涤纶POY油剂配方与性能的构效关系
2020-01-12卢书辉王小花喻德峰
卢书辉,王小花,喻德峰
(浙江传化化学品有限公司,浙江 杭州 311215)
涤纶预取向丝-弹力丝(POY-DTY)纺丝工艺先是通过高速纺丝工艺制备POY,再经过假捻变形法对伸直状态的POY进行卷曲、螺旋或环圈等形态加工,从而改善长丝应用性能的过程[1-2]。但在涤纶POY-DTY加工过程中,由于POY的纺丝速度达到2 500~3 500 m/min,丝束与导丝器组件之间高速摩擦,易产生纤维磨损和静电现象;且在假捻变形加工时,丝条需要在200~220 °C的热箱中拉伸变形,并受到假捻摩擦盘的高速剪切作用。因此,在涤纶POY-DTY加工过程中,需要使用POY油剂对丝条进行保护,保证纺丝过程的顺利进行。POY油剂是由多种功能性物质经过复配而成,物质的种类、结构和配比决定了POY油剂的最终性能,而在配方开发过程中,往往单一物质的调整会引起多个性能的变化,因此需要对油剂配方的各项性能进行平衡调节,进而满足纺丝工艺的性能要求[3-4]。
1 POY纺丝工艺节点对油剂的要求
1.1 上油
涤纶POY高速纺丝大都采用油嘴喷射上油,这种上油方式既有利于使上油系统结构紧凑,降低纺丝机高度,还可以将上油装置密闭,防止油剂腐败和污染[5]。对于长丝加工而言,选用油嘴上油方式能有效提高涤纶长丝的集束性、上油均匀性及保持上油率的连续稳定[2,6]。油嘴上油要求所用的POY油剂具有良好的润湿性、渗透性和乳液均匀性,能够保证上油瞬间油剂能够快速、均匀的附着在纤维上。
1.2 导丝和甬道
涤纶POY纺丝速度一般在2 500~3 500 m/min,在高纺丝速度下,长丝与导丝器组件会产生较大的摩擦力和静电,引起纺丝张力增大,造成丝条损伤,影响后道加工和长丝品质[7]。纤维与导丝器组件的摩擦属于纤维与陶瓷之间的摩擦,包括油嘴、导丝钩和预网络器等接触部位,是产生丝条损伤的主要原因。另外,丝束在经过纺丝甬道时,易与空气摩擦产生静电,引起纺丝张力波动,造成毛丝、断丝等问题。通过提高油剂的平滑性,可降低纤维与导丝器组件之间的动摩擦系数(μd),减少丝条磨损;同时可赋予油剂良好的抗静电性和集束性,促进静电消除和加强丝条的抱合性,提高纺丝张力的稳定性[8]。
1.3 卷绕成型
涤纶POY丝饼卷绕成型不佳,包括中隆、边高、跳纱、叠圈等现象,不仅会影响POY丝条的性能和造成丝饼在运输过程中的塌边,而且会影响拉伸变形过程中POY原丝的退绕性、假捻张力稳定性和拉伸变形丝的染色均匀性,造成后加工过程出现毛丝、断头、强度和伸长不均匀等问题。卷绕成型不佳除了受纺丝张力和卷绕张力的影响外,还与POY油剂的上油率、油剂均匀性及集束性有关[7,9]。另外,纤维与导丝器组件之间的μd不稳定也会造成卷绕张力的波动,而卷绕张力波动是产生跳纱和中隆的原因之一。因此POY油剂需要赋予纤维与导丝器之间在特定的卷绕张力条件下稳定的摩擦性能。利用POY油剂适当提高纤维与纤维之间的静摩擦系数(μs)可以增强纤维的集束性,这也是有效避免卷绕成型不良现象出现的一种方法。
2 POY-DTY加弹工艺节点对油剂的要求
2.1 第一热箱加热
假捻变形工艺是在200~220 °C的高温条件下,对涤纶POY长丝进行卷曲、螺旋或环圈等热变形,改善长丝束的形态和结构,提高其触觉上的舒适性和视觉上的美感的过程。丝束经过第一热箱过程中,附着于纤维表面上的纺丝油剂在受热分解后挥发,形成烟雾;同时,随着加工周期的延长,在高速假捻过程中,纤维上的部分油剂、冷却物等会慢慢集聚在加热器上,经过长期的热分解再聚合过程形成结焦物而污染加热器[1]。发烟现象会导致现场工作环境恶化,长期接触会影响操作工人的身体健康;而热板结焦问题会降低热板的热传递及传热均匀性,使纤维受热不均匀而引起物理性质发生变化,结焦严重还会导致解捻张力波动引起毛丝和断头现象[4]。为更好的解决发烟和热板污染问题,所选用的POY油剂要在短时间加热时分解挥发量少,长时间使用时分解残渣少,且避免形成固状结焦,产生的结焦物要具有良好的可洗性。
