等離子體在紡織材料表面改性中的應(yīng)用進(jìn)展

馮雨晴

(德州學(xué)院，山東 德州253023)

從20世紀(jì)60年代起，等離子體就被用于不同紡織材料的表面處理，以改善材料的表面性能如清潔、粘結(jié)性、可染性、親水性/疏水性、抗摩擦、抗縮水、抗反射、退漿等等。近幾年來，隨著紡織材料后整理要求的提高，合成纖維使用的增多以及環(huán)境保護(hù)紡織工程的需要，等離子體表面改性紡織材料有代替?zhèn)鹘y(tǒng)的濕法化學(xué)工藝處理的趨勢。

1 等離子體改善紡織材料表面的性能

1．1 提高抱合力

據(jù)報(bào)道[1],棉粗紗經(jīng)過氯氣電暈放電低溫等離子體處理后,纖維間的抱合力可以提高4倍。棉紗抱合力的提高是由于等離子體處理除去了纖維表面的蠟質(zhì),使纖維表面變得粗糙不平,增加了纖維之間的抱合力,從而提高了棉紗的斷裂強(qiáng)度。棉紗抱合力隨處理時(shí)間的增大而增大,隨處理功率的提高而降低。

1．2 改變潤濕性能

Stone等最早將等離子體技術(shù)用于棉紗處理,他們發(fā)現(xiàn)處理過的棉紗吸濕性能顯著增加,其低捻度下的強(qiáng)力也增加了31%～76%。Reza等利用氧和空氣等離子體處理棉織物，可以使棉織物表面侵蝕，增加羧基和羰基的含量，從而賦予棉織物更好的潤濕性。Temmerman等在常壓下利用直流輝光放電處理棉紗，為了測試等離子體處理的效果，通過芯吸速率來確定處理后紗線的親水性能的提高。結(jié)果表明芯吸速率隨處理時(shí)間和放電功率的增加而增大，在電極附近更高。劉艷春等用氮?dú)廨x光等離子體對腈綸纖維表面改性,腈綸表面吸濕性能得到顯著提高[2]。

等離子體不僅能增加紡織品的表面吸濕性,而且也可使本來表面吸濕性高的織物表面產(chǎn)生拒水效果。利用等離子體處理,可引入含氟基團(tuán)使織物拒水。國內(nèi)外報(bào)道較多的是以有機(jī)氟樹脂進(jìn)行處理。朱峰等利用某種氟碳化合物的音頻等離子體沉積方法在棉織物表面涂覆一層很薄的憎水膜。McCord等使用CF4和C3F6射頻等離子體處理棉織物賦予其憎水性。Riccordi等運(yùn)用低壓SF6等離子體處理增加棉織物的憎水性，這種處理是在織物表面引入了含氟基團(tuán)而不是在織物表面沉積了一層薄膜。Vohrer等通過全氟單體輝光放電等離子體使棉-聚酯織物獲得了很好的憎水性。馬曉光等利用CF4微波低溫等離子體處理純棉針織物，增加其拒水性能，結(jié)果顯示織物的拒水性大幅提高，但同時(shí)也發(fā)現(xiàn)織物的拒水效果隨放置時(shí)間的延長而下降，具有時(shí)效性。Abidi等利用N2、O2和Ar等離子體將棉織物在微波500 W處理240 s增加活性羰基基團(tuán)，纖維素鏈段內(nèi)的活性基團(tuán)和乙烯單體發(fā)生共聚反應(yīng)賦予棉織物優(yōu)良的拒水性[3]。

1．3 增加摩擦性能

不同的等離子體可使織物表面變得光滑或粗糙。東華大學(xué)理學(xué)院的黎志光等人,用自制的介質(zhì)阻擋放電產(chǎn)生等離子體對大豆纖維進(jìn)行表面改性。用掃描電鏡等觀察,發(fā)現(xiàn)未處理的試樣表面比較光滑,纖維的摩擦因數(shù)較小;而經(jīng)刻蝕處理的纖維表面變得毛糙,出現(xiàn)了溝槽裂縫,使纖維摩擦因數(shù)大大提高。因此,經(jīng)改性后大豆纖維的摩擦因數(shù)有明顯提高,最高可達(dá)40%[4]。

