低溫等離子體技術(shù)在紡織材料表面改性中的應(yīng)用

低溫等離子體技術(shù)在紡織材料表面改性中的應(yīng)用

自20世紀(jì)50年代以來(lái)，對(duì)低溫離子技術(shù)的理論研究主要集中在其機(jī)械論和性能的研究上。到60年代末期開(kāi)始了其應(yīng)用研究。近十年來(lái)在利用等離子技術(shù)對(duì)紡織材料表面改性的應(yīng)用研究在國(guó)內(nèi)外均發(fā)展很快，表面改性是改善紡織材料表面性能的最直接、最有效的途徑。要實(shí)現(xiàn)理想的表面改性需要紡織材料既要保持原有的優(yōu)良特性又要獲取原來(lái)所不具備的表面改性特性，本文就這一問(wèn)題加以分析和探討。1等離子體氣體等離子體廣泛存在于宇宙空間（如太陽(yáng)及許多恒星、閃電均為等離子體）和日常生活中（如霓虹燈、等離子切割），是物質(zhì)的繼固、液、氣三態(tài)后的又一種聚集態(tài)———第四態(tài)。它是由極具反應(yīng)活性的電子、離子、自由基、激發(fā)態(tài)的原子、分子等活性粒子組成的聚合體（如氫的等離子體由電子、H+、H2+、H*、H2*組成）。等離子體中的正負(fù)電荷各自獨(dú)立存在，且數(shù)量相等，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。等離子體中的活性粒子還會(huì)因運(yùn)動(dòng)狀態(tài)的改變輻射釋放能量。因此，等離子體應(yīng)用于紡織材料處理時(shí)，一方面是活性離子直接參與反應(yīng)或轉(zhuǎn)移能量，另一方面是通過(guò)等離子體輻射的能量有效地激活反應(yīng)體系。根據(jù)熱力學(xué)理論，等離子體具有雙溫性，即電子溫度和離子溫度。按粒子溫度的不同，等離子體分為高溫等離子體（也叫熱平衡等離子體，存在于太陽(yáng)等宇宙中），其特征是電子溫度等于離子溫度；低溫等離子體（也叫非平衡態(tài)等離子體，如霓虹燈等），其特征是電子溫度（約104k）遠(yuǎn)高于離子溫度（300k～500k）。2等離子發(fā)生條件對(duì)紡織品品質(zhì)的影響紡織品處理常用的低溫等離子體一般由氣體放電法產(chǎn)生，即直流輝光放電、高頻輝光放電、微波放電。對(duì)紡織品的處理有許多不同的形式（刻蝕、接枝、聚合物）。需要哪一種形式為主的作用，不但要正確地選擇氣體，還要確定最佳的等離子發(fā)生條件。其條件受放電頻率、功率、反應(yīng)器的結(jié)構(gòu)與尺寸、氣體的種類(lèi)、壓力、流量及待處理的紡織品性質(zhì)等因素的影響，一般需視具體情況通過(guò)試驗(yàn)來(lái)確定。2.1等離子體掃描法利用非聚合性的無(wú)機(jī)氣體（Ar、H2、O2、N2等）的等離子體作用于纖維材料表面，活性粒子的能量轉(zhuǎn)移給纖維大分子或纖維大分子受到等離子體輻射能的照射，在材料表面產(chǎn)生自由基。這樣材料表面產(chǎn)生鏈自由基，可作為接枝起點(diǎn)，或引入新的官能團(tuán)，或進(jìn)行大分子鏈間交聯(lián)。還可能因?yàn)樽杂苫拇嬖?，使整理劑與材料的結(jié)合牢度加強(qiáng)或?qū)Σ牧系娜菊幚砀欣?.2引入-nh3或含氧官能團(tuán)利用含特定粒子氣體的等離子體，在材料表面自由基位置引入新官能團(tuán)，如引入-NH3或含氧官能團(tuán)-OH、-OOH。根據(jù)需要引入官能團(tuán)，如提高親水性、疏水性、防油性、防污性、粘著性或以提高材料的印染性能為目的引入其它官能團(tuán)。2.3鏈自由基合成纖維利用He、Ar等惰性氣體的等離子體處理材料表面。惰性氣體理論上不參與任何表面反應(yīng)，只是把能量轉(zhuǎn)移給表面分子使之活化，生成一種鏈自由基。自由基之間又發(fā)生交聯(lián)反應(yīng)，在纖維表面生成一種致密的交聯(lián)層。這樣就可以強(qiáng)化表面層、提高纖維材料的耐磨性、粘著性及耐化學(xué)品性，對(duì)化學(xué)纖維中的添加劑具有防止?jié)B出作用，保護(hù)纖維的體相性能。