1 前言 油劑是化學纖維生產中不可缺少的化學助劑，隨著我國化學纖維工業(yè)的發(fā)展，油劑的的需求量必將愈來愈大，其中滌綸短纖維油劑是消耗最大的品種之一。隨著滌綸纖維生產技術的發(fā)展，高速化、大容量已成為滌綸短纖維生產發(fā)展的必然趨勢。單線生產能力已由八十年代的1.5萬噸/年發(fā)展到3萬噸、4.5萬噸甚至6萬噸/年。產能的擴大，造成用戶的分布范圍廣:一方面,各用戶廠商所處地域氣候迥異，要求成品纖維對環(huán)境溫濕度適應性不斷提高。另一方面，用戶的紡織加工技術與設備存在較大的差異，特別是近年來紡織業(yè)的結構調整，棉紡加工企業(yè)為追求較高的生產效率，不斷引進先進的高速棉紡設備，棉紡加工的高速化已成為必然的發(fā)展趨勢。九十年代以來，國外著名的油劑生產廠商已領先研發(fā)了以高碳鏈磷酸酯鉀鹽為特征的滌綸高速棉紡油劑，并推出了相應的品牌。 本文分析了滌綸短纖維油劑生產和高速棉紡的特點，通過對數(shù)十種油劑單體的篩選、經過油劑配方的設計與優(yōu)化實驗、然后對試驗油劑樣品的性能進行評價、再在纖維紡絲和棉紡加工生產線上進行應用試驗，成功開發(fā)研制了性能優(yōu)越的SAW201/SAW208型滌綸短纖維高速棉紡油劑。 2 研究實驗方法 2.1 試驗油劑復配和油劑乳液的配制實驗 實驗油劑的復配在儀化公司的油劑實驗室中進行。小樣的實驗在帶有攪拌和控溫設備的四頸燒瓶中進行。中試油劑復配在50立升高粘反應釜來完成，油劑的試生產在500立升油劑復配釜上進行。 2.2 實驗油劑樣品的性能研究 實驗油劑樣品的性能評價在油劑實驗室中進行，纖維抗靜電性能由常州紡織儀器廠的YG321型纖維比電阻儀測定，纖維潤滑性能在日本大阪葵精機械的roder纖維摩檫系數(shù)測定儀上測定，油劑的表面張力由JYW-200型自動張力儀測定，纖維回潮率由上海實驗環(huán)保試驗設備廠SHSY的型恒定濕熱箱和Y802N型八籃恒溫烘箱配合測定，含油纖維的小型棉紡加工實驗在小型棉紡試驗裝置上進行。 2.3 纖維紡絲應用試驗和棉紡加工試驗 紡絲應用試驗在中國石化儀征化纖公司滌綸二廠的14K1.5萬噸／年滌綸短纖維生產線上進行。棉紡加工應用試驗在湖北省老河口市潤發(fā)紡織企業(yè)有限公司進行。 3 實驗結果與討論 3.1 滌綸高速棉紡油劑的技術性能要求 纖維油劑是纖維生產過程中附加到纖維表面的化學物質，它的作用主要是改善纖維的潤滑性能和抗靜電性能并保證纖維的生產和加工順利進行。圖1表征了油劑性能與纖維加工之間的關系，由此圖可以看出，滌綸短纖維油劑是由具有特殊性能的表面活性劑組成，其化學結構與化學性能對油劑的性能具有決定性的影響，而油劑在應用中是以復配的形式存在，經過最優(yōu)化的配方設計和優(yōu)化的工藝調配，使之具有一系列優(yōu)越的物理和化學性能，滿足纖維生產與加工過程對油劑的需求。 在滌綸短纖維生產過程中，根據(jù)生產工藝的不同，將所使用的油劑分為紡絲油劑又稱前紡油劑和紡紗油劑又稱后紡油劑、棉紡油劑，前紡油劑需滿足纖維卷繞、集束、牽伸等工序的要求，后紡油劑則需滿足纖維生產中后加工工序如卷曲、干燥、切斷等要求，同時成品纖維必須滿足纖維紡織加工的要求，對滌綸棉型短纖維而言滿足棉紡加工要求。 