合成纤维初始加工与配套油剂的选用（四）
阮天治，阮静，白鸟正祥，贺健，杨相臣
摘 要：本文第二部分重点介绍合成纤维初始加工配套油剂（简称合纤油剂或化纤油剂） 配方结构及其功效。内容涉及到了抗静电剂、平滑剂、乳化剂、集束性、防锈性、膨润性等多项技术性内容。组成物中，各单体均有独特效能，它们有的相辅相成，有的有一定的制约性。如何发挥它们的协同作用，乃是油剂配方设计和制备的核心技术。
一个好的、又实用的油剂品种，在配方设计时，还应考虑润湿性、黏度、使用量等多种因素的影响。合成纤维品种不同、又有长丝和短纤之别，是纺还是织，这一切对油剂质量均有不同要求，差别化奠定了油剂多品种系列特征。
第一部分：合成纤维特征及面对的加工难题
第二部分：合成纤维配套油剂配方结构及其功效
第三部分：长丝、短纤维及高速纺配套油剂
第四部分：不同纤维配套油剂特征及配方示例
关键词：表面活性剂；抗静电剂；平滑剂；乳化剂；防锈性；集束性；膨润性，吸收量；牵伸性；伸长率；脱落物；高速化
目 录
第二部分 合成纤维配套油剂配方结构及其功效
一、合纤油剂在纤维初始加工中的作用
（一）用于提高纤维的润湿性
（二）对纤维成型的影响
（三）油剂的黏度对纤维牵伸性的影响
（四）对纤维平滑性的影响
（五）对纤维集束性的影响
（六）对纤维脱落物的影响
二、合纤油剂常用活性剂及特性
三、抗静电剂类型与选择
（一）抗静电剂类型
（二）合纤油剂以阴离子和非离子活性剂组合为主
四、合纤油剂的平滑性
（一）不同离子型活性剂的摩擦系数
（二）同离子型活性剂、憎水链长短与摩擦系数的关系
（三）油剂吸附量对摩擦系数的影响
五、如何提高合成纤维的集束性
（一）提高丝与丝之间的静电摩擦系数μS
（二）无水状态下应具有粘着性
（三）在油剂中加入少量树脂或浆料
六、合纤油剂的防锈性与膨润性
（一）合纤油剂应具备防锈性
（二）油剂对纤维的膨润性及影响
七、合纤油剂的乳化性
第二部分 合成纤维配套油剂配方结构及其功效
四、合纤油剂的平滑性
平滑剂是油剂配方中另一项重要原料，它在油剂中的主要作用是润滑作用，用来减少纤维间(F/F)或纤维与金属间(F/M)的摩擦，并使纤维丝具有适当的柔软性和平滑性，增加纤维抱合力，与抗静电剂有协同作用。
合纤油剂中使用的平滑剂有天然与合成之分，天然者，一般为矿物油，如：锭子油、高速机械油、白油、石蜡等，也可使用动植物油，而主要采用的是经合成制备的酯化物。作为活性剂的酯化物经常和矿物油复配使用，以求获得减少或降低摩擦造成的影响。不过使用矿物油时，应选择合适的乳化剂将其乳化后方可使用。不同的平滑剂，对摩擦系数影响也不一样。
（一）不同离子型活性剂的摩擦系数
离子型不同，摩擦系数也不一样，表4列出的是各类型活性剂通过粘胶纤维作试验，可以了解它们之间摩擦系数的变化趋势。列表中符号含义如下:
非离子型 Ⅰa Δμ＞0.015（纤维发湿、丝鸣）
Ⅰb Δμ=0.015～0.000（无丝鸣，稍滑）
阴离子型 Ⅱ Δμ=0～0.015（无丝鸣，稍滑）
阳离子型 Ⅲ Δμ＜-0.015（纤维滑柔，手感好）
表4 用纺织油剂处理15D/38mm粘胶纤维的摩擦系数
（二）同离子型活性剂、憎水链长短与摩擦系数的关系
各类表面活性剂憎水基链的长短变化，可使摩擦系数发生规律性变化。
芳基 μ↑； R ↑ μ↓
酰胺 μ↓； 双键 μ↑
