国产涤纶FDY油剂TF-7616的应用研究

朱足妹,杨梁斌,卢书辉,金鲜花

(浙江传化化学品有限公司,浙江 杭州 311215)

涤纶全拉伸丝(FDY)是通过纺丝-拉伸一步法生产的民用丝,是涤纶长丝的主要品种之一。在涤纶FDY纺丝过程中,纤维丝束与空气、纺丝设备接触发生高速摩擦,同时伴随静电产生,因此需要在FDY纺丝过程中施以油剂在涤纶FDY表面,调节纺丝过程中纤维的摩擦强度,改善纤维的集束性和抗静电性能,使FDY纺丝顺利并满足整经、织造等后道工序的使用要求[1-3]。

目前,我国熔体直纺涤纶FDY生产用油剂主要是从日本竹本公司和德国达柯、双SS公司等国外企业进口,国内虽然有一些油剂厂商已研制成功涤纶FDY油剂,如天津工大纺织助剂有限公司、杭州苏拉特油剂有限公司、浙江皇马化工集团、吴江市良燕纺织助剂厂等,但生产的油剂主要用于性能要求较低的切片纺涤纶FDY生产,而在熔体直纺涤纶FDY生产中的用量较少,与进口油剂相比在产品稳定性和批量应用适用性方面仍有一定差距[4-6]。涤纶FDY油剂各单体组分的结构和配比决定了油剂的最终应用性能。浙江传化化学品有限公司经过多年的油剂单体和构效关系研究,成功开发出适用性较广的涤纶FDY油剂TF-7616产品,先后在杭州天元涤纶有限公司、嘉兴逸鹏化纤有限公司、江苏恒科新材料有限公司等纺丝厂进行批量应用。

作者将国产涤纶FDY油剂TF-7616配制成油剂质量分数为18%的乳液,通过油嘴上油,应用于熔体直纺60 dtex/24 f涤纶FDY半消光圆孔长丝的生产,并与日本竹本油脂公司产的涤纶FDY油剂F-1619进行对比,研究了2种油剂的基本性能和长周期应用性能。

1 实验

1.1 油剂

国产涤纶FDY油剂TF-7616:由合成酯类平滑剂、非离子表面活性剂、阴离子表面活性剂和微量功能性助剂等组成,浙江传化化学品有限公司产;进口涤纶FDY油剂F-1619:日本竹本油脂公司产。

1.2 主要设备和仪器

涤纶FDY熔体直纺纺丝卷绕一体机:日本TMT公司制;pH计:瑞士Mettler Toledo公司制;自动折管式运动黏度测定仪:大连世隆电子设备有限公司制;TL2350型浊度仪:美国哈希公司制;K-100静态表面张力仪:德国Kruss公司制;全自动单一纤维接触角测量仪:德国Data Physics公司制;HCC μ-Meter精密摩擦测量仪:德国霍尼希曼公司制;R-4021A型静电仪:德国霍尼希曼公司制;YG321纤维比电阻仪:常州市第一纺织设备有限公司制;YG086型缕纱测长仪:常州第二纺织仪器厂有限公司制;YG029A型全自动单纱强力机:常州第二纺织仪器厂有限公司制;ME100型乌斯特条干仪:瑞士乌斯特公司制;YG368卷曲收缩率测试仪:常州市中纤检测仪器设备有限公司制;MQC核磁共振分析仪:英国牛津仪器公司制;染色试验编织机和喷射式试样染色机:常州第二纺织仪器厂有限公司制。

1.3 TF-7616油剂在涤纶FDY生产中的应用

将国产TF-7616油剂和进口F-1619油剂分别配制成质量分数为18%的乳液,用于熔体直纺60 dtex/24 f圆孔涤纶FDY半消光长丝的生产,进行油剂可纺性和长周期批量应用试验。涤纶FDY纺丝工艺流程如图1所示,涤纶FDY油剂乳液在油嘴处上油,上油后涤纶原丝经过预网络器进行预集束,经过第一热辊(GR1)拉伸和第二热辊(GR2)定型,再经主网络器打网络,最后卷绕得到FDY产品[1,7-8]。卷绕速度为5 000 m/min, GR1温度为85 ℃, GR2温度为136 ℃,FDY规格60 dtex/24 f、含油率0.9%～1.0%。

图1 涤纶FDY纺丝工艺流程Fig.1 Polyester FDY spinning process1—喷丝板;2—环吹风;3—油嘴;4—甬道;5—预网络器;6—第一热辊;7—第二热辊;8—主网络器;9—卷绕头