滌綸短纖維油劑隨著纖維技術的發(fā)展而發(fā)展，早期的滌綸短纖維油劑以天然或礦物油類潤滑劑和抗靜電良好的陽離子表面活性劑復配而成。由于陽離子表面活性劑的潤滑性能和抱合性能較差，隨著六十年代滌綸短纖維的飛速發(fā)展，它們已逐漸被性能優(yōu)越的含有烷基磷酸酯類的滌綸短纖維油劑所替代，磷酸酯類表面活性劑既具有良好的抗靜電性能，又具有良好的潤滑性能，典型的配方是以十二烷基為主的低碳鏈的磷酸酯鉀鹽與其它非離子表面活性劑配伍，該油劑能賦予滌綸短纖維良好的應用性能和纖維加工性能。目前我國七十年代和八十年代引進的滌綸短纖維生產線主要使用該類油劑。國內近年來開發(fā)成功的滌綸短纖維油劑如儀征化纖公司、遼陽化纖公司、上海金山石化公司、宜興天音股份和濟南化工研究院等開發(fā)生產。 的相關油劑。但是油劑的產業(yè)化一直未能取得較大進展，國內主要滌綸短纖維廠家使用的油劑或單體依然依賴進口。盡管該類油劑在纖維應用中取得了較大的成功，但隨著近年來滌綸短纖維生產和加工技術的不斷發(fā)展，日益不能滿足大容量滌綸短纖維生產和高速棉紡加工的需求。 隨著我國化纖工業(yè)的發(fā)展，纖維生產的高速化及棉紡織新工藝將不斷得到推廣應用，目前國內翔鷺、黑龍江3萬噸／年吉瑪線、遼化二期、聯(lián)吉二期紡絲線、洛陽化纖以及儀征化纖部分生產線等均已采用高速紡油劑，油劑全部依賴進口。而且以良好氣候適應性，滿足高速棉紡為特征的滌綸短纖維油劑正日益取代原有的油劑。 我們的目的正是研制適應滌綸短纖維生產高速化及棉紡加工高速化需求的滌綸短纖維高速棉紡油劑。所研制的油劑應具有以下特點：①性能穩(wěn)定，單體立足國內，應用方便；②能滿足1.5萬噸／年以上大容量的短纖生產線對油劑的要求；③生產的纖維必須具有較寬的氣候適應性；④滿足棉紡加工中梳棉速度160m/min，環(huán)錠紡速14000rpm的棉紡要求。 3.2 油劑單體性能研究和配方設計與優(yōu)化試驗 滌綸短纖維油劑的主要化學組成為陰離子和非離子表面活性劑，其顯著的特征是具有親油親水兩親性質，既能與水配制成良好的水乳液，滿足化纖工藝中的上油要求，又能較好地附著于疏水的滌綸高分子表面，從而達到上油的目的，為此，我們從選擇表面活性劑入手，針對其表面活性存在的差異，篩選出能滿足油劑性能要求的表面活性劑設計配方，進行配方研究。 磷酸酯是一類用途廣泛的陰離子表面活性劑，由于其優(yōu)良的表面活性，潤滑特性和抗靜電性能，已成為滌綸短纖維油劑中不可缺少的最主要組成之一。它的性能是決定油劑最終性能的關鍵因素，不同碳鏈長短磷酸酯的性能差別較大，隨著碳鏈數(shù)增加，潤滑性能提高，抗靜電性能降低，需要特別指出的是，在常溫常濕條件下呈固態(tài)，這有利于減少棉紡加工中的油劑粘著現(xiàn)象。而且，高碳鏈的磷酸酯吸濕性能較低，不同碳鏈數(shù)的磷酸酯在不同溫濕度條件下變化趨勢有所不同，低碳鏈數(shù)的磷酸酯吸濕性差別較大，對溫濕度的變化較為敏感，而高碳鏈磷酸酯則變化較小，對溫濕度敏感性小。利用高碳鏈烷基磷酸酯這一特性，為我們研制適應不同惡劣條件下的纖維油劑提供了便利。 根據(jù)以上單體性能，我們以不同高碳鏈數(shù)的烷基磷酸酯鹽代替常規(guī)油劑中低碳鏈的烷基磷酸酯鹽。高碳鏈的引入改善了油劑的潤滑性能，降低了纖維的摩擦。能夠滿足高速棉紡的要求。