低溫等離子體技術在紡織中的應用

安紅玉，楊建忠，郭昌盛

(西安工程大學紡織與材料學院,陜西西安 710048)

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低溫等離子體技術在紡織中的應用

安紅玉，楊建忠，郭昌盛

(西安工程大學紡織與材料學院,陜西西安 710048)

摘要：論述了低溫等離子體作用機理，闡述了低溫等離子體技術在不同種類的纖維、織物、粗紗、毛條等方面的應用和研究現狀，并對低溫等離子體技術在紡織中的應用發展趨勢進行了展望。

關鍵詞：低溫等離子體纖維織物退漿

等離子體是物質的一種狀態，和固態、氣態、液態一樣，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、負電荷總和完全抵消，也稱為物質的第四態，起源于20世紀60年代，是一門交叉性很強的新興學科[1，2]。等離子體作用于材料表面(深度僅為100nm以內)，不會損傷材料的主體性能，已經廣泛應用于冶金、化工、醫療、機械、紡織、能源、電子、半導體等領域，在紡織行業中，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]。

在紡織行業中，低溫等離子體技術不僅可以應用于纖維材料，還可以應用于粗紗、毛條、織物等，從而改善材料表面相關性能，彌補材料表面性能缺陷等。對于纖維材料，一般改善其表面形貌，引入親水性基團，提高上染料和色牢度等；對于織物，可以精煉、退漿、漂白、增加新的功能如拒水、拒油等；對于粗紗和毛條等，提高纖維間的抱合力，可用低級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生的部分電離氣體。在紡織行業應用最多的是輝光放電和電暈放電，它們的放電介質、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，對被處理的紡織材料的表面改性更強烈。低溫等離子體中各種活性因子與材料表面是一個能量直接轉移的過程，其作用深度僅為幾個單分子層，不會損傷材料本體的機械強度，等離子體對化纖作用的主要特征或機制可概括為CAP(Competitive ablation and polymerization,競爭性刻蝕與聚合)模型[7，8]，如圖1所示。

圖1　等離子體對紡織材料的作用

2低溫等離子體在紡織纖維中改性應用

紡織類的纖維有很多種，按照來源和習慣可分為天然纖維和化學纖維，而天然纖維可分為天然蛋白質纖維、天然纖維素纖維和礦物類纖維，化學纖維可分為合成纖維、再生纖維和無機纖維[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、金屬纖維等無機纖維表面能低、復合粘結性差，滌綸、PBO、PPS、UHMWPE等纖維表面活性基團少、吸濕性差等。經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，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，發現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，結果表明，表面引入酰胺基的棉纖維折皺回復性提高，表面引入含氟基團的具有拒油拒水性。麻纖維具有良好的天然抗菌除臭、易洗快干、透氣涼爽等優異性能，但其分子結構緊密，結晶取向度高，使其染色性和色牢度差。低溫等離子體處理后，表面的膠質分解，形成許多親水性基團、微小的凹凸坑和裂紋，其毛細效應、染色鮮艷度和色牢度得到明顯改善，放電時間30s較佳[14，15]。竹原纖維具有其他天然纖維無法比擬的優點，但是其單纖維過短不具有可紡性，需要采用化學方法脫膠處理，但是煮練效率偏低，限制其應用與發展。而先經過低溫等離子體處理后，失重率達到8.71%，煮練效率得到明顯提高，最佳工藝參數為放電壓強20Pa,放電功率為150W，放電時間為240s[16]。

低溫等離子體技術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降低，羊毛的表面摩擦系數提高，而羊毛的斷裂強度并未下降，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，而經過低溫等離子體處理后纖維表面出現凹槽，使染料可以滲入纖維的根部和尖端，同時也提高了上染率。不同的氣體對羊毛纖維的染色性和上染率影響也不同。Kan C W[18]發現經過低溫等離子體處理后的羊毛表面含氧和氮基團數目增多，極性增強，吸附染料的能力增強，改善了染色性能。山羊絨是由鱗片層和皮質層組成，因此也具有羊毛的性能缺陷，經低溫等離子體處理后，纖維的吸濕性得到提高，且較佳工藝參數為放電壓強20Pa,放電功率為70W，放電時間為150s[19]。兔毛是一種高級的紡織原料，手感好，不易起球，但其表面摩擦系數極低，難以抱合，以致不能直接用來紡織，經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纖維中改性研究

無機纖維是以無機物為原料制得的化學纖維。無機纖維分為無機物與無機化合物纖維(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。無機纖維傳承了礦物具有的優良的性能，有著有機纖維所沒有的優異特性，但是無機纖維構成元素性能大多數呈惰性且纖維表面比較光滑，在一定程度上限制著在復合材料方面的應用。

