等离子在织物染整中的应用

孙建辉

（天津工业大学,天津 300160）

等离子在织物染整中的应用

孙建辉

（天津工业大学,天津 300160）

文章重点讨论了等离子体技术的基本原理及其在织物染整加工中的应用,包括改善吸湿性、抗静电性、染色性、提高防毡性等。从发展趋势看,等离子体技术在织物表面改性方面有很大的发展潜力。

等离子;织物;染整;应用;新技术

随着人们生活水平的提高,环境意识的增强以及生态纺织品标准Oeko-Tex standard 100和全生态理念的生态纺织品标签 Eco-Label的颁布,染整加工清洁化生产的节能降耗和节水措施,新设备、新工艺、新助剂的应用变得日趋重要。而等离子加工技术就是解决以上问题的新技术、新方法。等离子体在织物上的应用国内还处于实验阶段,国外已小规模应用于生产。

1 等离子对织物的作用原理

等离子体改性高分子材料的方法主要有三种：一是主要对材料表面或极薄表层进行活化、刻蚀处理;二是首先使处理表面活化并引入活性基团,然后在此基础上运用接枝方法在原表面上形成许多支链,构成新表层;三是运用气相聚合物沉积到处理表面上形成薄膜。

等离子体在材料表面产生溅射、刻蚀、腐蚀、解吸和蒸发等过程,有的粒子注入材料基体表层,引发碰撞、散射、激发、震荡、重排、异构、缺陷、损伤、晶化及非晶化等。等离子体与高分子材料表面作用机理随气体性质不同而有差别。如不同的气氛产生的等离子体,其电离度可能有差异,活性粒子的能量也可能不同,如A r和 He等非反应性气体等离子体对材料表面可能以刻蚀、溅射等物理作用为主,而空气中的氧气和氮气,以及液氨产生的等离子体除刻蚀、溅射外,可能还在纤维表面引入羟基、羧基、氨基等极性基团。这些极性基团一可以提高纤维与树脂的浸润性,二可参与环氧树脂的固化反应,在界面形成共价键,从而使织物表面得到改性。

2 等离子在纺织行业中的应用

等离子体技术对羊毛等织物表面改性是一种环保而且非常有效的方法。其在纺织上的应用始于20世纪50年代,我国从20世纪80年代开始对等离子体处理纺织品进行研究。近年来,等离子体技术在此领域的研究报道越来越多。织物的上浆、退浆和麻的脱胶、羊毛的防毡缩、织物的轧光、合成纤维的亲水化处理、高性能纤维粘结性的提高都可采用等离子体技术。

2.1 提高织物的吸湿性

对羊毛、涤纶等织物,经过等离子处理后,吸湿性明显提高。其改善程度受处理时间,处理强度及处理距离等工艺参数的影响。图1是羊毛织物经等离子处理时间与吸湿性的关系,随着处理时间的增加,羊毛织物正反面的吸湿性显著增加,而且正反面吸湿性差异逐渐减小,当处理时间达到400 s时,织物正反面对水滴的吸收时间几乎相等,即正反面的吸湿性基本相同,说明常压等离子射流对羊毛织物处理的渗透性随时间增加而增强。随着处理时间的增加,织物正面的纤维表面改善逐渐完成,则等离子射流中越来越多的活性物种通过织物的空隙聚集到织物反面,从而对织物反面的纤维表面发生作用,使织物反面吸湿性也逐渐增加,最终与正面相同;处理时间再增加,正反面的吸湿性无明显改善。

图1 处理时间对羊毛织物吸水性的影响

织物的润湿性能之所以有明显的改善,一方面是因为织物表面经过氦常压等离子射流的轰击后,纤维表面发生了刻蚀作用,形成许多沟槽,导致表面粗糙度增加,羊毛表面形成的刻蚀破坏了鳞片层胱氨酸中二硫键提高了羊毛纤维表面的亲水性;另一方面由于空气中氧气的存在,纤维表面发生氧化,使纤维表面氧或氮元素含量增加,从而增加或引入活性基团和极性基团,比如-OH,-NH2,-COOH等。从而使得纤维的表面能大大提高,最终表现为织物的润湿性能有了明显的改善。

2.2 改善织物抗静电性能

涤纶织物经过氩气常压等离子体处理,测定其在不同处理时间下的半衰期,结果见图2。由图2可见：涤纶织物经过氩气常压等离子体处理30 s后,半衰期即由未处理时的300 s降到l s,但是随着处理时问的延长,半衰期略有增加,处理时间超过300 s后,半衰期又下降,直至不足 1 s。整体来看涤纶织物经过处理后,抗静电性能有了明显的改善。对织物抗静电性能的改善原理跟吸湿性是一致的,织物表面被引入了活性基和极性基团如-

