表面活性剂在合成纤维油剂中的应用

表面活性剂广泛用于各个行业，如化学纤维、医药、化妆品、土木建筑、矿业开采、洗涤剂、机械润滑等工业，其中作为合成纤维制造业的表面活性剂称为合成纤维油剂。

由于合成纤维制备工艺过程的需要，对油剂要求具备适当的润滑、集束、抗静电、润湿、抗菌等各种功能。所以在合成纤维生产中，油剂给予纤维平滑、柔软、集束、抗静电、渗透、抗菌等各种功能，从而可以调节纤维的摩擦性能，防止加工制造过程中出现静电积累，使纤维制备顺利通过纺丝、牵伸、纺纱、织造等工艺过程。而为使油剂在纤维上顺利附着，油剂要具备一定的附着润湿能力，而为防止油剂本身腐败需要有一定的抗菌、杀菌能力等。

油剂实际上主要是由多种表面活性剂组成，而且主要性能大多以表面活性剂本身具备的性能为主导。油剂本身所需的各种功能，可由各种各样的表面活性剂相对应，而每一种表面活性剂往往可具备一种或多种油剂功能所需要的性能，所以实际上，油剂功能是具备不同性能表面活性剂复配的综合效应。

表面活性剂作为油剂的重要原料可以追溯到二次大战前后，当时合成纤维刚刚起步，其油剂则主要由一些天然润滑剂以及初级乳化剂配制而成，这是第一代油剂。到了五、六十年代，合成纤维品种增多、产量多大，油剂亦延变成以酯类表面活性剂为主要原料的第二代。七十年代起，由于合成纤维新品种不断涌现，加工工艺的现代化，使酯类表面活性剂的某些性能不能满足工艺需要，油剂逐步开始以醚类的非离子表面活性剂为主题的原料来制备，同时有阴离子表面活性剂、阳离子表面活性剂以及逐步发展的特种表面活性剂，按需共同调配，以达到适应不断发展的合成纤维新工艺的要求。

一、阴离子表面活性剂在合成纤维油剂中的应用

阴离子表面活性剂在油剂中应用主要是以磺酸盐及磷酸盐形式。早期油剂抗静电剂大都以磺酸盐类为主，但由于该类表面活性剂在油剂中使用有一定局限性，且润滑及抗静电性能均逊于磷酸酯类表面活性剂，所以现代油剂中的阴离子表面活性剂以磷酸盐为主，特别是烷基磷酸酯及其盐(APK)和它的环氧乙烷(EO)加成物是现代油剂中优良的抗静电剂及润滑剂。

APK是目前各类纤维，特别是短纤维油剂中最常用的组份，它具有良好的抗静电性和平滑性，而且耐热性能较好，热挥发少，并可增加油膜强度以减少丝束磨耗。油剂中常用的APK是以高碳醇(C12~C16)和P2O5进行磷酸化反应，通过水解调节单双酯比例，成酯后与KOH中和即得。

1.平滑性及集束性：纤维表面上油后其平滑程度通常用摩擦系数μ表示，纤维和纤维间摩擦系数F/Fμ及纤维和金属间的摩擦系数F/Mμ与油剂有较大的关联。

F/F静摩擦系数μs及动摩擦系数μd和烷基长度有密切关系。当烷基链碳数增加时，F/Fus减少，当烷基链增加到C14以上时，μs变化趋于平稳，而μd上升。由于平滑性主要取决于μs，所以碳数增加，平滑性增大，而集束性下降。因此使用APK，在配方中要适量，并选择合适的烷基碳数，可获得满意结果。

2.抗静电性：在油剂中加入抗静电剂，可以克服纤维带电现象，从而可消除杂纺丝、牵伸、纺织等工序中所产生的毛丝、膨松、断头、绕罗拉、下棉网等现象。APK具有良好的抗静电作用，特别在高湿情况下更为明显。

抗静电性受APK中集中因素的影响：

(1)APK烷基碳数对抗静电的影响：烷基碳数增加，疏水基团亦相应增大，而极性基团相对变小，减少了纤维的吸湿性，增加了静电荷积累，而使抗静电效果减弱。

(2)APK浓度(M)对抗静电的影响：一般情况，M越高，抗静电效果好。例如：C18PK抗静电效果比C12PK差些，但随着M升高而差异减小。

(3)APK中的单双酯比例对抗静电性的影响：在APK的制备中，由于工艺条件的变化而产生不同比例的单双酯APK。由于单酯中APK含有二个羟基钾盐，而双酯APK中仅含有一个羟基钾盐，前者明显比后者吸湿性大，而静电荷积累少，抗静电性能强。

