氧等離子體處理對(duì)滌綸織物數(shù)碼轉(zhuǎn)移印花的作用

MDAliHossain 陳維國(guó) 王成龍

摘 要：為了研究低溫等離子體處理對(duì)滌綸織物數(shù)碼轉(zhuǎn)移印花的影響，采用掃描電子顯微鏡（SEM）觀察，發(fā)現(xiàn)了經(jīng)等離子體處理的滌綸纖維表面被明顯刻蝕，使纖維表面產(chǎn)生大量的細(xì)微凹孔;通過(guò)X-光電子能譜（XPS）分析，揭示了經(jīng)等離子體處理的滌綸纖維表面含氧化學(xué)基團(tuán)有所增加;同時(shí)，接觸角測(cè)試表明等離子體處理的滌綸織物潤(rùn)濕性有了明顯的提升。顯然，氧等離子體中高能粒子的撞擊導(dǎo)致滌綸纖維表面大分子鏈發(fā)生部分降解，表現(xiàn)為處理后滌綸纖維表面粗糙度的提高，使得纖維比表面積提高，增加了熱轉(zhuǎn)移印花中分散染料在纖維表面的富集和染著，而纖維表面粗糙度的增加也改變了纖維表面的光反射特征，進(jìn)而又促進(jìn)了滌綸織物轉(zhuǎn)移印花得色率的提高。熱重分析（TG）表明等離子體對(duì)滌綸織物造成的損傷非常小，甚至低于熱轉(zhuǎn)移過(guò)程本身造成對(duì)纖維的損傷。所以，等離子體處理可以作為滌綸織物數(shù)碼轉(zhuǎn)移印花的前處理，以減少分散染料墨水的消耗。

關(guān)鍵詞：等離子體;數(shù)碼轉(zhuǎn)移印花;滌綸織物;表面改性;表面粗糙度

中圖分類號(hào)：TS190.8

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

文章編號(hào)：1009-265X（2020）02-0070-06

Abstract：Scanning electron microscope （SEM） was adopted for studying the effect of low temperature plasma processing on digital transfer printing of polyester fabric.It was found that the surface of polyester fiber processed by plasma had been obviously etched， so that a large number of micro concave holes were produced on fiber surface.XPS analysis revealed that the chemical oxygen-containing polar group increased on the surface of polyester fiber processed by plasma.Water contact angle test showed that the wettability of polyester fabric processed by plasma had been increased significantly.Obviously， partial degradation of macromolecular chain on polyester fiber surface was caused by impact of high-energy particles in oxygen plasma， which is reflected by increase of surface roughness of processed polyester fiber.The increase of surface roughness increased the specific surface area of fiber， and enhanced gathering and saddening of disperse dyes on fiber surface in thermal transfer printing.Besides， the increase of surface roughness of fiber also had changed the light reflection characteristics of fiber surface， and promoted increase in color yield rate in transfer printing of polyester fabric.TG analysis showed that there was little damage on polyester fabric caused by plasma， which is less than that caused by transfer printing.Therefore， plasma processing can be used for pre-treatment of polyester fabric digital transfer printing to reduce the consumption of disperses dye ink.

Key words：plasma; digital transfer printing; polyester fabric; surface modification; surface roughness