OH,-NH2,-COOH等。

2.3 提高染色性能（见表1）

表1 常压等离子体处理前后涤纶织物高温高压染色色值

将经过处理的高温高压染色涤纶织物,与未经过等离子体处理的使用同样染色工艺的涤纶织物进行比较,从表1中可以看出,涤纶的染色性能有一定提高,CIELAB色空间中颜色色差△E二最高可达3.59。

对涤纶的染色改善主要原因一个方面是通过等离子的表面刻蚀作用,使纤维表面凹凸不平,增加了纤维的比表面积;从而提高纤维的吸附性,即使染料更易于上染,同时这些大量的微小凹坑和裂纹使入射光在处理样表面发生多次反射和吸收,大大提高了吸收率,对处理样颜色光泽起到增深作用;另一方面,等离子在纤维表面作用的时候发生了化学反应,从而增加或引入活性基团,比如—OH,—COOH等。纤维分子结构中活性基团数目越多,易于同染料形成氢键。另外,低温等离子会引发接枝聚合,其大致有以下四种：①低温等离子体表面处理后的试样,隔绝空气,直接与气相单体反应,成为气相-气相接枝处理;②经低温等离子体表面处理后的试样,置于空气中,使纤维表面自由基与氧反应成过氧化物活性基,然后与液相或溶液状单体反应,按氧化接枝聚合反应历程引发接枝聚合,成为气相-常压液相接枝处理;③经低温等离子处理后的试样,隔绝空气,直接与液相或溶液状单体反应,成为气相-脱气液相接枝处理;④将低挥发性单体浸渍或浸轧到纤维上,再经低温等离子体处理,引发单体在纤维上接枝聚合。

2.4 等离子体使处理羊毛可实现70℃低温染色

低温等离子体处理羊毛改变了羊毛表面的化学组分,在羊毛表面形成的刻蚀效应增加了极性基团,同时破坏了鳞片层胱氨酸中二硫键,提高了羊毛纤维表面的亲水性,使染料分子容易进入纤维内部。因此低温等离子体处理可改善羊毛的染色性能。表现在羊毛的初始上染速率提高,固色率增加,但平衡上染率变化不大。等离子体处理羊毛可实现70℃的低温染色,从而起到保护纤维,节省染料,降低能耗,节约成本的效果。

2.5 常压等离子体对羊毛织物的吸湿快干处理

经等离子体处理的羊毛织物中的水分蒸发速度明显快于未经任何处理的羊毛织物,所用的气体类型对干燥时间的影响并不明显。由于经等离子体处理的羊毛织物的芯吸的改善,进入织物中的水分会因芯吸而以更大的面积分散在织物中,水分分散在织物中的面积越大,则水分蒸发得越快,按Adidas.Salomon的测试方法与标准,当织物的干燥时间低于30 min,就可认定该织物具备快干性能.从本研究的情况看出,当处理时间超过4 min时,织物能实现快干的效果。

2.6 大气压等离子体处理改善棉织物抗紫外线性能

采用低温等离子体技术对棉织物进行抗紫外线处理,不仅可提高棉织物抗紫外线性能,而且显示出了绿色的生态效果。选择大气压介质阻挡放电这一先进的等离子体工艺技术应用在棉织物的抗紫外线整理中,采用先浸渍抗紫外线整理剂CGKF再经等离子体处理和先经等离子体处理再浸渍抗紫外线整理剂CGKF两种工艺,棉织物的抗紫外线性能均提高（前一种工艺略好于后者）,且服用性能所受影响不大,织物手感柔软,滑爽,断裂强力及抗起毛起球性均得到提高,但透气性有所下降。前一种工艺处理过程中,棉织物经过CGKF整理剂预处理,CGKF整理剂均匀地涂覆在纤维表面。CGKF整理剂的相对分子质量大,聚合度高,由于分子主链结构由Si-O、Si-C构成,化学键键能较高（Si-O：4.6eV,Si-C：8.3 eV）,不易断裂。同时,CGKF大分子中含有大量的支链,在等离子放电过程中有自由基产生,CGKF大分子间立即发生交联,形成三维网状结构,等离子体聚合作用较强。后种工艺中,在等离子体作用下,高能电子刻蚀棉纤维表面,形成沟槽,可以增加棉织物中整理剂CGKF的吸附量。纤维素大分子断裂产生的自由基同CGKF大分子发生化学作用,使织物紫外线透过率降低。

