含油率對滌綸短纖維性能影響的研究

張江海，茅志清，王金明

（1.中石化股份天津分公司化工部，天津 300271；2.浙江錦華新材料股份有限公司，浙江 衢州；3.浙江巨化技術(shù)中心有限公司，浙江 衢州）

滌綸（PET），又稱聚酯纖維，是一種合成纖維，由有機(jī)二元酸和二元醇縮聚而成的聚酯再經(jīng)紡絲所得。自問世以來，滌綸纖維就得到了長足發(fā)展和廣泛應(yīng)用，尤其是隨著石油工業(yè)的發(fā)展，目前已經(jīng)成為合成纖維的第1大品種。滌綸纖維的主要特點是具備優(yōu)良的抗皺性和保形性，具有較高的強(qiáng)度與彈性恢復(fù)能力。根據(jù)纖維的長度不同，滌綸纖維又有長纖維和短纖維的區(qū)分，滌綸短纖維的產(chǎn)能約為滌綸纖維總產(chǎn)能的1/4左右，是滌綸纖維的重要組成部分，近些年保持持續(xù)增量中。

作為合成纖維，滌綸也具有一定的缺點。如纖維表面規(guī)整性不好、摩擦特性不均勻、吸濕性差、抗靜電性差等。為彌補(bǔ)纖維的這一缺點，需要在纖維的紡絲過程中在其表面施覆一種功能性的處理劑，以調(diào)節(jié)纖維表面摩擦系數(shù)、增強(qiáng)纖維抗靜電性能，起到天然纖維如棉花表面的蠟、羊毛表面的羊毛脂的作用，使纖維能夠順利通過紡絲和織造的相關(guān)工序。這種應(yīng)用于纖維表面的功能性處理劑稱為化纖油劑，纖維施覆油劑后會在其表面形成一層油膜，從而賦予纖維必要的性能[1]。

化纖油劑種類很多，功能性特點各不相同，經(jīng)過處理的纖維會隨油劑類型的不同體現(xiàn)出不同的性能特點。同一種化纖油劑在纖維表面的上油量不同，也會造成纖維性能上的差異。例如，當(dāng)滌綸短纖維的含油量較小時，纖維的抗靜電性變差、抱合力不足，在低溫低濕條件下，短纖維紡紗困難，往往會伴有飛花、纏輥、棉網(wǎng)破洞、棉條蓬松等一系列問題。當(dāng)滌綸短纖維的含油量較大時，靜電問題減少，但容易引起高溫高濕條件下纖維發(fā)黏，多余油劑向加工設(shè)備轉(zhuǎn)移，吸附白粉、雜質(zhì)等形成黏著物，黏著物吸附在膠輥或設(shè)備零部件上影響紡紗加工的正常進(jìn)行。

本研究通過模擬纖維上油工藝，獲得不同含油率下的滌綸短纖維，通過檢測短纖維的表面特征、抗靜電性、摩擦系數(shù)、抱合力和可梳理性等一系列特征，評價滌綸短纖維的適宜含油率。

1 實驗部分

1.1 實驗原料

滌綸短纖維，規(guī)格1.67 dtex×38 mm；化纖油劑：型號TDS-2000A/B。

1.2 不同含油率滌綸短纖維的制備

1）因大生產(chǎn)得到的滌綸短纖維都經(jīng)過了施覆油劑，而化纖油劑具備可水洗性特點。只需用清水反復(fù)清洗滌綸短纖維，直至水體中不再有油劑泡沫產(chǎn)生，經(jīng)105 ℃烘箱烘干水分，即可得到無油絲。

2）配制5 種不同有效物含量的化纖油劑水溶液，質(zhì)量分?jǐn)?shù)分別為0.05%、0.15%、0.2%、0.25%、0.3%。

3）稱取15 g無油絲，完全浸泡于調(diào)配好的油劑水溶液中，保持潤濕10 min；

4）取出濕纖維，反復(fù)擠壓纖維中的水分，使得濕纖維的質(zhì)量為30 g，放入105 ℃烘箱中烘干，烘干后的纖維置于實驗室環(huán)境下平衡。

本方法可獲得5 種不同含油率的滌綸短纖維，油的質(zhì)量分?jǐn)?shù)（OPU） 分別為0.05%、0.15%、0.20%、0.25%、0.35%[2]。

1.3 性能測試

纖維表面微觀形態(tài)。使用電子顯微鏡（SEM）觀察不同含油率下的滌綸短纖維的表面形貌，分析油膜厚度和油劑均勻性，來判斷纖維表面的油膜狀態(tài)，從而得知上油量是否合理。

抗靜電性。分為比電阻測試和動電壓測試。在恒溫恒濕條件下，使用YG-321型纖維比電阻儀測試?yán)w維的體積比電阻，比電阻越小，纖維的抗靜電性越強(qiáng)；在短纖維的梳理過程中，使用SKH050 型動電壓測試儀，測試梳棉過程中的電壓，電壓越小，纖維抗靜電性越好。

