氨纶织物除油剂的制备及其应用性能研究

鲁 浩

(上海喜赫精细化工有限公司,上海 201620)

氨纶弹性模量大,其伸长率可超过400%,甚至高达800%,广泛应用于纺织品中,如泳装面料、内衣面料及外衣服装面料等。氨纶在织造过程中,由于其回潮率低、摩擦系数高,在连续不断摩擦之后,会产生大量静电,造成加工困难[1]。为提高纤维吸湿性,改变纤维表面的导电性能,减少纤维与金属之间的摩擦系数,在氨纶纺丝过程中,通常添加氨纶专用纺丝油剂[2]。目前,氨纶纺丝油剂多以矿物油和硅油为主要成分,这些油剂在氨纶织物染色前必须充分去除干净,否则残留的硅油聚集在织物表面,会导致织物染色出现色花、白斑等疵点[3]。

硅油中的氢键能与氨纶表面上的羧基、羟基形成共价键,对氨纶有很强的亲和力,导致氨纶表面的硅油难以被剥离[4]。另外硅油相对矿物油更加黏稠和难以乳化,未被充分乳化的硅油容易破乳相互聚集,在织物表面上形成拒水膜导致织物染色质量降低[5]。因此,氨纶织物前处理必须使用对硅油具有强力乳化、分散与剥离能力的专用除油剂。单一的表面活性剂并不能实现以上所有功能,根据相似相容和两极互补的理论,将几种对硅油清洗效果优异的原料通过相互复配可以获得较佳的表面活性剂组合,制备用于氨纶织物表面硅油清洗的除油剂。其中,脂肪酸甲酯丙烯酸共聚物(M800)是含有两个疏水基的Gemini表面活性剂,具有疏水基支链化的特点,具有良好的乳化性能和较强的分散性;脂肪酸甲酯乙氧基化物(FMEE)的长碳链结构中含有甲酯支链,分子以弯曲或环状不规则形式吸附在油污表面上,与油污的结合力更牢固,对油污的捕捉和剥离效果明显[6];伯烷基磺酸钠(PAS80)可有效降低硅油界面张力及表面能,提高硅油微乳液体系的稳定性[7];脂肪醇聚氧乙烯醚(AEO-8)具有油水两亲性,在硅油乳化中可以加快乳化的速度[8]。

作者以乳化剂M800、分散剂FMEE、清洗剂AEO-8、渗透剂PAS80为主要原料,复配了一种用于氨纶织物表面硅油清洗的除油剂,通过正交实验分析了4种原料的用量对矿物油和硅油乳化作用的影响,确定了氨纶织物除油剂的较佳配方;并将除油剂用于氨纶织物除油,研究了除油剂用量、除油温度及除油时间对除油效果的影响。

1 实验

1.1 主要原料与仪器

FMEE、PAS80、M800：工业级,上海喜赫精细化工有限公司产;AEO-8：工业级,上海天丰化工科技有限公司产;氨纶织物：4.44 tex 氨纶与3.33 tex锦纶交织的弹力针织物,台华高新染整(嘉兴)有限公司产。

Datacolor 500电脑测色配色仪：天津凯毕德商贸有限公司制;BL390KL型精密天平：杭州亚辉实验仪器有限公司制;Thermo-LST精密移液管：合肥天元进出口有限公司制;KM-HT高温红外染样机：北京四达实验室设备有限公司制;HH-501恒温振荡水浴锅：南昌明辉染整设备有限公司制;209B型电热烘箱：日照达本机械设备制造有限公司制。

1.2 除油剂的配方设计及优化

将4种原料M800、FMEE、AEO-8、PAS80以不同质量百分比复配得到除油剂。以4种原料的用量(以质量分数计)即M800用量(A)、FMEE用量(B)、AEO-8用量(C)、PAS80用量(D)为影响因素,进行4因素3水平正交实验L9(34),见表1。

表1 正交实验的因素及水平Tab.1 Orthogonal experimental factors and levels

1.3 氨纶织物的除油处理

根据氨纶织物油污的程度,配制一定除油剂含量的除油工作液,浴比1：5,以2 ℃/min升温至设定的除油温度,保温一定的时间后充分水洗。

1.4 分析与测试

矿物油乳化性：将10 mL矿物油与40 mL除油剂浓度为5 g/L的待测液置入100 mL带塞量筒中,上下均匀摇晃10次,开始计时,静置10 min后,计量下层分离水相的体积(V1)。V1越小,表明乳液越稳定,待测液的乳化力越好。

硅油乳化性：将10 mL 硅油与 40 mL除油剂浓度为5 g/L的待测液置入100 mL带塞量筒中,上下均匀摇晃10次,开始计时,静置10 min后,计量下层分离水相的体积(V2)。V2越小,表明乳液越稳定,待测液的乳化力越好。

除油率(M)：将矿物油和硅油按质量比2：1混合均匀,作为油污待用;将5 cm×5 cm锦氨混纺布用乙醚浸泡并用酒精彻底清洗干净,烘干后称重并记录初始质量(m1),用移液管准确称1 mL油污均匀滴加在织物上,待油滴扩散后,在110 ℃烘干 10 min ,称重并记录质量(m2);将黏附油污的混纺布按照1.3节工艺进行除油处理,烘干后称重并记录质量(m3),按式(1)计算M。

M=[1-(m3-m1)/(m2-m1)]×100%

(1)

