聚苯硫醚短纖維紡絲油劑的研制

徐進(jìn)云，魏俊富，楊洪祥

（1.天津工業(yè)大學(xué)紡織助劑有限公司，天津 300160；2.天津工業(yè)大學(xué)環(huán)境與化學(xué)工程學(xué)院，天津 300160）

聚苯硫醚短纖維紡絲油劑的研制

徐進(jìn)云1，魏俊富2，楊洪祥1

（1.天津工業(yè)大學(xué)紡織助劑有限公司，天津 300160；2.天津工業(yè)大學(xué)環(huán)境與化學(xué)工程學(xué)院，天津 300160）

采用了烷基磷酸酯鹽、烷基醚磷酸酯鹽和兩性表面活性劑的復(fù)合抗靜電體系，并以特種聚醚為摩擦調(diào)整劑，開發(fā)出具有優(yōu)異的抗靜電性、較高的油膜強度、適宜的摩擦特性以及良好表面特性的聚苯硫醚短纖維紡絲油劑.實踐表明：該油劑具有很好的可紡性、梳理性和成紗性，能滿足聚苯硫醚短纖維紡絲和后加工的要求.

聚苯硫醚；短纖維；磷酸酯；烷基醚；油劑；摩擦；抗靜電

聚苯硫醚的全稱為聚苯撐硫醚，也稱為聚亞苯基硫醚，英文名稱為polyphenylene sulfide，簡稱PPS，是1973年在美國開始工業(yè)化生產(chǎn)的一種特種工程材料.聚苯硫醚纖維是一種高性能纖維，具有優(yōu)異的耐熱性、耐腐蝕性、阻燃性、絕緣性和防輻射性，因此具有廣泛的用途，在環(huán)境保護(hù)、化學(xué)工業(yè)過濾和軍事等領(lǐng)域中的應(yīng)用尤為突出.聚苯硫醚纖維是我國“十一五”規(guī)劃期間產(chǎn)業(yè)化重點發(fā)展的高性能纖維之一.聚苯硫醚短纖維的開發(fā)離不開專用油劑的配套使用，而目前國外公司對聚苯硫醚短纖維專用紡絲油劑實行嚴(yán)格的技術(shù)封鎖，在很大程度上制約了聚苯硫醚短纖維的開發(fā)和應(yīng)用.為促進(jìn)國內(nèi)聚苯硫醚短纖維行業(yè)的快速發(fā)展，天津工業(yè)大學(xué)紡織助劑有限公司組織專項課題組，系統(tǒng)研究聚苯硫醚短纖維紡絲工藝和下游無紡布工藝及紡紗工藝對油劑的要求，成功開發(fā)出具有優(yōu)異的抗靜電性、較高的油膜強度、適宜的摩擦特性以及良好表面特性的聚苯硫醚短纖維專用紡絲油劑.

1 實驗部分

1.1 材料和儀器

纖維材料：聚苯硫醚短纖維，2.2 dtex×51 mm，四川得陽特種新材料有限公司生產(chǎn).

儀器：JZHY1-180型表面張力儀，承德實驗總廠產(chǎn)品；MRS-10A型四球摩擦儀，濟(jì)南思達(dá)測試技術(shù)有限公司產(chǎn)品；YG321型纖維比電阻儀，常州紡織儀器廠產(chǎn)品；Y151型紗線摩擦因數(shù)儀，常州第二紡織機械廠產(chǎn)品.

1.2 測試方法

1.2.1 纖維比電阻測試

利用YG321型纖維比電阻儀進(jìn)行測試，纖維質(zhì)量15 g，測試溫度25℃，相對濕度65%.

1.2.2 潤濕性的測試

配制質(zhì)量分?jǐn)?shù)為1%油劑水溶液1 000 mL，將直徑35 mm帆布片掛上5 g砝碼后，放入油劑水溶液中，同時記錄帆布片沉降時間，沉降時間越短，說明潤濕性越好，取10次平均值，測試溫度30℃.

1.2.3 表面張力的測試

使用JZHY1-180型表面張力儀測定一定濃度油劑乳液的表面張力.

1.2.4 油膜強度的測試

利用MRS-10A型4球摩擦儀，以油膜剛好破裂時的壓力值來表示.數(shù)值越大，說明油膜強度越高.