2.4刻蝕處理作用機(jī)理利用惰性氣體或反應(yīng)氣體的等離子體處理材料表面，表面大分子活化分解。被分解的單體可能重新在材料表面聚合，也可能生成氣體而揮發(fā)掉。前者使材料明顯粗面化，后者對(duì)材料表面有刻蝕作用（或清潔作用）。(1)若固相為纖維材料，刻蝕結(jié)果使纖維表面粗化并增加了纖維比表面積，可以改善該纖維的可紡性，有利于增加涂層劑或其它整理劑與材料結(jié)合牢度；比表面積的增加有利于提高濕處理速率。(2)若固相為紡織材料表面的漿料、油脂等雜質(zhì)，通過(guò)等離子體的灰化作用（等離子體與雜質(zhì)作用生成氣體跑掉）達(dá)到退漿、精練的效果。2.5材料表面覆膜有機(jī)氣體單體的等離子體在氣相聚合成膜并沉淀于材料表面，在材料表面上覆膜。根據(jù)實(shí)際需要在材料表面沉積防水膜、防油膜、親水膜、保護(hù)膜、金屬化膜或其它功能性膜等。2.6材料表面的樹(shù)枝用等離子體做能源，輻照材料和待接枝單體的反應(yīng)體系，活化后放在適當(dāng)?shù)臏囟认路磻?yīng)。一般在室溫下即可進(jìn)行。3等離子體改性等離子體對(duì)纖維進(jìn)行改性有三種形式：(1)等離子態(tài)刻蝕及注入處理，如用氧等離子體處理纖維，可在纖維表面產(chǎn)生氧化分解反應(yīng)、刻蝕表面，從而增加表面面積，改善材料的粘合、染色、吸濕、反射光線(xiàn)、摩擦、手感、防污、抗靜電等性能。(2)等離子體交鏈改性，在活性粒子的沖擊下，有機(jī)物的氫離子等被釋放出來(lái)形成自由基，再通過(guò)自由基的結(jié)合，分子鏈間形成交鏈，在纖維表面形成膜，這種膜的性質(zhì)與本體材料相近，這是人為粘結(jié)所達(dá)不到的。(3)等離子體的表面接枝作用，由于在纖維表面形成了自由基，它的活性較大，如與氧發(fā)生反應(yīng)在表面引入了羰基、醛基、羧基，改善了親水性。它亦可以與其它原子發(fā)生反應(yīng)，改善其它一些性能。3.1由于棉的等表面變化3.1.1棉纖維表面水性物質(zhì)由于刻蝕作用可去除棉纖維上的油蠟，等離子體對(duì)棉纖維表面的刻蝕、氧化，使棉纖維表面的拒水性物質(zhì)如果膠、蠟質(zhì)被轟擊而減少，從而使棉纖維的吸水性增加，可能是刻蝕作用對(duì)表面基團(tuán)的破壞作用所致。用低溫空氣等離子體對(duì)高分子材料進(jìn)行表面改性處理較濕法化學(xué)處理有其獨(dú)特的優(yōu)點(diǎn)是：表面作用不會(huì)破壞本體結(jié)構(gòu)，改性程度可按照需要通過(guò)控制處理?xiàng)l件的相關(guān)參數(shù)確定。3.1.2天然雜質(zhì)的處理由于刻蝕作用可去除棉紗上的漿料，微波低溫等離子體在棉織物前處理中有退漿及去除纖維素纖維天然雜質(zhì)的功效，且去雜效率較高，作用明顯。這種去雜效果與處理功率、氣體壓力、時(shí)間有密切關(guān)系。棉織物在適當(dāng)條件下經(jīng)O2微波低溫等離子體處理后，綜合性能明顯提高；與常規(guī)工藝相比具有更佳的毛效和基本一致的強(qiáng)力、白度及染色K/S值，其效果可與傳統(tǒng)的退漿、煮練工序相媲美。3.1.3等離子體處理可紡纖維在紗線(xiàn)的應(yīng)用研究表明粗紗經(jīng)氧氣電暈等離子體處理后，抱合力可增加四倍，雖抱合力也會(huì)很快減少，但最后的棉紗強(qiáng)力還可以增加24%左右，改善了可紡性，提高了紗和織物的強(qiáng)力，耐磨性也得到提高，經(jīng)掃描電鏡觀察得知經(jīng)等離子體處理的纖維表面有明顯的“螺紋”狀刻痕，并且這些“螺紋”狀都呈均勻的分布，提高了紗線(xiàn)之間的抱合力，從而提高了可紡性。經(jīng)核磁共振波譜圖也發(fā)現(xiàn)，經(jīng)氬、氮或空氣等離子體處理后，棉纖維表面的羰基、羥基、過(guò)氧基團(tuán)以及自由基增多，棉的吸濕和吸油速度大大提高。3.1.4等離子體處理棉纖維表面處理經(jīng)銅乙二氨溶液處理后發(fā)現(xiàn)，未經(jīng)等離子體處理的棉纖維會(huì)完全溶解，而經(jīng)等離子體處理的棉纖維尚有部分未溶解，這表明經(jīng)等離子體處理后，纖維表面發(fā)生了部分交鏈。