滌綸定型輥表面除垢劑的研制

虞 斌 戚雁俊 黃宇陽

(1.上海市環(huán)境科學(xué)研究院，上海 200233；2.上海環(huán)科環(huán)境認(rèn)證有限公司，上海 200233)

滌綸短纖維在加工制造中會(huì)在緊張定型機(jī)輥筒表面形成并積聚一層固化的結(jié)垢物。這種結(jié)垢的存在既影響定型輥筒與滌綸短纖維之間的傳熱效果，也影響滌綸短纖維后加工的定型效果，甚至導(dǎo)致纖維產(chǎn)品的物理-機(jī)械性能和品質(zhì)指標(biāo)不勻和波動(dòng)[1]。目前通常采用物理-機(jī)械的方法，也就是以手工或機(jī)械的方式，借助鏟刀或鋼絲球類器具的刮鏟或打磨，去除緊張定型機(jī)輥筒表面的結(jié)垢。由于纖維加工制造中緊張定型機(jī)輥筒工藝溫度高達(dá)100～180 ℃，即便是這種物理-機(jī)械的方法也只能在后加工設(shè)備檢修的情況下進(jìn)行，而且這類刮鏟或打磨方法很容易損傷緊張定型機(jī)輥筒表面，造成滌綸短纖維生產(chǎn)中毛絲或斷絲的產(chǎn)生或增加[2-3]。

文章嘗試采用滌綸短纖維定型輥表面除垢劑去除結(jié)垢物，既不會(huì)損傷緊張熱定型輥表面，也不會(huì)造成生產(chǎn)中纖維的斷絲或毛絲；不僅穩(wěn)定傳熱和定型效果，而且改善滌綸短纖維品質(zhì)的不勻率。

1 實(shí)驗(yàn)材料與方法

1.1 實(shí)驗(yàn)材料

除垢劑制備所需要的原材料主要包括油酸鉀、苯甲酸鈉、磷酸氫二胺、乳化劑QM-1、助劑QM-2、燒堿和去離子水等化學(xué)品，均為市售工業(yè)級(jí)或食品級(jí)產(chǎn)品。其中乳化劑QM-1溶于水及部分溶劑，在水中的溶解不受pH影響；纖維處理助劑QM-2能溶于氫氧化鈉、碳酸鈉及氨溶液中，能溶于沸水，微溶于冷水。

實(shí)驗(yàn)材料中還涉及常規(guī)滌綸短纖維油劑、模擬實(shí)驗(yàn)用不銹鋼平板等。

1.2 實(shí)驗(yàn)器具

實(shí)驗(yàn)室電子臺(tái)秤、量筒、酒精燈、石棉網(wǎng)、三口燒瓶、溫度計(jì)、機(jī)械攪拌單元、鐵架臺(tái)、石棉網(wǎng)、燒杯、不銹鋼平板、刷子和橡膠防護(hù)手套等。

1.3 配比設(shè)計(jì)

(1)乳液(A)制備。A1按乳化劑QM-1、加熱去離子水和常溫去離子水1∶20∶10的質(zhì)量比制備；A2按乳化劑QM-1、加熱去離子水和常溫去離子水1∶30∶10的質(zhì)量比制備。

(2)NaOH溶液(B)制備。B1按質(zhì)量分?jǐn)?shù)為30%液堿和去離子水1∶5.7的質(zhì)量比，配制質(zhì)量分?jǐn)?shù)為5%的NaOH溶液；B2按質(zhì)量分?jǐn)?shù)30%液堿和去離子水1∶2.7的質(zhì)量比，配制質(zhì)量分?jǐn)?shù)為10%的NaOH溶液。

(3)纖維處理助劑(C)模擬制備。C為助劑QM-2、油酸鉀和苯甲酸鈉按1∶1∶1的質(zhì)量比模擬制備。

(4)配方設(shè)計(jì)。表1是不同除垢劑配方設(shè)計(jì)的匯總(D為磷酸氫二胺)。

表1 不同除垢劑配方

續(xù)表1

(5)除垢劑復(fù)配。按照表1的配方設(shè)計(jì)，依次將乳液(A)、纖維處理助劑(C)和磷酸氫二胺(D)緩慢加入到質(zhì)量分?jǐn)?shù)為5%～10%的NaOH溶液中，攪拌直至溶液充分溶解或混合。

