含油率对涤纶短纤维性能影响的研究

张江海，茅志清，王金明

（1.中石化股份天津分公司化工部，天津 300271；2.浙江锦华新材料股份有限公司，浙江 衢州；3.浙江巨化技术中心有限公司，浙江 衢州）

涤纶（PET），又称聚酯纤维，是一种合成纤维，由有机二元酸和二元醇缩聚而成的聚酯再经纺丝所得。自问世以来，涤纶纤维就得到了长足发展和广泛应用，尤其是随着石油工业的发展，目前已经成为合成纤维的第1大品种。涤纶纤维的主要特点是具备优良的抗皱性和保形性，具有较高的强度与弹性恢复能力。根据纤维的长度不同，涤纶纤维又有长纤维和短纤维的区分，涤纶短纤维的产能约为涤纶纤维总产能的1/4左右，是涤纶纤维的重要组成部分，近些年保持持续增量中。

作为合成纤维，涤纶也具有一定的缺点。如纤维表面规整性不好、摩擦特性不均匀、吸湿性差、抗静电性差等。为弥补纤维的这一缺点，需要在纤维的纺丝过程中在其表面施覆一种功能性的处理剂，以调节纤维表面摩擦系数、增强纤维抗静电性能，起到天然纤维如棉花表面的蜡、羊毛表面的羊毛脂的作用，使纤维能够顺利通过纺丝和织造的相关工序。这种应用于纤维表面的功能性处理剂称为化纤油剂，纤维施覆油剂后会在其表面形成一层油膜，从而赋予纤维必要的性能[1]。

化纤油剂种类很多，功能性特点各不相同，经过处理的纤维会随油剂类型的不同体现出不同的性能特点。同一种化纤油剂在纤维表面的上油量不同，也会造成纤维性能上的差异。例如，当涤纶短纤维的含油量较小时，纤维的抗静电性变差、抱合力不足，在低温低湿条件下，短纤维纺纱困难，往往会伴有飞花、缠辊、棉网破洞、棉条蓬松等一系列问题。当涤纶短纤维的含油量较大时，静电问题减少，但容易引起高温高湿条件下纤维发黏，多余油剂向加工设备转移，吸附白粉、杂质等形成黏着物，黏着物吸附在胶辊或设备零部件上影响纺纱加工的正常进行。

本研究通过模拟纤维上油工艺，获得不同含油率下的涤纶短纤维，通过检测短纤维的表面特征、抗静电性、摩擦系数、抱合力和可梳理性等一系列特征，评价涤纶短纤维的适宜含油率。

1 实验部分

1.1 实验原料

涤纶短纤维，规格1.67 dtex×38 mm；化纤油剂：型号TDS-2000A/B。

1.2 不同含油率涤纶短纤维的制备

1）因大生产得到的涤纶短纤维都经过了施覆油剂，而化纤油剂具备可水洗性特点。只需用清水反复清洗涤纶短纤维，直至水体中不再有油剂泡沫产生，经105 ℃烘箱烘干水分，即可得到无油丝。

2）配制5 种不同有效物含量的化纤油剂水溶液，质量分数分别为0.05%、0.15%、0.2%、0.25%、0.3%。

3）称取15 g无油丝，完全浸泡于调配好的油剂水溶液中，保持润湿10 min；

4）取出湿纤维，反复挤压纤维中的水分，使得湿纤维的质量为30 g，放入105 ℃烘箱中烘干，烘干后的纤维置于实验室环境下平衡。

本方法可获得5 种不同含油率的涤纶短纤维，油的质量分数（OPU） 分别为0.05%、0.15%、0.20%、0.25%、0.35%[2]。

1.3 性能测试

纤维表面微观形态。使用电子显微镜（SEM）观察不同含油率下的涤纶短纤维的表面形貌，分析油膜厚度和油剂均匀性，来判断纤维表面的油膜状态，从而得知上油量是否合理。

抗静电性。分为比电阻测试和动电压测试。在恒温恒湿条件下，使用YG-321型纤维比电阻仪测试纤维的体积比电阻，比电阻越小，纤维的抗静电性越强；在短纤维的梳理过程中，使用SKH050 型动电压测试仪，测试梳棉过程中的电压，电压越小，纤维抗静电性越好。

