用于紡織品表面永久改性的工業真空等離子體技術

R．Alam,K.M.G.Hossain,C.Grabher，M.M.Hossain

1.Grabher等離子仿生公司(奧地利) 2.賽發集團(瑞士)

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用于紡織品表面永久改性的工業真空等離子體技術

R．Alam1,K.M.G.Hossain1,C.Grabher1，M.M.Hossain2

1.Grabher等離子仿生公司(奧地利) 2.賽發集團(瑞士)

摘要：通過等離子體處理,合成材料(如涂覆聚氨酯的聚酯或聚酰胺)表面的黏附性得以顯著提高。研究還表明：通過聚合物和非聚合物形成的氣體混合物引入極性基團，可顯著改善材料的親水耐久性；且可聚合性氣體，如CH4，C2H2，C2H4及其混合物，或諸如丙烯酸、硅氧烷等一些液體單體，對織物表面永久性親水、防油和防污改性方面發揮著重要的作用。

關鍵詞：離子體處理；紡織品；永久改性；涂層

由于消費者對紡織品高功能、高附加值及工藝技術的要求越來越高，紡織材料的應用受到越來越多的限制。許多聚合物具有優良的力學性能，這使得它們能較好地適用于多種應用。然而，在諸如防護涂層、黏附及生物材料領域，聚合物的表面特性對其應用同樣重要。由于聚合物通常不具備這類應用或類似這類應用所需的表面特性，近年來，研究者們致力于研究開發能針對性地改變和提高聚合物表面化學和物理特性的表面處理方法，如提高聚合物的黏合性，增加疏水性，在表面引入特殊官能團或進行紡織品表面形態修飾等。

雖然傳統的濕法處理能有效地進行紡織品表面改性，但需消耗大量的水和化學品。許多現有的紡織品處理方法需應用刺激性化學品和聚合物涂層工藝，致使紡織纖維很多有用的特性喪失并造成水污染。隨著公眾對環境保護、氣候變化和能源短缺方面意識的逐漸增強，以及限制廢水排放已成為歐盟國家現行法規中的一部分，促使政府、企業和科學家們致力于尋找一種生態友好的替代方法。從環境友好和節約能源角度考慮，許多傳統的紡織品濕加工工藝將逐步被各種形式的低浴比處理工藝及干處理工藝取代。等離子體處理是一種完全的無水處理工藝，且無需任何化學物質。因此，等離子體處理被認為是一種潛在的可取代傳統濕處理的方法。該技術若在商業可行的水平上發展，將在賦予紡織品新型功能方面具有巨大潛力。此外，等離子體沉積幾乎可用于修飾任何固體基質，包括金屬、陶瓷和聚合物，且不會改變材料的整體特性。而其他表面改性技術則高度依賴于基質的化學性質。通過有機分子等離子體沉積聚合物是一種富有技術吸引力的、可沉積具有獨特功能的超薄膜的技術。

常見的表面化學改性方法通常是通過硅烷處理提升黏附性或親水性。但與傳統的黏附性或親水性涂層不同，硅烷具有毒性、腐蝕性且利用度有限。因此，對硅烷及其應用方法的準確選擇，以及對硅烷與基質間相互作用的界定十分必要。防化含氟聚合物因其極低的表面張力，被廣泛用于疏水與疏油整理。大多數這類有效的氟化合物均是以含8個碳和17個氟原子的氟碳化合物為基礎的。這些長鏈氟化聚合物通常包含殘留的原料及微量的長鏈全氟烷基酸(PFAAs)雜質。由于PFAAs類物質如全氟辛酸銨(PFOA)和全氟辛烷磺酰基化合物(PFOS)的廣泛使用，已在全球范圍內被檢測到，并對環境、野生動物和人類造成威脅。

織物表面等離子體處理的主要瓶頸是有限的抗老化性能。因此，本研究的側重點是實現永久或長期穩定的紡織品改性，旨在獲得具備新型特定功能如防水/防污性、永久親水性或永久黏附性的高附加值產品。

1試驗

1.1等離子體反應器

由奧地利Grabher等離子仿生公司和奧地利V-Trion紡織研究公司聯合研制的等離子體反應器——Nano-Plasma-Coater BAG(圖1)，是歐洲最大的低壓等離子體反應器之一，可進行大范圍的表面功能化及納米級涂層等。半連續式反應器能夠處理寬達1.60 m的材料。該設備可3班運轉，每月可處理材料40萬m左右，具體視材料速度及涂層厚度而定。

圖1　工業真空等離子體反應器(Grabher等離子仿生公司)

1.2黏附試驗

用聚氨酯(PU)薄膜層壓聚酰胺(PA)和聚酯(PET)織物后，測定等離子體處理前后PA/PU與PET/PU織物的黏附強度。根據測試標準(DIN 53539)，分別于室溫條件與高溫水中進行長達24個月的老化試驗，研究PA/ PU和PET/ PU聚合物復合材料的涂層穩定性。

1.3親水性測試

親水性采用視頻控制的接觸角測試儀測定。親水涂層表面的長期老化性通過對靜態水接觸角進行長達14個月的測量后進行評價。

1.4耐久拒水性測試

在經過多次洗滌(洗滌方法參照IOS 6330 2A，60 ℃)后，通過噴霧試驗(IOS 4920)結合Bundesmann淋浴試驗測試涂層紡織品的耐久拒水性。

涂層的力學穩定性通過經60 000次摩擦循環的Martindale試驗(SN 198514)進行評價。

1.5防污測試

按VDA 230-212標準，使用標準化“臟布”(EMPA 104)作為污染探針，采用Martindale測試設備進行防污測試，對車用紡織品的防污性能進行評估。

2結果和討論

2.1耐久黏附涂層

圖2給出了在室溫及浸泡在100 ℃水中老化24個月后，試樣的黏附強度的測試結果。由圖2可以看出，與未經處理的試樣相比，經等離子涂層處理的試樣的黏附強度顯著增加，并且，經室溫和高溫水中老化24個月后，試樣的黏附強度測試結果呈現出類似的趨勢。

