合成纤维初始加工与配套油剂的选用(三)
阮天治
阮静
百鸟正祥
贺键
杨相臣
2018/6/1
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合成纤维初始加工与配套油剂的选用(三)

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 

       我们在第一部分较详细地介绍了合成纤维特征及面对的初始加工难题。合成纤维是一类无极性或极性小的化学纤维,由于结构的特征,造成了自身吸湿性差、导电性不好。

       这些问题不解决,会造成初始加工无法实施。要改善初始加工性能,在油剂配方中必须使用抗静电剂和平滑剂,但仅此仍不能反映油剂组成的全貌。油剂应是多组分,又各具特色,并能发挥协同作用的有机组合体。

一、合纤油剂在纤维初始加工中的作用

       它的作用是多方面的,可归纳为以下六个方面:

       (一)用于提高纤维的润湿性

       油剂在纺丝牵伸中的作用有两点,一是对纤维表面的作用;二是对纤维内部的作用。

       纤维经牵伸后,表面积增大,此时应对纤维迅速均匀上油。均匀上油就是使油剂在纤维表面铺展开来,取代纤维表面的气相,使之完全润湿。

       (二)对纤维成型的影响

       油剂渗透到纤维内部,可使卷挠蓬松。经试验证明,不同油剂对未牵伸纤维的膨润作用是不同的,而伸长率是考核纤维膨润度一项重要指标。纤维伸长率与油剂对纤维内部增塑程度有关。

       (三)油剂的黏度对纤维牵伸性的影响

       油剂可使未牵伸丝两次转移点下降,因而会影响牵伸和促进结晶化。油剂对纤维内部的润湿结果会导致异常牵伸现象。如果处理得当,可以收到好的效果。

       纤维上的油剂和水的作用是影响牵伸性能的重要因素,其原因是加水后对油剂的附着性产生了影响。油剂的粘性决定了含水油剂分子排列的形式,又与有机分子中结晶水和吸附水的平衡关系有关。

       因此,可以用适量的水和其他调理剂来调节油剂的粘性。

       (四)对纤维平滑性的影响

       合成纤维抽丝时,一般上油率较高,摩擦性质主要是液体摩擦。但是,伴随纺丝高速化,在牵伸、整经以及经编等工序与金属表面接触,其摩擦性质又属于境界摩擦。

       对于液体润滑,选用黏度小的油剂较为合适,像无极性的矿物油尽管耐热性很差,由于黏度低,至今仍在使用。二元酸酯类由于耐热性好,黏度低,也是比较理想的平滑剂。

       对于境界润滑,应考虑油剂与金属表面的亲和性和有机分子间的凝集力。长链脂肪酸三乙醇胺皂、失水山梨醇油酸酯、烷基硫醇、卤代烷等亲油性极性物质和长链脂肪酸碱金属皂就是这种性质的油剂单体。

       为了提高平滑性,可在被摩擦物体液体油膜中加入微粒状物质,例如硅酸铝之类无机胶体、聚乙烯(分子量12000~15000)以及高融点的微晶石蜡等。

       (五)对纤维集束性的影响

       提高油剂集束性的方法很多,但都不完善。一般而言,集束性与平滑性是有矛盾的,因此在考虑集束性时,不能忽略平滑性,必须兼而顾之。提高纤维集束性有以下方法:

       1.制备乳液型油剂,这样可借助油剂分子与水缔合产生凝集力(如增加油剂的加水粘性),来提高纤维的集束性。

       2.增大纤维与油剂的附着力或者油剂间的内聚力。

       3.油剂中加入水溶性高分子化合物,如聚丙烯酸、聚乙烯醇等也可以改善纤维的集束性。

       (六)对纤维脱落物的影响

       在纺丝(油盘罗拉上)、牵伸(牵伸辊上)和其他有摩擦接触部位上常出现白粉状或粘糊状脱落物。这种脱落物的产生与油剂、使用条件有关。因此,操作时应注意以下几个方面:

       1.施于纤维上的油剂,若油膜强度过低就容易出现脱落物。

       2.纤维上油率过低也会有脱落物,若提高上油率,就会显著减少。

       3.有的油剂成分与水缔合产生的粘性物质,在高温条件下,也会有白粉状物出现,这种现象在锦纶和涤纶纺丝中较多。

       4.油剂成分,因结晶和熔点等影响,可使油剂与基油的相容性变坏。

       5.锦纶纤维中水溶性低聚体容易导致脱落物出现。如果油剂在纤维表面疏水化,可以防止脱落物出现。

       6.对脱落物成分进行分析,其主要成分是油剂、自然界尘埃和纤维低聚体的混合物。要减少和防止脱落物出现,要求油剂要有较大的油膜强度,对纤维低聚物的相容性和亲和性要小,但含油率不能过低。

