氧等离子体处理对涤纶织物数码转移印花的作用

MDAliHossain 陈维国 王成龙

摘 要：为了研究低温等离子体处理对涤纶织物数码转移印花的影响，采用扫描电子显微镜（SEM）观察，发现了经等离子体处理的涤纶纤维表面被明显刻蚀，使纤维表面产生大量的细微凹孔;通过X-光电子能谱（XPS）分析，揭示了经等离子体处理的涤纶纤维表面含氧化学基团有所增加;同时，接触角测试表明等离子体处理的涤纶织物润湿性有了明显的提升。显然，氧等离子体中高能粒子的撞击导致涤纶纤维表面大分子链发生部分降解，表现为处理后涤纶纤维表面粗糙度的提高，使得纤维比表面积提高，增加了热转移印花中分散染料在纤维表面的富集和染着，而纤维表面粗糙度的增加也改变了纤维表面的光反射特征，进而又促进了涤纶织物转移印花得色率的提高。热重分析（TG）表明等离子体对涤纶织物造成的损伤非常小，甚至低于热转移过程本身造成对纤维的损伤。所以，等离子体处理可以作为涤纶织物数码转移印花的前处理，以减少分散染料墨水的消耗。

关键词：等离子体;数码转移印花;涤纶织物;表面改性;表面粗糙度

中图分类号：TS190.8

文献标志码：A

文章编号：1009-265X（2020）02-0070-06

Abstract：Scanning electron microscope （SEM） was adopted for studying the effect of low temperature plasma processing on digital transfer printing of polyester fabric.It was found that the surface of polyester fiber processed by plasma had been obviously etched， so that a large number of micro concave holes were produced on fiber surface.XPS analysis revealed that the chemical oxygen-containing polar group increased on the surface of polyester fiber processed by plasma.Water contact angle test showed that the wettability of polyester fabric processed by plasma had been increased significantly.Obviously， partial degradation of macromolecular chain on polyester fiber surface was caused by impact of high-energy particles in oxygen plasma， which is reflected by increase of surface roughness of processed polyester fiber.The increase of surface roughness increased the specific surface area of fiber， and enhanced gathering and saddening of disperse dyes on fiber surface in thermal transfer printing.Besides， the increase of surface roughness of fiber also had changed the light reflection characteristics of fiber surface， and promoted increase in color yield rate in transfer printing of polyester fabric.TG analysis showed that there was little damage on polyester fabric caused by plasma， which is less than that caused by transfer printing.Therefore， plasma processing can be used for pre-treatment of polyester fabric digital transfer printing to reduce the consumption of disperses dye ink.

Key words：plasma; digital transfer printing; polyester fabric; surface modification; surface roughness

紡织品印花加工是在纺织品材料的表面上印制一种或多种颜色的图案。与传统的筛网印花和滚筒印花相比，数码印花技术具有生产速度快、易于操作等优势[1]。涤纶数码热转印是一种非常受欢迎的印花方式[2]，它是一种先用分散染料墨水在纸张印制图案、再以高温将染料升华以气相转移到织物的过程。涤纶纤维具有高强力、抗皱、耐磨等优点，是一种非常重要的合成纤维。但是，聚酯纤维亲水性差，表面能较低，进而导致了其在直接印花过程中清晰度差、得色量低等问题。在印花前采用氢氧化钠或氢氧化钾改性涤纶织物可以提高其毛细管效应等，对提高印制质量和吸墨性有重要作用[3]，但产生的废水会对环境造成影响[4-6]。作为环境友好型的等离子体处理技术，能够有效地对涤纶织物进行表面改性或者引入极性基团以改善亲水性，在染色、印花和整理性能方面表现出优良的效果，受到广大学者的关注[7-10]。Mehmood等[11]使用等离子体处理聚酯，发现经处理后材料的粘附性得到改善。Wang等[12]研究表明涤纶织物经氧等离子体处理后，可以提高喷墨印花的得色量和防渗化性能。Shahidi等[13]解释了大气等离子体处理技术在不改变织物强度的前提下提高了染色K/S值。然而，鲜有文献研究氧等离子体处理对涤纶织物数码转移印花的得色量等性能影响。

