合成纤维的静电产生及抑制 ——纺丝纺纱中静电发生及应对(三)
阮天治
阮静
陈文龙
郭涛
罗水涛
陈年
广东中山市天信助剂实业有限公司
2017/5/28
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合成纤维的静电产生及抑制

——纺丝纺纱中静电发生及应对(三)

 

阮天治、阮静、陈文龙、郭涛、罗水涛、陈年

(广东中山市天信助剂实业有限公司  广东中山  528445)

摘要:合成纤维在加工或成衣着身后,因静电带来的问题,一直困扰着企业和消费者。可以说,静电的产生、如何防止,不仅是纺织业长期关注和研究的课题,也是消费者企盼解决的热门话题。

摩擦是产生静电的根本原因,笔者从合成纤维加工、改善可纺性和提高穿着舒适感两个不同的加工工序,阐明了静电产生的原因和影响,以及有效的抑制办法。纺丝纺纱是合成纤维加工的初始阶段,为了解决可纺性,需加入合成纤维油剂(简称合纤油剂或化纤油剂)。这是一种物理处理办法,抗静电是暂时的,在前处理中尚需将油剂洗除。作为面料或成衣,经摩擦静电也很严重,尤其在剥离时,甚至产生静电火花,有明显电击感觉。这里消除静电采用的是化学方法,必须对合成纤维改性,解决导电性差的问题;追求的是舒适度,要求抗静电具备持久性。两个工序产生静电的机理虽然一致,由于追求目标的不同,解决方法也不一样,我们将分别作以诠释。

本文首先介绍纺丝纺纱加工的特殊性,对静电产生和抑制的方法作了较详细的介绍。这篇文章也将为读者打开了解合纤油剂基础知识的大门;以后笔者还将陆续发表各类纤维配套油剂特征及制备方法,供专业人士参考。

关键词:合纤油剂;表面活性剂;抗静电剂;平滑剂;集束剂;摩擦系数(μ);静摩擦系数(μs);动摩擦系数(μd);F/F;F/M;边界摩擦;液体摩擦;电序列;介电常数(εr);表面电阻;长丝;短纤维

 

目录:

一、常用纤维带电性与电序列关系

(一)介电常数εr与电序列关系

(二)静电产生机理与静电序列

(三)纤维表面电阻与相对湿度的关系

二、影响纤维带电量因素

(一)带电量与物体介电常数(εr)的关系

(二)带电量与摩擦速度和摩擦功的关系

(三)带电量与物体表面电阻的关系

(四)影响抗静电性能的其他因素

(五)静电的消除方法

三、合纤油剂分类及对纤维的影响

(一)合纤油剂的分类及要求

(二)油剂对纤维加工性能的影响

(三)合纤油剂常用表面活性剂及特性

(四)主要纤维适用油剂成分及配方特性

四、合纤油剂用平滑剂及作用

(一)纤维摩擦表现形式

(二)纤维适用平滑剂

(三)活性剂结构对摩擦系数的影响

(四)影响摩擦系数的因素

五、抗静电剂的分类与选择

(一)抗静电剂的分类

(二)合成纤维加工中常用抗静电剂

(三)静电测试方法

六、集束性对纤维抗静电性和平滑性的影响

七、长、短纤维加工与配套油剂

(一)合成纤维长丝配套油剂

(二)短纤维及配套油剂

              八、高速纺油剂必备条件及聚醚的作用

 


(续上期内容,详见5月杂志)

七、长短纤维加工与配套油剂

       我们在研究、开发和使用油剂中,首先应注意不同纤维在纺丝、拉伸等加工中,为了达到纤维的可纺性,对油剂质量要求极其严格,技术含量也较高,集中表现在为适应不同条件要求,形成了多品种格局。不同聚合物(纤维)因化学结构的不同,对纺油剂的要求也不一样;同一聚合物,同一纺丝方法,由于纺丝工艺的不同,对纺丝油剂的要求也不同;不同的纺丝方法,如湿法纺、干法纺、熔融纺,对油剂的要求也不一样;所得纤维是短纤维还是长纤维,在纺丝过程中对油剂性能要求也不一样。

       本部分以长丝和短纤维为主线,进一步对抗静电剂和平滑剂的使用作延伸探讨。

       (一)合成纤维长丝配套油剂

       1.长丝纤维加工特点及主要助剂使用

       合成纤维长丝有加捻、低捻和无捻之分,对油剂的集束性要求较高,由于机织和针织线对油剂的F/M的摩擦系数、上浆性、防锈性、润滑性都有不同要求;轮胎帘子线、渔网、绳索等用丝,对油剂的耐热性、粘着性也有不同的要求。

