宋吉贤，江华，崔志华，陈维国

摘 要：间位芳纶是一种新型高科技合成纤维，因具有极好的耐热性、阻燃性和稳定性而被广泛应用于阻燃服、军事、航空航天等领域。然而芳纶高分子链间作用力大、纤维结晶度高、纤维表面化学惰性强，使染料分子难以进入纤维内部或与纤维结合，导致芳纶染色性较差。目前，主要从两方面改善芳纶染色难题：通过提高温度、加入载体或改用非水染色介质等手段开发新型染色工艺提升染料上染率;对芳纶进行改性以提升芳纶可染性。文章对间位芳纶的着色技术现状进行综述，简要介绍了各类染色方法的基本原理及研究进展，重点阐述了芳纶结构与染色性能的关系，并总结了各染色方法所面对的挑战及应用前景。

关键词：间位芳纶;纤维改性;着色方法;机理;展望

中图分类号：TS193.5

文献标志码：A

文章编号：1009-265X（2022）02-0009-09

Research progress of coloring technology for meta-aramid

SONG Jixian1， JIANG Hua1，2， CUI Zhihua1，2， CHEN Weiguo1

（1.Engineering Research Center for Eco-Dyeing & Finishing of Textiles， Ministry of Education，Zhejiang Sci-Tech University， Hangzhou 310018， China;

2.Shangyu Industrial Technology ResearchInstitute， Zhejiang Sci-Tech University， Shaoxing 312300， China）

Abstract： Meta-aramid is a new-type high-tech synthetic fiber widely used in flame-retardant clothing， military， aerospace and other fields due to its superior heat resistance， flame retardance and stability. However， it is hard for dye molecules to enter the fiber or combine with the fiber because of strong interaction between the aramid polymer chains， high fiber crystallinity， and strong chemical inertness on the fiber surface， resulting in poor property of aramid dyeing. Currently， aramid dyeing issues can be addressed by two means： develop new-type dyeing processes to improve the dye-uptake by increasing temperature， adding a carrier or using non-aqueous dyeing media instead; improve the dyeability through aramid modification. This paper reviews the current status of meta-aramid coloring technology， briefly introduces the fundamental principles and research progress of a variety of dyeing methods， specifically elaborates on the relationship between aramid structure and dyeing properties， and summarizes the challenges and application prospects of these dyeing approaches.

Key words： meta-aramid; fiber modification; coloring method; mechanism; prospect

芳纶，即“芳香族聚酰胺纤维”，属于高性能纤维，包括对位芳纶和间位芳纶。其中，间位芳纶（亦称芳纶1313）是由杜邦公司于20世纪60年代所研制并于1967年推向市场的，商品名为Nomex[1]。间位芳纶具有优异的耐热性、阻燃性、耐酸碱稳定性、电绝缘性和抗辐射等性能，对还原剂、漂白剂、有机溶剂等非常稳定，适于制作消防服、防火帘、宇航服、客机装饰织物、高温及腐蚀性场所用品等。目前，芳纶纤维的生产主要集中在美国、日本和欧洲一些国家[2]。2019年全球芳纶年产量为12.55万吨，其中间位芳纶约4万吨[3-4]。近年来，中国市场对芳纶需求量逐渐增大，但本土产量较低，对进口产品依赖较强。2019年中国芳纶年产量仅为1.2万吨，其中间位芳纶约1万吨[3]。

间位芳纶优异的性能源于其特殊的结构。间位芳纶即聚间苯二甲酰间苯二胺纤维，是由单体1，3-苯二胺和1，3-苯二酸缩聚后纺丝所得（见图1），其大分子主链由酰胺键和芳香环交替连接组成，呈锯齿状排列，分子间存在大量氢键，而芳环则极大增強了分子间的范德华力。因此，间位芳纶具有结构规整、结晶度高、玻璃化转变温度高的特征。

