TWI843691B

TWI843691B - 可染色纖維及其製備方法

Info

Publication number: TWI843691B
Application number: TW112151537A
Authority: TW
Inventors: 王惠民; 陳鈺婷; 陳俊智; 張昌榮
Original assignee: 財團法人工業技術研究院
Priority date: 2023-12-29
Filing date: 2023-12-29
Publication date: 2024-05-21
Also published as: TW202526122A; CN120231139A

Abstract

本揭露提供一種可染色纖維及其製備方法。可染色纖維包括聚丙烯以及聚烯烴改質共聚物。聚烯烴改質共聚物具有至少一個醯胺基，選自以下式(I)至式(IV)的結構：

Description

可染色纖維及其製備方法

本揭露是關於一種纖維及其製備方法，且特別是關於一種可染色纖維及其製備方法。

聚丙烯(Polypropylene，PP)纖維是目前唯一以煉油的副產品開始合成的材料，其紡絲與染色溫度低，與目前主流聚酯及尼龍纖維原料相比，具有較低的碳排放量與能源消耗。然而，聚丙烯纖維並非極性特性，目前只能採原液染色(Dope-Dyed)，所獲得纖維雖然具有耐水洗、成本低、環境污染小等優點，但僅適宜大批量生產，仍存在色澤不鮮艷、換色損耗大等缺點。受限於染色技術無法突破，水洗色牢度差，因此，致使聚丙烯纖維難以進入色彩性高的流行衣著紡織品市場，也難以適應服裝色彩變化迅速的時尚行業。

傳統的聚酯共混接枝改質技術中，利用添加聚丙烯-馬來酸酐接枝共聚物( Polypropylene-g-Maleic Anhydride，PP-g-MA)，將聚酯纖維(Polyester，PET)與PP進行熔融共混，採分散染料型式進行染色。此傳統技術多存在不同程度的性能缺陷，如色牢度低、紡絲性差、纖維強度差、無法進行細丹紡絲以及無法實現工業化等缺點。

因此，發展出一種可染色的聚丙烯纖維及其製備方法，以提升可染性並強化水洗色牢度，進而符合色彩性高的流行衣著紡織品市場需求，為目前業界的重要課題。

本揭露提供一種可染色纖維及其製備方法，透過聚烯烴改質共聚物與聚丙烯共混，賦予聚丙烯纖維與酸性染料結合的低溫可染性，進而提升水洗色牢度，以達商業化之3至4級標準。

本揭露的可染色纖維包括聚丙烯以及聚烯烴改質共聚物。聚烯烴改質共聚物具有至少一個醯胺基，選自以下式(I)至式(IV)的結構：在式(I)至式(IV)的結構中，R獨立地為H或C2至C16烷基，n獨立地為2至5的整數，p獨立地為23至224的整數，q獨立地為19至210的整數。

基於上述，本揭露提供一種可染色纖維及其製備方法，採聚烯烴類馬來酸酐共聚物進行胺化改質，將醯胺基反應至聚烯烴聚合物側鏈，再與PP進行熔融共混，接著以酸性染料進行染色。側鏈引入醯胺基可與酸性染料以化學離子鍵結，色牢度高且共混共聚物之相容性與紡絲性均佳。

以下，將詳細描述本揭露的實施例。然而，這些實施例為例示性，且本揭露不限於此。

在本文中，由「一數值至另一數值」表示的範圍，是一種避免在說明書中一一列舉該範圍中的所有數值的概要性表示方式。因此，某一特定數值範圍的記載，涵蓋該數值範圍內的任意數值以及由該數值範圍內的任意數值界定出的較小數值範圍，如同在說明書中說明文寫出該任意數值和該較小數值範圍一樣。

於本揭露之上述式(I)至式(IV)的結構中，R可獨立地為H、C2烷基、C3烷基、C4烷基、C5烷基、C6烷基、C7烷基、C8烷基、C9烷基、C10烷基、C11烷基、C12烷基、C13烷基、C14烷基、C15烷基或C16烷基，但本揭露不限於此。n可獨立地為2、3、4或5，但本揭露不限於此。p可獨立地為25至220的整數、30至200的整數、40至180的整數、50至150的整數、60至120的整數等，但本揭露不限於此。q可獨立地為20至200的整數、30至180的整數、40至160的整數、50至150的整數等，但本揭露不限於此。

