合成纤维初始加工与配套油剂的选用(一)
阮天治
阮静
白鸟正祥
贺健
2018/4/20
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合成纤维初始加工与配套油剂的选用(一)

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

       天然纤维,由于自身表面含有可起到润滑作用的物质,如棉、麻、毛等纤维中分别含有棉蜡、羊毛脂和胶质物,在纺丝纺纱过程中可起到部分助剂作用,加之本身吸水性好、不易产生静电。就合成纤维而言,虽然有自身优势(如不起皱、防虫等),但存在无吸湿性、抗静电性差等致命问题。

       这些弊端如不解决,会给初始加工带来很大困难,会导致抽丝等生产环节无法进行和操作困难。如何解决合成纤维初始加工的最大难题?这是不可回避、又必须解决的问题。

合成纤维在加工的初始阶段,在纺丝过程中要经历纺丝、卷绕、集束、牵伸、卷曲、切断、淋洗、干燥等多道生产环节。因纤维与纤维(F/F)、纤维与机器(F/M)之间的摩擦,会产生静电。由于合成纤维绝缘导电性差,产生的静电不易逸散,此问题影响很大。

       在纺丝时,会造成丝束发散,不能卷绕,造成毛丝、断头;烘干时,又会出现乱丝;在纺织厂,也会造成纤维成卷困难,纤维卷分层不匀,梳棉爬道夫,棉网贴边等问题;在并条、细纱工序也会出现缠罗拉、毛丝;针织时又会发生断头等,成衣后也会因静电易吸尘污染、这些都是合成纤维需要面对的实际问题。而合成纤维油剂(或称合纤油剂或化纤油剂),正是应运而生的配套助剂产品。

       合纤油剂不同于其他助剂产品,虽然配方结构组成不繁杂,但对各组分能否适应合成纤维初始加工需求,确有一定难度,还需纺厂配合,通过各环节考核,方可用于生产。

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

       合成纤维属于高分子聚合物,在成丝、纺纱过程不可避免的出现纤维之间、纤维与机器之间的摩擦,有摩擦就会产生静电,不同合成纤维的带电性由纤维的化学结构和性质所決定。

       静电产生是一种物理现象,产生原因有两种说法。一种是电子迁移论,当两个物体相互摩擦时,电子从一个物体转移到另一个物体,失去部分电子的带正荷,而得到电子的带负电荷;另一种理论是离子极化论,物体产生静电是由电子内部离子极化,离子极化产生的原因有两个因素,一是在应力作用下促使晶体伸长和压缩,因压电效应引起离子极化,从而产生带电现象;二是因温度的变化,离子发生热分解,使纤维晶体内弹变形而引起离子极化,这是因热效应产生的带电现象。

       按照电子论来解释,纤维与金属(F/M)摩擦产生静电是电子自由运动所致,此时电子从高能级向低能级移动。例如四种金属(铂、铁、铝、镁)与锦纶、醋酸纤维、聚乙烯纤维相互摩擦起电,经试验证明,锦纶与能级较低的铂、铁摩擦时,锦纶带正电,金属带负电;对于醋酸纤维和聚乙烯纤维而言,铂和铁的能级较高,纤维完全带负电荷。从介电常数(μ)来看,两种物体摩擦时,介电常数大的物体带正电荷,介电常数小的带负电荷。

       经科学家论证,两种高分子材料经摩擦产生静电情况有一定的规律,其情况如表1。带正电荷材料排在上面,带负荷的排在下面,这种顺序也称之为静电序列。

表1  纤维带电顺序

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       这些纤维摩擦时,带电被认为是电荷在被摩擦的纤维之间移动而产生的带电符号,是放出和接受电子产生的结果。研究表明,高分子化学结构中有无极性基团是考核纤维带电性的关键,结论是聚乙烯( PE)、聚丙烯(PP)、聚酯(PES)、聚苯乙烯(PS)等不具有极性基或具有少量极性基的高聚物易产生静电;而聚酰胺、纤维素衍生物、酚醛树脂等是有极性基团高聚物,不易产生静电。

       涤纶(聚酯)是使用量最大的纤维,它的大分子是以共价键为主的化合物,既不能电离,又不能传递电子或离子,加上其分子基团极性很小,疏水性大,电荷不易逸散,一旦摩擦产生静电,由于涤纶纤维绝缘性好,电阻大,静电释放非常慢,从而引起电荷积聚。经测试,在相同条体下,纤维产生静电的次序是涤纶>维纶>锦纶>腈纶>蚕丝>羊毛>粘胶>棉。可见,涤纶是最易产生静电的纤维,也容易吸尘和产生油污。Sheshoua把各种官能团引入高分子后,对抗静电性的作用如表2。

