常压射流等离子体表面处理技术在羊毛湿法整理中的应用

贾丽霞，金崇业，刘 瑞，胡亚君

（新疆大学纺织与服装学院，乌鲁木齐 830046）

常压射流等离子体表面处理技术在羊毛湿法整理中的应用

贾丽霞，金崇业，刘 瑞，胡亚君

（新疆大学纺织与服装学院，乌鲁木齐 830046）

探讨在羊毛不同含湿量下等离子体的处理效果及与专用的羊毛防缩整理剂联用后对毡缩性能和力学性能的影响，并通过扫描电镜（SEM）和测色系统等检测设备对改性处理后的羊毛特性进行表征与分析.结果表明：对湿态织物进行等离子体处理，羊毛纤维表面的鳞片层刻蚀更加明显，表面氧元素含量明显升高；经过等离子体处理羊毛试样的染色性能得到提高，织物的抗拉强度基本不变；与树脂进行联合整理后，防毡缩性能也会进一步得到提高.

常压射流等离子体；表面改性；羊毛；湿法整理；防毡缩

羊毛纤维表面鳞片层的存在，造成羊毛纺织品在洗涤的过程中产生毡合、收缩等现象，严重影响外观、手感、护理和服用性能，给消费者带来诸多不便.为解决这些问题，可以通过多种途径对羊毛纺织品进行防毡缩整理，使羊毛织物满足“机可洗”的要求，从而提高其产品附加值.而在这一方面的研究，目前大致采用化学方法和物理方法两种方法实施，多以树脂防缩绒技术、生物蛋白酶技术、等离子体技术等为主，其中阳离子水性聚氨酯树脂整理绿色清洁，交联性与相容性好，使用稳定高效[1-2]；等离子体处理方法简便，节能环保[3-5]，同时又可明显改善其染色性能，用于低温染色[6-7]，更加成为羊毛的表面改性研究的热点.

本课题组前期在常压射流等离子体（APJP）对羊毛的防缩整理方面已做了一些较为系统的研究，探究了等离子体表面处理的优化工艺参数.本文是在此基础之上研究了常压射流等离子体在羊毛湿法整理加工中的应用，并进一步分析了处理后羊毛纤维微观形态、织物防毡缩性能及染色性能，尤其是用ImageJ图像处理软件，对各电镜图像进行数字化的定量分析，有利于以后的工业化应用.

1 实验部分

1.1 实验材料与仪器

试样：在手摇横机上织成的2种单层纬编1×1平纹羊毛针织物，A类为48S/2纱支、160 g/m2，B类为70S/2纱支、90 g/m2，羊毛纱线均由新疆金塔毛纺织有限公司提供.

试剂：无水乙醇、醋酸等，均为A.R级，市售；平平加O、元明粉，均为工业纯，由上海金瑞鹰化工有限公司提供；整理助剂（CWPU），自制，属于阳离子水性聚氨酯类.

染料：LANSOL红6G（100%，BASF）.

仪器：AtomfloTM-Model400常压等离子射流仪（APJP），美国Surfx公司产品；JSM-5600LV Model扫描电镜（SEM），日本电子光学公司产品；YG089A型全自动缩水率洗衣机，常州第二纺织仪器厂产品；YG（B）026Pc强力测试仪，温州大荣公司产品；计算机测色系统，Hunter Lab UItrascan PRO公司产品.

1.2 实验方法

1.2.1 预处理

将羊毛试样使用酒精（50%）震荡预处理10 min并用蒸馏水清洗干净后，恒温恒湿（温度20℃，湿度65%）平衡24 h以上，作为原样备用.不同含湿量的羊毛试样按照以下方法制备.干态织物：室内温度20℃，湿度10%，平衡24 h以上；湿态织物：温度20℃，湿度90%，平衡24 h以上；水浸织物：温度为20℃，毛样浸泡在蒸馏水中24 h以上，密封放置进行调湿.

1.2.2 等离子体处理

调节等离子体发生器的各项参数：放电功率为150 W；被处理羊毛表面距离出口高度为5 mm；处理速率为12 mm/s；工作气氛的流量和比例调节控制在30/0.4 L/min（He/O2）.

1.2.3 树脂整理工艺

整理液处方：整理剂40 g/L，平平加O 2.0 g/L，浴比1∶20，用10.0%NaHCO3调节整理液pH，使其保持在7.0～8.0之间.

浸轧烘整理流程：二浸二轧（轧余率，80%）→预烘（85℃，3 min）→焙烘（150℃，3 min）→水洗晾干.

1.2.4 染色工艺

染色处方：染料2.0%（owf），元明粉5.0%（owf），平平加O 2.0%（owf），HAc 1.0%（owf），浴比1∶50.

染色方法：织物40℃入染，以1℃/min的速率升温，达到90℃后保温60 min，并保持染液pH在4.5左右，水洗后自然晾干.

