芳砜綸紡紗油劑初探

(東華大學(xué)紡織學(xué)院，上海，201620)

芳砜綸即聚砜酰胺(Polysulfonamide，PSA)纖維，國內(nèi)商品名為特安綸(TANLON)，是我國具有自主知識產(chǎn)權(quán)的高性能纖維。該纖維具備優(yōu)良的耐熱性、阻燃性、電絕緣性和染色性，在產(chǎn)業(yè)用紡織品方面有良好的應(yīng)用前景。芳砜綸產(chǎn)品主要用于防護(hù)制品、過濾材料、電絕緣材料、摩擦密封材料和其他工業(yè)織物(包括造紙毛毯、熨燙臺布和涂層織物等)[1-2]。

由于芳砜綸的體積比電阻和初始模量較高、摩擦因數(shù)和卷曲穩(wěn)定性較低，使得纖維在紡紗過程中極易產(chǎn)生靜電，纖維間的抱合力較小，導(dǎo)致成紗困難，產(chǎn)生成紗強力低和成紗毛羽多等問題，對成紗質(zhì)量造成較大影響[3]。有以下幾種方法可以解決上述問題：對芳砜綸進(jìn)行等離子體處理，通過表面改性來改善纖維體積比電阻、摩擦因數(shù)及潤濕性等，進(jìn)而提高其可加工性[4-5]；或者將芳砜綸與其他可加工性較好且具有阻燃性的纖維(如羊毛、芳綸1313、阻燃黏膠纖維等)進(jìn)行混紡，通過改變混紡比來改善成紗質(zhì)量[6-8]；或者紡紗前對芳砜綸施加一定量的抗靜電劑或紡紗油劑，減少紡紗過程中產(chǎn)生的靜電，以使紡紗順利進(jìn)行[9-10]。考慮到等離子體處理會對纖維本身造成一定損傷且加工成本較高，混紡紗可能會影響芳砜綸在阻燃及染色等方面的優(yōu)良性能，故上述前兩種方法在實際生產(chǎn)加工中尚未得到廣泛應(yīng)用，而對芳砜綸施加油劑等助劑并不會對纖維造成上述損傷或影響，成為最常用的方法。

本文針對芳砜綸靜電大、抱合性差等特點，選擇適當(dāng)?shù)钠交瑒┖捅砻婊钚詣┡渲萍徏営蛣?。通過比較不同抗靜電劑的抗靜電效果，并根據(jù)實際紡紗過程及成紗質(zhì)量優(yōu)劣來確定效果較好的芳砜綸紡紗油劑配方。

1 油劑的作用機(jī)理和組分選擇

1.1 油劑的作用機(jī)理

使用油劑的目的就是在纖維表面涂上一層油膜，以增加纖維的抱合力、抗靜電性和平滑性[11]?；w油劑主要由平滑劑和表面活性劑組成。平滑劑的主要作用是減少纖維與加工機(jī)件之間的摩擦，保護(hù)纖維表面，降低加工過程中對設(shè)備的磨損和銹蝕等。表面活性劑包括抗靜電劑、乳化劑和滲透劑等。表面活性劑的抗靜電性與其在纖維表面形成的定向吸附層有關(guān)?？轨o電劑能在空氣與纖維界面上形成定向吸附層，其親水基朝著空氣，疏水基朝著纖維。此時，抗靜電劑的單體與水分子形成氫締合分子，在纖維表面形成一層水膜，增加了纖維的吸濕性，并賦予纖維良好的導(dǎo)電性，減少靜電荷積聚，降低纖維表面電阻，從而達(dá)到抗靜電效果[12]。

1.2 油劑組分的選擇

目前較為常用的平滑劑有礦物油、脂肪酸酯和聚醚三類。纖維之間的靜摩擦因數(shù)隨平滑劑黏度的增大而降低，纖維與金屬間的動摩擦因數(shù)隨平滑劑黏度的增大而提高[13]。本試驗采用工業(yè)白油(礦物油)作為平滑劑，以改善芳砜綸的纖維抱合性。

本試驗初選六種抗靜電效果較好的抗靜電劑，分別為烷基醚磷酸酯鉀鹽(MOA3PK)、十二烷基磺酸鈉、異己醇聚氧乙烯醚磷酸單酯鉀鹽(TF-481)、烷基磷酸酯二乙醇胺鹽(抗P)、十八烷基二甲基羥乙基季銨硝酸鹽(SN)和HDC-350。前四種為陰離子抗靜電劑，后兩種為陽離子抗靜電劑。通過試驗對六種抗靜電劑進(jìn)行了比較，優(yōu)選出適合芳砜綸的抗靜電劑。

