机织学(第2版)
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第一节 浆料

为使浆纱获得理想的上浆效果,浆液及浆膜在下列各方面应具备优良的性能。

浆液性能:化学物理性质的均匀性和稳定性,浆液在使用过程中不易起泡,不易沉淀,遇酸、碱或某些金属离子时不析出絮状物;对纤维材料的亲和性及浸润性好;适宜的黏度。

浆膜性能:对纤维材料的粘附性;强度、耐磨性、弹性、可弯性;适度的吸湿性,可溶性;防腐性。

但是,很难找到某种浆料的上述各项性能能同时优良。为此,浆液中既有作为基本材料的黏着剂,也有起辅助作用的各种助剂,扬长避短,起到理想的综合效果。

一、黏着剂

黏着剂是一种具有黏着力的材料,它是构成浆液的主体材料(除溶剂水外),浆液的上浆性能主要由它决定。黏着剂的用量很大,因此选用时除从工艺方面考虑外,还需兼顾经济、资源丰富、节约用粮、减少污染等因素。

浆纱用的黏着剂分为天然黏着剂、变性黏着剂、合成黏着剂三大类,如表3-1所示。

下面就几种常用的黏着剂作简要介绍。

表3-1 浆纱用黏着剂分类表

(一)淀粉

淀粉作为主黏着剂在浆纱工程中应用已有很久历史。它具有良好的上浆性能,并且资源丰富,价格低廉,退浆废液易处理,也不易造成环境污染。目前,浆纱生产中广泛使用的淀粉黏着剂一般为天然淀粉和变性淀粉。

1.天然淀粉 天然淀粉(以下简称淀粉)有很多种,纺织生产中常用的为小麦淀粉、玉米淀粉、马铃薯淀粉、米淀粉、木薯淀粉等。

(1)淀粉的一般性质。淀粉是由许多个α葡萄糖分子通过α型甙键连接而成的缩聚高分子化合物,它的分子式为(C6H10O5n。淀粉有直链淀粉和支链淀粉。直链淀粉能溶于热水,水溶液不很黏稠,形成的浆膜具有良好的机械性能,浆膜坚韧,弹性较好。支链淀粉不溶于水,在热水中膨胀,使浆液变得极其黏稠,所成薄膜比较脆弱。淀粉浆的黏度主要由支链淀粉形成,使纱线能吸附足够的浆液量,保证浆膜一定的厚度。

直链淀粉和支链淀粉在上浆工艺中相辅相成,起到各自的作用。

(2)淀粉浆的黏度。浆液的黏度是描述浆液流动时的内摩擦力的物理量。黏度是浆液重要的性质指标之一,它直接影响了浆液对经纱的被覆和浸透能力。黏度越大,浆液越黏稠,流动性能就越差。这时,浆液被覆能力加强,浸透能力削弱。上浆过程中,黏度应保持稳定,使上浆量和浆液对纱线的浸透与被覆程度维持不变。

在国际单位制中,液体黏度(η)的单位为帕·秒(Pa·s),将两块面积为1m2的板浸于液体中,两板距离为1m,若加1N的切应力使两板之间的相对速率为1m/s,则此液体的黏度为1Pa·s;在CGS制中,液体黏度的单位是泊(P),1P=0.1Pa·s或1cP=1mPa·s,20℃时,水的黏度为1.0087cP。液体黏度随着温度升高而减小。

在度量分散液体的黏度(η)时,也可以使用相对黏度值(ηr),其物理意义是分散液体的黏度(η)与介质黏度(ηo)之比。

实验室中,浆液的黏度一般以旋转式黏度计和乌式黏度计测定。前者测得的是黏度,后者测得的是相对黏度。在调浆和上浆的生产现场,为快捷、简便地了解浆液黏度,一般使用黄铜或不锈钢制成的漏斗式黏度计,试验时,漏斗下端离浆液液面高约10cm,以浆液从漏斗式黏度计中漏完所需时间的秒数来衡量浆液黏度。

图3-2 几种淀粉浆液的温度黏度变化曲线

1—芭芋淀粉 2—米淀粉 3—玉米淀粉 4—小麦淀粉

图3-2描述了几种淀粉浆液的黏度变化曲线。不同的淀粉种类,由于其支链淀粉含量不同,于是黏度也不同。含量高者,黏度亦大。

据上述分析可知:为稳定上浆质量,控制浆液对经纱的被覆和浸透程度,浆液用于经纱上浆宜处于黏度稳定阶段。在淀粉浆液调制时,浆液煮沸之后必须闷煮30min,待达到完全糊化之后,再放浆使用。同时,一次调制的浆使用时间不宜过长,玉米淀粉一般为3~4h。否则,在调浆和上浆装置中,由于长时间高温和搅拌剪切作用,浆液黏度会下降,从而影响上浆质量。

(3)淀粉浆的浸透性。未经分解剂分解作用的淀粉浆黏度很高,浸透性极差,不适宜经纱上浆使用。经分解剂分解作用后,部分支链淀粉分子链裂解,浆液黏度下降,浸透性能得以改善。

(4)淀粉浆的粘附力。淀粉大分子中含有羟基,因此具有较强的极性。根据“相似相容”原理,它对含有相同基团或极性较强的纤维材料有高的粘附力,如棉、麻、粘胶纤维等亲水性纤维,相反,对疏水性纤维的粘附力就很差,不能用于纯合纤的经纱上浆。