同時，高碳鏈的引入提高了油劑對溫濕度的適應性，更加協(xié)調地解決了潤滑與抗靜電之間的矛盾。 如前所述，隨著碳鏈數(shù)的增加，磷酸酯的抗靜電性能逐漸降低，高碳鏈的磷酸酯抗靜電性能存在不足，高碳鏈烷基磷酸酯的引入，從某種程度上降低了油劑對纖維的抗靜電作用，因此，在選用它為油劑的主要組分時，我們引入了一種陽離子抗靜電劑組分以彌補不足。 纖維與纖維之間抱和性能的指標Δμ（μs-μd）。隨著碳數(shù)的增加而降低，其抱和性能愈來愈差，為此，在油劑配方中我們添加了特種抱合劑，使油劑具有特別優(yōu)越的抱合性能。除此之外，隨著碳鏈數(shù)的增多，磷酸酯的親水性能降低，不利于油劑上油時工作乳液的配制，穩(wěn)定性能也較差。選擇合適的乳化劑和相關的油劑配方體系顯得尤為重要。 3.3 配方研究的實驗結果與討論 在初步確定了油劑單體之后，我們便進行了油劑配方設計。在經過最初的油劑及油劑乳液穩(wěn)定性試驗的配方篩選后，通過對設計配方的表面活性測試，篩選出具有較好乳液穩(wěn)定性、潤濕時間和表面張力的試驗配方；然后進行上油纖維的吸濕性、摩擦性能、抗靜電等性能測試。表1、表2列出了一些具有代表性油劑配方的性能數(shù)據(jù)。 通過近百次的配方試驗和大量的性能評價研究，我們成功選擇了高碳鏈烷基磷酸酯為主組分。利用其具有優(yōu)越的潤滑性能，滿足高速棉紡機械對含油滌綸短纖維的摩擦要求。同時由于其具有良好的溫濕度適應性使含油纖維在較寬的溫濕度范圍內可紡性良好。減少紡織廠對溫濕度的絕對依賴，降低能耗，提高紗線產品質量。特種陽離子抗靜電劑的引入，彌補了其抗靜電性能的不足。通過添加一種有效的抱合劑。一方面顯著提高了油劑的抱合特性，另一方面，保持高速紡油劑必需的低摩擦特性。最終，我們確立了以高碳鏈的烷基磷酸酯鉀鹽為主組分，以適當比例的陽離子表面活性劑及少量特種抱合劑和乳化劑為主的油劑配方，形成了SAW201/SAW208型滌綸短纖維高速棉紡油劑體系。主要質量指標參見表3 SAW201和SAW208油劑體系為兩種油劑配合而成，兩種油劑的配比對纖維油劑性能影響較大，因此有必要對配方中其配比進行相關研究，為此，我們進行了不同配比下表面張力、潤濕時間、泡沫性能、摩擦和抗靜電性以及纖維回潮率、小棉紡試驗等研究，并以此確定配方中的兩種油劑配比。表4列出了油劑不同配比小棉紡的可紡性。最終確立了以SAW201/SAW208=30/70為中心值，根據(jù)不同上油工藝確定最終上油比例。 3.4 SAW型高速棉紡油劑的性能特點研究 含油纖維的生產和加工性能，是油劑在纖維與纖維之間和纖維與加工表面之間的相對運動中所起作用的具體表征，纖維原絲在纖維生產的各道工序中上油后應具有良好的潤濕性能、抗靜電性能和集束性能，滿足從卷繞、落桶、牽伸到卷曲過程中的潤滑要求，因此，必須從摩擦特性、抗靜電性能和小棉紡試驗等幾方面來考察成品中含油纖維是否最終滿足紡織加工的要求，是油劑纖維性能的主要特點之一。 3.4.1.1 優(yōu)良的潤滑特性： 滌綸纖維在生產與加工過程中，要在高速、強力下經纖維與纖維之間、纖維與金屬等其它表面之間摩擦運動，油劑的施加，依據(jù)其良好的平滑性、較低的摩擦系數(shù)，就可以減少纖維的摩損并有效控制這種摩擦運動，圖2說明SAW型油劑具有優(yōu)良的潤滑特性。 