表面活性劑在合成纖維油劑中的應用

表面活性劑廣泛用于各個行業(yè)，如化學纖維、醫(yī)藥、化妝品、土木建筑、礦業(yè)開采、洗滌劑、機械潤滑等工業(yè)，其中作為合成纖維制造業(yè)的表面活性劑稱為合成纖維油劑。

由于合成纖維制備工藝過程的需要，對油劑要求具備適當?shù)臐櫥⒓⒖轨o電、潤濕、抗菌等各種功能。所以在合成纖維生產中，油劑給予纖維平滑、柔軟、集束、抗靜電、滲透、抗菌等各種功能，從而可以調節(jié)纖維的摩擦性能，防止加工制造過程中出現(xiàn)靜電積累，使纖維制備順利通過紡絲、牽伸、紡紗、織造等工藝過程。而為使油劑在纖維上順利附著，油劑要具備一定的附著潤濕能力，而為防止油劑本身腐敗需要有一定的抗菌、殺菌能力等。

油劑實際上主要是由多種表面活性劑組成，而且主要性能大多以表面活性劑本身具備的性能為主導。油劑本身所需的各種功能，可由各種各樣的表面活性劑相對應，而每一種表面活性劑往往可具備一種或多種油劑功能所需要的性能，所以實際上，油劑功能是具備不同性能表面活性劑復配的綜合效應。

表面活性劑作為油劑的重要原料可以追溯到二次大戰(zhàn)前后，當時合成纖維剛剛起步，其油劑則主要由一些天然潤滑劑以及初級乳化劑配制而成，這是第一代油劑。到了五、六十年代，合成纖維品種增多、產量多大，油劑亦延變成以酯類表面活性劑為主要原料的第二代。七十年代起，由于合成纖維新品種不斷涌現(xiàn)，加工工藝的現(xiàn)代化，使酯類表面活性劑的某些性能不能滿足工藝需要，油劑逐步開始以醚類的非離子表面活性劑為主題的原料來制備，同時有陰離子表面活性劑、陽離子表面活性劑以及逐步發(fā)展的特種表面活性劑，按需共同調配，以達到適應不斷發(fā)展的合成纖維新工藝的要求。

一、陰離子表面活性劑在合成纖維油劑中的應用

陰離子表面活性劑在油劑中應用主要是以磺酸鹽及磷酸鹽形式。早期油劑抗靜電劑大都以磺酸鹽類為主，但由于該類表面活性劑在油劑中使用有一定局限性，且潤滑及抗靜電性能均遜于磷酸酯類表面活性劑，所以現(xiàn)代油劑中的陰離子表面活性劑以磷酸鹽為主，特別是烷基磷酸酯及其鹽(APK)和它的環(huán)氧乙烷(EO)加成物是現(xiàn)代油劑中優(yōu)良的抗靜電劑及潤滑劑。

APK是目前各類纖維，特別是短纖維油劑中最常用的組份，它具有良好的抗靜電性和平滑性，而且耐熱性能較好，熱揮發(fā)少，并可增加油膜強度以減少絲束磨耗。油劑中常用的APK是以高碳醇(C12~C16)和P2O5進行磷酸化反應，通過水解調節(jié)單雙酯比例，成酯后與KOH中和即得。

1.平滑性及集束性：纖維表面上油后其平滑程度通常用摩擦系數(shù)μ表示，纖維和纖維間摩擦系數(shù)F/Fμ及纖維和金屬間的摩擦系數(shù)F/Mμ與油劑有較大的關聯(lián)。

F/F靜摩擦系數(shù)μs及動摩擦系數(shù)μd和烷基長度有密切關系。當烷基鏈碳數(shù)增加時，F(xiàn)/Fus減少，當烷基鏈增加到C14以上時，μs變化趨于平穩(wěn)，而μd上升。由于平滑性主要取決于μs，所以碳數(shù)增加，平滑性增大，而集束性下降。因此使用APK，在配方中要適量，并選擇合適的烷基碳數(shù)，可獲得滿意結果。

