孫建輝

（天津工業(yè)大學(xué),天津 300160）

等離子在織物染整中的應(yīng)用

孫建輝

（天津工業(yè)大學(xué),天津 300160）

文章重點(diǎn)討論了等離子體技術(shù)的基本原理及其在織物染整加工中的應(yīng)用,包括改善吸濕性、抗靜電性、染色性、提高防氈性等。從發(fā)展趨勢(shì)看,等離子體技術(shù)在織物表面改性方面有很大的發(fā)展?jié)摿Α?/p>

等離子;織物;染整;應(yīng)用;新技術(shù)

隨著人們生活水平的提高,環(huán)境意識(shí)的增強(qiáng)以及生態(tài)紡織品標(biāo)準(zhǔn)Oeko-Tex standard 100和全生態(tài)理念的生態(tài)紡織品標(biāo)簽 Eco-Label的頒布,染整加工清潔化生產(chǎn)的節(jié)能降耗和節(jié)水措施,新設(shè)備、新工藝、新助劑的應(yīng)用變得日趨重要。而等離子加工技術(shù)就是解決以上問題的新技術(shù)、新方法。等離子體在織物上的應(yīng)用國(guó)內(nèi)還處于實(shí)驗(yàn)階段,國(guó)外已小規(guī)模應(yīng)用于生產(chǎn)。

1 等離子對(duì)織物的作用原理

等離子體改性高分子材料的方法主要有三種：一是主要對(duì)材料表面或極薄表層進(jìn)行活化、刻蝕處理;二是首先使處理表面活化并引入活性基團(tuán),然后在此基礎(chǔ)上運(yùn)用接枝方法在原表面上形成許多支鏈,構(gòu)成新表層;三是運(yùn)用氣相聚合物沉積到處理表面上形成薄膜。

等離子體在材料表面產(chǎn)生濺射、刻蝕、腐蝕、解吸和蒸發(fā)等過程,有的粒子注入材料基體表層,引發(fā)碰撞、散射、激發(fā)、震蕩、重排、異構(gòu)、缺陷、損傷、晶化及非晶化等。等離子體與高分子材料表面作用機(jī)理隨氣體性質(zhì)不同而有差別。如不同的氣氛產(chǎn)生的等離子體,其電離度可能有差異,活性粒子的能量也可能不同,如A r和 He等非反應(yīng)性氣體等離子體對(duì)材料表面可能以刻蝕、濺射等物理作用為主,而空氣中的氧氣和氮?dú)?以及液氨產(chǎn)生的等離子體除刻蝕、濺射外,可能還在纖維表面引入羥基、羧基、氨基等極性基團(tuán)。這些極性基團(tuán)一可以提高纖維與樹脂的浸潤(rùn)性,二可參與環(huán)氧樹脂的固化反應(yīng),在界面形成共價(jià)鍵,從而使織物表面得到改性。

2 等離子在紡織行業(yè)中的應(yīng)用

等離子體技術(shù)對(duì)羊毛等織物表面改性是一種環(huán)保而且非常有效的方法。其在紡織上的應(yīng)用始于20世紀(jì)50年代,我國(guó)從20世紀(jì)80年代開始對(duì)等離子體處理紡織品進(jìn)行研究。近年來,等離子體技術(shù)在此領(lǐng)域的研究報(bào)道越來越多?？椢锏纳蠞{、退漿和麻的脫膠、羊毛的防氈縮、織物的軋光、合成纖維的親水化處理、高性能纖維粘結(jié)性的提高都可采用等離子體技術(shù)。

2.1 提高織物的吸濕性

對(duì)羊毛、滌綸等織物,經(jīng)過等離子處理后,吸濕性明顯提高。其改善程度受處理時(shí)間,處理強(qiáng)度及處理距離等工藝參數(shù)的影響。圖1是羊毛織物經(jīng)等離子處理時(shí)間與吸濕性的關(guān)系,隨著處理時(shí)間的增加,羊毛織物正反面的吸濕性顯著增加,而且正反面吸濕性差異逐漸減小,當(dāng)處理時(shí)間達(dá)到400 s時(shí),織物正反面對(duì)水滴的吸收時(shí)間幾乎相等,即正反面的吸濕性基本相同,說明常壓等離子射流對(duì)羊毛織物處理的滲透性隨時(shí)間增加而增強(qiáng)。隨著處理時(shí)間的增加,織物正面的纖維表面改善逐漸完成,則等離子射流中越來越多的活性物種通過織物的空隙聚集到織物反面,從而對(duì)織物反面的纖維表面發(fā)生作用,使織物反面吸濕性也逐漸增加,最終與正面相同;處理時(shí)間再增加,正反面的吸濕性無明顯改善。

