聚酰胺纤维原液着色色母粒的研究进展

Research Progress on Masterbatches for Dope Dyeing of Polyamide Fibers

摘要

聚酰胺是一种性能优异的合成纤维，具有优良的力学性能和耐用性，其着色技术的创新对提升产品附加值具有战略意义。近年来，聚酰胺纤维原液着色色母粒技术取得显著进展，逐步成为纺织行业的重要着色手段。色母粒技术通过将颜料与聚合物在纺丝前进行混合，有效解决了传统染整工艺的水资源消耗大、污染严重等问题，同时实现了优异的色牢度和均匀的着色效果。文章介绍近五年色母粒技术在聚酰胺纤维原液着色中的研究进展，简述工艺流程以及不同颜色色母粒发展现状，指出色母粒法在提高纤维品质、减少污染排放、推动循环经济发展等方面的意义，为纺织工业的绿色转型和高附加值发展提供技术支持。

Abstract

Polyamide is a high-performance synthetic fiber with excellent mechanical properties and durability, and the innovation of its coloring technology is of strategic significance to enhance the added value of products. In recent years, the dope dyeing color masterbatch for polyamide fibers has achieved substantial advancements, gradually becoming a pivotal coloring method in the textile industry. By blending pigments and polymers before spinning, masterbatch technology effectively solves the problems of large water consumption and serious pollution in the traditional dyeing and finishing process, while achieving excellent color fastness and uniform coloring effect. The review summarizes the research progress on masterbatches for dope dyeing in polyamide fibers over the past five years. It provides a brief overview of the process flow of the masterbatch method and the development status of masterbatches in different colors. Furthermore, it highlights the significance of the masterbatch method in enhancing fiber quality, reducing pollutant emissions, and promoting circular economic development. The review aims to offer technical support for the green transition and high-value-added development of the textile industry.

关键词

聚酰胺 / 色母粒 / 原液着色 / 挤出造粒 / 可持续性

Key words

Polyamide / Masterbatch / Dope dyeing / Extrusion granulation / Sustainability

聚酰胺(PA)，俗称尼龙，是一种性能卓越的合成纤维，其分子结构中的酰胺键(—CONH—)使其具有优异的力学性能和耐用性^[1-2]。PA不仅耐磨、耐腐蚀，还具有良好的弹性和化学稳定性，这些特性使其成为工业和消费品领域的理想材料^[3-4]。此外，PA的低吸湿性和防虫蛀能力使其在服装和家居装饰领域应用广泛。在服装纺织领域，印染工艺至关重要，不仅为纤维织物提供了丰富多彩的外观，还极大地提升了纤维的市场价值^[5]。预计2027年，中国PA6产品的年产量将达到1 100万t，年消费量将达到460万t，这表明PA具有十分广阔的市场^[6]。

根据染色与纺丝两道工序的前后关系，PA纤维染色可分为后染整法与纺前原液着色法。后染整法通过染料分子的扩散作用来实现着色，但存在织物的色牢度和耐候性较差以及生产过程中水资源消耗大和污染环境的问题^[7]。纺前原液着色技术作为一种新型的纺织品染色方法，通过在纤维生产过程的早期阶段加入着色剂实现优异的色牢度和均匀的着色效果。与传统染色工艺后染整法相比，该技术具有许多显著优势，例如减少对水资源的需求、降低能源消耗、提高纺织品生产效率、缩短生产周期，以及提供更广泛的色彩选择以满足市场对高质量和多样化纺织品的需求^[8-10]。