纺织品用芳纶需要有多种颜色才具有市场价值。当前，芳纶主要采用分散染料[5]或阳离子染料进行染色[6]。但无论是对位芳纶还是间位芳纶，都存在结构规整、结晶度高且化学惰性强等特点，使得染料分子难以进入纤维内部或与纤维结合，较难获得理想的着色深度，从而极大地限制了其在服用领域的应用。为解决芳纶染色难题，国内外学者进行了大量研究。针对芳纶的结构特征，改进染色工艺，开发了超高温染色、载体染色和溶剂染色等方法;从纤维制造过程中寻找赋予芳纶颜色的机会，开发了共聚改性染/着色、共混改性染色、原液着色、表面处理或接枝改性后染色等方法。目前，对芳纶染色的研究报道主要集中在间位芳纶领域。本文简要介绍了各类未改性间位芳纶染色法和间位芳纶改性着色法的原理、性能及相应的研究进展，并对各类染色方法的应用前景进行了展望。下文中未特殊说明时，芳纶均指间位芳纶。

1 未改性芳纶的染色方法

1.1 超高温染色法

芳纶特殊的结构使其玻璃化转变温度高达270 ℃，远高于涤纶等纤维，因此采用常规的高温高压染色法（130 ℃）染色时很难将纤维打开来容纳大量的染料分子。显而易见的改进方法便是进一步提升染色温度，通过增加纤维大分子链段运动程度来增加染料上染量。朱利锋等[7]的研究表明，随着染色温度的升高，可以显著提升分散染料对芳纶的上染率。不过即使温度升至180 ℃，芳纶仍然不能达到透染的效果。华江楠等[8]的研究结果也证实，染色温度超过130 ℃确实可以提高染色深度，但另一方面，对染料的耐高温稳定性也提出了要求。诸如分散红玉5BL、分散嫩黄SE-4GL和分散深蓝HGL等受高温褪色的染料并不适合超高温染色法。根据染色原理，染色温度高于纤维玻璃化温度时可以获得满意的染料上染率。然而，芳纶的玻璃化转变温度极高，在染整行业采用相当温度以达到或接近芳纶玻璃化转变温度暂不现实。另外，单纯依靠提升染色温度来改善芳纶染色效果时，还需配套筛选或研发耐超高温型染料。

1.2 载体染色法

针对芳纶玻璃化转变温度过高致使染色困难的问题，在染色过程中使用载体可以有效改善染色效果。其原理是相对分子质量较小、与芳纶结构类似的载体在染色高温条件下可以抢先进入纤维内部，破坏纤维间氢键等弱作用力，显著提高芳纶溶胀程度，既能加快染料在芳纶内部的扩散速率，又能显著增加纤维对染料的吸收量，从而提高染色深度。由于载体主要作用于纤维的非晶区，对结晶区影响有限，因此，载体对芳纶的热性能和力学性能等影响有限。梁萍等[9]和刘昭雪等[10]的研究结果均表明，具有与芳纶相似结构的载体Cindye Dnk对芳纶具有很好的溶胀作用，能显著改善分散染料对芳纶的透染性。赵晶等[11]自制的载体CZ-12也具有很好的提升分散染料染色芳纶织物色深度的作用。张帅等[12]则验证了载体EA-1对提高得色量的作用。Sheng等[13]创新性地使用2-苯氧基乙醇为载体，实现了间位芳纶在95 ℃染色的目的。另一方面，载体与分散染料之间也存在相互作用，且该作用也具有促进上染的能力。许晓锋等[14]的研究结果表明，载体DEET对分散蓝2BLN和分散金黄SE-5R具有显著的增溶作用，增加了分散染料在芳纶上的分配系数、平衡吸附量和染色亲和力，最终达到促染效果。

采用阳离子染料染色时，加入电解质可以降低染料与芳纶间的正电荷排斥力，进一步促进纤维对染料的吸附及染料在纤维内部的扩散[15]。王建明等[16]的研究结果表明，电解质氯化钠和载体POE联合使用时表现出良好的协同作用，使染色芳纶的色深值提升效果更为显著。冯继红等[17]的研究结果则证实电解质氯化钠和载体AC-101的协同使用对提升阳离子染料染色芳纶织物的色深有显著作用。

