低溫等離子體對(duì)聚丙烯SMS復(fù)合非織造布的表面改性*

(南通大學(xué)紡織服裝學(xué)院，南通，226007)

SMS復(fù)合非織造布是由上層紡黏層(S)、中層熔噴層(M)和下層紡黏層(S)三層通過熱熔復(fù)合而成，由Kimberly-Clark公司在20世紀(jì)80年代初最先開發(fā)，現(xiàn)已在世界范圍內(nèi)受到廣泛重視[1]。

由聚丙烯制成的SMS復(fù)合非織造布，纖維結(jié)構(gòu)緊密，缺乏極性基團(tuán)，潤(rùn)濕性能差，嚴(yán)重影響了其使用性能，所以聚丙烯SMS復(fù)合非織造布的表面親水改性對(duì)拓展其應(yīng)用范圍，開發(fā)功能材料具有積極的意義。

等離子是在氣體放電的基礎(chǔ)上產(chǎn)生的，在很高的場(chǎng)強(qiáng)下使氣體離子化，同時(shí)也伴有其他一些高能粒子的生成，放電時(shí)產(chǎn)生的電離氣體具有良好的化學(xué)活性，適當(dāng)控制反應(yīng)條件可以實(shí)現(xiàn)一般情況下難以實(shí)現(xiàn)的化學(xué)反應(yīng)，引進(jìn)一些功能基團(tuán)，改善材料表面性能[2]。低溫等離子體技術(shù)屬于干態(tài)加工，節(jié)水環(huán)保，處理溫度接近室溫，處理時(shí)間短，且改性作用僅涉及到材料表層，能使界面性質(zhì)顯著改善而材料本身卻不受影響，已受到各領(lǐng)域的廣泛關(guān)注。

利用低溫等離子體技術(shù)改善材料的親水性已取得了一些重要的研究成果[3-5]。

本文采用低溫等離子體對(duì)聚丙烯SMS復(fù)合非織造布進(jìn)行處理，以芯吸高度為指標(biāo)，分析低溫等離子體處理時(shí)真空度、功率和處理時(shí)間對(duì)聚丙烯SMS復(fù)合非織造布潤(rùn)濕性能的影響；優(yōu)化低溫等離子體改性工藝，比較改性前后聚丙烯SMS復(fù)合非織造布的接觸角、強(qiáng)力、透氣性能和表面形態(tài)。

1 試驗(yàn)部分

1.1 材料

聚丙烯SMS復(fù)合非織造布，面密度50 g/m2。

1.2 儀器和設(shè)備

HD-1A等離子體處理儀，蘇州奧普斯等離子體科技有限公司；YG(B)871毛細(xì)管效應(yīng)測(cè)定儀，溫州際高檢測(cè)儀器有限公司；KYKY2800掃描電子顯微鏡，北京中科科儀技術(shù)發(fā)展有限公司；YG065電子織物強(qiáng)力測(cè)試儀，萊州市電子儀器有限公司；YG461A織物透氣量?jī)x，寧波紡織儀器廠。

1.3 等離子體對(duì)聚丙烯SMS復(fù)合非織造布的表面改性方法

用無(wú)水乙醇充分洗滌聚丙烯SMS復(fù)合非織造布，并烘干，用HD-1A型等離子體儀對(duì)試樣進(jìn)行處理。設(shè)定真空度、功率和處理時(shí)間等參數(shù)，氣氛為空氣。

1.4 測(cè)試方法

(1)芯吸高度：根據(jù)FZ/T 01071—1999標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行測(cè)試。

(2)斷裂強(qiáng)力：根據(jù)GB/T 3923.1—1997標(biāo)準(zhǔn)采用電子織物強(qiáng)力測(cè)試儀測(cè)定試樣的強(qiáng)力。試樣規(guī)格為5 cm×30 cm。測(cè)試參數(shù)：拉伸速度設(shè)定為100.00 mm/min，試樣夾距200.00 mm，預(yù)加張力1 N。

