韓春艷，季 軒，李紅芳

(1.中國(guó)石化儀征化纖股份有限公司研究院，江蘇儀征 211900;2.江蘇省高性能纖維重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，江蘇儀征 211900)

化學(xué)纖維上油的目的是在纖維表面形成一層油劑，增加纖維的抱合性、平滑性、抗靜電性等性能，滿足纖維生產(chǎn)及后道加工要求［1］。纖維的上油過(guò)程是油劑乳液潤(rùn)濕纖維表面的過(guò)程，纖維生產(chǎn)過(guò)程中要求油劑對(duì)纖維有很好的潤(rùn)濕性，即要求油劑能迅速均勻地附著在纖維上并能達(dá)到一定的上油率。油劑對(duì)纖維的潤(rùn)濕性能好壞可通過(guò)測(cè)試油劑乳液的表面張力來(lái)表征，當(dāng)油劑乳液的表面張力低于纖維(聚酯)的臨界表面張力時(shí)，油劑乳液才能在纖維的表面均勻鋪展開(kāi)。一般情況下表面張力越低的油劑對(duì)纖維的潤(rùn)濕滲透性越好，上油效果越好［2］。

化纖油劑中對(duì)改善纖維生產(chǎn)及加工性能起主導(dǎo)作用的成分是表面活性劑，其主要作用是降低水溶液的表面張力，對(duì)纖維起到很好的潤(rùn)濕、滲透作用。不同成分的表面活性劑所起的作用不同，用于化纖油劑的表面活性劑一般以復(fù)配形式使用，每一品種的油劑中都含有多種不同組分的表面活性劑［3］。

化學(xué)短纖維由于要經(jīng)過(guò)后道開(kāi)松、梳棉、紡紗等工序，滿足纖維在整個(gè)加工過(guò)程中的抱合性、平滑性、抗靜電性等綜合性能要求，一般還需要將幾種油劑單體按一定的比例復(fù)配成規(guī)定濃度的混合油劑乳液對(duì)纖維進(jìn)行上油。由于不同油劑中各種表面活性劑的化學(xué)組成、分子結(jié)構(gòu)不同，表面活性不同，常溫下油劑呈現(xiàn)的外觀狀態(tài)不同，在水中的溶解、分散性能也不一致，油劑乳液在復(fù)配過(guò)程中一般需要加熱、攪拌使其均勻乳化或溶解，才能配制成均勻的乳液，對(duì)纖維起到較好的潤(rùn)濕、滲透效果。筆者主要從不同品種油劑的配制及幾種油劑的復(fù)配過(guò)程進(jìn)行了試驗(yàn)，從油劑溶液配制濃度、配制溫度、加熱時(shí)間、測(cè)試溫度、油劑的不同配比等條件下表面張力的測(cè)試結(jié)果進(jìn)行了對(duì)比試驗(yàn)研究，通過(guò)表面張力的變化情況反映油劑對(duì)纖維的潤(rùn)濕、上油效果，為化纖生產(chǎn)過(guò)程中油劑乳液的正確調(diào)配、確定最佳配制及上油工藝條件提供參考。

1 儀器及樣品

1.1 試驗(yàn)儀器

JYW－200自動(dòng)表面張力儀，承德鼎盛試驗(yàn)儀器廠;

電子分析天平，精度0.1 mg;

電子恒溫磁力攪拌器，上海特慧實(shí)業(yè)有限公司。

1.2 樣品及試劑

滌綸短纖維油劑;

去離子水;

無(wú)水乙醇，分析醇。

1.3 試驗(yàn)方法

化纖油劑主要是通過(guò)平滑劑、抗靜電劑、乳化劑、穩(wěn)定劑等各種表面活性劑復(fù)配而成的，因此油劑乳液的表面張力測(cè)試參照了表面活性劑的測(cè)試方法GB/T5549－2010《表面活性劑 用拉起液膜法測(cè)定表面張力》［4］。將油劑樣品根據(jù)其有效成分用蒸餾水配成一定濃度的分散均勻的油劑乳液，用無(wú)水乙醇或蒸餾水進(jìn)行儀器校正后測(cè)試出乳液的表面張力F，再利用密度儀測(cè)試出溶液的密度，根據(jù)公式計(jì)算出被測(cè)油劑樣品的實(shí)際表面張力V。