载体染色法因被认为是一项节能降耗技术而受到广泛关注。但现阶段载体染色法仍然存在一些问题亟待解决。例如，使用的载体大多存在刺激性气味或有毒、载体乳化较难、使用量较大以及染后织物上的大量残留载体不易除去等。低毒、价廉、高促染和可回收将是芳纶染色用载体的重要研究方向。

1.3 溶剂染色法

芳纶作为一种疏水性合成纤维，当采用分散染料染色时，染料结构中由于不含水溶性基团，其在水中的溶解度极小，在使用过程中通常以聚集态形式存在，不利于染料对芳纶的上染。为解决此问题，可以采用非水溶剂作为染色介质对芳纶进行染色。染料和纤维均会受到溶剂的影响。其中，非水溶剂可以较好地溶解染料，使染料成为单分子状态，易于进入纤维内部。纤维也会因溶剂作用而增大溶胀程度，促使染料进入纤维内部，提升染料上染率。Preston等[18]用吡啶作为染色介质对芳纶染色，获得了色深度优异的织物。溶剂法染色几乎不使用水，具有省水少水的优点，但吡啶等常规有机溶剂大多具有一定的毒性，且较难回收，增加了染色成本。为解决该问题，科研工作者又进一步提出了超临界CO2染色法和离子液体染色法。

1.4 超临界CO2染色法

超临界CO2是指温度和压力均高于其临界点的特殊流体。采用该流体作為染色介质时可以增大染料的溶解性并使纤维膨胀，增加染料在纤维上的扩散程度，提升上染率。Kim等[19]采用分散染料对间位芳纶进行超临界CO2染色，在150 ℃、30 MPa的染色环境下得到了具有较高表观色深的芳纶。Zheng等[20]在Kim的研究基础上将载体Cindye Dnk加入到分散染料中，结果表明，超临界CO2染色体系中载体对芳纶同样具有较好的膨化效果，且该体系降低了芳纶纤维的玻璃化转变温度，所染织物的K/S值可提升五倍左右。刘轩等[21]选用了自制载体MZ-3对间位芳纶纱线染色也再次证实了超临界CO2染色体系中载体对染色效果的促进作用。超临界CO2染色具有操作简单、工艺流程短、节能环保等优点，但工艺所需设备要求高且价格贵，对于芳纶的染色暂未实现工业化生产。

1.5 离子液体染色法

用作染色介质的离子液体特指由阴离子和阳离子组成的熔点低于100 ℃的盐。染色时离子液体可以较好地溶解染料，并对芳纶有一定刻蚀效果，使芳纶表面粗糙度变大，为离子型染料提供更多的吸附和上染位置，增强染色性能[22]。Opwis等[23]将阳离子型染料溶解在1-乙基-3-甲基咪唑乙基硫酸盐中对芳纶进行染色，其中，无定形芳纶在120～140 ℃时即可染得较深颜色，结晶型芳纶在180 ℃时也能获得相当色深。该染色方法无需另加载体或其他化学助剂，染色过程简便，得色量高、透染性好，但离子液体对芳纶表面产生的刻蚀作用会使织物机械性能受到一定损伤。

通过改变染色工艺获得的各芳纶染色方法优缺点见表1。

2 芳纶改性着色法

2.1 共聚改性染/着色法

共聚改性是指纤维用高分子在合成过程中加入第三单体，使所合成高分子链中包含有一定程度的其他结构，从而使所制造的纤维性质发生改变。例如，Li等[24]在聚间苯二甲酰间苯二胺的合成过程中加入3，4′-二氨基二苯醚，在低温N，N-二甲基乙酰胺溶液中通过缩聚反应合成了含醚键的间位芳纶共聚物（见图2）。芳纶引入醚键后，纤维间氢键、范德华力等作用力减弱，染色时纤维高分子链段运动加剧，从而提高染料上染率。

