低溫等離子體預(yù)處理對聚丙烯SMS非織造布柔軟改性效果的影響研究

張?zhí)炖?張 瑜 朱秋平 (南通大學(xué)紡織服裝學(xué)院，南通，226019)

低溫等離子體預(yù)處理對聚丙烯SMS非織造布柔軟改性效果的影響研究

張?zhí)炖?張 瑜 朱秋平 (南通大學(xué)紡織服裝學(xué)院，南通，226019)

為改善聚丙烯SMS非織造布(以下簡稱SMS)的柔軟性能，研究了柔軟劑結(jié)合低溫等離子體處理對SMS柔軟性能的影響，并通過正交試驗(yàn)研究了等離子體處理的功率、時(shí)間和真空度對改性效果的影響。結(jié)果表明，等離子體處理功率是影響SMS柔軟改性的主要因素;等離子體處理最佳工藝條件為:處理功率125 W，真空度40 Pa，處理時(shí)間7 min，SMS在此條件下處理后柔軟改性效果顯著。結(jié)合掃描電鏡圖分析了SMS的結(jié)構(gòu)特征，并指出SMS結(jié)構(gòu)與柔軟性能的關(guān)系以及等離子體處理的作用。

低溫等離子體，柔軟改性處理，聚丙烯纖維，SMS非織造布，結(jié)構(gòu)，柔軟性能

0 引言

SMS非織造布(以下簡稱 SMS)是20世紀(jì)80年代初由Kimberly-Clark最先開發(fā)的一種復(fù)合非織造布，它是紡粘和熔噴工藝技術(shù)結(jié)合的產(chǎn)物，由兩層紡粘(Spunbond)布和一層熔噴(Meltblown)布復(fù)合而成，現(xiàn)已在世界范圍內(nèi)廣泛生產(chǎn)和應(yīng)用［1-2]。SMS兼具紡粘布與熔噴布的優(yōu)點(diǎn)，既有良好的強(qiáng)力，又有良好的吸附性、過濾性和阻菌性，故廣泛應(yīng)用于醫(yī)療衛(wèi)生、過濾和包裝材料等領(lǐng)域［3]。但由于SMS表層紡粘布具有連續(xù)長絲結(jié)構(gòu)，纖維線密度范圍大，比具有超細(xì)纖維結(jié)構(gòu)的熔噴布手感差，使SMS作為醫(yī)用材料在柔軟性能上不能很好地滿足要求，與其他類型的醫(yī)用材料(如水刺法非織造布)相比其穿著舒適性較差。柔軟性是織物服用舒適性的表征指標(biāo)之一，對于用作手術(shù)衣、傷口包覆材料等與肌膚接觸的醫(yī)用產(chǎn)品是一項(xiàng)重要的性能。因此，改善SMS的柔軟性對提高其應(yīng)用性能非常重要。

目前，常用于織物柔軟處理的方法主要有機(jī)械柔軟整理、化學(xué)柔軟整理等［4]。機(jī)械柔軟整理是通過機(jī)械力改變織物內(nèi)部纖維結(jié)構(gòu)，從而降低其剛性，達(dá)到柔軟的目的，但該法對織物有一定的損傷，從而會影響SMS在醫(yī)療衛(wèi)生方面的應(yīng)用;化學(xué)柔軟整理是采用柔軟劑對織物進(jìn)行柔軟整理的方法，柔軟劑大分子能降低非織造布中纖維之間的摩擦阻力以及非織造布與人體之間的摩擦阻力，從而獲得良好的柔軟效果［5]。但以聚丙烯(PP)為原料的SMS(下文SMS均指PP SMS)沒有親水性基團(tuán)，不能與柔軟劑很好地結(jié)合，因此需采用等離子體技術(shù)進(jìn)行親水性預(yù)處理，引入活性基團(tuán)與柔軟劑大分子相結(jié)合，達(dá)到柔軟改性的目的。

低溫等離子體技術(shù)作為一種表面處理方法，屬于干態(tài)加工工藝，對環(huán)境無污染，具有清潔環(huán)保的特點(diǎn)［6]。等離子體含有大量反應(yīng)活性極高的電子、離子、自由基，是能量攜帶者，對高分子材料表面的改性或聚合反應(yīng)有直接的影響。SMS經(jīng)低溫等離子體處理后，引入活性基團(tuán)，纖維的潤濕性、抗靜電性等性能有顯著改善［7-8]。因此本文主要研究了不同低溫空氣等離子體預(yù)處理?xiàng)l件對柔軟劑處理SMS的影響規(guī)律，并找出最佳柔軟處理工藝。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 實(shí)驗(yàn)材料

