盧書輝，王小花，喻德峰

(浙江傳化化學(xué)品有限公司，浙江 杭州 311215)

滌綸預(yù)取向絲-彈力絲(POY-DTY)紡絲工藝先是通過高速紡絲工藝制備POY，再經(jīng)過假捻變形法對(duì)伸直狀態(tài)的POY進(jìn)行卷曲、螺旋或環(huán)圈等形態(tài)加工，從而改善長絲應(yīng)用性能的過程[1-2]。但在滌綸POY-DTY加工過程中，由于POY的紡絲速度達(dá)到2 500～3 500 m/min，絲束與導(dǎo)絲器組件之間高速摩擦，易產(chǎn)生纖維磨損和靜電現(xiàn)象；且在假捻變形加工時(shí)，絲條需要在200～220 °C的熱箱中拉伸變形，并受到假捻摩擦盤的高速剪切作用。因此，在滌綸POY-DTY加工過程中，需要使用POY油劑對(duì)絲條進(jìn)行保護(hù)，保證紡絲過程的順利進(jìn)行。POY油劑是由多種功能性物質(zhì)經(jīng)過復(fù)配而成，物質(zhì)的種類、結(jié)構(gòu)和配比決定了POY油劑的最終性能，而在配方開發(fā)過程中，往往單一物質(zhì)的調(diào)整會(huì)引起多個(gè)性能的變化，因此需要對(duì)油劑配方的各項(xiàng)性能進(jìn)行平衡調(diào)節(jié)，進(jìn)而滿足紡絲工藝的性能要求[3-4]。

1 POY紡絲工藝節(jié)點(diǎn)對(duì)油劑的要求

1.1 上油

滌綸POY高速紡絲大都采用油嘴噴射上油，這種上油方式既有利于使上油系統(tǒng)結(jié)構(gòu)緊湊，降低紡絲機(jī)高度，還可以將上油裝置密閉，防止油劑腐敗和污染[5]。對(duì)于長絲加工而言，選用油嘴上油方式能有效提高滌綸長絲的集束性、上油均勻性及保持上油率的連續(xù)穩(wěn)定[2,6]。油嘴上油要求所用的POY油劑具有良好的潤濕性、滲透性和乳液均勻性，能夠保證上油瞬間油劑能夠快速、均勻的附著在纖維上。

1.2 導(dǎo)絲和甬道

滌綸POY紡絲速度一般在2 500～3 500 m/min，在高紡絲速度下，長絲與導(dǎo)絲器組件會(huì)產(chǎn)生較大的摩擦力和靜電，引起紡絲張力增大，造成絲條損傷，影響后道加工和長絲品質(zhì)[7]。纖維與導(dǎo)絲器組件的摩擦屬于纖維與陶瓷之間的摩擦，包括油嘴、導(dǎo)絲鉤和預(yù)網(wǎng)絡(luò)器等接觸部位，是產(chǎn)生絲條損傷的主要原因。另外，絲束在經(jīng)過紡絲甬道時(shí)，易與空氣摩擦產(chǎn)生靜電，引起紡絲張力波動(dòng)，造成毛絲、斷絲等問題。通過提高油劑的平滑性，可降低纖維與導(dǎo)絲器組件之間的動(dòng)摩擦系數(shù)(μd)，減少絲條磨損；同時(shí)可賦予油劑良好的抗靜電性和集束性，促進(jìn)靜電消除和加強(qiáng)絲條的抱合性，提高紡絲張力的穩(wěn)定性[8]。

1.3 卷繞成型

滌綸POY絲餅卷繞成型不佳，包括中隆、邊高、跳紗、疊圈等現(xiàn)象，不僅會(huì)影響POY絲條的性能和造成絲餅在運(yùn)輸過程中的塌邊，而且會(huì)影響拉伸變形過程中POY原絲的退繞性、假捻張力穩(wěn)定性和拉伸變形絲的染色均勻性，造成后加工過程出現(xiàn)毛絲、斷頭、強(qiáng)度和伸長不均勻等問題。卷繞成型不佳除了受紡絲張力和卷繞張力的影響外，還與POY油劑的上油率、油劑均勻性及集束性有關(guān)[7,9]。另外，纖維與導(dǎo)絲器組件之間的μd不穩(wěn)定也會(huì)造成卷繞張力的波動(dòng)，而卷繞張力波動(dòng)是產(chǎn)生跳紗和中隆的原因之一。因此POY油劑需要賦予纖維與導(dǎo)絲器之間在特定的卷繞張力條件下穩(wěn)定的摩擦性能。利用POY油劑適當(dāng)提高纖維與纖維之間的靜摩擦系數(shù)(μs)可以增強(qiáng)纖維的集束性，這也是有效避免卷繞成型不良現(xiàn)象出現(xiàn)的一種方法。