采用上述共聚改性方式所得芳纶称之为易染色间位芳纶，仍然需要使用额外染料进行染色。若在共聚改性过程中添加有色单体，则可直接获得有色芳纶，无需额外染色。Trigo-López等[25]设计了一种蓝色芳香二胺单体，并将其加入聚间苯二甲酰间苯二胺的合成过程中，合成得到蓝色间位芳纶（图3），通过调节发色团单体的用量还可实现色调的变化。在共聚改性中加入的第三单体实际上改变了芳纶的结构，第三单体含量越高、分子结构越大，对芳纶结构的规整排列影响也越大，从而对芳纶的机械性能会产生一定影响。

2.2 共混改性染色法

聚合物共混是指两种或两种以上的均聚物或共聚物经混合制成宏观上均匀的材料的过程。共混改性通过在纺前加入小分子粒子或高聚物，破坏大分子规整性来提升芳纶染色性能。梁冰等[26]在聚间苯二甲酰间苯二胺浆液中分别加入蒙脱土和超支化聚合物两种改性剂制备出改性芳纶。超支化聚合物中极性基团和芳香环会增加染料分子对纤维的亲和力，蒙脱土则会破坏芳纶大分子规整性，使得纤维与染料的可染性提高。在纺丝浆液中添加质量分数为10%的端羧基超支化聚酯时，阳离子染料对改性芳纶的上染率达98%，比常规芳纶的上染率提高134%;玻璃化转变温度降低6 ℃。共混改性条件温和，操作简便，对设备要求不高，具有工业化生产前景[27]。

2.3 原液着色法

原液着色法是指在纺丝溶液或熔体中加入着色剂，得到有色聚合物或熔体，经纺丝直接制成有色纤维。目前，生产原液着色纤维主要采用色母粒法和色浆法。色母粒是指超常量颜料均匀地载附于树脂上而制成的聚集体。色母粒法是根据纤维的色度要求，在纺丝过程中添加色母粒和其他助剂得到有色纤维的方法。色浆法是将着色剂（颜料/染料）、分散剂和溶剂等混合制成液态色浆，添加至原液中来生产有色纤维[28]。刘立起等[29]用色浆法制备出有色间位芳纶，当颜料含量为3%时就能赋予着色纤维较好的染色深度。纺丝条件對原液着色纤维的颜色获取具有较大影响。纺丝后形成纤维原丝，形态结构还未成型，控制其干热拉伸程度可以调节纤维取向度，从而提升染色性能。张媛婧等[30]的研究结果表明，当拉伸倍数为3.2时，纤维内部的结晶结构遭到明显破坏，取向度大幅降低，K/S值达到最大。

原液着色法工艺流程短，成本低，可以生产出具有较好色深和色牢度的芳纶，省去了后道染色工序，适用于大批量工业化生产，但与纺织服装领域小批量制作、快速反应等需求不匹配。

2.4 湿态纤维染色法

一般来说，经历完整制造工序的芳纶大分子链高度取向和结晶，且由于苯环的位阻效应，纤维表面几乎没有可以与染料反应的基团，难以与染料结合。而纺丝后未烘干的湿态纤维中由于含有大量与纤维以氢键结合的水分子而使得大分子间作用力较低，规整性较差，大分子链之间空隙较大，纤维处于一种开放状态，染料分子易于进入和扩散，染料上染率可以提高。虽然目前尚未见采用该种方法对间位芳纶进行染色的研究报道，但Kosuge等[31]和林琳等[32]的研究结果已证实对位芳纶在纺丝后湿态时染色具有显著的增深作用，染色芳纶的K/S值随未干纤维含水率的增大而大幅提升。因此，湿态纤维染色法也是间位芳纶的潜在染色方法。

2.5 高能射线辐照预处理染色法

采用X射线等高能电子束处理芳纶，可以使芳纶表面分子间氢键和分子主链上酰胺键部分断裂，并与空气中的氧元素发生反应，而引入新的活性基团[33]。辐照处理还可以破坏纤维表面的规整取向和结晶结构，增加表面粗糙度，从而提升芳纶吸附染料的能力。Kim等[34]在O3氛围下采用紫外线辐射间位芳纶薄膜，使薄膜表面的粗糙度从236.5 nm增加到408.9 nm。随着紫外线能量的增加，水接触角从49.8°下降到29.9°，润湿性得到提高，从而增加了对阳离子染料的可染性。Chang等[35]采用X射线和紫外光对芳纶纤维进行改性，经处理后，纤维表面亲水性增加，在纤维表面引入了更多的含氧官能团，增加了芳纶表面活性，从而提高了染色性能。