       长丝纤维成形有自身特点,例如,纤维不切断、纺丝根数少、拉伸速度快、倍数高。因此,长丝纺丝拉伸油剂,除了要求良好的抗静电性和平滑性外,还要有改善长丝的拉伸性和集束性,防止单丝松散,保障正常拉伸,尽量减少毛丝、断头,牵伸时要求油剂有较好的平滑性,足够的抗静电和集束性。

       长丝油剂配方特点及功能,归纳如下:

       (1)多以平滑剂(润滑剂)为主体,又多为乳状液;

       (2)配方中组成单体,少则四、五种,多时达十余种;

       (3)油剂使用浓度较高,一般在10~20%;

       (4)可消除因摩擦产生的静电;

       (5)可降低纤维与金属(F/M)间的动摩擦系数(μd),可处理好F/F间的μd和μs系数的关系,解决好平滑性(F/M)与集束性(F/F)的关系;

       (6)热稳定性和化学稳定性好;

       (7)对金属等设备无腐蚀,而且可洗性好;

       (8)使用简便、安全、无异味。

       在配方设计时,应注意纤维长丝的特殊性和共性问题,其共性问题表现在纤维成型的牵伸性能、平滑性和静电消除效果及集束性等方面,如表17。

       2.长丝油剂的分类

       按其使用工序,可分为纺丝牵伸油剂、成品油剂或后加工油剂(亦称宝塔油剂);按用途来分,衣料用有织布针织和弹力丝用油剂,工业用又分为帘子线、渔网丝和绳索用油剂。用途不一样,要求也不同。以织布、针织用、加弹丝及工业材料用油剂为例,简述如下:

      (1)织布用长丝油剂。作为长丝油剂应具备以下功能:

       ①加拈和整理时,平滑性要好,特别是在双层加拈机上要求平滑性和集束性更为突出;

       ②具有良好的抗静电性;

       ③还要求上浆性好,浆膜牢固不脱落。

      (2)针织用长丝油剂。要求有良好的平滑性和集束性。以全消光为主的经编针织用原纱,一般比半消光原纱、摩擦系数大,在牵伸加拈时,对织针、导钩、钢圈的摩损容易产生毛丝、环线和断头;编织时,织针、导杆的磨损也是大问题,可见油剂的平滑性、集束性和对金属的耐磨损性是对针织油剂主要评价点。

      (3)加弹丝油剂。加弹丝是长丝经膨化和假拈后,使其在外观和某些性能上与原来截然不同的一种纤维。加弹丝在织补、内衣、地毯等方面广泛应用。要求使用油剂的主要性能是耐热和卷曲的加工性,特别是随着假拈转数的加快和热加工温度的提高,这种要求越来越突出。这样,要提高加弹油剂的耐热性,需选用热挥发性小、结焦少的平滑剂。另外,油剂的防锈性和可洗性不能忽略。

      (4)工业材料用油剂。工业材料用纤维,主要有帘子线、渔网丝和绳索等,以帘子线为例,对这种油剂的要求是:在牵伸时热性好;在热牵伸时,油剂挥发性要小,在加热板上结焦少;浸胶后,上油牢子线与橡胶的粘合性要牢,也就是说H抽出值要大,油剂对胶乳和橡胶的渗透性和再润湿性要好;高温时,油剂PH值要保持碱性。强力,是帘子线一项重要考核指标,冬季粘性大,强力利用率高,而粘性大的油剂,牵伸性又会受到影响,权衡两者关系非常重要。

       3.长丝油剂的基本性能和影响

       不同种类的长丝油剂有不同的使用对象,在技术上有特殊性,也有共同性,将其要求可概括为以下七个方面的性能:

       (1)对纤维的润湿作用

       油剂在纺丝牵伸时的作用,分为对纤维表面的作用和对纤维内部的作用。由于纤维经牵伸后表面积增大,此时应对纤维均匀而迅速地上油,使油剂迅速取代纤维表面气相,使之完全润湿。

       (2)对纤维成型的影响

       油剂如果渗到纤维内部,可使卷绕丝蓬松,严重时出现塌边。造成纤维塌边的原因很多,油剂是重要原因之一。虽然解释不一,有学者认为,塌边是油剂对未牵伸丝的膨润作用和纤维自身张力造成的。不同油剂对未牵伸纤维的膨润作用是不同的,而且差异很大,伸长率是考核纤维膨润度的一项指标。纤维伸长率与油剂对纤维内部的增塑强度有关。油剂的润湿性和相容性对纤维的膨润性和增塑性均有影响。