1.3 分析测试方法

1.3.1 纤维表面微观形态测试

采用几种不同含湿量的羊毛纤维，使用扫描电镜对APJP处理前后羊毛纤维的表面进行观察.将试样在真空条件下喷金后，加速电压为20.00 kV，放大5 000倍进行观察，并用该设备和其自带的能谱附件通过能量色散谱仪（EDS）测定整理前后纤维表面的元素相对含量.

1.3.2 鳞片的形态参量表征

根据采集到的羊毛纤维SEM图像，对图像预处理和二值化分割后，利用ImageJ软件按照标尺对测定的羊毛SEM图像进行标定后，测量一张图像上的多个鳞片[8-9]，也可以连续操作测定多张图像后，由这些参数值可以获得各羊毛纤维的细度、鳞片高度、鳞片面积、鳞片周长等主要指标，再计算鳞片标准周长（鳞片周长/纤维细度）和鳞片标准面积（鳞片面积/纤维细度）.

1.3.3 毡缩性能测试

参照FZ/T 70009-2012《毛纺织产品经洗涤后松弛尺寸变化率和毡化尺寸变化率试验方法》测试标准及方法，对其毡缩性能进行测试，结果由ITS（天祥）检测中心鉴定提供.

1.3.4 力学性能测试

参照GB/T 19976-2005《纺织品顶破强力的测定钢球法》，用YG（B）026Pc强力测试仪测出各试样处理前后的顶破强力.

1.3.5 染色性能测试

采用计算机测色系统测定织物处理前后的K/S、明亮度L*、色彩鲜艳度C*等颜色特征值，为减小误差，每个染样测量3组数据，后取其平均值；染色牢度测试参照GB/T 3921-2008《纺织品色牢度试验耐皂洗色牢度》，结果由第三方权威检测机构中纺工业检测中心鉴定提供.

2 实验结果与分析

2.1 表面形态观察

图1所示为等离子体处理后羊毛纤维的纵向SEM图.由图1可以看出，原样羊毛鳞片结构紧密，清晰可见，边缘完整，棱角分明，鳞片层呈瓦片状紧密排列，而且鳞片张角很小；经等离子体处理后，纤维表面不像未处理时鳞片重叠覆盖在羊毛毛干的外部，鳞片层有不同程度的破损破损，呈不规则状排列，表现出等离子体的蚀刻效果.干态羊毛表面鳞片上出现碎片裂缝；湿态羊毛鳞片钝化明显，棱角不再突出，并有凸凹不平的凹槽，边缘更加模糊，与纤维主干差异减小；水浸羊毛鳞片已完全消失，梢部和根部难以辨认，梢端翘角不在，表面趋于平滑.

2.2 ImageJ图像处理软件的应用

依照1.3.2的操作步骤，用ImageJ软件对各羊毛

图1 羊毛APJP处理前后的SEM图片Fig.1 SEM images for wool fibers untreated and treated with APJP

纤维的形态特征参数进行定量分析，结果如表1所示.

表1 羊毛试样形貌分析结果Tab.1 Analysis of surface morphology of wool

从表1的数据可知，随着羊毛含湿量的增加，经过APJP处理后，原来鳞片结构逐渐破坏，鳞片面积和鳞片高度都会减小，鳞片边缘越来越不规则.这些分析结果与直观扫描电镜所反应的情况一致.由此，基于电镜扫描图像，结合ImageJ图像处理算法，分析得到SEM的鳞片层参数值，该方法具有较高精确性，可以用于羊毛微观结构的定量研究，为后面研究提供参考数据，同时其过程和方法灵活，具有广泛的适用性，能大大提高实验效率，降低使用专业仪器和分析研究的成本.

2.3 表面元素分析

APJP处理前后纤维表面化学元素及其含量变化如表2所示.

表2 羊毛等离子体处理前后表面元素分析Tab.2 Elemental analysis of untreated and plasma treated wool fabrics

由表2可以看出，APJP处理能明显改变羊毛纤维表面化学成分，碳元素含量减少，氧元素含量相应增加.这是由于射流等离子体处理过程中，等离子体流中较高浓度的氧离子辐射到纤维表面，形成了某些含氧的活性极性基团[10-11]（如—COOH、—OH）.根据计算出的表面O与C原子比率，与原样相比，APJP处理O/C的原子比率分别增长1.6%、9.1%和10.7%.这个结果表明：干态的等离子体处理，氧原子的含量增加不太明显，而随着处理试样含湿量的升高，表面的氧元素含量会显著增加，而水浸处理与湿态相比，差异并不太明显.

2.4 毡缩性能

为进一步分析等离子体联合树脂整理对湿态羊毛的防毡缩性能，按照1.2.3的整理工艺，将等离子体技术与树脂整理联合对A类羊毛织物进行处理，测定改性前后织物的尺寸变化率.APJP/树脂联合整理的防毡缩效果如表3所示.

