1. 研究目的与意义（文献综述包含参考文献）

1.1超高分子量聚乙烯（UHMWPE）

1.1.1超高分子量聚乙烯（UHMWPE）的性质与应用

超高分子量聚乙烯纤维是自上个世纪80年代发展起来的一种高性能纤维，工业化生产采用凝胶纺丝超倍拉伸技术，是凝胶纺丝技术中的代表产品。目前 UHMWPE 纤维用于工业生产的工艺路线主要有两种: 高挥发性溶剂干法凝胶纺丝工艺路线和低挥发性溶剂湿法凝胶纺丝工艺路线【1】。20世纪80年代，荷兰DSM公司开发出低成本、高浓度的高强聚乙烯纤维新工艺，最早实现了纤维的商业化【2】。

UHMWPE纤维具有优良的基本特性：高取向度，高结晶度，微纤沿拉伸方向排列规整度高，使用电子显微镜还能够观察到”串晶”结构；质轻，密度只有碳纤维的1/2，芳纶的2/3；优良的耐冲击性能，在相同条件下，UHMWPE纤维复合材料冲击吸收能量分别是碳纤维的1.8倍，芳纶的2.6倍；耐低温性好，使用温度可达-150℃；UHMWPE纤维绳索破裂循环数、耐磨性能和弯曲疲劳均比碳纤维、芳纶高，更适用于绳索；还具有耐紫外线辐射、介电常数低、电磁波透射率高、抗切割等优异性能【3】。

因此超高分子量聚乙烯被广泛运用于各行各业【4】。例如绳缆，海洋用绳，制作渔网； 安全防护，超高分子量聚乙烯纤维与树脂复合材料的抗冲击韧性非常好，具有较强的比冲击吸收能量，分别是E玻璃纤维复合材料、芳纶及碳纤维的1.8倍、2.6倍及3倍【5】，例如用于防弹的避弹衣、头盔、复合装甲等; 用于安全生产的防切割手套，护具，防冲击板材等; 用于高危环境下的防冲击护具，如警用防刺服，矿工防砸头盔等；休闲体育用品，用于网球拍、滑雪板、冲浪板等体育用品的骨架材料，以其优良的性能，赢得了使用者的喜爱；另外，复合材料的应用超高分子量聚乙烯纤维作为一种性能优异的材料，很多科研人员希望能够通过界面改性，合理结构与混杂形式的优化等方面，研究开发新一代高性能复合材料，拓展其应用领域。例如：航空航天结构材料、薄壁耐压容器、水上结构材料、高性能轻质雷达罩、医用高分子材料。

但是该纤维的缺点也很明显，超高分子量聚乙烯纤维的基本结构为聚乙烯，聚乙烯分子本为非极性分子，无极性基团，分子间作用力小，分子易发生内旋转。这些结构特点导致聚乙烯纤维熔点较低，通常不高于170℃ ; 耐蠕变性能差，70℃ ，72h，20% 负荷蠕变实验，原纤伸长率不低于3.0% 。并且因为聚乙烯分子结构简单没有极性基团，也使其表面加工性能差，不易做染色及粘结处理【6~7】。

1.1.2超高分子量聚乙烯（UHMWPE）的染色

由于聚乙烯不耐高温、表面加工困难、不易染色、不易与其他材料粘接等缺点，为了使其更好地进行染色，人们提出了两种染色方法。一种是在纤维形成的阶段加入颜料，但由于颜色在纤维成型的阶段就已决定所以应用相当受限制。另一种是化学改性纤维，也可以上染这些纤维，但有缺点，比如纤维的化学特性的损失和色牢度的降低等。

常见改性方法有：化学试剂处理(常通过化学试剂在纤维表面引入极性基团)、等离子处理(主要作用于纤维表面有限深度内数个分子)、电晕放电(主要作用于纤维表面，改性效果较差)、辐射引发表面接枝处理(常用于改善纤维与其它基体间的黏结性能)等【8~11】。金国周等公开了一种有色超高分子量聚乙烯的制备方法。该法将预定型、络筒后的纤维经预处理后，在匀染剂、导染剂存在的情况下，添加染料染色，染色后注入冷冻水进行后处理，能得到上染率高，染色均匀的纤维【12】。

