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一、背景 化纤油剂是指应用于化纤生产与加工过程中必不可少的一类纺织助剂，其主要作用是调节化学纤维的摩擦性能，防止或消除静电积累，赋予纤维平滑、集束、抗静电、柔软等性能，使化学纤维顺利通过纺丝、拉伸、加弹、纺纱及织造等工序。化纤油剂配方直接关系到印染质量． 尽管化纤油剂在化纤生产中的用量很小，但它对纤维的质量起着举足轻重的作用，因此美国、德国、英国、日本等国家对化纤油剂的研究一直很活跃，不仅研制出不少新型高效油剂，还运用复配技术开发出抗静电性好、平滑性与集束性比较理想的复合型油剂。我国的化纤油剂工业起步较晚，是伴随着化纤工业的不断壮大而发展起来的，目前已具有一定的规模和基础。 化纤油剂的发展至今已有五代。20世纪50年代采用常规纺丝工艺制造普通涤纶长丝、锦纶丝、纺丝。这第一代油剂是以矿物油为主，再添乳化剂和抗静电剂组成。20世纪60年代制造变形丝和工业用丝时提高了油剂的耐热要求，开发出以脂肪酸酯为主体的第二代油剂。20世纪70年代初期到中期适应以大卷装和锭子式变形为主的工艺开发了以脂肪酸酯和环氧丙烷/环氧乙烷、聚醚并用的第三代油剂。20世纪70年代中期到后期高速纺工艺采用以环氧丙烷/环氧乙烷聚醚为主的第四代油剂。从20世纪80年代到90年代初以后，化纤长丝发展到高速，超高速化及多功能型纤维，相适应地开发了改性环氧丙烷/环氧乙烷聚醚及有低摩擦、超耐热，易湿润等特种功能的成分和添加剂组成的第五代油剂。 化纤油剂主要由平滑柔软剂、集束剂、抗静电剂，乳化剂、平衡调节剂等组成。在配制油剂过程中，单靠一种表面活性剂很难适应各方面的要求，必须将不同类型的表面活性剂复配在一起，相互取长补短，发挥其协调效应。 我国的纺织工业是重要民生产业，是国际竞争优势明显的产业，这两点在相当长时期内都不会改变：只有确保纺织工业在国民经济中的地位，才能确保纺织行业健康发展。国务院通过的纺织工业调整振兴规划，突出强调了“纺织工业是我国国民经济传统支柱产业”。其重要意义一是从国内形势来看，纺织工业在相当长时间内都将是我国重要的民生产业，13亿人口的庞大消费总量决定内需市场必须依靠我国自身纺织产业来满足；纺织工业吸纳了2000万劳动力就业，其中80％来自农村，关系到l亿农民的生计。二是从国际形势来看，纺织工业是我国国际竞争优势明显的产业之一，在全球纺织产业格局中具有产业链完整、配套能力强、专业分工明确、劳动力成本低等不可替代的地位，在全球纺织贸易市场占有1/3左右的市场份额，并且在相当长时间里，这种格局不会改变。 目前我国纺织品出口市场第一是美国、欧洲、日本等发达国家和地区。尽管2008年这个市场出现了很大波动，我国对美国直接出口总量没有增长，但市场份额却增加了1.75％，对欧盟出口总额增加了37％；第二是东南亚邻国，我国纺织业跟东南亚邻国产业链结合越来越紧密，2008年起对其出口的化纤、纱线、面料等都大幅度增长；第三是俄罗斯、拉美地区和非洲地区，这一新兴市场纺织服装需求量近年增长很快，但由于其自身加工能力不足，也为我国纺织业提供了良好的机会。另外，国际金融危机发生以来，国际市场高档名牌产品的消费比重大幅下降，而大众化产品的消费比重持续上升，我国企业可凭借质优价廉物美的产品在销售额增长方面保持增长，提升中国纺织品的国际市场份额。 二、化纤油剂 2.1 化纤油剂组成 2.1.1平滑剂(润滑剂) 平滑剂的主要作用是降低摩擦，提高油膜强度，保护纤维、防止纤维对设备的磨损和锈蚀。平滑性实质上是油剂的摩擦特性，常用上油后丝与丝(F/F)、丝与金属(F/M)和丝与橡胶(F/R)之间的静摩擦系数(μS)及动摩擦系数(μd)来表示。通常采用雷德尔测试法测定。油膜强度采用MRS一10型四球摩擦磨损实验机测试。油膜强度高，摩擦系数波动小。 