紡絲油劑乳液組成與性能探析范文

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《合成纖維工業(yè)雜志》2016年第6期

摘要:

為探究酯類乳液組成對(duì)乳液性能的影響，以月桂酸聚氧乙烯酯(LAE-9)和聚乙二醇二油酸酯(DQA)作為乳化劑，以油酸酯QA(簡(jiǎn)稱Q)為平滑劑制備了Q質(zhì)量分?jǐn)?shù)為30%以上的紡絲油劑乳液體系，并對(duì)其乳液粒徑、濁度和潤(rùn)濕性能進(jìn)行了研究。結(jié)果表明:在不同乳化劑配比下，隨Q含量的增大，相應(yīng)制得的乳液粒徑逐漸減小，達(dá)到最小值后突然增大;親油乳化劑DQA的比例越大，出現(xiàn)最小粒徑的Q濃度越大;乳液濁度與平均粒徑大小呈正相關(guān)，即粒徑越大，濁度越大;乳液濃度存在一臨界值，小于此臨界濃度時(shí)，乳液在丙綸表面的接觸角隨乳液濃度的增大而迅速減小，超過此濃度后，乳液濃度對(duì)接觸角的影響變小，并且Q含量的增大和乳化劑親水親油平衡值的增大均會(huì)導(dǎo)致乳液潤(rùn)濕性變差。

關(guān)鍵詞:

紡絲油劑；聚丙烯纖維；乳液；粒徑；濁度；接觸角；潤(rùn)濕性能；親水親油平衡值

紡絲油劑一般是由表面活性劑、平滑劑、抗靜電劑等組成的復(fù)配體系，在實(shí)際應(yīng)用中大多需要配制成微乳液以提高油劑的使用效果［1－2］。由于紡絲油劑有時(shí)要應(yīng)用于100～300℃的環(huán)境中，所以一般都不選用沸點(diǎn)較低的表面活性劑，而是選用兩種或兩種以上表面活性劑復(fù)配作為復(fù)合乳化劑來配制微乳液。紡絲油劑在紡織行業(yè)是不可缺少的材料，但紡絲油劑配方的理論研究報(bào)道卻十分稀少［1－2］。乳液的配方組成在滿足平滑性、抱合性的基礎(chǔ)上，同時(shí)應(yīng)具有穩(wěn)定性好，潤(rùn)濕性好，黏濃變化小等優(yōu)點(diǎn)［3］。由于高速紡絲的工藝要求，一般都是用小口徑(內(nèi)徑一般為2mm左右)噴嘴。為確保正常的油劑供應(yīng)必須要求乳液穩(wěn)定，乳液顆粒均勻細(xì)小，即乳液粒徑小，分布集中，且不發(fā)生分層，不粘壁，不破乳，從而避免堵塞噴嘴，確保纖維上油均勻。潤(rùn)濕性是微乳液的基本性能之一，在紡絲工藝上，纖維在高速拉伸狀態(tài)下，需要油劑快速、均勻地鋪展到纖維表面，對(duì)纖維施加充分的保護(hù)，否則會(huì)出現(xiàn)上油不均勻、局部無油、摩擦大、可紡性下降，因此潤(rùn)濕性對(duì)于紡絲和加工非常重要［4］。作者配制了不同乳化劑比例和平滑劑含量的乳液，通過測(cè)定不同乳液組成下的粒徑大小和分布，研究乳液組成對(duì)乳液性能的影響;同時(shí)，測(cè)量了不同配比和濃度下乳液與丙綸的接觸角，并運(yùn)用帆布沉降法初步探究了乳液組成對(duì)潤(rùn)濕性的影響，以期為紡絲油劑的乳化提供一定的參考。

1實(shí)驗(yàn)

1．1原料

月桂酸聚氧乙烯酯LAE-9(簡(jiǎn)稱L)、聚乙二醇二油酸酯DQA(簡(jiǎn)稱D)、油酸酯QA(簡(jiǎn)稱Q):天津工大紡織助劑有限公司生產(chǎn)。

1．2主要儀器

ZEN3690型納米粒徑電位分析儀:英國(guó)馬爾文儀器有限公司制;2100A型濁度儀:美國(guó)哈希公司制;DSA25型全自動(dòng)接觸角測(cè)量?jī)x:德國(guó)克呂士公司制。

1．3乳液配制

分別將乳化劑L和D依次按照2∶8，3∶7，4∶6，5∶5，6∶4等不同質(zhì)量比例混合，形成復(fù)配乳化劑(C)。再將復(fù)配乳化劑C和平滑劑Q進(jìn)行不同濃度混合，其中Q所占質(zhì)量分?jǐn)?shù)分別為30%，35%，40%，45%，50%，55%，60%。之后加水?dāng)嚢杈鶆颍颊麄€(gè)體系質(zhì)量的80%。恒溫25℃靜止24h。