1.4 表面張力測(cè)試原理

將一個(gè)平整的圓環(huán)放入待測(cè)的表面活性劑溶液中，當(dāng)圓環(huán)被向上提出液面時(shí)，會(huì)在圓環(huán)與液面間形成一液膜，此液膜對(duì)圓環(huán)產(chǎn)生一個(gè)垂直向下的力，測(cè)定出拉破圓環(huán)下液膜所需的最小的力，即為該待測(cè)溶液的表面張力F，溶液的實(shí)際表面張力值V(mN/m)應(yīng)根據(jù)測(cè)得的表面張力值乘以校正因子F而得，計(jì)算式為V=p×F，儀器的校正因子F根據(jù)下式計(jì)算而得:

式中:C—鉑金圓環(huán)的周長(zhǎng)，cm;R—鉑金圓環(huán)的平均半徑，cm;r—鉑金絲的半徑，cm;p—測(cè)得表面張力值，mN/m;ρ1—測(cè)試溶液的密度，g/cm3;ρ2—空氣的密度，g/cm3。

從校正因子F的計(jì)算公式可知，表面張力的計(jì)算結(jié)果與鉑金吊環(huán)的半徑R、周長(zhǎng)C、環(huán)的面積等有關(guān)，若張力環(huán)發(fā)生傾斜或不呈圓形，測(cè)試結(jié)果均會(huì)受到影響，因此測(cè)試過(guò)程中應(yīng)保持張力吊環(huán)平整、圓整度好，同時(shí)在液面中呈水平狀態(tài)。

2 結(jié)果與討論

2.1 測(cè)試溫度對(duì)油劑乳液表面張力的影響

溶液的表面張力是指作用于表面單位長(zhǎng)度邊緣上的力，從能量角度講是單位表面的表面自由能［5］，因此液體的表面張力與溫度有關(guān)。圖1為油劑溶液表面張力測(cè)試結(jié)果隨樣品溶液溫度變化的試驗(yàn)結(jié)果。

圖1 表面張力與油劑乳液測(cè)試溫度之間的關(guān)系

從圖1中的測(cè)試結(jié)果可看出，油劑的表面張力值受到乳液測(cè)試溫度的影響較大，溫度越高，表面張力值越小，因此在表面張力測(cè)試過(guò)程中，控制測(cè)試乳液的溫度非常重要，在相同溫度下測(cè)試不同油劑樣品的表面張力才具有可比性。

GB/T5549規(guī)定，表面張力測(cè)試可在20～25℃間任選一溫度點(diǎn)，而儀化公司的原輔料質(zhì)量指標(biāo)則規(guī)定油劑的表面張力均為40℃時(shí)測(cè)試的值。在實(shí)際測(cè)試過(guò)程中，由于測(cè)試儀器難以具備恒溫的條件，若將溶液加熱到40℃后測(cè)試，隨著測(cè)試過(guò)程中溶液溫度的不斷下降，測(cè)試結(jié)果也會(huì)隨之變化，從而影響測(cè)試結(jié)果的穩(wěn)定性、準(zhǔn)確性。因此在實(shí)際測(cè)試過(guò)程中，可以將油劑溶液在恒溫室冷卻到20℃進(jìn)行測(cè)量。對(duì)不同品種的油劑，統(tǒng)一測(cè)試其在20℃時(shí)的乳液表面張力，就可以很好地比較不同品種油劑常溫下對(duì)纖維潤(rùn)濕性能的差異。

2.2 油劑品種及配制濃度對(duì)油劑乳液表面張力的影響

化纖油劑品種較多，每種油劑所含的活性劑成分不同，在使用時(shí)配制的濃度不同，其水溶液的表面張力也就不同，對(duì)纖維的潤(rùn)濕性能也有差異，圖2是3種化纖油劑在不同配制濃度下表面張力的測(cè)試結(jié)果。

從圖2可看出，3種油劑的表面張力隨濃度的變化趨勢(shì)是一致的，在乳液濃度低于0.05%時(shí)，表面張力受濃度的影響非常大，即隨著配制濃度的增加，表面張力急劇下降;而當(dāng)濃度增加到0.05%以上時(shí)，溶液的表面張力隨濃度的變化趨于穩(wěn)定，測(cè)試結(jié)果只與油劑的品種有關(guān)，配制濃度的影響很小。這也表明了化纖油劑主要是通過(guò)多種表面活性劑配制而成的，具有表面活性劑的性質(zhì)，當(dāng)溶液中表面活性劑濃度超過(guò)其臨界膠束濃度時(shí)，油劑中的表面活性劑已達(dá)飽和狀態(tài)，溶液的表面張力隨濃度變化很?。?］。