对于非离子来说，烷基越大，摩擦系数越小；烷基酰胺基的摩擦系数小，环氧乙烷加成数越多，摩擦系数增大；双键的摩擦系数大。
对于脂肪族化合物的边界摩擦是随着碳数的增加，黏度的增大，摩擦系数有减小趋势，表4反映了脂肪族化合物表面配向性与摩擦系数的关系，若纤维与金属摩擦时（F/M），对金属亲和性大的脂肪酸有显著降低摩擦系数的倾向。
一般脂肪醇聚氧乙烯醚活性剂，随环氧乙烷数增加，表面配向性增加，摩擦系数有下降趋势，聚醚活性剂也有类似情况。若油剂相同，由于对纤维表面的亲和性不同，对摩擦系数影响也不一样。如锦纶的酰胺基和涤纶的苯核基，在纤维与纤维（F/F）或纤维与金属（F/M）的摩擦。对同一种油剂的摩擦倾向恰恰相反。总之，当油剂分子能在纤维表面生成稳定的表面膜时，会产生低的边界摩擦。
对于液体摩擦，接触面有较厚的油膜，摩擦面的相对速度较大。这种摩擦，实际上几乎没有直接接触，摩擦力主要取决于油剂的粘性，含油较多的长丝纤维的摩擦近似液体摩擦。作为油剂的平滑成分，广泛使用矿物油，其黏度与摩擦力的关系如图2，对于脂肪族化合物，随着碳原子数的增加，摩擦系数也增加。对于聚氧乙烯型活性剂，随着环氧乙烷数增加，摩擦力也增加。这两种物质的边界摩擦和液体摩擦，在碳原子数和环氧乙烷增加的情况下，摩擦倾向显示出相反结果。这可能与边界摩擦油膜的配向性起主导作用有关；液体摩擦的油膜厚，油剂的黏度起主要作用。
图1 锦纶纤维（Roder）表面配向性与摩擦系数的关系（F/M）
图2 黏度与摩擦力的关系
多元醇酯非离子活性剂，如山梨醇酯、季戊四醇酯降低μD不大，但降低μS能力大，用于合成纤维有平滑柔软效果。
阴离子活性剂有烷基磷酸酯、烷基硫酸酯和磺酸盐等。烷基链长，摩擦系数小；但烷基聚氧乙烯醚磷酸酯或烷基醚硫酸酯都是随环氧乙烷加成数增加，平滑性变差，其因与其逐渐接近非离子特性有关。对于磷酸酯的平滑性是：三烷基＞双烷基＞单烷基＞烷基醚。
阳离子活性剂除了抗静电性较好外，它的柔软平滑性也很突出，对降低静摩擦系数比较好。应注意是对荧光染料会造成白度下降等问题。从结构上看，阳离子活性剂中，季铵盐型、胺盐型对降低μS、μD都有效，在平滑方面比多元醇酯要好。聚酰胺多胺类、结构较复杂，但具有降μS的特点，且手感也好。
（三）油剂吸附量对摩擦系数的影响
经试验证明，从干燥摩擦开始，当油剂上油量达到0.1～2%时，摩擦系数会出现的情况是：随油剂吸附量的增加，摩擦系数在减少；另一种是增加类型，还有一种是增加后再减小的类型。
据文献介绍，棉型粘胶纤维含油量在0.3%以下时，摩擦系数随着含油增加而减少；当油量超过0.3%时，随含油量增加也增加。棉花是随着含油量的增加，摩擦系数却减少；20D的涤纶则随着含油的增加，摩擦系数也增加。
据报道，表面活性剂的化学结构对油剂的性能影响很大，选择化学结构适中的活性剂，是配好油剂的关键。表5反映了不同类型活性剂在摩擦系数上表现出的差异。
表5 各类表面活性剂的结构特性
说明：↑=随分子量增加而急增；↘=随分子量增加而渐减；POE=聚氧乙烯；
↓=随分子量增加而急减；→=与分子量无关； PO和EO共聚物=环氧丙烷与环氧乙烷共聚物；
n=环氧乙烷加成数；↗=随分子量增加而渐增；-=与分子量无关，无规律；R=烷基；
F/F=纤维间摩擦； F/M=纤维与金属摩擦；μS=静摩擦系数；μd=动摩擦系数；Δμ=μS-μd.