1．4 改善粘合性能

紡織材料經(jīng)低溫等離子體處理后,增加了比表面積,提高了表面粗糙度和潤濕性,并引入了活性基團(tuán)，從而能夠與被粘材料充分接觸,形成物理交聯(lián)、化學(xué)鍵合、范德華作用等,達(dá)到改善粘合性能的目的。

Miyagawa等研究了氧等離子體處理對碳纖維/環(huán)氧樹脂納米復(fù)合材料機(jī)械性能的影響。結(jié)果發(fā)現(xiàn)等離子體處理的碳纖維/環(huán)氧樹脂納米復(fù)合材料具有更好的粘結(jié)性，使得其斷裂韌度值比未處理試樣低，并且沖擊強(qiáng)度也有所下降。

利用氨等離子體刻蝕碳纖維，處理時(shí)間越長，碳纖維的結(jié)構(gòu)越無序。同時(shí)還在處理后的碳纖維表面發(fā)現(xiàn)N-H官能團(tuán)。氧等離子體處理碳纖維提高其整體粘附性，增加碳纖維表面能和潤濕性，在纖維表面形成含氧基團(tuán)并增加了纖維表面的多孔性。

Hild等用氣體等離子體處理超高強(qiáng)度聚乙烯纖維提高其粘附性，由于在纖維表面引進(jìn)了極性基團(tuán)，因此纖維的潤濕性增強(qiáng)。Li等用丙烯胺等離子體在超高強(qiáng)度聚乙烯纖維表面涂覆，改善其與環(huán)氧樹脂的粘著力。

低溫等離子體處理在解決碳纖維、芳綸纖維、聚四氟乙烯纖維、工業(yè)聚酯纖維、工業(yè)聚乙烯纖維等高性能纖維材料的表面難粘性問題方面有著無可比擬的優(yōu)勢。目前,常用于制備增強(qiáng)復(fù)合材料的纖維均為這些高性能纖維。由于它們的粘著性受到其表面結(jié)構(gòu)化學(xué)惰性和表面能的限制,使得復(fù)合材料粘著困難或?qū)娱g剪切強(qiáng)度低,進(jìn)而影響其優(yōu)良性能的發(fā)揮。經(jīng)等離子體處理后,高性能纖維的表面潤濕性和粗糙度都有較大幅度的提高,有利于粘合劑在纖維材料表面的鋪展,材料與粘合劑之間有良好的接觸,粘合劑的粘合力可得到充分發(fā)揮[5]。

1．5 改善染色性能

等離子體能提高紡織纖維的毛細(xì)管效能,因而能改善其織物的染色性能。如等離子體對羊毛表面改性后,既改變了羊毛表面的化學(xué)組成,提高了羊毛纖維對染料分子的吸附能力,又對鱗片層有一定的破壞作用,提高了染料分子向纖維內(nèi)部的擴(kuò)散能力[6]。

Janca等用常壓等離子體處理精梳毛條，發(fā)現(xiàn)白度和染料吸附增強(qiáng)而手感沒有變化。利用不同非聚合低溫等離子體處理羊毛纖維改善其酸性媒染染料的染色性，結(jié)果顯示低溫等離子體處理可以不同程度地改善羊毛纖維的染色性能。朱若英等采用低溫氧等離子體技術(shù)處理羊毛，結(jié)果表明，低溫氧等離子體處理增加了纖維表面的親水性，并且使羊毛纖維染色初始壁障被破壞，改善了染色性能，即上染速率和染色擴(kuò)散系數(shù)提高及染色平衡時(shí)間縮短[7]。

上海工程技術(shù)大學(xué)王黎明等人用低溫等離子體處理兔毛,處理后提高了兔毛的上染速率及上染百分率,降低染色溫度,減少酸的用量,從而減少了纖維的損傷。經(jīng)處理后的兔毛纖維放置20天,其上染百分率發(fā)生變化,但下降幅度不大,仍比未處理過的纖維上染百分率高。這說明用低溫等離子體處理后的兔毛具有較高的使用價(jià)值。

