化纖油劑配制過程對表面張力的影響研究

韓春艷，季 軒，李紅芳

(1.中國石化儀征化纖股份有限公司研究院，江蘇儀征 211900;2.江蘇省高性能纖維重點實驗室，江蘇儀征 211900)

化學纖維上油的目的是在纖維表面形成一層油劑，增加纖維的抱合性、平滑性、抗靜電性等性能，滿足纖維生產(chǎn)及后道加工要求［1］。纖維的上油過程是油劑乳液潤濕纖維表面的過程，纖維生產(chǎn)過程中要求油劑對纖維有很好的潤濕性，即要求油劑能迅速均勻地附著在纖維上并能達到一定的上油率。油劑對纖維的潤濕性能好壞可通過測試油劑乳液的表面張力來表征，當油劑乳液的表面張力低于纖維(聚酯)的臨界表面張力時，油劑乳液才能在纖維的表面均勻鋪展開。一般情況下表面張力越低的油劑對纖維的潤濕滲透性越好，上油效果越好［2］。

化纖油劑中對改善纖維生產(chǎn)及加工性能起主導作用的成分是表面活性劑，其主要作用是降低水溶液的表面張力，對纖維起到很好的潤濕、滲透作用。不同成分的表面活性劑所起的作用不同，用于化纖油劑的表面活性劑一般以復配形式使用，每一品種的油劑中都含有多種不同組分的表面活性劑［3］。

化學短纖維由于要經(jīng)過后道開松、梳棉、紡紗等工序，滿足纖維在整個加工過程中的抱合性、平滑性、抗靜電性等綜合性能要求，一般還需要將幾種油劑單體按一定的比例復配成規(guī)定濃度的混合油劑乳液對纖維進行上油。由于不同油劑中各種表面活性劑的化學組成、分子結(jié)構(gòu)不同，表面活性不同，常溫下油劑呈現(xiàn)的外觀狀態(tài)不同，在水中的溶解、分散性能也不一致，油劑乳液在復配過程中一般需要加熱、攪拌使其均勻乳化或溶解，才能配制成均勻的乳液，對纖維起到較好的潤濕、滲透效果。筆者主要從不同品種油劑的配制及幾種油劑的復配過程進行了試驗，從油劑溶液配制濃度、配制溫度、加熱時間、測試溫度、油劑的不同配比等條件下表面張力的測試結(jié)果進行了對比試驗研究，通過表面張力的變化情況反映油劑對纖維的潤濕、上油效果，為化纖生產(chǎn)過程中油劑乳液的正確調(diào)配、確定最佳配制及上油工藝條件提供參考。

1 儀器及樣品

1.1 試驗儀器

JYW－200自動表面張力儀，承德鼎盛試驗儀器廠;

電子分析天平，精度0.1 mg;

電子恒溫磁力攪拌器，上海特慧實業(yè)有限公司。

1.2 樣品及試劑

滌綸短纖維油劑;

去離子水;

無水乙醇，分析醇。

1.3 試驗方法

化纖油劑主要是通過平滑劑、抗靜電劑、乳化劑、穩(wěn)定劑等各種表面活性劑復配而成的，因此油劑乳液的表面張力測試參照了表面活性劑的測試方法GB/T5549－2010《表面活性劑 用拉起液膜法測定表面張力》［4］。將油劑樣品根據(jù)其有效成分用蒸餾水配成一定濃度的分散均勻的油劑乳液，用無水乙醇或蒸餾水進行儀器校正后測試出乳液的表面張力F，再利用密度儀測試出溶液的密度，根據(jù)公式計算出被測油劑樣品的實際表面張力V。

1.4 表面張力測試原理

將一個平整的圓環(huán)放入待測的表面活性劑溶液中，當圓環(huán)被向上提出液面時，會在圓環(huán)與液面間形成一液膜，此液膜對圓環(huán)產(chǎn)生一個垂直向下的力，測定出拉破圓環(huán)下液膜所需的最小的力，即為該待測溶液的表面張力F，溶液的實際表面張力值V(mN/m)應根據(jù)測得的表面張力值乘以校正因子F而得，計算式為V=p×F，儀器的校正因子F根據(jù)下式計算而得:

式中:C—鉑金圓環(huán)的周長，cm;R—鉑金圓環(huán)的平均半徑，cm;r—鉑金絲的半徑，cm;p—測得表面張力值，mN/m;ρ1—測試溶液的密度，g/cm3;ρ2—空氣的密度，g/cm3。