為了降低油劑的表面張力，增加潤濕滲透作用，選用月桂醇聚氧乙烯醚(JFC)作為滲透劑，選用兩種脂肪醇與環(huán)氧乙烷縮合物(MOA3和MOA9)作為乳化劑，使油劑中各單體通過物理化學(xué)過程達(dá)到平衡，有助于得到均勻、透明和穩(wěn)定的乳液。

上述油劑各組分的配比為：工業(yè)白油50%～80%，MOA3 10%～15%，JFC 1%～10%，MOA9 1%～10%，抗靜電劑1%～5%。

2 試驗部分

2.1 原料

在靜電場試驗中，選取芳砜綸(2.2 dtex×51 mm)、腈綸(1.67 dtex×4 0mm)、滌綸(1.67 dtex×38 mm)、黏膠纖維(1.67 dtex×38 mm)、羊毛、錦綸(11 dtex，長絲)等纖維作為樣品。在油劑試驗中，選取不同配方的自配油劑作為樣品，并選用目前工廠試用油劑作為對比。

2.2 內(nèi)容與方法

2.2.1 靜電場測試方法

參照GB/T 6504—2008《化學(xué)纖維含油率試驗方法》中的萃取法對上述六種纖維進(jìn)行試驗前處理，以避免纖維表面油劑對靜電場測試的影響。將處理好的纖維用手扯成兩端平齊的纖維束，再將纖維束剪至相同長度(38 mm)，然后分別稱取0.5 g不同種類的纖維作為試驗樣品。樣品在試驗條件下放置24 h，然后進(jìn)行試驗。

將纖維樣品均勻鋪于Y131型梳片式羊毛長度分析儀上，利用上、下梳片將樣品固定；然后用夾子將纖維快速抽出(模擬紡紗加工中纖維摩擦起電過程)，置于絕緣紙上，立即用FMX-003型靜電測試儀對纖維因摩擦產(chǎn)生的靜電場進(jìn)行測量。對同一樣品測試5次，試驗結(jié)果取平均值。

2.2.2 摩擦因數(shù)測試方法

采用絞盤法，通過YG151型纖維摩擦因數(shù)測定儀對施加不同油劑的芳砜綸進(jìn)行摩擦因數(shù)測試，初始張力為0.1 cN。測定動摩擦因數(shù)時，金屬輥(或纖維輥)的轉(zhuǎn)速為30 r/min；測定靜摩擦因數(shù)時，使纖維輥不動，緩慢轉(zhuǎn)動扭力天平手柄，直至纖維與纖維輥之間發(fā)生突然滑移，讀取指針開始偏轉(zhuǎn)時扭力天平上的讀數(shù)。每個樣品測試5根纖維，每根纖維測試兩次，取平均值作為試驗結(jié)果。

2.2.3 紡紗試驗及指標(biāo)測試

將采用不同油劑處理的芳砜綸經(jīng)清梳聯(lián)、并條、粗紗和細(xì)紗等工序紡成細(xì)紗，觀察不同樣品在紡紗過程中的表現(xiàn)，并對細(xì)紗進(jìn)行品質(zhì)測試，包括斷裂強度、斷裂伸長率、條干不勻率和毛羽指數(shù)等。

紡紗前油劑處理方法為：將油劑與去離子水通過攪拌配制成均勻乳液，再均勻噴灑至纖維上，置于密封袋中悶放24 h后進(jìn)行紡紗。油劑用量按纖維質(zhì)量的0.5%稱取，去離子水用量按使纖維回潮率達(dá)10%稱取。

細(xì)紗斷裂強度及斷裂伸長率是依據(jù)標(biāo)準(zhǔn)GB/T 3916—1997《紡織品 卷裝紗 單根紗線斷裂強力和斷裂伸長率的測定》，使用YG061型電子單紗強力儀對細(xì)紗進(jìn)行測試。每根單紗測試30次，結(jié)果取平均值。

細(xì)紗條干不勻率是依據(jù)標(biāo)準(zhǔn)GB/T 3292—1997《紡織品 紗條條干不勻試驗方法 電容法》，使用YG135G條干均勻度測試分析儀對細(xì)紗進(jìn)行測試。

細(xì)紗毛羽指數(shù)是依據(jù)標(biāo)準(zhǔn)FZ/T 01086—2000《紡織品 紗線毛羽測定方法 投影計數(shù)法》，使用YG172型紗線毛羽測試儀對細(xì)紗進(jìn)行測試。

3 結(jié)果與討論

3.1 靜電場試驗

為避免纖維表面油劑對纖維本身靜電性能的影響，測試前對纖維進(jìn)行萃取處理，以去除油劑。測試環(huán)境溫度為16 ℃，相對濕度為37%。試驗結(jié)果見表1。

