张 银，任 煜

(南通大学 纺织服装学院，江苏 南通226019)

高性能纤维是指具有特殊的物理化学结构、性能和用途，或具有特殊功能的化学纤维，一般指强度大于17.6 cN/dtex，弹性模量在440 cN/dtex以上的纤维［1］。高性能纤维特殊的性能及结构特点，使其在国防、工业、环保、医疗等方面应用十分广泛［2］。碳纤维、芳纶、超高相对分子质量聚乙烯(UHMWPE)纤维被合称为当今世界的三大高性能纤维，具有高强高模的力学性能，又兼有某些特殊性能，如耐腐蚀性能、阻燃性能、耐热性能等，因而应用更加广泛［3］。除了这3种高性能纤维外，聚苯硫醚(PPS)纤维、聚酰亚胺纤维、芳香族聚酯纤维等高性能纤维［2］也有广泛的应用。与常规纤维相比，高性能纤维一般都属于难染纤维［2］。作者主要总结分析了高性能纤维中的UHMWPE纤维、芳纶和PPS纤维的染色改性研究进展，为该领域今后的研究发展提供参考。

1 UHMWPE纤维

1.1 UHMWPE纤维的基本性能特点

UHMWPE纤维是在20世纪末由英国利兹大学首先研制成功的，由于其具有强度高、模量高的特点，又被称为高强高模聚乙烯纤维［4］。

UHMWPE纤维是相对分子质量达到1×106以上的聚乙烯纤维，外观为白色，该纤维为伸直链结构且取向度很高［5］。UHMWPE纤维具有密度小、结晶度和取向度高，耐冲击性优异的特点，此外还具有优良的耐磨性、润滑性、耐化学腐蚀性能、耐切割性能、防弹性能等，且在低温下能保持良好的机械性能和柔韧性能［6］。UHMWPE纤维应用广泛，可制成绳索、防护用品、航空航天的结构材料、轻质雷达罩、生物医用材料等［7］。但是，UHMWPE纤维也存在耐高温性差、应力蠕变大、表面粘结性能和染色性能差等缺陷。

1.2 UHMWPE纤维的染色改性

UHMWPE纤维具有高度取向的伸直链结构，在伸直的分子链中没有任何极性的基团，因而其亲水性很差，此外，分子链中没有不饱和键及纤维的高结晶度，使得UHMWPE纤维的表面能低，表面的粘结性能差，染色很困难，这严重影响了纤维的广泛应用。

国内外对于UHMWPE纤维的染色改性方法主要有等离子体改性、辐照接枝改性、偶联剂改性、化学表面染色改性等。徐鑫灿等［8－9］利用介质阻挡放电的等离子体产生装置产生连续等离子体处理UHMWPE纤维，通过改变等离子体处理纤维表面的时间、功率等参数，研究其对UHMWPE纤维染色性能的影响。结果表明，等离子体处理后的UHMWPE纤维的表面出现了明显的刻蚀坑槽，粗糙度也显著增加，表面能增大;等离子体处理后的纤维表面的基团发生了变化，在纤维表面出现了C=O，C—OH等含氧的极性基团，使纤维表面的亲水性得到了改善，因而染色性能也相对提高，且纤维强力下降不大。

I.Enomoto 等［10］采用两种不同气氛(氧气以及碳氟化合物的混合气体)的等离子体处理UHMWPE纤维非织造材料，研究分析了处理后的UHMWPE纤维非织造材料的染色性能以及力学性能。结果表明，氧等离子体处理的UHMWPE纤维非织造材料不能进行深度染色，上染率较低，染色牢度较差;而经过碳氟化合物混合气体等离子体处理，能够进行深度染色，采用的染料可以是酸性染料，也可以是活性染料。该课题组［11］还选取甲基丙烯酸甲酯、丙烯酸和苯乙烯等为接枝单体对UHMWPE纤维进行表面接枝处理，研究接枝前后的UHMWPE纤维的染色性能。结果发现，在3种接枝单体中，丙烯酸接枝后的纤维可进行染色，但是不能进行深染，苯乙烯接枝后的UHMWPE纤维染色效果较好，且在磺化处理后，可染得较深的染色。

张雪霞等［12］将干燥的UHMWPE纤维放入封闭舱高压染色，向其中通入超临界状态的二氧化碳气流，溶解染料，对UHMWPE纤维进行染色，该工艺的优点是整个工艺过程无水、无污染，且染色的色牢度较好。