(5)淀粉浆的成膜性。淀粉浆的浆膜一般比较脆硬,浆膜强度大,但弹性较差,断裂伸长小。玉米淀粉的浆膜机械性能优于小麦淀粉,其强度较大,弹性也稍好,因此玉米淀粉上浆效果比小麦淀粉好。但是,玉米淀粉浆膜手感粗糙,上浆率不宜过高。

以淀粉作为主黏着剂时,浆液中要加入适量柔软剂,以增加浆膜弹性,改善浆纱手感。柔软剂的加入可增加浆膜弹性、柔韧性,但浆膜机械强度亦有所下降。为此,柔软剂加入量应适度。淀粉浆膜过分干燥时会发脆,从纱身上剥落,在气候干燥季节,车间湿度偏低时,浆液中要适当添加吸湿剂,以改善浆膜弹性,减少剥落。

2.变性淀粉 以各种天然淀粉为母体,通过化学、物理或其他方式使天然淀粉的性能发生显著变化而形成的产品称为变性淀粉。

淀粉大分子结构中甙键及羟基决定着淀粉的化学、物理性质,也是各种变性可能的内在因素。淀粉的变性技术不断发展,变性淀粉的品种也层出不穷。各种变性淀粉的变性方式及变性目的如表3-2所示。

表3-2 各种变性淀粉的变性方式及变性目的

表3-2中提到了高浓低黏浆料。浆料都是有机高分子化合物,在调制浆液的过程中,增加浓度必然会引起浆液黏度的提高。 但是, 高浓低黏浆料能够在较高浓度下呈现低黏度。淀粉类浆料的苷键容易酸水解,通过变性使淀粉分子长链切断, 相对分子质量下降, 黏度降低, 从而可获得高浓低黏的效果,通常用于高、中压上浆工艺。譬如酸解淀粉,当其浆液浓度为6%、温度为95℃时,黏度为5mPa·s(在同样条件下,玉米原淀粉的黏度为43mPa·s,甚至会更高),通常在该条件下,黏度小于8~10mPa·s的变性淀粉即可称为高浓低黏浆料。

下面介绍几种常用的变性淀粉。

(1)酸解淀粉。

①变性原理。在淀粉悬浊液中加入无机酸溶液,利用酸可以降低淀粉分子甙键活化能的原理,使淀粉大分子断裂,聚合度降低,形成酸解淀粉。

②上浆性能。酸解淀粉的外观和原淀粉基本相同。在水中经加热后,酸解淀粉粒子容易分散,也容易达到完全糊化状态。由于淀粉粒子膨胀较小,相对分子质量明显降低,故成浆后浆液黏度低,流动性好,但黏度稳定性比原淀粉略有下降。酸解淀粉浆膜较脆硬,与原淀粉相似。浆液对亲水性纤维具有很好的粘附性,在混合浆中可代替10%~30%的合成浆料,是一种适宜于一般混纺纱上浆的变性淀粉浆料。

(2)氧化淀粉。

①变性原理。氧化淀粉是用强氧化剂对淀粉大分子中甙键进行氧化断裂,并使其羟基氧化成醛基和羧基所形成的产品。氧化后,淀粉大分子得到裂解,聚合度下降,并含有羧基基团,羧基的存在是氧化淀粉的结构特点。

②上浆性能。氧化淀粉外观为色泽洁白的粉末。成浆后黏度低,流动性好,浸透性强,黏度稳定性好,不易凝胶,与原淀粉相比,它对亲水性纤维的粘附性有所提高,形成浆膜比较坚韧,是棉纱、粘胶纤维纱的良好浆料。

(3)酯化淀粉。

①变性原理。淀粉大分子中的羟基被化学活泼性较强的酯化剂(有机酸或无机酸)酯化后形成的产物叫酯化淀粉。用于经纱上浆的主要有醋酸酯淀粉、磷酸酯淀粉、氨基甲酸酯淀粉(尿素淀粉)和其他酯化淀粉。

酯化淀粉的酯化程度以取代度(缩写成DS)表示,取代度是指淀粉大分子中每个葡萄糖基环上羟基的氢被取代的平均数,取代度的数值在0~3之间。

②上浆性能。淀粉大分子中带有疏水性酯基后,对疏水性合成纤维的粘附性、亲和力加强。因此从原理上说,这类浆料对聚酯纤维混纺或纯纺纱有较好的上浆效果。与磷酸酯淀粉相比,醋酸酯淀粉和聚酯纤维的溶度参数比较接近,因此上浆效果比磷酸酯淀粉为好,也较为实用。

酯化淀粉的浆液黏度稳定,流动性好,不易凝胶,浆膜也较柔韧,可用于棉、毛、粘胶纤维纱、涤棉混纺纱上浆。用于毛纱及粘胶纤维纱上浆时,为防止高温对这类纤维的损伤而采取的较低温上浆,正是利用了该浆液凝胶倾向弱的特点。

(4)醚化淀粉。

①变性原理。淀粉大分子中的羟基被化学试剂(卤代烃、环氧乙烷等)醚化,生成的醚键化合物称为醚化淀粉。醚化淀粉除保留原有淀粉化学结构外,还引入了醚化基团。醚化基团的数量反映了淀粉的醚化程度,对醚化淀粉性质有很大影响。醚化淀粉的醚化程度亦以取代度表示。用于经纱上浆的醚化淀粉有羧甲基淀粉(CMS)、羟乙基淀粉(HES)、羧丙基淀粉等。