於本揭露之一實施例的上述式(I)至式(IV)的結構中，R可獨立地為H，n可獨立地為3，p可獨立地為23，且q可獨立地為19。更詳細而言，在式(I)或式(II)的結構中，R可獨立地為H，n可獨立地為3，p可獨立地為23，且q可獨立地為19，即可分別以下文製備例1以及製備例2的化合物1(簡稱為r-PE-4N)及化合物2(簡稱為r-PE-2N)之化學結構表示。

於本揭露之一實施例中，聚烯烴改質共聚物可選自以下具體結構，但本揭露並不以此為限：。

於本揭露之一實施例中，以可染色纖維的總重量為100 wt%計，聚丙烯的含量可為80 wt%至95 wt%，聚烯烴改質共聚物的含量可為5 wt%至20 wt%。於上述可染色纖維中，以可染色纖維的總重量為100 wt%計，聚丙烯的含量例如可為82 wt%、85 wt%、87 wt%、88 wt%、90 wt%、92 wt%、93 wt%、94 wt%等，但本揭露不限於此。而於上述可染色纖維中，以可染色纖維的總重量為100 wt%計，聚烯烴改質共聚物的含量例如可為6.5 wt%、8.5 wt%、10 wt%、12.5 wt%、15 wt%、17.5 wt%、19 wt%等，但本揭露不限於此。

於本揭露之一實施例中，可染色纖維適用於酸性染料染色，染色溫度可為70℃至100℃，例如可為72℃至98°C、75℃至95°C、80℃至90°C等，但本揭露不限於此。上述酸性染料包括LN-183、LY-181、LR58或前述之組合，但本揭露不限於此。

於本揭露之一實施例中，可染色纖維的製備方式為：先將聚烯烴類馬來酸酐共聚物進行胺化改質，將醯胺基反應至聚烯烴聚合物的側鏈，再與聚丙烯進行熔融共混，接著以酸性染料進行染色。其中，於側鏈引入醯胺基可與酸性染料採化學離子鍵結，進而增加色牢度。以及，聚烯烴與聚丙烯之共混共聚物的相容性及紡絲性均佳。酸性染色的原理主要是以陽離子基團作為結合錨，以與帶負電的基團(酸性染料中的磺酸根基團)建立離子鍵，如以下化學式所示：

於本揭露之一實施例中，可染色纖維的製備方法包括以下步驟。首先，以聚烯烴類馬來酸酐共聚物進行胺化改質，以獲得聚烯烴改質共聚物，聚烯烴改質共聚物具有至少一個醯胺基，選自以下式(I)至式(IV)的結構：在式(I)至式(IV)的結構中，R獨立地為H或C2至C16烷基，n獨立地為2至5的整數，p獨立地為23至224的整數，q獨立地為19至210的整數。接著，將聚丙烯與聚烯烴改質共聚物以熔融紡絲方式紡製，以製成可染色纖維，熔融紡絲方式包括以單螺桿、雙螺桿或其組合進行共混。

在本揭露之一實施例中，聚丙烯與聚烯烴改質共聚物例如是以80 wt%至95 wt%與5 wt%至20 wt%的重量百分比進行熔融紡絲。在熔融紡絲方式中，紡絲溫度可為220°C至250°C，例如可為222°C至248°C、225°C至245°C、230°C至240°C等，但本揭露不限於此。紡絲速度可為800 m/min至3000 m/min，例如可為900 m/min至2800 m/min、1000 m/min至2600 m/min等，但本揭露不限於此。

於上述可染色纖維的製備方法中，適用的R、n、p、q範圍、適用的聚丙烯與聚烯烴改質共聚物的重量百分比(wt%)、適用的熔融紡絲溫度及速度如上述內容所示，於此不再贅述。

在本揭露之一實施例中，聚丙烯與聚烯烴改質共聚物是以85wt%與15 wt%進行熔融紡絲，紡絲溫度為235°C，紡絲速度為1000 m/min。舉例而言，在例如以下文製備例1以及製備例2的化合物1(簡稱為r-PE-4N)及化合物2(簡稱為r-PE-2N)的實施例中，分別可以85wt%與15 wt%進行熔融紡絲，紡絲溫度為235°C，紡絲速度為1000 m/min。

在本揭露之一實施例中，聚烯烴改質共聚物是以聚烯烴類馬來酸酐共聚物進行胺化改質而獲得。更具體而言，本揭露合成兩種聚烯烴胺化化合物(r-PP-4N、r-PP-2N)，引入胺基基團，增加可與酸性染料結合之染色官能基數量，化學反應式如下所示，但本揭露並不以此為限。在反應式1中，縮合劑例如是TPP，反應溫度例如是120℃至180℃。在反應式2中，反應溫度例如是180℃至200℃。反應式1 反應式2

