一种环保可降解涤纶FDY油剂及其制备方法
文献发布时间：2023-06-19 13:48:08
技术领域
本发明涉及纺丝助剂技术领域，尤其是涉及一种环保可降解涤纶FDY油剂及其制备方法。
背景技术
涤纶FDY油剂是涤纶长丝生产过程中不可或缺的化纤助剂，油剂性能的优劣、使用效果将直接影响到涤纶长丝的质量和生产能否顺利进行，所以在选用油剂时必须慎重考虑。目前，国内化纤行业使用的大多是日本竹本、德国达柯等牌号的进口油剂；国产油剂经过几十年的科研开发，目前可生产出性能优良的产品，如浙江传化、桐昆、天工大牌号的油剂目前呈现良好的发展趋势，逐步取代进口油剂，占领国内市场。
涤纶FDY油剂的原料主要为矿物油及乳化剂、抗静电剂等助剂，例如，在中国专利文献上公开的“一种粘胶纤维纺丝油剂及其制备方法”，其公告号CN108755141A，该油剂中含有润滑剂、抗静电剂和乳化剂，其中所述的润滑剂为白油、液体石蜡、凡士林、锭子油、硬脂酸酯、油酸酯的一种或几种，乳化剂为脂肪醇聚氧乙烯醚、脂肪酸聚氧乙烯酯、多元醇脂肪酸酯、壬基酚聚环氧乙烯醚和聚乙二醇中的一种或几种，抗静电剂为烷基磷酸酯盐、烷基硫酸酯、烷基磷酸酯和高级醇硫酸酯盐的一种或几种。
而目前现有的纺丝油剂中，各原料一般都不可降解或者短周期内降解度低，直接导致油剂处理成本高、处理周期大、处理技术要求高，因此油剂的环保性能还具有很大的提升空间。
发明内容
本发明是为了克服现有技术中的涤纶纺丝油剂中，原料一般都不可降解或者短周期内降解度低，直接导致油剂处理成本高、处理周期大、处理技术要求高的问题，提供一种环保可降解涤纶FDY油剂及其制备方法，油剂中的各组分采用可降解原料，使生产出来的油剂不仅符合上机生产的要求，还能提升油剂降解度，降低油剂处理成本，大大提升了油剂的环保性。
为了实现上述目的，本发明采用以下技术方案：
一种环保可降解涤纶FDY油剂，以重量份计，原料包括：耐高温平滑剂40～50份，可降解环保乳化剂44.5～55份，可降解抗静电剂5～7份及油剂稳定剂0.1～0.5份；
所述耐高温平滑剂的组分包括多元醇酯、脂肪酸酯及精炼植物油；本发明中的涤纶FDY油剂中，耐高温平滑剂的作用主要是减少摩擦，提高油膜强度，防止纤维擦伤出现断头、毛丝等问题，同时减少对设备的磨损和锈蚀；本发明选用多元醇酯、脂肪酸酯及精炼植物油作为平滑剂，不含难以降解的矿物油，无毒性、气味低、生物降解性强，同时具有优异的润滑性和稳定性，闪点高，耐高温，挥发性低，抗磨性好；
所述可降解环保乳化剂的组分为植物多烯酚聚氧乙烯醚；本发明选用植物多烯酚聚氧乙烯醚作为可降解环保乳化剂，植物多烯酚聚氧乙烯醚与传统的脂肪醇聚氧乙烯醚乳化剂相比，乳化力和耐硬水性能相当，同时具有浊点较高，泡沫性能较低，去污力较好，毒性更低，更易生物降解的优势；
所述可降解抗静电剂的组分为植物多烯酚聚氧乙烯醚磷酸酯。本发明选用植物多烯酚聚氧乙烯醚磷酸酯作为可降解抗静电剂，与传统的烷基磷酸酯、脂肪醇聚氧乙烯醚磷酸酯抗静电剂相比，提高了其可生物降解性，使油剂更加环保，同时本发明中的抗静电剂可以增加纤维的吸湿性，能较好的调整纤维之间的动摩擦系数，在高速纺丝过程中能吸附在纤维表面，提高导电性，减少静电的积累。