②上浆性能。醚化淀粉的亲水性和水溶性改善程度与取代基性能及取代度有关。取代度过低,水溶性改善不明显;相反,则水溶性良好,溶解速度快,但成本提高。醚化淀粉浆液黏度稳定,浆膜较柔韧,对纤维素纤维有良好的粘附性。低温下浆液无凝胶倾向,故适宜于羊毛、粘胶纤维纱的低温上浆(55~65℃)。醚化淀粉具有良好的混溶性,加入一定量的醚化淀粉,能使混合浆调制均匀。

(5)交联淀粉。

①变性原理。淀粉大分子的醇羟基与交联剂的多元官能团形成二醚键或二酯键,使两个或两个以上的淀粉分子之间“桥接”在一起,呈多维空间网络结构的反应,称为交链反应。淀粉大分子的醇羟基与交联剂发生交链反应形成以化学键连接的交联状大分子,即成为交联淀粉。

②上浆性能。交联淀粉黏度热稳定性好,聚合度增大,黏度也增加,浆膜刚性大、强度高、伸长小。浆纱中,一般使用低交联度的交联淀粉,进行以被覆为主的经纱上浆,如麻纱、毛纱上浆。也可与低黏度合成浆料一起,作为涤棉、涤麻、涤粘纱的混合浆料。

(6)接枝淀粉。

①变性原理。为了改善淀粉浆浆膜脆、吸湿性差、对涤棉纱粘附力差的缺点,将改善淀粉浆上浆性能的高分子单体的低聚物接枝到淀粉大分子上,形成接枝淀粉。通过链式反应,在淀粉主链上产生了一条由高分子单体构成的侧链。

②上浆性能。根据经纱上浆的要求,对淀粉进行接枝改性技术,可以使接枝淀粉兼有淀粉和高分子单体构成的侧链两者的长处,又平抑了两者的不足,表现出优良的综合上浆性能。譬如,以淀粉作为骨架大分子,把丙烯酸酯类的化合物作为支链接到淀粉上,所形成的接枝淀粉共聚物兼有淀粉和丙烯酸酯类浆料的特性。以丙烯酸酯或醋酸乙烯酯接枝的淀粉,可以对涤棉纱和合纤上浆,并且淀粉浆膜的柔软性和弹性得到改善。与其他变性淀粉相比,接枝淀粉对疏水性纤维的粘着性、浆膜弹性、成膜性、伸度及浆液黏度稳定性均有很大提高。因此,接枝淀粉是最新一代的、从原理上说也是最有前途的一种变性淀粉。例如,应用接枝淀粉对涤棉纱上浆,可以替代部分或全部聚乙烯醇浆料,不仅可以减少浆纱毛羽,还可以减少由聚乙烯醇浆料退浆引起的环境污染。

变性淀粉还有许多种类。与天然淀粉相比,变性淀粉在水溶性、黏度稳定性、对合成纤维的粘附性、成膜性、低温上浆适应性等方面都有不同程度的改善。应当指出,在经纱上浆中,变性淀粉的使用品种将越来越多,使用比例、使用量也会越来越大,以至完全替代聚乙烯醇浆料,是一种绿色浆料。

(二)动物胶

动物胶属于硬朊类蛋白质,从动物骨、皮等结缔组织中提取得到。动物胶是由各种氨基酸的羧基(—COOH)与相邻的亚氨基(—NHR)首尾相连而成。动物胶可分为明胶、皮胶、骨胶等。精制品明胶为无味、无臭、无色或带黄色的透明体,皮胶呈棕色半透明状,骨胶呈红棕色半透明状。

动物胶主要在毛纱、粘胶丝或醋酯长丝等浆纱生产中使用。动物胶的上浆性能分述如下。

(1)水溶性。动物胶在低温水中不溶解,但能吸收水分而膨胀形成凝胶。将凝胶液加热到70℃以上,因网状分子裂解而溶解于水,成为水溶液。

(2)黏度及浸透性。动物胶浆液的浓度和黏度之间,只有在浓度很低(1%~2%)时才维持正比关系。浓度增大后,黏度的增长速度远高于浓度的增长速度,以至上浆的动物胶浆液对经纱的浸透能力较差。为此,浆液配方中需加入适量助剂,以改善浆液的浸透性能。动物胶有明显的凝胶倾向,当浆液温度降低时,黏度显著增加,对纱线的浸透性能恶化。浆液温度65~80℃时,黏度比较稳定,90℃时浆液黏度下降。因此,上浆温度宜控制在65~80℃之间。

图3-3 明胶溶液的pH值与相对黏度的关系曲线

(3)动物胶浆液的黏度与pH值关系。如图3-3所示,为稳定浆纱质量,生产中控制pH值为6~8,这时浆液的黏度较大,稳定性也好。

(4)粘附性。动物胶对纤维素纤维和蛋白质纤维具有良好的粘附性。

(5)成膜性。动物胶浆液成膜比较粗硬,缺乏弹性,容易脆断。因此,浆液配方中要加入柔软剂,以提高浆膜柔韧性。

(6)霉变性。动物胶是微生物的培植剂。因此,浆液在30~40℃温度下,十分容易霉变、腐败,而当温度在20℃以下或80℃以上时,由于细菌繁殖较慢,浆液不会发霉。因此,浆液不宜在30~40℃温度下久存,使用中应采取防腐措施。

