我国纤维化油剂的生产与应用

我国纤维化油剂的生产与应用

化学飞机油是纺织机行业不可避免的一部分。它能调节纤维的摩擦特性,防止或消除静电积累,赋予纤维平滑、柔软等特性,使化学纤维顺利通过纺丝、拉伸、加弹纺纱、织造等工序,确保化纤生产的顺利进行。尽管化纤油剂在化纤生产中的用量仅为0.15%~2.5%,但它对纤维的质量起着举足轻重的作用。根据2008年世界化学纤维3960万t耗用化纤油剂约45万t来估算,我国“十二五”期间化学纤维年产量预计将达4600万t,年耗用化纤油剂也将超过45万t。但我国化纤油剂的研制、生产速度远远跟不上市场需求。据统计,目前全国(包括在国内生产的外资企业)的最大年产量仅20余万吨,有40%左右的化纤油剂依赖进口。且在质量、技术、品种等方面与世界先进国家存在较大差距,尤其是纺丝牵伸后加工油剂,油膜性能差,质量波动大,对纤维染色性能有较大影响。我国化纤产品中多品种、小批量、高纺速阶段的合成纤维及细旦等各种差别化聚酯长丝产品所需的油剂也基本依赖进口。1化纤油剂生产设备化纤油剂的发展至今已有5代:第1代以矿物油为主,再添加乳化剂和抗静电剂组成;第2代以脂肪酸酯为主体;第3代以脂肪酸酯和环氧丙烷/环氧乙烷、聚醚并用组成;第4代以环氧丙烷/环氧乙烷聚醚为主。随着化纤长丝向高速、超高速化及多功能性发展,由改性环氧丙烷/环氧乙烷聚醚及有低摩擦、超耐热、易湿润等特种功能成分和添加剂组成的第5代油剂应运而生。美国、德国、英国、日本等国家对化纤油剂的研究一直很活跃,不仅研制出不少新型高效油剂,还运用复配技术开发出抗静电性好、平滑性与集束性比较理想的复合型油剂。我国自20世纪90年代以后,油剂的品种数量、技术水平和生产规模都发展较快,生产各类化纤油剂几十种,年产量达到20余万吨。国内涤纶产量近年来已占纤维生产总量的60%,涤纶长丝油剂的使用量已占油剂总用量的45%。涤纶长丝油剂一般由各种基础油剂和各类表面活性剂组成,需兼顾润滑性、抗静电性、耐热性、粘性,使相互矛盾的性能要求得到均衡满足,有时组分多达十几种。因此,研究组分性能,掌握单体合成、微乳化、复配增效技术,匹配化纤生产工艺等是涤纶长丝油剂研制过程中需要不断研究和解决的问题。目前国内大型化纤厂的涤纶长丝和高速纺油剂基本上还依靠进口(小化纤厂为降低成本大多选用国产油剂),目前每年的进口达数万吨之多。辽化、天津石化、丹东化纤、黑龙江化纤、仪征化纤等万吨级涤纶短纤维生产厂家都采用进口油剂。上海石化总厂涤纶一厂和二厂使用国产E-500和进口E600复配油剂,存在温湿差异适应性问题,纤维可纺性能不太稳定。目前涤纶长丝用油剂的国产化率低于30%(DTY络筒油剂的国产化率约在80%左右,POY油剂的国产化率约50%,FDY细旦丝油剂的国产化率约占40%)。现阶段,我国的化纤油剂产业与国际上化纤油剂发展的5个阶段相对照,第1代油剂已国产化,第2代油剂仍有进口,第3代和第4代油剂已在开发但大部分品种依赖进口,第5代油剂尚处于探索和试制中。表1为国内部分化纤油剂生产企业的产品牌号。涤纶短纤维油剂不但要满足化纤厂生产,还要满足纺织厂后加工的需要,开发难度大,国产化率较低。上海石化、辽阳石化、仪征化纤等大型化纤厂,原料为优质聚酯,拉伸速度快,大部分选用从日本竹本油脂公司和松本公司进口的油剂,占总用量的80%(近年来也有使用德国双S公司即Schill+Seilacher公司的油剂)。另一类小化纤厂,采用大化纤厂的废料和聚酯废瓶作原料,拉伸速度慢,初期都选用SN、脂肪醇聚氧乙烯醚和甘油三组分复配而成的第1代短纤维用油剂;90年代小化纤厂生产能力迅速扩大和拉伸速度提高后,基本上都选用以烷基磷酸酯为抗静电剂油剂的第2代国产短纤维油剂。