生物基錦綸56用抗靜電紡絲油劑的復(fù)配及其對(duì)短纖維可紡性的影響

王 迎， 王怡婷， 吳佳慶， 郭亞飛， 郝新敏

(1. 大連工業(yè)大學(xué) 紡織與材料工程學(xué)院， 遼寧 大連 116034； 2. 軍事科學(xué)院系統(tǒng)工程研究院 軍需工程技術(shù)研究所， 北京 100082)

生物基錦綸56(PA56)是以可再生資源玉米、小麥等為原料，通過(guò)微生物法制備1,5-戊二胺，再與己二酸通過(guò)縮聚反應(yīng)得到聚合物[1]。PA56纖維由熔融紡絲制備，其各項(xiàng)性能與石油基聚酰胺纖維PA66相近，具有較高的耐磨性，耐沖擊性，耐疲勞性，耐腐蝕性及彈性[2-3]。同時(shí)，PA56大分子特殊的奇-偶結(jié)構(gòu)又賦予其優(yōu)于PA66的吸濕性、染色性等[4-5]。目前，國(guó)內(nèi)外關(guān)于生物基PA56結(jié)構(gòu)及性能研究仍處于初級(jí)階段[6-7]。生物質(zhì)PA56纖維在替代石油基聚酰胺產(chǎn)品方面有著廣泛的應(yīng)用前景。

采用熔體直紡技術(shù)，成功制備了生物基PA56短纖維及高速紡長(zhǎng)絲[8]，并進(jìn)行了相關(guān)染色性能研究[5];但是，在開(kāi)展PA56短纖維向下游服裝紡織品推進(jìn)的研發(fā)過(guò)程中發(fā)現(xiàn)PA56短纖維靜電現(xiàn)象嚴(yán)重，可紡性差，滿足不了短纖維成紗加工使用要求。急需在紡絲上油階段解決錦綸56開(kāi)松、梳理加工中的靜電問(wèn)題。

目前，關(guān)于PA6、PA66短纖維紡紗研究，大都采用預(yù)開(kāi)松，使纖維呈離散狀態(tài)，再噴灑抗靜電劑保濕保養(yǎng)的方法，提升錦綸抗靜電性能，降低錦綸紡紗過(guò)程繞羅拉、梳理不均勻、云斑等諸多工藝問(wèn)題；但是，該方法在解決抗靜電問(wèn)題的同時(shí)，也間接增加了紡紗的工藝道數(shù)及人工成本。

化學(xué)纖維紡絲油劑是化學(xué)纖維生產(chǎn)與制備過(guò)程中必不可少的紡織加工助劑，具有調(diào)節(jié)化學(xué)纖維耐摩擦性能，防止或消除靜電積累，賦予化學(xué)纖維平滑、集束、柔軟等功能，確?；瘜W(xué)纖維順利完成紡絲、拉伸、加彈、紡紗及織造等半制品加工流程，得到最終紗線、織物等紡織品[9]。盡管紡絲油劑在化纖生產(chǎn)中的用量很小,但其對(duì)化學(xué)纖維產(chǎn)品質(zhì)量起著舉足輕重的地位?；谝陨媳尘?，本文采用復(fù)配技術(shù)開(kāi)發(fā)抗靜電性好、可紡性、集束性比較理想的錦綸復(fù)合紡絲油劑。嘗試不采用噴灑抗靜電劑的方法制備抗靜電PA56短纖維，解決PA56短纖維成紗加工中的靜電問(wèn)題。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 實(shí)驗(yàn)原料

生物基錦綸56(PA56)短纖維，67 dtex×38 mm，優(yōu)纖科技(丹東)有限公司。J5326-H型錦綸短纖維加工油劑，蘇州源創(chuàng)科技開(kāi)發(fā)有限公司。該油劑耐熱性好，主要用于棉型、中長(zhǎng)型錦綸短纖維的紡絲加工。抗靜電劑，烷基醚磷酸酯類。與烷基磷酸酯相比，烷基醚磷酸酯類表面活性劑具有陰離子和非離子表面活性劑的特性，其溶解性、乳化性、抗靜電性良好，具有較低的表面張力以及較小的皮膚刺激性、低毒性。