場地污染調(diào)查，通過利用網(wǎng)格布點、鉆孔，進(jìn)一步細(xì)化場地污染邊界和深度，精確柔性垂直防滲阻隔邊界的阻隔范圍［4］。

1.2.5 摩擦因數(shù)的測試

用Y151型紗線摩擦系數(shù)測定儀測定，測試速度為90 r/min，包角為180°.摩擦因數(shù)包括纖維與纖維之間的靜、動摩擦因數(shù)和纖維與金屬之間的靜、動摩擦因數(shù).

2 結(jié)果與討論

2.1 聚苯硫醚短纖維生產(chǎn)和加工工藝對油劑的要求

聚苯硫醚短纖維生產(chǎn)工藝由于速度快、纖度小、比表面積大，因此要求油劑具有較好的潤濕性，能快速、均勻地鋪展在纖維的表面，確保上油均勻.聚苯硫醚短纖維的后加工包括無紡布和紡紗等工藝路線，梳理速度快、摩擦部件多，油劑要具有較好的平滑性和適宜的抱合性，能夠為高速運行的絲束提供充分的保護(hù)，減少毛絲、斷頭、纏輥、纏皮圈；油劑還要具有良好的抗靜電性，減少絲束由于高速摩擦而產(chǎn)生并堆積靜電；同時油劑也要具有較高的油膜強度，避免由于和金屬、橡膠、陶瓷等部件的高速摩擦導(dǎo)致油膜破裂而產(chǎn)生毛絲、斷頭，影響紗線強力和伸長[1].此外，還要求油劑具有較好的耐熱性、配制簡單、乳液穩(wěn)定、不易腐敗、泡沫小、無異味、無毒害.

2.2 油劑的摩擦性能

油劑的摩擦性能對于聚苯硫醚短纖維紡絲和后加工影響很大.表示摩擦特性的主要指標(biāo)是摩擦系數(shù).聚苯硫醚短纖維在紡絲和加工過程中，纖維與金屬、橡膠、陶瓷等部件之間的接觸面積很大，油劑必須具備優(yōu)異的平滑性，以降低纖維與金屬等接觸部件之間的動摩擦系數(shù)，減少由摩擦帶來的毛絲、斷頭等問題；而纖維在拉伸和梳理過程中要求有適宜的靜摩擦系數(shù)（即適宜的集束性），纖維間的靜摩擦因數(shù)過小會造成纖維之間的抱合力過小，導(dǎo)致絲束蓬松、梳理不暢[2].所以，處理好油劑平滑性和抱合性的關(guān)系非常重要.表1列出了幾種化纖油劑中常用的非離子型和陰離子型表面活性劑的摩擦性能.

表1 各類型表面活性劑的摩擦因數(shù)Tab.1 Friction coefficient of different surfactants

從表1中數(shù)據(jù)可以看出，纖維與金屬之間的動摩擦因數(shù)（μd，數(shù)值越小，平滑性越好）由大到小依次為：C18烷基二甲基羥乙基銨鹽＞壬基酚醚＞C12烷基醚磷酸酯鉀鹽＞C12烷基醚＞C18烷基磷酸酯鉀鹽.

纖維與纖維之間的靜摩擦因數(shù)（μs）由大到小依次為：壬基酚醚＞C12烷基醚磷酸酯鉀鹽＞C12烷基醚＞C18烷基磷酸酯鉀鹽＞C18烷基二甲基羥乙基銨鹽.

從以上規(guī)律可以看出，高碳醇磷酸酯鉀鹽具有較好的平滑性，而某些聚醚具有較好的抱合性.在充分研究了聚苯硫醚短纖維紡絲和加工的各個工序?qū)δΣ列阅艿囊?，并兼顧油劑的抗靜電性、潤濕性等其他性能，在設(shè)計配方時選用了不同碳鏈長度的烷基磷酸酯鹽，并導(dǎo)入了適當(dāng)數(shù)量的聚氧乙烯基團(tuán)作為主體平滑劑，與烷基聚氧乙烯醚、聚氧乙烯酯等表面活性劑一起來調(diào)節(jié)纖維的摩擦系數(shù)值，得到了比較好的可紡性能.表2列出了本項目研制的聚苯硫醚短纖維油劑FSM-1的摩擦因數(shù).

