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        CO2激光對滌綸織物的親水改性研究

        2021-08-17 07:23:20張瑞萍
        棉紡織技術(shù) 2021年8期
        關(guān)鍵詞:改性

        何 楊 張瑞萍

        (南通大學(xué),江蘇南通,226019)

        滌綸在生活中應(yīng)用廣泛,但由于聚酯分子結(jié)構(gòu)中缺乏親水性基團(tuán),造成織物親水性差,穿著不舒適[1?2]。傳統(tǒng)的濕法親水處理工藝需要消耗大量的水、能源和化學(xué)品,增加廢水排放,且織物上還會殘留整理劑[3]。當(dāng)前紡織印染生產(chǎn)對節(jié)能減排、綠色安全的要求越來越高,因此,開發(fā)清潔化纖維改性技術(shù)具有重要意義。

        激光技術(shù)作為一種干態(tài)的、非接觸、無污染的處理方法,操作簡單,可以通過計(jì)算機(jī)精確控制。使用激光處理纖維時(shí),通過刻蝕和氧化作用,增加織物表面親水性基團(tuán),從而提高織物的親水性[4?5]。目前,大多數(shù)研究選用紫外激光對織物進(jìn)行改性,對CO2激光在滌綸改性中的研究和應(yīng)用還相對較少。本研究采用CO2激光對滌綸織物進(jìn)行親水改性,分析激光功率、速度、步距等參數(shù)對改性效果的影響,為開發(fā)清潔化生態(tài)親水型舒適滌綸面料提供參考。

        1 試驗(yàn)部分

        1.1 材料及儀器

        材料:滌綸針織物(單位面積質(zhì)量224.6 g/m2)。

        儀器:CM?L1290型激光雕刻機(jī)(上海創(chuàng)鳴激光設(shè)備廠),電子天平(奧豪斯儀器常州有限公司),HH?S型水浴鍋(浙江省余姚市檢測儀表廠),S?3400N型掃描電子顯微鏡(日本日立公司),WSB?3A型智能式數(shù)字白度儀(溫州大榮紡織儀器有限公司),Speclmm GX型傅里葉紅外光譜儀(美國PE公司),YG(B)031S型彈子頂破強(qiáng)力機(jī)(溫州大榮紡織儀器有限公司),OCA15EC型接觸角測量儀(德國Dataphysic公司),Bruker?AXS APEX2型X射線衍射儀(德國布魯克公司)。

        1.2 滌綸織物激光改性方法

        打開激光雕刻機(jī),放入待處理布樣,利用控制軟件Power Cut4311將設(shè)計(jì)好的參數(shù)信息傳遞給激光雕刻機(jī),完成激光改性,將處理好的織物放入密封袋中以備后續(xù)使用。激光處理參數(shù)為:激光功率3 W~7 W,激光速度50 mm/s~200 mm/s,激光步距0.1 mm~0.4 mm。

        1.3 測試方法

        1.3.1 親水性測試

        滴水?dāng)U散時(shí)間。按照GB/T 21655.1—2008《紡織品吸濕速干性的評定第1部分:單項(xiàng)組合試驗(yàn)法》,測試織物的滴水?dāng)U散時(shí)間。

        接觸角。利用接觸角測量儀測試去離子水在織物上的左接觸角和右接觸角,計(jì)算平均值[6]。

        1.3.2 表觀形貌及元素分析(SEM和EDS)

        將待測織物噴金,用掃描電子顯微鏡觀察織物的表面形態(tài),并測定樣品表面的元素含量[7?8]。

        1.3.3 紅外光譜分析(IR)

        將待測織物烘干,使用傅里葉紅外光譜儀在4000 cm-1~500 cm-1掃描范圍內(nèi)測試。

        1.3.4 X射線衍射分析(XRD)

        用X射線衍射儀測定纖維結(jié)晶度。主要測試條件為:Cu靶,λ=1.54056×10-10m,電壓40 k V,電流20 mA,步寬0.02°,掃描速度10°/min,2θ范圍為5°~80°,通過jade軟件采用衍射曲線擬合分峰法計(jì)算試樣的結(jié)晶度(X c)。

        1.3.5 白度測試

        利用智能式數(shù)字白度儀測試激光處理前后滌綸織物的白度,測4次取平均值。

        1.3.6 頂破強(qiáng)力測試

        按照GB/T 19976—2005《紡織品 頂破強(qiáng)力的測試鋼球法》測試激光處理前后滌綸織物的頂破強(qiáng)力。

        2 結(jié)果與討論

        2.1 激光處理工藝對滌綸織物親水性的影響

        2.1.1 激光功率對滌綸織物親水性的影響

        采用3 W~7 W的激光功率、200 mm/s的激光速度和0.4 mm的激光步距對滌綸織物進(jìn)行激光處理,織物的滴水?dāng)U散時(shí)間、接觸角和白度測試結(jié)果見表1。