1.2 抗靜電紡絲油劑的復(fù)配

錦綸短纖維采用熔體直紡工藝，由投料擠出、紡絲、牽伸、上油、卷取、切斷等工序組成，在上油工序使用復(fù)配錦綸紡絲油劑。具體實(shí)驗(yàn)方案如表1所示。溶劑為水，其中J5326-H油劑(簡(jiǎn)稱市售油劑)的質(zhì)量濃度為12 g/L。實(shí)驗(yàn)前，用乙醚洗滌PA56短纖維表面雜質(zhì)，再用復(fù)配抗靜電油劑處理PA56短纖，浸潤(rùn)10 s后于80 ℃條件下烘干12 h。

表1 抗靜電劑與油劑的復(fù)配方案

1.3 復(fù)配油劑性能測(cè)試

使用DDS-307型電導(dǎo)率儀(上海儀電科學(xué)儀器股份有限公司)測(cè)試復(fù)配油劑的電導(dǎo)率。

使用PHS-3C型雷磁數(shù)顯pH計(jì)(上海儀電科學(xué)儀器股份有限公司)測(cè)試復(fù)配油劑的pH值。測(cè)試溫度為55 ℃，電極頭放入待測(cè)液中，數(shù)值穩(wěn)定后，記錄數(shù)值，測(cè)試3次取平均值。

1.4 PA56短纖維形貌觀察與性能測(cè)試

在真空條件下對(duì)樣品進(jìn)行噴金處理，使用JSM-7800F型掃描電子顯微鏡(日本電子株式會(huì)社)觀察PA56短纖維表面形貌。使用電鏡附帶的能譜儀(EDS)測(cè)試PA56纖維表面元素組成。

采用Y151型纖維摩擦因數(shù)測(cè)試儀(溫州方圓儀器有限公司)測(cè)量PA56短纖維的摩擦因數(shù)。取0.5 g纖維梳理伸直并制備纖維輥，將纖維輥插入儀器主軸內(nèi)孔。取一根纖維，在兩端各加上100 mg的張力鉗。將一個(gè)夾子騎掛在扭力天平一端，另一個(gè)張力鉗繞過(guò)纖維輥的另一端。每根掛絲重復(fù)測(cè)定2～3次，記錄扭力天平讀數(shù)并計(jì)算平均值。根據(jù)公式計(jì)算纖維靜摩擦因數(shù)。同理，打開(kāi)電動(dòng)機(jī)，轉(zhuǎn)動(dòng)纖維輥，記錄扭力天平讀數(shù)并計(jì)算纖維動(dòng)摩擦因數(shù)。

式中：μ為纖維與纖維束表面的摩擦因數(shù)；f為纖維的懸掛張力鉗質(zhì)量，取100 mg；m為扭力天平讀數(shù)，mg。

按照GB/T 14342—2008《合成纖維比電阻試驗(yàn)方法》，使用YG 321型纖維比電阻儀(常州市第一紡織設(shè)備有限公司)測(cè)試PA56短纖維的質(zhì)量比電阻。

1.5 PA56短纖維梳理機(jī)試紡工藝

使用DSCa-01型小樣梳棉機(jī)(天津嘉誠(chéng)機(jī)電設(shè)備有限公司)梳理PA56纖維，制備纖維網(wǎng)。梳理過(guò)程中，觀察PA56短纖維靜電現(xiàn)象及成網(wǎng)性。梳理工藝參數(shù)為：給棉羅拉轉(zhuǎn)速0.40 r/min，刺輥轉(zhuǎn)速680.69 r/min，錫林轉(zhuǎn)速550.00 r/min，道夫轉(zhuǎn)速11.00 r/min。

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

2.1 復(fù)配油劑的電導(dǎo)率分析

圖1示出復(fù)配油劑的電導(dǎo)率曲線。市售油劑處理的PA56纖維(試樣Y0)的電導(dǎo)率為2.09 mS/cm。隨著復(fù)配油劑中抗靜電劑的增加，油劑的電導(dǎo)率呈現(xiàn)下降趨勢(shì)，電導(dǎo)率在1.2～2.1 mS/cm范圍之內(nèi)。一般情況，蒸餾水電導(dǎo)率大約為0.01 mS/cm，自來(lái)水電導(dǎo)率大約為0.05 mS/cm。本文實(shí)驗(yàn)中，盡管復(fù)配油劑的電導(dǎo)率隨著抗靜電劑質(zhì)量濃度的增加而下降，在復(fù)配油劑質(zhì)量濃度達(dá)到最大值10 g/L時(shí)，其電導(dǎo)率值為1.349 mS/cm，仍大于水的電導(dǎo)率。以上分析說(shuō)明各質(zhì)量濃度復(fù)配油劑的電導(dǎo)率均較好，有利于電荷的釋放。