(3)透氣性能：根據(jù)GB 5453—1985標(biāo)準(zhǔn)，采用織物透氣量?jī)x測(cè)定透氣量。

(4)掃描電鏡觀察：將聚丙烯SMS復(fù)合非織造布試樣表面鍍金進(jìn)行觀察。

2 結(jié)果與討論

2.1 等離子體處理?xiàng)l件對(duì)聚丙烯SMS復(fù)合非織造布親水改性效果的影響

2.1.1 真空度

設(shè)定等離子體處理儀的功率和處理時(shí)間分別為100 W和30 s，改變真空度(20～60 Pa)，以芯吸高度為指標(biāo)，考察真空度對(duì)聚丙烯SMS復(fù)合非織造布表面改性的影響，結(jié)果見圖1。

圖1 真空度對(duì)芯吸高度的影響

由圖1可知：在功率和處理時(shí)間不變的情況下，真空度在30 Pa以下時(shí)，隨著真空度的增加，芯吸高度增加，這是因?yàn)檎婵斩冗^低，活性粒子數(shù)目多，自由程下降，且單位粒子從電場(chǎng)獲得的能量減少[6]；真空度增加到30 Pa時(shí)，氣體分子多，活性粒子的濃度大，被高度激發(fā)的不穩(wěn)定的活性粒子對(duì)聚丙烯SMS復(fù)合非織造布表面改性作用明顯，潤(rùn)濕性能增加；當(dāng)真空度繼續(xù)增大到大于30 Pa 時(shí)，聚丙烯SMS復(fù)合非織造布的芯吸高度降低；在真空度為60 Pa時(shí)芯吸高度降至2.5 cm，這是由于真空度過高時(shí)，活性粒子數(shù)減少，因而能夠?qū)郾㏒MS復(fù)合非織造布起作用的粒子也可能減少，所以潤(rùn)濕性能下降。綜合考慮，可選擇真空度為30 Pa。

2.1.2 處理時(shí)間

設(shè)定等離子體處理儀的功率和真空度分別為100 W和30 Pa，改變處理時(shí)間(15～120 s)，考察處理時(shí)間對(duì)聚丙烯SMS復(fù)合非織造布表面改性的影響，結(jié)果見圖2。

圖2 處理時(shí)間對(duì)芯吸高度的影響

由圖2可知：在功率和真空度不變的情況下，隨著處理時(shí)間的逐漸增加，聚丙烯SMS復(fù)合非織造布的芯吸高度也逐漸增加，這是由于活性粒子對(duì)SMS復(fù)合非織造布作用的次數(shù)及面積隨著時(shí)間的延長(zhǎng)而增加[4]；當(dāng)處理時(shí)間為90 s時(shí)，芯吸高度達(dá)到最高值6.7 cm，此時(shí)聚丙烯SMS復(fù)合非織造布有很好的潤(rùn)濕性；當(dāng)處理時(shí)間繼續(xù)增加時(shí)，活性粒子對(duì)布面的作用減緩，曲線趨于平坦。綜合考慮，可選擇處理時(shí)間為90 s。

2.1.3 處理功率

設(shè)定等離子體處理儀的真空度和時(shí)間分別為30 Pa和90 s，改變處理功率(50～150 W)，考察處理功率對(duì)聚丙烯SMS復(fù)合非織造布表面改性的影響，結(jié)果見圖3。

由圖3可知：在真空度和處理時(shí)間不變的情況下，當(dāng)功率小于125 W時(shí)，隨著處理功率的逐漸增加，聚丙烯SMS復(fù)合非織造布的芯吸高度也逐漸增加，這是由于處理功率直接影響了等離子體氣氛中活性粒子的能量大小與能量分布，隨著功率增加，等離子體中的活性粒子可能獲得較高的能量水平，對(duì)聚丙烯SMS復(fù)合非織造布表面的改性作用

圖3 功率對(duì)芯吸高度的影響

加劇，潤(rùn)濕性增加；當(dāng)功率大于125 W時(shí)，聚丙烯SMS復(fù)合非織造布潤(rùn)濕性能并無(wú)明顯變化，且功率過高對(duì)聚丙烯SMS復(fù)合非織造布有所損傷。綜合考慮，可選擇處理功率為125 W。

2.2 優(yōu)化改性工藝正交試驗(yàn)

運(yùn)用正交試驗(yàn)的直觀分析法優(yōu)化等離子體處理聚丙烯SMS復(fù)合非織造布工藝。本試驗(yàn)主要選取等離子體處理的功率、真空度和時(shí)間三個(gè)主要因素，利用三因素三水平正交表進(jìn)行試驗(yàn)，見表1和表2。