圖2 化纖油劑乳液濃度與表面張力的關(guān)系

圖2中3種油劑表面張力的測(cè)試結(jié)果相差較大，表明3種油劑中添加的表面活性劑成分不同，對(duì)纖維的潤(rùn)濕性能也存在差異。由于實(shí)際使用中油劑的配制濃度均高于0.05%，因此在進(jìn)行各種油劑表面張力測(cè)試以了解其對(duì)纖維的潤(rùn)濕性能時(shí)，可以按照油劑的實(shí)際使用濃度或按統(tǒng)一規(guī)定的濃度(如1%)進(jìn)行配制，測(cè)試結(jié)果可反映出不同油劑間的表面張力差異。

2.3 配制溫度對(duì)油劑乳液表面張力的影響

不同品種化纖油劑按要求、用途的不同，調(diào)配時(shí)添加的表面活性劑種類不同，油劑呈現(xiàn)出的外觀狀態(tài)也不同，有的呈透明油狀，有的呈膏狀，有的呈水溶液狀，其有效成分各不相同，多數(shù)油劑在常溫下不能較好地乳化或溶解，影響使用效果，因此在油劑乳液配制過(guò)程中，需要加熱使其適當(dāng)溶化才能配制均勻。為了解配制油劑溶液時(shí)，加熱溫度對(duì)其乳化、溶解狀態(tài)及對(duì)表面張力測(cè)試結(jié)果的影響，筆者對(duì)幾種常用短纖油劑進(jìn)行了不同溫度的配制試驗(yàn)。圖3為幾種油劑配制溫度與乳液表面張力之間的關(guān)系圖。

通過(guò)對(duì)幾種油劑在加熱配制過(guò)程中的觀察，發(fā)現(xiàn)在常溫時(shí)，即使進(jìn)行攪拌，油劑也不能完全乳化溶解;隨著加熱溫度的升高，油劑乳液分散均勻性逐漸提高;在充分?jǐn)嚢锠顟B(tài)下，在加熱溫度達(dá)40℃時(shí)，膏狀油劑基本能均勻分散于水中。

從圖3中可看出，在40℃到80℃的不同溫度下加熱攪拌乳液，待乳液充分均勻分散后再冷卻至20℃進(jìn)行表面張力測(cè)試，幾種油劑表面張力的測(cè)試結(jié)果變化很小，表明加熱到40℃以上，并充分?jǐn)嚢瑁拍鼙ＷC油劑乳化、分散均勻，油劑加熱到不同溫度進(jìn)行乳化溶解后再冷卻到20℃，乳化液穩(wěn)定性較好，表面張力的測(cè)試結(jié)果基本不變。

2.4 加熱攪拌時(shí)間對(duì)油劑乳液表面張力的影響

在油劑乳液配制過(guò)程中，需要充分?jǐn)嚢璨拍苁怪瑺?、膏狀油劑均勻分散于蒸餾水中，從而形成穩(wěn)定的分散液，以保證纖維上油的均勻性。筆者在對(duì)幾種油劑的配制過(guò)程中發(fā)現(xiàn)，加熱攪拌至少需要5 min，油劑才能基本乳化分散均勻。圖4為在加熱到50℃時(shí)，不同攪拌時(shí)間下配制的油劑乳液冷卻至20℃后的表面張力測(cè)試結(jié)果。

從圖4的試驗(yàn)結(jié)果中可看出，加熱攪拌時(shí)間從5 min開(kāi)始，隨加熱攪拌時(shí)間延長(zhǎng)，幾種油劑的表面張力測(cè)試結(jié)果均略有下降，當(dāng)加熱時(shí)間達(dá)到15 min后，測(cè)試結(jié)果基本穩(wěn)定。目測(cè)配制的溶液狀態(tài)，隨著攪拌時(shí)間延長(zhǎng)，油劑逐漸乳化分散或溶解于水中，當(dāng)油劑形成均勻穩(wěn)定的分散乳化液或溶液時(shí)，其性能趨于穩(wěn)定，不再變化，冷卻到20℃測(cè)試其表面張力也基本穩(wěn)定。