        表1 不同激光功率處理后滌綸織物的親水性和白度

        從表1可以看出,隨著激光功率的增加,織物的滴水?dāng)U散時(shí)間和接觸角呈下降趨勢,說明親水性提高。這是由于激光改性后大分子鏈段斷裂生成新的自由基,空氣中的氧與大分子鏈上的各個(gè)自由基發(fā)生反應(yīng)生成最終產(chǎn)物羧基。當(dāng)激光功率為6 W時(shí),滴水?dāng)U散時(shí)間和接觸角略微增加,這可能是由于激光對滌綸的燒蝕作用使織物表面產(chǎn)生低聚物和固體碎片等小分子產(chǎn)物,導(dǎo)致親水性下降。隨著功率增加至7 W,滴水?dāng)U散時(shí)間和接觸角降低,這是由于隨著激光強(qiáng)度的進(jìn)一步增加,激光對滌綸改性作用增強(qiáng),部分滌綸纖維發(fā)生熔斷,造成面料孔隙變大,織物變薄。另外,功率為7 W的激光改性織物,手感變差,白度和強(qiáng)度下降明顯。因此,綜合親水性和纖維損傷情況,選擇激光功率為5 W。

        2.1.2 激光速度對滌綸織物親水性的影響

        改變激光速度(50 mm/s、100 mm/s、150 mm/s、200 mm/s),采用激光功率5 W、激光步距0.4 mm對滌綸織物進(jìn)行激光處理,織物的滴水?dāng)U散時(shí)間、接觸角和白度測試結(jié)果見表2。

        表2 不同激光速度處理后滌綸織物的親水性和白度

        激光速度也是影響織物親水性的重要參數(shù),速度越慢,激光作用時(shí)間越長,速度越快,作用時(shí)間越短。從表2可以看出,隨著速度由50 mm/s增加到200 mm/s,織物的滴水?dāng)U散時(shí)間增加,由3.0 s增加到5.9 s,接觸角由93.9°增加到99.4°,這是由于速度增加,改性時(shí)間降低,引入羧基減少,親水性變差。當(dāng)速度為50 mm/s、100 mm/s時(shí)親水性較好,白度基本不變,但織物變薄,手感粗糙。因此,綜合考慮親水性和纖維損傷情況,選擇速度為150 mm/s。

        2.1.3 激光步距對滌綸織物親水性的影響

        改變激光步距(0.1 mm、0.2 mm、0.3 mm、0.4 mm),采用激光功率5 W、激光速度150 mm/s對滌綸織物進(jìn)行激光處理,織物的滴水?dāng)U散時(shí)間、接觸角和白度測試結(jié)果見表3。

        表3 不同激光步距處理后滌綸織物的親水性和白度

        激光步距是指激光平行掃描兩條直線間的距離,步距越小,激光作用密度越大,改性作用越強(qiáng),反之改性作用越弱[9]。從表3可以看出,隨著激光步距由0.1 mm增加到0.4 mm,織物的滴水?dāng)U散時(shí)間、接觸角呈上升趨勢,由2.5 s增加到3.6 s,接觸角由80.4°升至100.3°。這是由于步距越大,改性作用越弱,引入羧基越少,親水性越差。當(dāng)步距低于0.3 mm時(shí),織物親水性較好,白度基本不變,但孔隙率變大,纖維損傷較為嚴(yán)重。因此,綜合考慮親水性和纖維損傷情況,選擇步距為0.3 mm。

        綜上,優(yōu)化的激光改性工藝參數(shù)為:激光功率5 W,激光速度150 mm/s,激光步距0.3 mm。處理后織物的滴水?dāng)U散時(shí)間為3.9 s,接觸角為98.3°,白度86.5。

        2.2 激光改性織物的掃描電鏡及EDS分析

        采用5 W和7 W的激光功率、150 mm/s的激光速度和0.3 mm的激光步距對滌綸織物進(jìn)行激光處理,利用掃描電鏡觀察織物改性前后的表面形態(tài),電鏡照片見圖1。

        圖1 激光改性前后滌綸織物表面形態(tài)

        從圖1可以看出,未經(jīng)過激光處理的滌綸纖維表面光滑,經(jīng)激光處理后,滌綸纖維表面變得粗糙,當(dāng)功率為5 W時(shí),纖維表面產(chǎn)生了刻蝕,當(dāng)激光功率增加到7 W時(shí),纖維表面發(fā)生熔融。這是因?yàn)樵诠饣瘜W(xué)反應(yīng)與熱效應(yīng)協(xié)同作用下,激光輻照引起聚合物表面發(fā)生刻蝕,隨著激光功率的增加,這種現(xiàn)象越明顯[10]。

        用EDS分析元素變化,測得未經(jīng)CO2激光處理的纖維表面C和O的質(zhì)量相對含量分別為80%和20%,O/C質(zhì)量相對含量比值為25%;當(dāng)激光功率為5 W時(shí),C的含量下降到78.1%,O的含量增加到21.6%,O/C質(zhì)量相對含量比值增加至27.7%;當(dāng)激光功率為7 W時(shí),C的含量下降到75.3%,O的含量增加到24.5%,O/C質(zhì)量相對含量比值增加至32.5%。結(jié)果表明:經(jīng)過激光處理后,一些含氧基團(tuán)(羧基)被引入織物表面從而改善其親水性[11?12]。據(jù)相關(guān)文獻(xiàn)報(bào)道,可能是激光照射后滌綸分子中的酯鍵斷裂生成新的自由基,見圖2。

