低壓等離子體改性棉織物表面性能研究

朱虹燁,謝光銀

(西安工程大學 紡織科學與工程學院,陜西 西安710048)

棉纖維作為最常見的纖維,具有多種優良性能,棉織物也是應用最廣泛的產品[1],但原棉生長期間在纖維表面常積累雜質,棉織物上漿處理的加工工藝使得棉纖維會殘留蠟質漿料及其他雜質,這些雜質會影響棉織物的親水性,適當地對棉織物表面進行改性,能夠增強棉織物的廣泛應用性。

射頻輝光放電等離子體不僅會對棉織物表面起活化作用,也會對棉織物進行一定程度的刻蝕作用,而過強的刻蝕作用會削弱對織物的活化效果[2]。等離子體處理是近幾十年發展起來的一種新型紡織材料改性方法。等離子體處理可以使棉織物在不損傷材料本身的基礎上獲得新的性能[3]。但等離子體處理的研究還停留在負壓等離子體上,大多需要填充氣體介質,存在設備成本高、技術難度大、處理面積小等缺點,在實際生產中應用難度大,要在實際生產中得到推廣,還需要進行技術創新。

等離子體中高能粒子對棉織物的轟擊,可以破壞棉纖維中的蠟質,使棉織物獲得更廣泛的應用,棉紗的上漿在傳統的加工工藝中,用到的是高壓法和預濕法[4],不符合當代綠色生態的發展主題。使用等離子體處理可有效減少污染,該技術作為一種節能環保、方便無污染的處理技術為紡織領域開辟了一條新的環保加工方式,是一種很有前景的預處理技術[5]。

1 試驗部分

1.1 材料

選用織物組織為平紋且規格相近的未加工處理的原棉織物。主要規格見表1。

表1 織物規格

1.2 試驗方法與表征

1.2.1 等離子體處理

(1)通過改變等離子體處理時間來分析等離子體處理對棉織物產生的影響。

(2)處理條件為:射頻等離子體處理,射頻為13.56 MHz,處理功率為80 W。

(3)處理時間分別為30、60、90、120、150 s,按照處理時間不同將棉織物分組并剪成小樣,分別放進低壓等離子體處理設備中進行處理。

1.2.2 纖維表面形貌表征

(1)儀器:S-4800掃描電子顯微鏡。

(2)測試方法:將織物按照一定尺寸裁剪,用導電膠帶粘于樣品臺,通過掃描電子顯微鏡進行觀測。

1.2.3 織物紅外光譜表征

(1)儀器:VERTEX 70紅外測試儀。

(2)測試方法:將織物樣品置于樣品臺,測試面朝金剛石晶體,將壓力輪降下,使樣品固定并調節壓力標桿至2.5,進行樣品測試。

1.2.4 織物親水性能測試

(1)儀器:OCA 40接觸角測量儀。

(2)測試方法:試樣在測量前經無水乙醇超聲清洗,得到干凈的表面,分別測量涂層試樣與水的接觸角,取多次測量的平均值。

2 結果與討論

2.1 纖維表面形貌

織物等離子體處理前后的掃描電子顯微鏡表征結果如圖1、圖2所示,可以看出原棉樣品表面平整光滑,有天然的縱向條紋,而經過150 s低壓等離子體處理的棉纖維表面平整性被破壞,出現凹槽,表明等離子體處理對纖維表面造成了刻蝕效果,纖維表面變得更加粗糙復雜,使比表面積變大,改善了織物表面性能。

圖1 原棉樣品SEM測試結果

圖2 等離子處理150 s后SEM測試結果

2.2 紅外光譜

經不同時間等離子體處理織物的紅外光譜圖如圖3所示,可以看出經過等離子體處理之后,沒有出現新的顯著性特征吸收峰,但各吸收峰的強度較未處理織物有所變弱。890～1 030 cm-1附近為飽和碳氫基團中甲基、乙基等基團的面內搖擺振動峰；1 069.23 cm-1附近很明顯能分辨出是羰基化合物中伯醇(C-O)的伸縮振動峰,此吸收峰強度非常大；1 319.65 cm-1和1 590.11 cm-1附近分別是羧基中C-O基團的伸縮振動峰和烷基羧酸羧基中C=O振動峰；2 921.05 cm-1處的吸收峰為亞甲基的,表明了羧甲基化的棉紗布中存在亞甲基,且與氧原子直接相連；3 200～3 400 cm-1附近為醇羥基的吸收峰。在紅外的測試過程中,樣品采用了酒精進行洗滌,故也可證明最后檢測時的棉纖維中殘留有少量的乙醇。

經過低溫等離子體處理的織物表面被活化,產生了自由基,引起了吸收峰強弱的變化,并沒有出現偏移或其他變化,其化學結構沒有改變,但高能粒子撞擊織物表面的漿料和雜質,撞擊后部分漿料及雜質可能被去除,使吸收峰減弱。

圖3 低壓等離子體處理紅外光譜圖

2.3 織物親水性能

織物親水性能測試結果見表2。棉織物在經過真空低溫等離子體處理后,表面的親水性能增強,且效果明顯。處理時間為30 s時,棉織物吸水性不明顯,隨處理時間的增加,棉織物的潤濕時間逐漸縮短,當處理時間為150 s時,棉織物達到瞬吸狀態。在表2中,第一組、第二組、第三組為將棉織物分別進行等離子體處理60、90、120 s時所得到的試驗數據,從第一組數據可以看出,等離子體對棉織物的處理不均勻,親水效果不好,數據差別較大,上下浮動較大,但總體趨勢是隨著處理時間的增加,棉織物的潤濕時間隨之縮短,親水效果越好；第三組幾乎可以達到瞬吸的效果,但是處理不均勻。當棉織物被等離子體處理時間達到150 s時,親水效果達到最佳,出現了瞬吸的效果。(其中等離子體處理功率為80 W,處理時間為30 s的試驗材料處理效果不好,多次在10 min內未被潤濕,所以不在比較范圍之內,150 s時的試驗材料已經達到瞬吸的效果,潤濕時間不能測得,故也不在比較范圍之內。)

表2 織物潤濕時間

3 結語

原棉織物經紡織材料低壓等離子體處理設備處理,在處理功率為80 w,處理時間為150 s時原棉織物能達到瞬吸的效果,親水性得到極大的改善。

棉織物的親水性與其表面活性、所含基團以及漿料雜質等因素有關,將棉纖維表面用等離子體進行處理后,棉纖維表面的平整性被破壞,表面變得更為復雜粗糙,增大了棉纖維表面的比表面積,破壞了棉纖維表面的漿料及雜質。比表面積是影響棉纖維吸附能力的一個重要因素,比表面積越大,其吸附能力和吸附效果越好,隨著等離子體處理時間增長和功率增大,表面變得更加粗糙不平,比表面積也就越大,吸附能力也就越好。經過等離子體處理后,棉纖維表面存在大量的含氮、含氧等親水基團,氮和氧的存在非常容易和游離的水分子之間形成氫鍵,大量吸附水分子,棉纖維表面氫鍵的形成,不僅提高了纖維的吸水能力,也相應提高了其保水能力和吸水速率。