常壓等離子射流對紡織品表面改性的均勻性和滲透性研究.pdf

1、紡織工業(yè)是我國外貿(mào)順差最大的行業(yè)，同時也是對環(huán)境污染最大、耗能和耗水最大的工業(yè)之一。據(jù)有關(guān)方面統(tǒng)計，紡織行業(yè)每年排放廢水9億多噸，其中印染廢水還具有脫色困難、含有機物濃度高等特點。因此，紡織業(yè)的可持續(xù)發(fā)展，很大程度上取決于能否解決印染廢水問題。要徹底解決這個問題，需要改進原有的紡織印染和后整理的工藝路線。
　　 等離子體處理是一種物理和化學方法相結(jié)合的氣態(tài)處理技術(shù)，與傳統(tǒng)的物理化學處理過程相比，具有低污染、低能耗、不耗水、不用化

2、學試劑等優(yōu)點。尤其是低溫等離子體中高能量的電子及其它激發(fā)態(tài)或電離態(tài)的粒子僅在被處理物體表面幾十納米深度范圍內(nèi)引起物理和化學變化，而較低的氣體溫度使得材料內(nèi)部的性質(zhì)不發(fā)生變化，因此，低溫等離子體表面處理可以用于高分子材料的表面改性。隨著人們對紡織行業(yè)在生態(tài)和經(jīng)濟方面的日益限制，等離子體作為一種環(huán)保型的高分子材料表面改性技術(shù)，在紡織品預處理和后整理等方面的應用越來越受歡迎，已經(jīng)呈現(xiàn)出其有效性和適用性，具有廣闊的應用前景。
　　 過去

3、大多數(shù)等離子體處理過程都是在低壓下進行，這不僅需要昂貴的真空體系，而且由于要抽真空，不能實現(xiàn)在線處理，使得較低附加值的紡織品一類的產(chǎn)品成本過高，難以實現(xiàn)工業(yè)化處理。與之相比，國際上最近幾年來正在積極開發(fā)的常壓非平衡低溫等離子體表面處理技術(shù)，與低壓等離子體處理不同，常壓等離子體可以直接加入現(xiàn)有的生產(chǎn)流水線，實現(xiàn)在線處理紡織品。對于紡織品一類的多孔材料，等離子處理效果不僅局限于基體表面幾十納米范圍內(nèi)，而且需要等離子中活性物種能夠在保持活性的

4、前提下通過材料中的孔隙穿透到材料的其它內(nèi)表面進行處理。由于紡織品的特殊結(jié)構(gòu)和加工過程的特殊性，常壓等離子體在線處理紡織品中等離子體和紡織品之間的相互作用和在真空中的情況有所不同。在真空中，等離子體可以在兩塊極板中或在線圈中比較均勻地產(chǎn)生，充滿整個容器的，所以一般而言，被處理物的所有表面都能直接接觸到等離子體而被處理。而在常壓下，情況有所不同，尤其是目前比較有希望在紡織品處理中應用的噴射式常壓等離子體處理系統(tǒng)中，等離子體是在一個噴頭中產(chǎn)生

5、后向外噴射而形成的等離子射流，被處理材料只有一部分表面與等離子射流直接接觸而得到處理，纖維集合體如紗線織物等紡織品的其它內(nèi)表面的處理則取決于等離子射流中活性粒子通過孔隙與紡織品內(nèi)表面相互作用的能力。
　　 基于上述重要問題的研究現(xiàn)狀，為了確保等離子射流能夠均勻地處理紡織品中纖維的所有表面，必須研究常壓等離子射流穿透紡織品的能力和處理的均勻性及其與紡織品結(jié)構(gòu)、處理條件之間的關(guān)系，并且需要發(fā)展新的理論來解釋常壓等離子射流中活性粒子、

6、非活性粒子和被處理物之間的相互作用關(guān)系，以指導常壓等離子射流處理紡織品一類的多孔材料。因此，本課題利用本實驗室最近從國外引進的噴射式常壓非平衡低溫等離子體發(fā)生器，從單纖維到織物系統(tǒng)地研究常壓等離子射流對紡織品表面改性的均勻性和滲透能力，利用纖維集合體經(jīng)常壓等離子體處理后吸濕性、染色性、粘結(jié)性等性能提高的特點，電子掃描顯微鏡、原子力顯微鏡、傅立葉變換紅外光譜及X射線光電子能譜等表面形態(tài)和化學成分分析方法來探測纖維表面發(fā)生的物理和化學變化，

7、通過測定靜態(tài)和動態(tài)接觸角、對水滴吸收時間以及芯吸高度等方法來確定表面吸濕性的改善；通過光學、熒光、激光共焦掃描顯微鏡觀察染料在纖維橫截面擴散和表觀色深值K/S來表征染色性的改善；通過測定纖維與樹脂之間的界面剪切強度來表征纖維粘接性的提高。
　　 本文首先研究了常壓等離子射流處理對單纖維整個表面的改性效果是否均勻，具體方法是將尼龍6纖維經(jīng)常壓等離子射流處理不同時間后，測定處理前后纖維的吸濕性和染色性。使用DCA315動態(tài)接觸角儀測