摩擦系數(shù)。采用Y-151型摩擦系數(shù)測試儀分析滌綸短纖維與金屬摩擦棒之間的摩擦系數(shù)，摩擦系數(shù)越小，纖維的平滑性越好。

抱合力。采用R-3527 型織物拉伸測試儀測定經(jīng)梳理之后的滌綸短纖維棉網(wǎng)，記錄斷裂強(qiáng)力，除以纖維質(zhì)量即為棉網(wǎng)的抱合力。

梳理性。使用試驗梳棉機(jī)對滌綸短纖維進(jìn)行梳理，觀察有無飛花、纏輥、破網(wǎng)等現(xiàn)象，評價纖維的可梳理性。

2 結(jié)果與討論

2.1 滌綸短纖維表面形貌

滌綸短纖維在生產(chǎn)過程中，隨著受熱、拉伸、冷卻、定型等一系列作用，成品纖維表面會產(chǎn)生一系列不規(guī)則的缺陷，形成類似于樹皮一樣的纖維皮層結(jié)構(gòu)。如果不對其進(jìn)行處理，會導(dǎo)致纖維與纖維之間存在摩擦特性差異，有些缺陷小的纖維摩擦系數(shù)小，而缺陷大的纖維摩擦系數(shù)大，這樣將給纖維的下游織造帶來很大麻煩，摩擦特性不一致會導(dǎo)致織造加工無法進(jìn)行。

化纖油劑的使用，起到對滌綸短纖維進(jìn)行表面處理的作用。化纖油劑對纖維皮層的缺陷填平補(bǔ)齊，在纖維表面形成一層均一的油膜，這層油膜既能保護(hù)纖維避免加工損傷，同時也能改善纖維的摩擦特性，使不同纖維之間具備幾乎一致的摩擦系數(shù)，從而達(dá)到加工順暢的目的。

圖1 為不同含油率下滌綸短纖維的SEM 觀察結(jié)果。

圖1 不同含油率下滌綸短纖維表面形貌Fig.1 Surface morphology of polyester staple fiber under different oil content

由圖1 可知，當(dāng)纖維中油的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.05%時，纖維表面油劑的含量較少，未能形成完整油膜，部分位置處于無油狀態(tài)，仍能看到纖維表皮缺陷。當(dāng)纖維的含油率較高時，如油的質(zhì)量分?jǐn)?shù)0.35%，纖維表面油劑含量增加，部分位置出現(xiàn)堆積現(xiàn)象，油膜較厚，后期可能在高溫高濕條件下造成纖維發(fā)黏，不利于加工。當(dāng)油的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.15%～0.25%時，纖維表面形成了一層比較均勻的油膜，油膜完整，這樣能夠賦予纖維比較均勻的摩擦特性。

2.2 滌綸短纖維的抗靜電性

滌綸短纖維的吸水率低、導(dǎo)電性差。在纖維的紡紗織造過程中，纖維與纖維之間、纖維與設(shè)備之間不斷發(fā)生摩擦，如果靜電不能及時疏散，會導(dǎo)致一系列生產(chǎn)問題，嚴(yán)重時完全無法加工。化纖油劑具有一定的吸水性，能吸收環(huán)境中的水分，提高纖維的抗靜電能力。同時化纖油劑中含有陰離子抗靜電劑，可對產(chǎn)生的靜電電荷進(jìn)行疏導(dǎo)，避免靜電積累過大。

滌綸短纖維的抗靜能力，通過測試一定溫濕度條件下纖維的靜態(tài)比電阻和纖維在梳理過程中的動態(tài)電壓來評價。表1 為在25 ℃、相對濕度60%條件下不同含油率的滌綸短纖維的比電阻和動電壓。

由表1 可以看出，隨著纖維表面含油率的增加，滌綸短纖維的比電阻和動電壓逐漸減小，對電荷的疏導(dǎo)能力增強(qiáng)，抗靜電能力提高。可見含油率是和纖維抗靜電能力是正相關(guān)的。

表1 不同含油率下滌綸短纖維比電阻和動電壓Tab 1 Specific resistance and dynamic voltage of polyester staple fiber under different oil content

2.3 滌綸短纖維的摩擦特性

上文已經(jīng)提到，未經(jīng)化纖油劑處理的滌綸短纖維表面形態(tài)不一、摩擦特性差異較大，這樣不利于纖維的生產(chǎn)加工。

施覆化纖油劑后，纖維表面會形成一層油膜，這層油膜可以保證纖維具有一致的摩擦特性[3]。同時，化纖油劑中含有平滑劑成分，該成分對纖維起到潤滑作用，增強(qiáng)纖維的平滑性。平滑性好的纖維摩擦系數(shù)較小，這樣有利于減少因纖維與纖維之間、纖維與設(shè)備之間摩擦而產(chǎn)生的靜電，有利于纖維的順利織造。

表2為不同含油率下滌綸短纖維的摩擦系數(shù)測試數(shù)據(jù)。

表2 不同含油率下滌綸短纖維摩擦系數(shù)Tab 2 Friction coefficient of polyester staple fiber under different oil content

