涤纶定型辊表面除垢剂的研制

时间：2024-07-28

虞斌戚雁俊黄宇阳

(1.上海市环境科学研究院，上海 200233；2.上海环科环境认证有限公司，上海 200233)

涤纶短纤维在加工制造中会在紧张定型机辊筒表面形成并积聚一层固化的结垢物。这种结垢的存在既影响定型辊筒与涤纶短纤维之间的传热效果，也影响涤纶短纤维后加工的定型效果，甚至导致纤维产品的物理-机械性能和品质指标不匀和波动[1]。目前通常采用物理-机械的方法，也就是以手工或机械的方式，借助铲刀或钢丝球类器具的刮铲或打磨，去除紧张定型机辊筒表面的结垢。由于纤维加工制造中紧张定型机辊筒工艺温度高达100～180 ℃，即便是这种物理-机械的方法也只能在后加工设备检修的情况下进行，而且这类刮铲或打磨方法很容易损伤紧张定型机辊筒表面，造成涤纶短纤维生产中毛丝或断丝的产生或增加[2-3]。

文章尝试采用涤纶短纤维定型辊表面除垢剂去除结垢物，既不会损伤紧张热定型辊表面，也不会造成生产中纤维的断丝或毛丝；不仅稳定传热和定型效果，而且改善涤纶短纤维品质的不匀率。

1 实验材料与方法

1.1 实验材料

除垢剂制备所需要的原材料主要包括油酸钾、苯甲酸钠、磷酸氢二胺、乳化剂QM-1、助剂QM-2、烧碱和去离子水等化学品，均为市售工业级或食品级产品。其中乳化剂QM-1溶于水及部分溶剂，在水中的溶解不受pH影响；纤维处理助剂QM-2能溶于氢氧化钠、碳酸钠及氨溶液中，能溶于沸水，微溶于冷水。

实验材料中还涉及常规涤纶短纤维油剂、模拟实验用不锈钢平板等。

1.2 实验器具

实验室电子台秤、量筒、酒精灯、石棉网、三口烧瓶、温度计、机械搅拌单元、铁架台、石棉网、烧杯、不锈钢平板、刷子和橡胶防护手套等。

1.3 配比设计

(1)乳液(A)制备。A1按乳化剂QM-1、加热去离子水和常温去离子水1∶20∶10的质量比制备；A2按乳化剂QM-1、加热去离子水和常温去离子水1∶30∶10的质量比制备。

(2)NaOH溶液(B)制备。B1按质量分数为30%液碱和去离子水1∶5.7的质量比，配制质量分数为5%的NaOH溶液；B2按质量分数30%液碱和去离子水1∶2.7的质量比，配制质量分数为10%的NaOH溶液。

(3)纤维处理助剂(C)模拟制备。C为助剂QM-2、油酸钾和苯甲酸钠按1∶1∶1的质量比模拟制备。

(4)配方设计。表1是不同除垢剂配方设计的汇总(D为磷酸氢二胺)。

表1 不同除垢剂配方

续表1

(5)除垢剂复配。按照表1的配方设计，依次将乳液(A)、纤维处理助剂(C)和磷酸氢二胺(D)缓慢加入到质量分数为5%～10%的NaOH溶液中，搅拌直至溶液充分溶解或混合。

1.4 模拟实验

(1)模拟结垢。在实验室的不锈钢平板模拟紧张热定型辊筒表面，且以酒精灯模拟加热源，在加热的条件下，将常规涤纶短纤维油剂反复涂覆在不锈钢平板表面，进行模拟结垢实验。

(2)结垢清除。在实验室模拟的紧张热定型辊筒工况条件下，将实验室复配的除垢剂涂刷在结垢的不锈钢平板表面，进行结垢清除模拟实验。

1.5 生产现场试验

(1)结垢成因。对生产现场紧张定型辊筒无结垢的空白部位，直接进行常规涤纶短纤维油剂的涂刷试验，以研究紧张定型辊筒结垢物的基本成因。

(2)结垢清除。首先将实验室复配的除垢剂涂刷在紧张定型辊筒的前述结垢试验部位，其次涂刷在紧张定型辊筒的工作部位，进行生产现场结垢清除试验。

2 结果与讨论

2.1 表面结垢成因分析

具有紧张定型技术特征的涤纶短纤维后加工流程，初生纤维在二次加工过程中，通过浸渍、喷淋或涂覆等上油方式，在纤维中添加施以化学整理剂(即油剂)来调节纤维与纤维、纤维与其他接触部件之间的摩擦因子，减少纤维加工制造中产生的静电以及改善纤维的平滑性和集束性。