SMS:面密度 38 g/m2，厚度 0.31 mm，各層質(zhì)量比 S 層∶M 層∶S 層為 7∶3∶7，張家港駿馬無紡布有限公司。

柔軟劑RSB-50:聚醚改性有機(jī)硅類柔軟劑，常州中策紡織助劑有限公司。

1.2 實(shí)驗(yàn)儀器及設(shè)備

HD-1A型冷等離子體改性設(shè)備:常州新區(qū)世泰等離子體技術(shù)開發(fā)有限公司;101AB-1型烘箱:上海華聯(lián)環(huán)境試驗(yàn)設(shè)備公司恒昌儀器廠;FAST-2彎曲性能試驗(yàn)儀，上海天祥公證行有限公司;KYKY-2800B型掃描電子顯微鏡:北京中科科儀技術(shù)發(fā)展有限責(zé)任公司。

1.3 實(shí)驗(yàn)方法

用空氣等離子體對SMS進(jìn)行預(yù)處理，使得SMS的表面引入親水活性基團(tuán)，然后浸漬柔軟劑RSB。浸漬條件為溫度30℃、浴比30∶1、柔軟劑含量5%(對織物質(zhì)量而言)、時(shí)間30 min。浸漬柔軟劑的SMS經(jīng)烘箱105℃烘干后測試性能。

1.4 性能測試

織物柔軟性的評價(jià)方法有很多，包括織物手感、懸垂系數(shù)、抗彎長度、彎曲剛度、表面摩擦性能等，但手感的評價(jià)存在主觀任意性，難以標(biāo)準(zhǔn)化?？椢锏娜彳浶阅茉u價(jià)方法多復(fù)雜卻并不完善，因此本實(shí)驗(yàn)利用FAST-2彎曲性能試驗(yàn)儀，從織物的彎曲性能范疇考察SMS的柔軟性。

2 結(jié)果與討論

2.1 等離子體處理功率對SMS柔軟改性的影響

不同處理功率預(yù)處理后SMS柔軟改性效果即彎曲剛度的變化如圖1?？梢钥闯觯S著處理功率的增大，SMS的彎曲剛度顯著降低，柔軟改性效果逐漸明顯，在100 W時(shí)SMS的柔軟性達(dá)到最大值。在較低功率時(shí)，由空氣轉(zhuǎn)化成等離子體的電子、離子數(shù)量較少，即活性粒子和輻射較少，產(chǎn)生的自由基濃度較低，SMS表面植入含氧基團(tuán)的反應(yīng)效率較低，所以在一定時(shí)間內(nèi)，SMS表面形成的活性基團(tuán)也就比較少，在浸漬柔軟劑時(shí)只有少量的柔軟劑大分子與SMS相結(jié)合，導(dǎo)致柔軟改性不太明顯;隨著功率增大達(dá)到100 W時(shí)，SMS表面纖維斷鍵、氧化、脫氫作用明顯加劇，盡管表面刻蝕也逐漸加強(qiáng)，但前者起主導(dǎo)作用，因而引入的含氧、含氮等活性基團(tuán)也逐漸增加，SMS表面被充分活化，能結(jié)合大量的柔軟劑大分子，使得柔軟劑能以單分子或幾個(gè)分子層在SMS表面成膜，形成垂直定向吸附層，此時(shí)SMS柔軟改性效果最好;當(dāng)功率超過100 W后繼續(xù)增大，在SMS表面引入活性基團(tuán)反應(yīng)與刻蝕的競爭中，刻蝕逐漸起主導(dǎo)作用，易將已反應(yīng)生成的表面活性基團(tuán)剝蝕掉，SMS與柔軟劑分子不能得到有效的結(jié)合，因此SMS的柔軟改性效果有所降低。

圖1 等離子體處理功率對SMS柔軟改性效果的影響(處理?xiàng)l件為30 Pa，3 min)