表2  各种官能团对高分子抗静电性的作用

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       (二)合成纤维无吸湿性及产生的影响

       合成纤维的带电性和降低纤维的动静摩擦系的能力,由其纤维的化学性质和结构所决定。这类纤维不具有极性基或只有少量极性基,造成无吸湿性,且摩擦产生的静电不易逸出,引起电子积聚,是产生静电根源。

       合成纤维的化学性质、官能团的位置和数量决定了纤维的吸湿能力,特别是憎水性纤维(如涤纶),带电情况又与本身的吸湿性和周围环境的湿度有关。因此,在提供空气相对湿度的条件下,会使纤维带电量下降,这是生产车间保持一定湿度的原因。但是,空气湿度过大,又会影响纤维的其他特性,不利于工序操作。

       一般认为,纤维表面电阻小于1010欧姆时,加工就困难,若高于此指标,会产生静电干扰。在20℃相对湿度为65%时,纤维电阻与含湿量的关系如表3。

表3  20℃相对湿度65%时各纤维电阻与含湿量关系

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       从表3中可知,粘胶纤维和天然纤维棉花,吸湿性比较好,表面电阻均小于1010欧姆;而醋酸纤维以下合成纤维吸湿性差,表面电阻均高于1010欧姆,产生的静电逸散效果就比较差。

       随着湿度的变化,合成纤维表面电阻也随之变化,纤维表面电阻Rs与介电常数的关系如下式:

       LogRs= A/D+B

       式中,Rs-表面电阻;D-介电常数;A、B-常数。

       上式说明纤维介电常数越小,电阻越大,导电能力越差。纤维表面电阻与介电常数随湿度变化关系如下:

       小——湿度——大

       大——Rs——小

       小——D——大

       温度小,表面电阻增大,而介电常数变小;温度大时,表面电阻变小时,介电常数则增大。可见,如能赋予或提高纤维的吸湿性,就可提高纤维的导电性,达到或防止静电产生。

       研究者也提出了相对湿度影响概念。表面活性剂在纤维表面可形成定向吸附层,空气湿度与活性剂朝向外面的亲水基有关。因此,纺厂对车间湿度控制很重要。活性剂的抗静电性随温度下降而降低。经比较发现各类活性剂电阻随相对湿度的增加而下降,由其离子型活性剂更为突出。而非离子型电阻下降较慢,说明离子性活性剂对相对湿度的敏感性更大。

       (三)影响合成纤维带电量因素

       合成纤维经摩擦产生静电这是不争的事实,作为研究者还应清楚影响纤维带电量的因素,这里涉及三重关系。

       1.带电量与物体介电常数(μ)的关系。物体摩擦时,就会产生电子转移,由于电子从高能级向低能级方向移动,产生电位差。带电量与两个摩擦物体的介电常数之差成正比。用公式表示如下:

       Q=K(ξ12

       式中,Q-带电量;K-常数;ξ1、ξ2-各物体的介电常数。

       若按以上推理,同一物质介电常数相同,不应产生电荷;但是,实际上纺纱时,纤维相同,仍有静电。这种现象出现,与纤维表面粗细和结晶度有关。表面粗糙的带正电荷,平滑的带负电;物体结晶度高的带正电,结晶度低的带负电荷。

       2.带电量与摩擦速度和摩擦功成正比关系,从以下关系式可以理解这一点。

       Q= f(v)W 1/2

       式中,Q-带电量,v-摩擦速度;W-摩擦功。

       两物体摩擦时,受强烈摩擦的物带正电荷,摩擦小的带负电荷。

       3.带电量与物体表面电阻的关系如下式表示

       LogQ=1/m LogRs+(Logn+B/m)

       式中,Q-带电量;Rs-表面电阻;B、m、n-常数。

二、合成纤维摩擦分类及特征

       (一)合成纤维摩擦分类

       可分干燥摩擦、边界摩擦和液体摩擦三类。

        1.干燥摩擦

       指摩擦面没有润滑剂(平滑剂),此时F值(摩擦力)最大,相当于不加任何助剂的空白纤维之间的摩擦。摩擦面粗糙F值大,摩擦面面平滑的F值小。

       2.边界摩擦

       摩擦面间有极薄的油膜,F较小,含油量较少的短纤维之间的摩擦,近似这种摩擦。对摩擦力产生影响涉及三方面,一是油剂的配向性;二是纤维的亲和性,再者是纤/油相互作用。通常来说,对于脂肪族而言,随碳原子增多,分子量增大摩擦系数(μ)下降;非离子表面活性剂随环氧乙烷(E0)数增加,摩擦系数下降;而使用离子性活性剂随着配向性的提高,摩擦系数随之降低。