(三)纤维素衍生物

浆纱使用的纤维素衍生物有羧甲基纤维素(CMC)、羟乙基纤维素HEC、甲基纤维素MC等,其中又以CMC为常用浆料。

(1)水溶性。CMC为一种高分子阴离子型电解质,其水溶性由取代度决定。取代度大于0.4时,CMC才具有水溶性。用于浆纱的CMC取代度一般为0.7~0.8。在调浆桶中以1000r/min的高速搅拌能溶解。

(2)黏度。CMC的聚合度决定了其水溶液的黏度,聚合度越低,CMC在水中溶解的范围越宽,经纱上浆中常用的CMC的聚合度在300~500之间,在2%浓度、25℃时,它的黏度为400~600mPa·s。CMC浆液的黏度随温度升高而下降;温度下降,黏度又重新回升。浆液在80℃以上长时间加热,黏度会发生下降。CMC浆液的黏度与pH值有密切关系,在浆液pH值偏离中性时,其黏度逐渐下降,当pH< 5时,会析出沉淀物。为此,上浆时浆液应呈中性或微碱性。

(3)上浆性质。CMC分子中由于极性基团的引入,使它对纤维素纤维具有良好的粘附性和亲和力。一般在纯棉细特纱和涤棉纱上浆中使用。CMC浆液成膜后光滑、柔韧,强度也较高。但是浆膜手感过软,以至浆纱刚性较差,在使用聚乙烯醇作为主浆料时,往往加入适量的CMC,以改善上浆后的浆纱分纱性能。CMC浆膜吸湿性较好。车间湿度大时,浆膜容易吸湿发软、发粘。因此CMC浆料一般不作为主黏着剂使用。CMC浆液有着良好的乳化性能,能与各种淀粉、合成浆料及助剂进行均匀的混合,是一种十分优秀的混溶剂。在混合浆料中加入少量CMC作为辅助黏着剂,就是利用了它混溶性能好的优点,使混合浆调制均匀。

(四)聚乙烯醇

聚乙烯醇,又称PVA,是聚醋酸乙烯通过甲醇钠作用,在甲醇中进行醇解而制得的产物。

醇解产物有完全醇解型和部分醇解型等几种类型。前者称完全醇解PVA,后者称部分醇解PVA,完全醇解PVA的大分子侧基中只有羟基(—OH),而部分醇解PVA的大分子侧基中既有羟基(—OH),又有醋酸根(—CH3COO)。醇解度是指聚乙烯醇大分子中,乙烯醇单元占整个单元的摩尔分数比(mol/mol)%。完全醇解PVA和部分醇解PVA的醇解度不同。完全醇解PVA的醇解度为(98±1)%;部分醇解PVA的醇解度为(88±1)%。

制造维纶的聚乙烯醇称纺丝级聚乙烯醇,其醇解度在99.8%以上。浆料级聚乙烯醇的醇解度为87%~99%。聚合度为500~2000。但是,目前受PVA的生产限制,浆纱中使用的部分醇解PVA的聚合度为500~1200,完全醇解PVA的聚合度为1700,如完全醇解PVA1799的聚合度为1700,醇解度为99%。

1.PVA的一般性质 PVA为无味、无臭、白色或淡黄色颗粒。成品有粉末状、片状或絮状,相对密度在1.21~1.34之间。

2.PVA的上浆性能 (1)水溶性。完全醇解PVA分子中尽管含有较多羟基,但大分子之间通过羟基已形成较强的氢键缔合,以致对水分子的结合能力很弱,水溶性很差。在65~75℃热水中不溶解,仅能吸湿及少量膨胀。在沸水中和在高速搅拌(1000r/min)的作用下,部分氢键被拆散,“游离”羟基数增加,水溶性提高,经长时间(1~2h)后充分溶解。部分醇解PVA的分子中有适量的醋酸根基团存在,醋酸根基团占有较大的空间体积,使羟基之间的氢键缔合力削弱,在热水中能被拆散,表现为良好的水溶性。部分醇解PVA在40~50℃温度水中经保温搅拌能完全溶解。

(2)黏度。PVA浆液的黏度和浓度关系在定温条件下接近成正比;在定浓条件下,黏度和温度关系接近于反比。浆液黏度还与PVA醇解度有着密切联系,图3-4所示为两者的关系曲线。曲线表明:当醇解度为87%时,PVA溶液的黏度最小。

完全醇解PVA的溶液黏度随时间延长逐渐上升,最终可成凝胶状。部分醇解PVA的溶液黏度则比较稳定,时间延续对黏度影响很小。PVA的黏度还与聚合度有关,聚合度越高,黏度越大。PVA浆液在弱酸、弱碱中黏度比较稳定,在强酸中则被水解,黏度下降。

(3)粘附性。不同醇解度的PVA浆液对不同纤维的粘附性存在差异。完全醇解PVA对亲水性纤维具有良好的粘附性及亲和力,部分醇解PVA对亲水性纤维的粘附性则不及完全醇解PVA。由于大分子中疏水性醋酸根的作用,部分醇解PVA对疏水性纤维具有较好的粘附性。而完全醇解PVA则很差,尤其是对疏水性强的涤纶纤维,如图3-5所示。