高能射线辐照处理方便环保，对环境无污染，是一种较好的改性方式。但当辐照强度过大时或紫外辐射波长不合适时会损伤纤维的本体结构[36]，从而降低纤维强度，影响后续应用。

2.6 等离子体预处理染色法

等离子体是由离子、电子以及未电离的中性粒子集合组成的离子化气体状物质，分为高温和低温等离子体两种，通常用于处理纤维的是低温等离子体[37]。低温等离子体可以使芳纶表面产生物理刻蚀和化学改性作用，导致芳纶的分子结构等发生变化，从而提升其染色效果。Xi等[38]采用空气介质阻挡放电等离子体改性芳纶，改性后的芳纶表面产生凹槽，粗糙度增大，表面能提高;此外，芳纶表面上还产生了一些含氧基团，提升了纤维的浸润性与可染性。沈丽等[39]用空气等离子体处理间位芳纶，然后进行涂料印花研究，进一步论证了等离子体处理对间位芳纶的刻蚀作用，而间位芳纶纤维表面新增的羟基和羧基等基团，则提升了对阳离子染料亚甲基蓝的吸附能力。但是，对于等离子体对纤维的物理蚀刻和化学改性，其效果会随着储存时间的延长而下降，即发生老化。Wang等[40]采用等离子体诱导气相接枝聚合方法，将纤维在不同的等离子体条件下进行预处理，然后在纤维表面接枝丙烯酸，有效解决了等离子体表面改性的老化问题。等离子体处理芳纶是一个环保简便的过程，但处理效果存在时效性问题，且对纤维机械性能产生一定影响。

2.7 溶剂预处理染色法

溶剂预处理是指采用各种有机溶剂在染色前对芳纶进行预处理，使纤维溶胀，改变纤维形态结构，降低纤维的取向度与结晶度等，从而为后续染料的上染做好准备。Moore等[41]的研究结果表明，二甲基甲酰胺、二甲基乙酰胺和二甲基亚砜等溶剂处理芳纶后，聚合物链取向丧失，形成空隙，随后采用阳离子染料染色时，芳纶染色性能大幅提高。Wang等[42]的研究结果表明，经各类有机胺试剂处理的间位芳纶也得到较好溶胀，分子间作用力大幅减弱，其中三乙烯四胺处理后的纤维表面粗糙度最高，染色效果最好。Han等[43]合成了由[2-（甲基丙烯酰氧基）乙基]三甲基氯化铵衍生的二嵌段共聚物并采用该溶液对间位芳纶织物进行预处理，后应用于纤维的酸性染料染色。共聚物在芳纶纤维表面产生正电荷，与酸性染料的阴离子基团间存在强的吸引力。染色后，预处理过的纤维显示出比未处理过的纤维更高的颜色深度且色牢度更好。滕芝盈等[44]的研究结果表明，二甲基乙酰胺预处理后的间位芳纶纤维发生了氢键重排与结晶重排，降低了芳纶结晶度，从而可极大提升分散染料对芳纶的上染率。

2.8 试剂表面处理染色法

强酸强碱等试剂可以刻蚀芳纶表面，使得芳纶表面粗糙度增大，从而吸附更多染料分子，提升芳纶染色性能。张帅等采用多聚磷酸对间位芳纶纤维进行表面改性后染色，多聚磷酸处理使染色织物的表观得色量和上染率明显提高。朱大勇[45]用氯化钙乙醇溶液和多巴胺水溶液对芳纶进行改性处理，其中氯化钙能与芳纶发生络合反应，处理后纤维的氢键被破坏，芳纶表面刻蚀出凹槽，粗糙度增大。当多巴胺水溶液处理纤维时，多巴胺能够发生自聚反应而使纤维表面沉积一层聚多巴胺涂层，使纤维表面粗糙度增大，表面活性基团增加，染料与纤维的结合力增大，利于染色。Xia等[46]的研究结果表明硫酸可以使对位芳纶的酰胺基分解，形成羧基、氨基和羟基等极性基团，使得芳纶的反应活性增大，染色更容易，因此，硫酸也可作为提升间位芳纶染色性能的处理试剂。

