低溫等離子體在染整加工中的應(yīng)用

1、低溫等離子體在染整加工中的應(yīng)用前言：目前，紡織染整工業(yè)生產(chǎn)仍以濕加工為主，不但需耗用大量的水，而且?guī)砦鬯栴}。而作為染整清潔工藝生產(chǎn)的新技術(shù)等離子體技術(shù)，是干式反應(yīng)體系(氣體體系處理)，節(jié)水節(jié)能、環(huán)境污染和公害少，操作簡單且易控制。而且處理僅涉及纖維的表面，不破壞纖維自身的性質(zhì)，理論上可應(yīng)用于各種紡織品基質(zhì)物。因此，可以說等離子體技術(shù)迎合了生態(tài)紡織品發(fā)展的呼聲，正越來越受到人們的重視。等離子體技術(shù)在紡織上的應(yīng)用始于上世紀(jì)50年代，我國從上世紀(jì)80年代開始對等離子體處理紡織品進行研究。在印染工業(yè)中，等離子體技術(shù)可用于織物的上漿、退漿和麻的脫膠、羊毛的防氈縮、織物的軋光、合成纖維的親水化外理

2、等諸多領(lǐng)域。等離子體處理也可以改進纖維的染色和印花工藝。近年來，也有人將等離子體處理用于織物的阻燃、防皺和衛(wèi)生等功能性整理1。1 本概念和相應(yīng)理論1.1 概念：等離子體技術(shù)隨當(dāng)代高技術(shù)的發(fā)展應(yīng)運而生，作為一個學(xué)科交叉的前沿研究領(lǐng)域，自興起以來的短短20多年中，已在化學(xué)合成、新材料的研制、表面處理等領(lǐng)域開拓出一系列新技術(shù)、新工藝。等離子體這一新的存在形式是經(jīng)氣體電離產(chǎn)生的由大量帶電粒子和中性粒子所組成的體系，是含有離子、電子、自由基、激發(fā)態(tài)分子和原子，總的正負(fù)電荷取相等，不發(fā)生靜電中和反應(yīng)，并表現(xiàn)出集體行為的一種準(zhǔn)中性電離氣體，繼固、液、氣三態(tài)之后列為物質(zhì)的第四態(tài)-等離子態(tài)2。1.2 染整加工中

3、的應(yīng)用：在紡織加工過程中，等離子體可作用于織前的上漿過程，使 紗線上漿均勻；在印染前處理過程中，等離子體技術(shù)能夠優(yōu) 化織物的退漿、精練，提高前處理效率，還可以改進染色和 印花工藝，使工藝高效、經(jīng)濟、環(huán)保；在后整理過程中，等離 子體處理對織物抗靜電性、抗起毛起球性、易去污性、拒水 拒油性等有顯著的效果。同時等離子體處理與其它整理劑 結(jié)合使用，可以提高整理劑的功效及功能整理的效果。1.3分類：等離子體可按其壓力、帶電荷粒子密度和溫度等進行分類。在一般情況下，可將等離子體分為高溫等離子體和低溫等離子體。前者又稱為平衡等離子體，其電子和分子或原子類粒子都具有非常高的溫度;后者又稱為非平衡等離子體，其電

4、子和分子或原子類粒子具有的溫度是不同的，電子溫度仍然很高，而分子或原子類粒子的溫度卻較低，低溫等離子在紡織染整中的應(yīng)用最為廣泛3。1.4產(chǎn)生方式：，電暈放電（低頻放電）在大氣壓條件（空氣介質(zhì)和通常的氣壓）下產(chǎn)生的弱電流放電稱為電暈放電。它是一種高電場強度、高氣壓（一個大氣壓）和低離子密度的低溫等離子體。在對兩個電極施加一高電壓時便產(chǎn)生電暈放電。兩極間產(chǎn)生的電火花被絕緣體阻斷，為了引起電暈放電，就必須在其中的一個電極保持高電場，而電子在高電壓下沿絕緣板方向加速。電暈放電產(chǎn)生的等離子體中含有電子、離子、自由基、激發(fā)分子和未反應(yīng)的分子。由于介質(zhì)是空氣，在等離子體中還會形成臭氧和三氧化二氮分子，它們與