圖1 復(fù)配紡絲油劑的電導(dǎo)率

2.2 復(fù)配油劑的pH值分析

圖2示出復(fù)配油劑的pH值曲線。隨著復(fù)配油劑中抗靜電劑質(zhì)量濃度的增大，油劑的pH值逐漸減小，從7.6減少到5.3左右。當(dāng)油劑質(zhì)量濃度小于2 g/L時(shí)，復(fù)配油劑pH值在7～8之間，油劑呈弱堿性；當(dāng)質(zhì)量濃度等于2 g/L時(shí)，復(fù)配油劑pH值約等于7，油劑呈中性；當(dāng)質(zhì)量濃度大于2 g/L，油劑呈弱酸性。一般來(lái)講，弱酸性油劑在長(zhǎng)期使用過(guò)程中容易腐蝕設(shè)備。根據(jù)生產(chǎn)的一般要求及錦綸纖維本身耐酸性較差的特征，錦綸短纖維紡絲油劑pH值應(yīng)控制在中性范圍內(nèi)。因此，從油劑的酸堿性角度出發(fā)，復(fù)配油劑在小于2 g/L質(zhì)量濃度范圍內(nèi)使用為宜。

圖2 復(fù)配紡絲油劑的pH值

2.3 PA56短纖維的摩擦因數(shù)分析

開(kāi)清棉、梳棉加工中纖維與纖維之間、纖維與金屬表面之間有摩擦運(yùn)動(dòng)。常用纖維的靜摩擦因數(shù)μs和動(dòng)摩擦因數(shù)μd來(lái)表征油劑的平滑性，纖維摩擦因數(shù)與梳理過(guò)程中紡紗成網(wǎng)質(zhì)量關(guān)系[10]如表2所示。

表2 油劑特性、纖維摩擦因數(shù)與可紡性的關(guān)系

PA56短纖維的靜摩擦因數(shù)及動(dòng)摩擦因數(shù)結(jié)果表明，經(jīng)復(fù)配油劑處理后的PA56纖維與市售油劑處理的纖維(試樣Y0)相比，動(dòng)摩擦因數(shù)變化不大，靜摩擦因數(shù)變化較大。表3示出經(jīng)復(fù)配抗靜電油劑處理后的PA56短纖維的纖維的靜摩擦因數(shù)?？煽闯?，經(jīng)乙醚清洗后PA56纖維(試樣Y0)靜摩擦因數(shù)為0.432 0。當(dāng)抗靜電劑的質(zhì)量濃度小于2 g/L時(shí)，E1、E2、E3、E4、E5纖維的靜摩擦因數(shù)變化不大，在0.43左右波動(dòng)，但是當(dāng)油劑中抗靜電劑質(zhì)量濃度大于或等于2 g/L時(shí)，E6、E7、E8、E9、E10纖維的靜摩擦因數(shù)明顯增加，大于Y0。根據(jù)表2經(jīng)驗(yàn)分析[10]可判斷，靜摩擦因數(shù)的增大可提升纖維的抱合性、平滑性、抗靜電性能，防止棉條過(guò)于蓬松，減少喇叭口的堵塞問(wèn)題，滿足纖維梳理過(guò)程的工藝要求。因此，從摩擦因數(shù)角度出發(fā)，抗靜電劑質(zhì)量濃度大于2 g/L有利于纖維梳理成網(wǎng)。

表3 PA56短纖維的靜摩擦因數(shù)

2.4 PA56短纖維的質(zhì)量比電阻分析

沒(méi)有上油的PA56纖維(試樣N0)的質(zhì)量比電阻值較大，大于1.0×104Ω·g/cm2。質(zhì)量比電阻大，表明錦綸靜電嚴(yán)重，難以梳理成網(wǎng)。實(shí)驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)，在纖維比電阻儀上測(cè)量PA56纖維(試樣N0)時(shí)，經(jīng)常出現(xiàn)指針超出量程的現(xiàn)象。

圖3示出經(jīng)復(fù)配油劑處理后的PA56短纖維的質(zhì)量比電阻隨抗靜電劑質(zhì)量濃度變化曲線。在相對(duì)濕度為35%時(shí)，隨著抗靜電劑質(zhì)量濃度的增加，復(fù)配油劑處理的PA56短纖維的質(zhì)量比電阻迅速降低。在相對(duì)濕度為65%時(shí)，復(fù)配油劑處理的PA56短纖維的質(zhì)量比電阻變化不大，趨于一條直線。以上實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)說(shuō)明，提升加工環(huán)境的濕度與抗靜電劑質(zhì)量濃度均可降錦綸纖維的質(zhì)量比電阻；在降低PA56纖維質(zhì)量比電阻方面，增加環(huán)境濕度與抗靜電劑等效。

