等離子處理對纖維性能的影響

蘇州經(jīng)貿(mào)職業(yè)技術(shù)學(xué)院 陳 慧

等離子處理對纖維性能的影響

蘇州經(jīng)貿(mào)職業(yè)技術(shù)學(xué)院 陳 慧

等離子技術(shù)是一種新型的對纖維和紡織品改性處理技術(shù)，它可以改善纖維的吸濕性，改善紡織品的染色性等。本文討論了等離子技術(shù)對纖維性能的影響，等離子技術(shù)的優(yōu)缺點和存在的問題，以及它的研究應(yīng)用方向。

纖維性能；等離子處理；吸濕性

1.低溫等離子體技術(shù)

等離子體技術(shù)作為一種新型的纖維改性和織物整理方法以其低能耗、污染小、處理時間短、效果明顯的特點引起了人們的關(guān)注。等離子體對纖維和紡織品的改性處理可以達到多種效果，如提高染色和顯色性能改善織物視覺風(fēng)格改變纖維摩擦性，提高可紡性能與成紗強度或織物力學(xué)性能防縮處理可使織物機可洗防皺及抗彎曲性處理改善織物的保形性和手感風(fēng)格親水性或拒水性整理提高染色性能、抗靜電和舒適性或防水、防污功能改變表面性能和粘結(jié)性，提高復(fù)合材料或非織造布的強力涂層覆膜、表面接枝、沉降聚合減刻蝕或注入改性等以及紗線、織物的上漿、退漿和麻類、絲類的脫膠、棉類的脫蠟等方面，看來幾乎可以涵蓋紡織品表面處理的所有方面。

1.1 等離子的概念

等離子體是指處于電離狀態(tài)的氣態(tài)物質(zhì)，其中帶負電荷的粒子(電子、負離子)數(shù)等于帶正電荷的粒子(正離子)數(shù)。通常與物質(zhì)固態(tài)、液態(tài)和氣態(tài)并列，稱為物質(zhì)第四態(tài)。通過氣體放電或加熱的辦法，從外界獲得足夠能量，使氣體分子或原子中軌道所束縛的電子變?yōu)樽杂呻娮樱憧尚纬傻入x子體。

等離子體按氣焰溫度劃分，實驗室等離子體可分為高溫等離子體和低溫等離子體。溫度相當(dāng)于108～109K完全電離的等離子體，如太陽、受控?zé)岷司圩兊入x子體，叫做高溫等離子體。低溫等離子體又可劃分為熱等離子體和冷等離子體。熱等離子體是在稠密高氣壓(1大氣壓以上)下，溫度為103-105K的等離子體，如電弧、高頻和燃燒等離子體，它一般能夠向外輻射熱量。冷等離子體是電子溫度較高(約103-104K)、氣體溫度低的等離子體，這種等離子體是不會向外輻射熱量的。如稀薄低壓輝光放電等離子體、電暈放電等離子體、DBD介質(zhì)阻擋放電等離子體。

低溫等離子體目前研究在能源、信息、材料、化工、醫(yī)療、軍工、航天等領(lǐng)域表現(xiàn)出了技術(shù)競爭力在同其他基礎(chǔ)學(xué)科、技術(shù)領(lǐng)域的相互滲透、促進中，低溫等離子體技術(shù)的研究與應(yīng)用得到了不斷發(fā)展。