       7.静电是纺丝加工中容易出现的问题,特别是经过高温处理或低温条件下加工疏水性大的纤维尤为突出,前者如热牵伸和热定型,在整经和编织工序中易碰到。

       作为长丝油剂中的抗静电剂,针对热牵伸和热定型而言,宜选用亲水性高分子,特别是阴离子型表面活性剂。而整经和纺织宜选用特殊高分子表面活性剂和烷基磷酸酯胺盐和钾盐。

       长丝油剂在选用抗静电剂时,不仅要考虑抗静电效果,还要兼顾其他性能,如纺丝牵伸时,静电剂是否影响平滑性和集束性。另外,脱落物、耐热性、相容性以及其他组分的协调效应都应加以注意。

二、合纤油剂常用活性剂及特性

       合纤油剂是以表面活性剂为主体的、含多个单体的复配物,各组分应能充分发挥自身长处、抑制短处,在油剂配方中常用的活性剂品种有以下几种:

       1.目前阴离子活性剂在油剂配方中应用较多,主要品种有磷酸酯盐、硫酸酯盐和磺酸盐等。如烷基磷酸酯的钾、钠和三乙醇胺盐(也可含聚氧乙烯基)。十二醇磷酸酯钾盐可作为涤纶短纤维抗静电剂,而烷基磷酸酯三乙醇胺盐可用于维纶油剂。

       2.非离子活性剂可选品种较多,主要用来乳化基油,并可提高纤维集束性和抗静电性等。目前国内使用的主要品种有: 聚乙二醇(800)双月桂酸酯,聚氧乙烯(10)月桂酸酯和脂肪醇聚氧乙烯醚类(平平加类)等。除涤纶短纤维外,在配制锦纶和涤纶长丝油剂以及腈纶和丙纶油剂时,还要使用蓖麻油聚氧乙烯酯类(EL)、失水山梨醇脂肪酸酯(Span)、失水山梨醇聚氧乙烯醚 (Tween类)、烷基酰醇胺、聚醚(共聚物)等。

       3.阳离子和两性活性剂作为合纤油剂成分的例子比较少,但也有个别小厂使用一点阳离子产品,如十八烷基二甲基羟乙基季铵盐(SN)和三羟乙基甲基季铵甲基硫酸酯。

       主要表面活性剂作为合纤油剂单体所显示的特性如表1。

表1  主要表面活性剂(单体)在油剂中显示的特性

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    注:表内,RH-相对湿度;POE-聚氧乙烯;( )内为加成数;PEG-聚乙二醇,( )内为分子量;PPG-聚丙二醇,( )内为分子量。

       据报道,若按100万吨化纤测算,油剂总用量应为12670吨。这个消耗量,从主要配方测算,长丝和短纤维消耗主要表面活性剂情况如下表2。

表2  100万吨化纤消耗油剂中各主要单体需用量(吨)

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三、抗静电剂类型与选择

       抗静电剂是油剂配方中主要单体,它的作用机理就是赋予纤维表面一定的吸湿性和离子性,来提高纤维的导电性,达到消除或防止静电产生的作用。

       (一)抗静电剂类型

       抗静电剂若按纤维加工工序划分,可分为:①纤维加工用抗静电剂,如纺丝、纺纱、织造等;②成品服用抗静电剂,例如成品整理服装开剪、缝纫加工等。若按纤维使用抗静电剂的部位划分,又可分为纤维外部用与纤维内部用两种。若再按抗静电作用的耐久性划分,又可分为暂时性和持久性两类。一般而言,用于合成纤维初始加工(如纺丝、纺纱、织造)用抗静电剂都为暂时性的;用于合纤外部,作为织物成品后整理的抗静电剂为耐久抗静电剂(属功能整理范畴)。

       暂时抗静电剂在使用后还要清洗除去,否则会影响染色和印花效果。表面活性剂之所以适合作抗静电剂,其一,抗静电剂是以溶液或乳状液状使用,而活性剂适合这样的状态;其二,活性剂含有长链的疏水基和离子性亲水基,在处理纤维时,它的疏水基和纤维表面相结合,而极性基处于纤维表面最外层,形成定向吸附层,可改善纤维导电性;但不是所有表面活性剂都可以作抗静电剂,应根据其性质和纤维类别来选择有无定向吸附效果。

       虽然可选品种较多,仍以阴离子抗静电剂的品种为主。这与阴离子活性剂价格较低,可与非离子活性剂混配,基本无毒,对染色也无影响等条件有关。以聚酯(涤纶)和聚丙烯腈纤维为例,常用抗静电剂的抗静性如表3。

表3  常用抗静电剂的抗静电性

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    注:试验条件,聚酯短纤(1.67dtex,300mm);聚丙烯腈(2.22dtex,51mm);上油量0~2% ;20℃,相对湿度(RH)65%。

