耐候性涤纶短纤油剂的研制及应用

2021-10-31舒建生侯海育

合成纤维工业 2021年5期

钟敏，舒建生，侯海育

(上海多纶化工有限公司，上海 200540)

涤纶短纤维的吸水回潮率低、绝缘性好、比电阻高，在加工过程中会因摩擦产生大量静电，易引起纤维绕辊、毛丝、断头、松散等问题[1]。涤纶短纤维在生产过程中套配使用涤纶短纤维油剂，能使纤维表面形成一层稳定的油膜，赋予纤维良好的抗静电性、平滑性，适当的集束性，保证纤维生产及后加工工序的顺利进行[2-3]，并能改善纤维性能提升其附加值。

但在不同的季节，一般涤纶短纤维油剂会使纤维的可纺性出现波动，具体表现为低湿度下抗静电性不足、高湿度下纤维发黏等现象，如黄梅天高湿及冬天低温低湿时，纺丝工序丝束飞散、毛丝断头多；纤维切断时，会黏连沟轮和增加超长纤维，严重时会使生产无法正常进行[4]。因此涤纶短纤维油剂的耐候性成为国产油剂的应用短板，制约着国产油剂的应用市场。上海多纶化工有限公司针对此问题，设立耐候性涤纶短纤维油剂项目，作者通过单体筛选、耐候性和可纺性能评价，研制出耐候性涤纶短纤维油剂JDS-301/JDS-302，并在不同的气候条件下使用，其抗静电、集束等性能稳定，满足涤纶短纤维纺丝纺纱工艺的各项技术要求，可以替代同类进口品牌油剂。

1 实验

1.1 试剂及试样

十八烷基磷酸单酯盐、十八烷基磷酸双酯盐、鲸蜡醇聚氧乙烯醚、月桂醇聚氧乙烯醚、月桂酸聚氧乙烯酯、月桂酸聚氧乙烯聚氧丙烯酯、丙三醇聚氧乙烯聚氧丙烯醚：实验室自制； TSC-195/TSC-801油剂：日本竹本油脂株式会社产。

1.2 仪器与设备

BZY-1 全自动表面/界面张力仪：上海衡平仪器仪表有限公司制；YG321-1纤维比电阻仪、YG151纤维摩擦系数仪：常州第二纺织仪器厂有限公司制。

1.3 实验方法

1.3.1 油剂的配制

将鲸蜡醇聚氧乙烯醚、十八烷基磷酸单酯盐、十八烷基磷酸单酯盐、月桂酸聚氧乙烯聚氧丙烯酯按一定比例混合均匀，制得油剂JDS-301/JDS-302试样。

1.3.2 纤维上油

采用一定浓度的乳液对涤纶短纤维上油。具体方法为：将已称重的无油涤纶短纤维浸渍于单体或油剂的乳液中30 min后，挤出纤维表面的水分，在110 ℃下烘干至恒重，使纤维表面的上油率控制在0.20%左右。。

1.3.3 油剂的实验室可纺性评价

在不同的温度湿度条件下，对比JDS-301/JDS-302与TSC-195/TSC-801油剂的抗静电性、平滑性与集束性。

1.3.4 油剂的工业应用试验

分别于冬季和夏季，在50 kt/a涤纶短纤维的工业生产装置上进行应用试验，并到下游纺织厂跟踪纺织情况。

1.4 分析与测试

表面张力：采用GB/T 22237—2008《表面活性剂表面张力的测定》的方法，配制质量分数为1.0%油剂乳液，25 ℃下用表面张力仪进行测试。

润湿性：采用HG/T 2575—1994《表面活性剂润湿力的测定浸没法》的方法，将标准涤纶帆布片置于质量分数为1.0%的油剂乳液中，记录从接触到表面全部润湿的时间，测量6次取其平均值。

体积电阻率：取15 g已上油的涤纶短纤维在一定的温度和相对湿度(RH)下平衡4 h后，使用YG321-1纤维比电阻仪进行测试。

摩擦因数：使用YG151纤维摩擦系数仪测定已上油的纤维的各项摩擦因数，测试速率为30 r/min，包角为180°。

2 结果与讨论

2.1 油剂单体的筛选

根据涤纶短纤维的生产和纺织加工工艺要求，涤纶短纤维油剂应提供良好的抗静电性和平滑性、适当的集束性等[5]。涤纶短纤维上油率一般为纤维质量的0.15%～0.25%，上油量较少，而性能方面要求较高，需要多组分表面活性剂复配发挥协同作用才能达到可纺性能的平衡。

2.2 抗静电剂耐候性选择

目前涤纶短纤维油剂中常用的阴离子抗静电剂以烷基磷酸酯盐为主[6-7]，烷基磷酸酯盐是一种含有磷酸单酯盐和磷酸双酯盐等的混合物，磷酸双酯盐水溶性较差，且其吸湿性和抗静电性逊于磷酸单酯盐[8-9]。这是由磷酸单、双酯盐的结构决定的，磷酸单酯盐具有两个氧负离子，吸湿性和亲水性比磷酸双酯盐更强，在纺丝过程中，能够更好地逸散纤维表面产生的电荷，体现出更好的抗静电效果。因此可以选择烷基磷酸单酯盐作为抗静电剂。