油剂可纺性验证:在同一生产线和相同工艺条件下,分别选择6个纺位生产的涤纶FDY对比2种油剂的基本应用性能。

长周期应用验证:在同一生产线和相同工艺条件下,分别选择6个纺位连续生产30 d,对比2种涤纶FDY油剂在此周期内生产的FDY长丝的满卷率和染色M率,观测此周期内热辊的结焦、发烟等纺丝工况。

1.4 分析与测试

1.4.1 油剂性能

pH值:按照HG/T 4164—2010《纺织染整助剂 pH值的测定》,测试油剂质量分数为10%的乳液的pH值。

有效含量:按照HGT 4266—2011《纺织染整助剂 含固量的测定》,取5 g油剂,在105 ℃ 、3 h下测试油剂的活性物质含量。

运动黏度:按照GB/T 10247—2008《黏度测量方法》,采用自动折管式运动黏度仪在40 ℃下测试。

乳液浊度:将油剂配置成质量分数为18%的乳液,采用TL2350型浊度仪测试。

润湿时间:按照GB/T 11983—2008《表面活性剂 润湿力的测定 浸没法》,采用帆布沉降法,在40 ℃恒温条件下测试油剂质量分数为1%的乳液的润湿时间。

表面张力:按照GB/T 22237—2008《表面活性剂 表面张力的测定》,在40 ℃下测试油剂质量分数为18%的乳液的表面张力。

动态接触角(θ):采用全自动单一纤维接触角测量仪,测试10 μL油剂质量分数为18%的乳液滴在光滑的聚酯片过程中其θ随时间(t)的变化,计算动态接触角衰减速率系数(K)。

摩擦系数:采用精密摩擦测量仪测试,以200 m/min的丝速测试纤维与陶瓷(F/C)、纤维与金属(F/M)、纤维与纤维(F/F)的动摩擦系数(μd),以0.05 m/min的丝速测试纤维与纤维的静摩擦系数(μs)。

动摩擦静电压:采用静电仪测试动摩擦过程中F/C、F/M的静电压。

电阻率:按照GB/T 14342—2015《化学纤维 短纤维比电阻试验方法》进行测试。

抱合性:采用剪切毛羽测长法测试丝束分散性,丝束分散的毛羽长度越小,抱合性越好。取30 cm FDY无网络丝,一端固定,另一端悬挂100 g 砝码,自然下垂静置10 s稳定后,从中间剪断,测量切口位置处纤维分散的长度。

热挥发性:称量0.5 g油剂,采用称重法,测试在150 ℃下的热挥发率随时间的变化。

1.4.2 涤纶FDY长丝的性能

线密度:按照GB/T 14343—2008《化学纤维 长丝线密度试验方法》测试。

力学性能:按照GB 9997—88《化学纤维单纤维断裂强力和断裂伸长的测定》测试,取16个试样,每个试样测试3次,取平均值。

条干不匀率:按照GB/T 14346—2015《化学纤维 长丝条干不匀率试验方法 电容法》测试,测试6个试样取平均值。

沸水收缩率:按照GB/T 6505—2017《化学纤维 长丝热收缩率试验方法》测试。

网络度:按照FZ/T 50001—2016《合成纤维 长丝网络度试验方法》,采用目视法测试。

含油率:按照GB/T 6504—2017《化学纤维含油率试验方法》,采用核磁共振分析仪测试纤维上油率。

染色均匀度:按照GB/T 6508—2015《涤纶长丝染色均匀度试验方法》,采用染色试验编制机进行袜带编织和染色评价。染色M率为染色均匀度大于等于4.5级的纤维与所有染色的纤维总数的百分比。

2 结果与讨论

2.1 油剂的物性指标

从表1可知:2种油剂的外观都为透明液体,pH值为7.0～8.0,有效含量即油剂中活性物的质量分数均为90%左右,无明显差异;TF-7616油剂的运动黏度为60 mPa·s,F-1619油剂的运动黏度为69 mPa·s。依据斯特里贝克(Stribeck)润滑曲线,涤纶FDY在纺丝和织造过程中会发生流体润滑,此时摩擦系数与油剂的黏度及其相对运动速度成正比,当油剂黏度较小时流体润滑的摩擦系数更小,平滑性会更好[9]。因此,TF-7616油剂相比F-1619油剂的平滑性更好。

表1 2种油剂的物性指标对比Tab.1 Comparison of physical index of two kinds of spinning finishes