因此，本发明中的涤纶FDY油剂中的组分大多具有易生物降解的特性，使生产出来的油剂不仅符合上机生产的要求，还能提升油剂降解度，降解率高、降解周期短，降低了油剂处理成本，大大提升了油剂的环保性。
作为优选，所述耐高温平滑剂中多元醇酯、脂肪酸酯及精炼植物油的质量比为17～20:15～20:5～10；所述多元醇酯选自新戊二醇二油酸酯及季戊四醇中的一种或两种；所述脂肪酸酯选自硬脂酸异辛酯、三羟甲基丙烷油酸酯及脂肪酸异丙酯中的一种或多种。
作为优选，所述可降解环保乳化剂的组分为腰果酚聚氧乙烯醚，可降解抗静电剂的组分为腰果酚聚氧乙烯醚磷酸酯。腰果酚聚氧乙烯醚原料廉价易得、HLB值易于调控，选用其作为乳化剂及抗静电剂中的组分，可在提高油剂可降解性的同时提高油剂的使用性能。
作为优选，所述可降解环保乳化剂的组分包括HLB值分别为4.5、7、7.5、9、9.5、13的腰果酚聚氧乙烯醚。
作为优选，所述HLB值分别为4.5、7、7.5、9、9.5、13的腰果酚聚氧乙烯醚的质量比为7～9:14～17:4.5～5:4～5:7～9:8～11。
本发明研究发现，腰果酚聚氧乙烯醚的HLB值对油剂的稳定性具有较大影响，当采用单一HLB值的腰果酚聚氧乙烯醚作为乳化剂时，无法使油剂具有良好的稳定性，只有将具有不同HLB值的腰果酚聚氧乙烯醚按特定比例进行配比，才能得到稳定性较好的油剂，使油剂满足纺丝要求。
作为优选，所述腰果酚聚氧乙烯醚的制备方法为：将腰果壳进行压制得到腰果壳油；对腰果壳油进行精制得到腰果酚；将腰果酚与氢氧化钠溶液混合，减压抽除水汽、空气后，通氮气置换空气；然后加入环氧乙烷，加热到130～140℃下反应4～6h，待反应完成后降温至75～85℃，将产物用乙酸中和，即得所述腰果酚聚氧乙烯醚。通过调节环氧乙烷与腰果酚的添加比例，可以得到不同HLB值的腰果酚聚氧乙烯醚。
作为优选，所述腰果酚聚氧乙烯醚磷酸酯的制备方法包括如下步骤：(1)将腰果酚聚氧乙烯醚加热至40～50℃，然后在搅拌状态下加入五氧化二磷，60～70℃下反应2～4h；再加入水和双氧水，70～80℃下反应1～3h，冷却至室温得到中间体；(2)将中间体加热至40～50℃，然后在搅拌状态下滴加五氧化二磷和腰果酚聚氧乙烯醚，60～70℃下反应2～4h；再加入水和双氧水，70～80℃下反应1～3h，冷却至室温后得到所述腰果酚聚氧乙烯醚磷酸酯。
传统的聚氧乙烯醚磷酸酯制备时一般是使聚氧乙烯醚与五氧化二磷直接进行磷酰化反应，但由于该反应会放出大量热量，产物易焦化，颜色较深，用于纺丝油剂中时会影响制得的涤纶FDY颜色，不利于涤纶的后续使用。因此本发明制备腰果酚聚氧乙烯醚磷酸酯时分两步进行反应，先使一部分腰果酚聚氧乙烯醚和五氧化二磷反应得到中间体，然后再通过中间体与腰果酚聚氧乙烯醚和五氧化二磷反应，最终制得腰果酚聚氧乙烯醚磷酸酯。采用本发明中的方法制得的腰果酚聚氧乙烯醚磷酸酯单酯含量可达77％，转化率可达97％，并可有效避免产物焦化，控制产物的色泽，从而避免油剂颜色对涤纶FDY的颜色造成影响。
作为优选，步骤(1)中加入的腰果酚聚氧乙烯醚和五氧化二磷的质量比为58～62:11～12；腰果酚聚氧乙烯醚和加入的水的质量体积比为58～62kg:4L；所述双氧水的质量分数为20～30％，加入的水和双氧水的体积比为4:2.5～3.8。