此外，还有研究学者研究染料及助剂对UHMWPE 纤维染色性能的影响。D.S.Kwak等［13］研究了具有线型结构的、长取代基的二氨基蒽醌蓝色分散染料的取代基长度对UHMWPE纤维染色强度和染色牢度性能的影响。结果表明，染色的强度先增加，直到取代基为戊烷基后又开始减小，而染色牢度则一直增加，直到染料取代基为辛烷基为止。金国周等［14］用匀染剂和导染剂来增加纤维的上染率，采用分散染料或酸性染料染色方法，对UHMWPE纤维进行染色整理，经处理后的纤维上染率明显提高且染色较为均匀。

虽然近年来国内外对UHMWPE纤维染色性能的研究已经有了一定的进展，但是仍然还有很多问题需要去解决。如何提高染色改性处理后纤维的强度，如何降低UHMWPE纤维染色的温度以及固色的温度，如何使UHMWPE纤维具有较高的上染率以及上染牢度等都是在以后的科研以及实践中需要解决的问题。

2 芳纶

芳纶全称为芳香族聚酰胺纤维，指85%以上的酰胺键直接连在苯环上的长链合成的聚酰胺纤维，是一种新型的高分子材料［15］。目前，商业用的芳纶主要有间位芳纶和对位芳纶两种，其中间位芳纶主要有美国杜邦公司的Nomex、日本帝人株式会社的Conex等产品;对位芳纶主要有美国杜邦的 Kevlar，日本帝人株式会社的 Technora、Twaron 等产品［16］。

2.1 间位芳纶

2.1.1 间位芳纶的基本性能特点

间位芳纶即芳纶1313，其化学名称为聚间苯二甲酰间苯二胺纤维。间位芳纶具有优异的耐热性能、阻燃性能和耐辐射性能，分解温度达400℃左右，极限氧指数大于28%;间位芳纶的介电常数很低，电绝缘性极佳，化学结构稳定;此外，间位芳纶是柔性高分子材料，刚度低、伸长大、耐磨性能和抗撕裂性能优异［17－18］。

2.1.2 间位芳纶的染色改性

间位芳纶具有超分子的结构，立体规整性特别好，分子链上存在着大量的酰胺基的芳香环，且其玻璃化转变温度很高，导致了间位芳纶的染色困难［19］。因此，国内外众多的研究学者从多方面研究了间位芳纶的染色改性技术。

王建明等［19］采用高温高压法，选用阳离子染料对间位芳纶进行染色整理，讨论了电解质氯化钠和染色助剂用量对间位芳纶染色性能的影响。结果表明，氯化钠能有效降低阳离子染料与纤维之间的斥力，有利于纤维上染。他还通过研究确定了间位芳纶染色的最佳工艺，并表示染色载体不会影响间位芳纶的阻燃性能。华江楠等［20］从染整设备改进的角度出发，对其能使用的最高温度进行改进，利用改进后的染整设备，采用分散染料对间位芳纶进行染色整理，研究设备改进后的超高温对间位芳纶染色性能的影响。结果表明，采用改进后的超高温染色机对间位芳纶染色时，可获得较好的染色效果，且染色时的载体用量只有原来的1/3，经济效益和环境效益显著。这一研究在一定程度上解决了间位芳纶染色过程中因加入大量载体造成染色成本高、染色污染严重的问题。

也有学者从染料和载体角度出发，研究间位芳纶的染色性能。Zheng Huada等［21］采用3种分散染料和一种载体研究了在超临界二氧化碳气流中间位芳纶的染色性能。结果表明，间位芳纶可在超临界二氧化碳气流中被染色，染色深度随染色温度、压力、时间、染料浓度、CO2流量、载体浓度等的增加而增加，染色的深度还可以通过添加载体来提高;在超临界二氧化碳气流中对间位芳纶进行染色，不影响间位芳纶的化学结构和抗静电性能，且间位芳纶的染色强度较大。E.M.Kim等［22］从染料角度出发，用实验室合成的8种蒽醌染料对间位芳纶进行染色，研究其染色性能和耐洗牢度，分析出了染色效果较好的染料;该学者［23］还研究了膨松剂和电解质作为染料辅助物对间位芳纶染色性能和色牢度的影响。结果表明，膨松剂的使用更利于纤维染色，电解质使阳离子染料的染色稳定性提高，因而间位芳纶的染色性能和色牢度都相对提高。