1．4測(cè)試

粒徑:將所配置的乳液用納米粒徑電位分析儀在25℃下進(jìn)行粒徑掃描，得到乳液的平均粒徑以及粒徑分布情況。濁度:取其中粒徑相對(duì)較小且乳液狀態(tài)較好的幾種微乳液，在25℃的條件下使用濁度儀進(jìn)行測(cè)定。接觸角:使用DSA25型全自動(dòng)接觸角測(cè)量?jī)x分別測(cè)量純水以及不同濃度的乳液在單根丙綸上的接觸角，各測(cè)量5次，求平均值。潤(rùn)濕性能:配制質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0．5%的油劑水溶液900mL，將配置好的乳液在30℃恒溫條件下，用帆布沉降法［2］測(cè)試帆布的沉降時(shí)間(即潤(rùn)濕時(shí)間)，記錄數(shù)據(jù)，求平均值。

2結(jié)果與討論

2．1乳液粒徑

圖1是在平滑劑Q質(zhì)量分?jǐn)?shù)分別為30%，35%，40%，45%，50%，55%，60%和復(fù)配乳化劑C制成的乳液，其乳液質(zhì)量分?jǐn)?shù)為20%。相應(yīng)的乳液親水親油平衡值(HLB)及乳液平均粒徑和分散指數(shù)(PDI)見表1。由圖1和表1還可知，在相同乳化劑配比下，從左至右，隨著乳液中Q含量的增加，乳液透明度逐漸提高，而到達(dá)右側(cè)某一含量時(shí)，乳液外觀開始呈奶白色;其相應(yīng)的乳液粒徑則呈現(xiàn)出先依次減小，減小到最小值時(shí)突然變大的趨勢(shì)，即乳液粒徑在某個(gè)Q含量點(diǎn)時(shí)發(fā)生突變，形成一個(gè)明顯的分界線。此外，隨著L的比例增大(即混合乳化劑HLB增大)，在Q含量較小的條件下，形成的微乳液較好，且最小的粒徑也越來越小。

2．1．1不同乳化劑比例下粒徑最小的微乳液形成原因

不同乳化劑比例下粒徑最小的微乳液形成，這種結(jié)果是非離子表面活性劑乳化酯類物質(zhì)機(jī)理決定的。根據(jù)哈金斯(Harkins)早期提出的乳狀液穩(wěn)定理論即定向楔理論，水包油型乳液膠粒大小會(huì)受包裹油類的表面活性劑親水基和親油基的相對(duì)大小影響。親水基一端較大時(shí)，親油基相對(duì)較小，膠粒內(nèi)部空間位阻較小，可以形成的膠粒就較小;反之，親油基一端相對(duì)較大時(shí)，膠粒內(nèi)部空間位阻就較大，因此只能形成較大膠粒才能容下親油基團(tuán)的排列。將膠粒近似看做球體(球的半徑是r)，球的體積(4/3πr3)與表面積(4πr2)在數(shù)值上的比是r/3，故球的r越大，體積與表面積比越大。那么在膠粒中則表現(xiàn)為膠粒半徑越大，膠粒內(nèi)包裹的酯類與膠粒表面的乳化劑比值越大。即在整個(gè)乳液體系中，膠粒半徑越大，相同質(zhì)量的乳化劑能夠包裹的酯越多，表現(xiàn)為酯含量越高。混合乳化劑HLB較大時(shí)，親水基的質(zhì)量較大，相對(duì)體積也會(huì)比較大，親油基相對(duì)就較小，因此形成乳液膠粒較小，所以每個(gè)膠粒包裹的酯就會(huì)較少。反之，HLB較小時(shí)，形成的乳液膠粒內(nèi)容量大，可以乳化的酯含量較大，每個(gè)微乳液膠粒較大，同樣質(zhì)量的乳化劑能夠包裹的酯就較多(見圖2)。圖中一個(gè)球形和一個(gè)棍形組合起來代表一個(gè)表面活性劑分子，球表示親水基，棍表示親油基。親油基相對(duì)較小的代表表面活性劑L，親油基較大的代表D。

2．1．2相同乳化劑比例下不同Q含量的乳液粒徑

當(dāng)乳液中所有的乳化劑和Q恰好按圖2形成膠粒時(shí)的比例配制時(shí)，由于乳化劑在被分散的Q表面的定向吸附，使得油水之間的界面張力達(dá)到最小值，體系的乳液膠粒粒徑最小，即表1中每行粒徑最小值對(duì)應(yīng)的乳液。當(dāng)Q類多于這個(gè)比例時(shí)，吸附在Q表面的乳化劑不足，未能充分降低油水之間的界面張力，進(jìn)而形成乳白色的乳濁液，此時(shí)粒徑特別大，分布也比較分散(見表1)。而當(dāng)Q小于這個(gè)比例時(shí)，一方面包裹同樣個(gè)數(shù)的酯分子所用的乳化劑增多，會(huì)使膠體粒子變大。另一方面多余的乳化劑會(huì)單獨(dú)溶解在水中，會(huì)形成濁度和粒徑都較大的藍(lán)白色乳液且濃度越大乳液越白，粒徑分布也越分散。所以在各乳化劑比例下，乳液的Q含量小于最佳比例值時(shí)，乳液透明度下降，平均粒徑增大且分布更分散(見表1)。由表1的粒徑大小及PDI值可知同樣的乳化劑配比，在發(fā)生乳液粒徑突變之前，Q含量越高平均粒徑越小，粒徑分布也越集中。