1.2 等離子的工作原理

離子體的能量可通過光輻射、中性分子流和離子流作用于聚合物表面，這些能量的消散過程就使聚合物表面發(fā)生改性。在等離子體系中的中性粒子將通過連續(xù)不斷地轟擊固體表面將能量轉(zhuǎn)移給聚合物。這些中性粒子的能量具有四種形式：動能、振動能、離解能和激化能。動能和振動能只對聚合物起加熱作用，而自由基離解能則是通過引起聚合物表面的各種化學(xué)反應(yīng)而得到消散的，激化分子和原子是以與固體表面碰撞而達到消散的。這些準穩(wěn)態(tài)分子和原子的能量通常大于聚合物的離解能，因而在碰撞過程中會產(chǎn)生聚合物自由基。所以把織物密封置于該電場，電場中產(chǎn)生的大量等離子體極其高能的自由電子，能促使纖維表層產(chǎn)生腐蝕、交換、接枝和共聚反應(yīng)。此外由于織物在處理過程中，等離子體中的分子、原子和離子滲入到紡織材料表面，材料表面的原子逸入等離子體中，這個過程使纖維表面大分子鏈斷裂，從而使纖維受到等離子體粒子的刻蝕，表面產(chǎn)生粗糙的凹坑，使織物表面的吸濕性和粘著性增加，纖維之間的摩擦力增加，伴隨著可能產(chǎn)生的化學(xué)反應(yīng)，使織物表面產(chǎn)生化學(xué)和物理改性。

在真空狀態(tài)下給氣體施加電場，氣體在電場提供的能量下會有氣態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)榈入x子體狀態(tài)(也稱物質(zhì)的“第四態(tài))。其中含有大量的電子、離子、光子和各類自由基等活性粒子。等離子體是部份離子化的氣體，與普通氣體相比，主要性質(zhì)發(fā)生了本質(zhì)的變化，是一種新物質(zhì)聚集態(tài)。

利用等離子體中含有的大量電子、離子、激發(fā)態(tài)的原子、分子等活性粒子來轟擊材料表面時．會將能量傳遞給表層分子，使材料發(fā)生熱蝕、交聯(lián)、降解和氧化，并使材料表面發(fā)生大量的自由基或引進一些極性基團而使材料表面性能獲得優(yōu)化。低溫等離子體技術(shù)通過高能粒子的物理和化學(xué)作用對紡織品/纖維表面進行改性，以其快捷、環(huán)保和干態(tài)的加工方式等特點，挑戰(zhàn)傳統(tǒng)以水為介質(zhì)的化學(xué)濕法加工生產(chǎn)方式。

2.低溫等離子體處理紡織品的方式及在紡織上的優(yōu)點

2.1 低溫等離子體處理紡織品的方式

低溫等離子體的作用方式主要有三種：等離子體表面處理改性(PST法)、等離子體接枝聚合(PGP法）和等離子體沉積聚合（PPD法)[4]。

PST法是指非聚合性等離子體如氧氣、氮氣、氫氣、氨氣或水蒸氣等對材料表面或極薄表層的活化、刻蝕處理，通常稱為減量處理。因為低溫等離子體中的電子等活性因素的能量(高達20eV)比有機化合物的化學(xué)鍵能(<10eV)高得多，在化學(xué)性上很活躍。當(dāng)處理有機化合物時，很容易使被處理物表面纖維發(fā)生斷裂，從而改善纖維或織物的吸濕性、拒水性、抗污性及染色性等性能。

PGP法是運用等離子體作用首先使表面活化，并引入活性基團，然后再運用接枝方法在原表面上接上許多活性支鏈，構(gòu)成新表層。

PPD法是將有機化合物的氣體（如有機氟、有機硅）形成等離子體狀態(tài)，通過控制工藝條件，使其沉積在處理物表面形成覆膜的方法。后兩類是增量處理法。

2.2 低溫等離子體技術(shù)在紡織上的優(yōu)點

低溫等離子體處理可用于各種纖維、紗線、織物的表面改性，對纖維基體的內(nèi)部影響小，不損傷纖維原有性能。清潔、快捷、無污染、成本低，在當(dāng)今倡導(dǎo)清潔和綠色生產(chǎn)、節(jié)約資源的形勢下，低溫等離子體處理技術(shù)以其無需化學(xué)品、無需耗用大量水和能源、無需進行高成本廢水處理和對環(huán)境友好的優(yōu)勢，在紡織工業(yè)中具有廣闊的應(yīng)用前景和市場。近年來國內(nèi)外都在努力加強等離子體技術(shù)在紡織領(lǐng)域的應(yīng)用研究。

