等离子体表面改性协同静电喷雾在车饰毛织物疏水整理中的应用

周惠敏， 谢婷婷， 李智勇， 夏 鑫

(新疆大学 纺织与服装学院， 新疆 乌鲁木齐 830046)

等离子体表面改性协同静电喷雾在车饰毛织物疏水整理中的应用

周惠敏， 谢婷婷， 李智勇， 夏 鑫

(新疆大学 纺织与服装学院， 新疆 乌鲁木齐 830046)

为寻求更为环保的方式对羊毛/羊绒车饰品进行疏水整理,利用射频低温等离子体协同静电喷雾技术对织物进行疏水整理。通过扫描电镜观察了织物原样、等离子体处理织物、静电喷雾疏水织物和等离子体处理后静电喷雾疏水织物4种样品的表面形貌变化，采用动态接触角测量仪测试了4种样品的黏附力、静态接触角和动态接触角。结果表明：由于等离子体处理对织物表面的刻蚀作用，使后续选用静电喷雾整理的疏水剂能更有效且均匀地吸附于纤维表面；等离子体处理使织物表面黏附力提高至98.39 μN，静态接触角减小至107.9°，接触角滞后增加至83.39°；等离子体处理协同静电喷雾疏水整理的织物具有最低的黏附力及接触角滞后，且织物透气率和透湿率仅分别下降了2.9 mm/s 和384 g/(m2·d)，说明等离子体表面改性协同静电喷雾疏水整理具有可行性。

射频等离子体； 静电喷雾； 疏水整理； 车饰毛织物

羊毛具有回弹性高、天然吸附污染物和天然阻燃的功能，而羊绒比羊毛更具轻、柔、滑的特点[1-2]，将他们应用于汽车座椅、颈枕、靠枕等内饰材料中，在舒适性及外观特征中都占据优势，故羊毛/羊绒混纺织物是极具开发价值的高档汽车内饰品原料。作为汽车内饰纺织品，易护理性是衡量其使用效果要求之一，故防污功能整理日益成为人们关注的重点。拒水整理工艺虽然成熟，但传统整理方法产生的大量废水会污染环境，在环保问题上饱受诟病，故低碳环保的疏水整理方式亟待开发。

静电喷雾技术与静电纺丝技术类似，即利用高压静电场力使溶液从小孔高速喷射，产物为纤维时称为静电纺丝，产物为颗粒时称为静电喷雾[3]。静电喷雾技术除具有设备简单、工艺可控、适用性广等优点外，在细化雾、优化均匀性、提高沉积量等方面均具优势，大都用来制备功能性纳米薄膜[4-5]。与传统浸轧方式相比，将静电喷雾应用于纺织品功能整理能明显减少用水量，是值得研究的领域。

在环保型增强织物功能整理效果的方法中，低温等离子体技术因具备易操作、无污染、无损基体等优势，成为当前研究热点。研究发现，低温等离子体通过刻蚀、引进极性基团等方式可显著提高织物亲水性、黏附力[6]，有助于功能整理剂的吸附与固着，可有效增强功能整理效果[7]。而在低温等离子体设备中，常压射频电容耦合低温等离子体设备可直接在常压下利用射频诱导产生辉光放电，没有真空室的限制，大大扩展了对织物的处理区域，极具灵活度与实用性[8]，适合纺织品的表面改性处理。

本文将羊毛/羊绒混纺织物首先通过常压射频低温等离子体处理，研究等离子体对纤维表面改性情况，而后用静电喷雾方式将拒水整理剂涂覆在织物表面，研究静电喷雾整理织物的可行性，以期为环保型功能整理提供新的途径。

1 实验部分

1.1 实验材料

双面芝麻点提花羊毛/羊绒(60/40)混纺织物(38 tex×2，试样尺寸8 cm×8 cm，新疆华春毛纺有限公司)，蒸馏水，聚氨酯黏合剂(HR-708，东莞市汇瑞胶业)，氟碳型三防整理剂(Rucostar EEE，德国鲁道夫)。1.2 实验方法