2.2 假捻
假捻过程是将丝条的一端固定,握持住另一端,利用摩擦盘的高速运转使丝条转动,每转动一圈,丝条就加上一个捻,而在握持点前后加上两个相反的捻,以此将握持点以前加的捻全部解开,达到先加捻后解捻的加工效果[2]。由于在加捻过程中,需要保证摩擦盘扭力在丝条上的充分传递,导致丝条与摩擦盘接触部位的摩擦剧烈,丝条在受摩擦力的同时还受到旋转剪切力,造成纤维损伤,产生白粉问题。白粉在摩擦盘上的长期堆积,造成加捻不足、解捻张力波动和清洗麻烦等问题。这就要求包覆在丝条表面的POY油剂,既要有一定的抗剪切力,以保证扭力在摩擦盘和丝条上的传递,又要有较高的油膜强度,保护丝条不受损伤,减少白粉产生,保证涤纶DTY的品质[8,10]。
3 油剂配方组分与性能的构效关系
根据上述对POY-DTY加工工艺的分析,附着在长丝上的POY油剂除了需要达到基本的平滑性、集束性、抗静电性以外,还要具有优良的界面特性以保证上油均匀性,较好的热稳定性和抗结焦性能,保证高速纺丝工艺过程的稳定进行[11]。油剂是由不同结构的平滑剂、润湿剂、集束剂、抗静电剂和边界润滑剂等原料组分复配而成,因此原料的选择决定了产品的最终性能,而单一原料的使用可能会导致油剂两种或多种性能的变化,这就需要对油剂组分和性能的构效关系进行平衡,以达到最优的使用效果。POY油剂配方通常以耐热性能优异的聚醚为平滑剂成分,具有低表面张力的润湿剂改善油剂的界面特性,添加抗静电剂促进静电消除,并通过集束剂和边界润滑剂的加入提高丝束的抱合性和耐磨性,降低丝条损伤和白粉的产生。因此研究上述油剂所用原料组分的结构与油剂性能的构效关系,有利于油剂配方综合性能的提升[12]。
3.1 平滑剂
POY油剂中的平滑剂能够赋予纤维与导丝器组件之间、纤维与金属之间较小的μd,以减少纤维摩擦损伤,又可保持纤维与纤维之间适宜的μs,有利于卷绕成型和退绕性能。部分聚醚性能见表1。
以环氧乙烷(EO)和环氧丙烷(PO)聚合而成的聚醚具有黏温性能好、耐高温和发烟少等优点,被作为POY油剂的平滑剂使用。此类聚醚多是以EO、PO为扩链剂,脂肪醇为起始剂进行聚合反应,根据加成方式可分为无规聚醚和嵌段聚醚[4,13-14]。其中,无规聚醚由于EO/PO呈现交替分布,可降低分子间氢键作用力,具有较高的黏度指数,表现出良好的平滑性;而嵌段聚醚由于连续EO链段的存在,有利于氢键的形成,增强丝束的抱合性和油膜的耐剪切性,对静电消除也有一定的作用。在POY油剂中,平滑剂既可以选用长碳链聚醚,也可以选择短碳链聚醚,长碳链聚醚因为具有类似矿物油的长烷基链,可赋予聚醚更好的平滑性,但碳链增长会影响润湿剂性能的体现。
3.2 润湿剂
润湿剂的性能决定了POY油剂在纤维表面的润湿、铺展、渗透和扩散速度,保证高速纺丝过程中油剂能在丝上极快的均匀附着[1]。POY油剂所用的润湿剂主要是非离子表面活性剂,它在水溶液中有较高的稳定性和相溶性,能与离子型表面活性剂混合使用,且通过聚氧乙烯链段长度和脂肪醇结构改变,能够任意调节表面活性剂的亲水亲油平衡值(HLB值),满足油剂的不同乳化要求[14]。非离子表面活性剂根据脂肪醇结构不同通常包括直链脂肪醇聚氧乙烯醚、支链脂肪醇聚氧乙烯醚两种类型。其中,直链脂肪醇聚氧乙烯醚具有良好的润湿铺展性,且长直链结构有利于提高油剂的平滑性,但其渗透性不佳;支链脂肪醇聚氧乙烯醚不仅兼具良好的润湿性、铺展性和渗透性,还能降低油剂的倾点,表现出良好的冻融稳定性,且随着支链化程度的提高润湿性能明显增强。但由于支链脂肪醇聚氧乙烯醚较高的价格,实际应用中往往是上述两种表面活性剂的复配使用,以达到使用需求。
