炭黑表面改性及其在PA66原液着色中的应用研究

作     者：李修田 

作者单位：江南大学 

学位级别：硕士

导师姓名：付少海

授予年度：2023年

学科分类：0821[工学-纺织科学与工程] 08[工学] 082103[工学-纺织化学与染整工程] 

主      题：炭黑 PA66 原液着色 原位聚合 母粒 

摘      要：聚己二酰己二胺(PA66)纤维常用弱酸性染料进行染色,但其结晶度高、分子中端氨基含量少、与染料的相互作用较弱,因此,染色纤维的匀染性、染色深度和牢度均较差。原液着色是指在PA66聚合过程或纺丝过程添加着色剂直接制备有色纤维的加工技术,具有工艺简单、成本低和环境污染小等优点,是一种绿色环保的纤维着色技术。近年来,涤纶、粘胶等纤维原液着色研究相对较多,PA66原液着色研究较少。基于此,本研究分别通过氧化改性、包覆改性和接枝改性对炭黑进行表面处理,研究了改性方法和工艺对炭黑表面性能和分散性能的影响;随后分别通过溶剂挥发、高温高压溶液预聚-熔融终聚和固相聚合将改性炭黑分散在PA66基体中,研究了炭黑粒子表面改性和PA66着色方式对炭黑粒子在PA66基体中相容性和分散性的影响,探究了改性炭黑质量分数与PA66膜表面形貌、热性能、结晶性能和颜色性能之间的关系。以期为PA66纤维原液着色提供高品质纳米炭黑,具体研究内容和结果如下:(1)使用过硫酸铵对炭黑进行液相氧化制备氧化炭黑(OCB),与原始炭黑相比,OCB表面O元素含量增大为11.03%,具有良好的亲水性和耐热稳定性。以OCB为着色剂,通过溶液共混法制备了PA66膜,研究发现随着OCB质量分数增加,OCB平均粒径增大,制备PA66膜的熔融温度、结晶温度、结晶度下降,L~*值减小。当OCB质量分数为0.2%时,PA66膜中较大炭黑团聚体的粒径约为80μm,熔融温度和结晶温度分别为261.2℃和231.1℃,结晶度为18.6%;当OCB质量分数为1.0%时,PA66膜的L~*值为58.10。(2)通过超声分散法制备了PA66盐基炭黑分散体,其较佳制备工艺为聚乙烯吡咯烷酮对炭黑的质量分数为15%,炭黑对体系的质量分数为10%,超声波处理功率为1260W、时间为80 min,该条件下制备PA66盐基炭黑分散体平均粒径184.1 nm,离心稳定性96.20%,放置稳定性91.85%。通过喷雾干燥法制备了自分散炭黑(SPCB),红外光谱曲线上在1150 cm处出现了聚乙烯吡咯烷酮特有的-C-N的特征吸收峰,证明聚乙烯吡咯烷酮成功包覆在炭黑表面。与原始炭黑相比,SPCB具有优异的亲水性和耐热稳定性,在水中自发分散后平均粒径为202 nm。通过高温高压熔融预聚-熔融终聚法制备了PA66母粒,以PA66母粒为着色剂,通过熔融共混法制备了PA66膜,研究发现随着SPCB质量分数的增加,SPCB在PA66基体中均匀分散,制备PA66膜的熔融温度、结晶温度、结晶度下降,L~*值减小。当SPCB质量分数为0.2%时,PA66膜中炭黑粒子的平均粒径约为200 nm,熔融温度和结晶温度分别为259.2℃和230.8℃,结晶度为36.5%;当SPCB质量分数为1.0%时,PA66膜的L~*值为25.22。(3)通过液相氧化法制备了OCB,并通过超声分散法制备了OCB乙醇分散体,其较佳制备工艺为过硫酸铵浓度为1.5 mol/L,氧化温度为60℃,氧化时间为4 h,该条件下制备OCB乙醇分散体的平均粒径为151.7 nm,稳定指数为76.5%。通过溶液沉淀法制备了OCB-PA66盐,并通过固相聚合法制备了PA66母粒。与OCB相比,OCB-PA66平均粒径约为200 nm,其表面N元素含量达到8.4%,X射线衍射的2θ值在20.5°和23.5°出现PA66的特征衍射峰,证明PA66分子链接枝在OCB表面。以PA66母粒为着色剂,通过熔融共混法制备了PA66膜,研究发现随着OCB质量分数的增加,OCB平均粒径增大,PA66膜的熔融温度、结晶温度、结晶度先降低后增加,L~*值减小。当OCB质量分数为0.2%时,PA66膜中炭黑粒子的平均粒径约为200 nm,熔融温度和结晶温度分别为256.8℃和225.5℃,结晶度为31.5%;当OCB质量分数为1.0%时,PA66膜的L~*值为26.03。