作为优选，步骤(2)中加入的中间体、五氧化二磷和腰果酚聚氧乙烯醚的质量比为34～36:21～22:97～98；中间体和加入的水的质量体积比为34～36kg:3L；所述双氧水的质量分数为20～30％，加入的水和双氧水的体积比为3:2～3。
作为优选，所述油剂稳定剂选自三乙醇胺和长链脂肪醇中的一种或两种。
本发明还提供了一种上述涤纶FDY油剂的制备方法，步骤为：在35～40℃下将可降解环保乳化剂搅拌均匀；然后加入可降解抗静电剂，搅拌均匀；再加入耐高温平滑剂，搅拌均匀；最后加入油剂稳定剂，搅拌均匀，过滤后即得。
因此，本发明具有如下有益效果：
(1)本发明所用的原料不含APEO等物质，大部分具有易生物降解的特性，主要体现在降解率高、降解周期短。
(2)本发明原料来源非常广泛，腰果酚聚氧乙烯醚的原料提取自植物，可将废弃资源充分利用，开拓市场应用，促进环保产业的发展。
(3)本发明生产出的油剂与现有油剂相比，各方面性能优良，去污力强，泡沫低，乳化力优良，毒性极低，易降解，降低了废油剂的处理成本。
(4)本发明原料成本低，制备方法简单，适合大规模生产。
具体实施方式
下面结合具体实施方式对本发明做进一步的描述。
在本发明中，若非特指，所有设备和原料均可从市场购得或是本行业常用的，下述实施例中的方法，如无特别说明，均为本领域常规方法。
实施例1：
一种环保可降解涤纶FDY油剂，以重量份计，原料包括：
耐高温平滑剂40份，其中环保型多元醇酯(山东瑞捷，新戊二醇二油酸酯)20份，脂肪酸酯(海安石化，硬脂酸异辛酯)15份，精炼植物油(上海辰浩的低芥酸菜籽油)5份；
可降解环保乳化剂54.9份，其中HLB值为4.5的腰果酚聚氧乙烯醚8.6份、HLB值为7的腰果酚聚氧乙烯醚17份；HLB值为7.5的腰果酚聚氧乙烯醚5份；HLB值为9的腰果酚聚氧乙烯醚5份，HLB值为9.5的腰果酚聚氧乙烯醚8.6份，HLB值为13的腰果酚聚氧乙烯醚10.7份；
其中，腰果酚聚氧乙烯醚的制备方法为：将腰果壳进行压制得到腰果壳油；对腰果壳油进行精制得到腰果酚；将157kg腰果酚投入不锈钢反应釜中，加入2.5kg氢氧化钠溶于30kg水中制成的氢氧化钠溶液；物料加完后再用电感应加热，减压抽除水汽、空气后，通氮气置换釜内空气；在釜内充满氮气后压入环氧乙烷，均匀加热到135℃，于135℃下反应5小时，待反应完成后降温至80℃，将产物用乙酸中和，即得到腰果酚聚氧乙烯醚。通过调节环氧乙烷与腰果酚的添加比例，得到不同HLB值的腰果酚聚氧乙烯醚；
可降解抗静电剂7份，可降解抗静电剂采用腰果酚聚氧乙烯醚磷酸酯，其制备方法为：(1)将60kg腰果酚聚氧乙烯醚加热至45℃，然后在搅拌状态下加入11.7kg五氧化二磷，65℃下反应3h；再加入4L水和30wt％双氧水2.5L，75℃下水解反应2h，冷却至室温得到中间体；(2)将35kg中间体加热至45℃，然后在搅拌状态下滴加21.3kg五氧化二磷和97.8kg腰果酚聚氧乙烯醚，65℃下反应3h；再加入3L水和30wt％双氧水2L，75℃下反应2h，冷却至室温后得到所述腰果酚聚氧乙烯醚磷酸酯；
油剂稳定剂(陶氏化学，三乙醇胺)0.1份。
上述环保可降解涤纶FDY油剂的制备方法为：设置搅拌釜的水浴温度，确保搅拌釜内温度为37℃；按比例先将可降解环保乳化剂的各组分加入搅拌釜中，搅拌均匀；再将可降解抗静电剂加入釜中，搅拌均匀；接着将耐高温平滑剂的各组分依次加入，搅拌均匀；最后加入油剂稳定剂，搅拌均匀，过滤后即得。