儲長流等[24]利用低溫等離子體在N2的條件下對玄武巖纖維進行改性，結果表明，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，達到0.83%。畢松梅等[25]在同樣的條件下，通過正交試驗得出復合材料力學性能較優工藝參數：20Pa、100W和5min，經等離子體改性后，復合材料的界面相容性得到提高，促進了聚丙烯在纖維與樹脂界面處的異相成核，使聚丙烯的結晶度增加。王德生等[26]采用低溫等離子體技術改性玻璃纖維，改性后纖維表面變得粗糙，出現刻蝕的痕跡，引入新的離子N+，同時，也提高了吸濕性和與復合材料的粘結性。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，發現碳纖維的斷裂強度和伸長率均提高15%左右，其復合材料的層間剪切強度提高9%。賈玲等[28]利用低溫等離子體在碳纖維上接枝芳基乙炔，提高了碳纖維與環氧樹脂的浸潤性，接枝后的碳纖維復合材料的剪切強度提高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。經過低溫等離子體處理后，其表面出現微小裂紋或者凹坑，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現，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域中迅速發展的一類纖維如PBO、PPS、UHMWPE、芳砜綸等，具有高強度、高模量、耐強腐蝕、耐高溫和抗燃性能好等優異性能，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，這類纖維作為增強纖維時，很難通過化學的或物理的作用與基體形成牢固的結合[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，復合材料的IFSS提高37.5%，復合材料的破壞由界面脫粘轉變為基體部分破壞，由此推出，PBO纖維與基體的粘結性得到提高。王書忠等[31]研究發現，HSHMPE纖維經過低溫等離子體處理，對乙二醇的浸潤性提高，纖維表面有許多活性基團(含氧基團)引入，表面產生許多溝槽，復合材料的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，發現在不同的氣體中，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，結果表明：經過空氣低溫等離子體處理后的PBI纖維，吸濕性得到進一步提高，強度和摩擦因數也會適度增大，從而可以提高了其他材質復合粘結的牢度，且在放電功率150W、放電氣壓20Pa和放電時間180s的條件下，效果最好。

3低溫等離子體對織物表面改性研究

低溫等離子體處理棉織物既可以改性如進行防皺、阻燃、衛生等功能性整理，又可以對其進行精煉、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棉織物進行退漿研究，結果表明，處理后漿料中的大分子鏈發生鏈斷裂和氧化分解，放電時間1min的退漿效果和傳統化學處理相當。放電時間為6min時，纖維表面和未上漿的纖維一樣干凈，其毛細效應隨著放電時間的增加而顯著提高。王鴻曉等[35]利用低溫等離子體對亞麻織物進行退漿研究，發現工藝參數為放電壓強30Pa，放電功率200W，放電時間5min時，退漿效果最好，其處理后只需在6g/L的NaOH退漿處理10min，就能達到常規10g/L的NaOH退漿處理30min的效果，且其毛細效果更好。孫迪等[36]利用氬低溫等離子體對真絲織物就行處理，發現氬低溫等離子體對真絲織物的外層和中層的絲膠溶解度有促進作用，一定程度上抑制內層絲膠溶解，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聚丙烯紡粘/熔噴/紡粘(SMS)復合非織造材料性能的影響，結果表明，材料表面出現明顯的刻蝕，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低溫等離子體對其他紡織材料表面改性研究

棉粗紗經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，較顯著的提高了細紗支數，細紗的耐磨強度提高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用于棉紗處理，發現處理后的棉紗吸濕性顯著提高，且其低捻度下的強力也能增加31% ～76%。也曾有學者利用低溫等離子體處理羊毛條，改善羊毛條的質量，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，但紡制高支紗時線斷頭率明顯下降[4]。

5結論

與傳統的紡織材料加工技術相比，低溫等離子體技術是固體與氣體直接反應的，全在干態下進行，較環保，節能。同時，該技術又具有反應時間短、材料機械性能損失小，可得到不同的效果等優點。但是低溫等離子體技術也存在一定的缺陷，如改性效果存在時效性、反應條件設定參數比較多、對反應裝置依賴性大、抽真空和連續化比較難等。技術創新帶動產業發展，相信低溫等離子體技術一定可以為提高紡織材料品質和環境保護開創出一條綠色通道，低溫等離子體技術也會越來越完美，在紡織行業中的應用會越來越廣。

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中圖分類號：TS195

文獻標識碼：A

文章編號：1008-5580(2016)02-0154-04

通訊作者：楊建忠(1964-)，男，博士，教授，碩士生導師。

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。