5、纖維材料表面作用不僅會產(chǎn)生相關(guān)的自由基，還會對纖維材料氧化，增加極性基團、發(fā)生改性。，輝光放電輝光放電又稱高頻放電，是產(chǎn)生等離子體的另一種重要方法。它處在電暈放電與微波放電之間的中間范圍，比電暈放電的電場強度高，氣體壓力則大，也是一種低溫等離子體。與電暈放電相比，除了放電介質(zhì)不同外（電暈放電的介質(zhì)是空氣，而輝光放電的介質(zhì)可根據(jù)反應(yīng)需要而選擇），輝光放電的電子能量更高些，因為氣壓低，它與氣體分子碰撞的機會少，速度減慢較小。這意味著輝光放電產(chǎn)生的活性因子（電子等）滲透性較電暈放電要強，對被處理物的表面改性會更加強烈些4。2 內(nèi)外研究狀況低溫等離子體處理可用于各種纖維、紗線、織物的表面改性，對纖維基

6、體的內(nèi)部影響小，不損傷纖維原有性能。清潔、快捷、無污染、成本低,在當(dāng)今倡導(dǎo)清潔和綠色生產(chǎn)、節(jié)約資源的形勢下, 低溫等離子體處理技術(shù)以其無需化學(xué)品、無需耗用大量水和能源、無需進行高成本廢水處理和對環(huán)境友好的優(yōu)勢，在紡織工業(yè)中具有廣闊的應(yīng)用前景和市場。近年來國內(nèi)外都在努力加強等離子體技術(shù)在紡織領(lǐng)域的應(yīng)用研究5。2.1國外研究概況：早在70年代，美國、法國、日本、波蘭、前蘇聯(lián)等國都先后致力于低溫等離子體技術(shù)方面的研究，他們走的都是真空放電工藝路線。前蘇聯(lián)伊萬諾夫Niekmi研究所采用真空輝光放電技術(shù)，于上世紀(jì)90年代中期開發(fā)了一系列工業(yè)用等離子體設(shè)備，在ITMA99（巴黎）展上推出了與歐洲幾家紡機廠

7、如意大利Intex、瑞士Looptex公司等合作開發(fā)的低溫等離子體KPR180機型，用以處理羊毛織物，以替代氯化羊毛，達到了機可洗產(chǎn)業(yè)化水平。最近又開發(fā)出KPR270機型，主要用于提高織物復(fù)合的粘結(jié)力。該設(shè)備報價80萬美元。意大利Mezzera公司最近推出KPR型等離子體處理設(shè)備，用于織物前處理退漿，可有效地切斷織物上漿料的分子鏈而使?jié){料容易洗去，不僅提高了織物的上染率和色牢度，而且可大大縮短前處理水洗設(shè)備的流程，減少廢液排出。該設(shè)備現(xiàn)為中試階段。最近，日本山東鐵工所也研制成功低溫等離子體干法連續(xù)退漿煮練設(shè)備，尚未正式投產(chǎn)，且存在反映室內(nèi)有長花、密封輥易被飛毛污染等問題尚未得到完滿解決。以上均

8、是用真空輝光放電產(chǎn)生等離子體方式，設(shè)備制造要求高，又是間歇式生產(chǎn)，產(chǎn)量也不高，即不能連續(xù)處理而生產(chǎn)效率低6。2.2國內(nèi)研究概況：國內(nèi)雖有不少大專院校和科研院所在研究低溫等離子體技術(shù)，但大多數(shù)停留在實驗室機理研究或小試階段，尚未見到有生產(chǎn)設(shè)備的報道。東華大學(xué)國家染整工程技術(shù)研究中心引進比利時Europlasma公司的Rollto Roll400生產(chǎn)型樣機一臺，在此設(shè)備上進行了羊毛織物防氈縮、羊毛低溫染色、羊毛印花、提高難染纖維涂料印花性能等研究，取得可喜成果。上海市紡織科學(xué)研究院從上世紀(jì)70年代開始從事低溫等離子體技術(shù)的研究，并于1986年研究成功便于工業(yè)化生產(chǎn)的常溫常壓下介質(zhì)放電產(chǎn)生