以下，藉由製備例與實驗例來詳細說明上述本揭露的可染色纖維及其製備方法。然而，下述實驗例並非用以限制本揭露。 製備例

為了證明本揭露所提出的可染色纖維及其製備方法可改善低溫可染性，並提升水洗色牢度，以下特別列示相關製備過程與測試。 製備例 1 ：化合物 1( 簡稱為 r-PE-4N) 的製備

取5 g (0.04 mol)的聚乙烯接枝馬來酸酐 (Poly(ethylene-alt-maleic anhydride)，PEMA)、6.1 g (0.06 mol)的N,N-二甲基-1,3-二氨基丙烷(N,N-Dimethyl-1,3-propanediamine，DMAPA)及20 ml的甲苯(Toluene)加入一反應瓶中。接著將反應瓶升溫至120℃反應18小時。冷卻至室溫且有固體析出時，將反應液倒入正己烷中靜置以繼續析出產物，所得產物經過濾清洗後於80℃烘箱內乾燥，獲得白色固體粉末中間產物4.7 g。

取10.2 g (0.05 mol)的中間產物，51 g (0.5 mol)的N,N-Dimethyl-1,3-propanediamine、15.51g (0.05 mol)的TPP(Triphenyl phosphite，亞磷酸三苯酯)及5 ml的pyridine加入一100 ml反應瓶中。接著將反應瓶升溫至120℃反應18小時。冷卻至室溫後，將反應液倒入正己烷以析出產物，所得產物經過濾清洗後於80℃烘箱內乾燥，獲得白色固體粉末化合物1 9.6 g。 製備例 2 ：化合物 2( 簡稱為 r-PE-2N) 的製備

取204 g (1 mol)的中間產物置入離型紙盤內後放入一反應瓶中。接著將反應瓶置於180℃的加熱容器內抽真空反應6小時。冷卻至室溫且待粉體固化為一固體後，將固體粉碎，所得產物經過於80℃烘箱內乾燥，獲得黃色固體粉末化合物2環化產物 183.6 g。 實驗例 實驗例 1

取上述製備例1所獲之化合物1 7.5 g (15 wt%)與42.5 g的聚丙烯事先混合均勻後裝入一瓶中。接著利用小型雙螺桿進行混摻(190℃)。產物經過清洗後於80℃真空烘箱內乾燥以獲得粒子，將所得粒子進行分析。 實驗例 2

取上述製備例2所獲之化合物2閉環產物180 g (15 wt%)與1020 g的聚丙烯事先混合均勻後裝入一瓶中。接著利用小型雙螺桿進行混摻。產物經過清洗後於80℃真空烘箱內乾燥以獲得粒子，將所得粒子進行分析。 實驗例 3

取上述製備例2所獲之化合物2閉環產物60 g (5 wt%)與1140 g的聚丙烯事先混合均勻後裝入一瓶中。接著利用小型雙螺桿進行混摻。產物經過清洗後於80℃真空烘箱內乾燥以獲得粒子，將所得粒子進行分析。 比較例 比較例 1

取300 g (25 wt%)的化合物2閉環產物、900 g的聚丙烯事先混合均勻後裝入一瓶中。接著利用小型雙螺桿進行混摻。產物經過清洗後於80℃真空烘箱內乾燥以獲得粒子，將所得粒子進行分析。 比較例 2

取1200 g的100 wt% PP裝入一瓶中，於80℃真空烘箱內乾燥以獲得粒子。 紡絲步驟將實驗例1至實驗例3以及比較例1與比較例2所獲得之粒子放置於真空烘箱中120℃烘乾24小時。將粒子加入螺桿式擠出機，經過擠壓、熔融向前送至計量泵。計量泵控制並確保聚合物熔體穩定流入紡絲箱進行紡絲，紡絲溫度235℃，紡絲速度1000 m/min，使用紡口24F 0.5 mm，實驗例1至實驗例3以及比較例2捲取10分鐘無飄絲，但比較例1無法捲取10分鐘無飄絲。 拉伸強度檢測