圖4 加熱時(shí)間對(duì)油劑表面張力的影響

實(shí)驗(yàn)室配制乳液時(shí)，由于配制量較小，可使用磁力攪拌器，加熱攪拌15 min左右即可達(dá)到均勻穩(wěn)定的狀態(tài)。而在工廠的生產(chǎn)中，一次配制的油劑量大，配制罐體積也大，不容易攪拌均勻，因此需相應(yīng)延長(zhǎng)攪拌配制時(shí)間，以達(dá)到均勻穩(wěn)定、保證上油的目的。

2.5 不同配比對(duì)油劑乳液表面張力的影響

短纖維油劑使用時(shí)，需要將幾種油劑單體按一定比例復(fù)配成混合乳液后才能對(duì)纖維進(jìn)行上油，由于不同油劑單體的表面張力不同，且有的油劑呈粘稠的膏狀，從油劑桶往配制罐中抽取時(shí)容易造成質(zhì)量的波動(dòng)，因此復(fù)配過(guò)程中若配比不同則乳液的表面張力會(huì)發(fā)生變化，對(duì)纖維的上油效果及對(duì)纖維的質(zhì)量、后加工性能均會(huì)造成影響。圖5是對(duì)一種短纖維油劑的3種單體 DX4#、DX6#、DX7#(在20℃時(shí) 3 種油劑表面張力分別為 49.7，31.3，26.8 mN/m)按不同配比配制成乳液后表面張力的測(cè)試結(jié)果。圖6為持續(xù)5天對(duì)某生產(chǎn)中心3種油劑復(fù)配的油劑乳液跟蹤取樣后進(jìn)行表面張力測(cè)試的結(jié)果。

圖5 油劑不同配比對(duì)表面張力的影響

圖6 不同時(shí)間配制的油劑表面張力變化情況

由于3種油劑的表面張力相差較大，因此，圖5中配制比例不同時(shí)復(fù)配的油劑乳液的表面張力會(huì)發(fā)生較大的波動(dòng)，由于目前短纖后紡第二油劑上油時(shí)油劑的溫度較低，油劑溶液表面張力變化范圍大則對(duì)纖維的潤(rùn)濕性能有較大影響。從圖6中也可看出，在纖維生產(chǎn)中油劑調(diào)配崗位上每天實(shí)際配制的油劑乳液表面張力存在一定的波動(dòng)，表明油劑配制過(guò)程中3種組分之間的配比有一定波動(dòng)。由于3種油劑單體組分、性質(zhì)不同，對(duì)纖維所起的摩擦性能、抗靜電性能等方面的作用各不相同，因此對(duì)同品種纖維，應(yīng)盡量保證一段時(shí)間內(nèi)油劑配制過(guò)程中各組分配比的穩(wěn)定，才能保證油劑乳液的質(zhì)量穩(wěn)定及上油纖維的質(zhì)量穩(wěn)定。另一方面，可以根據(jù)不同季節(jié)、不同地區(qū)、不同用戶對(duì)纖維的不同加工要求結(jié)合各油劑單體的性能特點(diǎn)，適當(dāng)調(diào)整配比，改善油劑乳液的性能，改進(jìn)上油纖維的質(zhì)量特性，滿足不同纖維后加工的需求。

2.6 加熱溫度對(duì)不同油劑乳液表面張力的影響

纖維的上油是通過(guò)油劑乳液對(duì)纖維的逐漸潤(rùn)濕、滲透來(lái)實(shí)現(xiàn)的，而且潤(rùn)濕力可以通過(guò)表面張力來(lái)反映，一般情況下，表面張力越低，其對(duì)纖維的潤(rùn)濕能力越好。由2.1的試驗(yàn)可知，油劑乳液的表面張力隨乳液溫度的提高而逐漸下降，也就意味著溫度越高，其潤(rùn)濕能力越好，對(duì)纖維的上油效果越好。

為了比較溫度對(duì)不同品種油劑上油效果的影響，筆者對(duì)幾種常用短纖油劑的表面張力受溫度變化的情況進(jìn)行了測(cè)試對(duì)比，圖7為不同品種油劑表面張力隨溫度變化的情況。

