安紅玉，楊建忠，郭昌盛

(西安工程大學(xué)紡織與材料學(xué)院,陜西西安 710048)

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低溫等離子體技術(shù)在紡織中的應(yīng)用

安紅玉，楊建忠，郭昌盛

(西安工程大學(xué)紡織與材料學(xué)院,陜西西安 710048)

摘要：論述了低溫等離子體作用機(jī)理，闡述了低溫等離子體技術(shù)在不同種類的纖維、織物、粗紗、毛條等方面的應(yīng)用和研究現(xiàn)狀，并對(duì)低溫等離子體技術(shù)在紡織中的應(yīng)用發(fā)展趨勢進(jìn)行了展望。

關(guān)鍵詞：低溫等離子體纖維織物退漿

等離子體是物質(zhì)的一種狀態(tài)，和固態(tài)、氣態(tài)、液態(tài)一樣，是指部分或者完全電離的氣體，并且自由電子和離子所帶正、負(fù)電荷總和完全抵消，也稱為物質(zhì)的第四態(tài)，起源于20世紀(jì)60年代，是一門交叉性很強(qiáng)的新興學(xué)科[1，2]。等離子體作用于材料表面(深度僅為100nm以內(nèi))，不會(huì)損傷材料的主體性能，已經(jīng)廣泛應(yīng)用于冶金、化工、醫(yī)療、機(jī)械、紡織、能源、電子、半導(dǎo)體等領(lǐng)域，在紡織行業(yè)中，常用的是低溫等離子體(等離子體可分為高溫等離子體和低溫等離子體)[3，4]。

在紡織行業(yè)中，低溫等離子體技術(shù)不僅可以應(yīng)用于纖維材料，還可以應(yīng)用于粗紗、毛條、織物等，從而改善材料表面相關(guān)性能，彌補(bǔ)材料表面性能缺陷等。對(duì)于纖維材料，一般改善其表面形貌，引入親水性基團(tuán)，提高上染料和色牢度等；對(duì)于織物，可以精煉、退漿、漂白、增加新的功能如拒水、拒油等；對(duì)于粗紗和毛條等，提高纖維間的抱合力，可用低級(jí)毛料紡制高支紗提高原料利用率，降低紡制高支紗的斷頭率，提高織物的耐磨性等[5，6]。

1低溫等離子體作用機(jī)理

低溫等離子體是指在直流電弧放電、電暈放電、微波放電、輝光放電、射頻放電等條件下所產(chǎn)生的部分電離氣體。在紡織行業(yè)應(yīng)用最多的是輝光放電和電暈放電，它們的放電介質(zhì)、電子能量的高低和活性因子滲透被處理的纖維材料的能力都不同。輝光放電的電子能量高，對(duì)被處理的紡織材料的表面改性更強(qiáng)烈。低溫等離子體中各種活性因子與材料表面是一個(gè)能量直接轉(zhuǎn)移的過程，其作用深度僅為幾個(gè)單分子層，不會(huì)損傷材料本體的機(jī)械強(qiáng)度，等離子體對(duì)化纖作用的主要特征或機(jī)制可概括為CAP(Competitive ablation and polymerization,競爭性刻蝕與聚合)模型[7，8]，如圖1所示。

圖1　等離子體對(duì)紡織材料的作用

2低溫等離子體在紡織纖維中改性應(yīng)用

紡織類的纖維有很多種，按照來源和習(xí)慣可分為天然纖維和化學(xué)纖維，而天然纖維可分為天然蛋白質(zhì)纖維、天然纖維素纖維和礦物類纖維，化學(xué)纖維可分為合成纖維、再生纖維和無機(jī)纖維[9]。每種纖維表面性能都存在一定的缺陷，如苧麻纖維染色性和色牢度差，羊毛氈縮性，兔毛表面光紡紗性差，玄武巖纖維、陶瓷纖維、金屬纖維等無機(jī)纖維表面能低、復(fù)合粘結(jié)性差，滌綸、PBO、PPS、UHMWPE等纖維表面活性基團(tuán)少、吸濕性差等。經(jīng)過低溫等離子體改性后，表面性能缺陷都能得到一定程度的改善。

