合成纤维初始加工与配套油剂的选用(六)
阮天治
阮静
百鸟正祥
贺健
杨相臣
2018/7/13
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合成纤维初始加工与配套油剂的选用(六)

阮天治,阮静,百鸟正祥,贺健,杨相臣

       摘  要:本部分仍以合成纤维为主线,对长丝和短纤维的配套油剂作进一步深入探讨。长丝、短纤维配套油剂性能的侧重点截然不同,单从长丝或短纤维而言,对油剂又有各自共性品质和一致的应用规范要求。

       在共性条件下,也蕴含着个性化变化和配方结构的调整。就具体纤维(如聚酯、腈纶、锦纶、丙纶、维纶等)来说,因化学结构、加工工艺的不同,每种纤维对配套油剂的选用均有独特的个性化追求。若扩大视野来看,粘胶纤维和合成纤维同属化学纤维,但粘胶纤维的组成与加工又与合成纤维有天壤之别,必将涉及到选用油剂的特殊性要求;作为天然纤维的萱麻、羊毛已属另类,要达到成纤条件和改善手感,又必须选用独具特色的油剂。

       本文重点诠释合成纤维长丝(包括高速纺)和短纤维配套油剂的共性特征,使读者对油剂有一个全貌了解。至于化学纤维(包括粘胶纤维)及萱麻、羊毛等天然纤维对配套油剂特殊性和个性化要求,我们列为第四部分《不同纤维配套油剂特征及配方示例》中再作详细介绍。从不同角度解读油剂内涵,无疑有助于研究和应用者拓宽思路。

       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:长丝;短纤维;共性;个性;抗静电性;平滑性;集束性;防锈性;高速纺;聚醚;Poy

 

目  录

       第三部分:长丝、短纤维及高速纺配套油剂

       一、短纤维加工与配套油剂

       (一)短纤维配套油剂共同点及要求

       (二)油剂对短纤维可纺性的影响

       (三)油剂抗静电性与可纺性的关系

       (四)油剂粘着性与可纺性的关系

       二、长丝加工与配套油剂

       (一)长丝油剂共同点及要求

       (二)长丝油剂的主要功能

       (三)长丝分类及适用油剂的选择

       (四)长丝油剂的配方组成

       三、高速纺Poy油剂

       (一)合纤高速化生产带来配套油剂产品结构的巨大变化

       (二)高速纺Poy油剂配方特征及功效

       (三)聚醚表面活性剂化学结构的变化及影响

       (四)极性元素硫、磷、氟引入聚醚和其他化合物中后应用效果评价

       (五)适用高速纺条件的新型抗静电剂

       (六)Poy高速纺配套油剂配方示例


       第三部分:长丝、短纤维及高速纺配套油剂


三、高速纺Poy油剂

       (一)合纤高速化生产带来配套油剂产品结构的巨大变化

       合成纤维高速化生产的发展,也带来了配套油剂产  品结构的变化,使用的原料不再是传统的低分子量表面活性剂,矿物油因烟雾大不能再使用,酯类表面活性剂也因结焦严重,也不适应高速化的要求,取而代之的是具有优良性能的聚醚类表面活性剂为主体的新型配套油剂。

       以聚酯熔融法长丝生产为例,已由原来的低速纺(UDy,纺速1000m/min)发展到高速纺丝(Poy ,纺速3000~4000 m/min);纺牵一步高速纺丝法(FDy,纺速5000m/min左右),在牵伸一步法工艺中,又开发出热辊牵伸、热管牵引等;除了单组分纺丝法外,又发展了双组分纺丝工艺;在普通纤丝外,又发展了约旦丝……技术的进步,纺丝速度的提升和工艺的变化,无疑对油剂提出了更高的要求。

       作为与高速化配套油剂应具备更好的平滑(润滑)性外,还应具备不结焦,可减少加弹丝中的摩耗,拥有更好的油膜强度和更快的铺展性等性能。这样,聚酯活性剂和含有硅、硫、氟等表面活性剂成为新型油剂开发中的主攻方向。

       据德国斯托克森和拜耳公司专家介绍,按照纺织速度的变化,与相适应加工纤维对应情况如表2。作为高速纺适用纤维有聚酰胺(锦纶,PA)、聚酯(PES)、聚丙烯(PP),而超高速纺适用纤维为聚酰胺、聚酯和聚丙烯纤维。

表2  纺丝速度与加工速度

图片.png

       随着高速纺的发展,加弹速也在提高:

       磁性锭子:100~150m/min → 300m/min

       摩擦盘:300m/min → 600m/min(内摩擦)

                     400m/min → 700m/min → 800m/min(外摩擦)