摩擦系数。采用Y-151型摩擦系数测试仪分析涤纶短纤维与金属摩擦棒之间的摩擦系数，摩擦系数越小，纤维的平滑性越好。

抱合力。采用R-3527 型织物拉伸测试仪测定经梳理之后的涤纶短纤维棉网，记录断裂强力，除以纤维质量即为棉网的抱合力。

梳理性。使用试验梳棉机对涤纶短纤维进行梳理，观察有无飞花、缠辊、破网等现象，评价纤维的可梳理性。

2 结果与讨论

2.1 涤纶短纤维表面形貌

涤纶短纤维在生产过程中，随着受热、拉伸、冷却、定型等一系列作用，成品纤维表面会产生一系列不规则的缺陷，形成类似于树皮一样的纤维皮层结构。如果不对其进行处理，会导致纤维与纤维之间存在摩擦特性差异，有些缺陷小的纤维摩擦系数小，而缺陷大的纤维摩擦系数大，这样将给纤维的下游织造带来很大麻烦，摩擦特性不一致会导致织造加工无法进行。

化纤油剂的使用，起到对涤纶短纤维进行表面处理的作用。化纤油剂对纤维皮层的缺陷填平补齐，在纤维表面形成一层均一的油膜，这层油膜既能保护纤维避免加工损伤，同时也能改善纤维的摩擦特性，使不同纤维之间具备几乎一致的摩擦系数，从而达到加工顺畅的目的。

图1 为不同含油率下涤纶短纤维的SEM 观察结果。

图1 不同含油率下涤纶短纤维表面形貌Fig.1 Surface morphology of polyester staple fiber under different oil content

由图1 可知，当纤维中油的质量分数为0.05%时，纤维表面油剂的含量较少，未能形成完整油膜，部分位置处于无油状态，仍能看到纤维表皮缺陷。当纤维的含油率较高时，如油的质量分数0.35%，纤维表面油剂含量增加，部分位置出现堆积现象，油膜较厚，后期可能在高温高湿条件下造成纤维发黏，不利于加工。当油的质量分数为0.15%～0.25%时，纤维表面形成了一层比较均匀的油膜，油膜完整，这样能够赋予纤维比较均匀的摩擦特性。

2.2 涤纶短纤维的抗静电性

涤纶短纤维的吸水率低、导电性差。在纤维的纺纱织造过程中，纤维与纤维之间、纤维与设备之间不断发生摩擦，如果静电不能及时疏散，会导致一系列生产问题，严重时完全无法加工。化纤油剂具有一定的吸水性，能吸收环境中的水分，提高纤维的抗静电能力。同时化纤油剂中含有阴离子抗静电剂，可对产生的静电电荷进行疏导，避免静电积累过大。

涤纶短纤维的抗静能力，通过测试一定温湿度条件下纤维的静态比电阻和纤维在梳理过程中的动态电压来评价。表1 为在25 ℃、相对湿度60%条件下不同含油率的涤纶短纤维的比电阻和动电压。

由表1 可以看出，随着纤维表面含油率的增加，涤纶短纤维的比电阻和动电压逐渐减小，对电荷的疏导能力增强，抗静电能力提高。可见含油率是和纤维抗静电能力是正相关的。

表1 不同含油率下涤纶短纤维比电阻和动电压Tab 1 Specific resistance and dynamic voltage of polyester staple fiber under different oil content

2.3 涤纶短纤维的摩擦特性

上文已经提到，未经化纤油剂处理的涤纶短纤维表面形态不一、摩擦特性差异较大，这样不利于纤维的生产加工。

施覆化纤油剂后，纤维表面会形成一层油膜，这层油膜可以保证纤维具有一致的摩擦特性[3]。同时，化纤油剂中含有平滑剂成分，该成分对纤维起到润滑作用，增强纤维的平滑性。平滑性好的纤维摩擦系数较小，这样有利于减少因纤维与纤维之间、纤维与设备之间摩擦而产生的静电，有利于纤维的顺利织造。