2.2 等離子體處理時(shí)間對SMS柔軟改性效果的影響

圖2為等離子體處理時(shí)間對SMS柔軟改性效果的影響。由圖2可知，隨著處理時(shí)間的延長，SMS柔軟性能的改善效果逐漸明顯;但超過5 min后，這種改性的效果趨于穩(wěn)定。等離子體反應(yīng)主要是一種自由基反應(yīng)，反應(yīng)的速度很快，經(jīng)最初1 min的空氣等離子體處理，SMS的柔軟改性效果顯著，這是因?yàn)橐氲幕钚曰鶊F(tuán)改變了SMS表面的極性組成，從而使得柔軟劑分子與SMS表面充分結(jié)合，改善SMS的柔軟性能。經(jīng)過一定時(shí)間的處理后，SMS表面已充分活化，引入的活性基團(tuán)總量不再增加，所以SMS的柔軟改性效果趨于穩(wěn)定。

圖2 等離子體處理時(shí)間對SMS柔軟改性效果的影響(處理?xiàng)l件為30Pa，100 W)

2.3 等離子體處理真空度對SMS柔軟改性效果的影響

經(jīng)不同真空度等離子體處理后SMS的柔軟改性效果如圖3所示。可以看出，在真空度小于30 Pa時(shí)，隨著真空度的增大SMS柔軟改性的效果越來越明顯;真空度大于30 Pa以后，真空度的增大對SMS柔軟改性的效果影響趨于穩(wěn)定。

圖3 等離子體處理真空度對SMS柔軟改性效果的影響(處理?xiàng)l件為100 W，3 min)

當(dāng)真空度較低時(shí)，自由基的數(shù)量較少且在運(yùn)動過程中能量損失較大，到達(dá)SMS表面的離子、電子能量也就較低，所以能夠引入的活性基團(tuán)也較少，SMS表面未能充分活化，織物的柔軟改性不明顯;真空度提高后，放電產(chǎn)生的高能量自由基多，在真空度為30 Pa時(shí)，有效自由基濃度最高，有利于SMS表面引入活性基團(tuán)進(jìn)行活化，因而SMS能獲得較好的柔軟改性效果;進(jìn)一步提高真空度(＞30 Pa，＜60 Pa)，自由基的濃度雖然高，但粒子之間相互碰撞使能量損耗，因此也不利于SMS表面的活化;在真空度為60 Pa時(shí)，自由基的濃度進(jìn)一步升高，雖然粒子之間相互碰撞使能量損耗，但有效自由基的濃度較高，使得SMS的柔軟改性效果較好。

2.4 正交試驗(yàn)

等離子體處理的處理功率、處理時(shí)間和真空度對SMS的柔軟改性都有一定的影響，為了進(jìn)一步研究等離子體處理?xiàng)l件對SMS柔軟改性效果的影響，選擇了3因素3水平的正交試驗(yàn)，以SMS彎曲剛度的變化來評價(jià)試驗(yàn)結(jié)果，設(shè)計(jì)因素水平表如表1所示，正交試驗(yàn)結(jié)果見表2。

表1 正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)表

表2 正交試驗(yàn)結(jié)果

由表2可知:處理功率的極差最大，處理時(shí)間的極差最小。在上述3個(gè)影響因素中，等離子體處理功率為主要影響因素，真空度次之，處理時(shí)間的影響最小。

表2中，對于處理功率是水平3最佳，SMS柔軟改性后的彎曲剛度最小，即柔軟改性效果最佳，同樣，處理時(shí)間選擇水平3，真空度選擇水平2，因此，以彎曲剛度為SMS柔軟改性評價(jià)指標(biāo)獲得的最佳等離子體處理工藝條件為:處理功率125 W，真空度40 Pa，處理時(shí)間7 min。SMS在此條件下處理后，柔軟改性效果顯著。

