合成纤维初始加工与配套油剂的选用(二)
阮天治
阮静
白鸟正祥
贺健
2018/4/27
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合成纤维初始加工与配套油剂的选用(二)

阮天治,阮静,白鸟正祥,贺健

       摘  要:合成纤维属于高分子聚合物,作为化学纤维及其制成品,与天然纤维相比有许多优势,但却存在无吸湿性、易产生静电等先天不足。其核心问题易造成静电积聚,静电的产生给合成纤维纺丝、纺纱加工带来诸多问题,造成的后果会使初始加工无法实施。这是必须认真面对的问题,而合纤油剂的开发和应用,正是迎合需求开发的配套产品。

       合成纤谁是上世纪六十年代后陆续引进的生产技术,当时配套油剂主要由日本厂商供给,也有法国品牌。为了实现配套油剂的国产化,当时天津轻工业化学研究所建立了油剂研究室,为我国油剂的发展作出了贡献。

       合纤油剂,虽然是以配方为主的助剂,要适合不同纤维加工需要更非易事,油剂必须解决合成纤维的抗静电性、平滑性、抱合性、集散性、防锈性等多项功能。为适应不同纤维、不同工艺和加工条件的需求,油剂品种有前纺、后纺油剂及统一油剂之分;从各类纤维自身考虑,又有长丝和短纤维油剂之别。一个好的品种,必须在纺厂的配合下,通过各环节的上机考核,方可正式纳入生产环节。本文分以下三部分作介绍:

       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:合成纤维;油剂;摩擦;摩擦系数;逸散;积聚;干燥摩擦;边界摩擦;液体摩擦;集束性;抱合性;防锈性;高速纺;长丝;短纤维;前后纺油剂;统一油剂等

目  录

       第一部分:合成纤维特征及面对的加工难题

       一、合成纤维结构特征与带电性

       (一)合成纤维最大特征是易产生静电

       (二)合成纤维无吸湿性及产生的影响

       (三)影响合成纤维带电量因素

       二、合成纤维摩擦分类及特征

       (一)合成纤维摩擦分类

       (二)影响摩擦系数(μ)的因素

       三、合成纤维分类与配套油剂

       (一)纤维配套油剂分类

       (二)合成纤维初始加工、对油剂适应性考核

       (三)合纤油剂对纤维的适应性及影响

       四、如何应对纤维初始加工中产生的静电

       (一)对合成纤维产生静电的消除方法

       (二)平滑剂使用与抗静电的关系

       (三)平滑剂和抗静电剂的协同作用

第一部分  合成纤维特征及面对的加工难题

三、合成纤维分类与配套油剂

       (一)纤维配套油剂分类

      合成纤维种类很多,按用途可划分为长丝和短纤维。长短纤维在初始加工阶段,根据应用领域的不同,又可延伸出性能各具特色的不同配套油剂,情况如图3所示。

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图3 合成纤维配套油剂类别

       从以上油剂类别再延伸考虑,还应注意以下几点:

       由于长丝和短纤维加工不同,对油剂要求也不一样,例如长丝,按品种用途,还可分为普通长丝、弹力丝(假捻)、轮胎帘子线(加捻)、编织丝(整理上浆)等。如果再深层考虑,还应注意以下几点:

       1.油剂进一步分类还有前纺油剂和后纺油剂,为了简化使用工序,又有前后纺统一油剂,三者配方组成是有变化的。

       2.机织和针织丝对油剂的F/M的摩擦系数、上浆性、防锈性、润滑性等性能有不同的要求。

       3.异形加工丝、轮胎帘子线、漁网、绳索、窗帘等,对油剂的耐热性和粘着性亦有不同的要求。

       4.短纤维也有纯纺和混纺之分。在混纺中,因棉、毛、麻、丝粘胶纤维、涤纶、腈纶、锦纶、维纶等性能的不同,应根据混纺配对的情况、比例等实际情况,有针对性调配油剂配方。

       简而言之,合成纤维品种多,加工技术又各异,应有针对性地开发油剂。除此之外,配方的应用试验除研究室模拟试验外,即使效果尚可,还必须到生产场地上机考核。这个考核不同于一般应用试验,纺丝纺纱一旦开机,必须大量原料辅助,只有在厂家通力合作下才能完成。