实施例2：
一种环保可降解涤纶FDY油剂，以重量份计，原料包括：
耐高温平滑剂44份，其中环保型多元醇酯(山东瑞捷，季戊四醇)17份，脂肪酸酯(海安石化，三羟甲基丙烷油酸酯)20份，精炼植物油(上海辰浩的低芥酸菜籽油)7份；
可降解环保乳化剂49.9份，其中HLB值为4.5的腰果酚聚氧乙烯醚7.8份、HLB值为7的腰果酚聚氧乙烯醚15.5份；HLB值为7.5的腰果酚聚氧乙烯醚4.7份；HLB值为9的腰果酚聚氧乙烯醚4.7份，HLB值为9.5的腰果酚聚氧乙烯醚7.7份，HLB值为13的腰果酚聚氧乙烯醚9.5份；腰果酚聚氧乙烯醚的制备方法与实施例1中相同；
可降解抗静电剂7份，可降解抗静电剂采用腰果酚聚氧乙烯醚磷酸酯，其制备方法为：(1)将58kg腰果酚聚氧乙烯醚加热至40℃，然后在搅拌状态下加入11kg五氧化二磷，60℃下反应4h；再加入4L水和25wt％双氧水3L，70℃下水解反应3h，冷却至室温得到中间体；(2)将34kg中间体加热至40℃，然后在搅拌状态下滴加21kg五氧化二磷和97kg腰果酚聚氧乙烯醚，60℃下反应4h；再加入3L水和25wt％双氧水2.4L，70℃下反应3h，冷却至室温后得到所述腰果酚聚氧乙烯醚磷酸酯；
油剂稳定剂(陶氏化学，三乙醇胺)0.3份。
上述环保可降解涤纶FDY油剂的制备方法为：设置搅拌釜的水浴温度，确保搅拌釜内温度为35℃；按比例先将可降解环保乳化剂的各组分加入搅拌釜中，搅拌均匀；再将可降解抗静电剂加入釜中，搅拌均匀；接着将耐高温平滑剂的各组分依次加入，搅拌均匀；最后加入油剂稳定剂，搅拌均匀，过滤后即得。
实施例3：
一种环保可降解涤纶FDY油剂，以重量份计，原料包括：
耐高温平滑剂47份，其中环保型多元醇酯(山东瑞捷，新戊二醇二油酸酯)20份，脂肪酸酯(海安石化，硬脂酸异辛酯)20份，精炼植物油(上海辰浩的低芥酸菜籽油)7份；
可降解环保乳化剂47.9份，其中HLB值为4.5的腰果酚聚氧乙烯醚7.5份、HLB值为7的腰果酚聚氧乙烯醚15份；HLB值为7.5的腰果酚聚氧乙烯醚4.5份；HLB值为9的腰果酚聚氧乙烯醚5份，HLB值为9.5的腰果酚聚氧乙烯醚7.5份，HLB值为13的腰果酚聚氧乙烯醚8.4份；腰果酚聚氧乙烯醚的制备方法与实施例1中相同；
可降解抗静电剂5份，可降解抗静电剂采用腰果酚聚氧乙烯醚磷酸酯，其制备方法为：(1)将62kg腰果酚聚氧乙烯醚加热至50℃，然后在搅拌状态下加入12kg五氧化二磷，70℃下反应2h；再加入4L水和20wt％双氧水3.8L，80℃下水解反应1h，冷却至室温得到中间体；(2)将36kg中间体加热至50℃，然后在搅拌状态下滴加22kg五氧化二磷和98kg腰果酚聚氧乙烯醚，70℃下反应2h；再加入3L水和20wt％双氧水3L，80℃下反应1h，冷却至室温后得到所述腰果酚聚氧乙烯醚磷酸酯；
油剂稳定剂(陶氏化学，三乙醇胺)0.5份。
上述环保可降解涤纶FDY油剂的制备方法为：设置搅拌釜的水浴温度，确保搅拌釜内温度为40℃；按比例先将可降解环保乳化剂的各组分加入搅拌釜中，搅拌均匀；再将可降解抗静电剂加入釜中，搅拌均匀；接着将耐高温平滑剂的各组分依次加入，搅拌均匀；最后加入油剂稳定剂，搅拌均匀，过滤后即得。
实施例4：
