CO2激光對(duì)滌綸織物的親水改性研究

何 楊 張瑞萍

（南通大學(xué)，江蘇南通，226019）

滌綸在生活中應(yīng)用廣泛，但由于聚酯分子結(jié)構(gòu)中缺乏親水性基團(tuán)，造成織物親水性差，穿著不舒適[1?2]。傳統(tǒng)的濕法親水處理工藝需要消耗大量的水、能源和化學(xué)品，增加廢水排放，且織物上還會(huì)殘留整理劑[3]。當(dāng)前紡織印染生產(chǎn)對(duì)節(jié)能減排、綠色安全的要求越來越高，因此，開發(fā)清潔化纖維改性技術(shù)具有重要意義。

激光技術(shù)作為一種干態(tài)的、非接觸、無污染的處理方法，操作簡(jiǎn)單，可以通過計(jì)算機(jī)精確控制。使用激光處理纖維時(shí)，通過刻蝕和氧化作用，增加織物表面親水性基團(tuán)，從而提高織物的親水性[4?5]。目前，大多數(shù)研究選用紫外激光對(duì)織物進(jìn)行改性，對(duì)CO2激光在滌綸改性中的研究和應(yīng)用還相對(duì)較少。本研究采用CO2激光對(duì)滌綸織物進(jìn)行親水改性，分析激光功率、速度、步距等參數(shù)對(duì)改性效果的影響，為開發(fā)清潔化生態(tài)親水型舒適滌綸面料提供參考。

1 試驗(yàn)部分

1.1 材料及儀器

材料：滌綸針織物（單位面積質(zhì)量224.6 g/m2）。

儀器：CM?L1290型激光雕刻機(jī)（上海創(chuàng)鳴激光設(shè)備廠），電子天平（奧豪斯儀器常州有限公司），HH?S型水浴鍋（浙江省余姚市檢測(cè)儀表廠），S?3400N型掃描電子顯微鏡（日本日立公司），WSB?3A型智能式數(shù)字白度儀（溫州大榮紡織儀器有限公司），Speclmm GX型傅里葉紅外光譜儀（美國(guó)PE公司），YG（B）031S型彈子頂破強(qiáng)力機(jī)（溫州大榮紡織儀器有限公司），OCA15EC型接觸角測(cè)量?jī)x（德國(guó)Dataphysic公司），Bruker?AXS APEX2型X射線衍射儀（德國(guó)布魯克公司）。

1.2 滌綸織物激光改性方法

打開激光雕刻機(jī)，放入待處理布樣，利用控制軟件Power Cut4311將設(shè)計(jì)好的參數(shù)信息傳遞給激光雕刻機(jī)，完成激光改性，將處理好的織物放入密封袋中以備后續(xù)使用。激光處理參數(shù)為：激光功率3 W～7 W，激光速度50 mm/s～200 mm/s，激光步距0.1 mm～0.4 mm。

1.3 測(cè)試方法

1.3.1 親水性測(cè)試

滴水?dāng)U散時(shí)間。按照GB/T 21655.1—2008《紡織品吸濕速干性的評(píng)定第1部分：?jiǎn)雾?xiàng)組合試驗(yàn)法》，測(cè)試織物的滴水?dāng)U散時(shí)間。

接觸角。利用接觸角測(cè)量?jī)x測(cè)試去離子水在織物上的左接觸角和右接觸角，計(jì)算平均值[6]。

1.3.2 表觀形貌及元素分析（SEM和EDS）

將待測(cè)織物噴金，用掃描電子顯微鏡觀察織物的表面形態(tài)，并測(cè)定樣品表面的元素含量[7?8]。

1.3.3 紅外光譜分析（IR）

將待測(cè)織物烘干，使用傅里葉紅外光譜儀在4000 cm-1～500 cm-1掃描范圍內(nèi)測(cè)試。

1.3.4 X射線衍射分析（XRD）

用X射線衍射儀測(cè)定纖維結(jié)晶度。主要測(cè)試條件為：Cu靶，λ=1.54056×10-10m，電壓40 k V，電流20 mA，步寬0.02°，掃描速度10°/min，2θ范圍為5°～80°，通過jade軟件采用衍射曲線擬合分峰法計(jì)算試樣的結(jié)晶度（X c）。

