聚苯硫醚短纤维纺丝油剂的研制

徐进云，魏俊富，杨洪祥

（1.天津工业大学纺织助剂有限公司，天津 300160；2.天津工业大学环境与化学工程学院，天津 300160）

聚苯硫醚短纤维纺丝油剂的研制

徐进云1，魏俊富2，杨洪祥1

（1.天津工业大学纺织助剂有限公司，天津 300160；2.天津工业大学环境与化学工程学院，天津 300160）

采用了烷基磷酸酯盐、烷基醚磷酸酯盐和两性表面活性剂的复合抗静电体系，并以特种聚醚为摩擦调整剂，开发出具有优异的抗静电性、较高的油膜强度、适宜的摩擦特性以及良好表面特性的聚苯硫醚短纤维纺丝油剂.实践表明：该油剂具有很好的可纺性、梳理性和成纱性，能满足聚苯硫醚短纤维纺丝和后加工的要求.

聚苯硫醚；短纤维；磷酸酯；烷基醚；油剂；摩擦；抗静电

聚苯硫醚的全称为聚苯撑硫醚，也称为聚亚苯基硫醚，英文名称为polyphenylene sulfide，简称PPS，是1973年在美国开始工业化生产的一种特种工程材料.聚苯硫醚纤维是一种高性能纤维，具有优异的耐热性、耐腐蚀性、阻燃性、绝缘性和防辐射性，因此具有广泛的用途，在环境保护、化学工业过滤和军事等领域中的应用尤为突出.聚苯硫醚纤维是我国“十一五”规划期间产业化重点发展的高性能纤维之一.聚苯硫醚短纤维的开发离不开专用油剂的配套使用，而目前国外公司对聚苯硫醚短纤维专用纺丝油剂实行严格的技术封锁，在很大程度上制约了聚苯硫醚短纤维的开发和应用.为促进国内聚苯硫醚短纤维行业的快速发展，天津工业大学纺织助剂有限公司组织专项课题组，系统研究聚苯硫醚短纤维纺丝工艺和下游无纺布工艺及纺纱工艺对油剂的要求，成功开发出具有优异的抗静电性、较高的油膜强度、适宜的摩擦特性以及良好表面特性的聚苯硫醚短纤维专用纺丝油剂.

1 实验部分

1.1 材料和仪器

纤维材料：聚苯硫醚短纤维，2.2 dtex×51 mm，四川得阳特种新材料有限公司生产.

仪器：JZHY1-180型表面张力仪，承德实验总厂产品；MRS-10A型四球摩擦仪，济南思达测试技术有限公司产品；YG321型纤维比电阻仪，常州纺织仪器厂产品；Y151型纱线摩擦因数仪，常州第二纺织机械厂产品.

1.2 测试方法

1.2.1 纤维比电阻测试

利用YG321型纤维比电阻仪进行测试，纤维质量15 g，测试温度25℃，相对湿度65%.

1.2.2 润湿性的测试

配制质量分数为1%油剂水溶液1 000 mL，将直径35 mm帆布片挂上5 g砝码后，放入油剂水溶液中，同时记录帆布片沉降时间，沉降时间越短，说明润湿性越好，取10次平均值，测试温度30℃.

1.2.3 表面张力的测试

使用JZHY1-180型表面张力仪测定一定浓度油剂乳液的表面张力.

1.2.4 油膜强度的测试

利用MRS-10A型4球摩擦仪，以油膜刚好破裂时的压力值来表示.数值越大，说明油膜强度越高.

场地污染调查，通过利用网格布点、钻孔，进一步细化场地污染边界和深度，精确柔性垂直防渗阻隔边界的阻隔范围［4］。

1.2.5 摩擦因数的测试

用Y151型纱线摩擦系数测定仪测定，测试速度为90 r/min，包角为180°.摩擦因数包括纤维与纤维之间的静、动摩擦因数和纤维与金属之间的静、动摩擦因数.