1.2酞菁颜料

1.2.1酞菁颜料的性质与应用

酞菁颜料（结构式如图1-1）具有优异、全面的牢度性能，特别是耐晒、耐热性，同时不溶于任何溶剂，具有极鲜艳的颜色，是当前高级颜料中成本最低的一类。 酞菁可与铜、钻、镍等金属生成水溶性的稳定络合物。其与铜生成的酮酞菁具有非常鲜艳的蓝色，称酞菁蓝（结构式如图1-2）。 在铜酞菁的四个苯环上引入16个氯原子则生成铜酞菁的多氯化物，称酞菁绿（结构式如图1-3）【13】。目前没有一种化学物质可以取代它，因此其广泛用于印刷油墨、涂料、塑胶、皮革以及文具的着色。

图1-1酞菁结构式

酞菁蓝的合成如下：首先,反应系统中的尿素在催化剂作用下生成异氰酸和氨气

接着，苯酐与氨气反应生成邻苯二甲酰亚胺：

邻苯二甲酰亚胺进一步与异氰酸反应生成酞菁素：

四个酞菁素在催化剂作用下与氯化亚铜络合生成酞菁蓝【14】:

酞菁绿的合成如下【14~17】：

图1-2 酞菁蓝结构式 图1-3酞菁绿结构式

和染料不同,颜料是以极小的微细颗粒,分散在或借助于某种介质附着于被着色的物质 中而着色的,因此,颜料颗粒特性,对于颜料本身,有着极其重要的意义。通过化学反应制得的颜料(粗品)不具有直接的使用价值,必须通过颜料化的过程。颜料化的过程 ,就是通过工艺条件的调整,使颜料颗粒达到极其微细的状态,同时粒子的直径均匀。如酞著绿颜料的最佳发色粒径为0.2-0.8 smm， 在这个粒度范围时，酞著绿颜料才能表现出较高的着色能力【18】。

1.2.2酞菁颜料的染色

颜料应用最多的是在油墨、涂料、印花。颜料的表面处理是一种保护和改善颜料颗粒及表面性能的有效措施,是在塑料制品的着色上要求颜料具有优异的分散性和相容性、高的耐热稳定性、不迁移不喷霜等；而在印墨中要求颜料具有优良的透明度、流动性及印墨转移性等。而颜料很少应用在纺织染色工艺中，颜料在水溶液中不易分散，容易团聚，而且颜料分子中很少有对纤维有强亲和力的极性基团，对纤维的亲和力低，上染力低。【18】

表1-1 不同材料对颜料的性能要求

涂料染色的质量明确地取决于固着在纤维上的颜料的分布情况，较粗的颜料粒子比细粒子难以固定在纤维上。从实际观点来看，这将影响摩擦牢度。对于着色的效果着想, 希望颜料极细地分散:在颜料的数量相同的情况下,粒子愈细,得色量愈高。在大多数情况 下,色光也将更加明亮【19】。为了解决颜料对纤维的染色问题，首先要解决颜料在水溶液中的分散问题。李巍【20】等人合成了几种铜酞菁的衍生物.用这些铜酞菁衍生物对β型铜钛菁颜料进行表面改性，以改进其分散性、流动性、色光和透明度。研究发现铜酞菁衍生物处理的颜料，在水中及甲苯中的分散性均有提高。更多还原

用酞菁颜料染色时，由于初染率较高，易造成染色不匀现象，若加入适量的铜盐，则铜离子与染料分子便生成有一定稳定性的水溶性的螯合物。它在染色过程中逐渐释出铜离子，供给酞菁颜料，使共生成稳定的螯合物，达到匀染效果。

1.3本课题实验设计

1.3.1 设想

UHMWPE分子中没有极性基团，疏水性很强，这点与酞菁颜料的性质很相似。根据相似相容原理，颜料对超高分子量聚乙烯应该有较好的亲和力，预计有很好的染色性能。

本课题采用预分散好的酞菁颜料色浆作为染色剂，在高温高压条件下对UHMWPE进行染色，主要研究染色温度、时间和颜料用量对染色性能的影响，并研究颜料在纤维上的上染速率曲线、染色等温线等。

参考文献

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[9]张迎晨,吴红艳,邱夷平.等离子体处理纳米溶胶UHMWPE纤维改性的方法[P].中国:CN200810207409.2008

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[19]赵容,译.酞菁颜料最近开发动向(一)[J].上海染料,1998,(26)2:23.

[20]李巍,刘东志,张天永,吴昊.铜酞着衍生物对铜酞蓄颜料表面改性的研究[J],染料工业,2000,37(3):3-5

2. 研究的基本内容、问题解决措施及方案

本课题采用预分散好的酞菁颜料色浆作为染色剂，在高温高压条件下对UHMWPE进行染色，主要研究染色温度、时间和颜料用量对染色性能的影响，并研究颜料在纤维上的上染速率曲线、染色等温线等。