表1 因素水平表

由表2可知，極差最大的是功率，真空度次之，處理時(shí)間最小。這說(shuō)明功率對(duì)聚丙烯SMS復(fù)合非織造布表面改性效果的影響最大，其次是真空度，最后是處理時(shí)間。等離子體對(duì)聚丙烯SMS復(fù)合非織造布的最佳親水改性工藝條件為A3B2C3，即功率125 W、真空度30 Pa、處理時(shí)間120 s。按照A3B2C3方案對(duì)聚丙烯SMS復(fù)合非織造布進(jìn)行改性處理，測(cè)得其芯吸高度為8.2 cm。

2.3 等離子體處理對(duì)聚丙烯SMS復(fù)合非織造布改性效果分析

2.3.1 接觸角

以接觸角為指標(biāo)，分別比較未經(jīng)和經(jīng)過等離子體處理的聚丙烯SMS復(fù)合非織造布與水的接觸角，結(jié)果見圖4。由圖4可知：未經(jīng)處理的聚丙烯SMS復(fù)合非織造布本身具有一定疏水能力，接觸角為62.3°；經(jīng)過等離子體處理后，試樣的親水性得

表2 正交試驗(yàn)結(jié)果分析

到提高，與水的接觸角迅速降為0°。這是因?yàn)榈入x子體改性使纖維表面引入了親水性的極性基團(tuán)，顯著提高了聚丙烯SMS復(fù)合非織造布的親水性能。

圖4 等離子體處理前后試樣的接觸角比較

2.3.2 斷裂強(qiáng)力

由表3可以看出，經(jīng)過等離子體處理后，聚丙烯SMS復(fù)合非織造布的斷裂強(qiáng)力和斷裂伸長(zhǎng)率均有所下降。這是由于等離子體腔內(nèi)活性粒子對(duì)試樣表面進(jìn)行高強(qiáng)度輻射和撞擊，表面產(chǎn)生刻蝕和凹槽[5]，使聚丙烯SMS復(fù)合非織造布纖維黏合層減弱，導(dǎo)致試樣整體強(qiáng)力稍有下降。

2.3.3 透氣性能

由表4可以看出，經(jīng)過等離子體處理后，試樣

透氣率增加。這是由于等離子體處理可將聚丙烯SMS復(fù)合非織造布表面的吸附層和氧化層去除[4]，纖維間隙變大，因而透氣率有所增加。另外，等離子體處理使聚丙烯SMS復(fù)合非織造布纖維黏合層減弱，也會(huì)對(duì)透氣性能產(chǎn)生一定的影響。

表3 等離子體處理前后試樣力學(xué)性能比較

表4 等離子體處理前后試樣透氣性能比較

2.3.4 表面形態(tài)

圖5為聚丙烯SMS復(fù)合非織造布在等離子體處理前后的不同放大倍數(shù)的掃描電子顯微鏡照片。

由圖5可知，未處理的聚丙烯纖維表面光滑，經(jīng)等離子體改性后聚丙烯纖維表面產(chǎn)生明顯的刻蝕，形成了許多微小的凹坑。這是因?yàn)榈入x子體中的活性物質(zhì)使纖維表面發(fā)生氧化降解等反應(yīng)，從而引起刻蝕，增加了纖維表面粗糙度和比表面積[5]。

3 結(jié)論

(1)空氣低溫等離子體改性處理能夠顯著改善聚丙烯SMS復(fù)合非織造布的親水性能。

(2)在真空度30 Pa、功率125 W、處理時(shí)間120 s的條件下進(jìn)行等離子體改性處理，聚丙烯SMS復(fù)合非織造布的芯吸高度為8.2 cm，接觸角由處理前的62.3°降至0°，試樣斷裂強(qiáng)力稍有下降，透氣性能提高。

(3)經(jīng)過低溫等離子體處理后，聚丙烯SMS復(fù)合非織造布纖維表面產(chǎn)生明顯的刻蝕和凹坑。

圖5 等離子體處理前后聚丙烯SMS復(fù)合非織造布纖維表面形態(tài)

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