2 结果与讨论

2.1 聚苯硫醚短纤维生产和加工工艺对油剂的要求

聚苯硫醚短纤维生产工艺由于速度快、纤度小、比表面积大，因此要求油剂具有较好的润湿性，能快速、均匀地铺展在纤维的表面，确保上油均匀.聚苯硫醚短纤维的后加工包括无纺布和纺纱等工艺路线，梳理速度快、摩擦部件多，油剂要具有较好的平滑性和适宜的抱合性，能够为高速运行的丝束提供充分的保护，减少毛丝、断头、缠辊、缠皮圈；油剂还要具有良好的抗静电性，减少丝束由于高速摩擦而产生并堆积静电；同时油剂也要具有较高的油膜强度，避免由于和金属、橡胶、陶瓷等部件的高速摩擦导致油膜破裂而产生毛丝、断头，影响纱线强力和伸长[1].此外，还要求油剂具有较好的耐热性、配制简单、乳液稳定、不易腐败、泡沫小、无异味、无毒害.

2.2 油剂的摩擦性能

油剂的摩擦性能对于聚苯硫醚短纤维纺丝和后加工影响很大.表示摩擦特性的主要指标是摩擦系数.聚苯硫醚短纤维在纺丝和加工过程中，纤维与金属、橡胶、陶瓷等部件之间的接触面积很大，油剂必须具备优异的平滑性，以降低纤维与金属等接触部件之间的动摩擦系数，减少由摩擦带来的毛丝、断头等问题；而纤维在拉伸和梳理过程中要求有适宜的静摩擦系数（即适宜的集束性），纤维间的静摩擦因数过小会造成纤维之间的抱合力过小，导致丝束蓬松、梳理不畅[2].所以，处理好油剂平滑性和抱合性的关系非常重要.表1列出了几种化纤油剂中常用的非离子型和阴离子型表面活性剂的摩擦性能.

表1 各类型表面活性剂的摩擦因数Tab.1 Friction coefficient of different surfactants

从表1中数据可以看出，纤维与金属之间的动摩擦因数（μd，数值越小，平滑性越好）由大到小依次为：C18烷基二甲基羟乙基铵盐＞壬基酚醚＞C12烷基醚磷酸酯钾盐＞C12烷基醚＞C18烷基磷酸酯钾盐.

纤维与纤维之间的静摩擦因数（μs）由大到小依次为：壬基酚醚＞C12烷基醚磷酸酯钾盐＞C12烷基醚＞C18烷基磷酸酯钾盐＞C18烷基二甲基羟乙基铵盐.

从以上规律可以看出，高碳醇磷酸酯钾盐具有较好的平滑性，而某些聚醚具有较好的抱合性.在充分研究了聚苯硫醚短纤维纺丝和加工的各个工序对摩擦性能的要求，并兼顾油剂的抗静电性、润湿性等其他性能，在设计配方时选用了不同碳链长度的烷基磷酸酯盐，并导入了适当数量的聚氧乙烯基团作为主体平滑剂，与烷基聚氧乙烯醚、聚氧乙烯酯等表面活性剂一起来调节纤维的摩擦系数值，得到了比较好的可纺性能.表2列出了本项目研制的聚苯硫醚短纤维油剂FSM-1的摩擦因数.

表2 油剂的摩擦因数Tab.2 Friction coefficient of finish

2.3 油剂的抗静电性

在化纤油剂中常用的抗静电剂主要有离子型和非离子型两种，其中离子型又可分为阴离子型、阳离子型和两性型[3].阳离子型抗静电剂含有带正电荷的亲水基，能中和纤维表面所带的负电荷，因此抗静电效果优于阴离子型抗静电剂和非离子型抗静电剂；此外阳离子型抗静电剂对纤维表面有定向吸附性，即使在较低湿度环境下也可发挥较好的抗静电作用.研究发现，使用阳离子型抗静电剂后，聚苯硫醚短纤维的体积比电阻不仅小，而且手感柔软.尽管阳离子型抗静电剂具有较好的抗静电效果，但是由于对金属材料有腐蚀作用，并且容易与某些染料产生染斑，因此在油剂配方设计中很少被采用.

两性型抗静电剂的抗静电效果可与阳离子型抗静电剂媲美.它可同任何离子型染料、表面活性剂同时使用，耐热性良好，抗静电性持久，但缺点是价格较高，所以本文在油剂配方设计中，只选用了少量两性型抗静电剂来产生较好的协同效应.

非离子型抗静电剂主要包括聚氧乙烯酯、聚氧乙烯醚、多元醇酯等，表3列出了几种典型非离子型抗静电剂的体积比电阻值.