3.等離子處理在紡織上的研究應(yīng)用方向

(1)在紡織品前處理中的應(yīng)用

在紡織品的前處理工序中，目前主要可用于各類織物的退漿，真絲和麻類生坯織物的脫膠，以及其它的雜質(zhì)去除等。傳統(tǒng)的織物退漿工藝（如棉織物等）需要經(jīng)過退、煮、漂等多種工序，加工工序長，生產(chǎn)效率低，而且需要消耗大量水、能源和化學(xué)藥品，同時產(chǎn)生大量的廢水等。而低溫等離子體技術(shù)的應(yīng)用，可大大縮短其工藝流程及生產(chǎn)周期，節(jié)約能量和水資源，可有效降低企業(yè)的生產(chǎn)成本。

除此之外，低溫等離子體在去除織物上其它雜質(zhì)如色素、蠟質(zhì)、果膠等也具有很好的效果。用氧或空氣等離子體（頻率13.56MHZ，真空度1Torr，放電功率100W）處理棉坯布后的芯吸性與工藝條件之間的關(guān)系，用空氣等離子體處理60s，氧等離子體處理在30s后，棉布的除蠟質(zhì)和漿料的效果達到正常煮煉漂白的程度。

(2)改善纖維或織物的吸濕、潤濕性

利用低溫等離子體中處于激發(fā)態(tài)的各種高能粒子的物理刻蝕和化學(xué)反應(yīng)，或者通過等離子體的接枝、聚合沉積等方式，可在紡織品的纖維表面產(chǎn)生或引入親水性基團、支鏈及側(cè)基，從而可有效改善、提高紡織品的吸濕或潤濕性。目前應(yīng)用在疏水性的滌綸合纖類織物、滌綸/棉混紡交織物、棉紗以及腈綸類紡織品。

此外，低溫等離子體技術(shù)在改善碳纖維、聚乙烯纖維、聚丙烯纖維及聚四氟乙烯纖維等的潤濕性，得到大大改善。跟常規(guī)化學(xué)方法相比，其工藝更簡單、流程更短，而且可輕易實現(xiàn)化學(xué)方法所不能進行的改性加工。

(3)提高毛類纖維紡織品的防縮絨性

羊毛類紡織品。由羊毛纖維外覆鱗片層所產(chǎn)生的定向摩擦效應(yīng)，往往使這類織物在服用和洗滌的過程中產(chǎn)生收縮，從而影響織物的服用性能。因而為提高此類紡織品的尺寸穩(wěn)定性和可洗性(尤其是可機洗性)，常需進行防縮絨加工。

利用低溫等離子體的刻蝕和化學(xué)反應(yīng)作用，可有效去除或削弱鱗片層的定向摩擦效應(yīng)，可到達或提高織物的防縮絨性。與濕法化學(xué)加工中防縮處理相比，無需額外的化學(xué)藥品或助劑，而且節(jié)水節(jié)能，無任何廢水產(chǎn)生。

(4)提高或改善紡織品的染色性

目前等離子體技術(shù)在提高或改善紡織品的染色性方面的研究及應(yīng)用，主要集中在棉、滌綸、錦綸，以及毛類(如羊毛、兔毛等)紡織品上。通過對棉紗或其織物處理后，可明顯改善紗線或織物的毛效，提高染料及助劑在織物/紗線間的均勻吸附和擴散，使織物的上染率和勻染性得到提高。

低溫等離子體的物理刻蝕作用，可提高合成纖維表面的粗糙度，對滌綸、錦綸等紡織品產(chǎn)生增深作用，可達到節(jié)約染化料的作用。毛類纖維表面的鱗片成，阻礙了染化料向纖維內(nèi)相的擴散及在表面的吸附作用。經(jīng)低溫等離子體處理后，纖維鱗片的破壞或消失，可有效提高毛類織物的可染性和染深性，而且可加快上染過程。

將等離子體與2D樹脂整理聯(lián)合處理(先樹脂整理后等離子體處理)，對改善直接染料苧麻織物的耐洗及耐摩擦牢度效果非常明顯，而且染色牢度高于固色劑Y處理后的染色牢度，可代替固色劑Y處理。