3.3 抗静电剂
涤纶吸湿性小、导电性差,纤维加工过程中会因摩擦作用而产生负电性的静电,使丝条松散,导致纤维加工性能的改变。所以在油剂配方中需要加入一定量的抗静电剂,提高纤维表面的导电性来消除摩擦产生的静电[15]。涤纶POY油剂用抗静电剂主要分为阴离子型抗静电剂和阳离子型抗静电剂,阴离子型抗静电剂包括脂肪醇磷酸酯盐、脂肪醇聚氧乙烯醚磷酸酯盐、脂肪醇磺酸酯盐和脂肪醇磷酸酯盐聚氧乙烯醚等,阳离子型抗静电剂主要是氧化胺类和季铵盐类。其中,阳离子型抗静电剂与纤维表面电荷电性相反,具有对纤维极强的吸附力,展示出最佳的抗静电效果,且其在低湿条件下仍有较好的抗静电性能。阴离子型抗静电剂性能与结构的关系较大,一是对于脂肪醇磷酸酯盐和脂肪醇磺酸酯盐,碳链越长抗静电效果越弱;二是对于脂肪醇聚氧乙烯醚磷酸酯盐,EO比例越高,亲水能力越强,有利于静电的疏散,提升抗静电性能。此外,聚醚和非离子表面活性剂也具有一定的抗静电性[4]。
抗静电剂能够明显的提升纤维加工过程的静电导出和消除,但高温条件下抗静电剂也容易发生分解、沉积,形成热箱结焦物[5,10]。初步研究表明,磷酸酯盐的结焦物多为均匀黏性液态,对丝条损伤较小,而磺酸酯盐结焦物多为脆性固态,易造成毛丝、断丝和染色等问题,但磷酸酯盐的结焦残留率远高于磺酸酯盐[15]。因此在满足纤维抗静电效果的情况下,应控制抗静电剂的加入量和选择合适的抗静电剂种类,减少结焦物的产生和硬结焦物的出现。部分抗静电剂的性能见表2。
3.4 集束剂
纺丝过程中,要求丝束具有良好的集束性,避免丝束发散影响纤维的性能。POY油剂对纤维集束性的影响,一方面要求油剂在纤维表面附着性好,另一方面要求油剂自身具有较好的凝聚力,且能够渗透进丝束内部[14]。目前常用的几种集束剂包括硫酸化蓖麻油、油酸三乙醇胺盐、椰子油脂肪酸二乙醇酰胺(6501)和甜菜碱型两性表面活性剂等,丙三醇、非离子表面活性剂和聚醚等醇类也能起到一定的集束作用[12]。研究表明,由于氮与氢形成氢键的键能强于氧与氢,能够有效增强油剂分子间作用力,表现出优于含氧类物质的集束性能,且此类物质多带有正电性,能较好的吸附在带负电的纤维表面[12]。例如加入极少量的油酸三乙醇胺盐,就可以起到很好的集束效果。通过提高聚醚的分子量或加入高黏度物质,增强油剂的内聚力,也可以提升纤维集束性。
3.5 边界润滑剂
POY纺丝和加弹过程中,纤维会受到较强的摩擦力和剪切力作用,易造成油膜破裂损伤丝条,因此在加强油膜耐剪切性的同时,也需要对纤维进行边界保护,加入适量的边界润滑剂[10,14]。纤维常用的边界润滑剂主要是高分子量的聚醚,其中封端烷基链的增长和PO比例的提高,均有利于增强油膜强度。由于纤维表面呈电负性,加入带正电性物质如聚醚等,可使其在纤维表面形成稳定的吸附层,牢固的吸附在纤维表面上,起到增强边界保护的作用。
4 结语
涤纶POY-DTY纺丝工艺中,POY油剂对纺丝过程的顺利进行起到决定性作用。POY油剂之所以能够兼具平滑性、润湿性、集束性和抗静电性等一系列优良的性能,是通过对油剂配方的各个功能性组分进行筛选和平衡来实现的。目前,POY油剂正向着多功能性、宽适用性方向发展,丰富油剂原料的种类和对原料结构进行研究有助于改善和提升POY油剂的综合性能。