崔浩然［24］分别从染料、溶胀剂、染色温度、染浴pH值、电解质用量以及染色工艺的选择等几个方面分析了间位芳纶织物的染色性能。结果表明，间位芳纶织物采用阳离子染料、分散染料以及分散阳离子染料，在载体和食盐存在的情况下进行高温高压(130℃)染色，可进行深度染色，但是染色后织物的耐光性较差。

2.2 对位芳纶

2.2.1 对位芳纶的基本性能特点

对位芳纶即芳纶1414，化学名称为聚对苯二甲酰对苯二胺，简称为PPTA，于1971年研制成功［25］。对位芳纶最突出的性能特点是高强度和高模量，耐温性能明显高于间位芳纶，在560℃的高温下不分解且不熔化。对位芳纶的分子比较对称，结晶度高，玻璃化转变温度也高，这些结构和性能特点使其比强度、比模量都很高，并且耐疲劳性能非常优异［26］。对位芳纶广泛应用于航空航天领域、体育用品领域、防护用品领域、传送带材料、轮胎骨架等方面［27］。但是对位芳纶本身为金黄色，且染色困难，因而其制品颜色比较单一。

2.2.2 对位芳纶的染色改性

对位芳纶的分子结构排列十分紧密，结晶度高，氢键多，并且内聚力大，纤维溶胀十分困难，其玻璃化转变温度高达345℃，且分子中不含任何亲水基团，常规染色十分困难［28］。

华江楠等［29］采用超高温染色机，选用分散染料无载体染色，对对位芳纶进行染色整理，研究对位芳纶的染色深度以及色牢度，结果表明，高温对对位芳纶染色的深度和色牢度均有所提高，此研究为无载体染色，环境效益显著。

K.Hirogaki等［30］通过接枝聚合的方法改变对位芳纶表面的基团，选用的接枝单体为含有阴离子基团的、能与纤维表面自由基发生反应的乙烯基单体，一种是丙烯酸的乙烯基单体，另一种是丙烯酸酯的乙烯基单体，改变纤维的染色性能。

王春梅等［31］研究了纤维改性方法、染色方法、染料种类对对位芳纶纱线染色性能的影响。结果表明，经过碱处理改性的纱线用分散染料染色时，130℃的温度下染色60 min可获得较理想的染色效果，且碱处理改性染色对位芳纶纱线的耐洗色牢度较高，但耐升华色牢度不能确定，其与染料品种相关;经酸处理改性的对位芳纶纱线采用阳离子染料染色，120℃的温度下染色60 min有较好的效果，且纱线的耐洗色牢度和耐升华的色牢度都较好。

Lei Leyan等［32］从染色载体角度出发，选择N，N-二乙基间甲苯甲酰胺为染色载体，研究其对对位芳纶结构和染色性能的影响。结果表明，该染色载体不仅可以降低纤维的玻璃化转变温度和取向程度，也可以提高分散染料的水溶解性，从而提高芳纶的上染率;此外，以N，N-二乙基间甲苯甲酰胺为染色载体处理芳纶，对纤维的晶体结构和机械性能均无明显影响，在染色处理中，该染色载体还有利于分散染料在对位芳纶分子的无定形区的扩散，使得芳纶具有较高的染色深度。

张生辉等［33－34］研究了纤维预处理对对位芳纶染色性能的影响，选用了载体处理、机械处理、碱处理对对位芳纶纤维进行预处理，分别分析3种不同的预处理方法对对位芳纶染色深度以及上染率的影响。研究发现，经过载体预处理和机械预处理后，纤维的染色改性明显，染色深度和上染率均有所提高，而碱处理的效果则相对较差。

Xia Dong等［35］采用硫酸对对位芳纶进行预处理，研究预处理对对位芳纶染色性能的影响。结果表明，经过预处理之后的对位芳纶表面粗糙度下降，纤维表面上的活性染料基团也增多，因此提高了对位芳纶的染色性能，通过试验确定对位芳纶预处理的最佳工艺条件为质量分数为2%的硫酸在40℃下处理1 h。

3 PPS纤维

3.1 PPS纤维的基本性能特点

PPS纤维是一种刚性链的高性能纤维，与常规纤维相比，PPS纤维的耐热性和热稳定性更加优异，可在200℃高温下持续使用，且强度几乎无损失，极限氧指数(LOI)为34%，阻燃性能优异。然而其颜色单一，限制了其广泛使用。