本文探讨了涤纶织物经氧等离子体处理后发生的物理及化学变化、对提高涤纶热转移印花得色量的作用，并分析了其作用的原理。

1 实 验

1.1 实验材料

100%涤纶平纹织物95 g/cm2（杭州Aspiring纺织有限公司）。

1.2 等离子处理方法

在等离子体设备（华西等离子表面改性设备，江苏常州中科昌泰等离子体技术有限公司）的腔室中进行处理，该腔室可以处理25 cm×25 cm的样品，功率为0～500 W。将样品直接放在等离子体处理室中，先将等离子体反应室抽真空，随后通氧气并保持一定的真空度，开启设备对样品处理一定时间。

1.3 数码转印过程

在数码转移印花纸上打印出4种不同的颜色（CMYK），通过转移印花机对处理和未处理涤纶织物进行转印，优化工艺条件。

1.4 测试方法

1.4.1 扫描电子显微镜

使用扫描电子显微镜（SEM， JSM-5610LV， JEOL Ltd， Japan）在5kV下观察样品的表面形貌，使用JFC-1600自动精细涂布机对样品涂覆细金颗粒。

1.4.2 X射线光电子能谱

使用X射线光电子能谱仪（K-Alpha，Thermo Fisher Scientific，USA）在工作电压15 kV，电流10 mA，掠射角54°条件下测试。

1.4.3 织物接触角

使用KRüSS接触角测量系统（KRüSSDSA20，KRüSS GmbH，Germany）用蒸馏水测量接触角。将裁剪好的样品放置在载玻片上，无需施加任何压力或拉力。通過机器记录水滴的吸收过程，然后测量水接触角以观察润湿能力，每个样品在不同位置测试3次并取平均值。

1.4.4 热分析

使用热重分析仪（TGA-50， Shimadzu Corporation， Kyoto， Japan），将样品置于铝盘上，温度范围100～600 ℃，惰性气体N2，流速50 mL/min，加热速率100 ℃/min。

1.4.5 印花织物的得色量

在10°视角下的D65光源，采用DataColor650色度仪测得织物的K/S值作为印花得色量。

2 结果和讨论

2.1 氧等离子体处理对织物表面形态的影响

采用扫描电子显微镜研究了涤纶织物表面的表面形态，以2 000倍放大倍数观察等离子体处理前后涤纶纤维表面的形貌变化，如图1所示。从图1（a）可以观察到，未处理的纤维样品表面光滑，而在图1（b）中则显示经等离子体处理的涤纶纤维表面呈现明显的凹孔，相比未处理的样品表面更为粗糙，这是由于材料表面受到等离子体中的高能量粒子的冲击，正负离子和中性粒子的轰击造成的蚀刻效应，纤维表面大分子化学键被破坏，然后与等离子体中的自由基发生结合，形成含氧基团[14-15]。通常经等离子体处理的天然及合成纤维可发生以下反应：

该反应表明聚酯中的C—C键通过等离子体处理破坏，随后与O原子重新结合，产生含氧极性基团。因此，等离子体可以增加纤维表面粗糙度，这有助于转移印花时分散染料可以富集在聚酯织物表面上，同时，粗糙的表面可以改变纤维的光学反射特征，漫反射增加，表观色深值提高。

2.2 氧等离子处理对涤纶织物亲水性的影响

图2和表1是氧等离子体处理前后涤纶织物的接触角变化情况。从图2和表1可以发现，未经处理的涤纶织物的接触角为121°，具有较强的疏水性。经过氧等离子处理后，涤纶织物表面水滴消失得非常快，以至于无法测量水接触角。这说明氧等离子体处理在织物表面上引入了含氧的极性基团[16-17]，进而有效地提高了涤纶织物表面的亲水性能。虽然，分散染料对亲水表面没有任何亲和力，但处理后粗糙的涤纶表面对织物有较大的影响，有助于分散染料在纤维表面上富集，从而提高得色量。

2.3 XPS分析

使用XPS观察未处理和经等离子体处理的涤纶织物上的化学基团变化。在284.08、532.08 eV处的XPS结合能峰与图3中所示的C 1和O 1相关。未处理和氧等离子体处理的化学组成如图3（e）所示。很明显，与未处理的样品相比，处理过的样品中的C 1s减少了近8%。另一方面，O 1s在处理过的样品中增加了近7%，O/C的原子浓度也从0.31增加到0.51，这表明氧等离子体改性增加了涤纶织物表面的含氧极性基团[18-19]。