圖1 處理時(shí)間對(duì)羊毛織物吸水性的影響

織物的潤(rùn)濕性能之所以有明顯的改善,一方面是因?yàn)榭椢锉砻娼?jīng)過氦常壓等離子射流的轟擊后,纖維表面發(fā)生了刻蝕作用,形成許多溝槽,導(dǎo)致表面粗糙度增加,羊毛表面形成的刻蝕破壞了鱗片層胱氨酸中二硫鍵提高了羊毛纖維表面的親水性;另一方面由于空氣中氧氣的存在,纖維表面發(fā)生氧化,使纖維表面氧或氮元素含量增加,從而增加或引入活性基團(tuán)和極性基團(tuán),比如-OH,-NH2,-COOH等。從而使得纖維的表面能大大提高,最終表現(xiàn)為織物的潤(rùn)濕性能有了明顯的改善。

2.2 改善織物抗靜電性能

滌綸織物經(jīng)過氬氣常壓等離子體處理,測(cè)定其在不同處理時(shí)間下的半衰期,結(jié)果見圖2。由圖2可見：滌綸織物經(jīng)過氬氣常壓等離子體處理30 s后,半衰期即由未處理時(shí)的300 s降到l s,但是隨著處理時(shí)問的延長(zhǎng),半衰期略有增加,處理時(shí)間超過300 s后,半衰期又下降,直至不足 1 s。整體來看滌綸織物經(jīng)過處理后,抗靜電性能有了明顯的改善。對(duì)織物抗靜電性能的改善原理跟吸濕性是一致的,織物表面被引入了活性基和極性基團(tuán)如-

OH,-NH2,-COOH等。

2.3 提高染色性能（見表1）

表1 常壓等離子體處理前后滌綸織物高溫高壓染色色值

將經(jīng)過處理的高溫高壓染色滌綸織物,與未經(jīng)過等離子體處理的使用同樣染色工藝的滌綸織物進(jìn)行比較,從表1中可以看出,滌綸的染色性能有一定提高,CIELAB色空間中顏色色差△E二最高可達(dá)3.59。

對(duì)滌綸的染色改善主要原因一個(gè)方面是通過等離子的表面刻蝕作用,使纖維表面凹凸不平,增加了纖維的比表面積;從而提高纖維的吸附性,即使染料更易于上染,同時(shí)這些大量的微小凹坑和裂紋使入射光在處理樣表面發(fā)生多次反射和吸收,大大提高了吸收率,對(duì)處理樣顏色光澤起到增深作用;另一方面,等離子在纖維表面作用的時(shí)候發(fā)生了化學(xué)反應(yīng),從而增加或引入活性基團(tuán),比如—OH,—COOH等。纖維分子結(jié)構(gòu)中活性基團(tuán)數(shù)目越多,易于同染料形成氫鍵。另外,低溫等離子會(huì)引發(fā)接枝聚合,其大致有以下四種：①低溫等離子體表面處理后的試樣,隔絕空氣,直接與氣相單體反應(yīng),成為氣相-氣相接枝處理;②經(jīng)低溫等離子體表面處理后的試樣,置于空氣中,使纖維表面自由基與氧反應(yīng)成過氧化物活性基,然后與液相或溶液狀單體反應(yīng),按氧化接枝聚合反應(yīng)歷程引發(fā)接枝聚合,成為氣相-常壓液相接枝處理;③經(jīng)低溫等離子處理后的試樣,隔絕空氣,直接與液相或溶液狀單體反應(yīng),成為氣相-脫氣液相接枝處理;④將低揮發(fā)性單體浸漬或浸軋到纖維上,再經(jīng)低溫等離子體處理,引發(fā)單體在纖維上接枝聚合。

2.4 等離子體使處理羊毛可實(shí)現(xiàn)70℃低溫染色

低溫等離子體處理羊毛改變了羊毛表面的化學(xué)組分,在羊毛表面形成的刻蝕效應(yīng)增加了極性基團(tuán),同時(shí)破壞了鱗片層胱氨酸中二硫鍵,提高了羊毛纖維表面的親水性,使染料分子容易進(jìn)入纖維內(nèi)部。因此低溫等離子體處理可改善羊毛的染色性能。表現(xiàn)在羊毛的初始上染速率提高,固色率增加,但平衡上染率變化不大。等離子體處理羊毛可實(shí)現(xiàn)70℃的低溫染色,從而起到保護(hù)纖維,節(jié)省染料,降低能耗,節(jié)約成本的效果。