2.1低溫等離子體在天然纖維中改性研究

棉纖維經(jīng)過低溫等離子體處理后，纖維表面由于低溫等離子體刻蝕的作用變得粗糙，增加了纖維間的抱合力，提高了其可紡性。同時(shí)，表面的棉蠟分解成二氧化碳和水，起到精煉和漂白的效果，在氧氣等離子體作用下效果更為明顯，棉花的吸濕性可提高15%[10，11]。N.V.Bhad[12]利用空氣低溫等離子體處理棉纖維，發(fā)現(xiàn)棉纖維表面的電阻率下降了。陳杰瑢[13]分別利用含氨和氟氣低溫等離子體處理棉纖維，結(jié)果表明，表面引入酰胺基的棉纖維折皺回復(fù)性提高，表面引入含氟基團(tuán)的具有拒油拒水性。麻纖維具有良好的天然抗菌除臭、易洗快干、透氣涼爽等優(yōu)異性能，但其分子結(jié)構(gòu)緊密，結(jié)晶取向度高，使其染色性和色牢度差。低溫等離子體處理后，表面的膠質(zhì)分解，形成許多親水性基團(tuán)、微小的凹凸坑和裂紋，其毛細(xì)效應(yīng)、染色鮮艷度和色牢度得到明顯改善，放電時(shí)間30s較佳[14，15]。竹原纖維具有其他天然纖維無法比擬的優(yōu)點(diǎn)，但是其單纖維過短不具有可紡性，需要采用化學(xué)方法脫膠處理，但是煮練效率偏低，限制其應(yīng)用與發(fā)展。而先經(jīng)過低溫等離子體處理后，失重率達(dá)到8.71%，煮練效率得到明顯提高，最佳工藝參數(shù)為放電壓強(qiáng)20Pa,放電功率為150W，放電時(shí)間為240s[16]。

低溫等離子體技術(shù)可以改善羊毛防縮性、吸濕性和可染性。低溫等離子體改性后，羊毛的定向摩擦系數(shù)降低，羊毛的表面摩擦系數(shù)提高，而羊毛的斷裂強(qiáng)度并未下降，也可以利用低溫等離子體打掉羊毛表面的鱗片，從而提高了羊毛纖維的防縮性[17]。羊毛纖維尖端和根部染色不勻，而經(jīng)過低溫等離子體處理后纖維表面出現(xiàn)凹槽，使染料可以滲入纖維的根部和尖端，同時(shí)也提高了上染率。不同的氣體對(duì)羊毛纖維的染色性和上染率影響也不同。Kan C W[18]發(fā)現(xiàn)經(jīng)過低溫等離子體處理后的羊毛表面含氧和氮基團(tuán)數(shù)目增多，極性增強(qiáng)，吸附染料的能力增強(qiáng)，改善了染色性能。山羊絨是由鱗片層和皮質(zhì)層組成，因此也具有羊毛的性能缺陷，經(jīng)低溫等離子體處理后，纖維的吸濕性得到提高，且較佳工藝參數(shù)為放電壓強(qiáng)20Pa,放電功率為70W，放電時(shí)間為150s[19]。兔毛是一種高級(jí)的紡織原料，手感好，不易起球，但其表面摩擦系數(shù)極低，難以抱合，以致不能直接用來紡織，經(jīng)低溫等離子體處理后，可紡性提高20%，吸濕性提高15.1%，上染率提高12%[11,20]。蠶絲經(jīng)過低溫等離子體處理后，大大改善了其潤濕性，加速絲膠的水溶性，減弱了絲膠與絲束的附著力，有利于絲膠的溶解去除[21，22]。

2.2低溫等離子體在無機(jī)纖維中改性研究

無機(jī)纖維是以無機(jī)物為原料制得的化學(xué)纖維。無機(jī)纖維分為無機(jī)物與無機(jī)化合物纖維(如碳纖維、玻璃纖維、陶瓷纖維、玄武巖纖維等)和金屬纖維(如銅合金纖維、不銹鋼纖維等)[23]兩大類。無機(jī)纖維傳承了礦物具有的優(yōu)良的性能，有著有機(jī)纖維所沒有的優(yōu)異特性，但是無機(jī)纖維構(gòu)成元素性能大多數(shù)呈惰性且纖維表面比較光滑，在一定程度上限制著在復(fù)合材料方面的應(yīng)用。