1.2.1 等离子体处理

采用Atomflo 400(美国Surfx Technologies LLC)射频等离子体设备对羊毛/羊绒织物进行等离子体处理。工作条件：氦气(He)为工作气体，氧气(O2)为反应气体，且He/O2流量为35/0.4 L/min，功率为150 W，处理速度为12 mm/s，处理时间为15 s。

1.2.2 静电喷雾拒水功能整理

取适量聚氨酯黏合剂，与丙酮以1∶1的质量比混合均匀配制黏合剂溶液，对织物进行静电喷雾处理，条件为：电压16 kV，滚筒收集且针头与收集滚筒之间距离16 cm，滚筒转速650 r/min，注射速度0.8 mL/h。

将经上述处理的织物再次用静电喷雾方式进行拒水功能整理，取适量三防整理剂，以m(蒸馏水)∶m(三防整理剂)=1.5∶1的比例混合均匀，静电喷雾条件中除滚筒转速为1 300 r/min外，其余与上述静电喷雾条件相同。将拒水整理后的织物在120 ℃下焙烘3 min，最后进行熨烫处理。

1.3 表征与测试

1.3.1 形貌观察

采用LEO1430VP型扫描电子显微镜(SEM，德国LEO公司)对等离子体处理前后以及等离子体处理前后做拒水功能整理的4种样品织物的表面形貌进行对比观察，加速电压为30 kV，样品在测试前均进行喷金处理。

1.3.2 黏附力与接触角测试

采用DCAT21型动态接触角测量仪(德国Dataphysics公司)测试4种样品的黏附力、静态接触角及动态接触角。其中，黏附力测试选用Du Noyü 环法，用座滴法测量静态接触角，动态接触角测量选用Wilhelmy吊片法。

1.3.3 透气与透湿性测试

参考GB/T 5453—1997《纺织品 织物透气性的测定》及GB/T 12704.1—2009《纺织品 织物透湿性试验方法 第1部分：吸湿法》，分别采用YG(B)461E型织物透气仪和YG(B)216-Ⅱ型织物透湿仪(温州市大荣纺织仪器有限公司)对样品的透气率和透湿率进行测试。

2 结果与讨论

2.1 织物表面形貌分析

图1 4种样品纤维表面扫描电镜照片Fig.1 SEM images of 4 samples. (a) Sample 1 (×1 000); (b) Sample 2 (×1 000); (c) Sample 3 (×1 000); (d) Sample 4 (×1 000); (e) Sample 1 (×5 000); (f) Sample 2 (×5 000); (g) Sample 3 (×5 000); (h) Sample 4 (×5 000)

利用扫描电镜观察了原样织物、等离子体处理后织物、静电喷雾疏水整理织物以及等离子体处理后静电喷雾织物这4个样品(编号为样品1，样品2，样品3，样品4)的表面形貌变化，结果见图1。

如图1(a)、(e)所示，在未经处理的原样织物表面，纤维鳞片轮廓完整，鳞片边缘比较清晰且有一定程度的翘角，纤维表面光滑。如图1(b)、(f)所示，经等离子体处理的织物，鳞片轮廓明显变得不规则，且纤维表面产生了轻微凹痕，这是因为羊毛纤维在经等离子体处理过程中产生的各种粒子的撞击作用后，鳞片边缘产生一定破碎而变得模糊，且在纤维表面发生微刻蚀而产生凹坑。

从图1(c)、(g)可清晰地看出，对于未经特殊处理而直接进行静电喷雾疏水整理的样品来说，纤维表面成功包覆了一层轻薄的疏水整理剂，但附着均匀性欠佳，同时鳞片翘角也使得疏水整理剂喷涂不匀。当样品先经过氧等离子体处理，再进行静电喷雾疏水整理后，疏水剂在纤维表面附着得更加均匀，纤维表面显得更加光滑，这可能是由于等离子体刻蚀后，纤维表面化学键及脂类物质均发生了变化[9]，由于鳞片翘角的适度剥落，都十分有利于疏水整理剂在纤维表面的均匀吸附和固着，其纤维表面变化如图1(d)、(h)所示。