2.5 常壓等離子體對(duì)羊毛織物的吸濕快干處理

經(jīng)等離子體處理的羊毛織物中的水分蒸發(fā)速度明顯快于未經(jīng)任何處理的羊毛織物,所用的氣體類型對(duì)干燥時(shí)間的影響并不明顯。由于經(jīng)等離子體處理的羊毛織物的芯吸的改善,進(jìn)入織物中的水分會(huì)因芯吸而以更大的面積分散在織物中,水分分散在織物中的面積越大,則水分蒸發(fā)得越快,按Adidas.Salomon的測(cè)試方法與標(biāo)準(zhǔn),當(dāng)織物的干燥時(shí)間低于30 min,就可認(rèn)定該織物具備快干性能.從本研究的情況看出,當(dāng)處理時(shí)間超過4 min時(shí),織物能實(shí)現(xiàn)快干的效果。

2.6 大氣壓等離子體處理改善棉織物抗紫外線性能

采用低溫等離子體技術(shù)對(duì)棉織物進(jìn)行抗紫外線處理,不僅可提高棉織物抗紫外線性能,而且顯示出了綠色的生態(tài)效果。選擇大氣壓介質(zhì)阻擋放電這一先進(jìn)的等離子體工藝技術(shù)應(yīng)用在棉織物的抗紫外線整理中,采用先浸漬抗紫外線整理劑CGKF再經(jīng)等離子體處理和先經(jīng)等離子體處理再浸漬抗紫外線整理劑CGKF兩種工藝,棉織物的抗紫外線性能均提高（前一種工藝略好于后者）,且服用性能所受影響不大,織物手感柔軟,滑爽,斷裂強(qiáng)力及抗起毛起球性均得到提高,但透氣性有所下降。前一種工藝處理過程中,棉織物經(jīng)過CGKF整理劑預(yù)處理,CGKF整理劑均勻地涂覆在纖維表面。CGKF整理劑的相對(duì)分子質(zhì)量大,聚合度高,由于分子主鏈結(jié)構(gòu)由Si-O、Si-C構(gòu)成,化學(xué)鍵鍵能較高（Si-O：4.6eV,Si-C：8.3 eV）,不易斷裂。同時(shí),CGKF大分子中含有大量的支鏈,在等離子放電過程中有自由基產(chǎn)生,CGKF大分子間立即發(fā)生交聯(lián),形成三維網(wǎng)狀結(jié)構(gòu),等離子體聚合作用較強(qiáng)。后種工藝中,在等離子體作用下,高能電子刻蝕棉纖維表面,形成溝槽,可以增加棉織物中整理劑CGKF的吸附量。纖維素大分子斷裂產(chǎn)生的自由基同CGKF大分子發(fā)生化學(xué)作用,使織物紫外線透過率降低。

2.7 提高粘接性能

等離子體中的帶電離子在高頻場(chǎng)作用下作高頻振蕩,并從高頻場(chǎng)中獲得300 V的能量。具有300 V能量的帶電離子轟擊滌綸織物表面,使其斷鍵活化。這種經(jīng)離子活化后的滌綸織物浸涂一層中間膠后將具有能與橡膠等高分子化合物形成較強(qiáng)粘合的性能。

等離子體處理滌綸織物表面提高粘接性能可認(rèn)為是下列各種作用交疊的結(jié)果：①通過清潔和刻蝕清除有機(jī)污漬和弱界面層;②通過形成薄交聯(lián)層,使表面致密結(jié)實(shí),阻止低相對(duì)分子質(zhì)量的成分?jǐn)U散到界面,提高聚合物表面的粘接強(qiáng)度;③穩(wěn)定的表面產(chǎn)生的化學(xué)基團(tuán)引起酸堿相互作用和共價(jià)鍵結(jié)合,被認(rèn)為是最強(qiáng)的粘接。