综上所述，我们可以依据他们之间的关系，依据这些性能的变化，在调制油剂时可按不同的气候条件，不同纤维种类，甚至不同的合成纤维生产设备来加以选择。

阴离子表面活性剂除了作为抗静电剂及平滑剂应用于油剂中外，还有其它重要用途，如做为润湿剂。琥珀酸酯磺酸盐类就是一个优良的润湿剂。油剂中加入该类表面活性剂，可提高油剂对纤维的亲和力，从而使上油均匀，并可按需提高上油率(O.P.U)。该类产品随着其R基团碳链不同及加合EO数的不同亦可制得系列产品。但常用的即是商品渗透剂OT(Aerosol OT)，OT的表面活性能力还是较强的，它在0.1%浓度下对矿物油的界面能力可达到5.86(mNm-1)。但值的注意的是，该产品在和其它离子型及非离子型表面活性剂调配时，容易使混合体不稳定，所以在实际应用中应该在达到渗透润湿能力的基础上，尽量不多加入。或者和其它具备较强润湿能力的非离子表面活性剂共用，以达到油剂功能的要求。

此外，烷基聚氧乙烯磷酸酯及其钾盐(AEPK)是APK和EO的加成物，它不仅具备APK的平滑性和抗静电性，而且更具备非离子表面活性剂的一定特点，如耐热性好等优点，所以常规以俗称“特种PK”得以广泛应用。

阴离子表面活性剂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剂实验厂所制备的油剂中应用状况见表1。

表1  阴离子表面活性剂APK在油剂中应用实例（组份%）

二、阳离子及两性表面活性剂在油剂中的应用

阳离子表面活性剂在油剂中应用较多的是胺类(脂肪胺及季铵盐衍生物)，它可作为乳化剂、抗静电剂及杀菌剂。高碳烷基胺类衍生物在油剂中还起着较强的集束作用。而常用的杀菌剂“洁尔灭”(烷基、苯甲基、二甲基季铵盐酸盐)即是季铵盐衍生物。在油剂调配中使用“洁尔灭”应注意用量要适当，因为它和其它表面活性剂配伍容易使溶剂不稳定。一般油剂中洁尔灭的用量应仅仅保住油剂本身在储运中不腐败，而并不能确保油剂配制成乳液使用过程中的杀菌功能。合成纤维厂在使用油剂过程中，应按工艺需要另外在乳液中加入溴代硝基系化合物或异噻唑啉类化合物，方能保证乳液在使用过程中不产出腐败现象。

上海石化股份有限公司研究院油剂实验厂在各类涤纶油剂中均程度不等的使用了杀菌剂洁尔灭，在涤纶棉型短丝油剂中使用高碳伯胺类表面活性剂，均取得了良好的效果。

两性表面活性剂在油剂中使用最具代表性的是高碳叔胺氧化胺类品种，它具有在非水状态下的优良的抗静电性，这是PK类抗静电剂所无法达到的性能。所以低湿条件下纤维生产装置，使用氧化胺类表面活性剂同样可获得优良的抗静电性能。上海石化油剂厂生产的无纺布油剂就是以该类产品为主制备的。氧化氨类产品在油剂中调配时由于发生泡沫较多而使其应用受到了一定影响，使用时需选择恰当的消泡剂或有消泡性能的表面活性剂，例如与聚醚类产品共用，则情况要改善。

三、非离子表面活性剂在油剂中的应用

非离子表面活性剂，以其优良的润滑性、集束性、乳化性、润湿性、抗静电性、耐磨性和优良的热性能而广泛应用于现代各类油剂中。非离子表面活性剂中的各类醇醚、酚醚、聚醚以其不同的性能给予了油剂不同的功能。

1. 醇醚，即脂肪醇聚氧乙烯醚(AEO)，是脂肪醇和环氧乙烷(EO)的加成物。由于脂肪链碳数和EO个数的不同，而产生不同的性能，所以不同的AEO，具有不同的乳化性、润滑性及润湿性。