2.抗靜電性：在油劑中加入抗靜電劑，可以克服纖維帶電現(xiàn)象，從而可消除雜紡絲、牽伸、紡織等工序中所產生的毛絲、膨松、斷頭、繞羅拉、下棉網等現(xiàn)象。APK具有良好的抗靜電作用，特別在高濕情況下更為明顯。

抗靜電性受APK中集中因素的影響：

(1)APK烷基碳數(shù)對抗靜電的影響：烷基碳數(shù)增加，疏水基團亦相應增大，而極性基團相對變小，減少了纖維的吸濕性，增加了靜電荷積累，而使抗靜電效果減弱。

(2)APK濃度(M)對抗靜電的影響：一般情況，M越高，抗靜電效果好。例如：C18PK抗靜電效果比C12PK差些，但隨著M升高而差異減小。

(3)APK中的單雙酯比例對抗靜電性的影響：在APK的制備中，由于工藝條件的變化而產生不同比例的單雙酯APK。由于單酯中APK含有二個羥基鉀鹽，而雙酯APK中僅含有一個羥基鉀鹽，前者明顯比后者吸濕性大，而靜電荷積累少，抗靜電性能強。

綜上所述，我們可以依據(jù)他們之間的關系，依據(jù)這些性能的變化，在調制油劑時可按不同的氣候條件，不同纖維種類，甚至不同的合成纖維生產設備來加以選擇。

陰離子表面活性劑除了作為抗靜電劑及平滑劑應用于油劑中外，還有其它重要用途，如做為潤濕劑。琥珀酸酯磺酸鹽類就是一個優(yōu)良的潤濕劑。油劑中加入該類表面活性劑，可提高油劑對纖維的親和力，從而使上油均勻，并可按需提高上油率(O.P.U)。該類產品隨著其R基團碳鏈不同及加合EO數(shù)的不同亦可制得系列產品。但常用的即是商品滲透劑OT(Aerosol OT)，OT的表面活性能力還是較強的，它在0.1%濃度下對礦物油的界面能力可達到5.86(mNm-1)。但值的注意的是，該產品在和其它離子型及非離子型表面活性劑調配時，容易使混合體不穩(wěn)定，所以在實際應用中應該在達到滲透潤濕能力的基礎上，盡量不多加入。或者和其它具備較強潤濕能力的非離子表面活性劑共用，以達到油劑功能的要求。

此外，烷基聚氧乙烯磷酸酯及其鉀鹽(AEPK)是APK和EO的加成物，它不僅具備APK的平滑性和抗靜電性，而且更具備非離子表面活性劑的一定特點，如耐熱性好等優(yōu)點，所以常規(guī)以俗稱“特種PK”得以廣泛應用。

陰離子表面活性劑在日本竹本油脂公司、日本松本油脂公司及上海石化股份有限公司研究院的油劑實驗廠所制備的油劑中應用狀況見表1。

表1  陰離子表面活性劑APK在油劑中應用實例（組份%）

二、陽離子及兩性表面活性劑在油劑中的應用

陽離子表面活性劑在油劑中應用較多的是胺類(脂肪胺及季銨鹽衍生物)，它可作為乳化劑、抗靜電劑及殺菌劑。高碳烷基胺類衍生物在油劑中還起著較強的集束作用。而常用的殺菌劑“潔爾滅”(烷基、苯甲基、二甲基季銨鹽酸鹽)即是季銨鹽衍生物。在油劑調配中使用“潔爾滅”應注意用量要適當，因為它和其它表面活性劑配伍容易使溶劑不穩(wěn)定。一般油劑中潔爾滅的用量應僅僅保住油劑本身在儲運中不腐敗，而并不能確保油劑配制成乳液使用過程中的殺菌功能。合成纖維廠在使用油劑過程中，應按工藝需要另外在乳液中加入溴代硝基系化合物或異噻唑啉類化合物，方能保證乳液在使用過程中不產出腐敗現(xiàn)象。