       (二)高速纺Poy油剂配方特征及功效

       作为高速化相配套的油剂除具有更好的平滑性(润滑)外,还应具备不结焦,减少加弹丝中摩损,拥有更好的油膜强度和更快的铺展性。这样,聚醚类和含硅、硫、氟等表面活性剂成分是新型油剂开发中的主攻方向。

       作为高速纺Poy油剂,首要功能是可满足纺丝过程中成纤的正常生产,而且还应满足加工过程的各项要求,这些要求包括以下内容:

       1.在纺丝过程中,油剂应能满足纤维与金属(F/M)的平滑要求,以防止纤维磨损与断裂。

       2.能够提供纤维与纤维(F/F)之间适当抱合力,以求满足丝饼存储时的稳定性和加工时退绕。

       3.可消除高速纺中产生的静电。

       4.应具有良好的热稳定性,不会在纺丝和后加工热部件上残留结焦,不产生有毒的烟雾和异味。

       5.有低的表面张力,能在油剂加工速度范围内均匀覆盖或润湿纤维表面。

       6.有良好的溶解性、乳化剂和适当的黏度。

       7.在不同条件下存放稳定、不分层、不霉变。

       8.对纤维后加工,如上浆等不会产生不良影响,

       9.不会在纤维上造成污斑、变色、吸尘或渗入和膨润纤维,而影响其使用性能。

       10.不干扰和影响纤维的稳定性,也不会使纤维在光、热、氧作用下降解。

       11.对设备无腐蚀。

       12.生物降解性好,使用安全、不会对人体造成伤害。

       能适应以上苛刻要求的,当属聚醚产品。例如,作为聚酯纤维的聚醚型Poy油剂,在长期连续操作中,不仅烟雾小、结焦少,在通过热板时,短时间内不会分解;即使有少量聚醚脱落在热板上,也会因分子链断裂而挥发,结焦甚微。在生产Pry变形丝时,虽然加捻温度较高,也不会出现丝与摩擦打滑而产生斑点。

       (三)聚醚表面活性剂化学结构的变化及影响

       1.聚醚表面活性剂

       是经过各类嵌段聚合而成的非离子表面活性剂,也有较多品种,例如Poloxamen,它由丙二醇为起始剂,先聚氧丙烯化,再聚氧乙烯化,生成分子量为2200~12500的乙-丙-乙型聚醚,商品名为Pluronic,结构式如下:

阮工 图片01.jpg


       也可先聚氧乙烯化,再聚氧丙烯化,生成丙-乙-丙型嵌段Meroxapols,其商品名为Pluronic R,分子量在1200~1650。

       亦可用乙二胺为起始剂,制备的嵌段聚醚结构如下:

阮工 图片03.jpg

       以上商品名为Tetronic R,分子量在3400~4000。若以多元醇双酚A等为起始剂的无规聚醚作为非离子活性剂时,应用更广泛,其商品为Pluradot ,具有以下结构式:

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       这些非离子活性剂在纤维的加工中,具有润滑、柔软、抗静电、乳化、分散、润湿等性能。如果将环氧乙烷、环氧丙烷引入硅氧烷的主链中,可制成含硅聚醚,其结构式下:

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       以上聚醚可成为高速纺油剂的主体,均表现出良好的性能。作为涤纶高速纺油剂,动摩擦系数比矿物油和脂肪酸酯稍高,但不同的EO/PO之比,赋予纤维与金属的摩擦系数(μD)也不同。聚醚作为性能优良的平滑剂和乳化剂,在高速化生产中完全可取代脂肪酸酯。

       与合成酯相比较,聚醚极性极小,故而分子间的作用力弱,即使相对分子量较高,黏度也较低,聚醚最大的优点是耐热性好,PO含量越高,残渣越少。从抗静电性来看,聚醚结构中有大量醚链,可以通过氢键与水缔合,使纤维表面电阻下降,起到抗静电的作用。

       2.聚醚结构变化及影响

       聚醚可通过结构变化来满足不同的要求,作为特殊平滑剂,可制备成双烷基封端聚酯(如羟基封端聚醚);还可制备成醚化封端、酯化封端、酰胺封端、胺化封端等,封端后的聚醚各具特点,又不失聚醚产品优势。相比之下,醚化封端较为成熟,封端率可达70%以上。

       封端后,聚醚理化性能有较大变化。而无轨聚醚作为平滑剂可提供相对稳定的张力,由此可获得均匀好的假捻复形丝。尽管聚醚作平滑剂耐热性好,应注意的是高速纺油剂是以聚醚为主的复配物,如果与其相匹配的其他活性剂选择不当,对整体综合性能和耐热性也会产生不良影响。

       (1)无轨聚醚和嵌段聚醚在使用性能上的差异,表现在:

