原配色丝纺丝技术研究

汤方明，王玉娟，李文刚，甘学辉，汪 军

(1.江苏恒力化纤股份有限公司，江苏 苏州 215228；2.东华大学 a.纺织学院；b.材料科学与工程学院；c.机械工程学院：上海 201620)

0 引言

随着化纤行业和色母粒行业的发展，促进了原液着色纤维产量的增长。目前，原液着色只能同时在线纺制一种颜色的丝，制约了该技术的进一步发展。原配色丝纺丝方法作为一种新的纺丝技术，属于原液着色纤维，是通过超细纤维混色实现多色化纤的生产。该技术具有原液着色丝色彩艳丽、色牢度高、绿色环保的特点，又克服了其弊端，将给化纤产业打开一片新的天地。

1 传统印染方法的弊端

纺织品染色存在于纺织品生产的各个环节，主要包括丝束染色、散纤维染色、条子染色、纱线染色、织物染色和成衣染色。由于混纺产品生产量较大，如果采用先染后纺，即先将不同品种的纤维或丝束染成相同或不同的颜色再混纺，可能会存在色差或沾色问题，且需要库存多种色纤维，不便管理；而采用先纺后染，即先将不同品种的纤维纺成条子、纱线、织物或制成衣服再染色，则主要存在竞染问题。除此之外，传统印染行业污染严重，生产过程中产生大量的废水、废气[1]，颗粒状的染料如果保管不善，容易发潮、氧化、结块，上色后色泽暗淡且易褪色，如果弥漫到空气中，对人体健康也会造成损害。

随着国家对绿色环保的倡导，出台了一系列行业规范，许多企业不得不关停整改，印染行业转型已迫在眉睫，而劳动力成本、染助剂成本、废弃物处理成本等均大幅度增加，加大了企业运营难度[2]。

2 原液着色纺丝技术

原液着色纺丝技术即在化纤生产的溶液或熔体中加入含有染料的色母粒，通过螺杆挤压机的熔融搅拌，达到充分混合，然后直接纺制出色丝，其色彩艳丽、饱和度高、色牢度高，耐水洗、耐磨损、耐日晒。原液着色丝的生产不产生废水、废气，绿色环保[3]。色母粒是通过把高浓度的颜料和添加剂包含在热塑性树脂中制得，所选树脂能很好地熔和在被着色的材料中，克服了传统印染中使用染料的弊端。

2018世界纤维新材料大会暨第24届中国国际化纤会议中有专家对未来全球纤维增长趋势做出预判，预计增长率将达到2.6%，而化学纤维的年平均增长率将达到3.2%，整体发展趋势如图1所示[4]。化纤行业的发展决定了原液着色丝产量的增长，另一方面，原液着色丝绿色环保特性也符合生态发展的需求，“十三五”期间，国家重点研发计划项目“高品质原液着色纤维开发及应用”正式启动，进一步推动原液着色产业的发展[5]。

通过熔体直纺的方法生产原液着色丝，即在聚合后的聚合物熔体中加入色母粒切片后进行纺丝，目前主要应用于生产需求量较大的黑色丝与半消光商品，品种更换周期长，难以满足多色多品种的要求。而通过切片纺丝的方法生产原液着色丝，更换品种较为方便，但需要大量的过渡料对设备进行清洗，且存在清洗不彻底的问题，生产成本比熔体直纺高10%～20%，极大地限制了原液着色丝的生产。

图1 全球纤维需求增长趋势

3 原配色丝纺丝方法

许多专家学者在努力地解决印染和熔体纺丝中存在的问题，李文刚等利用人眼识别的基本原理，即在一定观察距离下，人眼无法识别一定线密度纤维的颜色，提出一种新的纺丝方法——原配色丝纺丝方法[6]。该方法基于切片纺丝，得益于超细纤维的发展，一根复丝中包含多根不同颜色的超细单丝，而单丝线密度足够小，人眼无法辨别各单丝的色差，从而形成空间混色，得到颜色均一的复丝，层次感细腻，视觉风格独特，该纺丝技术依据的理论是人眼的分辨本领以及颜色混合原理。