(5)在紡織品后整理中的應(yīng)用

低溫等離子體在紡織品后整理中具有廣泛的用途。根據(jù)整理目的和要求，可實現(xiàn)紡織品的多種功能加工，大大提高產(chǎn)品附加值。目前其在紡織品中的應(yīng)用主要包括以下幾類。

（a）“三防”整理

紡織品傳統(tǒng)的“三防”整理，常常需要經(jīng)過軋、烘、焙等工序，工藝流程長，需要耗用大量的能量；而且需要昂貴的整理劑，以及其它添加劑等。因而其加工成本高，同時整理后，往往也影響或犧牲纖維或織物本身的特性及性能。更為重要的是，這些整理劑或交聯(lián)劑，以及其它添加劑中，可能含有或會產(chǎn)生如甲醛等的有毒有害物質(zhì)，因而其在高檔產(chǎn)品或外貿(mào)產(chǎn)品中的應(yīng)用正越來越受到限制。

低溫等離子體處理技術(shù)，以及特有的環(huán)保加工方式，可直接采用單體或相關(guān)氣體作為功能整理劑對織物進行處理，同樣可達到傳統(tǒng)的“三防”整理效果。無需從單體到功能整理劑的化學(xué)合成過程，無需其它任何交聯(lián)劑或添加劑等，而且工藝環(huán)保簡單。

（b）在涂層整理中的應(yīng)用

傳統(tǒng)的涂層整理工藝中，除需要性能較好的涂層劑外，為增強涂層和織物的剝離強力或粘結(jié)力，各種交聯(lián)劑等往往起到很重要的作用。低溫等離子體處理技術(shù)，可直接起到或可取代交聯(lián)劑的作用，能達到增強涂層織物剝離強力的功效。同時由于可減少或無需采用交聯(lián)劑，涂層織物的手感將得到有效改善。

（c）其它功能整理

根據(jù)客戶的要求，采用低溫等離子體處理技術(shù)，還可進行各類紡織品的多種多樣的特定整理。凡傳統(tǒng)工藝能達到的效果，一般都可在等離子體處理技術(shù)中得到實現(xiàn)。如疏水性合成纖維的抗靜電整理，各類紡織品的阻燃整理，留香整理等等。

4.低溫等離子技術(shù)在紡織應(yīng)用中存在的問題

4.1 時效性問題

低溫等離子體對纖維改性效果的時間穩(wěn)定性一直是個有爭議的問題。南通工學(xué)院的陳惠美等在采用烘箱法改善滌綸長絲吸濕性研究中發(fā)現(xiàn)，在一般的非聚合性等離子體改性中，纖維的改性效果隨放置時間的延長有所下降。開始時下降幅度較大，以后下降幅度較小，最后有趨于平衡穩(wěn)定的態(tài)勢。但在等離子體接枝聚合中，改性效果下降很小，可以認為不存在時效性問題。這與日本S.Kanazawa等人對聚四氟乙烯的等離子體改性研究所得結(jié)果一致。總之，時效性問題是一個較復(fù)雜的問題，目前仍無統(tǒng)一的看法。

4.2 目前發(fā)展中存在的問題

目前，低溫等離子體技術(shù)基本上還處于實驗階段，試驗的處理裝置大多還是實驗室的小裝置，而且有以下不足：

（1）反應(yīng)條件的設(shè)定因素多；

（2）對處理裝置的依賴性大；

（3）反應(yīng)復(fù)雜，生成物的化學(xué)結(jié)構(gòu)難固定；

（4）處理裝置的高頻發(fā)生器、電機形狀、處理氣體導(dǎo)入法、監(jiān)控法等有待進一步改進、完善；

（5）抽真空與連續(xù)化等問題影響了該項技術(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，還有待于進行更廣泛、更深入的研究。

[1]許根慧,姜恩永,盛京,等.等離子體技術(shù)與應(yīng)用[M].北京:化學(xué)工業(yè)出版社,2006.

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陳慧（1990—），女，江蘇鎮(zhèn)江人，大學(xué)?？?，現(xiàn)就讀于蘇州經(jīng)貿(mào)職業(yè)技術(shù)學(xué)院。