低溫等離子體在紡織品處理工藝中的應用

中國紡織機械協(xié)會 齊亞濱/文

“十三五”期間，中國紡織行業(yè)積極推進全行業(yè)的綠色加工，加快實施節(jié)能減排和資源循環(huán)再利用技術(shù)的應用。隨著《中華人民共和國國民經(jīng)濟和社會發(fā)展第十四個五年規(guī)劃和2035年遠景目標綱要》的發(fā)布，更加低碳環(huán)保的生產(chǎn)生活方式正逐步成為全社會的共識，紡織印染企業(yè)也將更多地關注碳達峰和碳中和目標，其中少水、無水生產(chǎn)工藝及裝備的研發(fā)已成為當今行業(yè)發(fā)展的熱點。

低溫等離子體技術(shù)應用于織物印染前處理節(jié)水、無污水排放，是一種清潔生產(chǎn)工藝。近十幾年來，國內(nèi)外的企業(yè)、院校和科研機構(gòu)先后開展了該項技術(shù)在織物印染前處理中的應用研究和實驗，并進入了實驗樣機試生產(chǎn)階段。低溫等離子體技術(shù)的應用，對印染行業(yè)節(jié)能減排具有重要意義。

1 低溫等離子體對織物纖維的作用機理

染整加工中主要使用的低溫等離子體是通過電暈放電和輝光放電產(chǎn)生的［1］。當?shù)蜏氐入x子體的高能活性粒子作用于織物纖維表面時，可以改變纖維表面的化學組成和物理形態(tài)。織物纖維在低溫等離子體的高反應性、高活性和刻蝕的作用下，表面產(chǎn)生親水基團或接枝上與染料具有親和性的基團，纖維表面的刻蝕增加了對染化料的吸收，改善纖維染整性能。通過低溫等離子體對織物纖維的改性，在提高織物染整工藝性的同時，減少了能耗和污水排放［2］。

常壓低溫等離子體處理技術(shù)通過改變等離子處理機電極副的匹配，能夠較好地解決織物被擊穿形成破洞的難題。采用電極副密閉設計，可填充氮氣、氧氣、氦氣和氬氣等不同氣體。程序設計中可選擇多項工況參數(shù)，以滿足化纖、棉和毛等織物的低溫等離子體處理。

2 低溫等離子體處理工藝及裝置

2.1 低溫等離子體織物前處理工藝流程

在實際應用中，可根據(jù)不同織物纖維，選擇相應的運行速度和功率系數(shù)進行低溫等離子體處理。織物在低溫等離子體處理裝置中，按照特定的功率系數(shù)，以平幅形式進行低溫等離子體處理。處理后的織物打卷后即可進入后道染整工序。

適用低溫等離子體處理的纖維包括棉、毛及化纖等。

工藝流程：織物卷裝平幅進布（擴幅、對中）→低溫等離子體處理→織物平幅收卷。

2.2 低溫等離子體處理裝置

低溫等離子體處理裝置主要包括密閉室、傳動系統(tǒng)、電氣控系統(tǒng)以及進出布裝置等。圖1為低溫等離子體處理裝置示意圖。

2.2.1 密閉室

采用大、小密封結(jié)構(gòu)，確保處理區(qū)域所充氣體的濃度保持均勻、穩(wěn)定，以滿足工藝要求。密閉室所用材料以及相應的氣體選擇對低等離子體處理效果至關重要。

圖1 低溫等離子體處理裝置示意圖

1）密閉室材料?？紤]到密閉室的密閉性、不同氣體的適應性以及安全性，密閉室所選擇的材料主要有環(huán)氧樹脂、陶瓷和硅膠等。這些材料可以保證密閉室在高頻高壓下能夠長期穩(wěn)定工作，確保人身安全，所產(chǎn)生的低溫等離子體連續(xù)穩(wěn)定、致密均勻，并可有效防止織物損傷。采用充氣式密閉室結(jié)構(gòu)設計，可保證低溫等離子體的有效作用。

2）密閉室內(nèi)氣體。需根據(jù)不同纖維選擇相應的氣體（如氮氣、氧氣、氦氣和氬氣），以確?？椢镌诘蜏氐入x子體處理過程中，與所需的氣體充分作用，獲得較好的處理效果。

2.2.2 傳動設計

傳動部分采用變頻減速電機控制，能有效保證各牽引單元之間速度的同步性，使得織物能夠?qū)崿F(xiàn)低張力運行，且速度平穩(wěn)。

2.2.3 電氣控制系統(tǒng)

主要由升壓變壓器、放電架和控制箱等組成。工藝控制參數(shù)包括耗電量、速度、織物計長以及處理功率等。系統(tǒng)可對工藝參數(shù)進行采集、輸出與上傳。

1）放電（電極）控制。具備速度跟蹤功能，自動調(diào)整功率大小，可保證織物在不同速度下獲得不同的處理功率。在獲得理想處理效果的前提下，減少能量輸出，達到節(jié)能效果，并使產(chǎn)生的低溫等離子體連續(xù)穩(wěn)定、致密均勻及融合放電。

2）工藝參數(shù)?？椢锛庸すに囁俣葹?0 m/min～150m/min（可調(diào)）。通過在線檢測參數(shù)優(yōu)化算法，可實現(xiàn)處理效果的精確化和智能化控制。

3 試驗結(jié)果與分析

在織物纖維的改性方面，采用低溫等離子體加工織物本身不需要水，屬于一種干加工方式。與目前染整濕加工相比，采用低溫等離子體加工更節(jié)水，無污水排放。

經(jīng)過樣機實驗，對低溫等離子體處理與傳統(tǒng)處理方法進行能耗比較（見表1）。

測試織物樣品規(guī)格：織物幅寬為1000mm；織物纖維為100%滌綸；織物面密度為180g/m2。

經(jīng)測試得到以下結(jié)論：

1）對滌綸前處理的除油、精練以及退漿（機織物）等，標準溶液耗堿量僅為傳統(tǒng)工藝三分之一，減少了化學品的用量和排放。

表1 低溫等離子體處理與傳統(tǒng)處理方法的能耗比較

2）因工藝流程短，處理單元少，耗電更低。

3）因使用的化學品少，使得加工過程中產(chǎn)生廢液的pH值也隨之下降。

4 結(jié)論

通過以上分析得出：

1）經(jīng)低溫等離子體處理后的滌綸纖維，可獲得持久的親水性、抗靜電性，并且還能改善纖維的染色性能和粘著性。

2）低溫等離子體處理技術(shù)可減少傳統(tǒng)染整工藝中有毒、有害化學助劑的使用量，對實現(xiàn)清潔生產(chǎn)，以及減少生產(chǎn)環(huán)境對員工身體的損害具有重要作用。

3）低溫等離子體技術(shù)應用于印染加工具有環(huán)境友好、經(jīng)濟、節(jié)能和節(jié)水等優(yōu)點。隨著該項技術(shù)瓶頸的突破，制造工藝的不斷成熟，其應用領域和產(chǎn)業(yè)化應用價值必將進一步顯現(xiàn)。

在行業(yè)大力推進節(jié)能減排的形勢下，印染行業(yè)如何有效降低用水以及和廢水的排放已成為行業(yè)可持續(xù)發(fā)展的重中之重。依托低溫等離子體技術(shù)的特性，不僅可以改善織物的染整性能，而且還可達到節(jié)能減排的目的，這對印染行業(yè)的高質(zhì)量、可持續(xù)發(fā)展，以及企業(yè)踐行社會責任均會產(chǎn)生重要影響。