图3-4 醇解度与黏度关系(浓度4%、温度25℃)

图3-5 PVA对聚酯薄膜的粘附强度

(4)成膜性。PVA浆膜弹性好,断裂强度高,断裂伸长大,耐磨性好。其拉伸强度、断裂强度及耐屈曲强度均较原淀粉、变性淀粉、CMC等浆料好。PVA聚合度越高,浆膜强度越高。由于大分子中羟基的作用,PVA浆膜具有一定的吸湿性能,吸湿性随醇解度、聚合度的增大而减小,在相对湿度65%以上的空气中能吸收水分,使浆膜柔韧,充分发挥其优良的力学机械性能。PVA浆液在静止时,由于水分的蒸发,液面有结皮现象,浆纱时易产生浆斑,使织造时经纱断头增加。由于PVA浆膜的内聚力大于浆膜与经纱之间的粘附力,分纱时易破坏经纱表面的浆膜完整性,使毛羽增加。

现将CMC、PVA和淀粉的浆膜性能列于表3-3,以作比较。

表3-3 不同黏着剂的浆膜性能

(5)混溶性。聚乙烯醇浆料具有良好的混溶性,在与其他浆料(如合成浆料等)混用时,能良好均匀地混合,混合液比较稳定,不易发生分层脱混现象。但与等量的天然淀粉混合时很易分层,使用时应十分注意。

(6)其他性能。由于聚乙烯醇具有良好的粘附性和力学机械性能,因此是理想的被覆材料。但是,PVA浆膜弹性好,断裂强度高,断裂伸长大,因此浆纱分纱性较差,在干浆纱分绞时分纱阻力大,浆膜容易撕裂,毛羽增加。为此,在PVA浆液中往往混入部分浆膜强度较低的黏着剂(如CMC、玉米淀粉、变性淀粉等),以改善干浆纱的分纱性能。

3.变性聚乙烯醇 聚乙烯醇调浆时浆液易起泡、浆液易结皮、浆膜分纱性差是其主要缺点。为克服这些缺点,可以对聚乙烯醇进行变性处理。比较成熟的变性方法有PVA丙烯酸酰胺共聚变性、PVA内酯化变性、PVA磺化变性及PVA接枝变性。变性聚乙烯醇浆料在40~50℃温水中保温搅拌1h可溶,溶液均匀,与其他黏着剂混溶性强,浆液不会结皮,在调制和上浆过程中不易起泡。变性聚乙烯醇浆料适宜于低温(85℃以内)上浆,并且黏度稳定。浆膜机械强度减小,分纱性良好,浆膜完整、光滑,而且退浆方便。

(五)丙烯酸类浆料

丙烯酸类浆料的最大特点是:对疏水性纤维具有优异的粘附性能,水溶性好,易于退浆,不易结皮,对环境污染小。但其吸湿性和再粘性强,所以只能作辅助浆料使用。丙烯酸类浆料的性能主要取决于组成单体本身的性能及其配比,聚合工艺对其性能也有较大影响。

第一代丙烯酸类浆料主要产品有聚丙烯酸甲酯、聚丙烯酰胺等,其外观为黏稠液体,含固量在8%~14%。它们的特点是对疏水性纤维具有良好的粘附性,并且浆膜柔韧,弹性好,水溶性及退浆性能好;但浆膜软,吸湿性、再粘性较高,流动性差,使用不便。使其应用受到一定限制,只能用作辅助浆料,已逐渐淘汰。

第二代丙烯酸类浆料黏度较低,含固量在25%左右,粘附性、吸湿再粘性都得到改善,可全部取代丙烯酸甲酯、丙烯酰胺和其他辅助浆料,亦可部分取代PVA。

第三代产品为粉末状固体丙烯酸类浆料,其外观为白色粉末,含固量在90%以上。性能较第二代产品有所改善,调浆使用较方便,为组合浆料的生产奠定了基础。

丙烯酸类浆料主要有如下几种。

1.聚丙烯酸甲酯浆料 聚丙烯酸甲酯浆料(简称PMA),习惯上称为甲酯浆。聚丙烯酸甲酯浆料以丙烯酸甲酯(85%)、丙烯酸(8%)和丙烯腈(7%)三种单体以过硫酸铵为引发剂通过乳液共聚而成。

聚丙烯酸甲酯浆料的外观为乳白色半透明凝胶体,有大蒜味,具有较好的水溶性,可与任何比例的水互溶,黏度较为稳定。由于它的侧链中主要是非极性的酯基,分子链间的作用力较小,因此浆膜强力低,伸度大,急弹性变形小,弹性差,是一种低强高伸、柔而不坚的浆料,对疏水性纤维有很高的粘附性,但其热再粘性高,在车间温度较高时,纱线易产生粘连现象。聚丙烯酸甲酯浆料主要用于涤棉混纺经纱上浆的辅助黏着剂,以改善纱线的柔软性及浆料的粘附性。