圖3 PA56短纖維的質(zhì)量比電阻

錦綸放濕快，纖維梳理過(guò)程的機(jī)械運(yùn)動(dòng)加速了纖維的放濕速度。如采用加濕處理方案，需要改進(jìn)開(kāi)清棉、梳棉紡紗設(shè)備，在設(shè)備中增加持續(xù)加濕裝置，解決錦綸放濕快的瓶頸。這種方法間接加大了設(shè)備改進(jìn)投入及生產(chǎn)成本，因此，紡絲油劑復(fù)配方案的優(yōu)勢(shì)在于不需對(duì)錦綸紡紗設(shè)備進(jìn)行改造，通過(guò)使用紡絲油劑降低PA56纖維質(zhì)量比電阻，提升纖維抗靜電性能。

2.5 PA56短纖維的表面形貌分析

化學(xué)纖維的靜電現(xiàn)象與纖維表面的粗糙程度、混入雜質(zhì)等表面物理形貌有直接關(guān)系。纖維表面粗糙也是靜電現(xiàn)象加劇的原因之一。圖4示出復(fù)配油劑處理后PA56纖維的表面形貌照片。

圖4 PA56短纖維SEM照片(×2 000)

從圖4(a)可看出，經(jīng)乙醚清洗后纖維(試樣N0)表面光滑，無(wú)凹槽、無(wú)條痕，清洗掉了纖維表面包覆的油劑及部分雜質(zhì)。由圖4(b)、(c)可看出經(jīng)油劑上油后的纖維(試樣Y0、E6)表面均包覆一層薄薄的包覆物。經(jīng)市售油劑處理的纖維表面非常粗糙，油劑包覆厚度不均勻，呈現(xiàn)坑洼狀表面。而經(jīng)抗靜電復(fù)配油劑處理的纖維，表面包覆物非常光滑，油膜包覆均勻，可確保PA56纖維具有較好的集束性及一定的抗靜電性能。

2.6 PA56短纖維表面元素分析

圖5示出PA56短纖維的EDS圖譜?？煽闯觯航?jīng)乙醚清洗后的PA56纖維(試樣N0)，由C、N、O 3種元素組成，來(lái)源于聚酰胺大分子鏈；而經(jīng)市售油劑處理的PA56短纖維(試樣Y0)，除了C、N、O這3種元素外，還增加了極少量的來(lái)源于市售油劑中的K元素。對(duì)比經(jīng)復(fù)配油劑處理的PA56短纖維EDS圖譜(試樣E6)，除了C、N、O、K元素外，還含有一定量的P元素，表明復(fù)配油劑中含有市售油劑及烷基醚磷酸酯類抗靜電劑2種成分，而且復(fù)配油劑附著在纖維表面。

圖5 PA56短纖維的EDS圖譜

2.7 PA56短纖維的紡紗效果

油劑性能及上油纖維性能分析表明：抗靜電劑質(zhì)量濃度2 g/L為一臨界值，小于2 g/L時(shí)，油劑在中性及弱堿性范圍，大于2 g/L時(shí)，復(fù)配油劑涂覆的纖維靜摩擦因數(shù)增大，梳理成網(wǎng)性提升。而纖維質(zhì)量比電阻與臨界值2 g/L關(guān)系較小，在相對(duì)濕度為35%條件下，隨著抗靜電劑含量的增加，纖維質(zhì)量比電阻降低?；谝陨蠈?shí)驗(yàn)結(jié)果，考慮降低生產(chǎn)成本，以最少量使用抗靜電劑為目的，設(shè)計(jì)了梳理試紡方案，進(jìn)行了2 g/L及其以下(E1、E2、E3、E4、E5)6種不同質(zhì)量濃度復(fù)配油劑處理的PA56纖維的梳理試紡實(shí)驗(yàn)。試紡條件：相對(duì)濕度為35%，室溫。