       3.液体摩擦

       指摩擦面之间油层较厚,此时F值最小。这种状况,主要指含油多的长丝之间摩擦近似液体摩擦。这种摩擦主要取决于配套油剂液体黏度和表面活性剂的配向性。如用矿物油,随着CP提高,摩擦系数(μ)下降;当采用脂肪族化合物(如酯),随着碳链增加,分子量增大,摩擦系数(μ)反而下降;对于非离子活性剂而言,随着环氧乙烷(EO)加成数的增加,摩擦系数(μ)有下降趋势;对于离子型活性剂来说,随着碳数增加,摩擦系数则下降。

       总而言之,要降低因摩擦产生静电的不利因素,合成纤维在加工中应采用含有润滑剂(平滑剂)、抗静电剂的油剂,改变两物质之间的摩擦状态。平滑(润滑)性是纺织油剂非常重要的性能,这里涉及纤维之间,纤维与导辊(金属、橡胶、聚氨酯等)之间的平滑性。平滑作用在降低F/F间动静摩擦系数中,更多的降低静摩擦系数发挥重要作用,并可增强纤维抱合力,与抗静电剂有相辅相成的作用。

       (二)影响摩擦系数(μ)的因素

       1.表面活性剂的选用及影响

       避免干燥摩擦,可选用起到平滑作用的原料较多,如液体石蜡、矿物油、高级醇、硬脂酸酯及脂肪酸聚氧乙烯酯等。活性剂类型不同,对纤维的摩擦系数产生的影响也不一样,如图1 所示。活性剂的离子性不同、摩擦系数产生的影响也不一样,即使是同离子型,也会因亲水基和亲油基的不同,对摩擦系数的影响也不一样。

       2.同离子型活性剂的摩擦系数

       各类表面活性剂的憎水基链的长短变化,可使纤维摩擦系数产生规律性变化。若含有芳基,双键或增大原活性基的碳链,均可提高纤维的摩擦系数;若活性剂含有酰胺,摩擦系数会降下来。

阮工 文章002.jpg 图1  活性剂与摩擦系数

       3.纤维种类和形态的影响

       合成纤维的摩擦性不仅取决于纤维表面特性,也受其种类、形态以及加工工艺等影响。纤维种类不同,表面构造也不同,所测的摩擦系数(μ)差距也很大。油剂和其他条件相同情况下,在化纤当中,粘胶纤维的摩擦系数最小。另外,纤维纤度对摩擦系数的影响,是随纤度的增加,摩擦系数在减少,如表4。这可能因纤度大,接融面积小之故。纤维卷曲好,抱合力好,则摩擦系数高。

表4  纤维纤度对摩擦系数的影响

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       4.油剂黏度的影响

       油剂黏度的变化对边界摩擦没有直接的影响,但隨黏度的增加,摩擦系数也增大。

       5.速度的影响

       由于速度增如,剪切强力增加,所以摩擦系数也要增大,如表5所示,以腈纶纤维为例,从中可见摩擦速度与摩擦系数的关系。

表5  腈纶纤维摩擦速度对摩擦系数的影响

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       6.温湿度变化对摩擦系数的影响

       合成纤维是憎水性纤维,纺织环境温湿度的变化,对摩擦系数影响也很大。图2反映了温度对涤纶摩擦系数的影响。油剂分子中碳原子数增加时,静摩擦系数和动摩擦系数在20~35℃范围内,静摩擦系数降低较快,而动摩擦系数在油剂碳数达到14以上时,降低较慢。

       从生产环境来看,温度增加时,油剂的吸湿率也增加,油剂吸湿率变化会引起黏度变化。黏度增加,摩擦系数也增大。聚氧乙烯烷基醚随着相对湿度增大,摩擦系数也增大。生产环境应保持适宜的温湿度,免受处界天气的影响。

图9.jpg


图2  涤纶纤维的温度与摩擦系数的关系

       7.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,油剂上油量达到0.1~2%时,摩擦系数会出现的情况是:合成纤维随油剂吸附量的增加,摩擦系数在减小。另一种是增加类型,还有一种是增加后再减小类型。据文献介绍,棉型粘胶纤维含油量在0.3%以下时,摩擦系数随含油量增加而减少;当油量超过0.3%时,随含油量增加也增加。棉花是随含油量的增加,摩擦系数却减小;20D的涤纶随着含油的增加,摩擦系数也增加。

       (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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