2.聚丙烯酰胺浆料 聚丙烯酰胺浆料(简称为PAAm),习惯上称为酰胺浆,是一种水溶性高分子化合物,它是由丙烯酰胺并体聚合而成。

聚丙烯酰胺浆料是一种无色透明黏稠体,具有良好的水溶性,能与任何比例的水混溶,但在水中遇到无机离子(如Ca2+、Mg2+等)会产生絮凝沉降作用,且黏度下降。聚丙烯酰胺浆料成膜性好,侧基为较活泼的能互相形成氢键的极性酰胺基,因而浆膜强度高、伸度低,是一种高强低伸、坚而不柔的浆料,对棉纤维有良好的粘附性,用于苎麻、棉、粘胶纤维、涤棉织物经纱的上浆有良好的效果。

3.醋酸乙烯酯丙烯酰胺共聚浆料 醋酸乙烯酯丙烯酰胺共聚浆料也是一种聚丙烯酸类浆料,呈乳白色黏稠状体,黏度较高,含固量可达到25%~30%。醋酸乙烯酯丙烯酰胺共聚浆料其性能界于聚丙烯酸甲酯和聚丙烯酰胺浆料之间。醋酸乙烯酯丙烯酰胺共聚浆料没有大蒜味,对人体无害,所以生产中大都替代聚丙烯酸甲酯用于涤棉混纺经纱的上浆。

4.聚丙烯酸盐多元共聚浆料 近年来,对聚丙烯酸盐多元共聚浆料的研究、开发获得了较大的发展,其目的在于利用两种或两种以上不同性能的单体,并以不同配比,在一定温度条件下进行共聚,以获得不同性能的浆料,如良好的粘着性、水溶性、耐磨性以及较低的吸湿性。例如丙烯酸和丙烯酰胺的共聚物(钠盐或氨盐),丙烯酸、丙烯腈和丙烯酰胺的共聚物,或丙烯酸、丙烯酰胺、醋酸乙烯酯和丙烯腈的四元单体共聚物等,共聚后再用氢氧化钠或氨水中和得到其钠盐或氨盐。这类浆料含固量可以达到25%~30%,黏度可根据需要调节,对亲水性纤维的粘附性较好,广泛用于棉、粘胶纤维、苎麻、涤棉等织物经纱的上浆。

5.固体聚丙烯酸(酯)浆料 液体聚丙烯酸类浆料由于含固量较低,运输和使用都不大方便,为此国内外研究开发了多种含固量高(>95%以上),运输、使用都比较方便的固体聚丙烯酸(酯)浆料。固体聚丙烯酸(酯)浆料一般采用喷雾烘干法或沉淀聚合法生产,有聚丙烯酸酯和聚丙烯酸盐两类,前者对疏水性纤维的粘附性较好,后者对亲水性纤维的粘附性较好,但吸湿性较大。

6.喷水织机疏水性合纤长丝用浆料 这类浆料包括聚丙烯酸盐类和水分散型聚丙烯酸酯两类。聚丙烯酸盐类浆料是丙烯酸及其酯在引发剂的引发下聚合,用氨水增稠生成铵盐,浆料中含有极性基(—COONH4),使浆料具有水溶性,满足调浆的需要。烘燥时铵盐分解放出氨气,成为含有(—COOH)基团吸湿性低的浆料,使浆膜在织造时具有耐水性,符合喷水织造的要求。织物退浆时用碱液煮练,浆料变成具有水溶性基团的聚丙烯酸钠盐,达到退浆目的。近年来开发的水分散型聚丙烯酸酯乳液以丙烯酸、丙烯酸丁酯、甲基丙烯酸甲酯、醋酸乙烯酯单体为原料,用乳液聚合法共聚而成。该浆料对疏水性纤维有良好的粘附力,烘燥时随水分子的逸出,乳胶粒子相互融合,形成具有耐水性的连续浆膜,它的耐水性优于聚丙烯酸盐类浆料,织物退浆亦用碱液煮练。

丙烯酸类浆料发展趋势大致有以下几类。

(1)改变浆料形态。以前这类浆料为溶液态,含固率低;现在将其粉末化,有效含量高,使用方便。

(2)取代PVA浆料,PVA浆成膜强韧,而丙烯酸类浆膜却偏软,通过聚合单体软硬搭配和使用合成技术有望得到完全取代PVA的聚丙烯酸类浆料。

(3)开发特定用途的丙烯酸类浆料。由于丙烯酸类浆料的可调性很强,调整浆料大分子链的侧基可在很宽范围内改变浆料性能。因此,当新纤维、纺织新技术出现后,对浆料有所要求时,首先被考虑的是丙烯酸类浆料,例如用于喷水织机浆纱的浆料、碳纤维浆纱的浆料等。

(六)聚酯浆料

目前,短纤经纱上浆所用合成浆料主要是聚乙烯醇(PVA)。PVA对聚酯纤维粘附力小,而且退浆困难,退浆废液中的PVA难以生物降解,环境污染大,国内外正大力倡导不用PVA。由于聚酯浆料具有与聚酯大分子相似的化学结构,根据“相似相容”理论,对聚酯纤维有较高的粘附力,同时在分子结构中引入了水溶性基团,使其具备了较好的水溶性,便于退浆。

聚酯浆料是由对苯二甲酸与二元醇及其他有机化合物共聚而成,浆料中含有—NH2,—OH,—COO-等基团,具有含固量高、水溶性好、黏度低、渗透性好、对聚酯纤维粘附性好等优点;而且浆膜柔软光滑、韧性大、抗拉强度高、吸湿性能好,对涤棉纱、纯棉纱有良好的粘附性能,能部分替代或完全替代PVA浆料,可减少后处理时产生的污染。但在浆膜强度、伸长等方面略不如PVA,有待进一步研究。