2油涂层的开发要求和主要组成2.1化纤行业细旦化、差别化和功能化的要求,在纺丝过程中起着市场化学纤维上油后,有的需经高温拉伸和干燥,成品丝还要进行后加工、加弹、织造等工序,因此化纤油剂应有一定的耐热性,受热时不分解、少挥发,不使纤维着色;化纤油剂还要有一定的油膜强度,有良好的平滑性,使纤维生产及后加工过程中无毛丝、断头,尽量减少白粉、析出物;由于纺丝使用油剂时经常是水包油型的悬浮液,所以其中必须含有乳化剂;化纤油剂还要能赋予纤维优异的抗静电性能等。所以,化纤油剂的主要成分包括平滑剂、乳化剂、抗静电剂,还可根据纤维的不同用途添加其他成分,如硅油、抗飞溅剂、抗氧剂、防霉剂、防锈剂、消泡剂、与橡胶附着的促进剂、有机溶剂和水等。其中,平滑剂主要是合成脂肪酸酯、聚醚和少量矿物油;乳化剂以聚氧乙烯醚类为主;而抗静电剂主要是烷基磷酸酯和烷基醚磷酸酯。在配制油剂时,单靠一种表面活性剂很难适应各方面的要求。因此常常需要运用专门的复配增效技术把几种不同类型和型号的表面活性剂复配在一起,相互取长补短发挥其协同效应。根据具体纤维的特性,纺丝工艺对油剂性能的要求,运用专门技术才能制备出合格的油剂产品。随着化纤工业的飞速发展和功能性织物种类的增多,化纤行业已朝着细旦化、超高速化、大容量、短流程、差别化、功能化方向发展,加上新工艺、新设备的使用和生态环保意识的加强,对化纤油剂提出了更高的要求。于是,化纤油剂的发展方向是适应化学纤维生产和工艺改进的需要,做到新型化、差别化、系列化、功能化、绿色化,既要求一种油剂能满足不同品种的要求,又对专用油剂提出越来越高的要求。化纤油剂不仅要满足纤维正常的生产要求,同时还要通过油剂实现纤维具备拒水、拒油、抗菌、手感柔软、滑爽等独特的性能。化纤油剂的绿色化要求油剂产品无毒、无害、易于使用,同时具有良好的可降解性能,例如在络筒油剂用一种能完全生物降解的聚碳酸酯来代替矿物油做润滑剂,使该润滑剂成品油剂的生物降解率达90%以上。在纤维制造工艺中,为了提高生产效率,纺丝速度越来越快,特别是涤纶、锦纶等合成纤维的纺丝工艺。作为高速纺涤纶长丝油剂,既要满足3500~5000m/min的高速纺丝卷绕工序,又要满足纺丝后600~800m/min高速拉伸变形工序的技术要求(预计将来还将进一步提高)。因此高速纺涤纶长丝油剂,除了应具备一般长丝油剂所需要的集束性、平滑性、抗静电性等技术要求外,还应具备以下特点:(1)较高的耐热性:高速纺涤纶油剂其发烟温度应高于165℃,而分解温度低于220℃;(2)高渗透性:高速纺的卷绕速度大大高于常规纺,要求保证高速纺涤纶油剂在高速下能迅速均匀附着在纤维上;(3)高油膜强度:在丝的表面形成均一薄膜以保护纤维,减少白粉量;(4)较好的相容性和稳定性:保证油剂顺利通过油嘴,并使纤维上油均匀,油剂中各组分必须相溶,所配制的乳液要稳定;(5)生态环保:传统乳化剂应用各种烷基酚聚氧乙烯醚(APEO),而APEO对人类生态环境的潜在危害已经被确认,必须要有安全的替代产品(近年来,无规聚醚已被广泛应用于高速纺涤纶油剂中)。现在使用的普通油剂能赋予纤维平滑性、抗静电等性能,并能保持一定的上油率,但在纺丝速度较高的情况下就会产生在各种部件上的油剂飞溅。例如丝束通过油槽时的飞溅;将丝集束的内部操作器油剂的飞溅;DTY生产设备O形滚筒上油剂的飞溅;将丝卷起直立后到槽轨时油剂的飞溅等等。所有这些以前不产生油剂飞溅的问题会明显增加,油剂损耗量大,不仅会使操作环境恶化,还会对操作者的安全构成威胁。相应地,在长丝的DTY加工过程中,丝束通过油槽时油剂的飞溅,DTY设备摩擦棒上油剂的飞溅,纤维丝束通过分丝板时油剂的飞溅等等也将更加突出。另一方面,各类网络低弹丝产量的增加,油剂的飞溅问题更加明显。网络丝在加工过程中,丝条被气流吹松后,产生强烈的旋转和振动,使纤维表面的部分油剂被吹溅开。在DTY加工过程中,由于丝束有网络