       (二)合成纤维初始加工、对油剂适应性考核

       纺织企业在合成纤维加工中,除各企业有自身生产特点外,也因加工纤维的不同,考核内容也不同。内容涉及可纺性(俗称是否好做)平滑性、分纤性、抗静电、染色性,失透性、防锈性等多项内容。以涤纶中长纤维加工为例,提供油剂产品考核指标通常涉及抗静电性、集束性、粘着性、润滑性、油膜强度等。具体要求:

       1.纺丝工序:不毛丝、不乱丝、不打滑、卷曲好、不粘轮、不堵打包笼;

       2.纺纱工序:在梳棉段、棉网匀、不堵管、不粘卷、不绕锡林,无棉结;并条时,应不堵管、不绕罗拉、油剂不剥落、成型好;在粗纱段,应无毛纱、不绕罗拉、条干匀、无棉结、无断头;在落筒时应无纱断头。

       经油剂处理的涤纶短纤维考核指标有油度(D)、强度(γ/D)、伸度(%)、伸不匀(%)、卷曲度(%)、含油量、平均长度(m/m)、长度差异(%)、过长纤维(%),倍长纤维等。

       可见,合纤油剂虽然为配方结体,要满足纺丝纺纱通关要求,应经过生产各环节的考核。

       (三)合纤油剂对纤准的适应性及影响

       合成纤维涉及不少品种和不同类型品种,即使是同一类型纤维,又有各自不同要求。选用什么类型油剂呢?表6介绍了不同纤维对油剂单体的选用情况;表7为部分纤维与其相适应油剂的特性。

表6  不同纤维对油剂单体的选用情况

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       表7  部分纤维与其相适应油剂的特性

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       从表6、表7来看,合纤油剂无论是平滑成分、还是抗静电成分,有两大特点,一是以表面活性剂为主体;二是以阴离子和非离子型活性剂组成为主。若从合成纤维的长丝和短纤角度考虑,对油剂性能要求也不相同,针对性较强。

       表8、表9反应了涤纶长短纤维油剂的差异和特征。

表8  涤纶长丝油剂的组成和作用

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表9  涤纶短纤维油剂的组成和作用

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       我们在上文中介绍了生产环节对油剂的适用性要求,这些要求是严格的。我们在调试油剂配方时,还应注意以下几点:

       1.从结构上看,合成纤维自身也存在软肋,涤纶纤维中有齐聚物,并会水解;丙纶遇水会膨胀;腈纶的酸性第三单体会腐蚀设备;维纶的卷缩抱合性差;锦纶易产生静电……如此等等。另外,有光纤维易产生碎屑,也腐蚀设备。这些个性问题,应纳入配方设计思考。

       2.合成纤维虽然均为高分子聚合物,但各类之间化学结构相差较大,抽丝工艺也不一样。从纺丝工艺来看,涤纶、锦纶和丙纶是熔融纺丝,要求配套油剂应具备优良的耐热性、抗静电性和可纺性;而腈纶、维纶、粘胶纤维是湿法纺丝,要求配套油剂不受从凝固液中带出的组分所影响,吸附的水分不能影响油剂的均匀分布。

       3.在牵伸工艺,采用的是冷牵伸还是热牵伸,除对油剂的抗静电、平滑性要求外,对油剂的黏度要求也不一样,这一点不能忽略。

       4.合成纤维有加捻、低捻和无捻纤维之分,它们对油剂的集束性要求较高;用于机织和针织的丝,对油剂的F/M的摩擦系数,上浆性、防锈性、润滑性等性能均有不同的要求,在调配油剂配方时,应列为考虑解决问题的范围。

       5.从纺丝速度来看,有低速和高速纺之分。低速纺丝(1000m/mim)条件下,油剂配方中采用的平滑剂一般为矿物油和脂肪酸酯,这两种原料在高速纺中(3000~4000m/min)易造成发烟和焦化问题,常以新的高分子表面活性剂代之(如聚醚等)。实际上合纤油剂的耐热性是由构成油剂配方的平滑剂、乳化剂、抗静电剂等总体效果来判断。以聚酯熔融制备长丝为例,由低速到高速纺(Poy),以及纺牵一步高丝法(FDy,纺速达5000m/min),在丝一步基础上,还发展了热辊牵伸等,油剂的配方结构发生了较大变化,尤其耐热性,应作全盘考虑。

四、如何应对纤维初始加工中产生的静电

       合成纤维经摩擦,容易产生静电,而静电产生给纤维加工带来很大麻烦,直接影响纺纱、纺丝工序的实施。如何克服静电发生,是合成纤维初始加工需要面对、又必须解决的问题,这也是油剂配方设计者首先面对的问题。