       矿物油,一般对纤维没有膨润性;阴离子活性剂、高级醇、脂肪酸,以及脂肪酸单酯等膨润性较小;二羧酸酯类稍大;非离子活性剂一般较大,而双酯型最大。非离子活性剂对纤维伸长与HLB值没有关系,但是与疏水基和亲水基(P·E·G基)的结合方式有很大关系。因此,在选择油剂单体时应格外注意。

       (3)对纤维牵伸性的影响

       油剂可使未牵伸丝二次转移点下降,这样会影响牵伸和促进结晶化。油剂对纤维内部的润滑效果会导致异常牵伸现象。如果处理得当,可以收到好的结果。

       纤维上油剂和水的作用是影响牵伸性能的重要因素。这是因为油剂加水后的粘性和水对油剂的附着所产生的影响。油剂的粘性取决于含水油剂分子排列形式和油剂分子中结晶水与所吸附的自由水的平衡关系。因此,可以用适当的水和其他调整剂来调整油剂的粘性。

       (4)对纤维平滑性的影响

       长丝一般上油率较高,摩擦主要是流动润滑。但是伴随纺丝的高速化,在牵伸、整径及经编等工序与金属表面的接触,其摩擦性质是境界润滑。对流动(液体)润滑决定摩擦大小的是粘度,因此选用粘度小的油剂比较合适。无极性的矿物油尽管耐热性很差,至今仍使用它就是因其粘度低;二元酸酯类,耐热性好,粘度又较低,是比较理想的平滑剂。

       对境界润滑,要考虑油剂与金属表面的亲和性和油剂分子间的凝集力。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具备这种性质的油剂单体。

       (5)对纤维集束性的影响

       随着纺丝速度提高和单位长度指数的减少,特别是无拈丝和异形纤维丝的出现,纤维接触面积越来越小,纤维对长丝油剂的集束性要求也越来越高。

       提高集束性的方法很多,主要是:借助油剂分子与水缔合产生的凝集力来提高纤维的集束性;也可采用增大纤维与油剂的附着力和油剂与油剂之间的内聚力;再者,也可在油剂中加入水溶性高分子,如聚丙烯酸、聚乙醇等来改善集束性。

       (6)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,这些脱落物的产生与油剂和油剂使用条件有关:

       ①施于纤维上的油剂,若油膜强度过低,就易出现脱落物;

       ②纤维上油率过低,也容易出现脱落物;

       ③油剂成分与水缔合产生粘性物质,在高湿条件下,也以白粉状出现,以锦纶和涤纶较多;

       ④油剂成分因结晶性和融点等影响,使油剂与基油的相容性变坏,出现脱落物;

       ⑤锦纶纤维中水溶性低聚体,易导致脱落物出现。

       为了防止脱落物出现,油剂一定要有较大的油膜强度。油剂对纤维低聚物的相溶性和亲和性要小,以及纤维含油量不能过低。

       (7)对纤维静电的影响

       在热牵伸和热定型、整经和编织过程中,最易碰到静电问题。作为长丝油剂中的抗静电剂,宜选用特殊阴离子活性剂,或者选用高分子活性剂和烷基磷酸酯胺盐或钾盐比较有效。长丝油剂选用的抗静电剂,应不影响其他组分效果的发挥。

       长丝油剂多是以平滑剂为主体的复合物,因此乳化剂的选择和乳液的制备比较重要,通常乳液粒子直径在0.1~10μ(微米)比较稳定。粒子直径较小者稳定。乳液稳定条件是:两相密度差小,连续相粘度大者好;两相间界面张力小时好;还有界面带电荷时好。乳液粒子大小,也可根据乳液的外观来判断,如表18。

       (二)短纤维及配套油剂

       合成短纤维(短丝)不同于长丝,有自身特点,对油剂要求也不一样。由于纤维要经过汽蒸,及热水进行拉伸和烘干,所以要求油剂具有不分解性、抗静电性、平滑性和抱合性等综合使用效果。纤维品种,加工工序和设备条件不同时,对品质要求也不一样。

        1.短纤维油剂的特征与应用

       (1)现在用的前后纺油剂(统一油剂)均以表面活性剂为主体,配方中主要成分为抗静电剂,其他是平滑剂、螯合剂,如有特殊要求,还要加入其他能赋予特殊性能助剂,仍以抗静电性和平滑性为主,要求能保障纤维顺利通过加工。