五、如何提高合成纤维的集束性
合成纤维的集束性也是纺丝油剂的必备功能之一。在纺丝、牵伸工序，单丝之间分离的倾向比较大，尤其是约旦丝和产业用粗旦丝的生产过程中更易发生这种离散现象。抗静电剂可以有效解决因静电产生丝的离散问题，改变了纤维的抱合性；而非油剂方法改善纤维抱合性，常用空气网络办法。
随着纺丝的高速化，长丝在每单位长度的捻数相应减少，使其实现无捻化和高速复丝化，出现纤维接触点变小。这样，要求复丝比过去有更高的集束性；提高纤维集束性的有效方法是使用集束性高的化纤油剂。
集束性好的油剂，在纺丝、织造过程中，可使毛丝、断头大大减少。在纺丝和后加工工序，对纤维的集束性要求也不一样。短纤维比较复杂，即使同一工序中，要求的集束性也不同。由此可见，除短纤维开纤性、拉伸的均匀及丝的强力外，在大多数工序中，均要求具备良好的集束性，又不能影响油剂的其他功能。
烷基对平滑性影响较大，烷基链长者平滑性好；若带芳香基，摩擦系数较高。而极性和摩尔质量对集束性影响较大，极性大的、带支链（异构）的和有芳香基的活性剂，其集束性较好。集束性与活性剂结构有关，也受其他性能影响。
聚乙二醇脂肪酸酯，在许多油剂配方中使用，但存在分子量差异，单双酯比例差异和在油剂配方中占有率的不同，应根据应用对象调整配比。表6反映了不同工序对集束性的具体要求。
表6 有关集束性在关键工序的不同要求
选择提高合纤油剂集束性方法，可从以下几点考虑：
（一）提高丝与丝之间的静电摩擦系数（μS）
静电摩擦系数高的表面活性剂，有高级醇聚氧乙烯醚，高级脂肪酸聚氧乙烯酯，十二烷基苯磺酸钠、石油磺酸酯等活性剂和矿物油等。表7为各类活性剂处理聚酯长丝时的情况。
表7 油剂各组分对聚酯长丝的作用
注：试验条件，温度 30℃；试验丝（聚酯长丝）83dtex，36根；丝与丝之间的摩擦系数 雷德尔法；负荷 500mg，20℃，RH 65%；黏度 厄布洛德法 39°。
（二）无水状态下应具有粘着性
作为液态油剂的集束性，要求黏度和粘着性要大一些；而在无水状态下成为固体的油剂，其集束性会变坏。用于改善和提高集束性的成分，有高黏度矿物油、山梨醇单油醇酯、聚氧乙烯蓖麻油（或氢化蓖麻油、油醇磷酸酯铵盐、高分子聚醚等）。这些活性剂对纤维的渗透性好，自身黏度也大，对纤维附着力强，油剂自身凝集性也好。
（三）在油剂中加入少量树脂或浆料
如丙烯酸聚合物、聚酰胺等，利用它们的高粘性可起到集束作用，若使用应严格控制，以免对导辊和罗拉造成沾污。
纤维之间的集束性（抱合力）与上油率的关系，以聚酯为例，如下表8。
表8 聚酯纤维集束性与上油率的关系
注：聚脂纤维长38mm， 1.3dtex，卷曲线5。
从上表8可见，抱合力随纺丝上油率的提高而增加，但达到某一上油率后，抱合力急剧下降，并出现高的抱合力不匀率（C、V%）。当纺丝上油率从0.35%增至0.75%时，抱合力大约减少22%。
六、合纤油剂的防锈性与膨润性
在合成纤维纺丝和后加工过程中，无论长丝，还是短纤维，其表面的油剂与机器的金属部件直接接触的情况很多。例如，在纺丝时纤维表面的油剂与导丝辊接触；牵伸时又与热板、罗拉等接触；在梳理时与针布接触；编织时又与织机钩针接触等。如果油剂加速金属的锈蚀，则生锈的金属部件不仅使丝的质量下降，对机器的耗损也大。对油剂防锈性要求，应是纺丝和加工中必备条件之一。