为了确定紧张定型机辊筒表面产生或形成并积聚的固化结垢物，分别设计了两种结垢成因的专项实验方法。一是通过模拟实验方法初步确定了这种结垢物是由纤维所携带的油剂造成的；二是在涤纶短纤维生产现场，对紧张定型辊筒无结垢的空白部位直接涂刷涤纶短纤维油剂数次，进一步验证紧张定型辊筒表面所产生或形成并积聚的结垢物主要源于涤纶短纤维油剂。

2.2 除垢剂研发原则[3]

(1)安全可靠。除垢剂应当对人体健康无害，对皮肤刺激性较小并易采取防范措施，比如通过橡胶防护手套或简单的水洗即可清除粘附在皮肤上的除垢剂。

(2)避免腐蚀。除垢剂应当对紧张热定型设备表面不会产生腐蚀，从而保证加工装备的基本使用功能或原有性能不变。

(3)清洁高效。除垢剂应当能够清除紧张热定型设备表面的油剂污垢，在保证清除效果的同时，要求清除速度快捷便利。

(4)减少残留。除垢剂不应残留在紧张热定型设备表面，且易于采取防范措施进行清除，比如去离子水辅以刷扫。

(5)体现清洁生产。一是整个清除过程不应当产生废液或废水的二次污染；二是不应当增加废液或废水的治污难度或治污成本。

2.3 除垢剂配方设计

在除垢剂配方设计方面，主要定性分析和考察乳化剂QM-1质量分数、磷酸氢二胺质量分数和酸碱度等3个原材料配比的影响因素。

(1)乳化剂QM-1质量分数。SDA-1与SDA-2的主要区别在于A1和A2，也就是二者的乳化剂QM-1质量分数不同。前者按乳化剂QM-1、加热去离子水和常温去离子水1∶20∶10的质量比制备乳液；后者按1∶30∶10的质量比制备乳液。

同理，表1中包括SDA-3与SDA-4顺位编号两两对比的其他7组除垢剂配方设计，也都显示为乳化剂QM-1质量分数的区别。

(2)磷酸氢二胺质量分数。SDA-1与SDA-9的主要区别在于前者的磷酸氢二胺质量配比为0.8，而后者则为1.0。同理，包括SDA-2与SDA-10且以此类推的7组配方设计，也都表现为磷酸氢二胺质量分数的区别。

(3)除垢剂的酸碱度。SDA-1与SDA-5的主要区别在于B1和B2，也就是二者的酸碱度不同。其中B1为质量分数5%的NaOH溶液，B2为质量分数10%的NaOH溶液。同理，包括SDA-2与SDA-6且以此类推的7组配方设计，也都表现为两两除垢剂酸碱度的区别。

2.4 结垢清除效果

(1)模拟结垢清除实验。首先，基于实验室的模拟结垢，即在实验室模拟生产现场工况的前提下，将除垢剂数次涂覆在结垢物表面，并且采用去离子水清洗残留物；其次，按照表1的编号顺序，逐一进行模拟结垢状况下的结垢清除实验。实验结果表明，表1中16个不同配方的除垢剂，均能够清除不锈钢平板表面业已形成并积聚的固化结垢物。

(2)生产现场试验。基于乳化剂QM-1和磷酸氢二胺质量分数以及酸碱度等因素，从表1中针对性选择SDA-1、SDA-2、SDA-5和SDA-9等4个不同配方的除垢剂，在生产现场分别进行结垢试验部位和定型辊筒工作部位的结垢清除效果试验。上述试验结果同样表明，这4个不同配方的除垢剂都能够清除定型辊表面的结垢。

(3)除垢剂配方或原材料配比的影响。无论是模拟结垢清除实验结果，还是生产现场试验结果，可以定性地认为本研究所涉及的乳化剂QM-1的质量分数区别(即SDA-1与SDA-2的比对)，磷酸氢二胺质量分数区别(即SDA-1与SDA-9的比对)，以及不同的酸碱度(即SDA-1与SDA-5的比对，并不会影响除垢剂的清除效果。