原液着色技术可分为色母粒法、色油法和原位聚合法^[11]。其中，色母粒法是目前主要使用的原液着色技术。色母粒法工艺为：首先，采用双螺杆挤出机对树脂基体、着色剂和分散剂进行混合；之后，将色母粒按一定比例掺入基体材料中；最终，利用熔融纺丝工艺制备有色纤维。色母粒技术的优势在于能够在纺丝过程中直接进行着色和准确计量，从而避免传统的印染步骤和多次加热过程，降低生产成本。此外，该方法可显著节约水资源，减少废水和二氧化碳的排放，对环境的影响较小，体现了更高的可持续性^[12-13]。原液着色技术能够在保持纤维力学性能的同时，实现高效上色和色彩的长久保持。例如，中国的力宝龙公司采用色母粒法生产的PA纤维，在资源消耗和环境影响方面表现优异：相比常规PA纤维，水耗减少55%，煤炭使用量减少44%，化学需氧量降低34%，二氧化碳排放减少59%，电力资源节约84%。此外，该纤维的耐晒色牢度、耐水洗色牢度以及颜色再现性的优良表现预示着该技术在未来纺织品市场中的巨大潜力和应用前景^[14]。在高性能PA纤维的生产过程中，色母粒的质量至关重要^[15-17]。本文综述色母粒法的工艺流程及近年来色母粒在PA纤维原液着色中的研究进展，指出色母粒法在提高纤维品质、减少污染排放、推动循环经济发展等方面的意义，分析色母粒法在环保减排、个性化定制以及国际贸易等领域的广阔发展前景，旨在为行业未来的发展提供有价值的技术支持和参考。

1 色母粒法的工艺流程

色母粒法作为纺前原液着色的关键技术^[18]，该方法通过将色母粒与聚合物基材充分混合，实现高效均匀着色^[19-20]。主要工艺流程包括色母粒的制备、混合与熔融纺丝、纤维的后处理等^[21-22]。

1.1 色母粒的制备

色母粒是由高浓度颜料、聚合物载体及多种助剂混合后制成的一种着色材料，其制备过程通常采用双螺杆挤出机，在高温条件下将颜料均匀分散于载体中，形成稳定的颗粒状产品，使其具备与目标PA材料的良好相容性，以确保在后续熔融纺丝或加工中色母粒能够均匀分布，避免出现色差、团聚等问题，从而保证纤维的颜色稳定性和优良的力学性能^[23]。

1.2 混合与熔融纺丝

在纤维纺丝前，将色母粒按一定比例与PA切片充分混合，形成均匀的原料混合物，以确保色母粒中的颜料均匀分散在基材中。随后，将混合后的物料送入熔融纺丝装置，经过加热熔融后，通过纺丝喷头挤出成型^[24]。在这一过程中，颜料被均匀分散在纤维中，颜色稳定、色牢度较高。由于色母粒中的色料已在熔融过程中充分分散，纤维的颜色在此阶段可实现均匀、稳定的着色效果。

1.3 纤维的后处理

纤维在成型后需经过一系列的后处理工序，如拉伸和定型，以进一步改善其性能。拉伸工序中，纤维的分子链被重新取向，能够提高纤维的强度和弹性模量，同时增强耐用性^[25]。定型工序中，则通过热处理固定纤维的尺寸和形状，减少纤维的热收缩性并提升尺寸稳定性。此外，这些步骤还能够进一步优化纤维表面的光洁度，同时稳固着色效果，确保在后续加工或使用中不易褪色或变色。

1.4 色母粒法的优势

与传统的后染色工艺及其他纺前着色方法相比，色母粒法在PA纤维生产中具有诸多突出优势。首先，色母粒中的色料在熔融混合过程中能够均匀分布于PA熔体，确保着色效果的稳定性，不易受后续加工或环境影响^[26]。其次，该方法在纺丝阶段直接完成着色，可避免传统染色工艺中的废水排放和化学试剂使用，显著提升环保性能。此外，色母粒法简化了生产流程，减少了后续加工步骤，能够提高生产效率并降低综合成本。通过添加功能性助剂，如抗紫外线、阻燃或抗静电材料，可赋予纤维多样化的功能性，显著拓宽其应用领域^[27]。最后，色母粒法支持丰富的颜色设计与特效，能够满足市场对纤维外观美感及个性化的需求，从而增强产品竞争力。

2 不同颜色的PA色母粒

目前PA色母粒的研究按照颜色划分可分为黑色、红色、蓝色以及其他颜色。

2.1 黑色色母粒

PA纤维虽具备优异的性能，但易受紫外线辐照、高温、氧化等环境因素影响，导致性能下降，从而影响正常的使用。为了增强PA纤维的抗紫外线能力、延长使用寿命并增加产业价值，在基体树脂中引入炭黑或炭黑复合体系制备黑色母粒，已成为改善其性能的有效策略。近年来，黑色母粒在PA纤维中的应用研究呈现显著增长趋势。

