低溫等離子體在滌綸表面改性中的應(yīng)用

張 歡， 閆 俊， 王曉武， 焦安東， 李 紅， 鄭來(lái)久， 何婷婷

(1. 大連工業(yè)大學(xué) 紡織與材料工程學(xué)院， 遼寧 大連 116034；2. 國(guó)家知識(shí)產(chǎn)權(quán)局專利局專利審查協(xié)作北京中心， 北京 100160)

滌綸尺寸穩(wěn)定性好，伸展性能和抗收縮性能優(yōu)異，價(jià)格低廉，大量應(yīng)用于服裝行業(yè)；但滌綸也存在很多缺點(diǎn)，如纖維表面光滑，吸濕性、染色性、抗靜電性能差等，因此，需要對(duì)其進(jìn)行改性[1-3]。采用等離子體處理高分子材料，材料因表面分子鍵能小于粒子能量的化學(xué)鍵而會(huì)發(fā)生斷裂并引發(fā)等離子體化學(xué)反應(yīng)，從而可改善高分子材料的表面性能，如提高吸濕性、染色性、抗靜電性等[4-6]。

等離子體對(duì)織物表面處理屬干式工藝，具有節(jié)能、高效、無(wú)污染等優(yōu)點(diǎn)[7-8]，其在纖維改性中的應(yīng)用研究較多。如Junkar 等[9]采用氧等離子體對(duì)滌綸進(jìn)行改性，在表面引入富氧官能團(tuán)，提高了滌綸的親水性能。李宏英等[10]采用等離子體預(yù)處理增強(qiáng)電子束輻照對(duì)滌綸織物進(jìn)行了親水改性。王春瑩等[11]采用真空氧等離子體處理滌綸，提高了纖維的潤(rùn)濕性能和染色性能。張春明等[12]則研究了常壓空氣等離子體處理時(shí)效性對(duì)滌綸潤(rùn)濕性能的影響。現(xiàn)有研究對(duì)等離子體處理的時(shí)效性以及等離子對(duì)滌綸改性機(jī)制方面的研究還較少，為此，本文采用介質(zhì)阻擋放電等離子體對(duì)滌綸表面進(jìn)行改性，研究等離子體處理時(shí)間對(duì)滌綸的動(dòng)摩擦因數(shù)、強(qiáng)力和親水性等性能的影響，分析等離子體處理滌綸的時(shí)效性，并對(duì)滌綸的等離子體改性機(jī)制進(jìn)行了探討。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 實(shí)驗(yàn)材料

純滌綸織物(市售)，經(jīng)緯紗線密度均為9.2 tex，經(jīng)緯密分別為480、300根/(10 cm)。

1.2 實(shí)驗(yàn)儀器

HPD-2400型低溫等離子處理儀(南京蘇曼電子有限公司)；Y151型纖維摩擦系數(shù)儀(溫州萊州方圓儀器有限公司)；YG871L型毛細(xì)管效應(yīng)測(cè)定儀(溫州萊州方圓儀器有限公司)；YG141LA型織物厚度儀(萊州市電子儀器有限公司)；YG065HC型電子織物強(qiáng)力儀(萊州市電子儀器有限公司)；K100型全自動(dòng)表面張力儀(德國(guó)KRUSS公司)；Spectrum One-B型傅里葉變換紅外光譜儀(美國(guó)PE公司)；JSM-7800F型掃描電子顯微鏡(日本電子公司)。

1.3 滌綸前處理與等離子體處理實(shí)驗(yàn)

將滌綸織物置于5 g/L肥皂、1 g/L碳酸鈉和0.3 g/L硅酸鈉溶液中進(jìn)行退漿、煮練，在100 ℃處理60 min，然后進(jìn)行充分水洗、烘干。

將經(jīng)過(guò)預(yù)處理后的滌綸織物裁剪成10 cm×10 cm的正方形，通過(guò)進(jìn)行預(yù)實(shí)驗(yàn)確定等離子體處理實(shí)驗(yàn)條件。在氣壓為300 Pa，介質(zhì)阻擋放電功率為5.5 W的條件下分別對(duì)滌綸織物等離子體處理15、30、60和120 s。將處理好的滌綸織物用密封袋保存以備后續(xù)測(cè)試。

1.4 測(cè)試方法

1.4.1 動(dòng)摩擦因數(shù)測(cè)試

采用Y151型纖維摩擦系數(shù)測(cè)試儀測(cè)量滌綸摩擦因數(shù)。以50根纖維為1組，預(yù)加張力為100 mg，測(cè)量并記錄扭力平上數(shù)值，結(jié)果求平均值。計(jì)算公式為