2 POY-DTY加彈工藝節(jié)點(diǎn)對(duì)油劑的要求

2.1 第一熱箱加熱

假捻變形工藝是在200～220 °C的高溫條件下，對(duì)滌綸POY長絲進(jìn)行卷曲、螺旋或環(huán)圈等熱變形，改善長絲束的形態(tài)和結(jié)構(gòu)，提高其觸覺上的舒適性和視覺上的美感的過程。絲束經(jīng)過第一熱箱過程中，附著于纖維表面上的紡絲油劑在受熱分解后揮發(fā)，形成煙霧；同時(shí)，隨著加工周期的延長，在高速假捻過程中，纖維上的部分油劑、冷卻物等會(huì)慢慢集聚在加熱器上，經(jīng)過長期的熱分解再聚合過程形成結(jié)焦物而污染加熱器[1]。發(fā)煙現(xiàn)象會(huì)導(dǎo)致現(xiàn)場工作環(huán)境惡化，長期接觸會(huì)影響操作工人的身體健康；而熱板結(jié)焦問題會(huì)降低熱板的熱傳遞及傳熱均勻性，使纖維受熱不均勻而引起物理性質(zhì)發(fā)生變化，結(jié)焦嚴(yán)重還會(huì)導(dǎo)致解捻張力波動(dòng)引起毛絲和斷頭現(xiàn)象[4]。為更好的解決發(fā)煙和熱板污染問題，所選用的POY油劑要在短時(shí)間加熱時(shí)分解揮發(fā)量少，長時(shí)間使用時(shí)分解殘?jiān)?，且避免形成固狀結(jié)焦，產(chǎn)生的結(jié)焦物要具有良好的可洗性。

2.2 假捻

假捻過程是將絲條的一端固定，握持住另一端，利用摩擦盤的高速運(yùn)轉(zhuǎn)使絲條轉(zhuǎn)動(dòng)，每轉(zhuǎn)動(dòng)一圈，絲條就加上一個(gè)捻，而在握持點(diǎn)前后加上兩個(gè)相反的捻，以此將握持點(diǎn)以前加的捻全部解開，達(dá)到先加捻后解捻的加工效果[2]。由于在加捻過程中，需要保證摩擦盤扭力在絲條上的充分傳遞，導(dǎo)致絲條與摩擦盤接觸部位的摩擦劇烈，絲條在受摩擦力的同時(shí)還受到旋轉(zhuǎn)剪切力，造成纖維損傷，產(chǎn)生白粉問題。白粉在摩擦盤上的長期堆積，造成加捻不足、解捻張力波動(dòng)和清洗麻煩等問題。這就要求包覆在絲條表面的POY油劑，既要有一定的抗剪切力，以保證扭力在摩擦盤和絲條上的傳遞，又要有較高的油膜強(qiáng)度，保護(hù)絲條不受損傷，減少白粉產(chǎn)生，保證滌綸DTY的品質(zhì)[8,10]。

3 油劑配方組分與性能的構(gòu)效關(guān)系

根據(jù)上述對(duì)POY-DTY加工工藝的分析，附著在長絲上的POY油劑除了需要達(dá)到基本的平滑性、集束性、抗靜電性以外，還要具有優(yōu)良的界面特性以保證上油均勻性，較好的熱穩(wěn)定性和抗結(jié)焦性能，保證高速紡絲工藝過程的穩(wěn)定進(jìn)行[11]。油劑是由不同結(jié)構(gòu)的平滑劑、潤濕劑、集束劑、抗靜電劑和邊界潤滑劑等原料組分復(fù)配而成，因此原料的選擇決定了產(chǎn)品的最終性能，而單一原料的使用可能會(huì)導(dǎo)致油劑兩種或多種性能的變化，這就需要對(duì)油劑組分和性能的構(gòu)效關(guān)系進(jìn)行平衡，以達(dá)到最優(yōu)的使用效果。POY油劑配方通常以耐熱性能優(yōu)異的聚醚為平滑劑成分，具有低表面張力的潤濕劑改善油劑的界面特性，添加抗靜電劑促進(jìn)靜電消除，并通過集束劑和邊界潤滑劑的加入提高絲束的抱合性和耐磨性，降低絲條損傷和白粉的產(chǎn)生。因此研究上述油劑所用原料組分的結(jié)構(gòu)與油劑性能的構(gòu)效關(guān)系，有利于油劑配方綜合性能的提升[12]。