圖7 不同品種油劑表面張力與溫度的關(guān)系

從圖7中的測(cè)試結(jié)果可看出，常溫下不同品種油劑溶液的表面張力相差很大，各品種油劑乳液的表面張力值均隨測(cè)試液溫度的上升而逐漸下降，雖然不同品種油劑表面張力受溫度變化的影響不同，但隨著乳液溫度的升高，不同品種油劑間的表面張力差異逐漸減小，溫度達(dá)65℃時(shí)各品種油劑的表面張力均下降到30 mN/m以下，數(shù)值趨于穩(wěn)定，且各種油劑表面張力值基本接近，表明各品種油劑的潤(rùn)濕性能基本相近，并達(dá)到對(duì)纖維的最佳潤(rùn)濕狀態(tài)。

因此，在纖維生產(chǎn)過(guò)程中對(duì)油劑乳液進(jìn)行配制時(shí)，宜將溫度升到65℃以上并對(duì)油劑充分?jǐn)嚢瑁榛稚⒕鶆蚝?，?jīng)管道輸送到纖維上油端，并保持溫度在65℃以上，方能有利于各種油劑對(duì)纖維的快速潤(rùn)濕，以提高油劑利用率，保證上油效果。

3 結(jié)論

a)油劑的表面張力受測(cè)試溫度的影響較大，對(duì)不具備恒溫條件的測(cè)試儀器，應(yīng)在常溫下某一恒定溫度時(shí)進(jìn)行表面張力測(cè)試，才能保證測(cè)試結(jié)果的穩(wěn)定性，并可以比較不同品種的油劑在常溫下表面張力間的差異;

b)油劑配制濃度達(dá)0.05%以上時(shí)，表面張力測(cè)試結(jié)果只與油劑品種有關(guān)，基本不受配制濃度影響;

c)生產(chǎn)中進(jìn)行油劑配制時(shí)，應(yīng)經(jīng)過(guò)充分加熱和攪拌，使油劑乳液達(dá)到完全乳化、分散均勻，才能保證油劑溶液的均勻穩(wěn)定性，但對(duì)已經(jīng)乳化溶解充分的油劑溶液再提高加熱溫度或延長(zhǎng)攪拌時(shí)間，溶液冷卻后的穩(wěn)定性及表面張力測(cè)試結(jié)果基本不變;

d)從復(fù)配的油劑溶液表面張力變化可反映出幾種油劑單體間的配比發(fā)生波動(dòng)的情況。由于各油劑單體的活性劑組分、性質(zhì)不同，對(duì)纖維所起的作用也各不相同，對(duì)同品種纖維，應(yīng)盡量保證油劑配制過(guò)程中各組分配比的穩(wěn)定，才能保證油劑乳液的質(zhì)量穩(wěn)定性及上油纖維的質(zhì)量穩(wěn)定;

e)雖然常溫下不同品種油劑溶液的表面張力不同，對(duì)纖維的潤(rùn)濕性能差異較大，但溫度提高到65℃以上后，各種油劑的表面張力降到最低且數(shù)值相近，潤(rùn)濕性能相當(dāng)，因此保證纖維上油溫度在65℃以上，有利于各種油劑對(duì)纖維的快速潤(rùn)濕、上油，提高上油效果。

［1］ 天津市輕工業(yè)化學(xué)研究所.合成纖維油劑［M］.北京:紡織工業(yè)出版社，1980:1.

［2］ 天津市輕工業(yè)化學(xué)研究所.合成纖維油劑［M］.北京:紡織工業(yè)出版社，1980:24.

［3］ 任華明，李德綿.實(shí)用化學(xué)纖維油劑［M］.北京:紡織工業(yè)出版社，1993:1－4.

［4］ 莊永斌等.中華人民共和國(guó)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)GB/T5549－2010，表面活性劑用拉起液膜法測(cè)定表面張力［M］.北京:中國(guó)標(biāo)準(zhǔn)出版社，2011:1 －3.

［5］ 王世榮，李祥高，劉東志，等.表面活性劑化學(xué)［M］.北京:化學(xué)工業(yè)出版社，2011:9.

［6］ 陸大年.表面活性劑化學(xué)及紡織助劑［M］.北京:中國(guó)紡織出版社，2009:24.