3.2 PPS纤维的染色改性

杜高敏等［36］选择苯甲酸苄酯为载体，采用分散染料的载体染色方法研究了PPS织物的可染性。结果表明，PPS纤维在载体处理后，结晶度不变，取向度下降，玻璃化转变温度也下降;织物的上染率达到90%左右，染色后织物的强力损失小，理化性能优异。

Mao Yahong等［37］研究PPS纤维织物分散染料的载体染色，载体为苯甲酸苄酯，结果显示，载体结构、染色温度、染色时间对PPS织物的上染率有很大的影响。

S.A.Pervin 等［38］研究了分散、阴离子和阳离子染料对化学改性的PPS纤维的染色性能。结果表明，浴比为1∶20，染色温度为130℃时，分散染料和阴离子染料对磺化的PPS纤维的上染率达到99%;阴离子染料对氯甲基化-季铵化的PPS纤维也有较高的上染率。

蒲宗耀等［39］采用自制的助剂 STP-A对PPS纤维织物进行前处理，研究处理后的PPS纤维织物的染整工艺。结果显示，分散染料载体染色工艺为载体3 g/L，染料占纤维质量分数2%，浴比1∶30，染色温度120～130℃，染色时间90 min时，PPS纤维及其制品具有较好的染色深度以及色牢度，且染色整理对PPS纤维及其制品的阻燃性无明显影响。

4 结语

随着社会经济的发展，高性能纤维的应用也变得越来越广泛，由于其结构和性能的特殊性，使其具有常规纤维所不具有的优异性能特点，因此被广泛的应用在了航天航空、防护、军事、工业等领域，然而可染性能差严重影响了其更加广泛的应用。因而，对于高性能纤维的染色性能的改进成了必然的趋势。迄今为止国内外的众多学者对上述几种高性能纤维的染色方法进行了研究，如对高性能纤维进行等离子体处理、接枝处理或者对高性能纤维染色工艺进行改进，加入匀染剂、促染剂以及载体等。这些方法在一定程度上解决了高性能纤维染色困难的问题，但是仍然没有达到令人满意的染色效果。

另外，如何提高改性处理后染色纤维强度等仍是以后需要解决的问题。所以，深入研究高性能纤维的染色改性，对于拓宽高性能纤维的应用领域具有深远的意义。

［1］ 罗永文，陈向标.高性能纤维的性能与应用［J］.当代化工，2014，43(4):528 －531.

［2］ 王曙中，王庆瑞，刘兆峰.高科技纤维概论［M］.上海:东华大学出版社，2010:4－7.

［3］ 罗益锋.3大高性能纤维及其应用新动向与对策建议［J］.高科技纤维与应用，2012，37(6):1 －7.

［4］ 郭子贤，王新威，朱加尖.超高分子量聚乙烯膜研究进展［C］.第四届中国膜科学与技术报告会论文集.北京:膜科学与技术，2010:818 －820.

［5］ 余黎明，张东明.国内外超高分子量聚乙烯发展现状［J］.新材料产业，2012(8):35－40.

［6］ 汪家铭.超高分子量聚乙烯纤维产业现状与市场前景［J］.化学工业，2014，32(8):32 －38.

［7］ 花银祥.高强高模聚乙烯纤维(UHMWPE)综述［J］.轻纺工业与技术，2013(5):92－95.

［8］ 徐鑫灿.UHMWPE纤维的染色改性技术研究［D］.杭州:浙江理工大学，2013.

［9］ 徐鑫灿，张顺花.ADBD等离子体处理UHMWPE纤维的强度及染色性能研究［J］.高分子学报，2012(12):1520－1524.

［10］Enomoto I，Mishima K，Kobayashi T，et al.Functionalization of PE nonwoven fabric by plasma treatment to improve dyeing affmity［J］.J Photopolym Sci Technol，2010，23(4):545 －548.

［11］Enomoto I，Katsumura Y，Kudo H，et al.Graft polymerization using radiation-induced peroxides and application to textile dyeing［J］.Radiat Phys Chem，2011，80(2):169 － 174.

［12］张雪霞，章宏伟，杨福康，等.超高分子量聚乙烯有色纤维的生产方法:中国，102587060A［P］.2012－07－18.