從校正因子F的計算公式可知，表面張力的計算結(jié)果與鉑金吊環(huán)的半徑R、周長C、環(huán)的面積等有關(guān)，若張力環(huán)發(fā)生傾斜或不呈圓形，測試結(jié)果均會受到影響，因此測試過程中應保持張力吊環(huán)平整、圓整度好，同時在液面中呈水平狀態(tài)。

2 結(jié)果與討論

2.1 測試溫度對油劑乳液表面張力的影響

溶液的表面張力是指作用于表面單位長度邊緣上的力，從能量角度講是單位表面的表面自由能［5］，因此液體的表面張力與溫度有關(guān)。圖1為油劑溶液表面張力測試結(jié)果隨樣品溶液溫度變化的試驗結(jié)果。

圖1 表面張力與油劑乳液測試溫度之間的關(guān)系

從圖1中的測試結(jié)果可看出，油劑的表面張力值受到乳液測試溫度的影響較大，溫度越高，表面張力值越小，因此在表面張力測試過程中，控制測試乳液的溫度非常重要，在相同溫度下測試不同油劑樣品的表面張力才具有可比性。

GB/T5549規(guī)定，表面張力測試可在20～25℃間任選一溫度點，而儀化公司的原輔料質(zhì)量指標則規(guī)定油劑的表面張力均為40℃時測試的值。在實際測試過程中，由于測試儀器難以具備恒溫的條件，若將溶液加熱到40℃后測試，隨著測試過程中溶液溫度的不斷下降，測試結(jié)果也會隨之變化，從而影響測試結(jié)果的穩(wěn)定性、準確性。因此在實際測試過程中，可以將油劑溶液在恒溫室冷卻到20℃進行測量。對不同品種的油劑，統(tǒng)一測試其在20℃時的乳液表面張力，就可以很好地比較不同品種油劑常溫下對纖維潤濕性能的差異。

2.2 油劑品種及配制濃度對油劑乳液表面張力的影響

化纖油劑品種較多，每種油劑所含的活性劑成分不同，在使用時配制的濃度不同，其水溶液的表面張力也就不同，對纖維的潤濕性能也有差異，圖2是3種化纖油劑在不同配制濃度下表面張力的測試結(jié)果。

從圖2可看出，3種油劑的表面張力隨濃度的變化趨勢是一致的，在乳液濃度低于0.05%時，表面張力受濃度的影響非常大，即隨著配制濃度的增加，表面張力急劇下降;而當濃度增加到0.05%以上時，溶液的表面張力隨濃度的變化趨于穩(wěn)定，測試結(jié)果只與油劑的品種有關(guān)，配制濃度的影響很小。這也表明了化纖油劑主要是通過多種表面活性劑配制而成的，具有表面活性劑的性質(zhì)，當溶液中表面活性劑濃度超過其臨界膠束濃度時，油劑中的表面活性劑已達飽和狀態(tài)，溶液的表面張力隨濃度變化很?。?］。

圖2 化纖油劑乳液濃度與表面張力的關(guān)系

圖2中3種油劑表面張力的測試結(jié)果相差較大，表明3種油劑中添加的表面活性劑成分不同，對纖維的潤濕性能也存在差異。由于實際使用中油劑的配制濃度均高于0.05%，因此在進行各種油劑表面張力測試以了解其對纖維的潤濕性能時，可以按照油劑的實際使用濃度或按統(tǒng)一規(guī)定的濃度(如1%)進行配制，測試結(jié)果可反映出不同油劑間的表面張力差異。

2.3 配制溫度對油劑乳液表面張力的影響

不同品種化纖油劑按要求、用途的不同，調(diào)配時添加的表面活性劑種類不同，油劑呈現(xiàn)出的外觀狀態(tài)也不同，有的呈透明油狀，有的呈膏狀，有的呈水溶液狀，其有效成分各不相同，多數(shù)油劑在常溫下不能較好地乳化或溶解，影響使用效果，因此在油劑乳液配制過程中，需要加熱使其適當溶化才能配制均勻。為了解配制油劑溶液時，加熱溫度對其乳化、溶解狀態(tài)及對表面張力測試結(jié)果的影響，筆者對幾種常用短纖油劑進行了不同溫度的配制試驗。圖3為幾種油劑配制溫度與乳液表面張力之間的關(guān)系圖。