表2 油劑的摩擦因數(shù)Tab.2 Friction coefficient of finish

2.3 油劑的抗靜電性

在化纖油劑中常用的抗靜電劑主要有離子型和非離子型兩種，其中離子型又可分為陰離子型、陽離子型和兩性型[3].陽離子型抗靜電劑含有帶正電荷的親水基，能中和纖維表面所帶的負(fù)電荷，因此抗靜電效果優(yōu)于陰離子型抗靜電劑和非離子型抗靜電劑；此外陽離子型抗靜電劑對纖維表面有定向吸附性，即使在較低濕度環(huán)境下也可發(fā)揮較好的抗靜電作用.研究發(fā)現(xiàn)，使用陽離子型抗靜電劑后，聚苯硫醚短纖維的體積比電阻不僅小，而且手感柔軟.盡管陽離子型抗靜電劑具有較好的抗靜電效果，但是由于對金屬材料有腐蝕作用，并且容易與某些染料產(chǎn)生染斑，因此在油劑配方設(shè)計中很少被采用.

兩性型抗靜電劑的抗靜電效果可與陽離子型抗靜電劑媲美.它可同任何離子型染料、表面活性劑同時使用，耐熱性良好，抗靜電性持久，但缺點是價格較高，所以本文在油劑配方設(shè)計中，只選用了少量兩性型抗靜電劑來產(chǎn)生較好的協(xié)同效應(yīng).

非離子型抗靜電劑主要包括聚氧乙烯酯、聚氧乙烯醚、多元醇酯等，表3列出了幾種典型非離子型抗靜電劑的體積比電阻值.

表3 非離子型抗靜電劑體積比電阻Tab.3 Volume resistance of nonionic antistatic agents

通常，非離子型抗靜電劑可與空氣中的水分子結(jié)合，有利于增強纖維的吸濕性，適用于低濕生產(chǎn)環(huán)境，但其抗靜電效果比離子型抗靜電劑差，一般不單獨用作抗靜電劑，而是與離子型抗靜電劑配合使用.這樣不僅能得到較理想的抗靜電效果，還可調(diào)節(jié)纖維的摩擦特性，賦予纖維良好的抱合性等.

陰離子型抗靜電劑中，羧酸鹽、硫酸酯鹽、磺酸鹽表面活性劑的抗靜電效果較差，抗靜電效果最好的是烷基磷酸酯鹽和聚氧乙烯烷基磷酸酯鹽類，它們被吸附于纖維表面后，疏水基朝向纖維一側(cè)，親水基朝向空氣一側(cè)，并與周圍的水分子締合，顯示出良好的抗靜電性能，表4列出了不同結(jié)構(gòu)的陰離子型抗靜電劑的體積比電阻值.

從表4中數(shù)據(jù)可以看出，隨著疏水基碳鏈長度增大，磷酸酯鹽的抗靜電性減弱.相同碳鏈長度的磷酸酯鹽比硫酸酯鹽的抗靜電性好，但缺點是對某些金屬鹽溶解度較小.如果配制配制抗靜電劑溶液的水中含有大量的鈣離子，那么磷酸酯鉀鹽與水中的鈣離子容易生成不溶于水的鈣鹽，影響油劑的抗靜電和平滑作用；如果鈣鹽沉積到纖維表面上，可能會造成纖維粘著或纏繞，所以在制備陰離子型抗靜電劑時應(yīng)使用純度較高的無離子水.

表4 陰離子型抗靜電劑的體積比電阻Tab.4 Volume resistance of anionic antistatic agents

綜合考慮各種抗靜電劑的優(yōu)缺點和應(yīng)用性能，結(jié)合聚苯硫醚短纖紡絲和后加工的實際要求，選擇了陰離子型抗靜電劑中的烷基磷酸酯鹽和烷基醚磷酸酯鹽作為主體抗靜電劑，并選用少量的兩性型抗靜電劑和非離子抗靜電劑作為補充，共同發(fā)揮協(xié)同效應(yīng).

烷基磷酸酯鹽中的碳鏈長度對抗靜電效果影響較大，短碳鏈烷基磷酸酯鹽具有較好的抗靜電性，熔點低，便于配制，但吸濕性也較強，聚苯硫醚短纖維上油后容易吸濕發(fā)粘，紡紗時容易纏輥、斷頭，無紡布過程中梳理困難.長碳鏈烷基（醚）磷酸酯鹽抗靜電性稍差，但施覆于纖維表面后能形成固體潤滑膜，不容易受外界溫濕度條件影響，同時較長的碳鏈也可以提供更好的平滑性.在設(shè)計配方時，選擇了不同碳鏈長度的烷基（醚）磷酸酯組合抗靜電劑，相互補充，得到更好的效果.表5列出了本項目研制的聚苯硫醚短纖維油劑FSM-1在不同濕度條件下的抗靜電性.