圖6示出PA56短纖維梳理效果。由圖6(a)可看出，市售油劑處理的PA56纖維在梳理時(shí)，纖維網(wǎng)之間，纖維與刺棍、錫林、道夫表面摩擦接觸時(shí)容易產(chǎn)生靜電，積累的電荷在纖維網(wǎng)與道夫之間無(wú)法釋放，電荷吸引造成斬刀處剝離困難，纖維堆積無(wú)法成網(wǎng)等問(wèn)題。當(dāng)抗靜電劑質(zhì)量濃度小于0.2 g/L時(shí)(試樣E3)，梳理中靜電現(xiàn)象的改善很微小，棉網(wǎng)出現(xiàn)破洞。當(dāng)油劑中抗靜電劑質(zhì)量濃度由0.2 g/L逐漸增加時(shí)，PA56纖維的抗靜電性能提升，可順利成網(wǎng)，纖維網(wǎng)破洞現(xiàn)象逐漸逐漸減少。增加抗靜電劑的質(zhì)量濃度對(duì)于纖維成網(wǎng)均勻度、云斑性能的改善逐漸明顯。在質(zhì)量濃度為2 g/L(試樣E6)時(shí)，多次試紡效果最好。從圖6(b)復(fù)配油劑(試樣E6)處理后PA56短纖維的梳理效果圖可看出，復(fù)配抗靜電油劑提升了PA56纖維的梳理可紡性，纖維順利成網(wǎng)輸出，且PA56纖維網(wǎng)均勻、清晰，無(wú)破洞、云斑。充分表明本復(fù)配方案制備的PA56短纖可在較低的濕度下梳理成網(wǎng)并進(jìn)行紡紗加工，對(duì)紡紗車間溫濕度要求低，綠色節(jié)能。

圖6 PA56短纖維梳理效果

復(fù)配PA56紡絲油劑中烷基醚磷酸酯類表面活性劑帶有陰離子表面活性劑的特性。PA56纖維在摩擦過(guò)程中帶正電，容易失去電子，而復(fù)配化纖油劑中含有陰離子，正負(fù)電荷中和原理降低了PA56纖維梳理過(guò)程中靜電現(xiàn)象。復(fù)配油劑使用后，PA56纖維表面光滑，油膜均勻，較好的表面形貌同樣提升了PA56纖維的抗靜電性。因此，從物理和化學(xué)2個(gè)方面，復(fù)配紡絲油劑均較好地解決了PA56纖維的抗靜電性能。PA56纖維順利梳理成網(wǎng)，是保證錦綸純紡紗、錦綸混紡紗及相關(guān)織物等紡織品加工制備的關(guān)鍵，可降低因靜電產(chǎn)生紗線毛羽并消除織物起毛起球現(xiàn)象。

綜合考慮抗靜電劑的價(jià)格及生產(chǎn)成本、油劑的酸堿性和處理后纖維的摩擦因數(shù)，本文方案復(fù)配油劑中抗靜電劑質(zhì)量濃度選擇2 g/L為宜。

3 結(jié) 論

1)復(fù)配油劑的電導(dǎo)率均大于水的電導(dǎo)率。當(dāng)油劑中抗靜電劑質(zhì)量濃度小于或等于2 g/L時(shí)，復(fù)配油劑pH值在7～8之間，適合耐酸性差的錦綸上油。

2)復(fù)配油劑在纖維表面形成一層光滑、均勻的油膜。油劑中抗靜電劑質(zhì)量濃度大于或等于2 g/L時(shí)，纖維的靜摩擦因數(shù)明顯增加，有利于梳理成網(wǎng)。在相對(duì)濕度為35%時(shí)，隨著抗靜電劑質(zhì)量濃度的增加，PA56短纖維的質(zhì)量比電阻迅速降低；在相對(duì)濕度為65%時(shí)，隨著抗靜電劑質(zhì)量濃度的增加，PA56短纖維的質(zhì)量比電阻變化不大。

3)結(jié)合抗靜電劑用量、油劑酸堿性和處理后纖維的摩擦因數(shù)及梳理機(jī)試紡結(jié)果，復(fù)配紡絲油劑采用抗靜電劑質(zhì)量濃度2 g/L、油劑質(zhì)量濃度12 g/L為宜。此條件下處理的PA56纖維可在相對(duì)濕度為35%、室溫條件下成網(wǎng)，梳理加工中靜電現(xiàn)象降低, 可紡性好，纖維網(wǎng)均勻、無(wú)破洞、云斑。

本文紡絲油劑復(fù)配方案簡(jiǎn)單，無(wú)需進(jìn)行梳理機(jī)改造，節(jié)能環(huán)保。復(fù)配油劑處理的錦綸短纖維抗靜電性、可紡性提升，且對(duì)紡紗加工車間溫濕度要求低。