较短碳链如十二烷基磷酸单酯盐熔点低，易吸湿，高温高湿下上油后的纤维容易发黏缠结；而较长碳链如十六、十八烷基磷酸单酯盐熔点高、常温下呈固态，则不存在此问题[10]，且能提供更好的平滑性，因此选择十八烷基磷酸单酯盐作为主要的抗静电剂。使用十八烷基磷酸单酯盐、十八烷基磷酸双酯盐分别对涤纶短纤维上油后，测试25 ℃下不同RH的纤维体积电阻率，其结果见表1。纤维的体积电阻率越小，说明油剂的抗静电性越好。由表1可以看出，RH从65%降低到30%时，十八烷基磷酸单酯盐的抗静电性具有明显的优势，且RH增加到90%，十八烷基磷酸单酯盐表现也强于十八烷基磷酸双酯盐。

表1 不同RH下纤维的体积电阻率Tab.1 Volume specific resistance of fiber under different RH

因此选择十八烷基磷酸单酯盐作为耐候性油剂的抗静电剂。

2.3 平滑剂耐候性选择

为了使纤维在纺丝和拉伸过程中能顺利通过各导丝部件，油剂应赋予纤维良好的平滑性，即金属与纤维间的动摩擦因数[11](F/Mμd)、纤维与纤维之间的动摩擦因数(F/Fμd)尽量降低，使纤维变速点稳定、拉伸均匀。

聚醚合成简单，结构调整方便，尤其适用于改善纤维与纤维之间的摩擦因数，且具有很好的两亲性，起到乳化磷酸酯的作用，因此非常适合作为涤纶短纤维油剂的摩擦调整剂[12]。高碳醇磷酸酯盐具有较好的平滑性，能够有效降低纤维与其他接触物体之间的动摩擦因数，因此使用聚醚与磷酸酯盐共同作为平滑剂。

分别使用不同结构的聚醚、十八烷基磷酸单酯盐、十八烷基磷酸双酯盐对涤纶短纤维上油后，于25 ℃温度及不同RH下测试涤纶短纤维的动摩擦因数，结果如表2所示。由表2可以看出：3种非离子型表面活性剂及两种阴离子磷酸酯盐的动摩擦因数较小，作为平滑剂使用时，均可有效减小纺丝过程中纤维经金属导辊和牵伸辊及卷曲机时所受到的摩擦作用，从而减少纤维所受损伤；但对于非离子表面活性剂，鲸蜡醇聚氧乙烯醚在湿度变化的环境下F/Fμd、F/Mμd均为最低，具有更好的平滑性；对于阴离子表面活性剂，十八烷基磷酸单酯盐、十八烷基磷酸双酯盐的F/Mμd相当，但在较低RH(30%)下十八烷基磷酸单酯盐F/Fμd为0.157 9具有明显的优势。因此，结合抗静电剂筛选的结果，选择鲸蜡醇聚氧乙烯醚和十八烷基磷酸单酯盐共同作为耐候性油剂的平滑剂。

表2 不同RH下各平滑剂的动摩擦因数Tab.2 Dynamic friction coefficient of different smoothing agents under different RH

2.4 集束剂耐候性选择

纤维的集束性(也称抱合性)可通过纤维与纤维间的静摩擦因数(F/Fμs)和F/Fμd的差值(∆μ)来表征，抱合性能好的纤维具有高的∆μ值[13]。但是对于涤纶短纤维加工要求，油剂应具有合适的集束性。在不同的温度、RH下，油剂的集束性会出现差异。RH高，油剂容易发黏，集束性过强，纤维不易开松，分纤性差，梳棉时棉网易出现“云斑”，易堵塞喇叭口；温度、RH低，油剂集束性相对较差，容易在梳棉时有掉网或破网现象，造成纱线质量下降[14]。因此，油剂的集束性也必须在不同的温度、RH下控制在一个合适的范围内。通过在不同条件下大量分析高品质短纤维的动、静摩擦因数，发现纤维间静、动摩擦因数的比值(F/Fμs/μd)为1.30～1.45。且∆μ较大时，纤维的集束性比较合适。表3为25 ℃时不同RH下各集束剂单体上油后纤维的摩擦因数及∆μ、F/Fμs/μd。

表3 不同RH下各集束剂对纤维间摩擦因数的影响Tab.3 Effect of bundling agent on friction coefficient between fibers under different RH

从表3可见：丙三醇聚氧乙烯聚氧丙烯醚虽然在RH变化的情况下∆μ最大，但其F/Fμs/μd均大于1.45，表明集束性过强；月桂酸聚氧乙烯酯则集束性不够；而RH由30%增大到90%，月桂酸聚氧乙烯聚氧丙烯酯的F/Fμs/μd始终落于1.35～1.45区间，且其∆μ保持为较大，集束性能够较好满足涤纶短纤维纺丝和纺纱的工艺要求。因此选用月桂酸聚氧乙烯聚氧丙烯酯作为耐候性油剂的集束剂。