紡織品印花加工是在紡織品材料的表面上印制一種或多種顏色的圖案。與傳統(tǒng)的篩網(wǎng)印花和滾筒印花相比，數(shù)碼印花技術(shù)具有生產(chǎn)速度快、易于操作等優(yōu)勢(shì)[1]。滌綸數(shù)碼熱轉(zhuǎn)印是一種非常受歡迎的印花方式[2]，它是一種先用分散染料墨水在紙張印制圖案、再以高溫將染料升華以氣相轉(zhuǎn)移到織物的過(guò)程。滌綸纖維具有高強(qiáng)力、抗皺、耐磨等優(yōu)點(diǎn)，是一種非常重要的合成纖維。但是，聚酯纖維親水性差，表面能較低，進(jìn)而導(dǎo)致了其在直接印花過(guò)程中清晰度差、得色量低等問(wèn)題。在印花前采用氫氧化鈉或氫氧化鉀改性滌綸織物可以提高其毛細(xì)管效應(yīng)等，對(duì)提高印制質(zhì)量和吸墨性有重要作用[3]，但產(chǎn)生的廢水會(huì)對(duì)環(huán)境造成影響[4-6]。作為環(huán)境友好型的等離子體處理技術(shù)，能夠有效地對(duì)滌綸織物進(jìn)行表面改性或者引入極性基團(tuán)以改善親水性，在染色、印花和整理性能方面表現(xiàn)出優(yōu)良的效果，受到廣大學(xué)者的關(guān)注[7-10]。Mehmood等[11]使用等離子體處理聚酯，發(fā)現(xiàn)經(jīng)處理后材料的粘附性得到改善。Wang等[12]研究表明滌綸織物經(jīng)氧等離子體處理后，可以提高噴墨印花的得色量和防滲化性能。Shahidi等[13]解釋了大氣等離子體處理技術(shù)在不改變織物強(qiáng)度的前提下提高了染色K/S值。然而，鮮有文獻(xiàn)研究氧等離子體處理對(duì)滌綸織物數(shù)碼轉(zhuǎn)移印花的得色量等性能影響。

本文探討了滌綸織物經(jīng)氧等離子體處理后發(fā)生的物理及化學(xué)變化、對(duì)提高滌綸熱轉(zhuǎn)移印花得色量的作用，并分析了其作用的原理。

1 實(shí) 驗(yàn)

1.1 實(shí)驗(yàn)材料

100%滌綸平紋織物95 g/cm2（杭州Aspiring紡織有限公司）。

1.2 等離子處理方法

在等離子體設(shè)備（華西等離子表面改性設(shè)備，江蘇常州中科昌泰等離子體技術(shù)有限公司）的腔室中進(jìn)行處理，該腔室可以處理25 cm×25 cm的樣品，功率為0～500 W。將樣品直接放在等離子體處理室中，先將等離子體反應(yīng)室抽真空，隨后通氧氣并保持一定的真空度，開(kāi)啟設(shè)備對(duì)樣品處理一定時(shí)間。

1.3 數(shù)碼轉(zhuǎn)印過(guò)程

在數(shù)碼轉(zhuǎn)移印花紙上打印出4種不同的顏色（CMYK），通過(guò)轉(zhuǎn)移印花機(jī)對(duì)處理和未處理滌綸織物進(jìn)行轉(zhuǎn)印，優(yōu)化工藝條件。

1.4 測(cè)試方法

1.4.1 掃描電子顯微鏡

使用掃描電子顯微鏡（SEM， JSM-5610LV， JEOL Ltd， Japan）在5kV下觀察樣品的表面形貌，使用JFC-1600自動(dòng)精細(xì)涂布機(jī)對(duì)樣品涂覆細(xì)金顆粒。

1.4.2 X射線光電子能譜

使用X射線光電子能譜儀（K-Alpha，Thermo Fisher Scientific，USA）在工作電壓15 kV，電流10 mA，掠射角54°條件下測(cè)試。

1.4.3 織物接觸角

使用KRüSS接觸角測(cè)量系統(tǒng)（KRüSSDSA20，KRüSS GmbH，Germany）用蒸餾水測(cè)量接觸角。將裁剪好的樣品放置在載玻片上，無(wú)需施加任何壓力或拉力。通過(guò)機(jī)器記錄水滴的吸收過(guò)程，然后測(cè)量水接觸角以觀察潤(rùn)濕能力，每個(gè)樣品在不同位置測(cè)試3次并取平均值。

1.4.4 熱分析

使用熱重分析儀（TGA-50， Shimadzu Corporation， Kyoto， Japan），將樣品置于鋁盤(pán)上，溫度范圍100～600 ℃，惰性氣體N2，流速50 mL/min，加熱速率100 ℃/min。

