1化学纤维对油剂的要求

化学纤维对油剂性能要求较高,纤维上油后,有的需经高温拉伸和干燥,成品丝还要进行后加工、加弹、织造等工序。因此,要求油剂应有一定的耐热性,受热时不分解、少挥发,不使纤维着色;油剂还要有一定的油膜强度,有良好的平滑性。纤维生产及后加工过程中无毛丝、断头,尽量减少白粉、析出物,油剂还要能赋予纤维优异的抗静电性能等。

化纤油剂主要是由平滑剂、乳化剂和抗静电剂组成。其中平滑剂主要是合成脂肪酸酯、聚醚和少量矿物油;乳化剂以聚氧乙烯醚类为主;而抗静电剂主要是烷基磷酸酯和烷基醚磷酸酯。在配制油剂时,单靠一种表面活性剂很难适应各方面的要求,因此将几种不同类型和型号的表面活性剂复配在一起,相互取长补短发挥其协同效应。根据具体纤维的特性、纺丝工艺对油剂性能的要求,运用专门技术才能制备出合格的油剂产品。

2抗静电剂

长期以来,合成纤维油剂抗静电剂通常是以月桂醇为代表的直链醇生产磷酸酯(盐)作为主要成分,所处理的纤维抗静电性不充分,达不到满意的结果。自20世纪90年代以来日本三洋化成公司和德国拜耳公司,以含有C20以上有支链的异构烃基的磷酸单双酯(盐)作为抗静电成分,收到了良好的结果。如以异构C20~C36支链烃基醇,其氧化烷撑的加成物为原料,所合成的磷酸酯(盐)具有良好的抗静电效果,高温时效果尤其明显。广泛用于PA,PET,PP,PAN等合成纤维长丝的生产中,使用时不会发生卷缠罗拉等障碍,耐热性好,具有良好的平滑性,并可避免白粉脱落等现象。

2.1磷酸酯

磷酸酯耐热性好,热挥发性小,用它配制的油剂能增加油膜强度,减少磨损,改善梳棉状态,减少粘缠现象,但配用比例过大或单独使用,则会使纤维平滑性过大,抱合性不足。目前,采用五氧化二磷与脂肪醇为原料生产磷酸酯方法所得到的产品主要是单、双烷基磷酸酯的混合物。单烷基酯抗静电性能优于双烷基酯,而双烷基酯平滑性又优于单烷基酯。有文献报道作为抗静电剂在合成纤维油剂中单双酯含量为1：1较为合适。

烷基磷酸酯的抗静电效果与相对湿度有很大关系,相对湿度较低时(40%),其抗静电效果较差。在相对湿度为45%~65%时,单烷基比双烷基磷酸酯的抗静电效果好。磷酸酯盐的性能与中和剂的品种有一定关系,例如磷酸酯钠盐比磷酸酯钾盐使纤维的平滑性好,但抗静电性却差。

烷基磷酸酯和烷基醚磷酸酯阴离子抗静电剂按烷基的长短可分为低碳醇磷酸酯和高碳醇磷酸酯两类。低碳醇磷酸酯盐抗静电性好,平滑性差,纤维手感发涩,在高湿度时发粘,在低湿度时抗静电性明显下降;高碳醇磷酸酯盐抗静电性稍差,但平滑性好,纤维手感柔软、滑爽。烷基醚(或聚醚)磷酸酯盐的抗静电性主要与烷基碳链长短有关,醚链结构影响相对较小,对温度、湿度的敏感程度降低,与聚醚类单体的相容性好,高碳醇醚磷酸酯盐的抗静电效果好于相应的高碳醇磷酸酯盐。烷基(醚)磷酸酯盐的单双酯比例对性能也有影响,单酯含量高,抗静电性好,平滑性差;双酯多,则平滑性好,抗静电性下降。

