高速縫紉線整理劑無水硅蠟乳液的制備與性能

李偉華，胡敏干，劉一嘉，黃 益，邵建中，

（1.浙江理工大學(xué)生態(tài)染整技術(shù)教育部工程研究中心，浙江杭州 310018；2.海寧綠盾紡織科技有限公司，浙江嘉興 314408）

隨著縫紉機(jī)機(jī)速快速提升，高速穿刺織物時針 與織物劇烈摩擦產(chǎn)生的高熱超過滌綸纖維熔點會使纖維局部熔融，阻礙針眼，染色后的滌綸纖維表面低聚物增多，摩擦系數(shù)增大，滌綸縫紉線在高速機(jī)上的斷頭率增多［1-2］。因此，未整理的滌綸縫紉線已不能滿足高速縫紉的要求。應(yīng)用后整理潤滑油劑可提高縫紉線的耐摩擦性能，使用方便、操作簡單、效果顯著，對設(shè)備要求也不高，已被大多數(shù)縫紉線生產(chǎn)企業(yè)采用［3］。硅蠟整理劑是有效改善縫紉線品質(zhì)的后整理劑，是以二甲基硅油、石蠟和表面活性劑組成的無水乳化體系，相較傳統(tǒng)的白油或二甲基硅油，具有避免線品含油量過高、節(jié)省企業(yè)成本以及提高線品質(zhì)等優(yōu)勢［4-5］。無水硅蠟乳液的穩(wěn)定性和潤滑效果是衡量硅蠟乳液整理劑品質(zhì)的重要指標(biāo)，但制備具有良好穩(wěn)定性和潤滑性的無水硅蠟乳液產(chǎn)品仍是難題。一方面是因為該體系是無水乳化體系，相關(guān)理論及研究尚不及傳統(tǒng)油水乳化體系成熟；另一方面是因為二甲基硅油本身是長鏈柔性大分子，常被用作破乳劑和消泡劑，不易保持穩(wěn)定［6-7］。高品質(zhì)硅蠟整理劑基本依賴進(jìn)口，價格昂貴，因此大多數(shù)國內(nèi)廠家仍使用二甲基硅油處理縫紉線，有的甚至還在使用白油乳液，生產(chǎn)的縫紉線大多為中低端產(chǎn)品，高端縫紉線市場幾乎全被國外企業(yè)壟斷［8］。本文應(yīng)用自行開發(fā)的復(fù)合乳化劑R 制備高速縫紉線整理劑無水硅蠟乳液（硅蠟整理劑），主要研究乳液各組分配比和乳化條件對乳液性能（尤其是穩(wěn)定性）的影響，研制出兼具良好穩(wěn)定性和優(yōu)異潤滑性的無水硅蠟乳液，為制備高品質(zhì)硅蠟整理劑提供理論基礎(chǔ)和實踐指導(dǎo)。

1 實驗

1.1 材料和儀器

材料：二甲基硅油［黏度350、500、1 000 mPa·s（25 ℃），道康寧（張家港）有機(jī)硅有限公司］，全精煉固體石蠟（昆侖牌，大慶煉化公司），復(fù)合乳化劑R（自制），滌綸縫紉線（40s/2，浙江耿基實業(yè)有限公司）。

儀器：高速剪切乳化機(jī)（常州國華電器有限公司），TDL80-2B 高速離心機(jī)（上海安亭科學(xué)儀器廠），TA 1004 電子天平（上海天平儀器廠），MCR51 旋轉(zhuǎn)流變儀［奧地利安東帕（中國）有限公司］，Y110 紗線動態(tài)摩擦系數(shù)測定儀（南通市三思機(jī)電科技有限公司），CX23光學(xué)顯微鏡（日本奧林巴斯公司）。

1.2 無水硅蠟乳液的制備

將復(fù)合乳化劑R 和固體石蠟加熱至80 ℃，攪拌均勻得溶液A；將二甲基硅油加熱至80 ℃得溶液B。將溶液A 緩慢加入溶液B 中，以4 000 r/min 高速剪切乳化20 min，形成石蠟/硅油型（O/O型）無水硅蠟乳液。