醇醚的性能受以下几种因素的影响：

(1)醇醚中EO个数的变化使AEO的表面张力发生变化，而且随着溶液浓度的改变而使不同EO数的AEO的表面张力发生不同程度的改变。EO数增加，表面张力加大，对纤维的表面润湿性减小，EO数为20以上时最为明显。

(2)醇醚中摩擦性能受EO加成摩尔数的影响。EO个数增加，静摩擦系数μs及动摩擦系数μd都有一定程度的增加，但当EO数达到15以上时，其μ变化情况就不再明显。所以在油剂调配时，选择合适的EO加成数，才能达到预期的平滑效果。

(3)醇醚中烷基碳数的变化对摩擦系数、表面能力、润湿性等都有较大的影响。烷基链越长，摩擦系数、表面能力、润湿性等多有较大的影响。烷基链越长，摩擦系数越小，当达到18以上时则达到定值，然后基本保持不变。

经验证明，伯烷基AEO在各种性能上需要的最佳环氧乙烷基数目见表2。在烷基链碳原子数相同时，为了达到表面能力、界面能力的最大值，支链烷基的AEO所需的EO数目比直链烷基AEO所需的低些。相反，为达到润湿、起泡的最佳值，直链和支链没有区别。

表2  AEO最佳性能时的EO树木

为了获得AEO某些性能的最佳值，其烷基链所需的碳原子数见表3。

表3  AEO最佳性能时的碳原子数

综上所述，AEO中以C12(EO)n和C13(EO)n在油剂中应用为多，一般应用在EO<20时，其中当EO为3~10摩尔数时以乳化、润湿为主，EO>10时以平滑为主。EO>20时在日用化工中将得到更广泛的应用。

此外，脂肪酸聚氧乙烯酯在油剂中也有广泛的应用，特别是用于对热性能要求不高的合成纤维加工工艺，例如涤纶长丝普通纺丝过程，其中，月桂酸聚氧乙烯酯类表面活性剂就是优良润滑剂的一种。

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、壬基酚类的EO加成物在油剂中应用最多，这是由于C8~C9烷基酚的EO加成物表面活性剂最强，且耐热性较AEO好。AQEO中EO的加成数不同而具有不同的乳化性、润湿性及平滑性。当EO数在3~10之间时以乳化、润湿为主，EO数>10时以平滑、集束为主，但油剂中使用时EO数一般也不超过20。

酚醚、醇醚的磷酸酯钾盐(AEOPK、AQEOPK)俗称特种PK，例如壬基酚聚氧乙烯(10)磷酸酯钾盐NP-10-PK)，十三醇聚氧乙烯(3)磷酸酯钾盐[C13(EO)3PK]等，均为改性优质抗静电剂。由于EO的加入，它们不仅具有良好的抗静电性，而且具有与其它表面活性剂配伍性大等特点。

国内外主要油剂品种中AEO、AQEO及AEOPK、AQEOPK的使用实例见表4。

3. 聚醚

在合成纤维油剂中，Pluonic型聚氧乙烯聚氧丙烯(EO/PO)无规共聚物(俗称无规聚醚)是非常重要的单体。它具有优良的平滑性、集束性、耐磨性以及耐热性，特别是在现代高速防丝工艺过程中及超细纤维纺丝过程中，更是非它调配油剂不可。

无规聚醚，由于其起始剂的不同，EO/PO比例的不同、总分子量的不同，而具有不同的性能，所以不同规格的无规聚醚，可给予油剂以不同的功能。

合成纤维油剂中常用无规聚醚起始剂，分单引发基团及多引发基团两种，但引发基团常用丁醇、十二醇、十三醇、烷基酚等;多引发基团常用乙二胺、丙二醇、丙三醇等。引发剂实际构成了无规聚醚结构中EO/PO聚合体前端的疏水基团，所以疏水基团的大小对无规聚醚产生不同的性能。

在无规聚醚中，EO是亲水基团、PO是疏水基团。所以EO和PO的比例变化直接使聚醚的表面活性产生变化，对聚醚的亲水性、粘度、浊点、抗静电性能都有较大的影响，从而影响到油剂的功能。此外，无规聚醚分子量大小对油剂的平滑性及耐磨性也有较大影响。