       (2)配方组分,一般由3~4个单体组成,存放应稳定,调制方便;

       (3)油剂上油率一般在0.15~0.5之间;

       (4)低泡沫,使用安全,生物降解性好;

       (5)平滑性好,可降低F/F之间的μs,F/d之间μd以及F/R之间的μd;

       (6)抱合性好,增加F/F之间μs,可处理好μs与μd间的关系;

       (7)应用时,具备突出的抗静电性;

       (8)有防锈性,对纺机无腐蚀。

       短纤维加工对油剂品质要求比较严格,必须发挥配方中多种表面活性剂的协同作用。另外,对短纤维油剂配方中常使用阴离子活性剂而言,如烷基磷酸酯钾盐,可与水中的钙离子作用,生成不溶性钙盐,易沉积在纤维上,会造成粘着和缠绕,所以要求使用纯度高的水。

       2.短纤维油剂常用表面活性剂

       各种短纤维常用表面活性剂如表20。

       从表20中所列单体可以看出:烷基磷酸酯和烷基醚硫酸酯对各种纤维都具有良好的抗静电作用。烷基磷酸酯、脂肪醇聚氧乙烯醚、脂肪酸聚氧乙烯酯对各种纤维都具有调整摩擦系数的作用。短纤维常用的阴离子表面活性剂,主要有磷酸酯和硫酸酯。磷酸酯的特性与疏水基结构,置换基数(单、双、三酯变化)以及中和剂的品种有关。单、双烷基磷脂性能差别大致如表21所述。

       磷酸酯中,单、双烷基比例不同,抗静电性有一定差异,一般单烷基磷酸酯的抗静电性比双烷基磷酸酯好,如表22所示。从表22中可看出,单烷磷酸酯含量多时,抗静电效果好,单、双酯比在1以下时,抗静电不能满足生产要求。另外,磷酸酯对涤纶纤维有较好的抗静电性,而对锦纶则稍差。

       另外,单、双磷酸酯的吸湿性也有差别,单烷基磷酸酯分子结构中有两个亲水基,所以吸湿性好。从烷基链长短来看,对性能也有一定影响。一般而言,烷基链长摩擦系数较低,平滑性好,抗静电性差;烷基链短摩擦系数高,平滑性较差,但抗静电性较好。烷基醚磷酸酯憎水基中的环氧乙烷摩尔数对其使用性能也有一定影响。

       烷基链中有聚氧乙烯链节,摩擦系数有所增加,其抗静电性与摩尔数无明显规律,但有资料称,环氧乙烷(EO)摩尔数3~5时,抗静电性较好。

       再者,烷基磷酸酯的抗静电性与相对湿度有很大关系,相对湿度较低时(RH=40%以下),其抗静电性不足,这是磷酸酯的不足或称缺点。

       硫酸酯也是短纤维常用品种,主要品种是烷基硫酸酯和烷基醚硫酸酯,其中硫酸酯的平滑性较好,烷基链的平滑性稍差;烷基链中有聚氧乙烯链节,具有良好的抗静电性,对涤纶、丙纶显示出很好的抗静电效果。另外,烷基醚硫酸酯水溶性很好,吸湿性大,即使在低温条件下,仍有较好的抗静电性,但也容易引起纤维对胶辊、罗拉的缠绕。

       短纤维常用的非离子活性剂有脂肪聚氧乙烯醚、脂肪酸聚氧乙烯酯、脂肪酸失水山梨醇聚氧乙烯醚、烷基醇酰胺、脂肪酸失水山梨醇酯等,其中脂肪醇聚氧乙烯醚是用量较大的品种。在短纤维中常用其疏水基R=C12,C10~C14,C12~C18等,亲水基环氧乙烷摩尔数n=3~4,5~6,15~20等。另外,脂肪酸聚氧乙烯酯也是短纤维常用品种,在油剂中配用时,具有良好的乳化性和相容性。这类活性剂是单、双酯混合物,单双酯比例不同,性能也有差异。单酯抗静电性好,其摩擦特性可根据要求,改变原料规格和单、双酯比例来得到不同性能的要求。

       (3)短纤油剂抗静电性与可纺性的关系

       静电问题是困扰合成纤维加工中的重要问题之一。因静电引起的问题有梳棉不能成网;纤维被道夫吸住,棉网缠罗拉,棉条不能进喇叭口,棉膨松,并条缠罗拉,细纱缠罗拉、细纱、毛丝、织布毛丝等。