式中：μ為纖維的摩擦因數(shù)；θ為纖維與圓柱表面包角, rad；f為預(yù)加張力,mg；m為扭力平上所讀取數(shù)值, mg。

1.4.2 毛細(xì)效應(yīng)測(cè)試

采用FZ/T 01071—2008《紡織品 毛細(xì)管效應(yīng)試驗(yàn)方法》，將織物裁剪成尺寸為200 mm×25 mm的試樣，在水槽中加入去離子水，設(shè)置溫度為20 ℃，時(shí)間為30 min，測(cè)量試液上升值，每組測(cè)試10條試樣，結(jié)果取平均值。

1.4.3 接觸角測(cè)試

將織物裁剪成尺寸為50 mm×10 mm的試樣，用YG141LA型織物厚度儀測(cè)量試樣厚度，在K100型全自動(dòng)表面張力儀控制軟件中輸入長(zhǎng)、寬、厚度參數(shù)，選用去離子水作為試液進(jìn)行測(cè)試，讀取接觸角數(shù)據(jù)，每組測(cè)試10條試樣，結(jié)果取平均值。

1.4.4 織物強(qiáng)力測(cè)試

STZ 誘導(dǎo)小鼠 DR 模型的主要缺點(diǎn)是持續(xù)時(shí)間長(zhǎng)，這增加了實(shí)驗(yàn)成本[25]。STZ 有細(xì)胞毒性，可以破壞心臟、腎臟、中樞神經(jīng)系統(tǒng)等重要臟器的功能，導(dǎo)致實(shí)驗(yàn)動(dòng)物劑量依賴性死亡[11]。STZ 劑量高于 200 mg/kg 會(huì)導(dǎo)致小鼠死亡[5]。實(shí)驗(yàn)動(dòng)物有 STZ中毒現(xiàn)象時(shí)可以通過(guò)注射藥物降低實(shí)驗(yàn)動(dòng)物的死亡率，如他克林可以作為糖基清除劑在注射 STZ 后使用[26]。通過(guò)改進(jìn)實(shí)驗(yàn)方法，也可以降低實(shí)驗(yàn)動(dòng)物的死亡率，如選擇實(shí)驗(yàn)動(dòng)物時(shí)盡量選用雄性小鼠，小鼠周齡要達(dá)到性成熟期（盡量在 8～9 周齡），采用高脂飲食伴注射較低劑量 STZ 的方式，或盡量采用靜脈注射等。

根據(jù) GB/T 3923.1—1997《紡織品 織物拉伸性能 第1部分: 斷裂強(qiáng)力和斷裂伸長(zhǎng)率的測(cè)定 條樣法》使用YG065HC型電子織物強(qiáng)力儀進(jìn)行測(cè)定。將織物裁剪成尺寸為250 mm×50 mm的試樣，在織物強(qiáng)力儀控制軟件中設(shè)置隔距為200 mm，定時(shí)為30 s，每組測(cè)試5次，結(jié)果取平均值。

1.4.5 化學(xué)結(jié)構(gòu)表征

使用Spectrum One-B型傅里葉變換紅外光譜儀對(duì)滌綸表面基團(tuán)進(jìn)行表征，掃描范圍為4 000～500 cm-1。

1.4.6 形貌觀察

在真空條件下對(duì)樣品進(jìn)行噴金處理，使用JSM-7800F型掃描電子顯微鏡觀察等離子體處理前后滌綸的表面形貌。

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 纖維動(dòng)摩擦因數(shù)分析

圖1示出未經(jīng)低溫等離子體處理和低溫等離子體處理15、30、60和120 s后滌綸的動(dòng)摩擦因數(shù)與處理時(shí)間的關(guān)系。可以看出：隨著低溫等離子體處理時(shí)間的延長(zhǎng)，纖維的動(dòng)摩擦因數(shù)增加，說(shuō)明低溫等離子體會(huì)使滌綸的表面變得粗糙；延長(zhǎng)處理時(shí)間，纖維動(dòng)摩擦因數(shù)增大，表面更粗糙。在15 ～30 s時(shí)間內(nèi)，纖維動(dòng)摩擦因數(shù)增加最快。當(dāng)處理時(shí)間為120 s時(shí)，滌綸的動(dòng)摩擦因數(shù)最大，說(shuō)明此時(shí)等離子體對(duì)滌綸刻蝕作用最明顯，纖維表面的粗糙程度最大，但此處理時(shí)間下的滌綸還不足以引起穿著不適[13]。

