涤纶高速棉纺油剂的研制

1 前言 油剂是化学纤维生产中不可缺少的化学助剂，随着我国化学纤维工业的发展，油剂的的需求量必将愈来愈大，其中涤纶短纤维油剂是消耗最大的品种之一。随着涤纶纤维生产技术的发展，高速化、大容量已成为涤纶短纤维生产发展的必然趋势。单线生产能力已由八十年代的1.5万吨/年发展到3万吨、4.5万吨甚至6万吨/年。产能的扩大，造成用户的分布范围广:一方面,各用户厂商所处地域气候迥异，要求成品纤维对环境温湿度适应性不断提高。另一方面，用户的纺织加工技术与设备存在较大的差异，特别是近年来纺织业的结构调整，棉纺加工企业为追求较高的生产效率，不断引进先进的高速棉纺设备，棉纺加工的高速化已成为必然的发展趋势。九十年代以来，国外著名的油剂生产厂商已领先研发了以高碳链磷酸酯钾盐为特征的涤纶高速棉纺油剂，并推出了相应的品牌。 本文分析了涤纶短纤维油剂生产和高速棉纺的特点，通过对数十种油剂单体的筛选、经过油剂配方的设计与优化实验、然后对试验油剂样品的性能进行评价、再在纤维纺丝和棉纺加工生产线上进行应用试验，成功开发研制了性能优越的SAW201/SAW208型涤纶短纤维高速棉纺油剂。 2 研究实验方法 2.1 试验油剂复配和油剂乳液的配制实验 实验油剂的复配在仪化公司的油剂实验室中进行。小样的实验在带有搅拌和控温设备的四颈烧瓶中进行。中试油剂复配在50立升高粘反应釜来完成，油剂的试生产在500立升油剂复配釜上进行。 2.2 实验油剂样品的性能研究 实验油剂样品的性能评价在油剂实验室中进行，纤维抗静电性能由常州纺织仪器厂的YG321型纤维比电阻仪测定，纤维润滑性能在日本大阪葵精机械的roder纤维摩檫系数测定仪上测定，油剂的表面张力由JYW-200型自动张力仪测定，纤维回潮率由上海实验环保试验设备厂SHSY的型恒定湿热箱和Y802N型八篮恒温烘箱配合测定，含油纤维的小型棉纺加工实验在小型棉纺试验装置上进行。 2.3 纤维纺丝应用试验和棉纺加工试验 纺丝应用试验在中国石化仪征化纤公司涤纶二厂的14K1.5万吨／年涤纶短纤维生产线上进行。棉纺加工应用试验在湖北省老河口市润发纺织企业有限公司进行。 3 实验结果与讨论 3.1 涤纶高速棉纺油剂的技术性能要求 纤维油剂是纤维生产过程中附加到纤维表面的化学物质，它的作用主要是改善纤维的润滑性能和抗静电性能并保证纤维的生产和加工顺利进行。图1表征了油剂性能与纤维加工之间的关系，由此图可以看出，涤纶短纤维油剂是由具有特殊性能的表面活性剂组成，其化学结构与化学性能对油剂的性能具有决定性的影响，而油剂在应用中是以复配的形式存在，经过最优化的配方设计和优化的工艺调配，使之具有一系列优越的物理和化学性能，满足纤维生产与加工过程对油剂的需求。 在涤纶短纤维生产过程中，根据生产工艺的不同，将所使用的油剂分为纺丝油剂又称前纺油剂和纺纱油剂又称后纺油剂、棉纺油剂，前纺油剂需满足纤维卷绕、集束、牵伸等工序的要求，后纺油剂则需满足纤维生产中后加工工序如卷曲、干燥、切断等要求，同时成品纤维必须满足纤维纺织加工的要求，对涤纶棉型短纤维而言满足棉纺加工要求。 涤纶短纤维油剂随着纤维技术的发展而发展，早期的涤纶短纤维油剂以天然或矿物油类润滑剂和抗静电良好的阳离子表面活性剂复配而成。由于阳离子表面活性剂的润滑性能和抱合性能较差，随着六十年代涤纶短纤维的飞速发展，它们已逐渐被性能优越的含有烷基磷酸酯类的涤纶短纤维油剂所替代，磷酸酯类表面活性剂既具有良好的抗静电性能，又具有良好的润滑性能，典型的配方是以十二烷基为主的低碳链的磷酸酯钾盐与其它非离子表面活性剂配伍，该油剂能赋予涤纶短纤维良好的应用性能和纤维加工性能。目前我国七十年代和八十年代引进的涤纶短纤维生产线主要使用该类油剂。国内近年来开发成功的涤纶短纤维油剂如仪征化纤公司、辽阳化纤公司、上海金山石化公司、宜兴天音股份和济南化工研究院等开发生产。 的相关油剂。但是油剂的产业化一直未能取得较大进展，国内主要涤纶短纤维厂家使用的油剂或单体依然依赖进口。尽管该类油剂在纤维应用中取得了较大的成功，但随着近年来涤纶短纤维生产和加工技术的不断发展，日益不能满足大容量涤纶短纤维生产和高速棉纺加工的需求。 