3.1 人眼的分辨本领

人眼的光学系统，如图2所示，可看成一个凸透镜，它的前表面有1个孔径可变的光阑，即瞳孔。透镜的物空间为空气(n0≈1)，像空间为玻璃状液体(n0=1.336)。在图2中，相邻两物点A，B经透镜折射后在视网膜上生成两衍射像，它们的中心为A′，B′。A，B和A′，B′对透镜光心的张角θ和θ′应满足折射定律，在傍轴近似条件下写为：

图2 简约眼示意

θ=nθ′

(1)

根据瑞利判断[7]，A和B两点刚好可以分辨时，A′和B′之间的角距离应等于艾里斑的半角宽度，即：

(2)

式(2)中，λ为入射光在真空中的波长，λn为玻璃状液体的波长，瞳孔直径D为2 mm～8 mm。将式(2)代入式(1)得，人眼对两物点的最小分辨角为：

(3)

在式(3)中，如果将λ取作可见光中平均波长550 nm，D取作2 mm，则得：

即人眼的分辨极限角一般认为是1′，假设瞳孔至视网膜间的距离l为22 mm，则视网膜上刚好可辨的两点A′，B′之间的距离为：

5×10-3mm=5 μm

对于单根纤维的直径，如果小于5 μm就超过了人眼的分辨限制。通常情况下单根纤维的直径小于10 μm，人眼就无法分辨，此时2个单根纤维之间完全融合。

3.2 颜色混合

经过大量的研究发现，光的混合规律和颜料的混合规律是完全不同的。因此，为区别起见，人们把光的混合称为加法混色，而把对光具有吸收作用的物质如染料、颜料、滤光片等的混合或叠加称为减法混色。

所谓加法混色，是指各种不同颜色光的混合，分为直接混合加法混色(或叫做同时加法混色)、继时加法混色和空间混色(或叫做并列混色)。其中，直接混合即一般所见的色光相加；继时混色为两个颜色频繁交替作用于人眼的同一部位，如转盘式混色装置；空间混色为一定距离下两个光距离非常小时，人眼无法分辨而产生的混色，如彩色电视机呈色、点彩画或十字绣。光的三原色为红(R)、绿(G)、蓝(B)，将三原色按照一定比例混合，可得到任何一种颜色[8-9]。

所谓减法混色，即有吸光性物体的显色过程。当一束光照到某种颜色的物体上时，该物体吸收了入射光中一定波长的光，将剩余部分反射或透射出去，此反射或透射光即为该物体的颜色，等于入射光的波长减去吸收光的波长。颜料的三原色为青(C)、品红(M)、黄(Y)。

一根原配色丝由多根不同颜色的单丝组成，单丝之间的混合符合减法混色，而复丝外表面不同部位呈现出的色光，由于距离较近，又会产生空间混合，符合加法混色。

3.3 原配色丝的优势

通过将原色纤维中两种或多种在数量上按不同比例混合视觉上获得几十种到几百种等色纤维，特别对于象灰、草绿等敏感色的优势尤其明显，可根据需求完成小批量、多品种的产品生产。

在性价比方面，纺织品印染吨价为5000元～10 000元，而原配色丝每吨成本为300元～1000元，经济效益非常可观。

4 结语

纵观整个化纤市场，需求量稳中有升。然而化纤及其织物的染色方法，仍以印染和熔体色纺为主，这两种方法都存在一定弊端，制约了化纤产量的进一步发展。新型纺丝方法——原配色丝纺丝具有熔体色纺的优势，同时克服了熔体色纺和印染中的问题，仅用几种颜色的色母粒即可纺出上百种颜色的化纤丝，极大地降低了生产成本，经济价值和环保价值较高,且其所纺化纤色牢度高，耐水洗、耐磨损、耐日晒，颜色均匀、层次细腻，视觉风格独特。