张子明^[28]利用双螺杆挤出造粒工艺，将PA6切片、纳米级炭黑粉末及复合型炭黑超分散剂粉末进行一系列处理，成功制备出性能优异的炭黑母粒。该母粒在相对黏度、熔点、含水率和熔体流动速率等诸多方面均达到优良标准，充分表明自主研发的炭黑母粒生产及纺丝一体化工艺显著提升了PA6纤维的生产效率和着色质量，并减少了染整工序对环境的影响。

李修田等^[29]利用超声波分散与喷雾干燥技术成功制备自分散炭黑(SPCB)，之后将SPCB分散于PA66盐水溶液中，制备PA66盐基炭黑分散体，采用原位聚合法制备PA66原液着色母粒，最终采用熔融共混法制备PA66膜。研究表明，最佳条件下，PA66盐基炭黑分散体粒径达184.1 nm，稳定性超过90%。此外，SPCB与PA66的相容性良好，分布均匀，粒径约200 nm，其中质量分数为0.2%的PA66膜熔融温度为259.2 ℃，黑度值(L^*)为26.82。

刘春艳等^[30]研发一种特黑耐候PA材料，该材料由PA基体、超细结晶硅、苯胺黑母粒和润滑分散剂等部分组成。具体工艺为：将PA、苯胺黑和抗氧剂制成高分子染料，再与PA树脂混合制成母粒，最后填充到PA基体中。结果表明：通过优化苯胺黑的着色效果和添加超细结晶硅，显著提升了PA材料的黑度、光泽度、耐候性和耐磨性。

邢亚均等^[31]以6∶4的质量比混合石墨和碳纳米管，并将其作为着色剂，加入一定比例的PA6切片中，通过双螺杆挤出机共混挤出，制备特黑色母粒。该母粒能使PA6纤维L^*达到10.3，色泽优良且色牢度高，在高端面料和有色丝生产中具备广阔的应用前景。

目前，中国生产的原液着色纤维中，黑色丝占产量的60%以上，而黑色色母粒关键技术的突破将推动国产PA纤维突破关键材料的技术壁垒，实现色母粒产业链的自主可控与产业升级。

2.2 红色色母粒

随着市场对着色剂性能的要求不断提升，开发耐热性和稳定性优良的红色色母粒已成为一项重要的任务。本文对部分红色色母粒发展现状进行总结。

陈磊康等^[32]在PA6树脂中分别加入苝系、偶氮和吡咯3种红颜料，经熔融共混挤出，制备了PA6红色色母粒。研究发现，苝系和偶氮颜料制备的母粒熔体黏度与纯PA6相近，其中苝系颜料粒径较小，分散性更佳。当苝系颜料的质量分数达到0.4%时，PA6色板的着色力显著提高，具有良好的可纺性，断裂强度几乎不变，断裂伸长率略有增加。这表明，一定比例的苝系颜料能够显著提升PA6红色母粒的着色效果和纤维的力学性能。

刘冰灵等^[33]利用高温熔融纺丝技术，将市售红色颜料、PA粉末与助剂混合，制备PA6红色色母粒，并进一步制备原液着色的红色PA6长丝。结果表明：当颜料质量分数达到0.5%时，长丝的断裂强度为2.76 cN/dtex，并呈现显著下降趋势。然而，其耐摩擦色牢度、耐水洗色牢度和耐酸碱汗渍色牢度均达到5级。尽管颜料的加入对某些性能有负面影响，但仍能够保持较高的色牢度，适合需要高色牢度的应用场景。

高旭倩^[34]研究苝系、偶氮和吡咯并吡咯二酮类(DPP)3种颜料在PA色母粒、色板和红色纤维中的应用。结果表明：苝系颜料在PA6母粒中的分散性表现最佳，色板的着色力达到最高水平且加工性能优异。颜料的加入提高了体系的剪切黏度，但并未对其流动类型产生实质性影响。其中，苝系颜料Ⅱ的分散性和着色力最佳，纤维强度基本保持不变，韧性提高5.52%，展示其在红色高性能纤维生产中的潜力。

红色色母粒由于颜色鲜艳、着色力较强在市场上具有良好的前景。近年来，随着塑料和纤维行业的快速发展，中国对于高性能的红色色母粒需求较大。随着环保和高性能材料的需求增加，色母粒行业也在不断创新和发展，未来市场前景广阔。