(1)低碳醇磷酸酯

低碳醇一般指C12以下的醇,主要采用五氧化二磷磷酸化工艺,实际生产过程需要解决产物色泽、单双酯比例控制、组成稳定性等问题,可应用于干法腈纶、细旦丙纶等油剂中。

(2)高碳醇磷酸酯

高碳醇磷酸酯是种新型抗静电剂。高碳醇一般具有C18以上的碳链,熔点较高。天津工业大学高新技术实业公司比较了不同结构、单双酯的高碳醇磷酸酯对涤纶、锦纶、丙纶的抗静电效果。采用加入第三单体、抗氧剂等手段,合成的单双酯比例稳定的高碳醇磷酸酯具有优异的抗静电性能。

(3)烷基醚(或聚醚)磷酸酯

烷基醚磷酸酯是短纤维油剂中常用的组分,随环氧乙烷基团数的增加,其平滑性增加,但对其抗静电效果影响不明显。

烷基醚(或聚醚)磷酸酯最大的特点是与聚醚的相容性好,可以兼有聚醚和磷酸酯的性质,具有优良的抗静电性能和耐热性,是近年来国际上磷酸酯研究的热点之一。其技术核心是聚醚的结构和磷酸酯单双酯比例的控制。

2.2硫酸酯

硫酸酯是短纤维油剂中常用的组分,其主要品种有烷基硫酸酯和烷基醚硫酸酯。制造硫酸酯所用原料主要是月桂醇和C10~C14合成脂肪醇。硫酸酯使纤维的平滑性好。纤维的平滑性与硫酸酯分子结构中烷基链长短有关。烷基链长的,平滑性好,烷基链短的,平滑性稍差。硫酸酯烷基链中若无环氧乙烷基团,则不显示抗静电特性,有环氧乙烷基团,则表现出良好的抗静电性,特别是对涤纶、丙纶的抗静电效果很好。烷基醚硫酸酯的抗静电效果与环氧乙烷加成摩尔数及纤维的种类有关。

3平滑剂

3.1矿物油

矿物油规格有数10种,但用作平滑剂的只有几种。一般矿物油因含杂质,带有颜色,需要用发烟硫酸等处理,然后再用白土脱色,过滤后,即可得到无色的工业白油。油剂中,工业白油用量5%~50%,络筒油剂中甚至用到80%以上。但因其耐热性差,高温下易挥发,加之油膜强度较差,在高温高速纺丝中,其使用受到限制。

3.2天然油脂

天然油脂是由高级脂肪酸的三甘油酯所构成。这类平滑剂可列举出椰子油、大豆油、花生油、玉米油以及猪油等,由于其价格低,平滑性好,发烟少,油膜强度高,常与其它平滑剂配合用于POY油剂以外的各类化纤油剂中,但因其分子中含有双键,氧化稳定性差,易于结焦,以及上浆性差,用量一般控制在8%以内。

3.3合成酯

合成酯是纺丝拉伸一步法FDY、工业长丝等油剂的主要平滑剂,国内品种较少。合成酯的原料来源广,性能较天然矿物油优越,挥发性小,抗氧性好。一般是由各种醇类与高级脂肪酸通过缩合酯化,酯交换等途径制备。根据需要可制成不同用途的单酯、双酯以及多酯等。单酯平滑剂为一元酸与二元醇的酯类,一般粘度低。有些虽然能赋予纤维良好的平滑性,但只在一般条件下使用。另外单酯耐磨损性差、沸点低、熔点高、易氧化。双酯平滑剂双酯溶解性好,对添加剂相溶性好。此外,它对金属无腐蚀,水解稳定,而且无毒。最常用的双酯型平滑剂是癸二醇二辛酯(DOS)。多元醇平滑剂是多元醇与一元酸的酯化物。其中新戊基多元醇酯,是一种优良平滑剂。它是由新戊二醇、三羟甲基乙烷、三羟甲基丙烷、季戊四醇与一元酸的酯化物,具有良好的热稳定性和抗氧性。

