滌綸POY油劑配方與性能的構效關系

盧書輝，王小花，喻德峰

(浙江傳化化學品有限公司，浙江 杭州 311215)

滌綸預取向絲-彈力絲(POY-DTY)紡絲工藝先是通過高速紡絲工藝制備POY，再經過假捻變形法對伸直狀態的POY進行卷曲、螺旋或環圈等形態加工，從而改善長絲應用性能的過程[1-2]。但在滌綸POY-DTY加工過程中，由于POY的紡絲速度達到2 500～3 500 m/min，絲束與導絲器組件之間高速摩擦，易產生纖維磨損和靜電現象；且在假捻變形加工時，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油劑對絲條進行保護，保證紡絲過程的順利進行。POY油劑是由多種功能性物質經過復配而成，物質的種類、結構和配比決定了POY油劑的最終性能，而在配方開發過程中，往往單一物質的調整會引起多個性能的變化，因此需要對油劑配方的各項性能進行平衡調節，進而滿足紡絲工藝的性能要求[3-4]。

1 POY紡絲工藝節點對油劑的要求

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結構緊湊，降低紡絲機高度，還可以將上油裝置密閉，防止油劑腐敗和污染[5]。對于長絲加工而言，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穩定[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，長絲與導絲器組件會產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[7]。纖維與導絲器組件的摩擦屬于纖維與陶瓷之間的摩擦，包括油嘴、導絲鉤和預網絡器等接觸部位，是產生絲條損傷的主要原因。另外，絲束在經過紡絲甬道時，易與空氣摩擦產生靜電，引起紡絲張力波動，造成毛絲、斷絲等問題。通過提高油劑的平滑性，可降低纖維與導絲器組件之間的動摩擦系數(μd)，減少絲條磨損；同時可賦予油劑良好的抗靜電性和集束性，促進靜電消除和加強絲條的抱合性，提高紡絲張力的穩定性[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、疊圈等現象，不僅會影響POY絲條的性能和造成絲餅在運輸過程中的塌邊，而且會影響拉伸變形過程中POY原絲的退繞性、假捻張力穩定性和拉伸變形絲的染色均勻性，造成后加工過程出現毛絲、斷頭、強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[7,9]。另外，纖維與導絲器組件之間的μd不穩定也會造成卷繞張力的波動，而卷繞張力波動是產生跳紗和中隆的原因之一。因此POY油劑需要賦予纖維與導絲器之間在特定的卷繞張力條件下穩定的摩擦性能。利用POY油劑適當提高纖維與纖維之間的靜摩擦系數(μs)可以增強纖維的集束性，這也是有效避免卷繞成型不良現象出現的一種方法。

2 POY-DTY加彈工藝節點對油劑的要求

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，對滌綸POY長絲進行卷曲、螺旋或環圈等熱變形，改善長絲束的形態和結構，提高其觸覺上的舒適性和視覺上的美感的過程。絲束經過第一熱箱過程中，附著于纖維表面上的紡絲油劑在受熱分解后揮發，形成煙霧；同時，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、冷卻物等會慢慢集聚在加熱器上，經過長期的熱分解再聚合過程形成結焦物而污染加熱器[1]。發煙現象會導致現場工作環境惡化，長期接觸會影響操作工人的身體健康；而熱板結焦問題會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發生變化，結焦嚴重還會導致解捻張力波動引起毛絲和斷頭現象[4]。為更好的解決發煙和熱板污染問題，所選用的POY油劑要在短時間加熱時分解揮發量少，長時間使用時分解殘渣少，且避免形成固狀結焦，產生的結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轉使絲條轉動，每轉動一圈，絲條就加上一個捻，而在握持點前后加上兩個相反的捻，以此將握持點以前加的捻全部解開，達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還受到旋轉剪切力，造成纖維損傷，產生白粉問題。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度，保護絲條不受損傷，減少白粉產生，保證滌綸DTY的品質[8,10]。