2．2乳液濁度

由圖3可知，紡絲油劑微乳液在能夠形成較好微乳液范圍內(nèi)，相同含水量的乳液平均粒徑與濁度呈正相關(guān)的關(guān)系，平均粒徑越大，濁度越大。由此可知，在一定條件下，可用乳液的濁度大小來表征平均粒徑的大小。

2．3乳液接觸角和潤(rùn)濕性

由圖4可以看出，純水與丙綸的接觸角很大，幾乎不鋪展，而有乳液存在時(shí)，接觸角明顯降低。并且在相同乳液配比條件下，乳液與丙綸接觸角隨乳液濃度的增大而變小。這說明本實(shí)驗(yàn)的酯類微乳液分散質(zhì)可以使分散介質(zhì)水在纖維上的鋪展性有很明顯的提高。這是因?yàn)槿橐耗z束能夠明顯降低水的表面張力，而使之更容易在疏水纖維上鋪展。并且分散質(zhì)濃度越高，液體表面張力越小，對(duì)乳液在纖維上的鋪展作用越明顯。同時(shí)，由圖4還可以看出，接觸角隨濃度變化的曲線存在一個(gè)突變點(diǎn)(乳液質(zhì)量分?jǐn)?shù)為1．0%)，該點(diǎn)的濃度可視為臨界濃度，在乳液濃度小于該臨界濃度時(shí)，乳液在丙綸上的接觸角隨濃度增大迅速減小，在此濃度點(diǎn)后乳液濃度對(duì)接觸角的影響逐漸減小。由圖5可以看出，在乳化劑比例相同時(shí)，乳液接觸角和潤(rùn)濕時(shí)間表現(xiàn)出相同的變化趨勢(shì)，均隨Q含量的增加而增大，即潤(rùn)濕性逐漸變差。這是因?yàn)槿榛瘎┛梢越档鸵后w與固體間的表面張力［5－6］，表面張力下降可使乳液在纖維上鋪展性更好，也使乳液更容易潤(rùn)濕纖維和帆布。在本實(shí)驗(yàn)范圍內(nèi)乳液濃度相同時(shí)，平滑劑Q含量越小，即乳化劑濃度越高，表面張力降低越明顯，因此，乳液與丙綸的接觸角越小，乳液對(duì)帆布的潤(rùn)濕性越強(qiáng)。HLB不同的兩種乳化劑不同配比，導(dǎo)致混合乳化劑HLB的大小不同。圖6的兩條曲線表明了HLB越大，潤(rùn)濕時(shí)間越長(zhǎng)，接觸角也越大，潤(rùn)濕性逐漸變差。這說明了在形成較好微乳液的配比范圍內(nèi)，乳化劑的親水基質(zhì)量分?jǐn)?shù)越大對(duì)降低乳液表面張力效果越差。對(duì)比接觸角和潤(rùn)濕性可以看出，兩者具有相同的變化趨勢(shì)。這說明在一定的使用范圍內(nèi)，接觸角大小和潤(rùn)濕性強(qiáng)弱是可以相互參考的。乳液與丙綸接觸角越小，表明乳液在所測(cè)材料上的鋪展性越好，則乳液對(duì)相應(yīng)材料的潤(rùn)濕性越強(qiáng)。

3結(jié)論

a．乳化劑HLB越大，即親油基團(tuán)越小，乳化酯類后形成的乳液膠粒內(nèi)部親油基的空間位阻越小，所以粒徑越小，反之，乳液粒徑越大。

b．酯類紡絲油劑微乳液在能夠形成較好微乳液范圍內(nèi)，相同含水量的乳液濁度與粒徑大小呈正相關(guān)關(guān)系。

c．在本實(shí)驗(yàn)中，酯類乳液分散質(zhì)可以明顯降低水的表面張力，且在本文的實(shí)驗(yàn)范圍內(nèi)，乳液濃度存在一臨界值，小于此臨界濃度時(shí)，乳液在丙綸表面的接觸角隨乳液濃度的增大而迅速減小，超過此濃度后，乳液濃度對(duì)接觸角的影響變小;在相同乳化劑含量時(shí)，乳化劑的HLB越大，乳液的接觸角越大、潤(rùn)濕性越弱。

參考文獻(xiàn)：

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作者:劉燕軍 劉鵬雷 單位:天津工業(yè)大學(xué)環(huán)境與化學(xué)工程學(xué)院 天津工業(yè)大學(xué)精細(xì)化工研究所 天津工業(yè)大學(xué)紡織助劑有限公司