使用 USTER拉力試驗機檢測纖維的拉伸強度(標準方法CNS13785L3245)。 染色力度及 K/S 提高倍數

採用CIE L*a*b顏色差異(Color difference)進行測試。 水洗堅牢度

使用標準方法AATCC61進行水洗堅牢度的檢測。 染色步驟

配製染液，染液配方如下：染料3% owf (On weight the fabric，染料與織物的重量比)、助劑(均染劑、(NH ₄) ₂SO ₄)。開啟染色機進水閥，將水放到一定液位後，開啟電熱開關、控溫開關以及電動攪拌機。將配製成的染液吸入染色管，放在染色機中。當溫度達到起染溫度60℃時，將要染色的樣品襪管放入染液20分鐘後，以1℃/min的速率升溫至110℃，保持90分鐘至100分鐘，之後停機及停止加熱，在水浴中放置30分鐘降溫至60℃，取出自然冷卻至室溫，最後用洗瓶將襪管沖洗擠乾。

實驗例1至實驗例3、比較例1及比較例2的測試結果如下表1所示，均在相同條件下紡絲(紡溫225℃、捲速1000 m/min)，與相同酸性染料(LN-183)染色。由表1 可得知，相較於100 wt% PP的比較例2，實驗例1、實驗例2及實驗例3均具良好纖維物性，染色後明顯上色，且水洗堅牢度達商業化標準3.5級。比較例1因聚烯烴改質共聚物添加比例偏高，超出本揭露添加範圍，紡絲性差，連續紡絲不到2分鐘即斷絲。比較例2的染色力度則相當低，也無法測出水洗堅牢度。表1

	實驗例1	實驗例2	實驗例3	比較例1	比較例2
捲紗時間＠1000 m/min	≥ 10 min	≥ 10 min	≥ 10 min	≤ 2	≥ 10 min
拉伸強度 (g/d)	4.56	5.01	4.59	1.02	5.13
染色力度(K/S)	5.03 (600 nm)	3.47 (600 nm)	1.71 (600 nm)	-	0.23 (600 nm)
K/S提高倍數	21.9x	15.1x	7.4x	-	-
水洗堅牢度	3.5	3.5	3.5	-	-

綜上所述，本揭露提供一種可染色纖維及其製備方法，採聚烯烴類馬來酸酐共聚物進行胺化改質，將醯胺基反應至聚烯烴聚合物側鏈，再與其PP進行熔融共混，賦予聚丙烯纖維與酸性染料結合的低溫可染性，並提升水洗色牢度，以達商業化之3至4級，符合色彩性高的流行衣著紡織品市場及時尚行業商業需求。側鏈引入醯胺基可與酸性染料採化學離子鍵結，色牢度高且共混共聚物為聚烯烴與PP相容性佳，紡絲性佳。

無

Claims

一種可染色纖維，包括：聚丙烯；以及聚烯烴改質共聚物，具有至少一個醯胺基，選自以下式(I)至式(IV)的結構：在式(I)至式(IV)的結構中，R獨立地為H或C2至C16烷基，n獨立地為2至5的整數，p獨立地為23至224的整數，q獨立地為19至210的整數。
如請求項1所述的可染色纖維，其中以所述可染色纖維的總重量為100 wt%計，所述聚丙烯的含量為80 wt%至95 wt%，所述聚烯烴改質共聚物的含量為5 wt%至20 wt%。
如請求項1所述的可染色纖維，其中所述可染色纖維適用於酸性染料染色，染色溫度為70°C至100°C。
如請求項3所述的可染色纖維，其中所述酸性染料包括LN-183、LY-181、LR58或前述之組合。
如請求項1所述的可染色纖維，其中所述聚烯烴改質共聚物選自以下結構：。
一種可染色纖維的製備方法，包括：以聚烯烴類馬來酸酐共聚物進行胺化改質，以獲得聚烯烴改質共聚物，所述聚烯烴改質共聚物具有至少一個醯胺基，選自以下式(I)至式(IV)的結構：在式(I)至式(IV)的結構中，R獨立地為H或C2至C16烷基，n獨立地為2至5的整數，p獨立地為23至224的整數，q獨立地為19至210的整數；以及將聚丙烯與所述聚烯烴改質共聚物以熔融紡絲方式紡製，以製成所述可染色纖維。
如請求項6所述的可染色纖維的製備方法，其中所述熔融紡絲方式包括以單螺桿、雙螺桿或其組合進行共混。
如請求項6所述的可染色纖維的製備方法，其中所述聚丙烯與所述聚烯烴改質共聚物是以80 wt%至95 wt%與5 wt%至20 wt%的重量百分比進行熔融紡絲。
如請求項6所述的可染色纖維的製備方法，其中於進行所述熔融紡絲時，紡絲的溫度為220℃至250℃，紡絲的速度為1000 m/min至3000 m/min。
如請求項6所述的可染色纖維的製備方法，其中所述聚烯烴改質共聚物選自以下結構：。