表1 不同纖維樣品靜電場測試結(jié)果

注：“-”和“+”分別代表纖維與金屬摩擦后產(chǎn)生靜

電荷的極性為負(fù)和正。

由表1發(fā)現(xiàn)，芳砜綸經(jīng)摩擦后產(chǎn)生的靜電荷極性為負(fù)。根據(jù)異種電荷相互吸引的原理推測，陽離子抗靜電劑在纖維表面可能較容易產(chǎn)生定向吸附，從而起到較好的抗靜電效果。但考慮到陽離子抗靜電劑對金屬機(jī)件具有一定的腐蝕性且成本較高，而陰離子抗靜電劑能較好地改善纖維的抱合性。因此，在后續(xù)試驗中選擇了陽離子和陰離子兩種抗靜電劑進(jìn)行比較。

由表1可以看出，與其他纖維相比，在相同的試驗條件下芳砜綸產(chǎn)生的靜電壓更大。這說明在紡紗加工中芳砜綸的靜電問題可能更為突出。

3.2 抗靜電劑對比試驗

分別將等量的MOA3PK、十二烷基磺酸鈉、TF-481、抗P、SN和HDC-350與相同比例的平滑劑、滲透劑、乳化劑等組分配制成油劑，并依次編號為1號、2號、3號、4號、5號和6號油劑。將上述六種油劑按與紡紗前處理相同的方法對芳砜綸進(jìn)行預(yù)處理。試驗環(huán)境溫度為24 ℃，相對濕度為49%。

3.2.1 靜電場測試

為了比較不同油劑對纖維抗靜電性能的影響，試驗前未對纖維進(jìn)行萃取處理，并取未加油劑的纖維樣品作為對比。試驗結(jié)果見圖1。

從圖1可以看出：施加油劑的纖維樣品比未施加油劑的纖維樣品產(chǎn)生的靜電場??；施加5號油劑的芳砜綸產(chǎn)生的靜電壓最小，其使用的抗靜電劑為SN；兩種陽離子抗靜電劑配制的油劑(5號、6號)比四種陰離子抗靜電劑配制的油劑(1號～4號)產(chǎn)生的靜電壓要小。

圖1 不同油劑對芳砜綸靜電場的影響

3.2.2 摩擦因數(shù)測試

為比較加入不同抗靜電劑的油劑對纖維平滑性和抱合性的影響，對經(jīng)不同油劑處理的芳砜綸分別進(jìn)行纖維與金屬之間動摩擦因數(shù)(記為μ1)，纖維與纖維之間動、靜摩擦因數(shù)(分別記為μ2、μ3)的測試。測試結(jié)果見表2。

表2經(jīng)不同類型油劑處理的纖維樣品的摩擦因數(shù)測試結(jié)果

摩擦因數(shù)油 劑 類 型1號2號3號4號5號6號μ10.360.340.350.350.380.35μ20.260.260.270.270.270.27μ30.330.330.360.340.340.35

從表2可以發(fā)現(xiàn)：經(jīng)5號油劑處理的樣品，纖維與金屬間動摩擦因數(shù)較大，可能會對其平滑性不利；經(jīng)3號油劑處理的樣品，纖維間靜摩擦因數(shù)大，且動、靜摩擦因數(shù)之差最大，有利于提高纖維之間的抱合性。

3.3 紡紗試驗及細(xì)紗品質(zhì)測試

3.3.1 紡紗試驗

通過抗靜電劑對比試驗發(fā)現(xiàn)， 5號油劑抗靜電效果較好，3號油劑抱合性較好。選用3號和5號油劑以及目前工廠使用的兩種油劑(分別記為7號和8號)處理過的芳砜綸進(jìn)行紡紗試驗，并將未經(jīng)油劑處理的芳砜綸作為對比樣品進(jìn)行試驗。通過施加不同油劑的芳砜綸在紡紗過程中的表現(xiàn)，對油劑性能進(jìn)行比較。紡紗環(huán)境溫度為29 ℃，相對濕度為75%。試驗結(jié)果見表3。

表3經(jīng)不同類型油劑處理的纖維樣品在紡紗過程中的表現(xiàn)

紡 紗 評 價油 劑 類 型未經(jīng)處理3號5號7號8號成網(wǎng)打分①29488并條繞皮輥次數(shù)—②0—②00粗紗斷頭次數(shù)—②2—②21細(xì)紗斷頭次數(shù)—②0—②00

注：①成網(wǎng)打分是依據(jù)纖維在清梳聯(lián)工序成網(wǎng)過程中產(chǎn)生的靜電大小及是否有破洞、破邊等現(xiàn)象進(jìn)行綜合打分。滿分為10分，分?jǐn)?shù)越高說明成網(wǎng)越順利、靜電越小。