（一）合纤油剂应具备防锈性
在油剂配方中常加入磺酸盐、硫酸酯或阳离子型抗静电剂，这些原料的使用，会引起纺织机器零部件锈蚀。起因是这些活性剂含有无机盐（如氯化钠、硫酸钠等），或未经处理的残留催化剂，或过量的配料（如酸、碱等）；而阳离子活性剂本身也有锈蚀作用。
表面活性剂化学结构和纤维种类与防锈性关系如表9。
表9 防锈蚀试验结果
注：判断标准，◎-不生锈；○-生锈；△-有锈：×-全部生锈。
从表9中可知，防锈性比较好的有烷基磷酸酯、多元醇酯和烷醇酰胺。为了防止油剂引起的锈蚀，还可加入以下化合物。
1．以烷基磷酸酯或以其为主的复配油剂可以防锈。
2．在油剂配方中加入乙醇胺、二乙醇胺或三乙醇胺、吗啉等也有防锈效果，但应注意色泽，也不能影响平滑性。
3．加入脂肪酸钠，提高油剂的PH值也很有效，一般不用碱性太强氢氧化钠（或钾）。
4．加亚硝酸钠，其用量为油剂量的2～3%，可抑制阳离子活性剂腐蚀，但可能影响纤维色泽。
（二）油剂对纤维的膨润性及影响
在未牵引丝储存中油剂组分在不同程度上会迁移到纤维内层，虽然迁移量不是很大，也会造成纤维膨润。这种现象对聚酯影响不大外，而对聚酰胺、聚丙烯、聚乙烯、粘胶等纤维影响明显。一旦发生迁移，油剂就不能充分发挥润滑和抗静电作用，使丝在后加工工序中易出现起毛、断头、成型不良等问题，尤其对工业帘子线的质量影响更大，表10列出了表面活性剂和部分基油平滑剂对纤维膨润性的影响。
表10 基油与表面活性剂对纤维膨润性的影响
注：①标价标准，○-不膨润： X-膨润； XX-严重膨润；②随环氧乙烷加成数增加，其膨润度增大。
可见，不同油剂组分对合成纤维的膨润性表现也不一样。根据经验，矿物油一般对聚酯、聚酰胺纤维膨润性影响不大，但聚丙烯纤维因分子中没有极性基团，所以非极性矿物油对其易膨润。应注意的是，阴离子型抗静电剂用于聚酰胺纤维时，会向纤维内部迁移而使抗静电效果下降。
七、合纤油剂的乳化性
除上述抗静电剂、平滑剂和集束剂之处，在油剂配方中还需加入一种表面活性剂（或复合型），它具有突出乳化和润湿性功能。可借助它的作用，把平滑剂、抗静电剂等分散于水中，形成稳定的O/W型乳液，又要借助它良好的润湿性，使油剂在纤维表面很快铺展开来，在纺丝纺纱中充分发挥作用。
在合纤油剂配方中的平滑剂，通常是非极性的长链烷烃（如矿物油）和极性小的合成酯或有机硅油等，它们都不溶于水，为了发挥它们应有的作用，需用乳化剂将它们乳化成稳定的乳液状态。
O/W型纺丝油剂乳液的稳定性与油在水相中粒径大小有关，粒径愈大，稳定性愈不好，乳液状态与粒径关系如下：
表11 目视乳液外观与乳液粒径的关系
一般合纤油剂的乳液粒子在0.5μm以下较好，最好在0.2μm以下，即外观呈蓝白色至透明状时，其稳定性好。生产厂也常采用将乳体再稀释方法，这种乳体保质期应在半年，即使有少量沉淀，搅匀后不影响使用。