1.3.5 白度測(cè)試

利用智能式數(shù)字白度儀測(cè)試激光處理前后滌綸織物的白度，測(cè)4次取平均值。

1.3.6 頂破強(qiáng)力測(cè)試

按照GB/T 19976—2005《紡織品 頂破強(qiáng)力的測(cè)試鋼球法》測(cè)試激光處理前后滌綸織物的頂破強(qiáng)力。

2 結(jié)果與討論

2.1 激光處理工藝對(duì)滌綸織物親水性的影響

2.1.1 激光功率對(duì)滌綸織物親水性的影響

采用3 W～7 W的激光功率、200 mm/s的激光速度和0.4 mm的激光步距對(duì)滌綸織物進(jìn)行激光處理，織物的滴水?dāng)U散時(shí)間、接觸角和白度測(cè)試結(jié)果見表1。

表1 不同激光功率處理后滌綸織物的親水性和白度

從表1可以看出，隨著激光功率的增加，織物的滴水?dāng)U散時(shí)間和接觸角呈下降趨勢(shì)，說明親水性提高。這是由于激光改性后大分子鏈段斷裂生成新的自由基，空氣中的氧與大分子鏈上的各個(gè)自由基發(fā)生反應(yīng)生成最終產(chǎn)物羧基。當(dāng)激光功率為6 W時(shí)，滴水?dāng)U散時(shí)間和接觸角略微增加，這可能是由于激光對(duì)滌綸的燒蝕作用使織物表面產(chǎn)生低聚物和固體碎片等小分子產(chǎn)物，導(dǎo)致親水性下降。隨著功率增加至7 W，滴水?dāng)U散時(shí)間和接觸角降低，這是由于隨著激光強(qiáng)度的進(jìn)一步增加，激光對(duì)滌綸改性作用增強(qiáng)，部分滌綸纖維發(fā)生熔斷，造成面料孔隙變大，織物變薄。另外，功率為7 W的激光改性織物，手感變差，白度和強(qiáng)度下降明顯。因此，綜合親水性和纖維損傷情況，選擇激光功率為5 W。

2.1.2 激光速度對(duì)滌綸織物親水性的影響

改變激光速度（50 mm/s、100 mm/s、150 mm/s、200 mm/s），采用激光功率5 W、激光步距0.4 mm對(duì)滌綸織物進(jìn)行激光處理，織物的滴水?dāng)U散時(shí)間、接觸角和白度測(cè)試結(jié)果見表2。

表2 不同激光速度處理后滌綸織物的親水性和白度

激光速度也是影響織物親水性的重要參數(shù)，速度越慢，激光作用時(shí)間越長(zhǎng)，速度越快，作用時(shí)間越短。從表2可以看出，隨著速度由50 mm/s增加到200 mm/s，織物的滴水?dāng)U散時(shí)間增加，由3.0 s增加到5.9 s，接觸角由93.9°增加到99.4°，這是由于速度增加，改性時(shí)間降低，引入羧基減少，親水性變差。當(dāng)速度為50 mm/s、100 mm/s時(shí)親水性較好，白度基本不變，但織物變薄，手感粗糙。因此，綜合考慮親水性和纖維損傷情況，選擇速度為150 mm/s。

2.1.3 激光步距對(duì)滌綸織物親水性的影響

改變激光步距（0.1 mm、0.2 mm、0.3 mm、0.4 mm），采用激光功率5 W、激光速度150 mm/s對(duì)滌綸織物進(jìn)行激光處理，織物的滴水?dāng)U散時(shí)間、接觸角和白度測(cè)試結(jié)果見表3。