圖2　未處理和經等離子體處理的織物的黏附強度測試結果

聚合物表面永久性結合氨基官能團可通過形成共價鍵并與黏合劑發生化學反應實現。但所得表面表現出較大的表面能(即較高的濕潤性)，而未處理的PET則具有較低表面能，并且不濕潤。另外，織物表面的污染物(如油、添加劑及潤滑油等)會降低其黏附力，通過等離子體活化與離子轟擊去除表面污染物，可進一步提高基質與PU薄膜間的黏附性。

2.2耐久親水涂層

利用聚合和非聚合的氣態等離子體可得到一種耐洗親水性薄膜。圖3給出了在超過1a的老化試驗過程中，未處理與經等離子體處理的PET織物的靜態水接觸角。由圖3可以看出，即便經過14個月的老化試驗后，經等離子體處理的PET織物的靜態水接觸角仍低于35°，而未處理的PET織物浸水后未潤濕，其靜態水接觸角始終大于109°。等離子體處理后靜態水接觸角的降低歸因于試樣表面能的變化，PET織物的親水性得以改善，可能是由于其表面新產生了極性官能團。

圖3　未處理和經等離子體處理的PET織物的靜態水接觸角隨老化時間的變化

強共價鍵使得試樣表面具備永久的親水性，即便試樣經60 000次循環摩擦及反復的工業洗滌也是如此。含氧基團的增加、較高的表面能與粗糙度等，都是提高基質親水性的關鍵因素。

2.3耐久拒水涂層

為獲得永久性非潤濕表面，需通過氟碳等離子體誘導接枝聚合實現。如圖4所示，在進行40次較小帶液率及水滲透的工業洗滌后，經噴霧測試及Bundesmann雨淋測試可知，經等離子體處理的 PA和PET織物的拒水等級達4～5級。

圖4　未處理及經等離子體處理的PET織物的拒水性能

通過采用強化學鍵鍵合、高黏附密度及高表面氟密度等方式，涂層的力學耐久性得以改善，從而對薄膜的磨損起到防護作用。采用同樣的方法對織物試樣的耐久拒水性進行測試。由噴霧測試可得，經40次工業洗滌后，織物的拒水等級達到最高(5級)。而Bundesmann測試中織物呈現出的高荷葉效應及低水滲透率，則證實了織物表面的拒水特性。總體而言，高黏附強度和強化學鍵鍵合使得防水薄膜具有耐久拒水性。

2.4耐久防污涂層

等離子體輔助氟碳基涂層賦予車用紡織品表面耐久的拒油和拒水特性，而車用紡織品表面的防護涂層則賦予其優異的抗烴類和油性污垢的動態防污性能。由德國汽車工業聯合會(VDA)的測試可知，氟碳基涂層(數據未示出)對污垢釋放不利，猜測這是因為污垢穿透或附著在涂層表面的活性氟碳鏈中，故其難以被泡沫清洗劑或洗滌劑清除。根據VDA的測試，通過比色分析可以得出，檢測到污垢的顏色強度約為29%。對經等離子體輔助涂層處理的試樣進行簡單的泡沫清洗后發現，被污染的織物上幾乎所有的污垢(僅3%的剩余)都被清除(圖5)。

圖5　等離子體輔助涂層的防污性能測試結果

這種新型的防污涂層具有避免灰塵、水和油附著在織物表面的功能，可保持車用紡織品的清潔，從而顯著改善織物的動態易沾污性。而采用傳統涂層系統(二氧化硅、氟碳化合物或聚氨基甲酸乙酯分散體等)整理的織物則不能滿足這類制品所需的低沾污性要求。

3結語

根據氣體成分、能量輸入、壓力及反應器的幾何形狀，可以控制等離子體與材料表面間的相互作用，生成等離子體聚合物。極性基團的引入提高了聚合物的表面能，同時改善了其表面的潤濕性和黏附性。黏附強度測試結果表明，聚氨酯薄膜與合成纖維織物間的黏附強度顯著提高。采用等離子體輔助涂層的方法，可實現織物表面永久的親水、疏水和疏油特性。通過長期的老化測試，證實了親水性涂層的耐久性。經40次循環洗滌后，Bundesmann測試結合噴霧測試證實了疏水涂層的耐久性。等離子體處理作為一種無水處理方法，可以增強或替代傳統的濕法處理工藝，如紡織工業中的防水、防油和防污處理。

黃明 譯羅艷 校

Industrial vacuum plasma technology for permanent modification of textile surface

Rubel Alam1,Kh.Md.Gaffar Hossain1,Cünter Grabhers1,M.Mokbul Hossain2

1.Plasmabionic Grabher GmbH，Lustenau/Austria 2.Sefar AG，Thal/Switzerland

Abstract:In this work,the adhesion of synthetic materials such as polyester,polyamide surfaces with polyurethane were enhanced remarkably by plasma treatments.It was also investigated that the durability of hydrophilicity can be improved markedly by the incorporation of polar groups using polymer and non-polymer forming gaseous mixtures.On the other hand,polymerizable gases such as CH4，C2H2，C2H4 or their mixtures,or some liquid monomers such as acrylates,siloxanes etc.play an important role to alter the surface permanently from hydrophilic to water,oil and soil-repellent.

Key words:plasma treatment；textile；permanent modification；coating