上海石化股份有限公司研究院油劑實驗廠在各類滌綸油劑中均程度不等的使用了殺菌劑潔爾滅，在滌綸棉型短絲油劑中使用高碳伯胺類表面活性劑，均取得了良好的效果。

兩性表面活性劑在油劑中使用最具代表性的是高碳叔胺氧化胺類品種，它具有在非水狀態(tài)下的優(yōu)良的抗靜電性，這是PK類抗靜電劑所無法達到的性能。所以低濕條件下纖維生產裝置，使用氧化胺類表面活性劑同樣可獲得優(yōu)良的抗靜電性能。上海石化油劑廠生產的無紡布油劑就是以該類產品為主制備的。氧化氨類產品在油劑中調配時由于發(fā)生泡沫較多而使其應用受到了一定影響，使用時需選擇恰當?shù)南輨┗蛴邢菪阅艿谋砻婊钚詣缗c聚醚類產品共用，則情況要改善。

三、非離子表面活性劑在油劑中的應用

非離子表面活性劑，以其優(yōu)良的潤滑性、集束性、乳化性、潤濕性、抗靜電性、耐磨性和優(yōu)良的熱性能而廣泛應用于現(xiàn)代各類油劑中。非離子表面活性劑中的各類醇醚、酚醚、聚醚以其不同的性能給予了油劑不同的功能。

1. 醇醚，即脂肪醇聚氧乙烯醚(AEO)，是脂肪醇和環(huán)氧乙烷(EO)的加成物。由于脂肪鏈碳數(shù)和EO個數(shù)的不同，而產生不同的性能，所以不同的AEO，具有不同的乳化性、潤滑性及潤濕性。

醇醚的性能受以下幾種因素的影響：

(1)醇醚中EO個數(shù)的變化使AEO的表面張力發(fā)生變化，而且隨著溶液濃度的改變而使不同EO數(shù)的AEO的表面張力發(fā)生不同程度的改變。EO數(shù)增加，表面張力加大，對纖維的表面潤濕性減小，EO數(shù)為20以上時最為明顯。

(2)醇醚中摩擦性能受EO加成摩爾數(shù)的影響。EO個數(shù)增加，靜摩擦系數(shù)μs及動摩擦系數(shù)μd都有一定程度的增加，但當EO數(shù)達到15以上時，其μ變化情況就不再明顯。所以在油劑調配時，選擇合適的EO加成數(shù)，才能達到預期的平滑效果。

(3)醇醚中烷基碳數(shù)的變化對摩擦系數(shù)、表面能力、潤濕性等都有較大的影響。烷基鏈越長，摩擦系數(shù)、表面能力、潤濕性等多有較大的影響。烷基鏈越長，摩擦系數(shù)越小，當達到18以上時則達到定值，然后基本保持不變。

經驗證明，伯烷基AEO在各種性能上需要的最佳環(huán)氧乙烷基數(shù)目見表2。在烷基鏈碳原子數(shù)相同時，為了達到表面能力、界面能力的最大值，支鏈烷基的AEO所需的EO數(shù)目比直鏈烷基AEO所需的低些。相反，為達到潤濕、起泡的最佳值，直鏈和支鏈沒有區(qū)別。

表2  AEO最佳性能時的EO樹木

為了獲得AEO某些性能的最佳值，其烷基鏈所需的碳原子數(shù)見表3。

表3  AEO最佳性能時的碳原子數(shù)

綜上所述，AEO中以C12(EO)n和C13(EO)n在油劑中應用為多，一般應用在EO<20時，其中當EO為3~10摩爾數(shù)時以乳化、潤濕為主，EO>10時以平滑為主。EO>20時在日用化工中將得到更廣泛的應用。

