玻璃纤维浸润剂用脂肪醇聚氧乙烯醚*

王晓敏,屈世元,高 敏,宣亚欣,牛 植,常冰杰,张辽辽,王 珊**

(1.陕西华特新材料股份有限公司,陕西 兴平 713100;2.咸阳师范学院 化学与化工学院,陕西 咸阳 712000)

脂肪醇聚氧乙烯醚(AEO),又名平平加,是非离子表面活性剂的重要产品之一。其衍生物具有优良的乳化效果,广泛应用于日用化工、纺织、造纸等行业[1]。在玻璃纤维生产中AEO用于石蜡型浸润剂配制,主要用于乳化石蜡、凡士林、变压器油等油剂,同时由于聚氧乙烯链段能与水通过氢键缔合,易吸水,因此还具有较好的抗静电性能[2]。

石蜡型浸润剂在中国主要用于高硅氧玻璃纤维和无碱玻璃纤维的生产。高硅氧玻璃纤维由于其玻璃成分的特殊性,在通过玻璃球融化拉丝、退解、并捻、纺织后还需要进行酸热处理,使纤维中w(SiO2)>96%。酸处理时涂覆在高硅氧玻璃纤维表面浸润剂超过90%被去除。实际生产过程中,因使用不同牌号的AEO配制浸润剂制造高硅氧玻璃纤维纱,在经过酸处理工艺后,纱线表面存在附着物难以去除,且热烧结后,强力损失严重,导致产品不合格,造成一定经济损失。

1 实验部分

1.1 试剂与仪器

1#AEO：宜兴志博化工公司;2#AEO：上海佳化化学有限公司;3#AEO：杭州电化化学股份有限公司;4#AEO：四川精细化工研究院;以上试剂均为工业级;氯化钙：质量分数10%,分析纯,陕西华特新材料股份有限公司。

激光粒度分析仪：BT-9300,丹东市百特仪器有限公司。

1.2 实验方法

1.2.1 AEO浊点的测试与亲水亲油平衡值(HLB)值计算

按照文献[3]中的方法,取测定样5 g,放入锥形瓶中,加入100 mL氯化钙溶液,摇匀,使试样完全溶解。取15 mL试样溶液倒入试管中,插入温度计,然后将试样置于加入甘油的烧杯中。对烧杯进行加热,用温度计搅拌至溶液完全呈混浊状,停止加热,试管仍保留在烧杯中,用温度计搅拌溶液,使其冷却,记录混浊消失时的温度,测定浊点。

聚氧乙烯醚型非离子表面活性剂的HLB值与其浊点比例关系见公式(1)[4]。

HLB=0.098 0X+4.02

(1)

式中：X为表面活性剂的浊点,℃。

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1.2.2 不同AEO配制石蜡型浸润剂及质量测试

分别选用1#、2#、3#、4#AEO配制石蜡型浸润剂(简称浸润剂),并对其进行粒径分析,离心、稳定性测定。

1.2.3 高硅氧玻璃纤维纱的生产

用1.2.2配制的浸润剂生产高硅氧玻璃纤维纱,进行酸处理。观察酸处理纱表面的附着情况,并热烧结处理后对其进行力学性能测试。

2 结果与讨论

2.1 AEO浊点测试

浊点是指非离子表面活性剂在水溶液中与水形成氢键,当温度升高至某一点时,氢键断裂,表面活性剂与水分离,溶液由澄清变浑浊时的温度,是分子结构的一种特征属性,能够表明其亲水基与水分子形成氢键的能力[5]。相同浓度下,AEO合成过程中环氧乙烷(EO)链越长,形成的氢键数目越多,破坏这些氢键需要的能量就越大,需要的温度就越高[6]。EO链越长,AEO合成时加成反应的加成数越多,分子量就越大。

按照1.2.1方法,分别取1#、2#、3#、4#AEO,进行浊点测定,结果见表1。

表1 不同厂家AEO浊点和HLB值

由表1可知,不同厂家AEO的浊点差异很大,1#、3#AEO的HLB值低于13,2#、4#AEO的HLB值高于13。根据浊点测试结果判断[7],分子量大小顺序为2#>4#>3#>1#。

2.2 石蜡型浸润剂配制及质量测试

按照公司高硅氧玻璃纤维原丝用石蜡型浸润剂配方及石蜡型浸润剂配制作业指导书配制浸润剂。在配制过程中,使用2#、4#AEO浸润剂均出现油包水(W/O)转相时黏度急剧上升、搅拌难度增大的问题,为了实现O/W转相,必需增加转相时间和加水次数。1#、3#AEO浸润剂转相时黏度增加适中,搅拌过程中出现旋涡搅拌,可以使油水两相充分混合,实现W/O至O/W的转相。配制好的浸润剂进行质量测试,结果见表2。

