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界面化學報告
指導老師 : 吳文海 教授
研究生 :吳佩蓉
報告日期 : 98.12.07
2009/12/7
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南台化材
Abstract
• 在紡絲油劑的主配方中添加了不同種類的界面活性劑來製
備一系列具有不同潤濕性(wetting ability)的紡絲油劑乳化
液(emulsion)。
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Introduction
• 在聚酯融熔紡絲的程序中，紡絲油劑會擴散並形成液體
薄膜披覆在高速紡出之纖維表面上。
• 在此同時，紡絲油劑將由液滴的狀態瞬間產生極大的表面積，同時產
生油劑對纖維界面及油劑對空氣之界面。
• 因此紡絲油劑的瞬間潤溼速率高低將是評估紡絲油劑適用性的重要因
素，所以紡絲油劑需要用高速動態的方式來加以評估其品質之好壞。
• 國內已有人研究 高速聚酯紡絲之油劑飛濺現象。他們發現紡絲油劑之
動態表面張力 (dynamic surface tension)會影響紡絲油劑的上油率高低。
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Introduction
• Maderek 及 Kamath 等人，分別利用液體潤溼薄膜對纖維長度方向之
潤溼力變化及在紡絲油劑中添加螢光追蹤劑 (fluorescence tracer)的方
式來評估紡絲油劑在纖維表面之分佈均勻性。
• 這 2 種方式皆提供了很好的上油均勻性評估結果，但是都沒有提到紡
絲上油均勻性對纖維物性的關聯性。
• 近來， Rossa使用一種特殊的電容器原理來評估紡絲油劑在纖維表面
的分佈狀況。利用此技術可量測出高速融熔紡絲的線上 (on-line) 油劑
分布狀況，它的原理主要是應用一高頻率(10 KHz) 之交互電場
(alternative electric field) 量測而得。
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Introduction
• 我們發現此儀器所量測得之油劑訊號將會隨著紡絲油劑上油量(由萃
取法得到) 的增加而呈線性增加。
• 這結果表示Rossa 儀器在此高頻率下，由於油劑各成份之分子量低且
極性高，較易隨著外部高速交互電場的作用而瞬間被感應並形成極化
排列 (aligned with the alternating external electrical field )，此一極化現
象將產生一反向電場，此反向電場的強弱即代表油劑的多少。反之，
組成纖維之高分子的極性低且分子量高，所以較不易受此高速電場的
影響。
• 因此,纖維並不會被此高速交互變化的電場偵測出。
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Introduction
• 在這項研究中，將集中探討油劑之動態表面張力及其在纖維高速紡絲
時之上油潤濕行為，並探討其相對應之纖維質量均勻性 (the variation
in mass per unit length of the PET spun yarns，i.e. the yarn evenness)。
• 實驗的結果討論得知紡絲油劑之動態表面張力是影響纖維在高速紡絲
時之上油潤濕行為及其相對應之纖維質量均勻性 ( yarn evenness) 的關
鍵因素。
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Experiments
Materials
• Ethylene oxide/propylene oxide (EO/PO) random 共聚物具有莫耳比=
75/25且分子量 = 11000 (EO/PO-75/25-11K);莫耳比= 75/25且分子量=
5000 (EO/PO-75/25-5K)。
• EO/PO 共聚物具有莫耳比= 50/50且分子量 = 1700 (EO/PO-50/501.7K)。
• Polyoxyethylene (12) nonylphenol ether (NP-12)。
• Dioctyl sulfosuccinate sodium salt (Aerosol OT), sodium dodecyl benzene
sulfonate (DBSo-Na) 及 dodecyl sulfate sodium (DS-Na)。
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Experiments
Materials
• Dimethyllaurylamine oxide (C12 AX) 的30 wt% 濃度水
溶液。
• Sodium salt of sulfuric ester of 2-butyl-1-octanol with an alkyl chain length
