电晕改性纤维亲水性研究

陈兴龙 张增志 张超杰 单胜利 李玉龙

摘 要：本文以聚丙烯纤维作为处理对象，用电晕表面处理技术对纤维进行改性，并对其亲水性机理进行初步研究。电晕处理改变了聚丙烯纤维的结构，增强了其亲水性能；实验电晕处理后纤维的实际亲水性能改变，测试其亲水性能及其渗水特性曲线。实验结果表明电晕改性后的聚丙烯纤维的亲水性能获得了增强，为后续实际应用方面的研究奠定基础。

关键词：聚丙烯纤维；电晕处理；亲水性

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2016.07.257

1 引言

我国目前面临着严重的缺水危机，荒漠化问题严峻，荒漠化问题给生态和人类造成巨大的危害和经济损失[1]。“蓄水渗膜材料”是国家“863”计划高科技项目，是为了解决荒山、沙漠等一切需要绿化的地区进行植树造林，进行生态综合治理而提出的一种全新方法。

蓄水渗膜材料的核心结构主要由两部分构成，即功能涂层部分和导水纤维部分，在水自调节过程中，导水纤维扮演了重要的角色[2-3]。导水纤维中又以丙纶纤维为主。聚丙烯纤维不含极性基团，与极性基团结合困难， 为了提高其活性，通常需要对聚丙烯纤维进行改性。聚丙烯的亲水改性的方法和途径是决定其亲水性能的关键。丙纶纤维材料亲水改性方法由于其吸湿原理而多种多样，基本上可以分为物理改性和化学改性两种方法。物理改性是改变分子的高次结构，来达到提高亲水效果的目的，主要方法是表面改性。

电晕处理是对材料进行表面改性处理的一种新技术，当在电极两端加上较高但未达击穿程度的电压时，电极附近的气体介质被局部击穿而产生的电晕放电现象[4]。电晕放电产生的低温等离子体，可在材料表面引入羟基、羧基、环氧基等活性基团[5]。电晕处理只对材料表面进行改性，不影响材料本体的性能，具有可连续生产、时间短、速度快、易调控、无污染等优点[6]，因此，被越来越广泛地用于塑料薄膜、纤维织物、生物材料等多种材料的表面改性处理。

为了提高优化蓄水渗膜材料的导水性，本文中用电晕处理对聚丙烯纤维进行改性，试验测试其导水效果。

2 实验

2.1 电晕纤维试验

药品：聚丙烯纤维织物（中国石油辽阳石化公司昆仑牌）；丙酮溶剂；去离子水（中国矿业大学自制）。

仪器：HCW-1200高效数码电晕机（汕头市汇信电子实业有限公司）；真空干燥箱（DZF-6050江苏一恒科技有限公司）；粘膜机（奥公牌）；舒美KQ218型超声波清洗机（昆山市超声仪器有限公司）；BS110S型电子分析天平（北京赛多利斯仪器系统有限公司）。

试验方法：将原始聚丙烯纤维放于干燥箱内在一定温度下烘烤除去其水份后， 放在丙酮洗液中进行蒸馏萃取2h， 然后用溶剂丙酮洗涤，烘干，然后取部分聚丙烯纤维样品号记为A，作为未经电晕机处理的原始样品。其余烘干后进行电晕处理。

2.2 渗水试验

试验方案设计：（1）将一定量得自来水置于渗水装置中，渗水装置内的水量应不低于核心渗水器件的上边沿，以保证有足够的水量和试验的准确性。（2）分别制作未经电晕处理的原始聚丙烯纤维压片A和经过电晕处理的聚丙烯纤维压片B。（3）分别配置不同湿度的土壤，其湿度分别为：7%、10%、15%和20%，分别测试纤维压片A和B在上述不同湿度的渗水规律。（4）上述试验都在同一环境温度下进行，即在室温下进行试验。并间隔60min称量一次渗水装置中剩下水的质量，然后分别绘制渗水曲线。