利用這一特性可改善纖維的防皺性能，若在介質(zhì)中加入氟單體可起到拒水整理的作用。3.1.5性能表面改性表面產(chǎn)生的自由基離子一部分通過(guò)碎片化和異構(gòu)化作用而引入大量親水基團(tuán)，能與活性染料分子相互作用的親水基團(tuán)的存在，將極大地增強(qiáng)纖維表面的吸水性，可改善其染色性能。3.2羊毛的防縮性能羊毛的氈縮性能是由于羊毛表面具有鱗片層結(jié)構(gòu)，以及良好的彈性。通過(guò)輝光放電等離子體處理采用不同的溫度以及改變氣體介質(zhì)，發(fā)現(xiàn)溫度影響很小，且只有當(dāng)氣體介質(zhì)為氟碳組成時(shí)，羊毛的收縮率才為5%～10%，而且有很好的拒油性，分析證明氟原子已引入了羊毛紗的表面，耐洗性好，證明羊毛和氟碳組成了共價(jià)鍵結(jié)合。收縮率降低的主要原因是由于(1)羊毛表面發(fā)生了刻蝕，一部分鱗片被破壞；(2)羊毛表面發(fā)生了交鏈聚合，覆蓋了部分鱗片層，阻礙了鱗片效應(yīng)。由于這兩個(gè)原因，羊毛的氈縮性能大大降低。采用電暈放電等離子體處理羊毛也可改善它的氈縮性能。通過(guò)觀察發(fā)現(xiàn)，羊毛的鱗片層沒(méi)有明顯的改變，雖然雙向摩擦都有增大，但兩者之間的差明顯減少，將有利于降低氈縮。這說(shuō)明低溫等離子體改善羊毛氈縮的機(jī)理是相當(dāng)復(fù)雜的。3.3表面活性劑和絲綢的表面活性劑3.3.1氣體等離子體處理滌綸纖維滌綸的潤(rùn)濕性經(jīng)等離子體處理后得到較大的提高，這是由于纖維表面形成較多的極性基團(tuán)，提高了纖維的表面能。不同的氣體等離子體處理后滌綸的表面張力有所不同，若采用CF4、CHF3、CClF3等氣體處理，滌綸纖維表面張力不但不增大反而減少，這并不是說(shuō)，經(jīng)此類(lèi)氣體等離子體處理后，纖維表面不發(fā)生刻蝕，沒(méi)有自由基產(chǎn)生，而是由于氟原子參與進(jìn)去后，形成了拒水薄膜，纖維表面張力降低。但如采用氧，則表面張力增大，主要是引入了親水性基團(tuán)。3.3.2染色工藝對(duì)不同染色效果的影響增深作用主要考慮對(duì)滌綸白坯織物、染色織物、經(jīng)整理后的織物，起作用原理不同，作用效果相差較大，其中對(duì)染色但未整理的織物的增深效果最為明顯。3.3.2.分散染料染色與亞甲基藍(lán)染色的控制要點(diǎn)主要是考慮百分率的提高，不同的染料要求有不同的氣體對(duì)它處理，并且作用時(shí)間要注意。若滌綸采用分散染料染色，則要求纖維表面的極性基團(tuán)不能太多，因而不能采用氧氣來(lái)對(duì)它處理，作用時(shí)間也要控制在1～2秒之間，但若采用亞甲基藍(lán)染色，則酸性基團(tuán)的增加會(huì)增加對(duì)亞甲基藍(lán)的染色性能。總的來(lái)說(shuō)，由于等離子體處理僅對(duì)纖維表面起作用，因而它對(duì)上染百分率的提高不是很大。3.3.2.不同氣體種類(lèi)的氣體，對(duì)于種主要建立在纖維表面的刻蝕基礎(chǔ)上，由于纖維表面被刻蝕后，改變了原來(lái)的平滑表面，降低了對(duì)光的反射，達(dá)到了增深效果，因而每種氣體都能達(dá)到增深的效果，但隨著氣體種類(lèi)的變化，效果有明顯的差異，其中氬、氧、氦氣等離子體效果好，而氨等離子體效果較差。而且在一定的范圍內(nèi)增深效果隨著處理時(shí)間的延長(zhǎng)而增加。3.3.2.樹(shù)脂整理對(duì)織物刻蝕的影響其原理與染色織物的原理相同，唯一要多考慮的是經(jīng)整理后的織物，若其采用的是樹(shù)脂整理，那它對(duì)等離子體的刻蝕有阻礙作用，但隨著時(shí)間的推移，也會(huì)有一定的刻蝕作用，起到增深作用。3.4麻的陽(yáng)離子表面改造3.4.1用低溫離心機(jī)處理亞麻布經(jīng)低溫等離子體處理的亞麻纖維表面膜受到破壞，潤(rùn)濕性增加，提高了纖維彼此間及與整理劑間的粘附力。3.4.2等離子體處理、整理劑整理后織物染色性能的變化3.4.2.1經(jīng)氧等離子體處理的苧麻織物不僅表面被刻蝕，吸濕性提高，而且纖維表