(七)组合(即用)浆料

在传统的浆料工程中,一个完整的浆液配方由几种黏着剂和3~5种助剂所组成,配方是建立在各厂长期的经验基础之上而非严格的科学基础之上。但随着大生产的发展和分工的社会化,为了解决浆料多元供应的麻烦,避免各用户在配方和计量上出现差错,试图将配方中各组分定量混配,并将液态组分也制成固态,以单一形态的产品供应市场。可达到科学而准确地制备浆液的目的,因此就开发了组合(即用)浆料。

组合(即用)浆料的形成基于两方面技术的发展:其一,水溶性变性淀粉和变性PVA的应用;第二,固态丙烯酸系浆料的制造和应用。组合浆料的发展由此而形成两条技术路线:一条以变性PVA为主辅以变性淀粉;另一条则以丙烯类共聚树脂为主辅以变性淀粉。组合(即用)浆料作为今后浆料发展方向之一,应以少组分、高性能、品种适应广为前提。变性淀粉、变性PVA和各种共聚浆料的研究开发为组合浆料提供了基础条件,尤其是接枝淀粉的研究和应用,使得少组分组合浆料这种设想成为可能。

二、助剂

助剂是用于改善黏着剂某些性能不足,使浆液获得优良的综合性能的辅助材料。助剂种类很多,但用量一般较少。选用时要考虑其相溶性和调浆操作方便。

(一)分解剂

淀粉的分解剂有酸性、碱性和氧化分解剂三类。

图3-6所示为小麦淀粉加入碱性分解剂硅酸钠及不加硅酸钠的黏度变化曲线。曲线反映了淀粉分解剂使淀粉大分子水解,降低大分子的聚合度和黏度,使浆液达到适于经纱上浆的良好流动性和均匀性;降低淀粉的糊化温度,缩短淀粉浆液达到完全糊化状态所需的时间,从而缩短浆液调制时间。

图3-6 小麦淀粉加硅酸钠分解剂的黏度变化曲线

1—不加硅酸钠 2—加硅酸钠

1.碱性分解剂 碱在高温及氧存在的条件下使淀粉大分子裂解,黏度下降,起到分解作用。使用碱分解剂时操作比较方便,分解作用缓和,有利于黏度稳定。常用的碱性分解剂有硅酸钠和氢氧化钠。硅酸钠的用量一般为淀粉重量的4%~8%。氢氧化钠的用量为淀粉重量的0.5%~1%。

2.酸性分解剂和氧化分解剂 酸性分解剂和氧化分解剂一般用于天然淀粉的变性加工,产品为酸解淀粉和氧化淀粉。淀粉的大分子遇酸后迅速发生水解反应,淀粉的聚合度减小,淀粉浆液黏度下降,渗透性增大。纺织厂应用的酸性分解剂有盐酸(用量为淀粉重量的0.2%~0.3%)、硫酸(用量为淀粉重量的0.4%~0.5%)等。

氧化分解剂使淀粉中的羟基氧化成羧基,浆液的黏度下降,淀粉对水和纤维的亲和力增加。氧化分解剂有氯胺T(用量为淀粉重量的0.4%~0.5%)、次氯酸钠(有效氯重量为淀粉重量的0.5%~1.2%)、漂白粉(有效氯重量为淀粉重量的0.12%)。

3.生物酶分解剂 生物酶分解剂是应用酶在一定温度范围内与淀粉发生反应,使淀粉大分子1,4甙键断裂,淀粉降解,黏度降低,常在淀粉调浆时加入生物酶分解剂,目前应用较多的生物酶分解剂为DDF,其用量为淀粉的5%。

(二)浸透剂

浸透剂即润湿剂,是一种以润湿浸透为主的表面活性剂。经纱通过浆槽时,浆液向经纱内部的浸透扩散程度与浆液的表面张力有关。表面张力越小,浸透扩散能力越强,在浆液中加入少量浸透剂的作用是使浆液表面张力降低,增加浆液与经纱界面的活性,改善浆液的浸透润湿能力。

用于经纱上浆的浸透剂一般为阴离子型和非离子型表面活性剂。在中性及弱碱性浆液中使用阴离子型表面活性剂;在酸性浆液中宜采用非离子型表面活性剂。

浸透剂一般用于疏水性合成纤维上浆。在棉纤维的细特、高捻或精梳纱上浆时亦可使用,以加强浸透上浆的效果,其用量为黏着剂的1%以下。

(三)柔软润滑剂

浆液中加入柔软润滑剂的目的是改善浆膜性能,使浆膜具有良好的柔软、平润性、降低摩擦因数,赋予浆膜更好的弹性,以减少织造时的经纱断头,提高织机效率。

1.浆纱油脂 常用的柔软、润滑剂多数为油脂类物质,以动物油脂为主,它具有柔软、润滑为一体的性质。油脂的作用是使黏着剂分子链间松弛,从而增加其可塑性,降低浆膜的刚性,增加弹性伸长,同时还具有降低纱线与经停片、综丝和钢件之间的摩擦因数的作用。