通過對幾種油劑在加熱配制過程中的觀察，發(fā)現(xiàn)在常溫時，即使進行攪拌，油劑也不能完全乳化溶解;隨著加熱溫度的升高，油劑乳液分散均勻性逐漸提高;在充分攪拌狀態(tài)下，在加熱溫度達40℃時，膏狀油劑基本能均勻分散于水中。

從圖3中可看出，在40℃到80℃的不同溫度下加熱攪拌乳液，待乳液充分均勻分散后再冷卻至20℃進行表面張力測試，幾種油劑表面張力的測試結(jié)果變化很小，表明加熱到40℃以上，并充分攪拌，才能保證油劑乳化、分散均勻，油劑加熱到不同溫度進行乳化溶解后再冷卻到20℃，乳化液穩(wěn)定性較好，表面張力的測試結(jié)果基本不變。

2.4 加熱攪拌時間對油劑乳液表面張力的影響

在油劑乳液配制過程中，需要充分攪拌才能使脂狀、膏狀油劑均勻分散于蒸餾水中，從而形成穩(wěn)定的分散液，以保證纖維上油的均勻性。筆者在對幾種油劑的配制過程中發(fā)現(xiàn)，加熱攪拌至少需要5 min，油劑才能基本乳化分散均勻。圖4為在加熱到50℃時，不同攪拌時間下配制的油劑乳液冷卻至20℃后的表面張力測試結(jié)果。

從圖4的試驗結(jié)果中可看出，加熱攪拌時間從5 min開始，隨加熱攪拌時間延長，幾種油劑的表面張力測試結(jié)果均略有下降，當加熱時間達到15 min后，測試結(jié)果基本穩(wěn)定。目測配制的溶液狀態(tài)，隨著攪拌時間延長，油劑逐漸乳化分散或溶解于水中，當油劑形成均勻穩(wěn)定的分散乳化液或溶液時，其性能趨于穩(wěn)定，不再變化，冷卻到20℃測試其表面張力也基本穩(wěn)定。

圖4 加熱時間對油劑表面張力的影響

實驗室配制乳液時，由于配制量較小，可使用磁力攪拌器，加熱攪拌15 min左右即可達到均勻穩(wěn)定的狀態(tài)。而在工廠的生產(chǎn)中，一次配制的油劑量大，配制罐體積也大，不容易攪拌均勻，因此需相應延長攪拌配制時間，以達到均勻穩(wěn)定、保證上油的目的。

2.5 不同配比對油劑乳液表面張力的影響

短纖維油劑使用時，需要將幾種油劑單體按一定比例復配成混合乳液后才能對纖維進行上油，由于不同油劑單體的表面張力不同，且有的油劑呈粘稠的膏狀，從油劑桶往配制罐中抽取時容易造成質(zhì)量的波動，因此復配過程中若配比不同則乳液的表面張力會發(fā)生變化，對纖維的上油效果及對纖維的質(zhì)量、后加工性能均會造成影響。圖5是對一種短纖維油劑的3種單體 DX4#、DX6#、DX7#(在20℃時 3 種油劑表面張力分別為 49.7，31.3，26.8 mN/m)按不同配比配制成乳液后表面張力的測試結(jié)果。圖6為持續(xù)5天對某生產(chǎn)中心3種油劑復配的油劑乳液跟蹤取樣后進行表面張力測試的結(jié)果。

圖5 油劑不同配比對表面張力的影響

圖6 不同時間配制的油劑表面張力變化情況

由于3種油劑的表面張力相差較大，因此，圖5中配制比例不同時復配的油劑乳液的表面張力會發(fā)生較大的波動，由于目前短纖后紡第二油劑上油時油劑的溫度較低，油劑溶液表面張力變化范圍大則對纖維的潤濕性能有較大影響。從圖6中也可看出，在纖維生產(chǎn)中油劑調(diào)配崗位上每天實際配制的油劑乳液表面張力存在一定的波動，表明油劑配制過程中3種組分之間的配比有一定波動。由于3種油劑單體組分、性質(zhì)不同，對纖維所起的摩擦性能、抗靜電性能等方面的作用各不相同，因此對同品種纖維，應盡量保證一段時間內(nèi)油劑配制過程中各組分配比的穩(wěn)定，才能保證油劑乳液的質(zhì)量穩(wěn)定及上油纖維的質(zhì)量穩(wěn)定。另一方面，可以根據(jù)不同季節(jié)、不同地區(qū)、不同用戶對纖維的不同加工要求結(jié)合各油劑單體的性能特點，適當調(diào)整配比，改善油劑乳液的性能，改進上油纖維的質(zhì)量特性，滿足不同纖維后加工的需求。