随着我国化纤工业的发展，纤维生产的高速化及棉纺织新工艺将不断得到推广应用，目前国内翔鹭、黑龙江3万吨／年吉玛线、辽化二期、联吉二期纺丝线、洛阳化纤以及仪征化纤部分生产线等均已采用高速纺油剂，油剂全部依赖进口。而且以良好气候适应性，满足高速棉纺为特征的涤纶短纤维油剂正日益取代原有的油剂。 我们的目的正是研制适应涤纶短纤维生产高速化及棉纺加工高速化需求的涤纶短纤维高速棉纺油剂。所研制的油剂应具有以下特点：①性能稳定，单体立足国内，应用方便；②能满足1.5万吨／年以上大容量的短纤生产线对油剂的要求；③生产的纤维必须具有较宽的气候适应性；④满足棉纺加工中梳棉速度160m/min，环锭纺速14000rpm的棉纺要求。 3.2 油剂单体性能研究和配方设计与优化试验 涤纶短纤维油剂的主要化学组成为阴离子和非离子表面活性剂，其显著的特征是具有亲油亲水两亲性质，既能与水配制成良好的水乳液，满足化纤工艺中的上油要求，又能较好地附着于疏水的涤纶高分子表面，从而达到上油的目的，为此，我们从选择表面活性剂入手，针对其表面活性存在的差异，筛选出能满足油剂性能要求的表面活性剂设计配方，进行配方研究。 磷酸酯是一类用途广泛的阴离子表面活性剂，由于其优良的表面活性，润滑特性和抗静电性能，已成为涤纶短纤维油剂中不可缺少的最主要组成之一。它的性能是决定油剂最终性能的关键因素，不同碳链长短磷酸酯的性能差别较大，随着碳链数增加，润滑性能提高，抗静电性能降低，需要特别指出的是，在常温常湿条件下呈固态，这有利于减少棉纺加工中的油剂粘着现象。而且，高碳链的磷酸酯吸湿性能较低，不同碳链数的磷酸酯在不同温湿度条件下变化趋势有所不同，低碳链数的磷酸酯吸湿性差别较大，对温湿度的变化较为敏感，而高碳链磷酸酯则变化较小，对温湿度敏感性小。利用高碳链烷基磷酸酯这一特性，为我们研制适应不同恶劣条件下的纤维油剂提供了便利。 根据以上单体性能，我们以不同高碳链数的烷基磷酸酯盐代替常规油剂中低碳链的烷基磷酸酯盐。高碳链的引入改善了油剂的润滑性能，降低了纤维的摩擦。能够满足高速棉纺的要求。同时，高碳链的引入提高了油剂对温湿度的适应性，更加协调地解决了润滑与抗静电之间的矛盾。 如前所述，随着碳链数的增加，磷酸酯的抗静电性能逐渐降低，高碳链的磷酸酯抗静电性能存在不足，高碳链烷基磷酸酯的引入，从某种程度上降低了油剂对纤维的抗静电作用，因此，在选用它为油剂的主要组分时，我们引入了一种阳离子抗静电剂组分以弥补不足。 纤维与纤维之间抱和性能的指标Δμ（μs-μd）。随着碳数的增加而降低，其抱和性能愈来愈差，为此，在油剂配方中我们添加了特种抱合剂，使油剂具有特别优越的抱合性能。除此之外，随着碳链数的增多，磷酸酯的亲水性能降低，不利于油剂上油时工作乳液的配制，稳定性能也较差。选择合适的乳化剂和相关的油剂配方体系显得尤为重要。 3.3 配方研究的实验结果与讨论 在初步确定了油剂单体之后，我们便进行了油剂配方设计。在经过最初的油剂及油剂乳液稳定性试验的配方筛选后，通过对设计配方的表面活性测试，筛选出具有较好乳液稳定性、润湿时间和表面张力的试验配方；然后进行上油纤维的吸湿性、摩擦性能、抗静电等性能测试。表1、表2列出了一些具有代表性油剂配方的性能数据。 通过近百次的配方试验和大量的性能评价研究，我们成功选择了高碳链烷基磷酸酯为主组分。利用其具有优越的润滑性能，满足高速棉纺机械对含油涤纶短纤维的摩擦要求。同时由于其具有良好的温湿度适应性使含油纤维在较宽的温湿度范围内可纺性良好。减少纺织厂对温湿度的绝对依赖，降低能耗，提高纱线产品质量。特种阳离子抗静电剂的引入，弥补了其抗静电性能的不足。通过添加一种有效的抱合剂。一方面显著提高了油剂的抱合特性，另一方面，保持高速纺油剂必需的低摩擦特性。最终，我们确立了以高碳链的烷基磷酸酯钾盐为主组分，以适当比例的阳离子表面活性剂及少量特种抱合剂和乳化剂为主的油剂配方，形成了SAW201/SAW208型涤纶短纤维高速棉纺油剂体系。主要质量指标参见表3 SAW201和SAW208油剂体系为两种油剂配合而成，两种油剂的配比对纤维油剂性能影响较大，因此有必要对配方中其配比进行相关研究，为此，我们进行了不同配比下表面张力、润湿时间、泡沫性能、摩擦和抗静电性以及纤维回潮率、小棉纺试验等研究，并以此确定配方中的两种油剂配比。