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。

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

       表7  部分纤维与其相适应油剂的特性

       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

表9  涤纶短纤维油剂的组成和作用

       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

       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：

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

       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。

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       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