3 试验数据及分析

3.1 纤维电晕改性前后的SEM结果分析

由图1和2可见，通过未处理纤维A和电晕处理后的聚丙烯纤维B的电镜照片可见，未处理纤维A表面较为平滑，几乎没有沟槽。经过电晕处理后纤维B表面具有明显的隆起物和凹凸不平、粗糙的沟槽结构，粗糙度增加。这是由于电晕辐射产生高压电场，使空气中的少数离子或自由电子在高压场中被加速而获得较高能量，在运动时撞击空间中的其他分子，然后使部分分子电离成新的自由离子、电子、自由基等离子，然后在高压场下撞击聚丙烯纤维，从而对纤维表面产生刻蚀作用。这种粗糙的沟槽结构可以增加纤维的比表面积，从而提高其亲水性能。

3.2 渗水试验数据分析

（1）A纤维压片分别在不同土壤湿度条件下得渗水规律。表1为A纤维压片在不同土壤湿度条件下的渗水量，图3 为A纤维压片样在不同土壤湿度条件下的渗水特性曲线。

从图中可以看出，在相对土壤湿度相同的条件下，随着时间的增加，渗水量逐渐减少，可能是由于渗出的水增加了土壤的相对湿度，土壤湿度的增大会导致压片内外的渗水势减小，从而减少水分的渗出，达到根据土壤湿度的大小自动调节渗水速度的快慢。在相对湿度不同的情况下，相对湿度为7%的土壤中渗出水的质量大于相对土壤湿度为20%土壤中渗出水的质量，相对土壤湿度越大，渗出水的质量越小，这也是由于渗水势减小而导致的。

（2）B纤维压片分别在不同土壤湿度条件下的渗水规律。表2为B试样在不同土壤湿度条件下的渗水量，图4 为B试样在不同土壤湿度条件下的渗水特性曲线。从图中可以产出，B纤维压片样在相同土壤湿度条件下，每隔60分钟渗出水的质量不同，但其质量相差不大。而对于不同土壤湿度条件下，渗水质量的大小也没有太多的规律，只是在相同时间间隔内，相土壤湿度为7%的土壤中渗出的水的质量大于其他三种湿度土壤条件下渗出水的质量。

从图3～4中对比可以看出，A试样和B试样在相对土壤湿度相同的条件下，在相同时间间隔内渗出水的质量不同。经过电晕处理的聚丙烯纤维压片式样B的渗速率较快。在不同的土壤湿度的条件下，效果一致，电晕处理达到了增加渗水速率的效果。

4 结论

（1）电晕处理改变了聚丙烯纤维的结构，增强了其亲水性能。

（2）在室温条件下，通过不同土壤湿度的渗水试验，模拟了在不同的降雨量、土壤自身条件的情况下聚丙烯材料的渗水情况。经过纵向比较，聚丙烯材料在未经电晕处理改性之前其亲水性能，自调节渗水速率的性能较差，经过电晕机表面处理改性之后的纤维试样亲水性能增强，能够达到一定程度的自调节土壤湿度的功能。

（3）电晕处理在实际应用的使用工艺方面尚有很大的研究空间，本渗水试验研究为后续实际应用方面的研究奠定了基础。

参考文献：

[1]闫峰，吴波，王艳姣.2000-2011-年毛乌素沙地植被生长状况时空变化特征[J].地理科学，2013，33（05）：602-608.

[2]张增志，刘铭，赵鑫等.对土壤湿度具有自调节功能的导水涂层纤维的研究[J].材料科学与工程学报，2007，25（01）：55-60.

[3]张增志，张利梅，马向东等.可控缓释水的功能导水涂层纤维制备及其渗水特性分析[J].功能材料，2008，39（04）：660-662.

[4]徐学基.气体放电物理[M].上海：复旦大学出版社，1996.

[5]徐巧林，崔卫刚，马丕波等.电晕处理对蚕丝织物表面性能的影响[J].纺织科技进展，2009（03）：62-64.

[6]李焱，李常胜，黄献聪.电晕处理对UHMWPE纤维的性能影响[J] .合成纤维工业，2010，33（03）：36-38.

作者简介： 陈兴龙（1988 -），男，山西应县人，硕士，主要从事生态功能材料的研究与开发工作。

*通讯作者：陈兴龙。