2.2 油剂乳液的稳定性

根据纺丝工艺要求,涤纶FDY油剂需配制成油剂质量分数为10%～20%的乳液,再通过油嘴或油轮对纤维进行上油,而油槽温度约为40 ℃,因此要求油剂乳液在40 ℃左右具有较高的稳定性,保证上油均匀。使用涤纶FDY油剂TF-7616时,一般配制成油剂质量分数为18%的乳液用于纺丝,因此将2种油剂都配制成油剂质量分数为18%的乳液,评价其稳定性。从表2可知:对比初始乳液, F-1619 油剂乳液的浊度比TF-7616油剂乳液的略小,乳化力较好,乳液更泛蓝色透明状;在40 ℃ 、48 h下长时间放置后,TF-7616油剂乳液浊度变化率为1.4%,TF-7616油剂乳液浊度变化率达10.2%,说明TF-7616油剂乳液的稳定性更好,能保证上油过程稳定,避免油剂乳液在油槽中出现凝胶、腐败等问题。

表2 2种油剂乳液的稳定性对比Tab.2 Comparison of emulsion stability of two kinds of spinning finishes

2.3 油剂乳液的润湿性

涤纶FDY生产中纺丝速度达到2 000～3 000 m/min,所以在高速纺丝过程中油剂乳液从油嘴或油轮喷出后应迅速润湿渗透进入丝表面,这就要求油剂具有良好的润湿性能,避免油剂飞溅和滴油。油剂乳液的润湿性直接影响FDY的上油均匀性,从而影响FDY后续加工的稳定性和染色均匀性[10]。2种油剂乳液的润湿性对比见表3和图2。

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表3 2种油剂乳液的润湿性对比Tab.3 Comparison of emulsion wettability of two kinds of spinning finishes

图2 2种油剂乳液的θ随t的变化Fig.2 Plots of θ versus t for emulsions of two kinds of spinning finishes■—TF-7616油剂乳液;●—F-1619油剂乳液

从表3可知:TF-7616油剂乳液的润湿时间为7.54 s,F-1619油剂乳液的润湿时间为8.30 s,表明TF-7616油剂乳液的润湿时间更短,具有更优异的润湿渗透性;另外,测试2种油剂乳液的静态表面张力均在31 mN/m左右,都低于聚酯表面能(约43 mN/m),表明2种油剂都能完全润湿铺展在纤维表面。

根据动态润湿性模型,当油剂乳液附着在纤维表面时,K值可判定油剂乳液对纤维表面的润湿铺展性快慢[11]。由表3和图2还可以看出:TF-7616油剂乳液的K值为0.46,F-1619油剂乳液的K值为0.35,TF-7616油剂乳液的K值略大;TF-7616油剂乳液的θ下降速率比F-1619油剂乳液的更明显。这些表明TF-7616油剂能够充分满足油剂乳液在高速纺丝过程中快速、均匀地润湿、分布在纤维表面的要求,具有更优异的快速润湿渗透性。

2.4 油剂的平滑性

涤纶FDY油剂中的平滑剂能够赋予纤维较小的μd,以减少纤维摩擦损伤,保证纺丝稳定性及FDY的织造应用性能。根据TF-7616油剂所用油酯单体,TF-7616油剂具有较好的平滑性、耐热性[12]。从表4可知,使用TF-7616油剂,F/M、F/C、F/F的μd分别为0.640、0.389、0.503,均较小于使用F-1619油剂的μd,表明TF-7616油剂能够在纺丝和织造过程中保证纤维与陶瓷、金属等材质接触件和纤维单丝间形成较良好的润滑油膜,有效预防纤维因摩擦受损导致毛丝、断头,从而影响FDY品质和后道加工性能。

表4 2种油剂的μd对比Tab.4 Comparison of μd of two kinds of spinning finishes

2.5 油剂的抗静电性

涤纶FDY在高速纺丝过程中因静电积累会导致纺丝过程不稳定,同时在下游整经、高速经编、喷气等织造过程中静电也会引起丝条抖动,造成毛丝、断头和染色不均匀等。因此,涤纶FDY生产中使用的油剂应具有良好的抗静电性。油剂的抗静电性体现在两个方面:一是油剂中抗静电剂在纤维表面均匀分布,提高纤维导电性,从而快速导出产生的静电;二是通过抗静电剂吸附空气中水分,在纤维表面的形成导电的水膜层,达到抗静电效果[13-14]。

通过测试纤维与金属或陶瓷接触件的摩擦过程中积累的动态静电压,可以评价油剂在动态摩擦下的整体抗静电性能。从表5可知:使用TF-7616 油剂,F/M、F/C的动摩擦静电压分别为126 V、-16 V,均小于使用F-1619油剂时F/M、F/C的动摩擦静电压,表明TF-7616油剂消除摩擦产生的静电压后积累的静电压较小,具有较好的抗静电效果;另外,TF-7616油剂的电阻率明显比F-1619油剂的低,表明TF-7616油剂可以快速导出纤维在纺丝或织造过程中产生的静电,从而有效提升油剂的抗静电性。

