表面活性剂对中温浆液渗透性的影响

王 耀 王 菲 白 桦 姚一军

（1.中国棉纺织行业协会，北京，100018；2.广元市产品质量监督检验所，四川广元，628017；3.西安工程大学，陕西西安，710048）

目前浆纱采用高温（浆槽温度92 ℃以上）上浆工艺，不但能源耗费大，而且有些产品如粘胶纤维在高温下强力下降，不适合高温上浆［1］。中温浆纱是一项新的浆纱工艺，调浆和上浆温度在60 ℃～80 ℃，能显著降低能耗。20 世纪90 年代，有学者提出并研究了冷上浆工艺［2］，在毛纺股线上得 到 应用。CHAVAN H V 等［3］对14.6 tex 纯棉纱开展了冷、热上浆对比。武海良等［4］深入研究了中温半糊化上浆机制。邓玲侠等［5］对常温上浆工艺进行了试验。中温浆纱浆液温度低，对经纱的渗透性下降，如何提高浆液渗透性成为中温浆纱工艺应用的关键。本课题研究表面活性剂与浆液协同作用对中温上浆浆液渗透性、浆膜性能的影响，以期对中温浆纱工艺应用提供参考。

1 试验部分

1.1 材料和仪器

材料：C 14.6 tex 纱，变性淀粉SPR，快速渗透剂T，脂肪醇聚氧乙烯醚磷酸酯（以下简称AEO-3P），斯盘-20，十六烷基三甲基溴化铵（以下简称CTMAB）。仪器：Quanta-450-PEG型扫描电镜，0.5 mm×100 mm 玻璃点样毛细管，GA392 型立式单纱浆纱机，Y171B-1 型毛羽测试仪。

1.2 试验方法

采用纱线沉降法测试浆液的渗透性［6］。采用毛细管法［7］测试浆液表面张力，制备含固率为3%的浆液，分别将不同种类、不同质量分数的表面活性剂加入浆液，测试加入表面活性剂后浆液的毛细高度，计算出表面张力系数。采用粗纱法［8］测试浆液的黏附性，在织物强力仪上测试粗纱的拉伸断裂强力。采用浇铸法制备浆膜［9］，测试浆膜断裂强力及伸长率，采用文献［10］方法计算浆膜强度及伸长率，按照文献［11］的方法进行浆膜水溶性和耐屈曲性测试。在YG061M 型电子单纱强力仪上测试浆膜的断裂强力和断裂伸长率。采用GA392 型立式单纱浆纱机进行浆纱，按照文献［12］方法测试浆纱性能。采用氢氧化钠退浆法测试上浆率［13］。

2 结果与讨论

2.1 表面活性剂的作用机理

表面活性剂有亲水基团和疏水基团。表面活性剂分子在溶液内部形成自聚，存在形式为胶团，开始形成胶团的浓度叫临界胶束浓度［14］。溶液中表面活性剂浓度非常低时，浆液表面和空气接触，浆液表面张力降低不明显。提高表面活性剂浓度，浆液表面张力会显著下降。同时，水中的表面活性剂分子开始形成小胶团。随着表面活性剂浓度继续增大，溶液达到饱和吸附，形成排列紧密的单分子膜。在表面活性剂浓度大于表面活性剂临界胶束浓度时，继续提高表面活性剂量，溶液表面张力不再下降［15］。当浆液温度降低时，其渗透性下降，上浆率降低，表面活性剂加入后，表面张力下降，浆液渗透性上升。根据表面活性剂的亲水亲油平衡（HLB）值确定了快速渗透剂T、AEO-3P、斯盘-20、CTMAB 这4 种表面活性剂，HLB值在8～10，可与水形成稳定的乳液状。

2.2 表面活性剂种类与浆液性能

2.2.1 浆液渗透性与表面张力

对比不同种类表面活性剂浆液与65 ℃、95 ℃下未添加表面活性剂浆液的渗透时间及最小表面张力系数，结果见表1。由表1 可知，添加表面活性剂后浆液渗透时间和表面张力系数都大幅降低。加入快速渗透剂T 后，浆液渗透时间仅为2.8 s，最小表面张力系数比其他3 种表面活性剂都低，对降低浆液表面张力效果最好，这是由于渗透剂具有两亲特性，加快了浆液对纱线中非纤维素物质的扩散能力。

表1 表面活性剂种类对浆液渗透性能的影响

2.2.2 浆液黏附性

不同表面活性剂对粗纱上浆率和强力的影响见表2，表面活性剂质量分数均为0.3%。

由表2 可知，中温条件下（65 ℃）的粗纱上浆率和粗纱强力比高温条件下（95 ℃）的都低，中温条件下浆液添加表面活性剂可使粗纱上浆率及对粗纱的黏附性显著提高，快速渗透剂T 的性能优于其他3 种表面活性剂。这是由于纱线组分中含有非纤维素棉蜡、果胶等疏水物质，中温条件下难以去除，降低了浆液对纱线的黏附能力，而中温条件下渗透剂可加快浆液在纱线非纤维素物质中的传递能力，表现出高的上浆率和黏附力。

2.2.3 浆膜性能

不同表面活性剂对浆膜性能的影响见表3。

表3 不同表面活性剂下的浆膜性能

浆液成膜性随表面活性剂的加入明显变差，耐屈曲性变差。加入快速渗透剂T 后，浆膜强度稍高于65 ℃时未添加表面活性剂的浆膜强度，而加入AEO-3P 及斯盘-20 后浆膜强度明显降低，浆膜伸长率、水溶速率变化不明显，吸湿变弱。这是由于表面活性剂影响了浆料各组分之间的相容性，浆膜致密性变差，导致内聚力降低，表现出低的断裂强度。