1.3 縫紉線整理

將無水硅蠟乳液置于上油機(jī)油箱，加熱至80 ℃，經(jīng)輸送管道輸送至多個儲油盤，儲油盤中的羅拉在轉(zhuǎn)動時表面會沾上一層硅蠟整理劑，當(dāng)縫紉線經(jīng)過時，硅蠟整理液就轉(zhuǎn)移至縫紉線表面形成硅蠟?zāi)ぁ?/p>

1.4 測試

離心穩(wěn)定性：參考常規(guī)水包油型乳液的離心穩(wěn)定性測試方法［9］，將10 mL 無水硅蠟乳液注入離心試管，以3 000 r/min 離心分離30 min，樣品不分層表明穩(wěn)定。根據(jù)出油率評定穩(wěn)定性等級：不出油（石蠟在乳液中的分離量占總加入量的比例為0%）為5 級，出油嚴(yán)重（比例大于40%）為1級，評級情況見表1。

表1 按出油率評價穩(wěn)定性的基本評級

流變性能：采用旋轉(zhuǎn)流變儀測試不同規(guī)格二甲基硅油的黏溫曲線（CP-50 轉(zhuǎn)子，剪切速率501 r/s，溫度20～80 ℃，升溫速率5 ℃/min），選31 個點，每隔0.4 min測一次。

粒徑：采用光學(xué)顯微鏡觀察（目鏡倍數(shù)10X，物鏡倍數(shù)50X，總倍數(shù)500 倍），再用Nano Measurer1.2 軟件測量，每張照片選15個點。

耐摩擦性能：采用紗線動態(tài)摩擦系數(shù)測試儀測試（包角90°，時間30 s，速度100 m/min）。

2 結(jié)果與討論

2.1 無水硅蠟乳液體系研究

2.1.1 固體石蠟號數(shù)

固體石蠟規(guī)格按熔點一般分為42、46、50、52、56、58 號，號數(shù)越大，熔點越高。熔點過高時，熱的硅蠟整理液在輸送過程中會提前凝固，使處理到線上的硅蠟?zāi)げ痪鶆?，影響縫紉線的耐摩擦性能；熔點過低時，如果氣溫較高，硅蠟?zāi)と菀总浕?，削弱潤滑作用，致使線品質(zhì)量變差［10］。以50、52、56、58號固體石蠟為原料制備的硅蠟整理液在輸送過程中均有不同程度的凝固現(xiàn)象；以42、46 號固體石蠟為原料制備的硅蠟整理液未發(fā)生凝固現(xiàn)象，但42 號固體石蠟熔點較低，在夏季高溫下容易軟化，影響線品質(zhì)量。故確定46號固體石蠟作為高溫型硅蠟整理劑的組分原料。

2.1.2 二甲基硅油

由圖1 可以看出，隨著溫度升高，黏度明顯下降；初始黏度較高的硅油黏度隨溫度升高下降較快，1 000 mPa·s 硅油在80 ℃的黏度（約0.45 Pa·s）與350 mPa·s 硅油在20 ℃的黏度（約0.40 Pa·s）接近，表明以1 000 mPa·s硅油為主要原料的高溫型硅蠟整理劑對80 ℃縫紉線的上油率與350 mPa·s 硅油在20 ℃時基本一致，故確定以1 000 mPa·s 硅油作為高溫型硅蠟整理劑組分原料。

圖1 不同規(guī)格硅油的黏溫曲線

2.1.3 各組分配比研究及乳化劑R 作用原理

由表2 可知，硅油和石蠟配比在10.0∶0.5～10.0∶0.8時，應(yīng)用性能較好。這是由于兩者有較好的協(xié)同作用，石蠟潤滑性好且成本低廉，但不耐高溫（高溫下炭化結(jié)焦），在高速縫紉時會堵住針孔，導(dǎo)致斷線停工；硅油耐高溫性好，且具有清潔作用，當(dāng)石蠟炭化時，硅油可將其帶走，保持針孔暢通。不加乳化劑R時，硅蠟整理液穩(wěn)定性較差，應(yīng)用效果也差。這是由于乳化劑R 可連接硅油和石蠟，提高二者相容度［11］。