        圖2 滌綸分子中酯鍵斷裂生成多種自由基

        對于上述的自由基,還會發(fā)生反應(yīng),C元素以CO、CO2的形式從大分子鏈上逸出,見圖3。

        圖3 自由基發(fā)生的后續(xù)反應(yīng)

        同時(shí),隨著輻照的繼續(xù),產(chǎn)生的各種自由基與空氣中的水和氧氣反應(yīng),在大分子鏈上生成極性含氧基團(tuán)(羧基),見圖4。

        圖4 自由基與氧氣和水反應(yīng)

        2.3 激光改性織物的紅外光譜分析

        按照優(yōu)化工藝對滌綸織物進(jìn)行激光改性,滌綸纖維原樣與激光處理后試樣的紅外光譜圖見圖5。圖5中,1710 cm-1附近為C=O鍵的伸縮振動特征吸收峰,1250 cm-1附近為C—O—C基團(tuán)的伸縮振動特征吸收峰,1020 cm-1處為C—H面內(nèi)彎曲振動特征吸收峰,876 cm-1附近為苯環(huán)C—H的伸縮振動特征吸收峰[13]。改性前后,1710 cm-1處的相對強(qiáng)度基本不變;改性前,1250 cm-1與1710 cm-1處相對強(qiáng)度比值為1.03,改性后比值為0.95,降低了7.77%,說明酯鍵斷裂;改性前,1020 cm-1與1710 cm-1處相對強(qiáng)度比值為1.01,改性后比值為0.91,降低了9.90%,說明改性后C—H鍵減少,可能是由于亞甲基或亞甲基自由基與空氣中的氧氣和水反應(yīng)。

        圖5 激光改性前后滌綸織物紅外光譜圖

        2.4 激光改性織物的XRD分析

        按照優(yōu)化工藝對滌綸織物進(jìn)行激光改性,對樣品進(jìn)行X射線衍射測試,并計(jì)算結(jié)晶度,滌綸織物X射線衍射曲線見圖6。

        圖6 激光改性前后滌綸織物X射線衍射曲線

        滌綸織物的主要衍射峰位于2θ=16.4°、22.9°和25.9°處,分別對應(yīng)滌綸的(010)、(110)和(100)晶面[14]。從圖6可以看出,改性前衍射峰位于2θ=7.81°、15.85°、22.09°、25.82°和42.19°處,改性后衍射峰的位置基本沒有發(fā)生變化。利用jade軟件通過衍射曲線擬合分峰法,計(jì)算得出滌綸織物的結(jié)晶度為43.16%,改性后織物結(jié)晶度為38.93%,纖維結(jié)晶度有所下降。

        2.5 激光改性織物的強(qiáng)力分析

        采用3 W~7 W的激光功率、150 mm/s的激光速度和0.3 mm的激光步距對滌綸織物進(jìn)行激光處理,測試處理前后滌綸織物的頂破強(qiáng)力,結(jié)果見圖7。

        圖7 激光功率對滌綸織物頂破強(qiáng)力的影響

        從圖7可以看出,當(dāng)激光功率小于4 W時(shí),織物頂破強(qiáng)力變化不大。當(dāng)激光功率超過4 W時(shí),頂破強(qiáng)力隨著激光功率的增加而下降,由未處理時(shí)的1548 N下降至200 N,其中,當(dāng)激光功率為5 W時(shí),強(qiáng)力下降21.71%。這是由于激光引起聚合物表面的變化通常被認(rèn)為是一個(gè)光化學(xué)反應(yīng)與熱效應(yīng)共同作用的結(jié)果[15],激光功率過高,能量較高,纖維產(chǎn)生過度的光熱降解,引起強(qiáng)力下降。

        3 結(jié)論

        (1)隨著激光功率增加,改性滌綸織物的滴水?dāng)U散時(shí)間和接觸角呈下降趨勢,親水性提高;激光速度、步距越大,滴水?dāng)U散時(shí)間和接觸角呈上升趨勢,親水性下降。確定激光對滌綸織物親水改性的工藝為:激光功率5 W,激光速度150 mm/s,激光步距0.3 mm。

        (2)CO2激光處理后滌綸織物的親水性能得到改善。激光處理后滌綸針織物的滴水?dāng)U散時(shí)間由13.5 s降至3.9 s,接觸角由120.6°降至98.3°;白度基本不變,頂破強(qiáng)力下降21.71%,不影響服用性能。

        (3)CO2激光處理使纖維表面產(chǎn)生明顯刻蝕;激光改性后纖維表面的O/C質(zhì)量相對含量比值由未改性纖維的25%增加到32.5%;改性后纖維的C—O—C發(fā)生部分?jǐn)嗔?,纖維結(jié)晶度由43.16%降到38.93%。

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