2.8 改善滌綸織物手感

等離子體中的高能活性粒子與材料表面相碰撞時(shí),可將自身的能量傳遞給材料表面的原子或分子。同時(shí)材料表面發(fā)生一系列化學(xué)物理反應(yīng)。能提供豐富的活性粒子,從而達(dá)到改善材料表面性能的目的。經(jīng)空氣等離子體處理后的滌綸織物手感由干澀變得柔軟、滑糯。在放置數(shù)周后性能依然不變。為了分析等離子體處理后滌綸織物手感產(chǎn)生變化的原因,采用SEM掃描電鏡對(duì)等離子體處理前后的滌綸織物表面形貌進(jìn)行了比較研究。等離子體處理?xiàng)l件為：處理強(qiáng)度為2,處理時(shí)間為22.5 s。等離子體處理后,一方面可以去除織物、纖維上的雜質(zhì)、絨毛,另一方面,滌綸纖維表面刻蝕明顯。使纖維減量,從而可以改善滌綸的手感。

2.9 對(duì)毛織物的抗菌整理

殼聚糖整理后的精紡呢絨具有抑菌性,但由于殼聚糖與羊毛纖維結(jié)合得牢度不夠,洗滌后的抑菌率會(huì)有明顯下降。低溫等離子體刻蝕羊毛纖維鱗片表面,并產(chǎn)生凹穴,從而改善羊毛纖維的親水性和表面靜電性質(zhì),因而可使殼聚糖與羊毛纖維的結(jié)合更加牢固。紡呢絨經(jīng)等離子體預(yù)處理后,再經(jīng)殼聚糖整理,可以提高精紡呢絨的抑茵率和耐洗滌性。未洗滌時(shí),其抑菌率比單獨(dú)用殼聚糖整理提高了16.38%;洗滌20次后,其抑菌率則比單獨(dú)使用殼聚糖整理提高了19.07%。且對(duì)折皺回復(fù)性和斷裂強(qiáng)力的影響很小,不影響織物的服用性能。

2.10 羊毛防氈縮性

經(jīng)過等離子體處理的羊毛纖維,用掃描電子顯微鏡觀察（放大3 000倍）發(fā)現(xiàn),鱗片主體基本完整,而多處鱗片尖角芒刺被打鈍,鱗片“起翹角”變小。進(jìn)一步放大（10 000倍）觀察,可見羊毛纖維鱗片表面在等離子體處理時(shí)被刻蝕的大量痕跡。這種表面微觀粗糙度的增加和纖維抱合時(shí)接觸面積的增加,導(dǎo)致了纖維表面摩擦系數(shù)的提高。羊毛經(jīng)等離子體處理后,雖然正逆鱗片方向的濕摩擦系數(shù)均有所提高,然而定向摩擦效應(yīng)卻減小了,因而所得的產(chǎn)物具有很好的防縮性。

2.11 等離子體金屬化處理

利用等離子的刻蝕作用,使丙綸非織造織物表面妨礙與金屬結(jié)合的漿料、油劑等低分子物質(zhì)揮發(fā),除去纖維基布表面附著的污物及異物,并使織物表面凹凸不平,從而提高丙綸非織造織物與金屬層之間的結(jié)合力;同時(shí),丙綸非織造織物表面受高能量的等離子體作用生成活性基團(tuán),使原來惰性的丙綸非織造織物可以和AgNO3溶液絡(luò)合,然后利用氫氣等離子體還原出單質(zhì)銀。

3 結(jié)語

幾乎所有的織物都可用低溫等離子體在真空狀態(tài)下處理;低溫等離子體處理只改變織物的表面性能,而沒有改變其固有的特性;用濕法紡絲不可能或很難處理的聚合物,其表面性能則很容易用低溫等離子體處理方法改變;因低溫等離子體處理屬物理處理,故化學(xué)制品消費(fèi)很低;因低溫等離子體處理是在一個(gè)干燥的、封閉的系統(tǒng)內(nèi)完成的,因此具有更高的可靠性和安全性,有利于環(huán)境保護(hù)。低溫等離子體處理與傳統(tǒng)整理方法相比所具有的優(yōu)點(diǎn),使其應(yīng)用前途廣闊,有必要進(jìn)行系統(tǒng)的應(yīng)用研究。

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Apply Plasma Techn ique in the Process of Fabric Dyeing and Fin ishing

SUN Jian-hui
（Tianjin Polytechnic University,Tianjin 300160,China）

The p rincip le and app lications of p lasma in dyeing and finishing p rocess of fabric w ere discussed,especially the effectson imp roving moisture absorp tion,antistatic,dyeing p roperty and felt resistance,etc.In the long run,the p lasma has the great development potential in the field of fabric surface modification.

p lasma;fabric;dyeing and finishing;app lication;new technology

TS101.3

A

1009-3028（2010）02-0053-04

2010-02-02

孫建輝（1985—）,男,山西呂梁人,學(xué)士。