表3 APJP/树脂联合整理的防毡缩效果Fig.3 Anti felting effects of wool fabrics with APJP/resin ombined finishing

由表3可以看出，与原样相比，经3种不同方式的防毡缩处理后，羊毛针织物的尺寸变化率都会有下降，尤其是等离子体技术与树脂联合整理的针织物，防毡缩效果最佳，这说明APJP/树脂联合整理工艺能较大降低羊毛织物的毡缩率,原因可能在于常压射流等离子体处理后,羊毛纤维表面鳞片被刻蚀并降解气化，鳞片钝化后的羊毛纤维的定向摩擦效应降低[12]，从而其抗缩绒力有所增强.APJP预处理再经防缩树脂整理后，整理液能更有效地覆盖在鳞片层表面，与羊毛发生交联而使纤维移动受限，从而使织物的抗毡缩性能得到提高.

2.5 力学性能

按照1.3.4的测试方法对羊毛试样进行顶破强力测试，分析经不同整理工艺处理后织物的强力变化，如图2所示.

由图2可以看出，等离子体处理对湿态羊毛织物的顶破强力基本没有影响，结合2.1中的结论，射流等离子体处理会使羊毛纤维产生刻蚀效果，但是这种刻蚀仅仅发生在纤维表面很浅的部分（10～500 nm），而细毛羊毛纤维的直径在30 μm左右[12]，这就保证了APJP处理在改善羊毛纤维表面性能的同时，并不影响纤维内部结构，没有对其它优良性能产生负面作用，这也是射流等离子体技术会在湿态羊毛防缩整理得到广泛应用的一个重要原因.而经过树脂整理后羊毛试样的顶破强力会略有升高，主要是由于整理液与羊毛之间发生交联作用，使其发生形变更加困难，所以发生断裂所需的外力更大[13]，从而改善了羊毛织物的力学性能.

图2 APJP/树脂整理后织物的强力变化Fig.2 Tensile strength of wool textiles with APJP/Resin ombined finishing

2.6 染色性能

由于常压射流等离子体具有较高的电子能量及一定的离子及气体温度[14]，增强了羊毛纺织品湿法整理效果，同时一定程度上也可以对其进行预烘干燥.

表4表示B类织物经不同整理工艺染色后各试样的染色性能指标.

表4 羊毛试样的染色性能Tab.4 Dyeing properties of wool samples

根据表4的结果，比较原样和APJP处理羊毛的染色效果，用LANSOL红6G染得羊毛的K/S值均有一定提高，而明亮度L*下降.这是因为处理前羊毛纤维鳞片层疏水和致密的特性，使得纤维难以润湿及其染料难以从鳞片层向内扩散，而经等离子体处理后的羊毛，鳞片受到不同程度的破坏，纤维表面含氧活性基团含量的增加[15]，使其吸附性有所提高，增加了染色后的表观色深K/S值，即APJP处理能提高羊毛织物的染色性能.用LANSOL红6G染得羊毛的色泽鲜艳度C*降低，可能是由于APJP对纤维表面的刻蚀作用，增加了羊毛纤维表面的粗糙度，但是否与所用的染料结构有关仍需之后进一步的研究论证.另外，在耐皂洗牢度方面，APJP/树脂联合整理工艺对其均有比较优异的作用.

3 结论

（1）常压射流等离子体应用于羊毛的表面处理外，湿法改性整理加工时防缩效果好，同时也具有预烘干燥等作用，更加有利于纺织工业的清洁、高效加工技术和产品的发展.

（2）扫描电镜的结果显示，常压射流等离子对羊毛进行改性处理后，使纤维表面的物理形态及化学组成发生了改变.羊毛中的水分有助于其处理效果的提高，湿态羊毛织物经APJP处理后，纤维表面鳞片的刻蚀作用更加明显，羊毛表面氧元素含量增加.

（3）经等离子体处理后，由于羊毛表面鳞片层结构和化学基团的变化，与原样相比，使得APJP处理后羊毛的热稳定性有所差异，但对强力几乎没有损伤.

（4）等离子体处理可以改善羊毛织物的尺寸稳定性和染色性能，而将APJP与树脂整理联用，能进一步提高其防毡缩性，可以达到“机可洗”的防缩标准，从而提高了织物的服用性能.

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Application of wet finishing modification by atmospheric pressure jet plasma in wool fabric

JIA Li-xia，JIN Chong-ye，LIU Rui，HU Ya-jun
（School of Textiles and Clothing，Xinjiang University，Urumqi 830046，China）

In this paper，the effects of plasma treatment of wool in different moisture and the combination with the special wool shrink proof finishing agent studies the felting properties and mechanical properties.The properties of the modified wool were characterized with scanning electron microscopy（SEM）and color measurement instrument. The results showed that the degree of plasma etching on the wool scales as well as the oxygen content increased obviously with the increase of its moisture.The tensile strength of wool fabric after APJP treatment showed little change，but dyeability of treated fabrics improved.Especially，the anti-felting property will be further improved with the combined resin finishing.

atmospheric pressure jet plasma；surface modification；wool；wet finishing modification；anti-felting behavior

TS195.56；TS195.4

A

1671－024X（2015）05－0023－04

10.3969/j.issn.1671-024x.2015.05.005

2015-08-21

新疆维吾尔自治区科技计划项目（201332102）

贾丽霞（1964—），女，教授，主要研究方向为纺织品功能整理.E-mail：lixiajia868@126.com