8、定纖維的前進角和后退角，使用普通、熒光和激光共焦掃描三種顯微鏡觀察染料在纖維橫截面擴散情況。處理后纖維的前進角和后退角分別下降10～20°和20～30°，染料在纖維橫截面擴散的深度加大且分布均勻，說明常壓等離子射流處理對單纖維整個表面的改性效果是均勻的。掃描電子顯微鏡和X射線光電子能譜分析結(jié)果表明產(chǎn)壓等離子射流處理使纖維表面粗糙以及在纖維表面引入極性基團，這都有助于纖維吸濕性和染色性的提高，而且隨著處理時間的增加，常壓等離子射流處理單纖

9、維的均勻性增加。
　　 其次本文研究了常壓等離子射流對無捻和有捻紗線中不同位置的纖維的處理效果。首先研究了常壓等離子射流對無捻滌綸平行長絲束中處于不同位置的單絲的改性效果是否均勻，將處理后的長絲束截面看作圓形并分成六層，每層包括10根左右單絲，分別測定其靜態(tài)接觸角，結(jié)果表明處理后長絲束中處于不同位置的單絲的接觸角無明顯差異，但都小于原樣的接觸角，說明常壓等離子射流處理平行長絲束時的處理效果能夠滲透到每根單絲的表面。同時，本文還研

10、究了常壓等離子射流處理有捻紗線的滲透性，采用四種捻度不同的超高模量聚乙烯絲束為模型，測定處理前后纖維接觸角以及與樹脂的界面剪切強度。結(jié)果表明隨捻度的增加，接觸角增加，纖維和樹脂間的界面剪切強度減小，且兩者的離散程增加，說明捻度的增加減弱了常壓等離子射流對紗線滲透能力。
　　 在研究了常壓等離子射流對單纖維和紗線的處理特點以后，本文進一步研究了常壓等離子射流處理織物的的滲透性及其滲透深度。首先采用羊毛機織物為模型，研究處理的工藝參

11、數(shù)對等離子射流處理織物的滲透性的影響，通過改變輸出功率、處理時間、噴頭與織物間距離、氣體溫度以及織物移動速度來研究羊毛織物處理后正反面吸濕和染色性能的變化及其差異。實驗結(jié)果表明常壓等離子射流的處理效果以及在織物中的滲透性與處理時間、功率以及氣體溫度成正比，與基體移動速度無關(guān)，當噴頭與織物間距離小于1mm或大于6mm時，等離子的處理效果較差且?guī)缀鯖]有滲透，而當距離為2～3mm左右時，處理效果及其滲透性最佳。因此，為了使織物正反面獲得最佳的

12、處理效果且正反面性能差異小，應該選擇合理的處理工藝參數(shù)，使常壓等離子射流處理織物的滲透性達到最佳效果。
　　 等離子體對織物的滲透能力和織物的孔隙大小及分布有很大關(guān)系。為了研究織物孔徑對常壓等離子射流處理織物的滲透性的影響，選取厚度相同孔徑及其分布不同的幾塊滌綸織物，將纖維平行且緊貼布面粘貼在織物的正反面，采用在上一個實驗中摸索出的常壓等離子射流滲透效果最佳的工藝參數(shù)處理試樣后，測試未處理纖維和處理后織物正反面纖維的接觸角的變化

13、，從而得出常壓等離子射流處理織物的滲透性與織物孔徑的關(guān)系，當孔徑大于200μm時，處理效果可以完全滲透，而當孔徑小于10μm幾乎無滲透。
　　 常壓等離子射處理較厚重的織物甚至是幾層織物時，需要了解等離子射流對不同孔徑織物的滲透深度。我們將幾層滌綸機織物粘貼在一起模擬一定厚度的織物，進行氦氣/氧氣常壓等離子射流處理。通過測定織物對水滴吸收的時間和芯吸高度分別來評價每層織物正反面的親水性，研究發(fā)現(xiàn)，在一定處理時間范圍內(nèi)，隨著織物孔

14、徑的增加，常壓等離子射流對織物表面改性的深度相應增加，結(jié)果表明等離子射流處理效果在孔徑為200μm的滌綸機織物中能滲2mm左右。
　　 為了確定常壓等離子射流處理時間和織物表面改性的滲透深度的關(guān)系，以氦氣和氧氣分別作為載氣和反應氣體，對四層滌綸機織物疊放在一起的試樣處理不同的時間。每層織物的正反面對水滴吸收時間由200s下降至約0s，每層織物的芯吸高度隨著處理時間增加而線性增加，而隨著層數(shù)增加而線性關(guān)系下降，在得出處理時間和層數(shù)

15、的關(guān)系的基礎(chǔ)上，建立了常壓等離子射流處理織物的滲透深度與處理時間的經(jīng)驗模型，預測出常壓等離子射流處理效果在織物中的滲透深度最多達六層。
　　 本文的研究結(jié)果表明常壓等離子射流處理效果能有效快速地穿透一定厚度的紡織品，掌握了如何有效地處理紡織品從而使其各個表面性能在一定處理條件下都能取得最佳的等離子體改性效果。常壓等離子射流處理紡織材料的均勻性和滲透性與處理工藝參數(shù)以及紡織品的結(jié)構(gòu)參數(shù)有關(guān)，前者有處理時間、功率、氣體溫度、噴頭與織