9、低溫等離子體技術(shù)，先應(yīng)用于處理兔毛，于90年代初期即又應(yīng)用于處理羊毛。羊毛經(jīng)低溫等離子體處理后，可提高可紡支數(shù)、降低紡紗斷頭率、提高生產(chǎn)效率。近年該技術(shù)又應(yīng)用于棉紡、染整等工藝領(lǐng)域。該院的低溫等離子體技術(shù)從上世紀(jì)90年代初期就居世界先進水平，現(xiàn)在仍屬世界先進水平，但由于近幾年紡織行業(yè)普遍缺乏投資能力，推廣應(yīng)用很不理想。如果能得到有關(guān)部門的支持和資金投入，或者找到國外合適的合作伙伴，進一步加以開發(fā)和擴大應(yīng)用（或許可以向國外技術(shù)輸出），前景看好7。2.3國外應(yīng)用情況：1973年，美國SAC(surface activation company)公司與 United Dye Works最先合作開發(fā)了

10、_一條用于滌綸織物加工的 等離子體生產(chǎn)線，處理織物幅寬18 m，運行速度45.7mmin。 加工產(chǎn)品有舒適的吸濕眭，還有防污和耐洗滌劑等性能。比利時Europlasma公司自1994年開始生產(chǎn)紡織工業(yè)用 低壓等離子體設(shè)備，工作幅寬40180 cm。上海某電子元 件公司、東華大學(xué)國家染整工程技術(shù)中心、中國紡織科學(xué)研 究院先后購買了該等離子體處理設(shè)備，取得了理想的成效。 2001年，由愛爾蘭等離子公司、瑞典織物和聚合物技 術(shù)研究院(IFP)等科研機構(gòu)與6家企業(yè)合作開發(fā)了對非織 造布及織造布常壓等離子體處理的高速連續(xù)生產(chǎn)線，成功 地研制出了低溫等離子體生產(chǎn)系統(tǒng)PIAP100。目前已在瑞 典、德國和西

11、班牙安裝運行8。 目前，德國Freudenberg公司采用兩臺常壓等離子體設(shè) 備建立了一個裝配良好的中試車間，用以進行大面積被處 理物的連續(xù)整理，設(shè)計寬度1 m。美國的Plasmatreat公司和 德國Diener電子公司也分別研制了可用于紡織行業(yè)的低溫 等離子體設(shè)備。其中Henniker的產(chǎn)品屬于低壓等離子體設(shè)備，至今已成功開發(fā)Pico、Tetra等4個系列產(chǎn)品，設(shè)備處理 空間最高達12600 L。2.4國內(nèi)應(yīng)用情況：北京印刷學(xué)院的葛袁靜等將等離子體表面處理技術(shù)推廣應(yīng)用到我國的郵票印刷工藝中，這是低溫等離子體技術(shù)在我國工業(yè)界獲得應(yīng)用的成功案例之。.我國是一個紡織品出口大國, 提高紡織品的品質(zhì)

12、對我國的國民經(jīng)濟意義重大。低溫等離子體處理紡織品或纖維材料可以改善它們的浸潤性、 可印染性、 柔軟性、防縮水性、可編織性等性能。林立中介紹了一種他們發(fā)明的可以用于纖維材料處理的直流輝光放電等離子體裝置。 孫寧等采用 X射線衍射和掃描電子顯微鏡，研究了聚酯纖維在低溫等離子體處理后晶格結(jié)構(gòu)和表面形態(tài)方面發(fā)生的變化。李敏等用射頻氧等離子體處理細旦滌綸, 提高了上染率, 可以減少印染工藝中污染物的排放, 有利于環(huán)境保護。陳杰瑢等報道了他們在各種織物等離子體處理方面的研究進展。他們認(rèn)為，低溫等離子體對纖維的處理可以起到大幅度節(jié)水、 節(jié)能和環(huán)保的作用, 是 21世紀(jì)最有可能開發(fā)的革新技術(shù)9。3 同材料織物