       (二)合纤油剂以阴离子和非离子活性剂组合为主

       合纤油剂配方中,抗静电剂以阴离子和非离子组成,阳离子活性剂因有腐蚀性、毒性,可使耐晒牢度降低,又不能与染料、增白剂和阴离子活性剂同浴使用,即使抗静电性好,也很少用于油剂配方中。

       1.阴离子型抗静电剂主要品种

       常用品种有烷基磷酸酯、烷基醚磷酸酯、烷基聚氧乙烯醚硫酸酯等。烷基硫酸酯和烷基磷酸酯的烷基链上,如果引入环氧乙烷,其抗静电性有明显提高。其因是环氧乙烷吸湿性大,提高了导电性。以烷基磷酸酯为例,其R越小,即碳链短的抗静电性好。

       海耶克(M·Hayek)对高级醇磷酸酯抗静电机理作了考察,认为高级醇磷酸酯与水形成氢键结合。以此作为极性中心,进一步与水再结合并保持其连续性,由此发挥抗静电效果。

       磷酸酯的烷基为C1214时,抗静电的效果非常优良,它是P2O5与脂肪醇加热反应制取。将其用于合成纤维纺丝油剂配方中,无论是长丝或短纤维都具有突出的抗静电性、适度的平滑性、良好的耐热性,并能增加油膜强度,减少摩耗和纺纱、工序的白粉,也能防止和抑制烷基硫酸钠和烷基磺酸盐等引起纤维着色和设备生锈的弊病。

       当烷基磷酸酯的烷基中含有环氧乙烷时,能提高抗静电性,当环氧乙烷数增加时,其性能近于非离子活性剂,其平滑性反而下降。作为烷基磷酸酯类抗静电剂,还有单酯和双酯的钠盐和钾盐,也有使用铵盐,或有机铵盐,这类抗静电剂的通式如图:

002.jpg

       式中: R-烷基、乙氧烷基等;M-Na、K、NH4、NH(CH2xOH等。

       2.非离子型抗静电剂

       非离子活性剂作为抗静电剂,性能要比离子性活性剂差,但这类活性剂也有自身优势,如:含有羟基或氧乙烯结构的非离子活性剂,它能与水生成氢键,增加纤维表面的吸湿性,并能形成吸附层,从而降低纤维表面电阻,使产生的静电易于释放出来。另外,非离子活性剂还具有润湿、乳化、柔软等多重功能,在合纤油剂配方中也是不可或缺的原料。

       作为抗静电剂有脂肪酸醚、脂肪酸酯型、脂肪酸多元醇酯醚型、脂肪胺、脂肪酰胺型等,前四种使用比较普遍。非离子活性剂可与阴离子或阳离子混配使用,对设备又无腐蚀。

       对聚乙二醇脂肪醇醚来说,隨环氧乙烷加成数增加,其抗静电效果逐渐提高;当加成数达到一定值时,其抗静电可以获得最好值。此时若再增加环氧乙烷,其电阻不再下降。在烷基变更时,随着烷基的变化,其比电阻取得最低值时,环氧乙烷加成摩尔数值也随之发生变化,这主要是HLB值作用结果。

       脂肪醇聚乙二醇酯(PEL)也是合纤油剂配方中常用的非离子型活性剂。经对日本T-600油剂中PEL的分析,脂肪酸为十二碳酸为主的偶碳混合酸,测定酸价为210mg KOH/g,平均分子量为207,平均碳数为C12.5;聚乙二醇羟基为141~143mg KOH/g,平均分子量在78.5~79.5。其酯化物中单酯占30±2%,双酯占62±3%。聚乙二醇分子选用PEG800较为合适。非离子活性剂处理涤纶、腈纶,抗静电效果也不一样。

       3.两性表面活性剂

       两性表面活性剂也是一类优良的抗静电剂,其中氨基酸型、甜菜碱型、咪唑啉型活性剂可作为抗静电剂。每类型中的阴离子部分可以是羧酸,也可以是硫酸基或磺酸基。两性活性剂在PH低于或高于等当点时,离子型会发生变化。

       两性表面活性剂的抗静电作用,是它能在纤维表面形成定向的吸附层,提高表面电阻率。两性活性剂上的取代基,如烷基的碳原子数、阴离子基团及其碳原子数都会影响抗静电性能,例如咪唑啉型中,带磺酸基的效果较好。

       两性表面活性剂的抗静电性能与相对湿度有关,相对湿度提高,抗静电性好。与阴离子、阳离子活性剂一样,由于表面上的抗静电能向材料内部迁移,可逐渐降低其抗静电性。两性抗静电剂都在材料表面形成吸附层,但经摩擦也会被破坏,所以耐摩擦性能不好。

 

(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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