1.4 模擬實(shí)驗(yàn)

(1)模擬結(jié)垢。在實(shí)驗(yàn)室的不銹鋼平板模擬緊張熱定型輥筒表面，且以酒精燈模擬加熱源，在加熱的條件下，將常規(guī)滌綸短纖維油劑反復(fù)涂覆在不銹鋼平板表面，進(jìn)行模擬結(jié)垢實(shí)驗(yàn)。

(2)結(jié)垢清除。在實(shí)驗(yàn)室模擬的緊張熱定型輥筒工況條件下，將實(shí)驗(yàn)室復(fù)配的除垢劑涂刷在結(jié)垢的不銹鋼平板表面，進(jìn)行結(jié)垢清除模擬實(shí)驗(yàn)。

1.5 生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)

(1)結(jié)垢成因。對(duì)生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)緊張定型輥筒無結(jié)垢的空白部位，直接進(jìn)行常規(guī)滌綸短纖維油劑的涂刷試驗(yàn)，以研究緊張定型輥筒結(jié)垢物的基本成因。

(2)結(jié)垢清除。首先將實(shí)驗(yàn)室復(fù)配的除垢劑涂刷在緊張定型輥筒的前述結(jié)垢試驗(yàn)部位，其次涂刷在緊張定型輥筒的工作部位，進(jìn)行生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)結(jié)垢清除試驗(yàn)。

2 結(jié)果與討論

2.1 表面結(jié)垢成因分析

具有緊張定型技術(shù)特征的滌綸短纖維后加工流程，初生纖維在二次加工過程中，通過浸漬、噴淋或涂覆等上油方式，在纖維中添加施以化學(xué)整理劑(即油劑)來調(diào)節(jié)纖維與纖維、纖維與其他接觸部件之間的摩擦因子，減少纖維加工制造中產(chǎn)生的靜電以及改善纖維的平滑性和集束性。

為了確定緊張定型機(jī)輥筒表面產(chǎn)生或形成并積聚的固化結(jié)垢物，分別設(shè)計(jì)了兩種結(jié)垢成因的專項(xiàng)實(shí)驗(yàn)方法。一是通過模擬實(shí)驗(yàn)方法初步確定了這種結(jié)垢物是由纖維所攜帶的油劑造成的；二是在滌綸短纖維生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)，對(duì)緊張定型輥筒無結(jié)垢的空白部位直接涂刷滌綸短纖維油劑數(shù)次，進(jìn)一步驗(yàn)證緊張定型輥筒表面所產(chǎn)生或形成并積聚的結(jié)垢物主要源于滌綸短纖維油劑。

2.2 除垢劑研發(fā)原則[3]

(1)安全可靠。除垢劑應(yīng)當(dāng)對(duì)人體健康無害，對(duì)皮膚刺激性較小并易采取防范措施，比如通過橡膠防護(hù)手套或簡(jiǎn)單的水洗即可清除粘附在皮膚上的除垢劑。

(2)避免腐蝕。除垢劑應(yīng)當(dāng)對(duì)緊張熱定型設(shè)備表面不會(huì)產(chǎn)生腐蝕，從而保證加工裝備的基本使用功能或原有性能不變。

(3)清潔高效。除垢劑應(yīng)當(dāng)能夠清除緊張熱定型設(shè)備表面的油劑污垢，在保證清除效果的同時(shí)，要求清除速度快捷便利。

(4)減少殘留。除垢劑不應(yīng)殘留在緊張熱定型設(shè)備表面，且易于采取防范措施進(jìn)行清除，比如去離子水輔以刷掃。

(5)體現(xiàn)清潔生產(chǎn)。一是整個(gè)清除過程不應(yīng)當(dāng)產(chǎn)生廢液或廢水的二次污染；二是不應(yīng)當(dāng)增加廢液或廢水的治污難度或治污成本。

2.3 除垢劑配方設(shè)計(jì)

在除垢劑配方設(shè)計(jì)方面，主要定性分析和考察乳化劑QM-1質(zhì)量分?jǐn)?shù)、磷酸氫二胺質(zhì)量分?jǐn)?shù)和酸堿度等3個(gè)原材料配比的影響因素。