作为乳化剂，一般选用非离子活性剂。它的特点是在水溶液或任何介质中不电离，其亲水基团一般以醚基和羟基等含氧基团构成。由于它在水溶液中不是呈离子状态，所以它适应性和稳定性比离子型活性剂高，不易受无机盐强电介质，酸、碱的影响，与其他类型的活性剂也能混配使用。常用品种有平平加类，以C12、C16、C18和不饱和C18醇（油醇）等通环氧乙烷的制品为主。其乳化性能，与烷基链长，通环氧乙烷数量、正异构比例和羟基位置有关。原来APEO也在选用范围内，现国际上因安全性列为禁用品。聚氧乙烯蓖麻油系列 （通称EL系列），环氧乙烷加成数不同，其效果也有差异，作为乳化剂还有多元醇酯类或环氧乙烷和环氧丙烷摩尔比的变化，可制备性能差异较大的品种。离子型乳化剂，常与非离子复配使用。
乳化剂的作用可归纳为两个方面，一是将不溶于水的平滑剂乳化、分散；二是使油剂在湿处理过程中易从纤维上洗脱，以免影响后道工序。配成的乳液一般为O/W型，乳化剂的HLB值在7～18范围内。选取乳化剂时，必须选用HLB值相近似的乳化剂。表12列出的是不同油品所需的HLB值。
表12 不同油品乳化所需表面活性剂HLB值
被乳化物（如矿物油）与乳化剂的疏水基团要有很好的亲和力，两者亲和力越强，不但乳化力强，而且乳化剂用量也较少，一般使用复合型乳化剂要比单一乳化剂的效果要好。
以上针对不同纤维选用与其相适应的抗静电剂、平滑剂、集束剂和乳化剂，是化纤油剂的主要组成部分，也反映了合纤油剂的主要作用，是多种表面活性剂发挥协同作用，这种协同作用不仅优于各组分固有特征，而且使综合功能达到理想水平。可以说，利用协同效应，乃是油剂制备的核心技术。
（未完待续，精彩内容请见下期……）
作者简介：
阮天治，高级工程师，在广东、江苏、山东工作多年，经验丰富，长期在研究单位从事表面活性剂研究和应用开发，具有大企业工作阅历。
历任研究室主任、科研科长、总工程师等职，有四十多年研发经验，其中从事纺织助剂开发已达三十余年，具有较深的专业造诣，在行业中享有一定的声誉。
现是享受国务院特殊津贴的化学专家，曾任深圳市专家委员会化学专家、天津市日用化学工业协会理事，也是中国书法家协会烟台分会会员。
在纺织后整理助剂研发方面，曾倾注大量心血，仅软片（柔软剂）成熟技术达三十项，涵盖各类品种，多项成果达到国外同类产品水平。近几年，研发成功的五种阴离子柔软剂，独具特色，用于棉和针织品整理，具有其他产品不具备的柔软、滑爽、无黄变、瞬间吸水、缝纫性好五大优势，成为棉、针织品，尤其是出口针织品首选品种。
除掌握有机硅（包括阴离子平滑剂）、硅油精等后整理助剂生产技术外，在前处理和染色工序也可提供多项产品，如煮练剂、皂洗剂、毛能净、乳化剂、渗透剂、匀染剂、抗静电剂、平滑剂、硬挺剂、螯合剂、纺练纺纱油剂等。
除纺织助剂外，对化工设备也很专业，其设计的软片生产和加工设备已被国内多个厂家采用，得到好评；在软片生产中，会产生大量氨气，污染严重，对此，有一套成熟处理技术；对于小企业，鉴于氨气排放量不太大，可帮助设计氨气吸收系统，此技术可大幅度降低氨气对环境污染；对于软片产量较大的企业，不仅可提供氨气吸收系统，并通过技术改造，可将氨气回收，将其转化为28%含量的工业氨水进入市场！此举，不仅可解决污染问题，而且可降低软片生产成本！
另外，在工业及民用洗涤剂、金属加工助剂（包括发黑技术）、油田助剂、造纸助剂、皮革助剂等方面也可提供技术帮助！
目前，集四十多年经验，正在撰写六十万字《纺织助剂概论》，该书不同于其他专业书，第一次将纺练纺纱油剂、有机概念图列为章节专述，还将有机硅及最新技术、绿色环保理念等，作为成书的重要组成部分！
手 机：13773745606
