大气压低温等离子体在棉织物退浆中的应用

闫 俊，朱高伟，于心悦，崔一帆，李 红，叶 方，范艳苹，郑来久

(1.大连工业大学 辽宁省清洁化纺织重点实验室，辽宁 大连 116034；2.浙江省现代纺织工业研究院，浙江 绍兴 312030)

0 引 言

目前，纯棉织物浆纱使用的浆料主要是聚乙烯醇(PVA)[1]，退浆方法包括生物酶法、热碱法、酸法和氧化法[2]。退浆过程会使用大量NaOH，并产生大量废水[3]。高耗能、高污染问题严重影响了纺织工业的可持续发展，新环保形势下清洁化生产迫在眉睫。

Yasuda[4]根据碳氢化合物经放射线照射分解的自由基机理，提出了等离子体聚合过程。等离子体放电过程中的电子会被激发跃迁至导带形成带负电荷的高活性电子e-，同时产生带正电荷的空穴h+，形成电子空穴对。等离子体技术作为一种新型的处理工艺[5]，工艺简单、低成本、低时耗、处理效果好[6]。Bozduman等[7]采用电晕放电技术对棉织物上的聚乙烯醇(PVA)和淀粉进行了脱胶处理，结果表明等离子体对PVA和淀粉浆织物的除浆率、亲水性均有积极的影响。Cornelius等[8]采用氦/四氟化碳等离子体处理的样品比对照样品退浆效果更好。但以上研究均未提及服用棉织物大气压低温等离子体退浆效果。本实验采用大气压低温等离子体退浆工艺，结合服用性能优化实验，探讨最佳退浆条件，通过SEM、FT-IR、XRD和服用性能表征棉织物性能。

1 试 验

1.1 材 料

纯棉坯布，PVA上浆，线密度35.8 tex；织物经密度为每10 cm 267根，纬密度为每10 cm 267根，市售。

1.2 设 备

CTP-2000A型低温等离子体准辉光放电表面处理机，南京苏曼等离子科技有限公司；WSB-3A型智能式数字白度计，温州大荣纺织仪器有限公司；YG065C型电子坯布强力仪、YG871毛细管效应测定、LLY-01型电子硬挺度仪、YG141LA型织物厚度仪，莱州市电子仪器有限公司；YG461E-Ⅲ型全自动透气量仪、YG601H-Ⅱ型电脑式织物透湿仪，宁波纺织仪器厂。

1.3退浆工艺流程

1.3.1 传统碱处理

坯布→碱煮(95 ℃，1 h)→热水洗→充分冷水洗→烘干。

碱煮工艺及配方：NaOH质量浓度分别为20、25 g/L，时间60 min，浴比1∶30，温度95 ℃。

1.3.2 低温等离子体处理

将坯布试样平铺在等离子处理面板上，改变处理时间0～30 min、放电电压0～220 V、处理功率200～600 W，对坯布进行大气压等离子体准辉光放电处理，放电处理高度1 mm。工作气体为空气，等离子体气体平均温度35 ℃，CTP-2000A等离子体发生装置，电源频率50 Hz。

对坯布进行等离子体处理，固定功率，处理时间分别为5、10、15、20、25、30 min；然后固定处理时间，功率分别为200、300、400、500、600 W→热水洗3次(95 ℃、10 min)→充分冷水洗10 min→烘干(105 ℃，3 h)。

1.3.3 等离子体加碱处理

坯布→等离子体处理→碱煮(95 ℃、1 h)，改变碱质量浓度→热水洗→充分冷水洗→烘干。

1.4 退浆率

先确定回潮率，取3块约纯棉坯布，先将其中一块坯布在电子天平上称重，再称重另外两块，取平均值m0。置于105～110 ℃烘箱中烘至恒重，迅速取出坯布，放入装有硅胶的干燥器中，冷却至室温，分别对3块坯布称重，取平均值m1，按式(1)计算试样回潮率[8]。

(1)

式中：w为回潮率，%；m0为坯布烘干前的质量，g；m1为坯布烘干后的质量，g。

将其余坯布在电子天平上精确称取质量(m2)，按“1.3”工艺进行减退浆，挤干水后放入烘箱，在105～110 ℃下烘干至恒重，迅速取出坯布，放入干燥器中，冷却至室温，精确称取质量(m3)。按式(2)计算试样退浆率。

(2)

1.5 力学性能

参照GB/T 3923.1—2013 第1部分 断裂强力和断裂伸长率的测定(条样法)，将坯布剪成25 cm×5 cm布条，在电子坯布强力机上测定其断裂强力和断裂强力保留率。测3次，取平均值。

1.6 白 度

测试坯布5个不同部位的白度，取平均值。

1.7 毛细效应

参照FZ/T 01071—2008，将待测坯布剪成20 cm×5 cm布条，在离顶端1 cm处沿纬向作平行线，与液面对齐；以重铬酸钾溶液作为测试液，室温下记录30 min内测试液沿经向上升的高度。

1.8 服用性能

1.8.1 透湿性

参照GB/T 12704—2009 第1部分：吸湿法，采用透湿杯法使用织物透湿仪测出试样透湿量。每个样品剪取3块试样，每块试样直径70 mm，将织物试样按要求置于装有35 g无水氯化钙的透湿杯内，在温度38 ℃、RH为90%的环境下静置10 min后称重，60 min后再次称重，根据质量差计算透湿率(g/(m2·h))。

(3)

式中：Δm为同一试验组合体两次质量差，g；Δm′为空白试样的同一试验组合体两次质量差，g；不做空白试验时，Δm′=0；A为有效试验面积(本部分的装置为0.004 9 m2)，m2；t为试验时间，h。