表3 非离子型抗静电剂体积比电阻Tab.3 Volume resistance of nonionic antistatic agents

通常，非离子型抗静电剂可与空气中的水分子结合，有利于增强纤维的吸湿性，适用于低湿生产环境，但其抗静电效果比离子型抗静电剂差，一般不单独用作抗静电剂，而是与离子型抗静电剂配合使用.这样不仅能得到较理想的抗静电效果，还可调节纤维的摩擦特性，赋予纤维良好的抱合性等.

阴离子型抗静电剂中，羧酸盐、硫酸酯盐、磺酸盐表面活性剂的抗静电效果较差，抗静电效果最好的是烷基磷酸酯盐和聚氧乙烯烷基磷酸酯盐类，它们被吸附于纤维表面后，疏水基朝向纤维一侧，亲水基朝向空气一侧，并与周围的水分子缔合，显示出良好的抗静电性能，表4列出了不同结构的阴离子型抗静电剂的体积比电阻值.

从表4中数据可以看出，随着疏水基碳链长度增大，磷酸酯盐的抗静电性减弱.相同碳链长度的磷酸酯盐比硫酸酯盐的抗静电性好，但缺点是对某些金属盐溶解度较小.如果配制配制抗静电剂溶液的水中含有大量的钙离子，那么磷酸酯钾盐与水中的钙离子容易生成不溶于水的钙盐，影响油剂的抗静电和平滑作用；如果钙盐沉积到纤维表面上，可能会造成纤维粘着或缠绕，所以在制备阴离子型抗静电剂时应使用纯度较高的无离子水.

表4 阴离子型抗静电剂的体积比电阻Tab.4 Volume resistance of anionic antistatic agents

综合考虑各种抗静电剂的优缺点和应用性能，结合聚苯硫醚短纤纺丝和后加工的实际要求，选择了阴离子型抗静电剂中的烷基磷酸酯盐和烷基醚磷酸酯盐作为主体抗静电剂，并选用少量的两性型抗静电剂和非离子抗静电剂作为补充，共同发挥协同效应.

烷基磷酸酯盐中的碳链长度对抗静电效果影响较大，短碳链烷基磷酸酯盐具有较好的抗静电性，熔点低，便于配制，但吸湿性也较强，聚苯硫醚短纤维上油后容易吸湿发粘，纺纱时容易缠辊、断头，无纺布过程中梳理困难.长碳链烷基（醚）磷酸酯盐抗静电性稍差，但施覆于纤维表面后能形成固体润滑膜，不容易受外界温湿度条件影响，同时较长的碳链也可以提供更好的平滑性.在设计配方时，选择了不同碳链长度的烷基（醚）磷酸酯组合抗静电剂，相互补充，得到更好的效果.表5列出了本项目研制的聚苯硫醚短纤维油剂FSM-1在不同湿度条件下的抗静电性.

表5 油剂在不同湿度时的比电阻Tab.5 Volume resistance of finish with different moisture

从表5可以看出，由于采用复抗静电体系，在不同湿度条件下，聚苯硫醚短纤维油剂都具有很好的抗静电性.

2.4 油剂的润湿性

聚苯硫醚初生纤维经过高倍牵伸，纤维表面积急剧增大，因而要求油剂具有良好的润湿性，能够快速、均匀上油，否则会出现局部上油不均匀，纤维整体摩擦特性变差，造成张力波动大、牵伸不匀，甚至出现毛丝、断头、缠辊，影响可纺性和产品质量.较低的表面张力和较快的润湿速度可以保证快速、均匀上油.本文选择了具有支链结构、碳链长度适中的聚氧乙烯（丙烯）醚来改善、调整油剂的润湿性[4].表6列出了本项目研制的聚苯硫醚短纤维油剂FSM-1的润湿性能.

表6 油剂的润湿性能Tab.6 Wetness of finish

2.5 油剂的油膜强度

当油剂施加到纤维上后，在纤维表面形成一层均匀的油膜，这一层油膜就成为纤维与金属、橡胶、陶瓷部件之间的摩擦界面.在纺丝和后加工过程中，高速运行的纤维要承受很大的摩擦力和剪切力，这就要求油剂具有一定的油膜强度，避免由于油膜破裂导致摩擦性能改变，纤维不能得到充分保护而产生毛丝、断头，影响可纺性和加工性.在设计配方时，充分考虑了这一因素，选择含有极性基团的磷酸酯和高分子量聚醚可以有效地提高油膜强度.本项目研制的聚苯硫醚短纤维油剂FSM-1的油膜强度为610 N.

