摘要:等离子体技术作为一种环境友好型的新工艺,在纺织工业中的应用正越来越受到人们重视。重点综述了近年来等离子技术在纤维材料印染加工的应用状况,并简要介绍了等离子体设备的发展现状。

关键词:等离子体;纺织印染;应用

等离子体表面改性是一项高新技术,它是一种以物理手段处理纤维达到化学处理效果的方法。等离子体表面改性是干态处理,节能节水、清洁高效、操作简单且易控制、环境污染小。经过该方法处理的织物仅涉及纤维的表面,不破坏纤维自身的性质,使纤维表面特性得以改变而达到理想的应用效果。这样既可保持织物原有优点,又可赋予其新特性或消除某些缺点。因此,等离子技术符合可持续性发展战略的要求,正越来越受重视。

1等离子的概念及基本特性

当气态物质的温度升高,气体分子的热运动会加剧,当温度升高到一定程度时,构成分子的原子获得足够大的动能,便开始彼此分离,分裂成单个原子,这一过程称为离解。若再进一步加热,原子外层的电子便摆脱原子核的束缚而成为自由电子。最终使构成气体的分子及原子成为带正电荷的离子,这个过程称为电离。等离子体指的就是这种电离气体,是一种导电率很高的导电流体,它是一种属于物质三态之外的另一种性质奇特的物质聚集态,即通常所说的物质的“第四态”。由于在这种聚集态中电子的负电荷总数与离子的正电荷总数在数值上是相等的,宏观上呈现电中性,因而又称其为等离子体。

一般将等离子体分为高温等离子体和低温等离子体两类。前者又称为平衡等离子体,它的电子和分子或原子类粒子都具有非常高的温度,一般用于处理熔点较高的物体,如钢铁、喷丝板、化纤的导丝部件等各种金属制品;后者又称为非平衡等离子体,它的电子和分子或原子类粒子的温度比较低,一般用于处理熔点较低的物体。目前,在纺织领域中应用的等离子体主要是低温等离子体。

1·1等离子体产生的方法

等离子体可以通过多种方法产生。自然界中的日光、雷电和极光都可以产生等离子体。实验室主要采

1·2低温等离子体处理纺织品的作用方式

低温等离子体的作用方式主要有三种:等离子体表面处理改性(PST法)、等离子体接枝聚合(PGP法)和等离子体沉积聚合(PPD法)。PST法是指对材料表面或极薄表层的活化、刻蚀处理,通常称为减量处理。因为低温等离子体中的电子等活性因素的能量(高达20eV)比有机化合物的化学键能(<10eV)高得多,在化学性上很活跃。当处理有机化合物时,很容易使被处理物表面纤维发生断裂,从而改善纤维或织物的吸湿性、拒水性、抗污性及染色性等性能。PGP法是运用等离子体作用首先使表面活化,并引入活性基团,然后再运用接枝方法在原表面上接上许多活性支链,构成新表层。PPD法是将有机化合物的气体形成等离子体状态,通过控制工艺条件,使其沉积在处理物表面形成覆膜的方法。后两类是增量处理法。

2等离子技术在纺织印染中的应用

国外在高分子材料的研究和应用上使用等离子技术起步较早。从目前各国的研究状况来看,美国的研究工作比较系统,偏重于等离子体改性的基础研究[6~8]。日本的研究则偏重于应用领域。目前等离子体在纺织印染行业应用的整体趋势是向工业实用性方向发展。

等离子体技术在纺织印染中的应用始于上世纪50年代,我国从80年代开始将等离子体技术应用到纺织品工业中。在纺纱织造过程中,可用等离子体作用于织物的上浆,使纱线上浆均匀;在印染前处理过程中,等离子体技术能够优化织物的退浆、精练,提高前处理效率,还可以改进染色和印花工艺,使工艺高效、经济、环保;在印染后整理过程中,等离子体处理对织物抗静电性、抗起毛起球性、易去污性、拒水拒油性等有着显著的效果,这对于提高织物的附加值有着积极的意义。同时等离子体处理与其它整理剂结合使用,

2·1纤维素纤维的等离子体处理

等离子体处理棉纤维一般是等离子体的表面处理改性法(PST法),可以改善纤维的黏合能力和润湿性能,提高染色性能。早在1992年日本山东铁工所就开发设计了连续式低温等离子体处理装置,实现了对棉等纤维素纤维的退浆、精练的加工。利用辉光放电,氧化性气体等离子将棉织物上的PVA等浆料的分子链切断,引入了羧基、羟基等亲水性基团,使PVA更加容易去除。棉织物经过等离子处理后强力不会下降。蔡再生,邱夷平等人研究发现利用常压等离子体作用在前处理退浆过程中,可以使部分PVA浆料大分子氧化成小分子,如CO2、H2O而直接消失在空气中,另一部分PVA大分子被氧化降解成分子链较短的分子,从而提高PVA在水中的溶解率,进而有助于PVA浆料去除。同时经FT-IR测得PVA的C-C、C-H键减少,C-O、O-C-O键增加,亲水性增强,有利于退浆。

