＝10～60；
所述表面活性剂B为具有通式(II)所示结构的化合物：
通式(II)中，m为10～30之间的整数，n为10～30之间的整数，Y为H或甲基。
2.根据权利要求1所述的一种高颜料含量色母粒，其特征在于，所述表面活性剂A的制备方法为：向蓖麻油中加入氢氧化钠催化剂，减压升温脱水，然后通入氮气，温度升至140～180℃，通入适量的环氧乙烷进行反应得到该表面活性剂A。
3.根据权利要求1所述的一种高颜料含量色母粒，其特征在于，该表面活性剂B是先将异佛尔酮二异氰酸酯与烯丙基聚醚反应后，再与聚氧化乙烯或聚氧化丙烯反应得到。
4.根据权利要求1所述的一种高颜料含量色母粒，其特征在于，所述载体为聚酯。
5.根据权利要求1所述的一种高颜料含量色母粒，其特征在于，所述助剂为抗氧化剂、抗粘连剂、爽滑剂、紫外线稳定剂、热稳定剂中的一种或两种及以上的混合物。
6.一种如权利要求1至5任一项所述的高颜料含量色母粒的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：
(a)将载体、助剂磨粉后与自分散颜料混合均匀，得到混合粉体；
(b)将混合粉体注入到挤出机中进行造粒，得到聚酯纤维用高颜料含量色母粒。
7.根据权利要求6所述的高颜料含量色母粒的制备方法，其特征在于，所述挤出机为双螺杆挤出机或单螺杆挤出机，挤出机的螺杆转速为200～300转/分钟，挤出机的温度为240～275℃。
8.权利要求1至5任一项所述的高颜料含量色母粒在聚酯纤维纺丝中的应用。
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