2.7 提高粘接性能

等离子体中的带电离子在高频场作用下作高频振荡,并从高频场中获得300 V的能量。具有300 V能量的带电离子轰击涤纶织物表面,使其断键活化。这种经离子活化后的涤纶织物浸涂一层中间胶后将具有能与橡胶等高分子化合物形成较强粘合的性能。

等离子体处理涤纶织物表面提高粘接性能可认为是下列各种作用交叠的结果：①通过清洁和刻蚀清除有机污渍和弱界面层;②通过形成薄交联层,使表面致密结实,阻止低相对分子质量的成分扩散到界面,提高聚合物表面的粘接强度;③稳定的表面产生的化学基团引起酸碱相互作用和共价键结合,被认为是最强的粘接。

2.8 改善涤纶织物手感

等离子体中的高能活性粒子与材料表面相碰撞时,可将自身的能量传递给材料表面的原子或分子。同时材料表面发生一系列化学物理反应。能提供丰富的活性粒子,从而达到改善材料表面性能的目的。经空气等离子体处理后的涤纶织物手感由干涩变得柔软、滑糯。在放置数周后性能依然不变。为了分析等离子体处理后涤纶织物手感产生变化的原因,采用SEM扫描电镜对等离子体处理前后的涤纶织物表面形貌进行了比较研究。等离子体处理条件为：处理强度为2,处理时间为22.5 s。等离子体处理后,一方面可以去除织物、纤维上的杂质、绒毛,另一方面,涤纶纤维表面刻蚀明显。使纤维减量,从而可以改善涤纶的手感。

2.9 对毛织物的抗菌整理

壳聚糖整理后的精纺呢绒具有抑菌性,但由于壳聚糖与羊毛纤维结合得牢度不够,洗涤后的抑菌率会有明显下降。低温等离子体刻蚀羊毛纤维鳞片表面,并产生凹穴,从而改善羊毛纤维的亲水性和表面静电性质,因而可使壳聚糖与羊毛纤维的结合更加牢固。纺呢绒经等离子体预处理后,再经壳聚糖整理,可以提高精纺呢绒的抑茵率和耐洗涤性。未洗涤时,其抑菌率比单独用壳聚糖整理提高了16.38%;洗涤20次后,其抑菌率则比单独使用壳聚糖整理提高了19.07%。且对折皱回复性和断裂强力的影响很小,不影响织物的服用性能。

2.10 羊毛防毡缩性

经过等离子体处理的羊毛纤维,用扫描电子显微镜观察（放大3 000倍）发现,鳞片主体基本完整,而多处鳞片尖角芒刺被打钝,鳞片“起翘角”变小。进一步放大（10 000倍）观察,可见羊毛纤维鳞片表面在等离子体处理时被刻蚀的大量痕迹。这种表面微观粗糙度的增加和纤维抱合时接触面积的增加,导致了纤维表面摩擦系数的提高。羊毛经等离子体处理后,虽然正逆鳞片方向的湿摩擦系数均有所提高,然而定向摩擦效应却减小了,因而所得的产物具有很好的防缩性。

2.11 等离子体金属化处理

利用等离子的刻蚀作用,使丙纶非织造织物表面妨碍与金属结合的浆料、油剂等低分子物质挥发,除去纤维基布表面附着的污物及异物,并使织物表面凹凸不平,从而提高丙纶非织造织物与金属层之间的结合力;同时,丙纶非织造织物表面受高能量的等离子体作用生成活性基团,使原来惰性的丙纶非织造织物可以和AgNO3溶液络合,然后利用氢气等离子体还原出单质银。

3 结语

几乎所有的织物都可用低温等离子体在真空状态下处理;低温等离子体处理只改变织物的表面性能,而没有改变其固有的特性;用湿法纺丝不可能或很难处理的聚合物,其表面性能则很容易用低温等离子体处理方法改变;因低温等离子体处理属物理处理,故化学制品消费很低;因低温等离子体处理是在一个干燥的、封闭的系统内完成的,因此具有更高的可靠性和安全性,有利于环境保护。低温等离子体处理与传统整理方法相比所具有的优点,使其应用前途广阔,有必要进行系统的应用研究。

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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

孙建辉（1985—）,男,山西吕梁人,学士。