2.5 掃描電鏡圖分析

SMS的柔軟性能與其自身的結(jié)構(gòu)特征相關(guān)，通過掃描電鏡觀察SMS的結(jié)構(gòu)如圖4所示。

圖4 SMS表面結(jié)構(gòu)圖

由圖4可以看出SMS具有明顯的層狀結(jié)構(gòu)，其中位于表面的紡粘層由連續(xù)長絲組成，纖維線密度較大，纖維經(jīng)高速氣流牽伸，成網(wǎng)時(shí)縱橫交錯(cuò)，從而具有較高的斷裂強(qiáng)力。紡粘層的這種結(jié)構(gòu)使得其在SMS復(fù)合結(jié)構(gòu)的質(zhì)量中起主導(dǎo)作用，也是影響SMS的柔軟性能的關(guān)鍵因素。而SMS位于中間的熔噴層由超細(xì)的長絲纖維構(gòu)成，其纖維直徑僅為幾微米(是紡粘層中纖維的十分之一左右)，其柔軟性能較好。熔噴層超細(xì)纖維結(jié)構(gòu)的存在大大提高了SMS的屏蔽性、阻液性、抗粒子穿透性等，使其能更好地應(yīng)用于醫(yī)療衛(wèi)生領(lǐng)域。圖5為SMS柔軟改性前后的纖維表面的掃描電鏡圖，能更加明顯地看出中間層熔噴纖維的存在狀態(tài)，纖維分布較均勻。由長絲組成的紡粘布位于材料的表面，由短纖維或超細(xì)纖維組成的熔噴布位于材料中間，兩者相互取長補(bǔ)短，由此組成的復(fù)合材料SMS既有足夠的強(qiáng)力和耐磨性，又有很高的覆蓋率、過濾效率和阻隔能力等，從而大大擴(kuò)展了應(yīng)用領(lǐng)域。

圖5 等離子體處理SMS柔軟改性前后的纖維表面形態(tài)

從圖5等離子體處理SMS柔軟改性前后的纖維表面形態(tài)中可以看出，經(jīng)等離子體處理后，SMS表層纖維引入活性基團(tuán)，再與柔軟劑分子相結(jié)合，使得柔軟劑以單分子或幾個(gè)分子層在SMS表面成膜，形成垂直定向吸附層，如圖6所示。這樣就大大降低了纖維與纖維之間以及纖維與其他物體表面的摩擦系數(shù)，從而改善SMS的柔軟性能。

圖6 柔軟劑大分子在纖維表面的狀態(tài)

3 結(jié)論

(1)結(jié)合等離子體技術(shù)對SMS進(jìn)行柔軟改性處理，等離子體處理功率、處理時(shí)間和真空度對SMS柔軟改性的效果都有一定的影響。

(2)通過正交試驗(yàn)可知等離子體處理功率是影響SMS柔軟改性的主要因素，真空度次之，處理時(shí)間的影響最小;得出最佳等離子體處理工藝條件為:處理功率 125 W，真空度 40 Pa，處理時(shí)間7 min。

(3)通過掃描電鏡圖分析SMS的結(jié)構(gòu)，得知表層紡粘布的纖維結(jié)構(gòu)是影響SMS柔軟性能的關(guān)鍵因素;對照改性處理前后的纖維表面形態(tài)，可以看出等離子體處理引入的活性基團(tuán)與柔軟劑分子結(jié)合，形成定向吸附層，改善了SMS的柔軟性能，從而也說明了等離子體預(yù)處理在SMS柔軟改性中的作用。

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Study on effect of low temperature pretreatment on soft modification effectiveness of PP SMS nonwovens

Zhang Tianlei，Zhang Yu and Zhu Qiuping

(School of Textiles and Clothing，Nantong University)

In order to improve soft performance of PP SMS nonwovens，the softener combine with low temperature plasma treatment to improve the soft performance of SMS nonwovens was studied.The modification effect was investigated through orthogonal experiments，which included such factors as plasma power，treatment time and vacuum degree.The results showed that the treatment power was the key factor in the soft modification of SMS nonwovens.The optimal conditions for plasma treatment were plasma power of 125 W，vacuum degree of 40 Pa and treatment time of 7 min.The soft modification of SMS nonwovens was remarkable，when SMS nonwovens was treated in this condition.The structural characteristics of SMS nonwovens was discussed by means of SEM，and the relationship between the structure and the soft performance of SMS nonwovens and the role of plasma treatment were pointed out.

low temperature plasma，soft modification treatment，polypropylene fiber，SMS nonwovens，structure，soft performance

TS195.5

A

1004－7093(2010)12－0024－05

2010－05－09

張?zhí)炖?，男?987年生，在讀碩士研究生。主要研究方向?yàn)榉强椩觳牧系慕Y(jié)構(gòu)與性能。