3 油剂配方性能评价及应用

3.1 油剂表面特性评价

现代涤纶短纤维后纺工序的上油方式以喷淋为主，要求油剂喷出后，能够在纤维的表面很快地铺展，才能起到良好的作用[15]。而油剂铺展速率的快慢，与油剂表面张力和润湿性能有关。表面张力越小，液体的润湿性越好，液体越容易铺展。由表4可以看出： JDS-301/JDS-302油剂较TSC-195/TSC-801油剂表面张力相当，且其润湿性能更好。

表4 油剂的表面张力和润湿性能Tab.4 Surface tension and wettability of spinning finishes

3.2 可纺性评价

油剂作用于纤维的可纺性主要是指油剂赋予纤维良好的抗静电性、平滑性、集束性等使纤维顺利通过后道纺纱等工序，是油剂能否适应于化纤生产与加工的性能表征。

3.2.1 抗静电性

油剂的抗静电性与应用环境的湿度有非常密切的联系[16]。湿度越大，纤维的体积电阻率越小，抗静电性越好；反之，湿度越低，纤维的体积电阻率越大，抗静电性越差。在标准环境/低温低湿/高温高湿条件下，分别测试含有JDS-301/JDS-302及TSC-195/TSC-801油剂的涤纶短纤维的体积电阻率，并与国家标准GB/T 14464—2017《涤纶短纤维》中的一等品的体积电阻率指标进行对比，结果见表5。

表5 涤纶短纤维的体积电阻率Tab.5 Volume specific resistance of polyester staple fiber

从表5可以看出，在3个测试条件下，含有JDS-301/JDS-302及TSC-195/TSC-801油剂的涤纶短纤维的体积电阻率均处于同一数量级，且均低于109Ω·cm，能满足GB/T 14464—2017《涤纶短纤维》中的一等品抗静电要求。在低温低湿下含JDS-301/JDS-302的纤维的体积电阻率略低于TSC-195/TSC-801油剂的。表明所研发的JDS-301/JDS-302油剂在低温低湿环境下仍然有很好的抗静电性并优于国外品牌TSC-195/TSC-801油剂。

3.2.2 平滑性与集束性

经过5次平行上油比较，并在标准环境/低温低湿/高温高湿条件下测试，涤纶短纤维的摩擦因数的平均值如表6所示。从表6可以看出，在3种不同温度和湿度的测试条件下，F/Mμd、F/Fμd都很接近，且在10 ℃/RH 30%和35 ℃/RH 90%两种较为极端的条件下，含JDS-301/JDS-302的纤维F/Mμd及F/Fμd更低，说明JDS-301/JDS-302的平滑性更优于对比油剂TSC-195/TSC-801。含JDS-301/JDS-302的纤维的∆μ与对比油剂TSC-195/TSC-801的十分接近，F/Fμs/μd均在1.30～1.45之间且相差不大，说明在不同的温度、RH条件下，两种油剂的集束性能相当，且性能满足气候变化的要求。

表6 不同条件下涤纶短纤维的摩擦因数Tab.6 Friction coefficient of polyester staple fiber under different conditions

4 油剂耐候性应用试验

为了考察JDS-301/JDS-302油剂的耐候性，选择冬季和夏季在50 kt/a涤纶短纤维工业生产装置上进行应用试验，同时与 TSC-195/TSC-801油剂进行对比平行试验，并到纺织厂跟踪纺织情况。

4.1 冬季试验

从表7、表8可以看出，冬季使用JDS-301/JDS-302油剂生产的中长涤纶短纤维质量与使用国外品牌TSC-195/TSC-801油剂的非常接近，两者质量相差无几。而且纺丝时通道性良好，纤维膨松、滑爽，手感好，后道纺纱工序生产正常、成纱质量良好。这表明在低温低湿等环境条件下，JDS-301/JDS-302油剂依然应用良好。

表7 冬季应用不同油剂的中长涤纶短纤维的质量指标Tab.7 Quality indexes of medium-length polyester staple fiber with different spinning finishes in winter

表8 冬季应用不同油剂的纤维的纺纱情况Tab.8 Spinning of fibers with different spinning finishes in winter

4.2 夏季试验

由表9可见：夏季使用JDS-301/JDS-302油剂生产的毛型涤纶短纤维质量与使用国外品牌TSC-195/TSC-801油剂的非常接近，两者质量相差无几；且使用JDS-301/JDS-302油剂生产的13.33 dtex×58 mm毛型涤纶短纤维质量全部达到GB/T 14464—2017一等品指标。另外，纺丝过程中，前纺开车顺利，丝束上油正常，无断头绕辊现象，盛丝桶盛丝情况正常；后纺拉伸顺畅，绕辊停车情况很少，卷曲成型良好，丝束经松弛干燥后，不松散，抱合性好；纤维弹性足，手感好无黏腻现象。