无规聚醚作为合成纤维中主要的平滑剂存在，同时也有较好的集束效果，低分子量聚醚与挥发，高分子聚醚耐热性好。不同功能的合纤油剂要求不同规格(如引发剂、EO/PO比、分子量等)的聚醚。在高速纺丝过程中，POY油剂一般要求分子量在2000左右的聚醚，为提高集束能力，也可加入分子量为5000以上的商量聚醚，这种聚醚调配的POY油剂，平滑集束性好，而且在后工段过程中热性能符合要求。例如：日本松本公司的POY油剂E2085采用了五种无规聚醚，其中分子量3800的丁醇无规聚醚二种，占总组份46%，分子量1100的多引发基团无规聚醚二种，占总组份的8~9%，分子量为1500的无规双醚，占总组份15%。上海石化研究院油剂厂的JDH系列POY油剂，其分子量低于1000的丁醇无规聚醚、2000左右的丁醇无规聚醚及多引发基团的无规聚醚占总组份的90%以上。而在该厂生产的涤纶棉型短丝油剂JDS202中，无规聚醚占总组份的30%以上。日本竹本公司的涤纶棉型短丝油剂D966中无规聚醚和其它聚醚亦占据了50%以上。所以聚醚在现代油剂几个量大面广的品种中都是主要单体之一。

四、特种表面活性剂在油剂中的应用

在合成纤维油剂中以含硅表面活性剂的特种形式被日益广泛地应用。硅表面活性剂以其优良的表面活性、平滑性而使用在高级牌号的油剂中。

例如二甲基硅氧烷聚氧乙烯共聚物、在油剂中当含量低于20%时即大大加强了平滑性及耐磨性。在腈纶毛条工艺过程中，由于多区拉断工艺对油剂的平滑性、耐磨性要求特别高，所以在油剂添加硅表面活性剂可以获得满意的效果。如德国DAKO公司的腈纶毛型油剂D-291中，使用硅表面活性剂大于15%。上海石化研究院油剂厂的腈纶毛型油剂也使用了硅表面活性剂，其组份不低于D-291，所以在试用中获得了D-291相类似的功效。

含氟表面活性剂及某些不饱和表面活性剂均可应用于各种油剂中，它们具有的特性可以在油剂中充分利用和显示出来，今后可以逐步推广使用。

五、我国表面活性剂在合成纤维油剂中的应用现状及建议

表面活性剂在合成纤维油剂工业已得到了广泛的应用，并将随着品种不断出新、性能不断改良而应用的前途更为广阔。但我们也应该看到，在国内实际应用中还有不少问题，例如产品质量的不稳定带来了油剂调配的困难和油剂质量不稳定;表面活性剂品种的单调使得在调配油剂选用单体上捉襟见肘等。

目前国内EO加成装置大都为传统“釜式”设备，有些阴离子表面活性剂如PK类产品都是小规模手工方式生产的。限于制备工艺的局限性，存在着质量不稳定的情况。虽然已经有几套引进的EO加成装置，可以规模性的生产AEO、AQEO类系列产品，但适用于油剂调配的品种还是不够多。软件和硬件的开发都跟不上实际的需求，规模性生产更是我从说起。所以为适应国内油剂的需求，应该在自行开发软件的同时、引进成套油剂单体技术及装备。如日本东工物产、动邦等公司均有同类项目，这样不仅可迅速提高油剂国产化水平，而且为进一步发展，赶上先进水平提供了条件。

表面活性剂的基本理论研究工作薄弱。由于同一种表面活性剂的结构状态可能有许许多多种，EO-PO无规聚醚就是一个典型例子。如无规聚醚无规度的变化，EO-PO链联结的各种形态都会使同一种产品存在着大量的结构上差异。而目前这方面的理论研究工作在国内开展的甚少，所以实际上还不能对大量的表面活性剂的结构(产品性能的原始依据)作出正确的测定，仅用常规化学分析手段来确定产品性能是远远不够的。上海石化研究院油剂实验厂已开始对无规聚醚的结构分析进行探索性研究，同时对PK的热力学、动力学状况进行研究，这无疑是重视基础理论研究迈出的可喜步伐。

表面活性剂的品种是无限的，怎样去开发利用，怎样使它们的性能更好的满足合成纤维油剂功能的需要，怎样通过现代化的调配手段来充分利用它们的性能，这些都是今后应该努力研究的课题。在这方面，加强科研力量，强化科研手段，促进科研尽快转化成生产都是极为重要的。