表3 不同激光步距處理后滌綸織物的親水性和白度

激光步距是指激光平行掃描兩條直線間的距離，步距越小，激光作用密度越大，改性作用越強(qiáng)，反之改性作用越弱[9]。從表3可以看出，隨著激光步距由0.1 mm增加到0.4 mm，織物的滴水?dāng)U散時(shí)間、接觸角呈上升趨勢(shì)，由2.5 s增加到3.6 s，接觸角由80.4°升至100.3°。這是由于步距越大，改性作用越弱，引入羧基越少，親水性越差。當(dāng)步距低于0.3 mm時(shí)，織物親水性較好，白度基本不變，但孔隙率變大，纖維損傷較為嚴(yán)重。因此，綜合考慮親水性和纖維損傷情況，選擇步距為0.3 mm。

綜上，優(yōu)化的激光改性工藝參數(shù)為：激光功率5 W，激光速度150 mm/s，激光步距0.3 mm。處理后織物的滴水?dāng)U散時(shí)間為3.9 s，接觸角為98.3°，白度86.5。

2.2 激光改性織物的掃描電鏡及EDS分析

采用5 W和7 W的激光功率、150 mm/s的激光速度和0.3 mm的激光步距對(duì)滌綸織物進(jìn)行激光處理，利用掃描電鏡觀察織物改性前后的表面形態(tài)，電鏡照片見圖1。

圖1 激光改性前后滌綸織物表面形態(tài)

從圖1可以看出，未經(jīng)過激光處理的滌綸纖維表面光滑，經(jīng)激光處理后，滌綸纖維表面變得粗糙，當(dāng)功率為5 W時(shí)，纖維表面產(chǎn)生了刻蝕，當(dāng)激光功率增加到7 W時(shí)，纖維表面發(fā)生熔融。這是因?yàn)樵诠饣瘜W(xué)反應(yīng)與熱效應(yīng)協(xié)同作用下，激光輻照引起聚合物表面發(fā)生刻蝕，隨著激光功率的增加，這種現(xiàn)象越明顯[10]。

用EDS分析元素變化，測(cè)得未經(jīng)CO2激光處理的纖維表面C和O的質(zhì)量相對(duì)含量分別為80%和20%，O/C質(zhì)量相對(duì)含量比值為25%；當(dāng)激光功率為5 W時(shí)，C的含量下降到78.1%，O的含量增加到21.6%，O/C質(zhì)量相對(duì)含量比值增加至27.7%；當(dāng)激光功率為7 W時(shí)，C的含量下降到75.3%，O的含量增加到24.5%，O/C質(zhì)量相對(duì)含量比值增加至32.5%。結(jié)果表明：經(jīng)過激光處理后，一些含氧基團(tuán)（羧基）被引入織物表面從而改善其親水性[11?12]。據(jù)相關(guān)文獻(xiàn)報(bào)道，可能是激光照射后滌綸分子中的酯鍵斷裂生成新的自由基，見圖2。

圖2 滌綸分子中酯鍵斷裂生成多種自由基

對(duì)于上述的自由基，還會(huì)發(fā)生反應(yīng)，C元素以CO、CO2的形式從大分子鏈上逸出，見圖3。

圖3 自由基發(fā)生的后續(xù)反應(yīng)

同時(shí)，隨著輻照的繼續(xù)，產(chǎn)生的各種自由基與空氣中的水和氧氣反應(yīng)，在大分子鏈上生成極性含氧基團(tuán)（羧基），見圖4。

圖4 自由基與氧氣和水反應(yīng)