       ①在相对分子量较高的情况下,无轨聚醚仍为液体,使用更加方便。

       ②嵌段聚醚的渗透性优于无轨聚醚。

       ③无轨聚醚的浊点明显高于嵌段聚醚。

       ④嵌段聚醚的热失重率明显高于无轨聚醚。

       在实际应用中,应根据纤维结构特征和欲求目标,选择合适结构的聚醚,或寻求它们的互补性。

       (2)油剂主要单体化学结构对热稳定的影响

       PA和PES纤维长丝加弹温度较高,通常在180℃~220℃ ,这时在加热板上容易出现残留物,造成不良影响。德国Stockhausen公司通过试验,设计出EO/PO型各种聚醚加弹油剂使用的聚醚结构如下:

阮工 图片06.jpg


        注:S为起始剂;x=7~10,代表EO数;y=7~10,代表PO数。  

       以上环氧乙烷和环氧丙烷与起始剂(s)可按不同方式聚合,最末端有一个羟基,这个羟基可与酸、醇等反应,生成E0/PO的衍生物,这种衍生物优于末端基为-0H的品种。脂肪醇与聚氧乙烯(10)聚合得到油剂,它的热解反应是一个自由基降解反应,在250℃~400℃高温下完成,原因是氧很容易从环氧丙烷的仲碳原子上攻入,造成降解发生。

       这些聚醚型非离子活性剂,在纤维加工中具有润滑、柔软、抗静电、乳化、分散、润湿等功能。无轨共聚活性剂在涤纶高速纺中得到开发和应用。如果以α-甲基苯酚聚氧乙烯醚为中间体,再用烷基硫酸酯化或乙酸酯化的产物,将其作为油剂组分,也可提高油剂的耐热性能。

       (四)极性元素硫、磷、氟引入聚醚和其他化合物中后应用效果评价

       以下列化合物为例

阮工 图片07.jpg

      上述结构化合物中,因分子链内含有各种极性较强的元素,这些极性元素的存在有利于油剂在纤维表面的定向排列,提高油膜的强度;再者,又因此类化合物本身具有较高的耐热性能和抗分解性,故能适应现代合纤生产中的高温(250℃)、高速(7000~9000米/分)和高张力的生产条件,达到传统活性剂不能达到的润滑效果。

       (五)适应高速纺条件的新型抗静电剂

       为了适应高速纺的要求,在抗静电方面也有发展,如磷酸氧化胺,客观上存在有磷酸酯的热稳定性、抗腐蚀性,又有氧化胺的低湿抗静电性、柔软性、相溶性好的特点,其结构式如下:

阮工 图片08.jpg

       也有将阳离子活性剂和磷酸酯活性剂结合一体的新型抗静电剂品种,此类抗静电剂具有很高的抗静电作用,其结构式如下:

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       总之,近年来在市场上可见到的Poy油剂如下,适应Poy工艺速度为3000~4000米/分。

       E-2085     日本竹本油脂

       F-2118     日本竹本油酯

       SFF288     日本三洋化成

       FT-621     美国大洋公司

       FT-5959   德国Stockhausch

       D0762      德国Dako (锦纶Poy油剂)

       (六)Poy高速纺配套油剂配方示例

       配方1:Poy油剂涤纶BCF(%)

       聚硅氧烷类聚醚             6

       AES                               4

       蓖麻醇酸钠                    3 

       丁醇聚醚(嵌段)         72

       二乙二醇十六酸双酯       5

       矿物油                           10

 

       配方2:涤纶高速纺油剂(%)

       硫代二丙醇聚醚           90

       硫代二甘醇聚醚           5

       十二烷基磺酸钠           1

       壬基酚聚氧乙烯醚        4

       注:壬基酚聚氧乙烯醚已属国际禁用的APEO系产品,可选用其他性能适宜的非离子表面活性剂代之。

 

       配方3:锦纶Poy油剂(%)

       丁醇聚醚                               46

       嵌段聚醚                               46

       十二醇磷酸酯钾盐                  3

       C8H17SCH3COOC8H37           5

 

       配方4:锦纶Poy油剂(%)

       嵌段聚醚                                24

       十八酸嵌段聚醚                     52

       十一酸嵌段聚醚                     20

       十二醇磷酸酯钾盐                    3

       C8H17SCH3COOC18H37           1

 

       配方5:超高速(4500~5500m/min )纺油剂

       适用于:

       C12~13醇PO-EO聚醚       36

       PO-EO聚醚                        60

       烷基磺酸盐                        1

       烷基聚氧乙烯醚PK             1.5

       CF3(CF2)7 N=O                  1.5


       说明:笔者在《CTA中国纺织助剂》杂志2016年6、7、8、9期刊上,连载过“聚醚在纺织助剂加工产品中应用”一文,对聚醚产品结构特征、合成方法、以及在高速纺中应用曾作过专述,感兴趣的读者可在CTA中国纺织助剂网或微信CTA666的“专家投稿”栏目——笔者投稿“往期回顾”单元参阅原文。

 

(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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