2.3 蓝色色母粒

PA蓝色色母粒能够提供天蓝、湖蓝和宝蓝等多种蓝色色调，被广泛应用于纤维、薄膜和电线电缆等领域。然而，关于PA蓝色色母粒的研究相对较少。本文总结了部分蓝色色母粒的发展现状。

李书海等^[35]采用色母粒法制备蓝色PA6全拉伸丝(FDY)，对原液着色PA6 FDY的纺丝工艺进行探讨。研究表明，在合适的条件下，可以得到具有良好色牢度和优异物理性能的原液着色蓝色PA6 FDY。通过优化纺丝工艺参数，成功制备了高性能的蓝色PA6 FDY。该工艺不仅能够提高纤维的色牢度和物理性能，还能够简化生产工艺，降低能耗和污染。

李建平等^[36]以纺丝级PA6为载体树脂，选用3种不同型号的酞菁蓝(9680、K7090和BGSP-3SD)作为颜料，乙烯-乙酸乙烯共聚物EVA蜡(A-C540A)、离聚蜡(AClyn295A)、聚乙烯均聚物蜡(A-C6A)作为分散剂，制备了应用于PA6的蓝色色母粒，研究颜料及分散剂对PA6纤维母粒色彩性能及分散性的影响。结果表明：3种颜料的着色力度相差不大，其中酞菁蓝9680发生团聚现象较少，分散性更好；相比非极性分散剂，适当的极性分散剂有助于提升载色体和颜料的混溶性，提高颜料的着色力。

徐伟鑫等^[37]采用低密度聚乙烯作为基体树脂，酞菁蓝作为颜料，聚乙烯蜡和AC-540A作为分散剂，通过双螺杆挤出造粒工艺制备了蓝色色母粒并将其用于PA6的着色。结果表明：使用3%质量分数的AC-540A作为分散剂时，PA6制品的蓝色最明显，反射率最高，透射率最低，颜料在PA6中的分散最均匀。

通过开发多种蓝色色母粒，可以根据需求调配出不同的蓝色色调，以满足市场对多样化颜色的需求，使PA纤维在服装、家纺和工业用布等领域得到广泛应用。优质的蓝色色母粒不仅能够提供稳定的颜色，还能够保持PA纤维的物理性能，如强度和耐磨性。

2.4 其他颜色色母粒

彩色色母粒制成的彩色PA纤维广泛应用于地毯、窗帘、床上用品和装饰布等家居用品。这些纤维不仅美观，还具有耐用和易清洗的特点。为了满足多样化的颜色需求，开发不同颜色的PA色母粒具有重要意义。

梁铁贤等^[38]研究表明，将TJ紫色母粒与PA切片以1∶3的质量比混合，之后熔融铸带切粒，再按原来的丝条色质量分数(0.5%)纺丝，可以有效地消除低母粒含量PA色纺中产生的条纹色差。这种方法不仅提高了着色的均匀性，而且还能够在不影响纤维其他性能的前提下，提升最终产品的整体质量。

BUCCELLA等^[39]将PA6与卤化铜酞菁绿颜料混合生产单分散绿色色母粒。这种方法显著降低了过滤压力值(FPV)，减少约84%的压力，并提高约50%的相对色强度(RCS)。利用流变试验、黏度测量和端基分析评估材料的热稳定性，结果显示，工艺优化后生产废料显著减少，生产效率提升，产品质量显著改善。

ZHANG等^[40]研究一种利用熔融共混法和荧光增白母粒来改善PA56纤维颜色的方法。研究表明，当荧光增白剂的添加质量分数为0.3%时，PA56纤维的L^*从84提高至90，黄蓝值(b^*)从16.8降低至12.6，同时保持较高的断裂强度和良好的耐黄变性及耐久性。此外，该研究还探讨了最佳的添加比例和工艺条件，为生产高质量的PA56纤维提供参考。

不同颜色的PA纤维不仅满足时尚行业对多样化设计的需求，使服装、配饰和家居用品更加具有市场竞争力，还可以用于标识和区分不同用途的产品。例如，不同颜色有助于快速识别不同功能或规格的电缆和绳索，从而提高工作效率和安全性。