(1)乳化劑QM-1質(zhì)量分?jǐn)?shù)。SDA-1與SDA-2的主要區(qū)別在于A1和A2，也就是二者的乳化劑QM-1質(zhì)量分?jǐn)?shù)不同。前者按乳化劑QM-1、加熱去離子水和常溫去離子水1∶20∶10的質(zhì)量比制備乳液；后者按1∶30∶10的質(zhì)量比制備乳液。

同理，表1中包括SDA-3與SDA-4順位編號(hào)兩兩對(duì)比的其他7組除垢劑配方設(shè)計(jì)，也都顯示為乳化劑QM-1質(zhì)量分?jǐn)?shù)的區(qū)別。

(2)磷酸氫二胺質(zhì)量分?jǐn)?shù)。SDA-1與SDA-9的主要區(qū)別在于前者的磷酸氫二胺質(zhì)量配比為0.8，而后者則為1.0。同理，包括SDA-2與SDA-10且以此類推的7組配方設(shè)計(jì)，也都表現(xiàn)為磷酸氫二胺質(zhì)量分?jǐn)?shù)的區(qū)別。

(3)除垢劑的酸堿度。SDA-1與SDA-5的主要區(qū)別在于B1和B2，也就是二者的酸堿度不同。其中B1為質(zhì)量分?jǐn)?shù)5%的NaOH溶液，B2為質(zhì)量分?jǐn)?shù)10%的NaOH溶液。同理，包括SDA-2與SDA-6且以此類推的7組配方設(shè)計(jì)，也都表現(xiàn)為兩兩除垢劑酸堿度的區(qū)別。

2.4 結(jié)垢清除效果

(1)模擬結(jié)垢清除實(shí)驗(yàn)。首先，基于實(shí)驗(yàn)室的模擬結(jié)垢，即在實(shí)驗(yàn)室模擬生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)工況的前提下，將除垢劑數(shù)次涂覆在結(jié)垢物表面，并且采用去離子水清洗殘留物；其次，按照表1的編號(hào)順序，逐一進(jìn)行模擬結(jié)垢狀況下的結(jié)垢清除實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，表1中16個(gè)不同配方的除垢劑，均能夠清除不銹鋼平板表面業(yè)已形成并積聚的固化結(jié)垢物。

(2)生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)。基于乳化劑QM-1和磷酸氫二胺質(zhì)量分?jǐn)?shù)以及酸堿度等因素，從表1中針對(duì)性選擇SDA-1、SDA-2、SDA-5和SDA-9等4個(gè)不同配方的除垢劑，在生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)分別進(jìn)行結(jié)垢試驗(yàn)部位和定型輥筒工作部位的結(jié)垢清除效果試驗(yàn)。上述試驗(yàn)結(jié)果同樣表明，這4個(gè)不同配方的除垢劑都能夠清除定型輥表面的結(jié)垢。

(3)除垢劑配方或原材料配比的影響。無論是模擬結(jié)垢清除實(shí)驗(yàn)結(jié)果，還是生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)結(jié)果，可以定性地認(rèn)為本研究所涉及的乳化劑QM-1的質(zhì)量分?jǐn)?shù)區(qū)別(即SDA-1與SDA-2的比對(duì))，磷酸氫二胺質(zhì)量分?jǐn)?shù)區(qū)別(即SDA-1與SDA-9的比對(duì))，以及不同的酸堿度(即SDA-1與SDA-5的比對(duì)，并不會(huì)影響除垢劑的清除效果。

3 結(jié)論

(1)結(jié)垢成因模擬專項(xiàng)實(shí)驗(yàn)和生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)油劑涂刷試驗(yàn)均表明緊張定型輥筒表面所產(chǎn)生或形成并積聚的結(jié)垢物主要源于滌綸短纖維油劑。

(2)模擬結(jié)垢清除實(shí)驗(yàn)和生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)清除試驗(yàn)的結(jié)果表明不同配方的除垢劑，都能夠清除不銹鋼平板表面業(yè)形成并積聚的固化結(jié)垢以及定型輥表面的結(jié)垢。

(3)乳化劑QM-1和磷酸氫二胺質(zhì)量分?jǐn)?shù)以及不同的酸堿度區(qū)別，并不會(huì)影響除垢劑的清除效果。

(4)滌綸短纖維定型輥表面除垢劑具有穩(wěn)定傳熱和定型效果、改善滌綸短纖維品質(zhì)不勻率的特征，符合滌綸短纖維的清潔生產(chǎn)模式。