1.4.5 印花織物的得色量

在10°視角下的D65光源，采用DataColor650色度儀測(cè)得織物的K/S值作為印花得色量。

2 結(jié)果和討論

2.1 氧等離子體處理對(duì)織物表面形態(tài)的影響

采用掃描電子顯微鏡研究了滌綸織物表面的表面形態(tài)，以2 000倍放大倍數(shù)觀察等離子體處理前后滌綸纖維表面的形貌變化，如圖1所示。從圖1（a）可以觀察到，未處理的纖維樣品表面光滑，而在圖1（b）中則顯示經(jīng)等離子體處理的滌綸纖維表面呈現(xiàn)明顯的凹孔，相比未處理的樣品表面更為粗糙，這是由于材料表面受到等離子體中的高能量粒子的沖擊，正負(fù)離子和中性粒子的轟擊造成的蝕刻效應(yīng)，纖維表面大分子化學(xué)鍵被破壞，然后與等離子體中的自由基發(fā)生結(jié)合，形成含氧基團(tuán)[14-15]。通常經(jīng)等離子體處理的天然及合成纖維可發(fā)生以下反應(yīng)：

該反應(yīng)表明聚酯中的C—C鍵通過(guò)等離子體處理破壞，隨后與O原子重新結(jié)合，產(chǎn)生含氧極性基團(tuán)。因此，等離子體可以增加纖維表面粗糙度，這有助于轉(zhuǎn)移印花時(shí)分散染料可以富集在聚酯織物表面上，同時(shí)，粗糙的表面可以改變纖維的光學(xué)反射特征，漫反射增加，表觀色深值提高。

2.2 氧等離子處理對(duì)滌綸織物親水性的影響

圖2和表1是氧等離子體處理前后滌綸織物的接觸角變化情況。從圖2和表1可以發(fā)現(xiàn)，未經(jīng)處理的滌綸織物的接觸角為121°，具有較強(qiáng)的疏水性。經(jīng)過(guò)氧等離子處理后，滌綸織物表面水滴消失得非?？?，以至于無(wú)法測(cè)量水接觸角。這說(shuō)明氧等離子體處理在織物表面上引入了含氧的極性基團(tuán)[16-17]，進(jìn)而有效地提高了滌綸織物表面的親水性能。雖然，分散染料對(duì)親水表面沒(méi)有任何親和力，但處理后粗糙的滌綸表面對(duì)織物有較大的影響，有助于分散染料在纖維表面上富集，從而提高得色量。

2.3 XPS分析

使用XPS觀察未處理和經(jīng)等離子體處理的滌綸織物上的化學(xué)基團(tuán)變化。在284.08、532.08 eV處的XPS結(jié)合能峰與圖3中所示的C 1和O 1相關(guān)。未處理和氧等離子體處理的化學(xué)組成如圖3（e）所示。很明顯，與未處理的樣品相比，處理過(guò)的樣品中的C 1s減少了近8%。另一方面，O 1s在處理過(guò)的樣品中增加了近7%，O/C的原子濃度也從0.31增加到0.51，這表明氧等離子體改性增加了滌綸織物表面的含氧極性基團(tuán)[18-19]。

為了解滌綸織物表面引入的化學(xué)基團(tuán)，進(jìn)行了C 1s峰的解卷積。圖3（c）顯示未處理的樣品光譜在284.76，286.36，288.78 eV處具有3個(gè)峰，其可相對(duì)地對(duì)應(yīng)為C—C/C—H，C—O—H/C—O—C，O—CO或COOH。另一方面，圖3（d）中的C1s反卷積顯示在光譜上出現(xiàn)可以指定為C—O的新峰，而氧等離子體處理后未處理的亞峰值在284.76 eV下降，但其他子峰值有大幅增加。這表明經(jīng)過(guò)氧等離子體處理后，聚酯纖維表面的C—C/C—H鍵斷裂并被氧化，形成C—O/O—CO[20-21]。該結(jié)果表明，氧等離子體改性破壞了含化學(xué)碳的化學(xué)鍵，使纖維表面形成蝕刻，有助于更好地吸收轉(zhuǎn)移印花過(guò)程升華的分散染料。