2.3 激光改性織物的紅外光譜分析

按照優(yōu)化工藝對(duì)滌綸織物進(jìn)行激光改性，滌綸纖維原樣與激光處理后試樣的紅外光譜圖見圖5。圖5中，1710 cm-1附近為C=O鍵的伸縮振動(dòng)特征吸收峰，1250 cm-1附近為C—O—C基團(tuán)的伸縮振動(dòng)特征吸收峰，1020 cm-1處為C—H面內(nèi)彎曲振動(dòng)特征吸收峰，876 cm-1附近為苯環(huán)C—H的伸縮振動(dòng)特征吸收峰[13]。改性前后，1710 cm-1處的相對(duì)強(qiáng)度基本不變；改性前，1250 cm-1與1710 cm-1處相對(duì)強(qiáng)度比值為1.03，改性后比值為0.95，降低了7.77%，說明酯鍵斷裂；改性前，1020 cm-1與1710 cm-1處相對(duì)強(qiáng)度比值為1.01，改性后比值為0.91，降低了9.90%，說明改性后C—H鍵減少，可能是由于亞甲基或亞甲基自由基與空氣中的氧氣和水反應(yīng)。

圖5 激光改性前后滌綸織物紅外光譜圖

2.4 激光改性織物的XRD分析

按照優(yōu)化工藝對(duì)滌綸織物進(jìn)行激光改性，對(duì)樣品進(jìn)行X射線衍射測(cè)試，并計(jì)算結(jié)晶度，滌綸織物X射線衍射曲線見圖6。

圖6 激光改性前后滌綸織物X射線衍射曲線

滌綸織物的主要衍射峰位于2θ=16.4°、22.9°和25.9°處，分別對(duì)應(yīng)滌綸的（010）、（110）和（100）晶面[14]。從圖6可以看出，改性前衍射峰位于2θ=7.81°、15.85°、22.09°、25.82°和42.19°處，改性后衍射峰的位置基本沒有發(fā)生變化。利用jade軟件通過衍射曲線擬合分峰法，計(jì)算得出滌綸織物的結(jié)晶度為43.16%，改性后織物結(jié)晶度為38.93%，纖維結(jié)晶度有所下降。

2.5 激光改性織物的強(qiáng)力分析

采用3 W～7 W的激光功率、150 mm/s的激光速度和0.3 mm的激光步距對(duì)滌綸織物進(jìn)行激光處理，測(cè)試處理前后滌綸織物的頂破強(qiáng)力，結(jié)果見圖7。

圖7 激光功率對(duì)滌綸織物頂破強(qiáng)力的影響

從圖7可以看出，當(dāng)激光功率小于4 W時(shí)，織物頂破強(qiáng)力變化不大。當(dāng)激光功率超過4 W時(shí)，頂破強(qiáng)力隨著激光功率的增加而下降，由未處理時(shí)的1548 N下降至200 N，其中，當(dāng)激光功率為5 W時(shí)，強(qiáng)力下降21.71%。這是由于激光引起聚合物表面的變化通常被認(rèn)為是一個(gè)光化學(xué)反應(yīng)與熱效應(yīng)共同作用的結(jié)果[15]，激光功率過高，能量較高，纖維產(chǎn)生過度的光熱降解，引起強(qiáng)力下降。

3 結(jié)論

（1）隨著激光功率增加，改性滌綸織物的滴水?dāng)U散時(shí)間和接觸角呈下降趨勢(shì)，親水性提高；激光速度、步距越大，滴水?dāng)U散時(shí)間和接觸角呈上升趨勢(shì)，親水性下降。確定激光對(duì)滌綸織物親水改性的工藝為：激光功率5 W，激光速度150 mm/s，激光步距0.3 mm。

（2）CO2激光處理后滌綸織物的親水性能得到改善。激光處理后滌綸針織物的滴水?dāng)U散時(shí)間由13.5 s降至3.9 s，接觸角由120.6°降至98.3°；白度基本不變，頂破強(qiáng)力下降21.71%，不影響服用性能。

（3）CO2激光處理使纖維表面產(chǎn)生明顯刻蝕；激光改性后纖維表面的O/C質(zhì)量相對(duì)含量比值由未改性纖維的25%增加到32.5%；改性后纖維的C—O—C發(fā)生部分?jǐn)嗔眩w維結(jié)晶度由43.16%降到38.93%。