3 应用色母粒法的意义

色母粒技术不仅为材料着色带来工艺上的突破，更在环保与可持续发展方面展现出显著优势^[37]。色母粒法在PA纤维生产上的应用具有以下意义。

3.1 提高纤维品质

在生产过程中，需要对颜料进行细化处理，以增强颜料的分散性和着色力。专用色母粒的载体树脂与目标塑料制品的基体材料保持同质，确保了二者优异的相容性。经加热熔融后，颜料颗粒能够均匀分散于塑料制品中^[34]。同时，色母粒中的树脂载体能够有效隔离颜料与空气和水分，防止颜料在储存和使用过程中发生吸水或氧化等反应，从而保持颜料的化学稳定性和色彩的持久性。此外，色母粒中的颜料分散均匀，能够提升制品的强度和耐候性，从而提高产品的整体品质。

3.2 减少污染排放

相比传统染色工艺，色母粒法通过在纺丝阶段直接完成着色，避免后染色工艺中的高水耗、高能耗和高污染问题，有效减少对环境的负面影响^[41-42]。在传统染色过程中，大量使用水和化学试剂会产生废水、废渣等污染物，其中染料废水的处理难度大，排放后可能引发严重的水体污染。而色母粒法规避了这一问题，其着色过程不需要额外水洗和染液循环，大幅降低了水资源的消耗量。

此外，色母粒技术的高效性在资源节约和减少碳排放方面具有重要意义。在生产环节中，色母粒的熔融混合和纺丝一体化工艺，显著减少了工序的复杂性和能源的浪费。采用色母粒技术可减少高温水洗和烘干环节的能源消耗，同时避免了染料的挥发和残留对空气的污染，减少颜料使用过程中的粉末，有利于操作人员的健康。在全生命周期内降低了纤维产品的碳排放量，在每功能单位上可减少约1 300 kg的CO₂排放，碳减排率约为20%^[42-43]。

3.3 推动循环经济发展

除了减少污染和资源消耗，色母粒技术还推动了循环经济的实现。一方面，色母粒材料能够与回收PA树脂结合使用，促进废旧纤维材料的回收再利用，提升资源利用效率；另一方面，色母粒中的功能性助剂可以延长纤维制品的使用寿命，降低因产品更替带来的资源浪费和垃圾产生^[44]。此外，随着技术的进步，色母粒技术在高性能材料应用方面也展现出广阔的前景。在汽车、电子和航空航天等高科技领域，PA纤维的应用正逐渐拓宽，这些行业对材料的性能要求极高，包括耐热性、强度和轻量化等^[45-47]。色母粒技术能够通过提供定制化的解决方案来满足这些需求。例如，通过添加特定的颜料和添加剂，可以使PA纤维具有抗菌、防紫外线或阻燃的特性^[48-50]。在户外纤维的应用中，添加抗紫外线助剂的色母粒不仅可使纤维保持鲜艳的色彩，还能够提高抗老化性能，从而减少因褪色和损坏导致的频繁更换需求^[51]。同时，纳米技术的应用也为色母粒技术带来新的发展机遇，使颜料的分散性和稳定性进一步提升，从而提高PA纤维的整体性能^[52-54]。

综上所述，色母粒技术在提高纤维品质、保护环境及操作工人健康、推动经济发展等方面发挥重要作用，有着广阔的前景^[55-57]。其环保特性契合现代工业绿色发展的方向，为纺织行业在生态与经济目标上的平衡提供可行路径。未来，随着色母粒技术的不断创新和普及，其在环保领域的潜力将进一步释放，为实现纺织产业的可持续转型注入更多动力。

4 结论

随着全球对环境保护意识的提高，开发低污染和低能耗的生产工艺变得至关重要。色母粒技术在满足环保要求的同时，在提高PA纤维的质量和性能方面也显示出巨大的潜力。随着全球化的推进，色母粒技术的国际标准化愈发重要。统一的国际标准不仅有助于提高产品质量，还能够促进国际贸易的发展，使PA色母粒技术更易被全球市场接受。PA色母粒技术在未来的纺织工业中具有重要意义。它不仅在环保和性能提升方面展现出巨大潜力，还在满足市场需求和推动创新应用方面发挥着关键作用。随着技术的持续进步和市场的不断拓展，PA色母粒技术必将带来更多的创新突破，为纺织行业的发展注入新的活力。

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基金资助

河南省科学院科技成果转化项目(232403003)

河南省科学院基本科研业务费项目(20250603009)

河南省科学院培育助推项目(20253803002)