②因加工困難，無法繼續(xù)紡紗，故相應(yīng)指標(biāo)未能測試。

表3顯示：施加3號油劑的纖維樣品成網(wǎng)效果最好；未經(jīng)油劑處理的纖維樣品在梳理過程中靜電嚴(yán)重，無法成網(wǎng)；施加5號油劑的纖維樣品出現(xiàn)繞錫林現(xiàn)象，成網(wǎng)有破洞，可能是由于油劑黏度較大，導(dǎo)致纖維與金屬之間動摩擦因數(shù)大，故纖維不易從針布上脫離造成的。

表3還顯示：在粗紗工序，施加3號、7號、8號油劑的纖維樣品均出現(xiàn)繞皮圈斷頭現(xiàn)象，可能是由于在紡紗過程中隨著纖維不斷地受到摩擦，纖維表面水分、油劑逐步減少，引起靜電增大導(dǎo)致的。由于細(xì)紗工序時間較短(約1 h)，故斷頭次數(shù)僅供參考。

3.3.2 細(xì)紗品質(zhì)測試

對細(xì)紗進(jìn)行毛羽、條干及斷裂強度等品質(zhì)指標(biāo)測試，結(jié)果見表4。

表4 細(xì)紗成紗指標(biāo)測試結(jié)果

由表4可以發(fā)現(xiàn)，使用3號油劑的細(xì)紗在條干不勻率、細(xì)節(jié)、斷裂強度和斷裂伸長率等指標(biāo)上均優(yōu)于使用7號和8號油劑的細(xì)紗，而其他指標(biāo)介于使用7號和8號油劑的細(xì)紗之間。這表明3號油劑在實際紡紗過程中有助于芳砜綸減少靜電，提高抱合性，改善了其可加工性。

4 結(jié)論

(1)芳砜綸在摩擦過程中產(chǎn)生的靜電壓比滌綸、錦綸等纖維大，且靜電荷極性為負(fù)。在本試驗選用的六種抗靜電劑中，陽離子抗靜電劑的抗靜電效果優(yōu)于陰離子抗靜電劑。

(2)以TF-481為抗靜電劑的3號油劑，在實際紡紗過程中較好地解決了芳砜綸靜電大、抱合性差等問題，且在與工廠目前使用的兩種油劑的對比中具有一定的優(yōu)勢。

(3)油劑對纖維平滑性、抗靜電性及抱合性等方面的綜合作用可以改善纖維的可加工性?？轨o電性的效果也可能在一定程度上依賴于油劑平滑性及抱合性的優(yōu)劣。

[1] 任家榮,汪曉峰,張玉華.芳砜綸的市場開發(fā)與應(yīng)用[J].產(chǎn)業(yè)用紡織品,2007,25(5)：1-6.

[2] 晏雄.產(chǎn)業(yè)用紡織品[M].上海：東華大學(xué)出版社,2003.

[3] 王付秋,汪曉峰,朱蘇康,等.芳砜綸纖維紡紗工藝與措施[J].上海紡織科技,2005,33(8)：46-48.

[4] 董淼軍,林蘭天,鄭慧琴.低溫等離子處理對芳砜綸性能的影響[J].上海紡織科技,2010,38(1)：16-17.

[5] 任磊,楊建忠.空氣低溫等離子體對芳砜綸纖維表面改性研究[J].化纖與紡織技術(shù),2009(2)：24-26.

[6] 蘭紅艷.芳砜綸纖維在毛紡上的應(yīng)用[J].毛紡科技,2010,38(7)：29-31.

[7] 陳振宏,李瑞洲,李向紅.芳砜綸/芳綸1313混紡紗的性能研究[J].棉紡織技術(shù),2011,39(4)：12-14.

[8] 朱月群,楊建平,殷慶永,等.芳砜綸阻燃紗線設(shè)計[J].紡織科技進(jìn)展,2008(6)：28-30.

[9] 何文元.消除芳砜綸靜電的方法研究[J].毛紡科技,2012,40(10)：39-42.

[10] 吳琴琴,金偉,陳晟輝, 等.芳砜綸纖維耐熱性油劑的分析[J].合成纖維,2009(12):38-40.

[11] 任華明,李德錦.實用化學(xué)纖維油劑[M].北京:紡織工業(yè)出版社,1993.

[12] 劉杰,孟慶霞,郝波.抗靜電劑及其在紡織染整加工中的應(yīng)用[J].應(yīng)用科技,2000,27(3)：23-24.

[13] 沈永芳,孫宇清.油劑平滑劑結(jié)構(gòu)與性能的論述[J].天津紡織工學(xué)院學(xué)報,1996,15(4)：104-109.