13、的低溫等離子技術(shù)的應(yīng)用利用低溫等離子體處理活化纖維表面,使之能和后處理的各類整理劑(或單體)發(fā)生反應(yīng),使整理劑(或單體)牢度地固著在織物上,或者將浸軋整理劑(或單體)的織物用低溫等離子體處理,直接引發(fā)纖維與整理劑(或單體)發(fā)生反應(yīng),其作用相當(dāng)于焙烘.在反應(yīng)性、處理效果的耐久性、減輕纖維損傷及環(huán)境保護方面,低溫等離子體處理更具優(yōu)勢10。3.1對棉織物的應(yīng)用棉纖維用低溫等離子體處理后可改善其粘合性、接枝聚合性及染色性能。原棉纖維在經(jīng)低溫氧等離子體處理時，等離子體中大量基態(tài)氧和激發(fā)態(tài)氧原子等活性粒子將能量傳遞給棉纖維表面初生胞壁中的分子，使棉纖維表面的伴生物蠟脂、果膠在高能粒子轟擊下脫離表面，引起失

14、重并在棉纖維表面留下許多深淺不同的凹坑，引起棉纖維的表面刻蝕11。同時，大量氧活性粒子能使棉纖維表面氧化、接枝，從而使棉纖維吸水性增強。尺寸穩(wěn)定性等許多方面能獲得不同程度的改善，低溫等離子體除去布匹表面的棉蠟及織物表層夾雜物，使得染料更易附著在布匹纖維上，使染色更加牢固的前處理方法12。等離子體通過對布匹進行 30-300S左右的處理，可達到甚至超過濕法漂白棉纖維的精煉效果，從而使精煉的效果大大提高，同時干式精煉法具有節(jié)水無污染的突出優(yōu)點。 低溫等離子體用于棉針織物的前處理加工，屬于非水干式加工，是通過物理濺蝕或化學(xué)改性提高天然雜質(zhì)水溶性的方式，達到去除棉纖維上果膠、蠟質(zhì)等天然雜質(zhì)的目的，符合

15、當(dāng)今節(jié)能、降耗、清潔生產(chǎn)的發(fā)展方向13。3.2對羊毛織物的應(yīng)用羊毛纖維表面具有鱗片結(jié)構(gòu)，纖維的彈性也很好，因此在洗滌或濕加工時產(chǎn)生定向摩擦效應(yīng)，而使紗線和織物發(fā)生氈縮。為了改善羊毛紡織品的這種氈縮性能，通常是通過各種化學(xué)處理，破壞鱗片結(jié)構(gòu)或樹脂包覆鱗片來減少洗滌或濕處理過程中的定向摩擦作用，改善羊毛紡織品的防氈縮性能。不過化學(xué)處理方法存在不少問題。由于低溫等離子體處理的特點，不少科研人員研究用這種方法來改善羊毛的防氈縮性能14。3.3對滌綸織物的應(yīng)用滌綸和羊毛一樣，等離子體處理以后纖維的潤濕性大大改善，特別是用氦氣/氬氣等離子體處理后，水滲透時間大為縮短，這是由于纖維表面形成了較多的極性基團，

16、提高了纖維的表面能，所以容易被水潤濕，同理也容易被粘著。滌綸用等離子體處理后可以獲得持久的親水性、抗靜電性，染色性能、粘著性能等也可得到改善。半制品織物先進行等離子體處理，然后進行染色或整理等加工，可以改善染色和整理加工性能。同時，染色織物進行等離子體處理，主要進行表面刻蝕，增加顏色深度，并提高整理時的反應(yīng)性，還可以改善粘著性、抗靜電性和親水性等。另外，染色和整理后的織物進行等離子體處理，改善顏色深度，提高抗靜電性、親水性等15。3.4對真絲織物的應(yīng)用真絲織物因具有優(yōu)雅的光澤,柔軟的手感,輕盈飄逸的風(fēng)格,對人體具有保健功能和優(yōu)良的穿著舒適性能而倍受消費者青睞。但真絲織物因在穿著使用過程中存在著