由表2 可以看出，隨著乳化劑R 用量增加，硅蠟整理液穩(wěn)定性相應(yīng)提高；當(dāng)石蠟與乳化劑R 用量比為1∶1 時，硅蠟整理液的穩(wěn)定性和應(yīng)用效果最好。這是因為乳化劑R 在硅油和石蠟之間起“橋梁”作用。乳化劑R 由直鏈結(jié)構(gòu)的R1 和“Y”型結(jié)構(gòu)的R2 組成［11］。R2具有雙親性，一端親石蠟，另一端親硅油，起到“橋”的作用；R1 具有直鏈型分子結(jié)構(gòu)，可以插入排列規(guī)整的“Y”型R2 分子間，使界面膜排列更致密，增強(qiáng)界面膜的機(jī)械強(qiáng)度，進(jìn)一步提高乳液穩(wěn)定性［12］。同時，R1 和R2 都有羰基，與滌綸纖維上的酯基具有一定的相親性，增加了與滌綸縫紉線的結(jié)合力，提高應(yīng)用效果。乳化劑R 的優(yōu)良乳化作用原理如圖2［11］所示。乳化劑R 用量過高（石蠟與乳化劑R 配比為1.0∶1.5），應(yīng)用效果下降。這可能是由于過多的乳化劑R使硅蠟整理液的滲透鋪展性過好，使留在縫紉線表面的硅蠟整理液減少，耐摩擦性能下降。

圖2 復(fù)合乳化劑R 的乳化作用原理

表2 無水硅蠟乳液各組分配比對乳液性能的影響

綜上所述，當(dāng)硅油和石蠟配比為10.0∶0.5～10.0∶0.8、石蠟和乳化劑R 配比為1∶1 時，硅蠟整理液穩(wěn)定性和應(yīng)用性能均較好，整體性能優(yōu)于其他體系。

2.2 無水硅蠟乳化優(yōu)化工藝

2.2.1 乳化方法

由表3 可知，采用“劑在油中法”制得的無水硅蠟乳液穩(wěn)定性更好，且平均粒徑最小，故確定使用“劑在油中法”制備工藝。

表3 乳化方法對乳液性能的影響

2.2.2 乳化速度

由表4 可知，乳化速度為4 000、4 500 r/min 時，乳液外觀、粒徑和性能更好。鑒于成本因素，確定乳化速度為4 000 r/min。

表4 乳化速度對乳液性能的影響

2.2.3 乳化時間

由表5 可知，乳化時間大于20 min 時，乳液穩(wěn)定性較好，且平均粒徑較小，故確定乳化時間為20 min。

2.2.4 乳化溫度

由表6 可知，80～85 ℃時，乳液外觀、粒徑及性能較優(yōu)。綜合成本因素，確定乳化溫度為80 ℃。

表6 乳化溫度對乳液性能的影響

2.3 應(yīng)用效果

由表7 可知，未處理原樣的摩擦系數(shù)均值和CV值均較高，二甲基硅油處理后摩擦系數(shù)均值和CV 值較原樣分別下降16.6%和28.2%，品牌樣處理后摩擦系數(shù)均值和CV 值較原樣分別下降27.5%和52.9%，自制無水硅蠟乳液處理后摩擦系數(shù)均值和CV 值較原樣分別下降26.6%和52.7%，品牌樣和自制樣的耐摩擦性能均較原樣有較大提升，這反映出經(jīng)品牌硅蠟整理劑和自制無水硅蠟乳液處理的縫紉線在高速通過縫紉機(jī)針眼時受到的摩擦力波動范圍變小，縫紉線的斷線概率減小。

表7 不同油劑處理的縫紉線與未處理縫紉線性能比較

3 結(jié)論

（1）自制復(fù)合乳化劑R 能顯著改善無水硅蠟乳液體系的穩(wěn)定性和應(yīng)用效果。

（2）無水硅蠟乳液優(yōu)化配方和制備工藝∶m（1 000 mPa·s二甲基硅油）∶m（46 號固體石蠟）∶m（復(fù)合乳化劑R）=10.0∶0.6∶0.6，乳化溫度80 ℃，乳化速度4 000 r/min，乳化時間20 min（采用“劑在油中法”進(jìn)行乳化），該工藝下制得的無水硅蠟乳液穩(wěn)定性良好。

（3）自制無水硅蠟乳液整理的縫紉線性能顯著優(yōu)于未整理和單獨用硅油整理的縫紉線，基本達(dá)到國際品牌縫紉線的品質(zhì)。