2.6 加熱溫度對不同油劑乳液表面張力的影響

纖維的上油是通過油劑乳液對纖維的逐漸潤濕、滲透來實現(xiàn)的，而且潤濕力可以通過表面張力來反映，一般情況下，表面張力越低，其對纖維的潤濕能力越好。由2.1的試驗可知，油劑乳液的表面張力隨乳液溫度的提高而逐漸下降，也就意味著溫度越高，其潤濕能力越好，對纖維的上油效果越好。

為了比較溫度對不同品種油劑上油效果的影響，筆者對幾種常用短纖油劑的表面張力受溫度變化的情況進行了測試對比，圖7為不同品種油劑表面張力隨溫度變化的情況。

圖7 不同品種油劑表面張力與溫度的關(guān)系

從圖7中的測試結(jié)果可看出，常溫下不同品種油劑溶液的表面張力相差很大，各品種油劑乳液的表面張力值均隨測試液溫度的上升而逐漸下降，雖然不同品種油劑表面張力受溫度變化的影響不同，但隨著乳液溫度的升高，不同品種油劑間的表面張力差異逐漸減小，溫度達65℃時各品種油劑的表面張力均下降到30 mN/m以下，數(shù)值趨于穩(wěn)定，且各種油劑表面張力值基本接近，表明各品種油劑的潤濕性能基本相近，并達到對纖維的最佳潤濕狀態(tài)。

因此，在纖維生產(chǎn)過程中對油劑乳液進行配制時，宜將溫度升到65℃以上并對油劑充分攪拌，待乳化分散均勻后，經(jīng)管道輸送到纖維上油端，并保持溫度在65℃以上，方能有利于各種油劑對纖維的快速潤濕，以提高油劑利用率，保證上油效果。

3 結(jié)論

a)油劑的表面張力受測試溫度的影響較大，對不具備恒溫條件的測試儀器，應在常溫下某一恒定溫度時進行表面張力測試，才能保證測試結(jié)果的穩(wěn)定性，并可以比較不同品種的油劑在常溫下表面張力間的差異;

b)油劑配制濃度達0.05%以上時，表面張力測試結(jié)果只與油劑品種有關(guān)，基本不受配制濃度影響;

c)生產(chǎn)中進行油劑配制時，應經(jīng)過充分加熱和攪拌，使油劑乳液達到完全乳化、分散均勻，才能保證油劑溶液的均勻穩(wěn)定性，但對已經(jīng)乳化溶解充分的油劑溶液再提高加熱溫度或延長攪拌時間，溶液冷卻后的穩(wěn)定性及表面張力測試結(jié)果基本不變;

d)從復配的油劑溶液表面張力變化可反映出幾種油劑單體間的配比發(fā)生波動的情況。由于各油劑單體的活性劑組分、性質(zhì)不同，對纖維所起的作用也各不相同，對同品種纖維，應盡量保證油劑配制過程中各組分配比的穩(wěn)定，才能保證油劑乳液的質(zhì)量穩(wěn)定性及上油纖維的質(zhì)量穩(wěn)定;

e)雖然常溫下不同品種油劑溶液的表面張力不同，對纖維的潤濕性能差異較大，但溫度提高到65℃以上后，各種油劑的表面張力降到最低且數(shù)值相近，潤濕性能相當，因此保證纖維上油溫度在65℃以上，有利于各種油劑對纖維的快速潤濕、上油，提高上油效果。

［1］ 天津市輕工業(yè)化學研究所.合成纖維油劑［M］.北京:紡織工業(yè)出版社，1980:1.

［2］ 天津市輕工業(yè)化學研究所.合成纖維油劑［M］.北京:紡織工業(yè)出版社，1980:24.

［3］ 任華明，李德綿.實用化學纖維油劑［M］.北京:紡織工業(yè)出版社，1993:1－4.

［4］ 莊永斌等.中華人民共和國國家標準GB/T5549－2010，表面活性劑用拉起液膜法測定表面張力［M］.北京:中國標準出版社，2011:1 －3.

［5］ 王世榮，李祥高，劉東志，等.表面活性劑化學［M］.北京:化學工業(yè)出版社，2011:9.

［6］ 陸大年.表面活性劑化學及紡織助劑［M］.北京:中國紡織出版社，2009:24.