2 结果与讨论

2.1 正交实验结果分析

从表2可知,对于矿物油的乳化,根据V1与极差(R1)大小可得到各因素的影响排列顺序,M800用量(A)的影响最大,FMEE用量(B)的影响次之,PAS80用量(D)和AEO-8用量(C)的影响较小。这是因为M800结构中,含有丙烯酸支链基团,增大了分子的表面积使其具有较稳定的乳化能力,与油剂分子形成的胶束不仅油脂容量体积大而且稳定;FMEE具有甲酯基的分子结构,与矿物油脂分子结构相类似,根据相似相溶机理,FMEE对油脂的溶解能力强,因此对矿物油乳化影响也较为明显[9];AEO-8与PAS80主要是起到降低纤维表面张力的作用,加速工作液在纤维表面的润湿与铺展,有助于对于纤维之间缝隙处的油污去除[10],并且PAS80作为阴离子表面活性剂,增大油污微乳颗粒之间静电斥力,大大提高了油污的乳化稳定性。

表2 正交实验结果Tab.2 Orthogonal experimental results

从表2还可知,对于硅油的乳化,根据V2与极差(R2)大小可得到各因素的影响排列顺序,M800用量(A)和AEO-8用量(C)的影响较大,其次是FMEE用量(B)和PAS80用量(D)。这是因为M800不仅乳化力强,而且其长烃链疏水基具有非常强的吸附能力,对氨纶表面硅油的置换能力强,使这些硅油分子容易脱附纤维;FMEE和AEO-8均具有较为均衡的亲水亲油性能[11],亲水基吸附于硅碳表面,亲油基吸附于长烃链,对硅油乳化影响也较为明显;PAS80乳化力较差,可以减弱污垢与氨纶表面的黏附作用,使油污加速分离纤维,对硅油的乳化作用的影响较小。

在氨纶混纺织物中氨纶对油剂的吸附能力远远大于其他纤维[12]。为了获得适合氨纶织物的除油剂,需要除油剂对矿物油和硅油均有较强的乳化力。综合考虑对矿物油和硅油乳化力的影响,确定4种原料用量的较佳组合为A3B2C1D3,即M800质量分数15%、FMEE质量分数10%、AEO-8质量分数5%、PAS80质量分数15%。在确定4种主要原料用量的基础上,再添加其他助剂,可得到较佳的氨纶织物除油剂配方,见表3。

表3 氨纶织物除油剂的配方Tab.3 Formulation of deoiling agent for polyurethane fibers

2.2 除油剂用量对除油效果的影响

根据表3配方配制氨纶织物除油剂,并配制一定除油剂含量的除油工作液,用于氨纶织物表面除油,在除油温度为70 ℃、时间为25 min的条件下,探讨除油剂用量对除油效果的影响。从图1可以看出：随着除油剂浓度的提高,M明显提高;当除油剂浓度为2.5 g/L时,M达73.17%;除油剂浓度超过2.5 g/L后,M提升缓慢,上升曲线逐步平缓。由此可知,考虑到成本因素,选择除油剂浓度为2.5 g/L较合适。

图1 除油剂用量对除油效果的影响Fig.1 Effect of deoiling agent dosage on deoiling effect

2.3 除油温度对除油效果的影响

根据表3配方配制氨纶织物除油剂,并配制一定除油剂含量的除油工作液,用于氨纶织物表面除油,在除油剂浓度为2.5 g/L、除油时间为25 min的条件下,探讨除油温度对除油效果的影响。从图2可以看出：除油温度对M的影响较为明显,除油温度低于40 ℃时M低于27%,除油效率较差;除油温度超过40 ℃后M随除油温度的上升明显提高,当除油温度为70,80,90 ℃时,M分别达73.17%、84.27%、93.38%;继续提高除油温度,M提升缓慢。由此可知,除油温度应控制在90 ℃以内,但在实际生产中除油温度太高,成本增加较多,通常控制除油温度在70 ℃左右。

图2 除油温度对除油效果的影响Fig.2 Effect of deoiling temperature on deoiling effect

2.4 除油时间对除油效果的影响

根据表3配方配制氨纶织物除油剂,并配制一定除油剂含量的除油工作液,用于氨纶织物表面除油,在除油剂浓度为2.5 g/L、除油温度为70 ℃的条件下,探讨除油时间对除油效果的影响,结果见图3。

图3 除油时间对除油效果的影响Fig.3 Effect of deoiling time on deoiling effect

从图3可以看出：随着除油时间的延长,M呈现缓慢上升趋势,当除油时间为25 min时M达73.17%;除油时间超过25 min后M提升很小。因此,实际生产中将除油时间控制在25 min较合适。

3 结论

a.以乳化剂M800、分散剂FMEE、清洗剂AEO-8、渗透剂PAS80为原料,成功配制了一种用于氨纶织物表面清洗的除油剂。正交实验结果表明：M800和FMEE对于矿物油乳化效果的影响比较明显;M800和AEO-8、FMEE对二甲基硅油乳化效果的影响比较明显;除油剂较佳配方为M800质量分数15%、FMEE质量分数10%、AEO-8质量分数5%、PAS80质量分数15%、其他助剂质量分数1.1%、去离子水质量分数53.9%。

b.随着除油剂用量增大,氨纶织物的M显著提高;除油温度低于40 ℃除油效果很差,除油温度高于80 ℃后M提升比较缓慢;随着除油时间的延长,M呈现缓慢上升趋势,除油时间超过25 min后M提升很小;在实际生产中,较佳的除油工艺为除油剂浓度2.5 g/L、除油温度70 ℃、除油时间25 min,在此工艺下氨纶织物的M达73.17%。