of twelve carbons (I12S-Na) 的 60 wt%濃度水溶液，2-hexyl-1-decanol
with an alkyl chain length of sixteen carbons (I16S-Na) 的 60 wt% 濃度水
溶液及2-octyl-1-dodecanol with an alkyl chain length of twenty carbons
(I20S-Na) 的 55 wt% 濃度水溶液。
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Experiments
Materials
• 2,4,7,9-Tetramethyl-5-decyne-4,7-diol ethoxylate of Mn = 380 ( Acetylenic
diol 380); of Mn = 670 ( Acetylenic diol 670) and of Mn = 1,200 ( Acetylenic
diol 1200)。
• O,O‘-Dioleoylpolyethylene glycol 600 (PEG600 Dioleate)。
• Polyoxyethylene fluorosurfactants of Fluorad FC-171
(C8F17SO2N(C2H5)(CH2CH2O)XCH3) 及 Fluoroaliphatic Polymeric
Esters of Fluorad FC-430。
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Experiments
Preparation of spin finish recipes
• 本研究先進行紡絲油劑 master batch的調配，其組成份包含有 EO/PO
共聚物及 NP-12。EO/PO共聚物的功能是用來提供在高速假撚加工後
，纖維有較好之集束性及較低之毛破絲。
• 另外，高Hydrophile-LipophileBalanced (HLB)的NP-12 是用來提高紡絲
油劑的水洗性，如此一來，因未洗淨紡絲油劑所導致的織物染色瑕疵
將可排除。
• 界面活性劑包括Aerosol OT、I12S-Na、I16S-Na、I20S-Na、C12AX、
Acetylenic diol 380、Acetylenic diol670、Acetylenic diol 1200、PEG600
Dioleate、FC-171及FC-430 等都是用來當做潤溼劑。
• 紡絲油劑 master batch 的調配成份詳如Table 1所示。
• 紡絲油劑所添加的潤濕劑種類及重量百分比，詳如表Table 2。
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Experiments
Spin finishes application and Rossa S.D. method
• 線上紡絲上油均勻性 (on-line spin finish distribution) 可藉由德國Cognis
Deutschland GmbH 公司製之 Rossa 線上紡絲油劑分析儀 (Rossa Online Spin Finish Analyzer) 分析而得，分析之頻率是10 KHz，線上紡絲
上油均勻性所對應之紗線解析(點)距是 4.9 mm。
• 每 1 支紡絲油劑之分析值都是由 28 次的量測 (measurements) 平均而
得，而每次的量測則共解析了 8,192 點的值，另外，每次量測之間隔
時間是 9.2 秒。
• 因此，藉由平均 28 次量測所得之 28 個標準差 (standard deviation, SD)
所得之值稱為 Rossa SD ， Rossa SD代表13.8 公里長的紗線距離之線
上紡絲上油均勻性的分布狀況。
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Experiments
Dynamic surface tension
• 此最大氣泡法的做法是利用不同流量之空氣吹入 PTFE 毛細管內部 (
此毛細管之空氣出口端的內徑是1.01mm)，此 PTFE 毛細管係垂直插
入紡絲油劑乳化液面下 10 mm 的距離。
• 一邊吹空氣的同時，汽泡即在 PTFE 毛細管下方形成，當氣泡持續長
大時，其氣泡內的壓力也跟著增加，當氣泡的直徑與 PTFE 毛細管空
氣出口端的內徑相等時，此時之氣泡壓力最大，此後之氣泡直徑雖然
會再繼續增加，但是其氣泡壓力卻持續遞減。此最大之氣泡壓力可用
來計算液體的動態表面張力。
• 動態表面張力 γ1Hz (1 bubble/s) 及 γ6Hz (6 bubbles/s) 的測試值。
• 在低吹泡頻率時 (1 bubble/s)，紡絲油劑乳液的動態表面張力值 (γ1Hz)
應該非常接近其靜態平衡值，此值可對應到紡絲油劑在準靜態 (quasistatically) 情況下對纖維之潤濕能力。
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Experiments
Dynamic surface tension