圖1 等離子體處理時(shí)間對(duì)纖維動(dòng)摩擦因數(shù)的影響

Fig.1 Influence of plasma treatment time on coefficient of dynamic friction of fibers

2.2 毛細(xì)效應(yīng)分析

圖2示出低溫等離子體處理時(shí)間與織物毛效的關(guān)系。可以看出，低溫等離子體處理后織物的毛細(xì)高度有明顯提高，且處理時(shí)間越長(zhǎng)，毛效越高。經(jīng)15 s等離子體處理的纖維，毛效相對(duì)于未處理增加1.7 cm，說(shuō)明15 s時(shí)間內(nèi)，低溫等離子體對(duì)纖維的刻蝕或者引入親水性基團(tuán)的效果并不明顯。在15～60 s時(shí)間內(nèi)，滌綸織物的毛效增加效果較明顯，提升75%。經(jīng)過(guò)低溫等離子體處理120 s的滌綸織物的毛效達(dá)到了15 cm，可以推測(cè)，低溫等離子體處理后，在纖維表面增加了親水性基團(tuán)，使織物親水性能增加，低溫等離子體的刻蝕作用使纖維產(chǎn)生了縫隙，使得滌綸輸送水分的能力增加。

圖2 等離子體處理時(shí)間對(duì)織物毛效的影響

Fig.2 Influence of plasma treatment time on fabric capillary effect

2.3 織物接觸角分析

圖3 等離子體處理時(shí)間對(duì)織物接觸角的影響

Fig.3 Influence of plasma treatment time on fabric contact angle

2.4 織物強(qiáng)力分析

表1示出低溫等離子體處理時(shí)間與織物斷裂強(qiáng)力的關(guān)系。可以看出：低溫等離子體處理后滌綸織物的強(qiáng)力下降，處理15 s后強(qiáng)力下降明顯，比未處理強(qiáng)力降低21.7%；處理60 s后強(qiáng)力降低25.1%，比處理15 s強(qiáng)力降低3.4%；當(dāng)處理時(shí)間達(dá)到120 s時(shí)，強(qiáng)力只有493 N，比未處理滌綸織物強(qiáng)力降低37.0%，嚴(yán)重影響了滌綸織物的服用性能。這是由于低溫等離子體對(duì)滌綸的刻蝕作用使其表面產(chǎn)生了裂痕，處理時(shí)間越長(zhǎng)，這種效果就越明顯，對(duì)滌綸表面形態(tài)的破壞作用就越明顯，因此，滌綸織物的強(qiáng)力隨著等離子體刻蝕時(shí)間的延長(zhǎng)而降低。

表1 等離子體處理時(shí)間對(duì)織物斷裂強(qiáng)力的影響

Tab.1 Influence of plasma treatment time onfabric break strength

處理時(shí)間/s斷裂強(qiáng)力/N強(qiáng)度降低率/%078301561321.73059524.06058625.112049337.0

2.5 化學(xué)結(jié)構(gòu)分析

Fig.4 Infrared spectra of plasma treated polyester fibers. (a) Without treatment; (b) Treated for 120 s

2.6 形貌分析

圖5 等離子體處理前后滌綸的SEM照片

Fig.5 SEM images of polyester treated by plasma. (a) Without treatment (×2 000); (b) Treated for 120 s(×3 000)

圖6 等離子體處理滌綸原理

Fig.6 Mechanism of polyester treated by plasma

2.7 等離子體處理時(shí)效性分析

圖7示出放置時(shí)間與織物接觸角的關(guān)系。可以看出，隨著放置時(shí)間的延長(zhǎng)，經(jīng)等離子體處理后滌綸的接觸角呈現(xiàn)先增加后穩(wěn)定的變化趨勢(shì)。剛開(kāi)始放置的72 h內(nèi)，接觸角緩慢增加；72 h后，接觸角急劇增加(由52°增大到59°)；在120 h后趨于平衡。這是因?yàn)榈入x子體處理后引入親水性基團(tuán)，增加了纖維的表面能，放置一段時(shí)間后親水性基團(tuán)在材料表面能量高，不穩(wěn)定，會(huì)逐漸向纖維內(nèi)部翻轉(zhuǎn)，使接觸角逐漸增大，能量達(dá)到平衡后織物的接觸角趨于穩(wěn)定，親水性能不再降低[16]。經(jīng)等離子體處理的滌綸具有較好的接觸角時(shí)效性，可維持較好的親水性能(3 d即72 h左右)。

圖7 等離子體處理后放置時(shí)間與接觸角關(guān)系

Fig.7 Relationship between placement time and contact angle after plasma treatment

3 結(jié) 論