浆纱用油脂要求性质均匀稳定,一般是以多种动物油脂(牛油、羊油等)的混合物经氢氧化钠在一定温度下部分皂化而成的具有一定熔点、比重、皂化值、碘值及酸值范围的化合物,呈固态或半固态,以适应浆纱工艺的要求。有时为了改善其乳液稳定性,还加入一些起分散乳化作用的表面活性剂。

油脂的用量一般为黏着剂干重的2%~8%,高密低特织物用量可适当增加,以淀粉类为主体的黏着剂,油脂用量较化学浆料为高。

2.固体浆纱蜡片 固体浆纱蜡片(柔软润滑剂)是用于各类经纱上浆的新一代柔软润滑剂,有效成分几乎达100%。它是由动植物油脂经氢化精制而成,并根据纤维的特性和上浆的要求,添加有抗静电剂、消泡剂、增塑剂等,一般不含矿物石蜡。是一种高效柔软润滑剂,具有良好的柔软润滑性、抗静电性和增塑性,是纺织经纱上浆较优良的柔软润滑剂,也可作为浆纱后上蜡用。主要质量指标为:色泽和外观为白色或淡黄色片或块状固体,有效成分>99.0%,不溶物≤0.1%,pH值7左右,能分散在60℃以上的热水中,熔点47~55℃。固体浆纱蜡片一般用量为主浆料干重的3%~5%。

3.浆纱油剂 浆纱油剂是由高纯度的矿物油和多种表面活性剂、抗静电剂等复配而成的。矿物油是一种优良的润滑剂,对纱线具有良好平滑作用,可降低浆纱的摩擦因数,改善浆纱的导电性能,但柔软作用较差,对纱线几乎无任何柔软作用。用量一般为黏着剂量的2%~3%,亦可根据织物经纱上浆要求增减。

(四)抗静电剂

疏水性合成纤维吸湿性差,是电的不良导体。在浆纱和织造过程中容易形成静电聚积,以至纱线毛茸耸立,在开口运动时与相邻经纱互相缠连,影响织造顺利进行。为克服这一缺点,在浆液中加入少量以消除静电为主的表面活性剂,不仅能起到良好的抗静电效果,而且还使浆膜平滑。作为抗静电剂的表面活性剂有离子型和吸湿型两种,离子型抗静电性能比吸湿型抗静电剂好,如抗静电剂SFNY、静电消除剂SN等。

(五)防腐剂

浆料中的淀粉、油脂、蛋白质等都是微生物的营养剂。坯布长期储存过程中,在一定的温度、湿度条件下容易长霉。在浆料配方中加入一定量的防腐剂,可以抑制霉菌的生长,防止坯布储存过程中的霉变。

浆纱常用防腐剂有2-萘酚与NL-4防腐剂。在碱性浆液中,2-萘酚的用量一般为黏着剂重量的0.2%~0.4%,酸性浆中为0.15%~0.3%。NL-4防腐剂主要成分为二羟基二氯二苯基甲烷,又称双氯酚,简称DDM,具有较强的杀菌能力,用量同2-萘酚。

(六)吸湿剂

吸湿剂的作用是提高浆膜的吸湿能力,使浆膜的弹性、柔软性得到改善。合成浆料的浆膜一般具有良好的弹性和柔软性,因此浆料配方中不必使用吸湿剂。淀粉浆膜的缺点是脆硬,过于干燥时会脆裂、落浆。在冬季干燥的气候条件下,当淀粉上浆率较高时,可以考虑在浆液中加入适量的吸湿剂,以减少织造过程中经纱的脆断现象。

常用的吸湿剂甘油是无色透明略带甜味的黏稠液体。甘油的使用量一般为淀粉重量的1%~2%。此外,具有大量亲水性基团的表面活性剂也可作为吸湿剂使用。

(七)消泡剂

浆液起泡不仅给浆纱操作带来不便,而且会引起上浆量不足和不匀,影响浆纱质量。产生浆液起泡的原因很多,如PVA浆的使用、调浆的水质、淀粉浆料的质量等。黏度大的浆液中“泡沫寿命”也长,一旦产生泡沫之后,就难以自然消除。

当浆液中泡沫生成之后,分批加入少量油脂类柔软剂,可以作为消泡剂降低气泡膜的强度和韧度,使气泡破裂。常用的消泡剂有松节油、辛醇、硅油、可溶性蜡等。

三、浆料的质量指标

为保证浆纱质量稳定,浆料的质量必须符合上浆要求。纺织厂应对每批浆料的物理、化学性质进行抽样检查,并严格保管制度,控制使用期限。目前,抽样检查时所进行的都是常规检验项目,如淀粉的含水、色泽、细度、黏度、蛋白质、酸值、灰分、斑点等。随着各种新型合成黏着剂、变性黏着剂、助剂的不断开发及应用,检验项目也将逐步扩充,如浆料官能团的鉴别、混合浆的分析等。

随着科学技术的发展,近代有机分析手段已能基本满足浆料质量检验工作的需要。譬如在Fourier红外吸收光谱仪上,利用化合物中每一种官能团在各种振动方式上都有一定自振频率的特点,根据红外光照射该化合物时,红外光中某一频率与官能团的一种自振频率相同,将发生共振,该频率红外光将被吸收的原理,由红外吸收光谱图可以迅速、准确地进行各种官能团的定性及定量分析。在气相色谱仪上,混合浆料的各种组分被瞬时汽化分离,并进行色谱分析,最后由电子计算机打印出混合浆料成分的定性或定量的分析结果。