2.3 表面活性剂的加入方式

将质量分数为0.2%的快速渗透剂T 以两种方式加入到温度为65 ℃、含固率为12%的浆液中。方式1 是浆料与表面活性剂同时加入到调浆桶中；方式2 是在浆液调制好后再将表面活性剂加入。方式1 所得浆液在纱线中的平均渗透时间为16.5 s，渗透时间CV为0.105 6%；方式2 浆液平均渗透时间为12.5 s，渗透时间CV为0.166 4%。方式2 的浆液渗透时间明显要短，说明浆液调制好后加入渗透剂渗透性更好。

2.4 表面活性剂质量分数对浆液性能的影响

将表面活性剂加入到温度为65 ℃、含固率为12%的浆液中，分别测试表面活性剂质量分数在0.1%～0.9%时浆液对粗纱的渗透性、黏附性及浆膜性能。

2.4.1 渗透性与表面张力系数

表面活性剂质量分数与浆液渗透性、表面张力系数的关系见图1。从图1（a）可以看出，随表面活性剂质量分数的增加，浆液的渗透时间总体呈现降低趋势。当快速渗透剂T 的临界胶束浓度为0.5%、质量分数为0.6%时，浆液最短渗透时间为2.8 s；当AEO-3P 临界胶束浓度为0.4%、质量分数为0.5%时，浆液最短渗透时间为3.4 s，此后随着质量分数增加渗透时间不再明显降低；当斯盘-20 临界胶束浓度为0.6%、质量分数为0.7%时，浆液最短渗透时间为5.8 s；当CTMAB临界胶束浓度为0.4%、质量分数为0.5%时浆液最短渗透时间为3.0 s。由此可见，最短浆液渗透时间都出现在质量分数稍大于临界胶束浓度时。从图1（b）可以看出，随着表面活性剂质量分数的增加，浆液表面张力总体呈下降趋势，浆液表面张力最小值都在临界胶束浓度的下一个质量分数梯度时出现，这个结果和渗透性测试结果一致。

图1 浆液渗透性、表面张力系数与表面活性剂质量分数的关系

2.4.2 浆液黏附性

表面活性剂质量分数对浆液黏附性的影响情况见图2。从图2（a）可看出，随着表面活性剂质量分数增加，粗纱上浆率总体呈增大趋势，都在稍大于表面活性剂临界胶束浓度时有比较大的粗纱上浆率。这是由于此时浆液表面活性相对最强，浆液表面张力相对最小，足量的浆液渗透至粗纱中。对比65 ℃未添加表面活性剂和95 ℃未添加表面活性剂的粗纱上浆率6.88%、11.61%，当添加表面活性剂后，粗纱上浆率在6.88%～11.61%，说明表面活性剂有利于提高中温浆纱的上浆率。从图2（b）可看出，在表面活性剂质量分数为0.3%时，或小于0.3%时，粗纱强力相对较大，此后随着表面活性剂质量分数的增大，粗纱上浆率虽然增大，但粗纱强力反而下降。这是由于粗纱上浆液虽然增多，但表面活性剂也增多，过多会阻碍浆液对纤维的黏附，因此出现强力下降。对比65 ℃未添加表面活性剂和95 ℃未添加表面活性剂的粗纱强力33.7 N、67.9 N，添加表面活性剂时，粗纱强力在33.7 N～67.9 N，说明表面活性剂的添加有利于提高中温浆纱时对粗纱的黏附性。

图2 浆液黏附性与表面活性剂质量分数的关系

2.4.3 浆膜性能

表面活性剂质量分数对浆膜性能的影响见图3。从图3 可以看出，当表面活性剂质量分数最小（0.1%）时浆膜强度最大，随着表面活性剂质量分数的增大，浆膜强度下降。这是由于浆料分子之间结合力无杂质干扰，浆膜致密性高，强力大。加入表面活性剂使浆液和表面活性剂形成了两相物质，表面活性剂的质量分数越大，浆膜中相畴尺寸也越大，界面结合力下降，导致浆膜力学性能下降，耐屈曲性也随之下降。随表面活性剂质量分数增大，浆膜的吸湿率下降，浆膜的吸湿性能降低。

图3 浆膜性能与表面活性剂质量分数的关系

2.5 中温浆纱试验

选用SPR 淀粉为主的浆料配方，浆液含固率12%，其中配方1 为未添加表面活性剂且浆纱温度95 ℃，配方2 为未添加表面活性剂且浆纱温度为65 ℃，配方3 为添加0.2%快速渗透剂T 且浆纱温度为65 ℃。各配方浆纱性能如下，其中C 14.6 tex 原纱断裂强力为110.6 cN，断裂伸长率为6.40%。

采用表面活性剂中温浆纱后浆纱强力、毛羽降低率接近高温浆纱。这是因为加入表面活性剂后，浆液的渗透性显著改善。

原纱和浆纱的纵向扫描电镜见图4。

图4 原纱与浆纱纵面形态图

从图4 可以看出，加入表面活性剂后，浆纱表面非常光滑，集束性好，纱体外几乎没有毛羽。

3 结论

（1）浆液中加入表面活性剂后，浆液表面张力显著降低，提高了浆液渗透性能。当表面活性剂质量分数稍大于表面活性剂临界胶束浓度时，浆液表面张力最小，渗透时间最短，上浆率最大。

（2）浆液与表面活性剂协同作用，能显著提高中温浆纱的性能。在试验选用的表面活性剂中，快速渗透剂T 降低浆液表面张力效果最好，当其质量分数在0.2%时，浆纱效果较好。