儲(chǔ)長流等[24]利用低溫等離子體在N2的條件下對(duì)玄武巖纖維進(jìn)行改性，結(jié)果表明，在40Pa、60W和15min的工藝條件下改性效果最佳，接觸角差異由2.97增加到37.57，回潮率增加了近7倍，達(dá)到0.83%。畢松梅等[25]在同樣的條件下，通過正交試驗(yàn)得出復(fù)合材料力學(xué)性能較優(yōu)工藝參數(shù)：20Pa、100W和5min，經(jīng)等離子體改性后，復(fù)合材料的界面相容性得到提高，促進(jìn)了聚丙烯在纖維與樹脂界面處的異相成核，使聚丙烯的結(jié)晶度增加。王德生等[26]采用低溫等離子體技術(shù)改性玻璃纖維，改性后纖維表面變得粗糙，出現(xiàn)刻蝕的痕跡，引入新的離子N+，同時(shí)，也提高了吸濕性和與復(fù)合材料的粘結(jié)性。Dilsiz N等[27]研究了碳纖維在烯丙基氰和二甲苯/空氣/氬氣條件下等離子體處理后性能的變化，發(fā)現(xiàn)碳纖維的斷裂強(qiáng)度和伸長率均提高15%左右，其復(fù)合材料的層間剪切強(qiáng)度提高9%。賈玲等[28]利用低溫等離子體在碳纖維上接枝芳基乙炔，提高了碳纖維與環(huán)氧樹脂的浸潤性，接枝后的碳纖維復(fù)合材料的剪切強(qiáng)度提高21%。

2.3低溫等離子體在合成纖維中改性研究

普通合成纖維中，有一部分不易染色，吸濕性極差，如滌綸、丙綸。經(jīng)過低溫等離子體處理后，其表面出現(xiàn)微小裂紋或者凹坑，從而提高纖維的吸濕性，色牢度。狄劍鋒[29]利用低溫等離子體處理丙綸后發(fā)現(xiàn)，纖維與甘油的接觸角由69℃下降到21℃，減少了70%。

高性能纖維是近些年來高分子材料領(lǐng)域中迅速發(fā)展的一類纖維如PBO、PPS、UHMWPE、芳砜綸等，具有高強(qiáng)度、高模量、耐強(qiáng)腐蝕、耐高溫和抗燃性能好等優(yōu)異性能，但這些纖維的表面比較光滑，表面能較低，具有活性的表面一般不超過總表面積的10%。因此，這類纖維作為增強(qiáng)纖維時(shí)，很難通過化學(xué)的或物理的作用與基體形成牢固的結(jié)合[7]。 Wu G M等[30]利用低溫等離子體在氧氣的條件下改性PBO纖維，處理5min后，復(fù)合材料的IFSS提高37.5%，復(fù)合材料的破壞由界面脫粘轉(zhuǎn)變?yōu)榛w部分破壞，由此推出，PBO纖維與基體的粘結(jié)性得到提高。王書忠等[31]研究發(fā)現(xiàn)，HSHMPE纖維經(jīng)過低溫等離子體處理，對(duì)乙二醇的浸潤性提高，纖維表面有許多活性基團(tuán)(含氧基團(tuán))引入，表面產(chǎn)生許多溝槽，復(fù)合材料的ILSS增加3倍以上。趙萌[32]利用低溫等離子體在兩種氣體(空氣、氧氣)的條件下處理PPS纖維，比較并分析了在兩種不同條件下處理后纖維性能的差異，發(fā)現(xiàn)在不同的氣體中，改性后纖維表面的C-O均提高3倍以上，而剝離功分別提高51.5%和34.6%。郭昌盛等[33]采用空氣條件下低溫等離子體改性PBI纖維，結(jié)果表明：經(jīng)過空氣低溫等離子體處理后的PBI纖維，吸濕性得到進(jìn)一步提高，強(qiáng)度和摩擦因數(shù)也會(huì)適度增大，從而可以提高了其他材質(zhì)復(fù)合粘結(jié)的牢度，且在放電功率150W、放電氣壓20Pa和放電時(shí)間180s的條件下，效果最好。