为了解涤纶织物表面引入的化学基团，进行了C 1s峰的解卷积。图3（c）显示未处理的样品光谱在284.76，286.36，288.78 eV处具有3个峰，其可相对地对应为C—C/C—H，C—O—H/C—O—C，O—CO或COOH。另一方面，图3（d）中的C1s反卷积显示在光谱上出现可以指定为C—O的新峰，而氧等离子体处理后未处理的亚峰值在284.76 eV下降，但其他子峰值有大幅增加。这表明经过氧等离子体处理后，聚酯纤维表面的C—C/C—H键断裂并被氧化，形成C—O/O—CO[20-21]。该结果表明，氧等离子体改性破坏了含化学碳的化学键，使纤维表面形成蚀刻，有助于更好地吸收转移印花过程升华的分散染料。

2.4 K/S值

对涤纶织物进行数码热转移印花，以观察在等离子体改性后织物K/S值的变化。当压力为20 Pa、功率为300 W时，氧等离子体处理涤纶织物的数码转移印花织物的K/S值最大，结果如图4所示。从图4可见，随着时间的增加，K/S值也增加，这是因为在涤纶织物表面上通过氧等离子体蚀刻引入的粗糙度和表面聚酯大分子链的降解。但随着时间的增加（10 min），K/S值没有进一步增加而反而略微降低，通常认为在氧等离子体处理期间，将产生大量活性等离子体粒子，例如电子、离子、自由基、光子和受激原子/分子等。因此，高速电子确实有助于样品的表面改性。在固定输入功率下，离解反应速率增加，导致高速电子在氧等离子体辐照时间达到10 min之前逐渐增加，10 min后电子数基本不变，说明氧等离子体效应在聚酯织物表面上饱和[22-23]。

2.5 色牢度

表3显示的是未处理和氧等离子体处理涤纶印花织物的耐摩擦色牢度。从表3可以看出氧等离子体处理后印花织物在同等测试条件下的干湿摩擦牢度与未处理的等级相差不大。这意味着氧等离子体处理对数码转移印花织物的摩擦色牢度影响不大。

2.6 热重分析

热重分析是一种对材料加热分析其质量变化的方法，随着温度的升高监测样品的重量损失，随后将该测量值用于描述材料的热稳定性、挥发性化合物和样品组成成分等。如果分解温度较高，则材料更稳定[24-25]。

未处理、氧等离子体处理和等离子体改性后进行热转移印花的涤纶织物的TGA曲线如图5所示。样品的重量损失可以在许多阶段发生。该织物的热分析由两个温度（Ti=初始分解温度和Tf=最终分解温度）描述，如表4所示。图5显示原样织物样品在13.71～460.77 ℃损失了0.663%的重量，这是由于织物吸收的水分的蒸发和其他主要挥发性物质的释放。但在460.77～522.40 ℃范围内观察到主要的重量损失是由于聚酯聚合物链中存在的相关化学键的降解。最后阶段是在522.4～600 ℃的温度范围内发生的残余物中灰分含量的氧化降解[26-27]。

与原样相比，经氧等离子体处理的涤纶织物分解温度有所降低;经氧等离子改性的转移印花样品的的初始和最终分解温度都较低。这表明经氧等离子体和高温热转印处理，样热稳定性下降，但没有明显改变面料的应用性能。

3 结 论

对涤纶织物进行氧等离子体处理，通过SEM观察到了等离子体对涤纶织物表面的蚀刻效果，纤维表面上的表面粗糙度增加，这意味着氧等離子体刻蚀增加了涤纶纤维的比表面积，这使得升华转移染料容易附着、富集在织物表面上，有助于提高数码转移印花织物的得色量。XPS和水接触角测试分析表明了氧等离子体中的高能粒子撞击破坏了涤纶纤维表面含碳基团，增加了含氧极性基团，也导致了涤纶纤维表面大分子链的降解。最终，所有这些因素促进了转移印花墨水中的分散染料在涤纶纤维表面上的富集和上染，并且降低了入射光的直接规则反射，从而增加了氧等离子体改性数码转印织物的得色量。

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