3 油劑配方組分與性能的構效關系

根據上述對POY-DTY加工工藝的分析，附著在長絲上的POY油劑除了需要達到基本的平滑性、集束性、抗靜電性以外，還要具有優良的界面特性以保證上油均勻性，較好的熱穩定性和抗結焦性能，保證高速紡絲工藝過程的穩定進行[11]。油劑是由不同結構的平滑劑、潤濕劑、集束劑、抗靜電劑和邊界潤滑劑等原料組分復配而成，因此原料的選擇決定了產品的最終性能，而單一原料的使用可能會導致油劑兩種或多種性能的變化，這就需要對油劑組分和性能的構效關系進行平衡，以達到最優的使用效果。POY油劑配方通常以耐熱性能優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生。因此研究上述油劑所用原料組分的結構與油劑性能的構效關系，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。

以環氧乙烷(EO)和環氧丙烷(PO)聚合而成的聚醚具有黏溫性能好、耐高溫和發煙少等優點，被作為POY油劑的平滑劑使用。此類聚醚多是以EO、PO為擴鏈劑，脂肪醇為起始劑進行聚合反應，根據加成方式可分為無規聚醚和嵌段聚醚[4,13-14]。其中，無規聚醚由于EO/PO呈現交替分布，可降低分子間氫鍵作用力，具有較高的黏度指數，表現出良好的平滑性；而嵌段聚醚由于連續EO鏈段的存在，有利于氫鍵的形成，增強絲束的抱合性和油膜的耐剪切性，對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，長碳鏈聚醚因為具有類似礦物油的長烷基鏈，可賦予聚醚更好的平滑性，但碳鏈增長會影響潤濕劑性能的體現。

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構改變，能夠任意調節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脂肪醇結構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，且長直鏈結構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，表現出良好的凍融穩定性，且隨著支鏈化程度的提高潤濕性能明顯增強。但由于支鏈脂肪醇聚氧乙烯醚較高的價格，實際應用中往往是上述兩種表面活性劑的復配使用，以達到使用需求。

3.3 抗靜電劑

滌綸吸濕性小、導電性差，纖維加工過程中會因摩擦作用而產生負電性的靜電，使絲條松散，導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，提高纖維表面的導電性來消除摩擦產生的靜電[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，具有對纖維極強的吸附力，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構的關系較大，一是對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；二是對于脂肪醇聚氧乙烯醚磷酸酯鹽，EO比例越高，親水能力越強，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出和消除，但高溫條件下抗靜電劑也容易發生分解、沉積，形成熱箱結焦物[5,10]。初步研究表明，磷酸酯鹽的結焦物多為均勻黏性液態，對絲條損傷較小，而磺酸酯鹽結焦物多為脆性固態，易造成毛絲、斷絲和染色等問題，但磷酸酯鹽的結焦殘留率遠高于磺酸酯鹽[15]。因此在滿足纖維抗靜電效果的情況下，應控制抗靜電劑的加入量和選擇合適的抗靜電劑種類，減少結焦物的產生和硬結焦物的出現。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，避免絲束發散影響纖維的性能。POY油劑對纖維集束性的影響，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，且能夠滲透進絲束內部[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于氧與氫，能夠有效增強油劑分子間作用力，表現出優于含氧類物質的集束性能，且此類物質多帶有正電性，能較好的吸附在帶負電的纖維表面[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，增強油劑的內聚力，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，纖維會受到較強的摩擦力和剪切力作用，易造成油膜破裂損傷絲條，因此在加強油膜耐剪切性的同時，也需要對纖維進行邊界保護，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，均有利于增強油膜強度。由于纖維表面呈電負性，加入帶正電性物質如聚醚等，可使其在纖維表面形成穩定的吸附層，牢固的吸附在纖維表面上，起到增強邊界保護的作用。

4 結語

滌綸POY-DTY紡絲工藝中，POY油劑對紡絲過程的順利進行起到決定性作用。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良的性能，是通過對油劑配方的各個功能性組分進行篩選和平衡來實現的。目前，POY油劑正向著多功能性、寬適用性方向發展，豐富油劑原料的種類和對原料結構進行研究有助于改善和提升POY油劑的綜合性能。