平滑剂一般选用矿物油、植物油、脂肪酸一元醇酯、多元醇酯、脂肪酸双酯、脂肪酸多元醇酯、脂肪酸三羟甲基丙酯、脂肪酸季戊四醇酯等。在化纤油剂中工业白油被广泛用作平滑剂。但因其耐热性较差，高温下易挥发，油膜强度较差，在高速纺丝如POY中其使用受到限制。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，性能较天然矿油优越。它们具有挥发性小、抗氧化性强、凝固点低、粘温性好、相溶性高、易乳化等优点。平滑剂在长丝油剂配方中一般占40％～60％，在成品油中比例更高些。油剂中平滑剂多，纤维的平滑性好，但却增加了配制乳液的难度。 1）矿物油 液态烷烃：如液体石蜡一般是分子量中等的烷烃与环烷烃的混合物。根据粘度的差别又分出不同的牌号。矿物油的粘度随分子量的增加而增加，热稳定性随分子量的增加而增加。由于矿物油具有价格低，且低温下平滑性好，上浆性好等特点，被广泛地应用于各类普通纺丝油剂中，用量5—50％不等，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，而不能发挥其应有的润滑作用，加之油膜强度较差，在高温高速的纺丝工艺中，使用受到限制。 固态烷烃：如固体石蜡也有许多种，其分子构成多为大分子的烷烃。因常温下呈固态，一般不用于化纤油剂，仅在高强力的工业丝或帘子线油剂中作为添加剂少量使用，目的是为改善油剂的油膜强度。 2）酯类 酯类可分为天然油脂与合成酯。 A、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，随着粘度的减小其不饱和程度增加，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。 B、合成酯：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。常用的醇类可列举出辛醇、十二醇、十八醇、乙二醇、聚乙二醇、丙三醇、三羟甲基丙烷、季戊四醇、山梨醇等一元醇和多元醇，而高级脂肪酸从原料来源考虑，一般选用十八碳以下的(包括十八碳)一元酸和多元酸。根据需要可制成不同用途的单酯、双酯以及多酯等。 3）聚醚 聚醚通常指环氧乙烷(EO)与环氧丙烷(PO)在不同起始剂下加成聚合而得到的高分子化合物。起始剂多用醇类，如一元醇、多元醇等。由于起始剂不同，EO与PO的比率不同，聚合方式的不同以及分子量的不同，以至形成了名目繁多，用途各异的聚醚化合物。POY纺丝工艺对油剂所要求的这些特性，是聚醚以外的其它平滑剂无法做到的，因此在POY化纤油剂中聚醚用量达70％以上。从分子结构看，聚醚分子一端是烷基，另一端是醇羟基具有亲水性。醚基中氧原子易与水形成氢键，所以聚醚大多数易溶于水。尽管可以采取加大PO的比率来增加亲油性，改善其平滑性，但仍然是有限的。在平滑性要求较高的油剂品种如FDY油剂中，聚醚常常与台成酯配合使用，弥补其本身平滑性的不足。 目前国外的平滑柔软剂发展很快。开发的品种包括脂肪酸聚氧乙烯酯、聚乙二醇月桂酸酯、氢化蓖麻油聚氧乙烯醚、聚氧乙烯脂肪胺、聚乙二醇山梨醇油酸酯、聚氧乙烯蓖麻油、烷基聚氧乙烯醚硫酸酯盐、硬脂酸聚氧乙烯酯、聚乙二醇硬脂酸酯和山梨糖醇酐硬脂酸酯等。其中脂肪酸聚氧乙烯酯或脂肪酸酯是具有双功能的油剂组分，既有抗静电功能，又有提高纤维静摩D擦系数的性能，使纤维具有好的集束性。而双酯又能有效降低纤维之间的摩擦系数，使纤维有好的平滑性。重要的商品有Anco Vel EP、Atlasg 1045、Ricinox-20、Sor omin SG等。有机硅酮树脂也能用作平滑剂，还有消泡作用。使用时先将它用乳化剂乳化形成O/W型稳定乳液，然后添加干纤维纺丝过程中。 