17、彈性差、易起皺、易泛黃、抗菌性差、易起茸毛等缺點,從而在很大程度上限制了真絲織物的使用。在物質(zhì)生活變得越來越豐富,生態(tài)和健康問題已成為人們普遍關(guān)注焦點的今天,研究和生產(chǎn)有益于人類生態(tài)和健康的真絲紡織品,已成為當(dāng)今世界發(fā)展的潮流。因此,開發(fā)具有優(yōu)良抗皺、抗菌性能的真絲織物具有廣闊的市場前景。近年來,隨著對紡織品服用性能要求的提高,對真絲織物進行抗皺、抗菌整理已成為真絲織物整理技術(shù)發(fā)展的趨勢16。 采用低溫氧等離子體對真絲織物進行預(yù)處理,再用殼聚糖的檸檬酸溶液進行二浸二軋抗皺整理。對整理后的真絲織物進行力學(xué)性能和白度測試。實驗結(jié)果表明：經(jīng)低溫氧等離子體殼聚糖整理后織物的折皺回復(fù)角可比原樣提高50&

18、#186;左右,真絲織物的斷裂強力和白度都有一定的下降,但下降程度不大,整理后真絲織物的耐洗性也得到明顯改善,整理效果更為持久穩(wěn)定17。 真絲織物經(jīng)過等離子體殼聚糖整理后,其物理機械性能和抗菌性能有很大提高,使得其服用性能大大改善,更加滿足了人們對真絲織物高檔、舒適和具有特殊功能性的追求18。本實驗為進一步開發(fā)和利用絲綢產(chǎn)品,改善和提高絲綢產(chǎn)品的服用性能提供了方向。4 結(jié)語如今人們認(rèn)為紡織品向高功能性、高附加值發(fā)展是織服裝工業(yè)可持續(xù)發(fā)展的關(guān)鍵。因此，對憎水性、長效親水性、強力附著、抗菌性等特效覆面改性的需求日益增長。同時，對常規(guī)織物整理技術(shù)產(chǎn)生廢水的環(huán)境制約越來越嚴(yán)厲，也因此增大了運營成本。在

19、這樣的背景下，賦予織物新功能而言，等離子體整理被視為一種十分有效的替代方法。等離子體整理是一種清潔并且可持續(xù)發(fā)展的技術(shù)，產(chǎn)生的廢棄物最少19。與基于濕化學(xué)的整理方法相比，消耗更少的材料和能源具有潛在的顯著降低運營成本的特點。隨著紡織品染整新技術(shù)的不斷發(fā)展，低溫等離子體做纖維表面改性技術(shù)引起廣泛的關(guān)注。隨著常壓等離子體設(shè)備和技術(shù)的深入研究，不久的將來等離子體技術(shù)將會在紡織行業(yè)中得到更多的應(yīng)用20?？傊入x子體這一新的環(huán)保型處理工藝將會展現(xiàn)出其更廣闊的使用前景。參考文獻：1 許根慧，姜恩永等離子體技術(shù)與應(yīng)用M北京，化學(xué)工業(yè)出版社，20062 王生，張瑞萍等離子體技術(shù)在紡織印染工業(yè)中的應(yīng)用I-J-

20、I紡織科技進展，2009(1)：28313 陳潔珞，劉春葉，胡淼低溫等離子體在高分子材料領(lǐng)域中的應(yīng)用中國塑協(xié)專家論壇論文特輯，2005，23(11)：68724 滿衛(wèi)東，吳宇瓊，謝鵬等離子體技術(shù)：一種處理廢棄物的理想方法化學(xué)與生物工程，2009，26(5)：1-45 趙中華次輝光放電處理纖維素纖維的染整工藝研究，上海：東華大學(xué)碩士學(xué)位論文，2007：5-i46 孫寧, 劉倩, 戚紹祺等. 高分子材料科學(xué)與工程, 1994( 2): 34 Sun N, LiuQ, Q SQ et al. Polymer Materials Science& Engineering, 19947 陳杰瑢, 王雪燕, 李尊朝等. 紡織高?；A(chǔ)科學(xué)學(xué)報,1996 , 9( 4): 307 Chen JR, Wang X Y, Li ZC et al . Basic Sc