［13］Kwak D S，Kim T K.Dyeing of ultra high molecular weight polyethylene fibers with diamino-anthraquinonoid blue disperse dyes having linear long alkyl substituents［J］.Text Color Finish，2012，24(3):180－188.

［14］金国周，李杰昌，成柱鑫，等.超高分子量聚乙烯纤维的染色加工方法:中国，103074786A［P］.2013－05－01.

［15］朱传涛，张曙光，林荣.我国芳纶技术发展现状［J］.化工新型材料，2014，42(1):4 －6.

［16］孔海娟，张蕊，周建军，等.芳纶纤维的研究现状与进展［J］.中国材料进展，2013，32(11):676 －684.

［17］李茂银.芳纶纤维性能研究［D］.长春:长春工业大学，2013.

［18］宋翠艳，宋西全，邓召良.间位芳纶的技术现状和发展方向［J］.纺织学报，2012，33(6):125 －128.

［19］王建明，王鸿晓，谢芳菲，等.芳纶1313染色性能［J］.印染，2009(18):17－19.

［20］华江楠，王树根.芳纶1313的超高温染色研究［J］.毛纺科技，2014，42(2):7 －9.

［21］Zheng Huanda，Zheng Laijiu.Dyeing of meta-aramid fibers with disperse dyes in supercritical carbon dioxide［J］.Fiber Polym，2014，15(8):1627－1634.

［22］Kim E M，Choi J H.Dyeing properties and color fastness of 100%meta-aramid fiber［J］.Fiber Polym，2011，12(4):484－490.

［23］Kim E M，Choi J H.Synthesis of cationized anthraquinone dyes and their dyeing properties for meta-aramid fiber［J］.Fiber Polym，2013，14(12):2054－2060.

［24］崔浩然.芳纶的染色技术［J］.印染，2013(11):46 －49.

［25］张颖.低温等离子体处理对芳纶染色性能的探讨［J］.染整技术，2010，32(12):1 －7.

［26］肖倩倩，张生辉.对位芳纶纤维的染色性能［J］.印染，2014(2):19－21.

［27］刘强，赵领航.芳纶在产业用纺织品中的应用及展望［J］.棉纺织技术，2014，42(6):74 －77.

［28］王剑炜.芳纶/纤维素纤维混纺织物染色工艺及染深性能探究［D］.西安:西安工程大学，2013.

［29］华江楠，王树根.芳纶1414无载体超高温染色［J］.印染，2013(21):1－4.

［30］Hirogaki K，Kitagawa N，Fujita T，et al.Improvement of dyeability of para-aramid fibers using electron-beam-induced graft polymerization［J］.Sen't Gakkaishi，2012，68(8):211 －217.

［31］王春梅，李朝晖，季涛.芳纶1414纱线碱/酸改性的染色工艺［J］.印染，2011(19):28－32.

［32］Lei Leyan，Mao Yahong，Xu Xiaofeng，et al.Effect ofN，N-diethyl-m-toluamide on the structure and dyeing properties of meta-aramid and para-aramid fiber［J］.Color Tech，2014，130(5):349－356.

［33］张生辉，肖倩倩.对位芳纶1414纤维预处理及对染色性能的影响［J］.染整技术，2014，36(9):16 －18.

［34］张生辉，肖倩倩.一种对位芳纶纤维的载体染色方法:中国，103498214A［P］.2014 －01 －08.

［35］Xia Dong，Wang Lijing.Sulfuric acid treatment of aramid fiber for improving the cationic dyeing performance［J］.Adv Mater Res，2012，627(12):243 －247.

［36］杜高敏，郑庆康，宋庆双，等.聚苯硫醚织物的分散染料载体染色［J］.印染，2012(1):9－12.

［37］Mao Yahong，Guan Yu，Zheng Qingkang，et al.Carrier dyeing of polyphenylene sulphide fabric with disperse dye［J］.Color Tech，2012，129(1):39－48.

［38］Pervin S A，Prabu A A，Kim K J.Dyeing behavior of chemically modified poly(1，4-phenylene sulfide)fiber towards disperse，anionic，and cationic dyes［J］.Fiber Polym，2014，15(6):1168－1174.

［39］蒲宗耀，罗艳辉，吴晋川，等.聚苯硫醚纤维织物的染整加工［J］.印染，2010(3):16 －20.