       纤维抗静电性的指标,从表面电阻来看应不超过10°,但在某些情况下,表面电阻在10°以下也能顺利通过。油剂的抗静电性受温湿度的影响很大,当温湿度高时,油剂吸湿多,纤维导电性提高了,抗静电性也会好起来;当温湿度低时,效果正好相反。因此调整适当的温湿度和合适上油量,纤维抗静电性就能达到要求。若上油量过高,不仅提高抗静电性不显著,相反,由于粘度的增加,对加工反而不利。

       油剂抗静电性不足时,有的企业采取喷淋的方法,这是不合理的。纺织加工时的静电问题与设备条件、机械速度有关,相同的纤维在某机器上静电现象很突出也是常见的,纺织机械向高速化发展,油剂的抗静电性必须与其相适应。例如有的油剂与梳棉机车速(道夫速度)为14~16r/min时,运转正常,无静电现象;当车速提到28~30r/min时,明显表现出静电现象。

       不同纤维的静电现象也不同,锦纶、涤纶在加工时,静电问题较严重,特别是锦纶纤维,其抗静电性易失败,其原因可能是油剂渗入纤维内部,使抗静电性钝化,也可能由于纤维吸水多,使纤维表面活性剂的极性基定向发生变化。

       (4)油剂的粘着性与可纺性关系

       粘性大的油剂,在加工纤维时容易缠锡林、缠皮辊(罗拉),有时也绞,开纤性不好,有学者认为油剂的表面张力与粘度有关,认为平面和球面的接触处有少量液体时,两个面的粘附力可用下式表示:

                                                                 F=4πRT

       式中,R为球面的曲率半径,T为液体表面张力。

       从公式可以看出粘着性与油剂的表面张力有一定关系,为了减少粘着性,选用油剂时,应注意:

       ①应当选用吸湿性小的油剂,油剂吸收水分,会导致珠面和平面间粘着力增加,从而增加粘性。

       ②选用加水后粘度变化小的油剂。

       ③室温下(20℃~40℃,RH 40%~70%)为固体或液态的单体,或粘度,表面张力较低的品种。

       从纤维上油量来看,上油量小,粘着性小;上油量大,粘着性较大。温湿度也是产生粘着性的重要因素,车间温湿度过高,油剂吸湿大,容易产生粘着,有时在高温、湿度大的季节会经常产生粘着问题,应采用一定的应对措施。

八、高速纺油剂的必备条件及聚醚的作用

        合成纤维高速化生产的发展,也带来了油剂产品所用原料的变化,作为高速化相配套的油剂,除具有更好的平滑(润滑)性外,还应具备不结焦、减少加弹丝中的摩耗、拥有更好油膜强度和辅展等性能。作为高速纺油剂应具备以下条件:

       (1)在纺丝过程中,应满足F/M的平滑要求,防止纤维磨损和断裂;

       (2)可消除在高速纺中产生的静电;

       (3)能够提供纤维与纤维(F/F)之间适当抱合力,以满足丝饼存储时的稳定性和加工时的退绕;

       (4)有良好的热稳定性,在纺丝和后加工部件上不产生结焦,不产生有毒烟雾及异味;

       (5)有较低的表面张力,在加工速度范围内,能均匀覆盖或润湿纤维表面;

       (6)体系稳定,对纤维加工不会产生不良影响,对设备也无腐蚀;

       (7)使用安全,生物降解性好。

       能满足这些要求的,当属聚醚产品。聚醚的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μd也不同。聚醚作为优良的平滑剂和乳化剂;与合成酯相比,聚醚极性很小,故分子间的作用力弱,即使相对分子质量较高,粘度也较低,从抗静电性来看,聚醚结构中有大量醚键,可以通过氢键与水分子缔合,使纤维表面电阻下降,起到抗静电的作用。

       聚醚也可通过结构的变化,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醚(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,封端后各具特点,又不失聚醚产品的优势。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。而无规聚醚作为平滑剂可提供相对稳定的张力,从而获得均匀性好的假捻复形丝,尽管聚醚作为平滑剂耐热性好,但也注意高速纺油剂是以聚醚为主的复合物,如果与其相复配的其他活性剂选择不当,对整体油剂的耐热性和使用性能会产生不良影响。

       有关高速纺油剂,笔者曾在2016年《CTA中国纺织助剂》杂志第七期上有专述,本文不再赘述。

 

 

(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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