此外，脂肪酸聚氧乙烯酯在油劑中也有廣泛的應用，特別是用于對熱性能要求不高的合成纖維加工工藝，例如滌綸長絲普通紡絲過程，其中，月桂酸聚氧乙烯酯類表面活性劑就是優(yōu)良潤滑劑的一種。

2. 酚醚，即烷基酚聚氧乙烯醚(AQEO)

烷基酚聚氧乙烯醚(AQEO)以辛基酚、壬基酚類的EO加成物在油劑中應用最多，這是由于C8~C9烷基酚的EO加成物表面活性劑最強，且耐熱性較AEO好。AQEO中EO的加成數(shù)不同而具有不同的乳化性、潤濕性及平滑性。當EO數(shù)在3~10之間時以乳化、潤濕為主，EO數(shù)>10時以平滑、集束為主，但油劑中使用時EO數(shù)一般也不超過20。

酚醚、醇醚的磷酸酯鉀鹽(AEOPK、AQEOPK)俗稱特種PK，例如壬基酚聚氧乙烯(10)磷酸酯鉀鹽NP-10-PK)，十三醇聚氧乙烯(3)磷酸酯鉀鹽[C13(EO)3PK]等，均為改性優(yōu)質抗靜電劑。由于EO的加入，它們不僅具有良好的抗靜電性，而且具有與其它表面活性劑配伍性大等特點。

國內外主要油劑品種中AEO、AQEO及AEOPK、AQEOPK的使用實例見表4。

3. 聚醚

在合成纖維油劑中，Pluonic型聚氧乙烯聚氧丙烯(EO/PO)無規(guī)共聚物(俗稱無規(guī)聚醚)是非常重要的單體。它具有優(yōu)良的平滑性、集束性、耐磨性以及耐熱性，特別是在現(xiàn)代高速防絲工藝過程中及超細纖維紡絲過程中，更是非它調配油劑不可。

無規(guī)聚醚，由于其起始劑的不同，EO/PO比例的不同、總分子量的不同，而具有不同的性能，所以不同規(guī)格的無規(guī)聚醚，可給予油劑以不同的功能。

合成纖維油劑中常用無規(guī)聚醚起始劑，分單引發(fā)基團及多引發(fā)基團兩種，但引發(fā)基團常用丁醇、十二醇、十三醇、烷基酚等;多引發(fā)基團常用乙二胺、丙二醇、丙三醇等。引發(fā)劑實際構成了無規(guī)聚醚結構中EO/PO聚合體前端的疏水基團，所以疏水基團的大小對無規(guī)聚醚產生不同的性能。

在無規(guī)聚醚中，EO是親水基團、PO是疏水基團。所以EO和PO的比例變化直接使聚醚的表面活性產生變化，對聚醚的親水性、粘度、濁點、抗靜電性能都有較大的影響，從而影響到油劑的功能。此外，無規(guī)聚醚分子量大小對油劑的平滑性及耐磨性也有較大影響。

無規(guī)聚醚作為合成纖維中主要的平滑劑存在，同時也有較好的集束效果，低分子量聚醚與揮發(fā)，高分子聚醚耐熱性好。不同功能的合纖油劑要求不同規(guī)格(如引發(fā)劑、EO/PO比、分子量等)的聚醚。在高速紡絲過程中，POY油劑一般要求分子量在2000左右的聚醚，為提高集束能力，也可加入分子量為5000以上的商量聚醚，這種聚醚調配的POY油劑，平滑集束性好，而且在后工段過程中熱性能符合要求。例如：日本松本公司的POY油劑E2085采用了五種無規(guī)聚醚，其中分子量3800的丁醇無規(guī)聚醚二種，占總組份46%，分子量1100的多引發(fā)基團無規(guī)聚醚二種，占總組份的8~9%，分子量為1500的無規(guī)雙醚，占總組份15%。上海石化研究院油劑廠的JDH系列POY油劑，其分子量低于1000的丁醇無規(guī)聚醚、2000左右的丁醇無規(guī)聚醚及多引發(fā)基團的無規(guī)聚醚占總組份的90%以上。而在該廠生產的滌綸棉型短絲油劑JDS202中，無規(guī)聚醚占總組份的30%以上。日本竹本公司的滌綸棉型短絲油劑D966中無規(guī)聚醚和其它聚醚亦占據(jù)了50%以上。所以聚醚在現(xiàn)代油劑幾個量大面廣的品種中都是主要單體之一。

