張 歡， 閆 俊， 王曉武， 焦安東， 李 紅， 鄭來久， 何婷婷

(1. 大連工業(yè)大學 紡織與材料工程學院， 遼寧 大連 116034；2. 國家知識產(chǎn)權局專利局專利審查協(xié)作北京中心， 北京 100160)

滌綸尺寸穩(wěn)定性好，伸展性能和抗收縮性能優(yōu)異，價格低廉，大量應用于服裝行業(yè)；但滌綸也存在很多缺點，如纖維表面光滑，吸濕性、染色性、抗靜電性能差等，因此，需要對其進行改性[1-3]。采用等離子體處理高分子材料，材料因表面分子鍵能小于粒子能量的化學鍵而會發(fā)生斷裂并引發(fā)等離子體化學反應，從而可改善高分子材料的表面性能，如提高吸濕性、染色性、抗靜電性等[4-6]。

等離子體對織物表面處理屬干式工藝，具有節(jié)能、高效、無污染等優(yōu)點[7-8]，其在纖維改性中的應用研究較多。如Junkar 等[9]采用氧等離子體對滌綸進行改性，在表面引入富氧官能團，提高了滌綸的親水性能。李宏英等[10]采用等離子體預處理增強電子束輻照對滌綸織物進行了親水改性。王春瑩等[11]采用真空氧等離子體處理滌綸，提高了纖維的潤濕性能和染色性能。張春明等[12]則研究了常壓空氣等離子體處理時效性對滌綸潤濕性能的影響?，F(xiàn)有研究對等離子體處理的時效性以及等離子對滌綸改性機制方面的研究還較少，為此，本文采用介質(zhì)阻擋放電等離子體對滌綸表面進行改性，研究等離子體處理時間對滌綸的動摩擦因數(shù)、強力和親水性等性能的影響，分析等離子體處理滌綸的時效性，并對滌綸的等離子體改性機制進行了探討。

1 實驗部分

1.1 實驗材料

純滌綸織物(市售)，經(jīng)緯紗線密度均為9.2 tex，經(jīng)緯密分別為480、300根/(10 cm)。

1.2 實驗儀器

HPD-2400型低溫等離子處理儀(南京蘇曼電子有限公司)；Y151型纖維摩擦系數(shù)儀(溫州萊州方圓儀器有限公司)；YG871L型毛細管效應測定儀(溫州萊州方圓儀器有限公司)；YG141LA型織物厚度儀(萊州市電子儀器有限公司)；YG065HC型電子織物強力儀(萊州市電子儀器有限公司)；K100型全自動表面張力儀(德國KRUSS公司)；Spectrum One-B型傅里葉變換紅外光譜儀(美國PE公司)；JSM-7800F型掃描電子顯微鏡(日本電子公司)。

1.3 滌綸前處理與等離子體處理實驗

將滌綸織物置于5 g/L肥皂、1 g/L碳酸鈉和0.3 g/L硅酸鈉溶液中進行退漿、煮練，在100 ℃處理60 min，然后進行充分水洗、烘干。

將經(jīng)過預處理后的滌綸織物裁剪成10 cm×10 cm的正方形，通過進行預實驗確定等離子體處理實驗條件。在氣壓為300 Pa，介質(zhì)阻擋放電功率為5.5 W的條件下分別對滌綸織物等離子體處理15、30、60和120 s。將處理好的滌綸織物用密封袋保存以備后續(xù)測試。

1.4 測試方法

1.4.1 動摩擦因數(shù)測試

采用Y151型纖維摩擦系數(shù)測試儀測量滌綸摩擦因數(shù)。以50根纖維為1組，預加張力為100 mg，測量并記錄扭力平上數(shù)值，結(jié)果求平均值。計算公式為

式中：μ為纖維的摩擦因數(shù)；θ為纖維與圓柱表面包角, rad；f為預加張力,mg；m為扭力平上所讀取數(shù)值, mg。

1.4.2 毛細效應測試

采用FZ/T 01071—2008《紡織品 毛細管效應試驗方法》，將織物裁剪成尺寸為200 mm×25 mm的試樣，在水槽中加入去離子水，設置溫度為20 ℃，時間為30 min，測量試液上升值，每組測試10條試樣，結(jié)果取平均值。

1.4.3 接觸角測試

將織物裁剪成尺寸為50 mm×10 mm的試樣，用YG141LA型織物厚度儀測量試樣厚度，在K100型全自動表面張力儀控制軟件中輸入長、寬、厚度參數(shù)，選用去離子水作為試液進行測試，讀取接觸角數(shù)據(jù)，每組測試10條試樣，結(jié)果取平均值。

1.4.4 織物強力測試

STZ 誘導小鼠 DR 模型的主要缺點是持續(xù)時間長，這增加了實驗成本[25]。STZ 有細胞毒性，可以破壞心臟、腎臟、中樞神經(jīng)系統(tǒng)等重要臟器的功能，導致實驗動物劑量依賴性死亡[11]。STZ 劑量高于 200 mg/kg 會導致小鼠死亡[5]。實驗動物有 STZ中毒現(xiàn)象時可以通過注射藥物降低實驗動物的死亡率，如他克林可以作為糖基清除劑在注射 STZ 后使用[26]。通過改進實驗方法，也可以降低實驗動物的死亡率，如選擇實驗動物時盡量選用雄性小鼠，小鼠周齡要達到性成熟期（盡量在 8～9 周齡），采用高脂飲食伴注射較低劑量 STZ 的方式，或盡量采用靜脈注射等。