3.4.1.2 優(yōu)良的抗靜電性能 根據(jù)摩擦理論，纖維與纖維加工表面產生高速相互運動時，必然會產生靜電，如果靜電不能及時消除，就會產生一系列負面影響，如纖維生產過程中的飛絲，牽伸不勻，易纏繞羅拉、斷頭和卷曲困難等問題，紡織加工中出現(xiàn)開棉不好，棉網(wǎng)不均，易纏繞羅拉、紡紗起毛、飛絲和斷頭，嚴重時由于靜電產生火花，引起火災或爆炸。圖3列示了油劑的抗靜電性能。 不同溫濕度下油劑的可紡性 我們對油劑在不同溫濕度條件下的棉紡加工通過性進行研究，以確定該油劑的溫濕度適應范圍，表5列示了不同溫濕度條件的小棉紡試驗結果。說明SAW型油劑在一定的含油率條件下在較寬溫濕度范圍棉紡通過性好，其含油纖維具有較好的棉紡加工性能。 3.5 紡絲應用試驗和高速棉紡加工試驗 紡絲應用試驗在中國石化儀征化纖公司滌綸二廠的14K滌綸短纖維生產線上進行。首先配制油劑工作乳液，經檢驗合格后輸送至紡絲現(xiàn)場。紡絲試驗品種為1.56dtex×38mm滌綸棉型短纖維。試驗結果表明油劑滿足纖維生產工藝對油劑的要求，試驗纖維的檢驗結果表明產品質量合格。 為了進一步考察油劑的應用性能，我們在湖北省老河口市潤發(fā)紡織企業(yè)有限公司進行了棉紡應用試驗，選擇該廠一方面由于該廠注意技術改造，棉紡設備有典型高速紡特點，另一方面，該廠十分強調質量管理和技術創(chuàng)新，該廠的棉紗質量水平較高，在廣東棉紗市場質量獨樹一幟，產品價格高于同類產品800～1000元/噸。 試驗為純滌綸單麥紡，生產品種為32支純滌綸紗。試驗結果表明，在清花、梳棉、并條、粗紗、細紗及絡桶等各個工序中，試驗纖維均能順利通過，表現(xiàn)出良好的棉紡加工性能。 各個工序生產情況均正常，擋車工反映操作輕松，生活良好，在某些工序如粗、細紗及絡筒擋車工生活好于對比樣纖維。 在不同梳棉速度、高速并條、高錠轉速細紗等苛刻條件下，纖維可紡性良好。試驗纖維所紡出的普梳純滌紗細紗CV%值為13.44%，達到了烏斯特97公報25%水平。在各工序速度提高的情況下，其成紗的電清百萬米紗疵僅170粒，比常規(guī)滌綸短纖生產的同號紗線低25%。表明試驗纖維能夠滿足棉紡設備向高產、高速發(fā)展的要求。 試驗的環(huán)境溫度曾經高達30—34℃，高于正常棉紡控制范圍，對于棉紡加工來講這樣的溫度條件是很苛刻的。而試驗結果表明，即使在這樣的溫度條件下試驗纖維仍具有良好的適紡性能。證明了試驗油劑的良好溫濕度適應性。 4 結論 4.1 研究試制SAW型油劑具有良好的潤滑性能、抱合性能和抗靜電性能。滿足1.5萬噸/年滌綸短纖維生產線從紡絲卷繞、牽伸定型到卷曲后加工等一系列工序對油劑的需要，成品纖維質量良好。 4.2 SAW型油劑具有較低的摩擦系數(shù)和較高的油膜強度。特別適用于正在蓬勃發(fā)展的高產、高速的棉紡加工設備，成紗質量明顯改善。 4.3 SAW型油劑對溫濕度的敏感性較低。在不同溫濕度下的可紡性良好，滿足大容量纖維生產裝置帶來的用戶范圍廣、地域氣溫變化較寬的特點，同時也有利于棉紡加工企業(yè)的節(jié)能降耗。 4.4 SAW型油劑生產工藝成熟，性能穩(wěn)定，安全性能良好。技術經濟分析結果表明，油劑具有一定的價格競爭優(yōu)勢。 4.5 SAW型油劑表面活性良好，油劑乳液配制工藝簡便，上油質量易于控制，應用方便。