3低溫等離子體對(duì)織物表面改性研究

低溫等離子體處理棉織物既可以改性如進(jìn)行防皺、阻燃、衛(wèi)生等功能性整理，又可以對(duì)其進(jìn)行精煉、漂白和退漿。采用氨氣低溫等離子體處理，可以提高織物的干折皺回復(fù)性；采用氟氣低溫等離子體處理，使織物獲得良好的拒水性；采用丙烯氰氣低溫等離子體處理，可以獲得改性的氰乙基棉。Shujing Peng等[34]采用Ar/O2混合氣低溫等離子體對(duì)棉織物進(jìn)行退漿研究，結(jié)果表明，處理后漿料中的大分子鏈發(fā)生鏈斷裂和氧化分解，放電時(shí)間1min的退漿效果和傳統(tǒng)化學(xué)處理相當(dāng)。放電時(shí)間為6min時(shí)，纖維表面和未上漿的纖維一樣干凈，其毛細(xì)效應(yīng)隨著放電時(shí)間的增加而顯著提高。王鴻曉等[35]利用低溫等離子體對(duì)亞麻織物進(jìn)行退漿研究，發(fā)現(xiàn)工藝參數(shù)為放電壓強(qiáng)30Pa，放電功率200W，放電時(shí)間5min時(shí)，退漿效果最好，其處理后只需在6g/L的NaOH退漿處理10min，就能達(dá)到常規(guī)10g/L的NaOH退漿處理30min的效果，且其毛細(xì)效果更好。孫迪等[36]利用氬低溫等離子體對(duì)真絲織物就行處理，發(fā)現(xiàn)氬低溫等離子體對(duì)真絲織物的外層和中層的絲膠溶解度有促進(jìn)作用，一定程度上抑制內(nèi)層絲膠溶解，低溫等離子體可作為絲綢脫膠工藝前處理。蘇靜等[37]利用低溫等離子體對(duì)聚丙烯紡粘/熔噴/紡粘(SMS)復(fù)合非織造材料性能的影響，結(jié)果表明，材料表面出現(xiàn)明顯的刻蝕，與水接觸角由處理前的62.3℃降低至0℃，潤濕性得到有效改善。

4低溫等離子體對(duì)其他紡織材料表面改性研究

棉粗紗經(jīng)過氯氣低溫等離子體處理后，纖維間的抱合力可以提高4倍，較顯著的提高了細(xì)紗支數(shù)，細(xì)紗的耐磨強(qiáng)度提高51%，從而提高了織物的耐磨性[38，39]。Stone和Batten利用低溫等離子體技術(shù)用于棉紗處理，發(fā)現(xiàn)處理后的棉紗吸濕性顯著提高，且其低捻度下的強(qiáng)力也能增加31% ～76%。也曾有學(xué)者利用低溫等離子體處理羊毛條，改善羊毛條的質(zhì)量，處理后，毛條的短毛率提高，回潮率普遍下降，而紗線性能沒有明顯變化，但紡制高支紗時(shí)線斷頭率明顯下降[4]。

5結(jié)論

與傳統(tǒng)的紡織材料加工技術(shù)相比，低溫等離子體技術(shù)是固體與氣體直接反應(yīng)的，全在干態(tài)下進(jìn)行，較環(huán)保，節(jié)能。同時(shí)，該技術(shù)又具有反應(yīng)時(shí)間短、材料機(jī)械性能損失小，可得到不同的效果等優(yōu)點(diǎn)。但是低溫等離子體技術(shù)也存在一定的缺陷，如改性效果存在時(shí)效性、反應(yīng)條件設(shè)定參數(shù)比較多、對(duì)反應(yīng)裝置依賴性大、抽真空和連續(xù)化比較難等。技術(shù)創(chuàng)新帶動(dòng)產(chǎn)業(yè)發(fā)展，相信低溫等離子體技術(shù)一定可以為提高紡織材料品質(zhì)和環(huán)境保護(hù)開創(chuàng)出一條綠色通道，低溫等離子體技術(shù)也會(huì)越來越完美，在紡織行業(yè)中的應(yīng)用會(huì)越來越廣。

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中圖分類號(hào)：TS195

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：1008-5580(2016)02-0154-04

通訊作者：楊建忠(1964-)，男，博士，教授，碩士生導(dǎo)師。

收稿日期：2016-01-20

第一作者：安紅玉(1992-)，女，碩士研究生，研究方向：紡織材料改性及功能性紡織材料研究開發(fā)。