2.2 织物表面黏附力分析

黏附性能是疏水表面一种重要的物理特征，较常见的为诸如荷叶效应、蝉翅等的低黏附表面，其低黏附特性使得液体在滚动过程中带走疏水表面上的粉尘而具备自清洁功能[10]。本文研究中所测黏附力为仪器中超微电子天平测量固液接触后分离所需要的力，是一种定量表征测试手段。

图2示出黏附力测试时水滴离开样品表面瞬间时光学影像。

图2 黏附力测试图像Fig.2 Adhesive force of samples. (a) Sample 1; (b) Sample 2; (c) Sample 3; (d) Sample 4

具体测试步骤为：在Du Noyü 环上挂一个约10 mg的水滴，从液滴接近织物表面到接触后挤压5 mm的距离，再到最后固液表面分离。原样织物与水之间的黏附力为59.58 μN，表现出较大的黏附力；经等离子体处理后，织物表面与水之间的黏附力增大为98.39 μN，且水滴变形最大，这是由于经氧等离子体处理后，织物表面引入了羟基等亲水基团，从而增大了固液表面之间的黏附力；将原样织物直接进行静电喷雾疏水整理，织物与水之间的黏附力减小为37.53 μN，说明疏水剂整理使得织物表面具有更高的表面能，呈现出较低的黏附力；将织物进行等离子体处理后，再进行静电喷雾疏水整理后，其表面与水之间的黏附力降低为17.15 μN，水滴在离开织物表面时几乎未有形变，相比于未经处理直接进行疏水整理的样品来说，具有更低的表面能，这与等离子体处理后疏水整理剂更易吸附，产生协同效应有关。

2.3 织物表面接触角分析

2.3.1 静态接触角

选用座滴法测量织物与液体间的静态接触角。此接触角是在固-液-气三相交界处做液气界面切线穿过液体与固液交界线之间的夹角θ，以此来表征织物表面的润湿性。当θ>90°且此接触角越大表明疏水性越好，织物静态接触角测试结果如图3所示。

图3 样品静态接触角测试图Fig.3 Static contact angles of samples. (a) Sample 1; (b) Sample 2; (c) Sample 3; (d) Sample 4

由图3(a)所测得的左静态接触角及右静态接触角可见，原样织物的平均静态接触角为116.9°，说明羊毛/羊绒织物本身具有一定的疏水性；经等离子体处理后织物的平均静态接触角为107.9°(见图3(b))，接触角减小说明氧等离子体引入的亲水基团增加了织物表面的润湿性，这与其黏附力增大的结果一致；直接进行静电喷雾疏水整理织物的平均静态接触角为136.4°(见图3(c))，增强疏水效果较原样更为明显，说明用静电喷雾方式疏水整理具有良好效果；对于进行等离子体处理后再施以静电喷雾疏水整理的织物，平均静态接触角为135.7°。

2.3.2 动态接触角

动态接触角的测试方法为Wilhelmy吊片法，通过测定液体对固体的拉力或推力即润湿力的方式间接测定接触角，且润湿力F与角度θ的关系为

式中：L为润湿长度；σ为液体表面张力。

在实际表面润湿性能中会产生接触角滞后(前进角与后退角的差值[11])，即接触角滞后△θH=θA-θR，式中θA为前进角，θR为后退角，其反映了固体表面的液滴从表面滚落的难易程度，即接触角滞后越大，水滴越不易从织物表面滚落。织物动态接触角测试曲线如图4所示。从纵坐标可看出吸水前后质量的变化。

图4 织物动态接触角曲线图Fig.4 Test cuves of dynamic contact angles of sample 1,2 (a) and sample 3, 4 (b)