根據(jù) GB/T 3923.1—1997《紡織品 織物拉伸性能 第1部分: 斷裂強力和斷裂伸長率的測定 條樣法》使用YG065HC型電子織物強力儀進行測定。將織物裁剪成尺寸為250 mm×50 mm的試樣，在織物強力儀控制軟件中設置隔距為200 mm，定時為30 s，每組測試5次，結(jié)果取平均值。

1.4.5 化學結(jié)構(gòu)表征

使用Spectrum One-B型傅里葉變換紅外光譜儀對滌綸表面基團進行表征，掃描范圍為4 000～500 cm-1。

1.4.6 形貌觀察

在真空條件下對樣品進行噴金處理，使用JSM-7800F型掃描電子顯微鏡觀察等離子體處理前后滌綸的表面形貌。

2 實驗結(jié)果與分析

2.1 纖維動摩擦因數(shù)分析

圖1示出未經(jīng)低溫等離子體處理和低溫等離子體處理15、30、60和120 s后滌綸的動摩擦因數(shù)與處理時間的關系?？梢钥闯觯弘S著低溫等離子體處理時間的延長，纖維的動摩擦因數(shù)增加，說明低溫等離子體會使滌綸的表面變得粗糙；延長處理時間，纖維動摩擦因數(shù)增大，表面更粗糙。在15 ～30 s時間內(nèi)，纖維動摩擦因數(shù)增加最快。當處理時間為120 s時，滌綸的動摩擦因數(shù)最大，說明此時等離子體對滌綸刻蝕作用最明顯，纖維表面的粗糙程度最大，但此處理時間下的滌綸還不足以引起穿著不適[13]。

圖1 等離子體處理時間對纖維動摩擦因數(shù)的影響

Fig.1 Influence of plasma treatment time on coefficient of dynamic friction of fibers

2.2 毛細效應分析

圖2示出低溫等離子體處理時間與織物毛效的關系?？梢钥闯?，低溫等離子體處理后織物的毛細高度有明顯提高，且處理時間越長，毛效越高。經(jīng)15 s等離子體處理的纖維，毛效相對于未處理增加1.7 cm，說明15 s時間內(nèi)，低溫等離子體對纖維的刻蝕或者引入親水性基團的效果并不明顯。在15～60 s時間內(nèi)，滌綸織物的毛效增加效果較明顯，提升75%。經(jīng)過低溫等離子體處理120 s的滌綸織物的毛效達到了15 cm，可以推測，低溫等離子體處理后，在纖維表面增加了親水性基團，使織物親水性能增加，低溫等離子體的刻蝕作用使纖維產(chǎn)生了縫隙，使得滌綸輸送水分的能力增加。

圖2 等離子體處理時間對織物毛效的影響

Fig.2 Influence of plasma treatment time on fabric capillary effect

2.3 織物接觸角分析

圖3 等離子體處理時間對織物接觸角的影響

Fig.3 Influence of plasma treatment time on fabric contact angle

2.4 織物強力分析

表1示出低溫等離子體處理時間與織物斷裂強力的關系。可以看出：低溫等離子體處理后滌綸織物的強力下降，處理15 s后強力下降明顯，比未處理強力降低21.7%；處理60 s后強力降低25.1%，比處理15 s強力降低3.4%；當處理時間達到120 s時，強力只有493 N，比未處理滌綸織物強力降低37.0%，嚴重影響了滌綸織物的服用性能。這是由于低溫等離子體對滌綸的刻蝕作用使其表面產(chǎn)生了裂痕，處理時間越長，這種效果就越明顯，對滌綸表面形態(tài)的破壞作用就越明顯，因此，滌綸織物的強力隨著等離子體刻蝕時間的延長而降低。

表1 等離子體處理時間對織物斷裂強力的影響

Tab.1 Influence of plasma treatment time onfabric break strength

處理時間/s斷裂強力/N強度降低率/%078301561321.73059524.06058625.112049337.0

2.5 化學結(jié)構(gòu)分析

Fig.4 Infrared spectra of plasma treated polyester fibers. (a) Without treatment; (b) Treated for 120 s

2.6 形貌分析

圖5 等離子體處理前后滌綸的SEM照片

Fig.5 SEM images of polyester treated by plasma. (a) Without treatment (×2 000); (b) Treated for 120 s(×3 000)

圖6 等離子體處理滌綸原理

Fig.6 Mechanism of polyester treated by plasma

2.7 等離子體處理時效性分析

圖7示出放置時間與織物接觸角的關系?？梢钥闯?，隨著放置時間的延長，經(jīng)等離子體處理后滌綸的接觸角呈現(xiàn)先增加后穩(wěn)定的變化趨勢。剛開始放置的72 h內(nèi)，接觸角緩慢增加；72 h后，接觸角急劇增加(由52°增大到59°)；在120 h后趨于平衡。這是因為等離子體處理后引入親水性基團，增加了纖維的表面能，放置一段時間后親水性基團在材料表面能量高，不穩(wěn)定，會逐漸向纖維內(nèi)部翻轉(zhuǎn)，使接觸角逐漸增大，能量達到平衡后織物的接觸角趨于穩(wěn)定，親水性能不再降低[16]。經(jīng)等離子體處理的滌綸具有較好的接觸角時效性，可維持較好的親水性能(3 d即72 h左右)。

圖7 等離子體處理后放置時間與接觸角關系

Fig.7 Relationship between placement time and contact angle after plasma treatment

3 結(jié) 論