1．6 羊毛防氈縮

氈縮是羊毛的典型特征，羊毛表面改性的目的就是為了賦予羊毛在水洗過程中具有一定的抗縮水性[8]。

Kan等使用氧、氮和氫/氮混合氣體等離子體處理羊毛織物，由氈縮球密度可以斷定在低溫下氮和混合氣體等離子體的刻蝕作用賦予了羊毛纖維相似的防氈縮效果，比氧等離子體處理的效果好。金郡潮等利用氮和氧等離子體對羊毛機(jī)織物進(jìn)行處理改善織物的防氈縮性，結(jié)果表明時(shí)間、壓強(qiáng)和功率三個(gè)因素均存在一個(gè)適當(dāng)?shù)臈l件，超過此條件并不能進(jìn)一步提高處理效果。他們還研究了在等離子體處理后再進(jìn)行后處理，進(jìn)一步提高了防粘縮性能，而且還使羊毛織物手感柔軟并富于彈性[9]。

1．7 提高退漿率

等離子體處理使?jié){料表面發(fā)生大分子鏈的斷裂和極性基團(tuán)的形成等化學(xué)變化，從而增強(qiáng)漿料在冷水中的溶解性。蔡再生等研究利用空氣/氦常壓等離子體退除棉織物上的PVA漿料，發(fā)現(xiàn)等離子體處理可以去除部分PVA漿料，或是增強(qiáng)PVA在冷水中的溶解性，而等離子體處理沒有對棉織物性能產(chǎn)生影響。

1．8 其他性能

等離子體可對滌綸織物進(jìn)行抗靜電整理,用氨氣低溫等離子體處理棉織物可大大提高干折皺回復(fù)性,但濕折皺回復(fù)性沒有變化。還可用等離子體對家具布進(jìn)行阻燃整理,目前Europlasma公司正在開展該項(xiàng)研究,據(jù)稱有著廣闊的市場前景[10]。

2 等離子體表面改性技術(shù)存在的問題

低溫等離子體被廣泛應(yīng)用于改善基體表面性能。但是，就以前的研究來說，有些方面還有待于進(jìn)一步完善和研究。目前,低溫等離子體技術(shù)基本上還處于實(shí)驗(yàn)階段,試驗(yàn)的處理裝置大多還是實(shí)驗(yàn)室的小裝置,而且有以下不足:

2．1反應(yīng)條件的設(shè)定因素多。使用的低溫等離子體大多是在低壓下產(chǎn)生的，即使利用的是常壓等離子體，處理過程也是在密閉的反應(yīng)裝置內(nèi)進(jìn)行的。

2．2對處理裝置的依賴性大。處理裝置的高頻發(fā)生器、電機(jī)形狀、處理氣體導(dǎo)入法、監(jiān)控法等有待進(jìn)一步改進(jìn)、完善。

2．3反應(yīng)復(fù)雜、生成物的化學(xué)結(jié)構(gòu)難固定，抽真空與連續(xù)化等問題影響了該項(xiàng)技術(shù)的工業(yè)化應(yīng)用。

此外,到目前為止,雖然不同等離子體對同一織物產(chǎn)生不同的處理效果,以及同一等離子體不同作用參數(shù)產(chǎn)生不同作用效果已有許多研究成果,但由于等離子體技術(shù)作用機(jī)理的復(fù)雜性和等離子體固有的不穩(wěn)定性,使得未解決的問題還有很多。發(fā)掘等離子體技術(shù)在紡織領(lǐng)域的更多用途,以及如何將等離子體技術(shù)應(yīng)用于紡織大規(guī)模生產(chǎn)等,還有待于進(jìn)行更廣泛、更深入的研究。

3 展望

低溫等離子體表面改性屬于固體與氣體之間的直接反應(yīng),是一種無水處理技術(shù),可大幅度地節(jié)水、節(jié)能,并減少環(huán)境污染。同時(shí)該技術(shù)還具有反應(yīng)速度快,作用時(shí)間短,材料的物理機(jī)械性能損失小,可得到多種改性效果等優(yōu)點(diǎn),因而其應(yīng)用前景廣闊。在紡織工業(yè)中，等離子體處理與傳統(tǒng)的處理方法相比具有很多的優(yōu)點(diǎn)，但在該技術(shù)進(jìn)入工業(yè)應(yīng)用之前,還需要對纖維表面改性進(jìn)行更深入的研究,開發(fā)出適合連續(xù)作業(yè)、使用方便、價(jià)格合理和無環(huán)境污染的低溫等離子體生產(chǎn)裝置[11]。

參考文獻(xiàn)：

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