表4列出了油剂不同配比小棉纺的可纺性。最终确立了以SAW201/SAW208=30/70为中心值，根据不同上油工艺确定最终上油比例。 3.4 SAW型高速棉纺油剂的性能特点研究 含油纤维的生产和加工性能，是油剂在纤维与纤维之间和纤维与加工表面之间的相对运动中所起作用的具体表征，纤维原丝在纤维生产的各道工序中上油后应具有良好的润湿性能、抗静电性能和集束性能，满足从卷绕、落桶、牵伸到卷曲过程中的润滑要求，因此，必须从摩擦特性、抗静电性能和小棉纺试验等几方面来考察成品中含油纤维是否最终满足纺织加工的要求，是油剂纤维性能的主要特点之一。 3.4.1.1 优良的润滑特性： 涤纶纤维在生产与加工过程中，要在高速、强力下经纤维与纤维之间、纤维与金属等其它表面之间摩擦运动，油剂的施加，依据其良好的平滑性、较低的摩擦系数，就可以减少纤维的摩损并有效控制这种摩擦运动，图2说明SAW型油剂具有优良的润滑特性。 3.4.1.2 优良的抗静电性能 根据摩擦理论，纤维与纤维加工表面产生高速相互运动时，必然会产生静电，如果静电不能及时消除，就会产生一系列负面影响，如纤维生产过程中的飞丝，牵伸不匀，易缠绕罗拉、断头和卷曲困难等问题，纺织加工中出现开棉不好，棉网不均，易缠绕罗拉、纺纱起毛、飞丝和断头，严重时由于静电产生火花，引起火灾或爆炸。图3列示了油剂的抗静电性能。 不同温湿度下油剂的可纺性 我们对油剂在不同温湿度条件下的棉纺加工通过性进行研究，以确定该油剂的温湿度适应范围，表5列示了不同温湿度条件的小棉纺试验结果。说明SAW型油剂在一定的含油率条件下在较宽温湿度范围棉纺通过性好，其含油纤维具有较好的棉纺加工性能。 3.5 纺丝应用试验和高速棉纺加工试验 纺丝应用试验在中国石化仪征化纤公司涤纶二厂的14K涤纶短纤维生产线上进行。首先配制油剂工作乳液，经检验合格后输送至纺丝现场。纺丝试验品种为1.56dtex×38mm涤纶棉型短纤维。试验结果表明油剂满足纤维生产工艺对油剂的要求，试验纤维的检验结果表明产品质量合格。 为了进一步考察油剂的应用性能，我们在湖北省老河口市润发纺织企业有限公司进行了棉纺应用试验，选择该厂一方面由于该厂注意技术改造，棉纺设备有典型高速纺特点，另一方面，该厂十分强调质量管理和技术创新，该厂的棉纱质量水平较高，在广东棉纱市场质量独树一帜，产品价格高于同类产品800～1000元/吨。 试验为纯涤纶单麦纺，生产品种为32支纯涤纶纱。试验结果表明，在清花、梳棉、并条、粗纱、细纱及络桶等各个工序中，试验纤维均能顺利通过，表现出良好的棉纺加工性能。 各个工序生产情况均正常，挡车工反映操作轻松，生活良好，在某些工序如粗、细纱及络筒挡车工生活好于对比样纤维。 在不同梳棉速度、高速并条、高锭转速细纱等苛刻条件下，纤维可纺性良好。试验纤维所纺出的普梳纯涤纱细纱CV%值为13.44%，达到了乌斯特97公报25%水平。在各工序速度提高的情况下，其成纱的电清百万米纱疵仅170粒，比常规涤纶短纤生产的同号纱线低25%。表明试验纤维能够满足棉纺设备向高产、高速发展的要求。 试验的环境温度曾经高达30—34℃，高于正常棉纺控制范围，对于棉纺加工来讲这样的温度条件是很苛刻的。而试验结果表明，即使在这样的温度条件下试验纤维仍具有良好的适纺性能。证明了试验油剂的良好温湿度适应性。 4 结论 4.1 研究试制SAW型油剂具有良好的润滑性能、抱合性能和抗静电性能。满足1.5万吨/年涤纶短纤维生产线从纺丝卷绕、牵伸定型到卷曲后加工等一系列工序对油剂的需要，成品纤维质量良好。 4.2 SAW型油剂具有较低的摩擦系数和较高的油膜强度。特别适用于正在蓬勃发展的高产、高速的棉纺加工设备，成纱质量明显改善。 4.3 SAW型油剂对温湿度的敏感性较低。在不同温湿度下的可纺性良好，满足大容量纤维生产装置带来的用户范围广、地域气温变化较宽的特点，同时也有利于棉纺加工企业的节能降耗。 4.4 SAW型油剂生产工艺成熟，性能稳定，安全性能良好。技术经济分析结果表明，油剂具有一定的价格竞争优势。 4.5 SAW型油剂表面活性良好，油剂乳液配制工艺简便，上油质量易于控制，应用方便。