       (一)对合成纤维产生静电的消除方法

       对于纤维加工过程产生的静电,有以下解决办法:

       1.从根本上提高合成纤维本身的导电性(如引入抗静电性的基团);

       2.增加纤维表面的亲水性,提高表面传导性;

       3.使用电晕放电,进行离子中和;

       4.使用抗静电剂(如含抗静电剂的油剂配方)。

       作为合成纤维抽丝、纺纱加工的初始阶段,为了不影响下段工序的实施,以上方法中“2和4”是行之有效的方案,这里都涉及到了抗静电剂的使用。抗静电剂的使用正是解决合纤油剂应用的关键技术。抗静电性得到改善,对纤维的集束性、抱合性亦可得到改善。之所以能实现这样的效果,与表面活性剂的抗静电性能、化学结构、离子性、吸湿性、渗透性和黏度等有直接关系。例如烷基磷酸酯处理腈纶、涤纶、醋酸纤维和棉纤维,其抗静电效果如表10。

表10  烷基磷酸酯对不同纤维的抗静电效果

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       从表10可见,烷基磷酸酯对腈纶抗静电效果突出,其次是涤纶,对棉无作用。这种效果与烷基磷酸酯具有对称的极性基团有关,能在纤维表面形成定向吸附层,其亲水基朝向空气,疏水基朝向纤维。如图4所示:

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图4  烷基磷酸酯在合成纤维表面上的定向排列( Bunler)

       在纤维上有一层定向附的表面活性剂,其亲水基可以吸水,使纤维表面形成一层水膜,而水的介电常数又高,这种状态,如同在合成纤维表面形成一层“介电屏蔽”,使纤维表面绝缘电阻大大降低。这样,纤维上产生的静电就容易沿着纤维表面逸散到空气或大地中。

       对棉纤维而言,它本身就有亲水基团,烷基磷酸脂在棉纤维上排列与合成纤维正好相反。即亲水基朝向纤维,而疏水基朝向空气,其结果反而降低了棉纤维的吸湿性和导电性。以表8可以看出棉纤维加入磷酸酯后,适得其反,并未改善抗静电性。

       (二)平滑剂使用与抗静电的关系

       摩擦是产生静电的主要条件,在边界摩擦或液体摩擦中,因使用了润滑剂,改变了纤维之  间的摩擦状态,降低了F/F、F/M之间的摩擦系数,增加了纤维的平滑性。这种润滑剂通称平滑剂。因平滑剂的使用,可达到抑制或降低静电的发生。

       可以说,合纤油剂的平滑性是衡量油剂性能的另一项重要指标。平滑剂是油剂配方重要组成之一。它的使用可减少纤准间和纤维与金属间的摩擦,并使纤维具有适当的柔软性和平滑性,增强纤维抱合力。

       合纤油剂除抗静电剂和平滑剂外,还有其他辅助表面活性剂,在各组分中平滑剂用量最大,占有率可达40~60%。可见针对不同纤维选择适宜的平滑剂,异常重要。

       1.不同纤维对平滑组分的选用

       从表面活性剂结构来看,烷基平滑性的影响较大,烷基链长者平滑性好;有芳基者,摩擦系数偏高。据测定,酯基平滑剂是双酯>单酯>聚酯。不同纤维对平滑剂要求也不一样,如表11所示,涉及主要合成纤维可选用的平滑剂品种。

表11  不同合成纤维对平滑剂组分的选用

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       2.在选用平滑剂时,还应注意以下几点:

       (1)如果选用矿物油等油品,应注意选择合适乳化剂;

       (2)应注意速度影响,由于速度增加,剪切强力增加,不得选用耐热性差的酯类化合物和矿物油。

       (三)平滑剂与抗静电剂的协同作用

       如上所述,合成纤维无吸湿性,易产生静电,使用抗静电剂后,可增加纤维的吸水性,纤维表面的抗静电吸附层,可降低纤维表面绝缘电阻,达到逸散电子的作用,抗静电剂的作用主要防止静电积聚。

       静电是由于纤维(F/F)、纤维与机器摩擦产生的,平滑剂在它们之间形成隔离层,防止干燥摩擦,此作用对降低两物体间的摩擦系数,有助于抑制和降低静电产生的不利条件。抗静电剂和平滑剂的使用,均是围绕静电问题而采取的对策,两者同时使用,可发挥协同效果。

       抗静电和平滑剂涉及内容较多,我们在这里未展开诠释,将在本章第二部分《合成纤维配套油剂配方组成及功效》中再作深入探讨。

       (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



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