表5 油劑在不同濕度時的比電阻Tab.5 Volume resistance of finish with different moisture

從表5可以看出，由于采用復(fù)抗靜電體系，在不同濕度條件下，聚苯硫醚短纖維油劑都具有很好的抗靜電性.

2.4 油劑的潤濕性

聚苯硫醚初生纖維經(jīng)過高倍牽伸，纖維表面積急劇增大，因而要求油劑具有良好的潤濕性，能夠快速、均勻上油，否則會出現(xiàn)局部上油不均勻，纖維整體摩擦特性變差，造成張力波動大、牽伸不勻，甚至出現(xiàn)毛絲、斷頭、纏輥，影響可紡性和產(chǎn)品質(zhì)量.較低的表面張力和較快的潤濕速度可以保證快速、均勻上油.本文選擇了具有支鏈結(jié)構(gòu)、碳鏈長度適中的聚氧乙烯（丙烯）醚來改善、調(diào)整油劑的潤濕性[4].表6列出了本項目研制的聚苯硫醚短纖維油劑FSM-1的潤濕性能.

表6 油劑的潤濕性能Tab.6 Wetness of finish

2.5 油劑的油膜強度

當(dāng)油劑施加到纖維上后，在纖維表面形成一層均勻的油膜，這一層油膜就成為纖維與金屬、橡膠、陶瓷部件之間的摩擦界面.在紡絲和后加工過程中，高速運行的纖維要承受很大的摩擦力和剪切力，這就要求油劑具有一定的油膜強度，避免由于油膜破裂導(dǎo)致摩擦性能改變，纖維不能得到充分保護(hù)而產(chǎn)生毛絲、斷頭，影響可紡性和加工性.在設(shè)計配方時，充分考慮了這一因素，選擇含有極性基團(tuán)的磷酸酯和高分子量聚醚可以有效地提高油膜強度.本項目研制的聚苯硫醚短纖維油劑FSM-1的油膜強度為610 N.

2.6 油劑及乳液的穩(wěn)定性

油劑及乳液的穩(wěn)定性對油劑的應(yīng)用性能具有非常重要的影響.造成油劑及乳液不穩(wěn)定的原因有：配方不合理、乳化劑選擇不當(dāng)或用量不合理、單體組分質(zhì)量波動大、復(fù)配工藝不穩(wěn)定[6].聚苯硫醚短纖維油劑內(nèi)平滑劑比例較大，乳化比較困難.在配方設(shè)計過程中，充分研究了各種乳化劑應(yīng)用性能及乳化性能（如HLB值、乳化力、乳化溫度等），確定了一組合理的乳化劑，使聚苯硫醚短纖維油劑在20～80℃的溫度范圍內(nèi)均可形成均勻、穩(wěn)定的乳液.

2.7 應(yīng)用情況

本課題研制的聚苯硫醚短纖維油劑已經(jīng)成功應(yīng)用于四川得陽特種新材料有限公司聚苯硫醚短纖維生產(chǎn)線，紡絲、牽伸過程順利，紡制的纖維具有適宜的摩擦性能、良好的抗靜電性.在下游無紡布和紡紗過程中，纖維具有很好的梳理性和成紗性能，用戶反應(yīng)良好.

3 結(jié)論

（1）選用了不同碳鏈長度的烷基磷酸酯，并導(dǎo)入了適當(dāng)數(shù)量的聚氧乙稀基團(tuán)作為主體平滑劑，與烷基聚氧乙烯醚、聚氧乙烯酯等表面活性劑一起來調(diào)節(jié)纖維的摩擦系數(shù)值，得到了比較好的摩擦性能.

（2）聚苯硫醚短纖維油劑采用不同碳鏈長度的烷基磷酸酯鹽、烷基醚磷酸酯鹽和兩性表面活性劑組成的復(fù)合抗靜電體系，具有優(yōu)異的抗靜電性.

（3）選擇了具有支鏈結(jié)構(gòu)、碳鏈長度適中的聚氧乙烯（丙烯）醚來改善、調(diào)整油劑的潤濕性，得到了較好的潤濕效果.

（4）選擇含有極性基團(tuán)的磷酸酯和高分子量聚醚可以有效提高聚苯硫醚短纖維油劑的油膜強度.

[1]任華明，李德錦.實用化纖油劑[M].北京：紡織工業(yè)出版社，1987：74-88.

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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

徐進(jìn)云（1973—），男，副研究員，博士研究生.

魏俊富（1963—），男，研究員，博士生導(dǎo)師.E-mail：welcome8114@sina.com