表2 不同厂家AEO配制的浸润剂质量测试结果

由表2可知,2#、4#AEO浸润剂质量不稳定,静置稳定性测试时出现表面结皮现象。4#AEO浸润剂离心测试出现分层现象,1#、3#AEO浸润剂稳定性好。由于2#、4#AEO的浊点均比1#AEO高出很多,分子量也比1#AEO大很多,说明分子量越大,EO链越长,AEO的亲水性越好,亲油性越差。石蜡型浸润剂中AEO的作用主要是为了乳化石蜡、凡士林、变压器油、硬脂酸等油性物质,因此要求AEO有一定的亲油性能。从粒径的测试结果也可以看出,1#、3#AEO浸润剂粒径较小,浸润剂质量稳定。

2.3 高硅氧玻璃纤维纱的生产

2.3.1 高硅氧玻璃纤维纱的生产工艺流程

将高硅氧玻璃球经过铂金坩埚加热融化后,通过特制拉丝机卷绕在原丝筒制成高硅氧原丝。生产好的原丝通过恒温恒湿环境调理后,在捻线机和摇挂机上进行退解、并捻、摇挂,制成具有固定长度和规格的高硅氧摇挂基纱。摇挂基纱经过酸处理、热烧结工序处理,制成可长期耐温超过900 ℃的高硅氧玻璃纤维纱。

2.3.2 高硅氧玻璃纤维原丝测试

采用以上4种浸润剂分别生产高硅氧玻璃纤维原丝,并进行测试,结果见表3。

表3 高硅氧玻璃纤维原丝测试数据

由表3可知,4个厂家AEO配制浸润剂生产的高硅氧玻璃纤维原丝其物理测试均达到技术指标要求,1#、3#AEO浸润剂生产的原丝拉伸断裂强力较高,原丝表面的可燃物含量也较高。这2种AEO浊点较低,分子量相对较小,亲油性较好,能够将浸润剂配方中的油性物质很好地乳化,乳液粒径越细,在原丝纤维上的附着力就越大,对原丝的黏结集束能力越强,破坏原丝的黏结性需要的拉伸断裂强力就越大。

2.3.3 高硅氧玻璃纤维纱酸热处理

将实验的4种高硅氧玻璃纤维摇挂基纱同时进行酸处理[8],采用2#、4#AEO浸润剂生产的高硅氧玻璃纤维摇挂基纱酸处理后,玻璃纤维纱表面附着一层白色物质,纱线外管无光泽(见图1);采用1#、3#AEO浸润剂生产的高硅氧玻璃纤维摇挂基纱酸处理后,外观正常,有光泽(见图2)。

图1 有附着物的酸处理纱外观

图2 正常酸处理纱外观

对以上2种高硅氧玻璃纤维纱测试表面残留物含量和热烧结纱拉伸断裂强力测试,结果见表4。

表4 酸处理纱表面H3BO3、KCl、NaCl质量分数测试 w/%

由表4可知,附着物的玻璃纤维纱测试结果中,H3BO3、KCl、NaCl含量均高于正常玻璃纤维纱。文献中提到,酸处理时酸液中w(H3BO3)增加会极大影响高硅氧玻璃纤维的强力,由于AEO的分子量越大,其亲油性越差,对浸润剂的乳化效果就越差,导致在酸处理过程中浸润剂乳液的水溶性降低,处理难度增加,w(H3BO3)提高并附着在高硅氧玻璃纤维表面,进而影响其强力[9-11]。2#、4#AEO浸润剂生产的酸处理纱经过热烧结后,拉伸断裂强力测试数据也充分证明了这一结论。

2#、4#AEO浸润剂生产的高硅氧玻璃纤维纱经过酸处理、热烧结后拉伸断裂强力无法测试,手触即断。1#、3#的高硅氧玻璃纤维纱拉伸断裂强力大于6.5 N,能够进行正常拉伸断裂强力测试。

3 结 论

AEO中分子量不同,其亲水性和亲油性也不同,随着EO链段加成数的增加,AEO的亲水性提高,亲油性降低。用于高硅氧玻璃纤维石蜡型浸润剂配方中的AEO,其主要作用是乳化石蜡、凡士林、变压器油、硬脂酸等油性物质。适用于高硅氧玻璃纤维浸润剂的AEO要求为浊点85～90 ℃、HLB 12～13。