3.1 平滑劑

POY油劑中的平滑劑能夠賦予纖維與導(dǎo)絲器組件之間、纖維與金屬之間較小的μd，以減少纖維摩擦損傷，又可保持纖維與纖維之間適宜的μs，有利于卷繞成型和退繞性能。部分聚醚性能見表1。

以環(huán)氧乙烷(EO)和環(huán)氧丙烷(PO)聚合而成的聚醚具有黏溫性能好、耐高溫和發(fā)煙少等優(yōu)點(diǎn)，被作為POY油劑的平滑劑使用。此類聚醚多是以EO、PO為擴(kuò)鏈劑，脂肪醇為起始劑進(jìn)行聚合反應(yīng)，根據(jù)加成方式可分為無規(guī)聚醚和嵌段聚醚[4,13-14]。其中，無規(guī)聚醚由于EO/PO呈現(xiàn)交替分布，可降低分子間氫鍵作用力，具有較高的黏度指數(shù)，表現(xiàn)出良好的平滑性；而嵌段聚醚由于連續(xù)EO鏈段的存在，有利于氫鍵的形成，增強(qiáng)絲束的抱合性和油膜的耐剪切性，對(duì)靜電消除也有一定的作用。在POY油劑中，平滑劑既可以選用長碳鏈聚醚，也可以選擇短碳鏈聚醚，長碳鏈聚醚因?yàn)榫哂蓄愃频V物油的長烷基鏈，可賦予聚醚更好的平滑性，但碳鏈增長會(huì)影響潤濕劑性能的體現(xiàn)。

3.2 潤濕劑

潤濕劑的性能決定了POY油劑在纖維表面的潤濕、鋪展、滲透和擴(kuò)散速度，保證高速紡絲過程中油劑能在絲上極快的均勻附著[1]。POY油劑所用的潤濕劑主要是非離子表面活性劑，它在水溶液中有較高的穩(wěn)定性和相溶性，能與離子型表面活性劑混合使用，且通過聚氧乙烯鏈段長度和脂肪醇結(jié)構(gòu)改變，能夠任意調(diào)節(jié)表面活性劑的親水親油平衡值(HLB值)，滿足油劑的不同乳化要求[14]。非離子表面活性劑根據(jù)脂肪醇結(jié)構(gòu)不同通常包括直鏈脂肪醇聚氧乙烯醚、支鏈脂肪醇聚氧乙烯醚兩種類型。其中，直鏈脂肪醇聚氧乙烯醚具有良好的潤濕鋪展性，且長直鏈結(jié)構(gòu)有利于提高油劑的平滑性，但其滲透性不佳；支鏈脂肪醇聚氧乙烯醚不僅兼具良好的潤濕性、鋪展性和滲透性，還能降低油劑的傾點(diǎn)，表現(xiàn)出良好的凍融穩(wěn)定性，且隨著支鏈化程度的提高潤濕性能明顯增強(qiáng)。但由于支鏈脂肪醇聚氧乙烯醚較高的價(jià)格，實(shí)際應(yīng)用中往往是上述兩種表面活性劑的復(fù)配使用，以達(dá)到使用需求。

3.3 抗靜電劑

滌綸吸濕性小、導(dǎo)電性差，纖維加工過程中會(huì)因摩擦作用而產(chǎn)生負(fù)電性的靜電，使絲條松散，導(dǎo)致纖維加工性能的改變。所以在油劑配方中需要加入一定量的抗靜電劑，提高纖維表面的導(dǎo)電性來消除摩擦產(chǎn)生的靜電[15]。滌綸POY油劑用抗靜電劑主要分為陰離子型抗靜電劑和陽離子型抗靜電劑，陰離子型抗靜電劑包括脂肪醇磷酸酯鹽、脂肪醇聚氧乙烯醚磷酸酯鹽、脂肪醇磺酸酯鹽和脂肪醇磷酸酯鹽聚氧乙烯醚等，陽離子型抗靜電劑主要是氧化胺類和季銨鹽類。其中，陽離子型抗靜電劑與纖維表面電荷電性相反，具有對(duì)纖維極強(qiáng)的吸附力，展示出最佳的抗靜電效果，且其在低濕條件下仍有較好的抗靜電性能。陰離子型抗靜電劑性能與結(jié)構(gòu)的關(guān)系較大，一是對(duì)于脂肪醇磷酸酯鹽和脂肪醇磺酸酯鹽，碳鏈越長抗靜電效果越弱；二是對(duì)于脂肪醇聚氧乙烯醚磷酸酯鹽，EO比例越高，親水能力越強(qiáng)，有利于靜電的疏散，提升抗靜電性能。此外，聚醚和非離子表面活性劑也具有一定的抗靜電性[4]。