四、特種表面活性劑在油劑中的應用

在合成纖維油劑中以含硅表面活性劑的特種形式被日益廣泛地應用。硅表面活性劑以其優(yōu)良的表面活性、平滑性而使用在高級牌號的油劑中。

例如二甲基硅氧烷聚氧乙烯共聚物、在油劑中當含量低于20%時即大大加強了平滑性及耐磨性。在腈綸毛條工藝過程中，由于多區(qū)拉斷工藝對油劑的平滑性、耐磨性要求特別高，所以在油劑添加硅表面活性劑可以獲得滿意的效果。如德國DAKO公司的腈綸毛型油劑D-291中，使用硅表面活性劑大于15%。上海石化研究院油劑廠的腈綸毛型油劑也使用了硅表面活性劑，其組份不低于D-291，所以在試用中獲得了D-291相類似的功效。

含氟表面活性劑及某些不飽和表面活性劑均可應用于各種油劑中，它們具有的特性可以在油劑中充分利用和顯示出來，今后可以逐步推廣使用。

五、我國表面活性劑在合成纖維油劑中的應用現(xiàn)狀及建議

表面活性劑在合成纖維油劑工業(yè)已得到了廣泛的應用，并將隨著品種不斷出新、性能不斷改良而應用的前途更為廣闊。但我們也應該看到，在國內實際應用中還有不少問題，例如產品質量的不穩(wěn)定帶來了油劑調配的困難和油劑質量不穩(wěn)定;表面活性劑品種的單調使得在調配油劑選用單體上捉襟見肘等。

目前國內EO加成裝置大都為傳統(tǒng)“釜式”設備，有些陰離子表面活性劑如PK類產品都是小規(guī)模手工方式生產的。限于制備工藝的局限性，存在著質量不穩(wěn)定的情況。雖然已經有幾套引進的EO加成裝置，可以規(guī)模性的生產AEO、AQEO類系列產品，但適用于油劑調配的品種還是不夠多。軟件和硬件的開發(fā)都跟不上實際的需求，規(guī)模性生產更是我從說起。所以為適應國內油劑的需求，應該在自行開發(fā)軟件的同時、引進成套油劑單體技術及裝備。如日本東工物產、動邦等公司均有同類項目，這樣不僅可迅速提高油劑國產化水平，而且為進一步發(fā)展，趕上先進水平提供了條件。

表面活性劑的基本理論研究工作薄弱。由于同一種表面活性劑的結構狀態(tài)可能有許許多多種，EO-PO無規(guī)聚醚就是一個典型例子。如無規(guī)聚醚無規(guī)度的變化，EO-PO鏈聯(lián)結的各種形態(tài)都會使同一種產品存在著大量的結構上差異。而目前這方面的理論研究工作在國內開展的甚少，所以實際上還不能對大量的表面活性劑的結構(產品性能的原始依據(jù))作出正確的測定，僅用常規(guī)化學分析手段來確定產品性能是遠遠不夠的。上海石化研究院油劑實驗廠已開始對無規(guī)聚醚的結構分析進行探索性研究，同時對PK的熱力學、動力學狀況進行研究，這無疑是重視基礎理論研究邁出的可喜步伐。

表面活性劑的品種是無限的，怎樣去開發(fā)利用，怎樣使它們的性能更好的滿足合成纖維油劑功能的需要，怎樣通過現(xiàn)代化的調配手段來充分利用它們的性能，這些都是今后應該努力研究的課題。在這方面，加強科研力量，強化科研手段，促進科研盡快轉化成生產都是極為重要的。