2.6 油剂及乳液的稳定性

油剂及乳液的稳定性对油剂的应用性能具有非常重要的影响.造成油剂及乳液不稳定的原因有：配方不合理、乳化剂选择不当或用量不合理、单体组分质量波动大、复配工艺不稳定[6].聚苯硫醚短纤维油剂内平滑剂比例较大，乳化比较困难.在配方设计过程中，充分研究了各种乳化剂应用性能及乳化性能（如HLB值、乳化力、乳化温度等），确定了一组合理的乳化剂，使聚苯硫醚短纤维油剂在20～80℃的温度范围内均可形成均匀、稳定的乳液.

2.7 应用情况

本课题研制的聚苯硫醚短纤维油剂已经成功应用于四川得阳特种新材料有限公司聚苯硫醚短纤维生产线，纺丝、牵伸过程顺利，纺制的纤维具有适宜的摩擦性能、良好的抗静电性.在下游无纺布和纺纱过程中，纤维具有很好的梳理性和成纱性能，用户反应良好.

3 结论

（1）选用了不同碳链长度的烷基磷酸酯，并导入了适当数量的聚氧乙稀基团作为主体平滑剂，与烷基聚氧乙烯醚、聚氧乙烯酯等表面活性剂一起来调节纤维的摩擦系数值，得到了比较好的摩擦性能.

（2）聚苯硫醚短纤维油剂采用不同碳链长度的烷基磷酸酯盐、烷基醚磷酸酯盐和两性表面活性剂组成的复合抗静电体系，具有优异的抗静电性.

（3）选择了具有支链结构、碳链长度适中的聚氧乙烯（丙烯）醚来改善、调整油剂的润湿性，得到了较好的润湿效果.

（4）选择含有极性基团的磷酸酯和高分子量聚醚可以有效提高聚苯硫醚短纤维油剂的油膜强度.

[1]任华明，李德锦.实用化纤油剂[M].北京：纺织工业出版社，1987：74-88.

[2] 郑 帼，刘燕军，徐进云，等.涤纶短纤维油剂及其摩擦性能[J].纺织学报，2005，26（3）：85-87.

[3]徐进云.化纤油剂用抗静电剂[J].合成纤维工业，2003（3）：23-25.

[4]魏俊富，张纪梅，葛 启.化纤油剂中聚醚的醚链结构对性能的影响[J].纺织学报，1999，20（4）：50-52.

[5]王 文，牛予蓉.烷基磷酸酯钾盐抗静电性及吸湿性研究[J].精细化工，2001，18（3）：157-158.

[6] 杨毓莹，戴伊萍，舒建生，等.磷酸酯钾盐乳化稳定性研究[J].精细化工，2004，21（增刊）：32-34.

Research of spinning finish for PPS staple fiber

XU Jin-yun1，WEI Jun-fu2，YANG Hong-xiang1
（1.Textile Auxiliaries Co Ltd，Tianjin Polytechnic University，Tianjin 300160，China；2.School of Environmental and Chemical Engineering，Tianjin Polytechnic University，Tianjin 300160，China）

The spinning finish of PPS staple fiber is composed of composition antistatic system with alkylphosphorylationester，alkyl-aether phosphorylationester and amphoteric surfactant，the special polyaether is used as its frictional adapter agent.The spinning finish has some remarkable properties such as good antistatic property，higher film intensity，better frictional property and surfactant property.With excellent spinning property，textile property and filament property，the spinning finish is proved that can meet the needs of PPS staple fiber spinning process and textile process after the long period use by PPS staple fiber plant.

polyphenylene sulfide（PPS）；staple fiber；phosphorylationester；alkyl-aether；finish；friction；antistatic

book=1,ebook=31

TS103.841

A

1671－024X（2010）01－0046－04

2009-11-27

徐进云（1973—），男，副研究员，博士研究生.

魏俊富（1963—），男，研究员，博士生导师.E-mail：welcome8114@sina.com