2.4 K/S值

對(duì)滌綸織物進(jìn)行數(shù)碼熱轉(zhuǎn)移印花，以觀察在等離子體改性后織物K/S值的變化。當(dāng)壓力為20 Pa、功率為300 W時(shí)，氧等離子體處理滌綸織物的數(shù)碼轉(zhuǎn)移印花織物的K/S值最大，結(jié)果如圖4所示。從圖4可見(jiàn)，隨著時(shí)間的增加，K/S值也增加，這是因?yàn)樵跍炀]織物表面上通過(guò)氧等離子體蝕刻引入的粗糙度和表面聚酯大分子鏈的降解。但隨著時(shí)間的增加（10 min），K/S值沒(méi)有進(jìn)一步增加而反而略微降低，通常認(rèn)為在氧等離子體處理期間，將產(chǎn)生大量活性等離子體粒子，例如電子、離子、自由基、光子和受激原子/分子等。因此，高速電子確實(shí)有助于樣品的表面改性。在固定輸入功率下，離解反應(yīng)速率增加，導(dǎo)致高速電子在氧等離子體輻照時(shí)間達(dá)到10 min之前逐漸增加，10 min后電子數(shù)基本不變，說(shuō)明氧等離子體效應(yīng)在聚酯織物表面上飽和[22-23]。

2.5 色牢度

表3顯示的是未處理和氧等離子體處理滌綸印花織物的耐摩擦色牢度。從表3可以看出氧等離子體處理后印花織物在同等測(cè)試條件下的干濕摩擦牢度與未處理的等級(jí)相差不大。這意味著氧等離子體處理對(duì)數(shù)碼轉(zhuǎn)移印花織物的摩擦色牢度影響不大。

2.6 熱重分析

熱重分析是一種對(duì)材料加熱分析其質(zhì)量變化的方法，隨著溫度的升高監(jiān)測(cè)樣品的重量損失，隨后將該測(cè)量值用于描述材料的熱穩(wěn)定性、揮發(fā)性化合物和樣品組成成分等。如果分解溫度較高，則材料更穩(wěn)定[24-25]。

未處理、氧等離子體處理和等離子體改性后進(jìn)行熱轉(zhuǎn)移印花的滌綸織物的TGA曲線如圖5所示。樣品的重量損失可以在許多階段發(fā)生。該織物的熱分析由兩個(gè)溫度（Ti=初始分解溫度和Tf=最終分解溫度）描述，如表4所示。圖5顯示原樣織物樣品在13.71～460.77 ℃損失了0.663%的重量，這是由于織物吸收的水分的蒸發(fā)和其他主要揮發(fā)性物質(zhì)的釋放。但在460.77～522.40 ℃范圍內(nèi)觀察到主要的重量損失是由于聚酯聚合物鏈中存在的相關(guān)化學(xué)鍵的降解。最后階段是在522.4～600 ℃的溫度范圍內(nèi)發(fā)生的殘余物中灰分含量的氧化降解[26-27]。

與原樣相比，經(jīng)氧等離子體處理的滌綸織物分解溫度有所降低;經(jīng)氧等離子改性的轉(zhuǎn)移印花樣品的的初始和最終分解溫度都較低。這表明經(jīng)氧等離子體和高溫?zé)徂D(zhuǎn)印處理，樣熱穩(wěn)定性下降，但沒(méi)有明顯改變面料的應(yīng)用性能。

3 結(jié) 論

對(duì)滌綸織物進(jìn)行氧等離子體處理，通過(guò)SEM觀察到了等離子體對(duì)滌綸織物表面的蝕刻效果，纖維表面上的表面粗糙度增加，這意味著氧等離子體刻蝕增加了滌綸纖維的比表面積，這使得升華轉(zhuǎn)移染料容易附著、富集在織物表面上，有助于提高數(shù)碼轉(zhuǎn)移印花織物的得色量。XPS和水接觸角測(cè)試分析表明了氧等離子體中的高能粒子撞擊破壞了滌綸纖維表面含碳基團(tuán)，增加了含氧極性基團(tuán)，也導(dǎo)致了滌綸纖維表面大分子鏈的降解。最終，所有這些因素促進(jìn)了轉(zhuǎn)移印花墨水中的分散染料在滌綸纖維表面上的富集和上染，并且降低了入射光的直接規(guī)則反射，從而增加了氧等離子體改性數(shù)碼轉(zhuǎn)印織物的得色量。

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