表2为不同含油率下涤纶短纤维的摩擦系数测试数据。

表2 不同含油率下涤纶短纤维摩擦系数Tab 2 Friction coefficient of polyester staple fiber under different oil content

由表2可以看出，随着涤纶短纤维含油率的提高，摩擦系数先逐渐减小，当油的质量分数提高到0.35%时，摩擦系数有所增大。含油率较低时，纤维表面油膜不完整，纤维表面有裸露缺陷结构增大了摩擦特性；当含油率逐渐升高时，油膜趋于完整，摩擦系数逐渐减低。进一步增加含油量，油膜厚度增加，甚至造成油剂堆积，过多的油剂对纤维有一定的粘滞作用，摩擦系数反而升高。可见，油的质量分数在0.20%左右比较适宜。

2.4 涤纶短纤维的抱合特性

涤纶短纤维在纺纱应用中的梳棉、并条、粗纱、细纱等环节都要求短纤维具备一定的抱合性，否则梳理后的纤维棉条容易蓬松，容易出现飘丝、断纱等现象。化纤油剂中添加了一定比例的抱和剂，可帮助纤维提高抱和能力，含油率不同，抱合力水平会存在差异。表3为不同含油率下涤纶短纤维的抱合力。

表3 不同含油率下锦纶短纤维抱合力Tab 3 The cohesive force of nylon short fibers under different oil contents

由表3可以看出，随着含油率的增加，抱合力逐渐增大。原因是化纤油剂有一定的黏着性，随着油剂含量的提高黏着性增强，抱合力提高。

但是，当纤维的含油率过高时，容易造成纤维发黏，尤其是在高温高湿的加工环境下。发黏的纤维不易开松，严重时会出现缠锡林、罗拉等现象；同时过多的油剂容易残留在设备的接触零件上，长时间积累干扰纺况，从而影响纤维的可加工性。所以在满足纺纱工艺对纤维抗静电、摩擦特性及抱合性等要求的条件下，应控制纤维的含油率不宜过高。

2.5 涤纶短纤维的梳理性

涤纶短纤维在使用时要经过梳理，可梳理性是衡量纤维质量的重要指标，梳理性好的纤维加工性能优良，梳理性差的纤维加工困难[4]。

对不同含油率下的涤纶短纤维做梳理实验，观察梳理过程中纤维是否出现静电、缠辊、破网等问题。表4列出了梳理性实验的情况。

由表4 可以看出，在油的质量分数为0.05%时，存在静电、缠辊、破网问题，纤维无法梳理，原因是油含量较少，没能对纤维起到足够的抗静电作用，纤维飞花、缠辊问题出现，并且无法梳理成棉网；当油的质量分数为0.15%～0.25%时，梳理正常；当油的质量分数为0.35%时，没有静电问题，但是缠辊现象出现，进而棉网出现破洞，这是纤维表面油剂过多，造成了纤维发黏，不利于开松。可见，油的质量分数在0.15%～0.25%比较适宜。

3 结 语

1)含油率对涤纶短纤维的表面形貌具有一定的影响，当纤维含油率较低时，纤维表面不能形成完整的油膜，纤维皮层缺陷裸露，摩擦特性不一致；当含油率过高时，纤维表面的油膜较厚、油剂出现堆积，这样易造成纤维发黏，不利于生产加工。从SEM 观察来看，涤纶短纤维的油的质量分数控制在0.15%～0.25%为宜，此时油剂能够在纤维表面形成完整油膜，纤维的摩擦特性均一。

2)涤纶短纤维的抗静电能力会随着含油率的增加逐渐增强。

3)含油率影响涤纶短纤维的摩擦系数。随着含油率的增加，纤维的摩擦系数出现了先减小后增大的变化，经实验数据分析认为油的质量分数控制在0.2%左右较为适宜。

4)随着含油率的提高，涤纶短纤维的抱合力会逐渐增加，但考虑到油剂的黏着性问题，为避免引起纤维发黏，含油率应控制在合理的范围。

5)适当的含油率有利于涤纶短纤维的梳理，油的质量分数在0.15%～0.25%较为适宜。