合成酯的粘度和热稳定性均是随着相对分子质量的增大而增大,相对分子质量相同时,随不饱和程度的增加或支链度增加而减小和变差。为获得具有一定的相对分子质量,且室温下为液态流体的合成酯,一般采用多元酸与一元醇反应,或多元醇与一元酸反应,或在分子中引入不饱和基团以及选用具有支链结构的酸或醇等。合成酯以其优良的平滑性,较高的油膜强度被大量地应用于各种化纤油剂中,尤其是对平滑性能要求较高的油剂品种,如高强工业丝油剂、帘子线油剂以及FDY油剂等。

一元酸一元醇酯的碳链增长,平滑性、耐热性提高,但凝固点上升,反应难度增加;不饱和酯凝固点低,但受热容易结焦,产物颜色深;支链和不饱和键的引入,可以降低脂肪酸酯的凝固点;不含芳环的多元醇酯凝固点低,耐热性好,但价格较高。

天津工业大学采用专用催化剂和后处理技术合成单酯、双酯、多元醇酯等20多种高温酯类和低温酯类平滑剂,如油酸月桂醇酯、三羟基丙烷异辛醇酯、月桂酸PEG酯等。广泛地应用于涤纶FDY、工业丝、远红外丙纶等长丝油剂中。

合成酯在使用中,应注意耐热性及其与浆料的亲和性。纤维在后加工上浆过程中,合成酯对浆料有着类似“增塑剂”的作用,易使浆皮膜软化松动,失去对纤维的保护作用,造成脱浆。过去采用的方法是配入一定量的矿物油来防止脱浆。近年来,有资料报道,使用季戊四醇双肉豆蔻酸酯,季戊四醇双油酸酯,季戊四醇三癸酸酯等合成酯,可有效防止脱浆。

4聚醚类乳化剂

聚醚类表面活性剂是化纤油剂配方中最常用的乳化剂。聚醚属非离子表面活性剂范畴,是化纤油剂和纺织助剂的重要组成部分。按聚合方式不同,聚醚分规则型聚醚和不规则型聚醚。聚醚型表面活性剂单体的特点是耐热性好,使纤维的平滑性亦好,不发烟、不凝聚。高相对分子质量聚醚耐热性更好,油剂中加10%即可明显提高油剂耐热效果。

欧美国家采用高速纺丝高速假捻时,使用高相对分子质量(2 000~3 000)聚醚,因为它耐热性好。日本竹本公司以聚丙二醇(相对分子质量为1 000~2 000)制得的聚醚,其对纤维的平滑性、集束性相当于油酸月桂醇酯。高速纺、超高速纺油剂用聚醚,要在3 500~6 200 m/min的速度下使油剂快速、均匀地铺展在油剂表面,且在200℃以上的高温下,要求油剂挥发小,结焦少;一些功能性纤维如高速纺远红外纤维还要求油剂具有优良的平滑性和较高的油膜强度。

要想满足上述性能的要求,就需要根据不同聚醚的相对分子质量大小,设计油剂的配方,考虑聚醚与油剂的其它组分配合性好不好,能否使原油乳化的好,原油能否透明,稳定,乳液能否稳定。还要充分考虑油剂的应用实验,在化学纤维的实际生产中进行上油试验,考察纤维上油剂的均匀性,可纺性情况,纤维染色均匀性,纤维的一等品率等,考察聚醚对油剂的平滑性、耐热性,抱合性,抗静电性等的综合影响。

总的来说较高相对分子质量聚醚可以满足润湿要求,残留钾离子少,减少了结焦,调节平滑、提高耐磨和集束性。

5油剂用表面活性剂的发展趋势

目前化纤行业正朝着高速、高效、大容量、短流程、差别化、功能化的方向飞速发展,随着新工艺、新设备的使用,对化纤油剂提出了更高的要求,如更优良的平滑性、润湿性、耐热性、防结焦等。只有不断地开发具有优异性能的、适应化纤生产新工艺、新要求的油剂单体,系统地对化纤油剂单体进行研制与开发,才能促进化纤生产技术的不断进步与发展,这样化纤油剂才能产生质的变化。