国产的平滑柔软剂有辛烷基聚氧乙烯醚、山梨糖醇酐硬脂酸单酯、聚氧乙烯硬脂酸木糖醇酯、脂肪醇聚氧乙烯，二硬脂酰胺三乙胺基环氧丙烷季铵氯化物、硬脂酸聚氧乙烯酯、山梨糖醇酐油脂酯和山梨糖醇酐硬脂酸酯聚氧乙烯醚等。 2.1.2集束剂 纺丝时，为防止丝束紊乱，要求油剂对纤维的集束性一定要好。因此需提高μS(F/F)及分子问力，以满足纤维集束性的要求。因此应选择对纤维附着性好、油剂自身凝聚性好的组分。一般采用高级脂肪酸三乙醇胺盐、磺化蓖麻油酯盐、烷基醇酰胺醣类或醚类非离子表面活性剂和甜菜碱型两性表面活性剂。集束性好坏的测定，可将无油的化学纤维在2％的油剂中浸泡5min后取出，悬挂24h，观察在20CN张力下剪断时丝束断面的散开程度。 2.1.3抗静电剂 化学纤维不同于天然纤维，其表面不具有天然油脂，吸湿性和导电性都很差，因此当化学纤维在纺丝和加工过程中，纤维与纤维，纤维与机器部件之间摩擦后会产生静电，由于化学纤维本身的绝缘性很强，不易导电，静电荷很难逸散，当静电积累到一定程度会产生一系列的问题，尤其在温湿度低、纤度细、机器速度快等情况下，静电问题更加突出，诸如丝条发散、丝筒成型不良、毛丝、断头、缠辊、短纤维切断时倍长纤维增多、纺纱厂梳棉时出现云斑，甚至缠罗拉、并条时阻塞喇叭口、针织时出现断头等，因此抗静电性是化纤油荆最重要的性能之一。在油剂中加入抗静电剂，可消除静电的影响。根据产生静电的机理，抗静电剂可分为传导型抗静电剂和抑制型抗静电剂(例如烷基磷酸酯、脂肪醇聚氧乙烯醚)。抗静电剂含量一般在5％～20％。 常用的抗静电剂还有烷基磺酸盐、烷基酚聚氧乙烯醚硫酸酯盐、抗静电剂SN、聚醚、抗静电剂TM等。烷基磷酸酯盐的耐热性好、热挥发性小，用作油剂组分能增加油膜强度、减少磨损、改善梳棉状态，减少缠绕现象。在具体使用时，还要根据纤维的种类和抗静电性的要求，在脂肪酸碳数、中和剂种类的选择上进行筛选。一般低碳醇磷酸酯盐的抗静电性好、平滑性差，而高碳醇磷酸酯盐的抗静电性稍差，但平滑性好。对于变形丝，选用β-烷基磺酸盐(R=C12-C14)，效果较好。 目前开发的新型抗静电剂有：烷基磷酸酯二乙醇胺、脂肪醇聚氧乙烯醚、聚氧乙烯木糖醇单油酸酯、烷基聚氧乙烯醚磷酸酯钠盐、辛烷基酚聚氧乙烯醚、大豆二甲基羟乙基季铵乙基硫酸盐和十八烷基二甲基羟乙基季铵硝酸盐等，其中用得最多的是烷基磷酸酯盐、烷基醚磷酸酯盐和烷基硫酸酯盐，而且往往是单酯和双酯的混合物。它们具有良好的抗静电性和平滑性，而且耐热性好，热挥发性小，可以增加油膜强度。 2.1.4 乳化剂 乳化剂的选择是能否复配出性能优良的油剂的关键。乳化剂应对平滑剂和抗静电剂有良好的乳化和稳定能力。所以要根据所选用的平滑剂和抗静电剂的种类来确定乳化剂类型。选择乳化剂可参考HLB值，并与实践经验相结合。一般要求乳化剂的疏水性与被乳化物要有较好的亲和性，同时还必须保持较大的亲水性，这样才能配制出好的乳液。一般乳化剂多选用非离子表面活性剂，例如司盘(span-60)、吐温(tween-60)等聚醚型表面活性剂，它具有耐热性好，使纤维平滑剂好、不发烟、不凝聚的特点。在高速纺丝和超高速纺丝油剂中使用聚醚，可使纤维在3500～6200m／min的速度下使油剂快速、均匀地铺展在油剂表面。 乳化剂用量一般为30%-50％。 聚醚属非离子表面活性剂范畴，是纺织助剂和化纤油剂的重要组成部分。按聚合方式不同，聚醚分不规则型聚醚和规则型聚醚。聚醚型表面活性剂一般具有好的耐热性，可使纤维平滑剂好、不凝聚、不发烟的特点。在高速纺丝和超高速纺丝油剂中使用聚醚，可使纤维使油剂快速均匀地铺展在油剂表面。 2.1.5平衡调节剂 平衡调节剂是制备稳定乳液不可或缺的一种组分。它可使油剂中各种成分的表面活性剂组分互溶，充分发挥协同效应。通常加入高级脂肪酸、高级脂肪醇、多元醇类等。 |
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