陈森,陈英等人研究发现经过氩气等离子体(50W,1min)处理的棉织物再经过5g/LNaOH退浆处理10min,能达到常规碱退浆10g/LNaOH退浆30min的退浆率,而且其毛效也高于一般常规碱退浆的效果。对纤维的损伤程度小于常规碱退浆,单纱的强力较高。经过等离子处理的纤维素纤维染色效果也得到增强,上染率提高。

目前,意大利HTPUNITEX(尤尼泰克斯)公司推出的DPR等离子体设备已成功应用于平幅织物的退浆工艺。设备公称宽度500~3500mm,速度为5~50m/min。基本原理是在抽真空(20~200Pa),温度为50℃下,通入氮气,利用高压施加于电极产生的等离子体对织物进行退浆。等离子体有效地切断织物上浆料的分子键,提高了退浆率,改善了染色性能,并大大缩短了前处理水洗流程,节水、节气、经济、环保。

葡萄牙Minho大学纺织工程部研究发现,在棉织物丝光前,先采用Softal电晕放电装置对织物进行等

经过等离子处理的棉织物在染色性能上也有很大提高,Oz-dogan等人用不同的气体等离子EDA(乙二胺)和TETA(三乙烯四胺)在13.56MHz下处理棉针织物,经过等离子处理的棉织物颜色优于没有经过等离子处理的。实验得出经TETA等离子体处理15min后棉针织物的K/S值最高。

麻纤维具有良好的机械物理性能和卫生保健性能。但是由于其取向度高,染色性较差,不易染成深色、而且鲜艳度也较差。研究发现,利用等离子体处理苎麻纤维,对苎麻的表面进行刻蚀,引入亲水性基团,可显著的增加毛细管效应,使纤维表面的润湿性大大改善,提高了染料在纤维中的扩散效率和增大了纤维对染料的吸附量。同时表面粗糙程度也有所增加,增大了表面积,失重率增加。研究发现当放电功率增大到40W时的上染率和增深性都达到最大。如果功率继续增大,上染率和增深性反而下降,这可能是因为随着功率增大,等离子体中粒子数量增多,能量增大,苎麻表面氧化程度越高,降低了纤维对染料的吸附能力。

李淳,王晓等人利用不同气氛下等离子气体引发亚麻织物接枝丙烯酸,空气与氦气引发产生的接枝物比氮气引发产生的要均匀。其中空气等离子处理接枝效果最优。再经研究发现对接枝后的亚麻进行活性染料染色,织物的干湿摩牢度、水洗牢度都得到提高。染料的上染率、染色牢度、得色深度也有一定程度的提高。

据报道,俄罗斯纺织科研工作者在研究中为了提高亚麻的印花效果,用半漂染和漂白亚麻织物进行了等离子体处理,处理后织物的毛细效应分别提高1倍和1.5倍,处理后原色织物和漂白织物试样的白度几乎不变。然

2·2蛋白质纤维的等离子体处理

传统的羊毛防毡缩采用的是氯化方法,此方法容易使纤维降解过重,纤维的强力及机械性能降低。此外氯化对环境污染严重。

Hesse等用等离子体处理羊毛,利用等离子体中的高能粒子对羊毛表层进行轰击,表面产生刻蚀,纤维表面微观粗糙化,使羊毛纤维表层变的平滑,鳞片层边缘部分损伤,呈不规则形状,并明显钝化,定向摩擦系数降低,使羊毛手感变好,降低毡缩率。但是仅用等离子处理羊毛其织物的防毡缩效果下降有限。国内郭勇、蔡再生等人也利用低温等离子体和Savinas型酶或ProtexMultiplusL型酶结合进行羊毛防毡缩整理,效果十分明显,而羊毛的优良性能几乎不变。虞学锋等人利用低温等离子体和MTG酶结合对羊毛进行防毡缩整理,使得羊毛织物毡缩率降幅达85%,而断裂强度和断裂延伸度都有所提高。钟安华等人研究的等离子结合壳聚糖和生物酶对羊毛织物防毡缩处理,羊毛织物经过等离子处理后,先用壳聚糖溶液处理,利用壳聚糖在织物表面可以成膜保护生物酶对羊毛织物的二硫键的过分破坏,防止羊毛过度损伤。改善了羊毛的手感、悬垂性等性能。

经过等离子体处理后的羊毛的染色性能也得到大大提高。国外El-Zawahry等人利用低温氮气等离子体处理羊毛织物,在羊毛的表面进行刻蚀,形成更多的亲水性基团,使染料更容易扩散到纤维内部,纤维对染料的吸附量提高。Radetic[25]等人利用不同气体(空气、O2和Ar)等离子体处理羊毛针织物,经过测定针织物的K/S值大小依次是:O2>空气>氩气。因此等离子体处理气体的不同对织物的染色性能也有不同的影响。汪前东等人研究等离子体(压强15Pa,额定电流6A,时间5min)处理羊毛后,80℃染色50min,经过处理的羊毛的染料上染率得到了很