• 但是在高吹泡頻率時 (6 bubbles/s)，紡絲油劑乳液的動態表面張力值
(γ6Hz) 則應該可用來代表高速紡絲的瞬間上油情況的油劑潤濕能力。
• 因此， γ6Hz 及γ1Hz 這2 者的差值 (△γd) 將代表著某些熱力學及動力學
訊息，這些訊息與紡絲油劑乳液的在纖維表面的擴散性有關。
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Experiments
Yarn properties
• 紗線質量均勻性 (yarn evenness)，可用來評估融紡所得之某特定長度
紗線的細部質量變化情況。
• 紗線質量均勻性可以藉由直接量測法或者是間接量測法而得，直接量
測法的做法是把某特定長度的紗線裁切成某些固定長度的小段並分別
秤重(進行統計分析) ，紗線質量均勻性之間接量測法則是使用紗線均
勻度測試機 (Uster Evenness Tester) 進行，做法是將待測紗線快速通過
此儀器的電容區，則儀器會感應到原電場的改變，此電場瞬間改變量
將與瞬間通過電容區的紗線質量成正比。
• 紗線的質量均勻性 (UCV %) 代表某特定長度紗線的各小段紗線質量
標準差，特定長度的大小則取決於儀器測試之速度及測試時間。根據
ASTMD1425-96，UCV % 由紗線均勻度測試機 (Uster Evenness Tester)
進行測試，其測試環境是 23±1 ºC 及65±2 % RH，測試條件是 200
m/min 及 2.5 min。
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Experiments
Yarn properties
• 低的 UCV % 值，是首選的品質控制；因為高的 UCV % 值通常伴隨
纖維強度的高變異，甚至是織物的瑕疵及加工性不佳等缺點。
• UCV% 的數據是由 3 次的量測結果所平均而得。
• 根據ASTM D3108-89，纖維對陶瓷 (F/C) 摩擦係數是由摩擦係數測試
儀進行的，其測試環境是 23±1 ºC 及 65±2 % RH，其測試參數是 180◦
，100 m/min 及 1.0 min。
• 至於SEM待測樣品則必須在表面蒸鍍上一層白金薄膜。
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Results and Discussion
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Results and Discussion
Wetting behavior of fiber surface
• 在本文中所使用之紡絲捲取機共具有 4 個紡錠: 每 1個紡錠皆是由獨立
之紡嘴、油嘴、油計量幫浦及絲導所構成之組合。
• 這 4 個紡錠之組合彼此相互獨立。因此這種出現在紡絲絲道上的主震
波動將會隨著不同的紡錠而有所差別。因此，所紡出之紗線物性也將
隨著紡錠之不同而有所差異。這種差異我們稱之為紗線物性的錠間差
異( end-to-end variation ) 。
• 為了要瞭解紡絲油劑在高速紡絲之絲道上的濕潤行為，在 4 個地方進
行紡絲上油均勻性的量測，這 4 個地方分別是距離油嘴 60、90、120
及 150 cm 處。由Table3得知，對於Rossa SD 值的大小排列順序是60
cm > 90 cm> 120 cm 150 cm。
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Results and Discussion
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Results and Discussion
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Results and Discussion
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Conclusions
• 在紡絲油劑的主配方中添加潤濕劑(隨意選擇)並探討其所造成之動態
表面張力變化及其在高速紡絲上油時之油劑潤濕行為，此可藉由評估
線上紡絲上油均勻性及評估所對應之紗線物性而達成。
• 實驗發現當上油均勻性的量測點距離油嘴的長度在120 cm 以下時，
Rossa SD 會隨著距離的增加而有下降的趨勢。
• 具有很低之γ1Hz值的紡絲油劑，可以強化 2 次潤濕的現象。
• 當△γd值 < 1.7 dyne/cm 時，UCV % 及 Rossa SD 皆會隨著△γd值的增
加而大幅增加，這表示油劑的低△γd值會提升紡絲上油均勻性及紗線
質量均勻度。
• 除此之外，油劑的低△γd值也可以改善UCV % 及 Rossa SD 的錠間差
異。
• 但是當△γd大於1.7 dyne/cm 時，會發生油劑飛濺的現象， 因此 UCV
% 及 Rossa SD 都不再隨著△γd值的增加而增加。
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