低温等离子体在纺织品处理工艺中的应用

中国纺织机械协会 齐亚滨/文

“十三五”期间，中国纺织行业积极推进全行业的绿色加工，加快实施节能减排和资源循环再利用技术的应用。随着《中华人民共和国国民经济和社会发展第十四个五年规划和2035年远景目标纲要》的发布，更加低碳环保的生产生活方式正逐步成为全社会的共识，纺织印染企业也将更多地关注碳达峰和碳中和目标，其中少水、无水生产工艺及装备的研发已成为当今行业发展的热点。

低温等离子体技术应用于织物印染前处理节水、无污水排放，是一种清洁生产工艺。近十几年来，国内外的企业、院校和科研机构先后开展了该项技术在织物印染前处理中的应用研究和实验，并进入了实验样机试生产阶段。低温等离子体技术的应用，对印染行业节能减排具有重要意义。

1 低温等离子体对织物纤维的作用机理

染整加工中主要使用的低温等离子体是通过电晕放电和辉光放电产生的［1］。当低温等离子体的高能活性粒子作用于织物纤维表面时，可以改变纤维表面的化学组成和物理形态。织物纤维在低温等离子体的高反应性、高活性和刻蚀的作用下，表面产生亲水基团或接枝上与染料具有亲和性的基团，纤维表面的刻蚀增加了对染化料的吸收，改善纤维染整性能。通过低温等离子体对织物纤维的改性，在提高织物染整工艺性的同时，减少了能耗和污水排放［2］。

常压低温等离子体处理技术通过改变等离子处理机电极副的匹配，能够较好地解决织物被击穿形成破洞的难题。采用电极副密闭设计，可填充氮气、氧气、氦气和氩气等不同气体。程序设计中可选择多项工况参数，以满足化纤、棉和毛等织物的低温等离子体处理。

2 低温等离子体处理工艺及装置

2.1 低温等离子体织物前处理工艺流程

在实际应用中，可根据不同织物纤维，选择相应的运行速度和功率系数进行低温等离子体处理。织物在低温等离子体处理装置中，按照特定的功率系数，以平幅形式进行低温等离子体处理。处理后的织物打卷后即可进入后道染整工序。

适用低温等离子体处理的纤维包括棉、毛及化纤等。

工艺流程：织物卷装平幅进布（扩幅、对中）→低温等离子体处理→织物平幅收卷。

2.2 低温等离子体处理装置

低温等离子体处理装置主要包括密闭室、传动系统、电气控系统以及进出布装置等。图1为低温等离子体处理装置示意图。

2.2.1 密闭室

采用大、小密封结构，确保处理区域所充气体的浓度保持均匀、稳定，以满足工艺要求。密闭室所用材料以及相应的气体选择对低等离子体处理效果至关重要。

图1 低温等离子体处理装置示意图

1）密闭室材料。考虑到密闭室的密闭性、不同气体的适应性以及安全性，密闭室所选择的材料主要有环氧树脂、陶瓷和硅胶等。这些材料可以保证密闭室在高频高压下能够长期稳定工作，确保人身安全，所产生的低温等离子体连续稳定、致密均匀，并可有效防止织物损伤。采用充气式密闭室结构设计，可保证低温等离子体的有效作用。

2）密闭室内气体。需根据不同纤维选择相应的气体（如氮气、氧气、氦气和氩气），以确保织物在低温等离子体处理过程中，与所需的气体充分作用，获得较好的处理效果。

2.2.2 传动设计

传动部分采用变频减速电机控制，能有效保证各牵引单元之间速度的同步性，使得织物能够实现低张力运行，且速度平稳。

2.2.3 电气控制系统

主要由升压变压器、放电架和控制箱等组成。工艺控制参数包括耗电量、速度、织物计长以及处理功率等。系统可对工艺参数进行采集、输出与上传。

1）放电（电极）控制。具备速度跟踪功能，自动调整功率大小，可保证织物在不同速度下获得不同的处理功率。在获得理想处理效果的前提下，减少能量输出，达到节能效果，并使产生的低温等离子体连续稳定、致密均匀及融合放电。

2）工艺参数。织物加工工艺速度为20 m/min～150m/min（可调）。通过在线检测参数优化算法，可实现处理效果的精确化和智能化控制。

3 试验结果与分析

在织物纤维的改性方面，采用低温等离子体加工织物本身不需要水，属于一种干加工方式。与目前染整湿加工相比，采用低温等离子体加工更节水，无污水排放。

经过样机实验，对低温等离子体处理与传统处理方法进行能耗比较（见表1）。

测试织物样品规格：织物幅宽为1000mm；织物纤维为100%涤纶；织物面密度为180g/m2。

经测试得到以下结论：

1）对涤纶前处理的除油、精练以及退浆（机织物）等，标准溶液耗碱量仅为传统工艺三分之一，减少了化学品的用量和排放。

表1 低温等离子体处理与传统处理方法的能耗比较

2）因工艺流程短，处理单元少，耗电更低。

3）因使用的化学品少，使得加工过程中产生废液的pH值也随之下降。

4 结论

通过以上分析得出：

1）经低温等离子体处理后的涤纶纤维，可获得持久的亲水性、抗静电性，并且还能改善纤维的染色性能和粘着性。

2）低温等离子体处理技术可减少传统染整工艺中有毒、有害化学助剂的使用量，对实现清洁生产，以及减少生产环境对员工身体的损害具有重要作用。

3）低温等离子体技术应用于印染加工具有环境友好、经济、节能和节水等优点。随着该项技术瓶颈的突破，制造工艺的不断成熟，其应用领域和产业化应用价值必将进一步显现。

在行业大力推进节能减排的形势下，印染行业如何有效降低用水以及和废水的排放已成为行业可持续发展的重中之重。依托低温等离子体技术的特性，不仅可以改善织物的染整性能，而且还可达到节能减排的目的，这对印染行业的高质量、可持续发展，以及企业践行社会责任均会产生重要影响。