Iriyama等人利用不同的低温等离子气体(O2,N2和H2)处理染中深色的蚕丝织物,研究发现所有经等离子处理的织物K/S值都有所提高,而最节约染料、染色效果最佳的是经O2处理的织物。

2·3合成纤维的等离子体处理

合成纤维大多数吸湿性差、易产生静电,影响了合成纤维服饰穿着的舒适性。Negulescu等人采用SiCl4低温等离子体对涤纶纤维处理,发现纤维的亲水性有明显提高,纤维经30s处理后表面水的接触角由原来的86°降为60°,再经等离子处理10min,接触角则降为46°。李永强等人用低温等离子体(压强40Pa,功率100W,时间5min)处理引发丙烯酸对涤纶的接枝处理,实验发现经过等离子体处理的涤纶比未经过处理的润湿性能大有改善,用碱性染料亚甲基蓝染色,测得经等离子体处理后,K/S值稍有提高。这是由于等离子体对涤纶织物的刻蚀,涤纶表面裂解,自由基与一定含量的氧原子形成呈酸性的羧酸基等基团,酸性基团的增多使碱性染料亚甲基蓝吸附量增加。

唐晓亮等人用不同气体的常压介质阻挡放电等离子体处理涤纶织物,可大幅度提高涤纶织物染色K/S值和染料上染量,以Ar或O2-Ar(1∶10)等离子体处理,上染量提高20%左右。同时摩擦牢度没有降低,基本达到5级。N2-Ar(1∶4)等离子体有时也有较好的改性效果,但其改性作用不太稳定。利用氧气、氮气等离子体处理后,引进了一定数量的含氧及含氮基团,使涤纶表面张力增大,也使其易去污性有所改善。而经过CF4,CF3Cl处理涤纶纤维后表面张力是降低的,表面疏水性增强,涤纶的拒水性能变得更好。

在研究中,有学者讨论了空气等离子体处理气态丙烯酰胺和丙烯腈的等离子体接枝的涤纶表面电阻性能。表明经空气等离子体处理后,涤纶织物表面电阻明显下降,即使在较低相对湿度条件下,表面电阻也相当低。

Errifai等人利用等离

蒋向,邓剑如利用H2和空气的等离子体对芳纶进行改性,研究发现芳纶表面极性基团增多,纤维表面张力增大、表面极性分数增大。H2等离子体处理3min后,芳纶表面张力总量提高了37%。

丙纶和锦纶经过等离子体处理后,各项性能都得到提高。苏远,彭赛平等人研究发现,等离子引发丙烯酸接枝后的丙纶,染料上染率得到明显提高。

一项由湖北鄂东丝织股份有限公司、湖北国威高科技有限责任公司和武汉化工学院联合开发,应用等离子体技术对纺织品表面改性处理的工艺取得重大突破。经湖北省纺织品质量检验和测试中心检测,经该工艺处理后化纤织物表面亲水性增强一级,小样染色后,其处理效果持久。

3等离子体设备的发展

随着制造技术的进步,等离子体生产型设备相继问世。由原先的实验室阶段,渐渐实现工业化生产。目前已开发成功的等离子体设备均为间歇式的,如瑞士Te鄄choplasmaSA,俄罗斯Niekmi学院和意大利Inter公司合作开发的KPR系列等离子体加工设备,其中KPR—180型低压等离子体设备工作门幅180cm,织物运行速度8~80m/min,日产量12000m/批。我国中科院化学所已购买该设备,正在开发在纺织加工中的应用。日本山东铁工在1993~1997年间,研制了低压等离子体连续处理设备,其工作幅宽为1.8m,最大运行速度为70m/min。在1997年世界纺织品博览会上德国和瑞士相继都展出了可以在常压及真空下工作的等离子体设备,并投入市场。由上海市纺织科学研究院和太平洋印染机械有限公司共同研制的APPS型等离子体处理样机,其最大的优点是可以在常压条件下进行连续等离子体处理,减少了制造和控制难度。在羊毛处理上也取得了可喜的进展,正在研制适合于量大面广的平幅织物的连续式等离子体退浆设

4等离子技术存在的问题

当前,国内等离子体技术面临着产业技术的突破和普及的巨大挑战,其缺陷主要表现在自主研发的具有自主知识产权的设备及其工艺过程的缺乏,如何将现代科学研究的新成果转化为商品,应用到工业化生产中,提升企业及其产品的市场竞争力是相关从业人员面临的问题。另一方面等离子对材料改性的效果并不稳定,随着时间的推移部分效果会失去,这种现象称为等离子处理的时效性。时效性是一个复杂的物理化学变化影响因素众多,需要我们进一步研究探讨。

5结语

随着社会的发展,科技的进步,市场对纺织品的性能要求不断提高,等离子体技术作为一种经济、环保、效率高的新方法新工艺,在纺织印染方面已有相当多的成果和进展。利用等离子体的一些特殊的性质,可对纺织材料进行加工,达到其他方法无法比拟的效果。更重要的是等离子体技术符合生态纺织工业的要求,其必将推动纺织印染行业向前快速发展。