1.8.2 透气性

参照GB/T 5453—1997，在室温25 ℃、相对湿度65%的环境下，选择同一样品3个不同区域，对20 cm2的织物试样进行测试，测试压差为100 Pa，测试结果取平均值。

1.8.3 硬挺度

参照GB/T 18318—2001，采用斜面法测定抗弯长度，每个样品取6块试样，大小250 mm×25 mm，自动计算结果。以抗弯长度为评价指标，越大表示织物越硬挺，越小表示织物越柔软。

1.8.4 厚 度

参照GB/T 3820—1997，将试样对折两次共4层，加压2 kPa，同一样品选择7个不同区域进行测试，结果去掉最大值和最小值后取平均值。

1.9 结构表征

1.9.1 SEM

将待测纤维进行真空喷金，通过SEM(JSM-7800F，日本JEOL)对纤维样品脆裂特征进行详细的形貌观察与分析。

1.9.2 FT-IR

FT-IR(Perkin-Elmer Spectrum two，美国MA)；染料用溴化钾压片，采用透射法进行测试，在室温下500～4 000 cm-1测定试样结构变化。

1.9.3 XRD

XRD-7000S(日本Shimadzu)；Cr，3 kV；管电压，20～60 kV；扫描范围，10°～40°。

2 结果与讨论

2.1 等离子体处理功率对坯布性能的影响

如表1所示，随着处理功率的增大，毛效、退浆率都逐渐增大，白度和断裂强力减小。综合各种指标，处理功率选择400 W。

表1 等离子体处理功率对坯布性能的影响Tab.1 Effect of plasma treatment power on properties of grey fabrics

2.2 等离子体处理时间对坯布性能的影响

如表2所示，随着处理时间的延长，坯布的毛效、白度以及退浆率都逐渐增大；处理时间达到15 min时，坯布的退浆率逐渐变缓，而白度和毛效15 min后减小。低温等离子体处理坯布时，随着处理时间的延长，高速等离子体轰击试样的强度增大，并且表面刻蚀增强，导致断裂强力下降，退浆率上升。综上，处理时间选择15 min。

表2 等离子体处理时间对坯布性能的影响Tab.2 Effect of plasma treatment time on properties of grey fabrics

2.3 等离子体和碱处理对坯布性能的影响

由表3可以看出，与常规碱煮工艺相比，采用等离子体处理后，加入8 g/L NaOH溶液进行碱煮即能达到同等效果。白度、退浆率、毛效均高于常规碱煮方法。原因可能是等离子体激发浆料表面层分子，产生氧化降解作用，成为小分子除去[10]，坯布表面会产生刻蚀而变得粗糙，纤维表面孔隙增大，NaOH更容易进入坯布纤维内部，进行退浆。综上，选择NaOH质量浓度为8 g/L。

表3 等离子体加碱处理对坯布性能的影响Tab.3 Effect of plasma and alkali treatment on properties of grey fabrics

2.4 服用性能测试结果

由表4可以看出，在最佳工艺条件下，经等离子体加碱处理后，厚度减小、硬挺度降低，浆膜去除导致织物厚度减小，刻蚀作用使纤维表面出现凹坑和裂纹，纤维之间的抱合力减弱，纱线变的蓬松，纤维黏附力变差，柔软性变好；另外织物结构是多孔形状，浆料去除空洞增大，当水蒸气和空气通过织物时，阻力减小，透湿性和透气性增强。

表4 不同处理的试样服用性能对比Tab.4 Comparison of wearability of different treated samples

2.5 结构表征

2.5.1 SEM分析

如图1所示，等离子体处理后纤维表面有较多散碎状的浆料聚集体，常规碱退浆后纤维表面虽然光洁但仍有浆料薄层覆盖在纤维表面，而等离子加碱煮处理后的，纤维表面光洁残留的聚集体较少，退浆效果最佳。

图1 不同方式处理棉织物的SEM图Fig.1 SEM of cotton fabric treated with plasma and alkali

2.5.2 FT-IR分析

如图2所示，对比样品1和6可知，经过等离子加碱处理后，2 347.65 cm-1处—CH2峰强度明显减小，1 720 cm-1处醛基C—O峰、1 635cm-1处羧基—COOH峰以及1 099 cm-1处酮羰基C—O峰均明显增强，证明等离子体处理导致PVA分子C—O和C—O键增加[11]。

1，纯PVA坯布；2，未处理的无浆料坯布；3，未处理的PVA坯布；4，碱煮处理PVA坯布；5，等离子体处理PVA坯布；6，等离子体加碱处理PVA坯布图2 6种试样的FT-IR图Fig.2 FT-IR images of six samples

2.5.3 XRD分析

如图3所示，未经处理的棉织物衍射峰的2θ、各峰的宽度和位置未发生明显的变化，处理后棉织物的基本结晶结构未改变，表明低温等离子体没有破坏棉纤维的微观结构。

1，未经处理的PVA上的坯布；2，碱煮处理PVA上浆坯布；3，等离子体处理PVA上浆坯布；4，等离子体加碱处理PVA上浆坯布图3 4种试样的XRD图Fig.3 XRD images of four samples

3 结 论

本实验使用等离子体加碱处理退浆，等离子体在织物表面产生刻蚀作用，破坏浆膜，使PVA分子链断裂，氧化或降解成CO2和H2O。刻蚀作用使浆料及纤维表面出现凹坑和裂纹，有利于碱液渗入，实现高效退浆。最佳工艺条件：放电电极与坯布间距为1 mm，等离子体最佳处理功率为400 W，等离子体最佳处理时间为15 min，最佳碱煮碱浓度为8 g/L。经等离子体加碱处理的坯布透湿性、透气性增加，断裂强力、厚度、硬挺度降低。加入少量NaOH处理后白度、毛效以及退浆率皆超过常规碱煮工艺。