一种环保可降解涤纶FDY油剂，以重量份计，原料包括：
耐高温平滑剂50份，其中环保型多元醇酯(山东瑞捷，新戊二醇二油酸酯)20份，脂肪酸酯(海安石化，硬脂酸异辛酯)20份，精炼植物油(上海辰浩的低芥酸菜籽油)10份；
可降解环保乳化剂44.9份，其中HLB值为4.5的腰果酚聚氧乙烯醚7份、HLB值为7的腰果酚聚氧乙烯醚14份；HLB值为7.5的腰果酚聚氧乙烯醚4.5份；HLB值为9的腰果酚聚氧乙烯醚4份，HLB值为9.5的腰果酚聚氧乙烯醚7份，HLB值为13的腰果酚聚氧乙烯醚8.4份；腰果酚聚氧乙烯醚的制备方法与实施例1中相同；
可降解抗静电剂5份，可降解抗静电剂采用腰果酚聚氧乙烯醚磷酸酯，其制备方法与实施例1中相同；
油剂稳定剂(陶氏化学，三乙醇胺)0.1份。
上述环保可降解涤纶FDY油剂的制备方法为：设置搅拌釜的水浴温度，确保搅拌釜内温度为40℃；按比例先将可降解环保乳化剂的各组分加入搅拌釜中，搅拌均匀；再将可降解抗静电剂加入釜中，搅拌均匀；接着将耐高温平滑剂的各组分依次加入，搅拌均匀；最后加入油剂稳定剂，搅拌均匀，过滤后即得。
对比例1：
对比例1的油剂中，可降解环保乳化剂均采用HLB值为4.5的腰果酚聚氧乙烯醚，其余均与实施例1中相同。
对比例2：
对比例1的油剂中，可降解环保乳化剂均采用HLB值为7.5的腰果酚聚氧乙烯醚，其余均与实施例1中相同。
对比例3(改变乳化剂中腰果酚聚氧乙烯醚的HLB值搭配)：
对比例3的油剂中，可降解环保乳化剂的组分为：HLB值为9的腰果酚聚氧乙烯醚8.6份；HLB值为13的腰果酚聚氧乙烯醚17份；HLB值为4.5的腰果酚聚氧乙烯醚5份；HLB值为7的腰果酚聚氧乙烯醚5份，HLB值为7.5的腰果酚聚氧乙烯醚8.6份，HLB值为9.5的腰果酚聚氧乙烯醚10.7份；其余均与实施例1中相同。
对比例4(一步法制备腰果酚聚氧乙烯醚磷酸酯)：
对比例4中作为可降解抗静电剂的腰果酚聚氧乙烯醚磷酸酯的制备方法为：将97.8kg腰果酚聚氧乙烯醚加热至45℃，然后在搅拌状态下加入21.3kg五氧化二磷，65℃下反应3h；再加入3L水和30wt％双氧水2L，75℃下水解反应2h，冷却至室温得到所述腰果酚聚氧乙烯醚磷酸酯；其余均与实施例1中相同。
对比例5：
市售涤纶纺丝油剂：竹本1946。
对上述实施例和对比例中制得的油剂的性能指标进行测试，结果如表1中所示。
表1：油剂性能指标测试结果。
从表1中可以看出，实施例1～4中采用本发明中的配方制得的涤纶FDY油剂各项性能指标良好，满足试纺的条件。而对比例1和对比例2中采用单一HLB值的腰果酚聚氧乙烯醚作为乳化剂、对比例3中改变乳化剂中腰果酚聚氧乙烯醚的HLB值搭配，油剂的稳定性均下降，无法稳定保存；对比例4中采用一步法制备腰果酚聚氧乙烯醚磷酸酯作为抗静电剂，制得的油剂颜色较深，会影响纺丝颜色。
使用上述实施例和对比例中的油剂进行上机试纺，对所得涤纶FDY的性能指标进行测试，结果如表2中所示。
表2：涤纶FDY性能测试结果。
从表2中可以看出，本发明中的油剂具备良好的可纺性。
对上述实施例和对比例5中的油剂的生物降解度进行测试，结果如表3中所示(采用油剂有效含量15％的工作液浓度，测试BOD
表3：生物降解度测试结果。
从表3中可以看出，实施例1～4采用本发明中的配方和方法制得的涤纶FDY油剂的BOD