抗靜電劑能夠明顯的提升纖維加工過程的靜電導(dǎo)出和消除，但高溫條件下抗靜電劑也容易發(fā)生分解、沉積，形成熱箱結(jié)焦物[5,10]。初步研究表明，磷酸酯鹽的結(jié)焦物多為均勻黏性液態(tài)，對(duì)絲條損傷較小，而磺酸酯鹽結(jié)焦物多為脆性固態(tài)，易造成毛絲、斷絲和染色等問題，但磷酸酯鹽的結(jié)焦殘留率遠(yuǎn)高于磺酸酯鹽[15]。因此在滿足纖維抗靜電效果的情況下，應(yīng)控制抗靜電劑的加入量和選擇合適的抗靜電劑種類，減少結(jié)焦物的產(chǎn)生和硬結(jié)焦物的出現(xiàn)。部分抗靜電劑的性能見表2。

3.4 集束劑

紡絲過程中，要求絲束具有良好的集束性，避免絲束發(fā)散影響纖維的性能。POY油劑對(duì)纖維集束性的影響，一方面要求油劑在纖維表面附著性好，另一方面要求油劑自身具有較好的凝聚力，且能夠滲透進(jìn)絲束內(nèi)部[14]。目前常用的幾種集束劑包括硫酸化蓖麻油、油酸三乙醇胺鹽、椰子油脂肪酸二乙醇酰胺(6501)和甜菜堿型兩性表面活性劑等，丙三醇、非離子表面活性劑和聚醚等醇類也能起到一定的集束作用[12]。研究表明，由于氮與氫形成氫鍵的鍵能強(qiáng)于氧與氫，能夠有效增強(qiáng)油劑分子間作用力，表現(xiàn)出優(yōu)于含氧類物質(zhì)的集束性能，且此類物質(zhì)多帶有正電性，能較好的吸附在帶負(fù)電的纖維表面[12]。例如加入極少量的油酸三乙醇胺鹽，就可以起到很好的集束效果。通過提高聚醚的分子量或加入高黏度物質(zhì)，增強(qiáng)油劑的內(nèi)聚力，也可以提升纖維集束性。

3.5 邊界潤滑劑

POY紡絲和加彈過程中，纖維會(huì)受到較強(qiáng)的摩擦力和剪切力作用，易造成油膜破裂損傷絲條，因此在加強(qiáng)油膜耐剪切性的同時(shí)，也需要對(duì)纖維進(jìn)行邊界保護(hù)，加入適量的邊界潤滑劑[10,14]。纖維常用的邊界潤滑劑主要是高分子量的聚醚，其中封端烷基鏈的增長和PO比例的提高，均有利于增強(qiáng)油膜強(qiáng)度。由于纖維表面呈電負(fù)性，加入帶正電性物質(zhì)如聚醚等，可使其在纖維表面形成穩(wěn)定的吸附層，牢固的吸附在纖維表面上，起到增強(qiáng)邊界保護(hù)的作用。

4 結(jié)語

滌綸POY-DTY紡絲工藝中，POY油劑對(duì)紡絲過程的順利進(jìn)行起到?jīng)Q定性作用。POY油劑之所以能夠兼具平滑性、潤濕性、集束性和抗靜電性等一系列優(yōu)良的性能，是通過對(duì)油劑配方的各個(gè)功能性組分進(jìn)行篩選和平衡來實(shí)現(xiàn)的。目前，POY油劑正向著多功能性、寬適用性方向發(fā)展，豐富油劑原料的種類和對(duì)原料結(jié)構(gòu)進(jìn)行研究有助于改善和提升POY油劑的綜合性能。