由表2可以看出，隨著滌綸短纖維含油率的提高，摩擦系數(shù)先逐漸減小，當(dāng)油的質(zhì)量分?jǐn)?shù)提高到0.35%時，摩擦系數(shù)有所增大。含油率較低時，纖維表面油膜不完整，纖維表面有裸露缺陷結(jié)構(gòu)增大了摩擦特性；當(dāng)含油率逐漸升高時，油膜趨于完整，摩擦系數(shù)逐漸減低。進(jìn)一步增加含油量，油膜厚度增加，甚至造成油劑堆積，過多的油劑對纖維有一定的粘滯作用，摩擦系數(shù)反而升高。可見，油的質(zhì)量分?jǐn)?shù)在0.20%左右比較適宜。

2.4 滌綸短纖維的抱合特性

滌綸短纖維在紡紗應(yīng)用中的梳棉、并條、粗紗、細(xì)紗等環(huán)節(jié)都要求短纖維具備一定的抱合性，否則梳理后的纖維棉條容易蓬松，容易出現(xiàn)飄絲、斷紗等現(xiàn)象。化纖油劑中添加了一定比例的抱和劑，可幫助纖維提高抱和能力，含油率不同，抱合力水平會存在差異。表3為不同含油率下滌綸短纖維的抱合力。

表3 不同含油率下錦綸短纖維抱合力Tab 3 The cohesive force of nylon short fibers under different oil contents

由表3可以看出，隨著含油率的增加，抱合力逐漸增大。原因是化纖油劑有一定的黏著性，隨著油劑含量的提高黏著性增強(qiáng)，抱合力提高。

但是，當(dāng)纖維的含油率過高時，容易造成纖維發(fā)黏，尤其是在高溫高濕的加工環(huán)境下。發(fā)黏的纖維不易開松，嚴(yán)重時會出現(xiàn)纏錫林、羅拉等現(xiàn)象；同時過多的油劑容易殘留在設(shè)備的接觸零件上，長時間積累干擾紡況，從而影響纖維的可加工性。所以在滿足紡紗工藝對纖維抗靜電、摩擦特性及抱合性等要求的條件下，應(yīng)控制纖維的含油率不宜過高。

2.5 滌綸短纖維的梳理性

滌綸短纖維在使用時要經(jīng)過梳理，可梳理性是衡量纖維質(zhì)量的重要指標(biāo)，梳理性好的纖維加工性能優(yōu)良，梳理性差的纖維加工困難[4]。

對不同含油率下的滌綸短纖維做梳理實驗，觀察梳理過程中纖維是否出現(xiàn)靜電、纏輥、破網(wǎng)等問題。表4列出了梳理性實驗的情況。

由表4 可以看出，在油的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.05%時，存在靜電、纏輥、破網(wǎng)問題，纖維無法梳理，原因是油含量較少，沒能對纖維起到足夠的抗靜電作用，纖維飛花、纏輥問題出現(xiàn)，并且無法梳理成棉網(wǎng)；當(dāng)油的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.15%～0.25%時，梳理正常；當(dāng)油的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.35%時，沒有靜電問題，但是纏輥現(xiàn)象出現(xiàn)，進(jìn)而棉網(wǎng)出現(xiàn)破洞，這是纖維表面油劑過多，造成了纖維發(fā)黏，不利于開松。可見，油的質(zhì)量分?jǐn)?shù)在0.15%～0.25%比較適宜。

3 結(jié) 語

1)含油率對滌綸短纖維的表面形貌具有一定的影響，當(dāng)纖維含油率較低時，纖維表面不能形成完整的油膜，纖維皮層缺陷裸露，摩擦特性不一致；當(dāng)含油率過高時，纖維表面的油膜較厚、油劑出現(xiàn)堆積，這樣易造成纖維發(fā)黏，不利于生產(chǎn)加工。從SEM 觀察來看，滌綸短纖維的油的質(zhì)量分?jǐn)?shù)控制在0.15%～0.25%為宜，此時油劑能夠在纖維表面形成完整油膜，纖維的摩擦特性均一。

2)滌綸短纖維的抗靜電能力會隨著含油率的增加逐漸增強(qiáng)。

3)含油率影響滌綸短纖維的摩擦系數(shù)。隨著含油率的增加，纖維的摩擦系數(shù)出現(xiàn)了先減小后增大的變化，經(jīng)實驗數(shù)據(jù)分析認(rèn)為油的質(zhì)量分?jǐn)?shù)控制在0.2%左右較為適宜。

4)隨著含油率的提高，滌綸短纖維的抱合力會逐漸增加，但考慮到油劑的黏著性問題，為避免引起纖維發(fā)黏，含油率應(yīng)控制在合理的范圍。

5)適當(dāng)?shù)暮吐视欣跍炀]短纖維的梳理，油的質(zhì)量分?jǐn)?shù)在0.15%～0.25%較為適宜。