表5 2种油剂的抗静电性对比Tab.5 Comparison of antistatic property of two kinds of spinning finishes

2.6 油剂的抱合性

在涤纶FDY纺丝过程中,FDY油剂应具有良好的抱合性,防止丝束发散引起丝条抖动和毛丝。由表6可知:使用TF-7616与F-1619油剂时F/F的μs接近,约0.32,表明2种油剂都能够在FDY丝条之间形成良好的黏附性,有效预防FDY在纺丝和下游织造过程中出现单丝分散、丝条抖动和毛丝等问题;另外,采用剪切毛羽测长法进一步评价FDY在一定张力松弛下丝束的分散性,使用TF-7616、F-1619油剂时FDY丝束的剪切毛羽长度分别为50,56 mm,丝束分散的毛羽长度越小,表明使用的油剂抱合性越好,这表明TF-7616油剂比F-1619油剂具有更好的抱合性。

表6 2种油剂的抱合性对比Tab.6 Comparison of cohesion property of two kinds of spinning finishes

2.7 油剂的热挥发性

在涤纶FDY纺丝过程中丝条需经过2对热辊进行拉伸定型,根据纺丝工艺要求,GR2温度较高,在120～150 ℃,在连续纺丝过程中纤维表面上的FDY油剂会积累残留在热辊上,形成黏稠结焦物导致热辊清洗困难,致使热辊清洗周期变短;另外,油剂中低相对分子质量组分易挥发产生油烟,导致车间环境差,甚至危害员工的身体健康。FDY油剂中平滑剂组分占比最多,对耐热性影响较大,因此TF-7616油剂选择具有良好热稳定性、低发烟和生物降解性的合成酯作为平滑剂。从图3可以看出,在150 ℃的持续高温下TF-7616油剂的热挥发率略小于F-1619油剂的热挥发率,表明TF-7616 油剂受热后易挥发组分少,产生的油烟较少。

图3 150 ℃下2种油剂的耐热性对比Fig.3 Comparison of heat resistance of two kinds of spinning finishes at 150 ℃●—TF-7616油剂;■—F-1619油剂

2.8 长周期应用结果

表7 使用不同油剂生产的60 dtex/24 f涤纶FDY的物性指标对比Tab.7 Physical index of 60 dtex/24 f polyester FDY prepared by using different spinning finishes

从表7可以看出:使用TF-7616油剂生产的60 dtex/24 f圆孔涤纶FDY断裂强度为4.43 cN/dtex,断裂伸长率为30.60%,条干不匀率为0.86%,沸水收缩率为7.4%,染色均匀度满足4.5级标准;使用TF-7616油剂与F-1619油剂生产的涤纶FDY的各项物性指标基本接近,表明2种油剂均能满足此规格涤纶FDY的生产要求。

从表8可知:使用2种油剂生产涤纶FDY,油嘴处均无明显飞溅,油剂的消耗量、热辊处气味和结焦情况相当;使用TF-7616油剂时热辊处发烟情况略好于使用F-1619油剂,表明TF-7616油剂具有更好的耐热性;使用TF-7616油剂和F-1619油剂生产涤纶FDY的满卷率分别为98.53%、97.75%,染色M率均为99.98%。另外,将使用TF-7616油剂生产的涤纶FDY经下游高速经编、喷水、喷气等织造厂家使用,无异常反馈,说明TF-7616油剂适用性较广,可满足多种织造工艺使用要求。

表8 使用不同油剂长周期生产涤纶FDY的纺丝工况对比Tab.8 Long-term spinning situation of polyester FDY prepared by using different spinning finishes

长周期应用结果表明,TF-7616油剂完全可替代进口的F-1619油剂满足涤纶FDY的生产和下游织造要求。

3 结论

a.将国产TF-7616油剂与进口F-1619油剂的物性指标、乳化性、润湿性、平滑性、抗静电性、抱合性和耐热性等基本性能进行对比,TF-7616油剂的平滑性、抗静电性和耐热性略好于F-1619油剂,其他应用性能与F-1619油剂相当,满足涤纶FDY纺丝工艺要求。

b.使用TF-7616油剂进行长周期应用试验,连续30 d生产60 dtex/24 f圆孔涤纶FDY,纺丝工况稳定,热辊发烟较小,涤纶FDY的各项物性指标、产品满卷率和染色M率与使用进口F-1619油剂相当。TF-7616油剂可替代进口F-1619油剂应用于熔体直纺涤纶FDY的生产,具有很好的应用前景。