经试剂预处理后的芳纶具有更好的染料吸附能力，且染色芳纶的耐水洗牢度和耐摩擦牢度更好。但该类试剂对人类健康存在威胁，染色后需以大量水来洗除纤维上试剂，存在试剂难回收、不环保、成本高等问题。

2.9 接枝改性染色法

接枝法是以某些活性基团为桥基，将具有特定结构的功能性分子与纤维以化学键相结合，从而达到功能改性的目的。主要包括化学接枝及等离子体、辐射、紫外光等引发的接枝[47]。Kim等[48]采用光引发接枝法，用二甲氨基丙基甲基丙烯酰胺单体和二苯甲酮引发剂在连续紫外光照射下对间位芳纶织物进行接枝。接枝物所携带的仲氨基可与染料以共价键结合，织物表观色深的增长率与接枝率成正比。经C.I.活性红84染色后，接枝芳纶织物的K/S值为14.8，接枝率为7.6%（w/w）。Sa等[49]采用化学接枝法，将多巴胺自聚合在间位芳纶纤维表面，形成薄的、表面粘附的聚（多巴胺）膜。后使用环氧官能化硅烷在聚（多巴胺）涂覆的芳纶表面进行接枝。接枝后，纤维表面引入了环氧基团，增加了表面活性与极性，染料与纤维结合力增大，染色性能得到一定提升。

对芳纶进行接枝改性后染色，不仅可以使染料牢固结合在芳纶上，还可以根据需求接枝其他功能性分子，以改善芳纶的亲疏水性、黏接性等，但接枝过程可能会对芳纶本身产生一定损伤。

2.10 超声波-微波联合处理染色法

超声波对芳纶的影响来源于声波在作用期间形成的微气核空化泡崩溃而产生的空化作用[50]，超声波处理的芳纶表面可以产生深浅、大小不一的坑穴，从而大幅提升芳纶对染料的吸附能力[51]。微波辐射则可以增强染料分子在芳纶中的扩散，提高染料在芳纶染色中的上染率和固色率等性能。超声波-微波辐射联合处理体系可大幅提升织物的渗透性，并有助于将染料大颗粒碎裂成均匀的分散体，从而确保染料在织物上的良好吸收。Amesimeku等[52]采用超声波-微波辐射联合反应体系对間位芳纶织物进行阳离子染料染色，并加入Cindye vas载体进一步增强了芳纶织物的溶胀能力，获得很好的染色效果。超声波处理新技术具有方便、迅速、有效、安全等特点，但过强的空化效应有可能对芳纶表面产生一定损伤。

虽然芳纶在改性后的染色性得到了较好提升，但芳纶本身的结构性质也不可避免受到了一定损伤[53]，同时部分方法存在设备不完善、试剂不友好等问题，从而不利于各类改性染/着色方法的工业化应用。当前，仅有原液着色法进入到工业化应用。芳纶的各类改性着色法的特性与不足见表2。

3 结 语

针对芳纶难染问题，无论是改进染色工艺，还是对纤维进行改性，其最终目标都是提升芳纶上的染料量。鉴于当前芳纶着色技术现状，针对芳纶着色的基础理论研究尚需进一步加强，以期在高色深着色机制上取得突破，为制备高色深芳纶提供理论依据。现阶段，着色芳纶的色牢度经常达不到令人满意的等级，且多数染色方法存在纤维损伤问题，这同样会影响芳纶的服用发展前景。如何平衡芳纶的着色能力与纤维性能之间的关系，是需要解决的问题。此外，当前用于芳纶着色的染料基本来源于现有商品染料的筛选，针对性设计开发芳纶着色用染料及染/着色体系也应当是未来研究方向。

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