经过曲线拟合得到如表1所示4种样品的前进角、后退角及接触角滞后的具体数据。

表1 样品动态接触角测试结果Tab.1 Test results of dynamic contact angles

由表1可知，用此法来测织物动态接触角时，前进角皆小于90°，这可能是由于织物较厚，在制样时不能制备各处性质均匀的薄板有关，但其所得数据依然具有参考价值。对于原样和等离子体处理过的织物来说，后退角皆为0°，这是由于织物插入液面部分已全部浸湿的缘故，且经等离子体处理织物的接触角滞后83.39°，大于原样织物的78.96°，则前者不易从织物表面滚落，这也与前面得到的较大的黏附力与较小的静态接触角相吻合。将样品3与样品4相比，样品4的前进角及后退角比样品3小，但是接触角滞后样品4(7.42°)比样品3(17.74°)小得多，这说明样品4疏水性优于样品3。

2.4 透气与透湿性分析

将原样以及经等离子体后疏水整理的织物进行透气与透湿性测试，结果如表2所示。

表2 透气量和透湿量测试结果Tab.2 Test results of air and moisture permeability

由表2可得，经等离子体及静电喷雾处理后，透气量和透湿量都有所下降，下降率分别为1.01%和5.64%，下降幅度并不大，说明整理对织物透气率和透湿率影响均不大，因为静电喷雾方法对织物进行疏水整理时只需用少量的疏水整理液在织物表面喷涂十分轻薄的一层，即可起到较好效果，再加上蒸气熨烫后，对织物表面外观及手感几乎没有影响。

3 结 论

采用低温射频氧等离子体处理了羊毛/羊绒织物表面，而后进行静电喷涂疏水整理，通过对比测试得出以下结论。

1)等离子体对纤维表面脂质及鳞片的轻微凹蚀，加上亲水基团的引入，增强了纤维表面黏附力及表面能。

2)等离子体表面改性协同静电喷雾赋予织物更低的黏附力及接触角滞后，说明等离子体对后续喷涂疏水整理剂起到增强附着与提高整体均匀性的作用。

3)等离子体表面改性协同静电喷雾处理对织物的外观、手感、透气性及透湿性影响不大。

FZXB

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Application of plasma modification in combination with electrostatic spraying in hydrophobic finishing of wool textiles for automotive decoration

ZHOU Huimin, XIE Tingting, LI Zhiyong, XIA Xin

(CollegeofTextileandClothing,XinjiangUniversity,Urumqi,Xinjiang830046,China)

To explore a more environmental method for the hydrophobic finishing of wool/cashmere automotive decoration textiles, the fabrics were hydrophobically finished by radio frequency low-temperature plasma in combination with electrostatic spraying. The surface morphology changes of original sample and the plasma-treated sample were characterized by scanning electron microscopy, as well as the hydrophobic sample finished by electrostatic spraying and the hydrophobic sample finished by plasma modification in combination with electrostatic spraying. The adhesive force, static contact angle and dynamic contact angle of above four samples were measured by a dynamic contact angle measurement instrument. The study revealed that the plasma treatment could etch the surface of the wool/cashmere sample, promoting the attachment and uniformity of hydrophobic agent; the plasma treatment cound improve the adhesive force to 98.39 μN, decrease the static contact angle to 107.9° and increase the dynamic contact angle to 83.39°; and the hydrophobic sample finished by electrostatic spraying after plasma treatment possessed the lowest adhesive force and dynamic contact angle than other samples, the air and moisture permeability of which were slightly reduced by 2.9 mm/s and 384 g/(m2·d), respectively, indicating the feasibility of hydrophobic finishing using plasma modification in combination with electrostatic spraying.

radio frequency plasma; electrostatic spraying; hydrophobic finishing; wool automotive decoration textile

10.13475/j.fzxb.20150502805

2015-05-14

2016-03-24

新疆维吾尔自治区自然科学基金青年科学基金项目(2015211C287)

周惠敏(1990—)，女，硕士生。研究方向为功能性纺织材料开发与应用。夏鑫，通信作者，E-mail：xjxiaxin@163.com。

TS 195.5

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