大氣壓低溫等離子體在棉織物退漿中的應用

閆 俊，朱高偉，于心悅，崔一帆，李 紅，葉 方，范艷蘋，鄭來久

(1.大連工業大學 遼寧省清潔化紡織重點實驗室，遼寧 大連 116034；2.浙江省現代紡織工業研究院，浙江 紹興 312030)

0 引 言

目前，純棉織物漿紗使用的漿料主要是聚乙烯醇(PVA)[1]，退漿方法包括生物酶法、熱堿法、酸法和氧化法[2]。退漿過程會使用大量NaOH，并產生大量廢水[3]。高耗能、高污染問題嚴重影響了紡織工業的可持續發展，新環保形勢下清潔化生產迫在眉睫。

Yasuda[4]根據碳氫化合物經放射線照射分解的自由基機理，提出了等離子體聚合過程。等離子體放電過程中的電子會被激發躍遷至導帶形成帶負電荷的高活性電子e-，同時產生帶正電荷的空穴h+，形成電子空穴對。等離子體技術作為一種新型的處理工藝[5]，工藝簡單、低成本、低時耗、處理效果好[6]。Bozduman等[7]采用電暈放電技術對棉織物上的聚乙烯醇(PVA)和淀粉進行了脫膠處理，結果表明等離子體對PVA和淀粉漿織物的除漿率、親水性均有積極的影響。Cornelius等[8]采用氦/四氟化碳等離子體處理的樣品比對照樣品退漿效果更好。但以上研究均未提及服用棉織物大氣壓低溫等離子體退漿效果。本實驗采用大氣壓低溫等離子體退漿工藝，結合服用性能優化實驗，探討最佳退漿條件，通過SEM、FT-IR、XRD和服用性能表征棉織物性能。

1 試 驗

1.1 材 料

純棉坯布，PVA上漿，線密度35.8 tex；織物經密度為每10 cm 267根，緯密度為每10 cm 267根，市售。

1.2 設 備

CTP-2000A型低溫等離子體準輝光放電表面處理機，南京蘇曼等離子科技有限公司；WSB-3A型智能式數字白度計，溫州大榮紡織儀器有限公司；YG065C型電子坯布強力儀、YG871毛細管效應測定、LLY-01型電子硬挺度儀、YG141LA型織物厚度儀，萊州市電子儀器有限公司；YG461E-Ⅲ型全自動透氣量儀、YG601H-Ⅱ型電腦式織物透濕儀，寧波紡織儀器廠。

1.3退漿工藝流程

1.3.1 傳統堿處理

坯布→堿煮(95 ℃，1 h)→熱水洗→充分冷水洗→烘干。

堿煮工藝及配方：NaOH質量濃度分別為20、25 g/L，時間60 min，浴比1∶30，溫度95 ℃。

1.3.2 低溫等離子體處理

將坯布試樣平鋪在等離子處理面板上，改變處理時間0～30 min、放電電壓0～220 V、處理功率200～600 W，對坯布進行大氣壓等離子體準輝光放電處理，放電處理高度1 mm。工作氣體為空氣，等離子體氣體平均溫度35 ℃，CTP-2000A等離子體發生裝置，電源頻率50 Hz。

對坯布進行等離子體處理，固定功率，處理時間分別為5、10、15、20、25、30 min；然后固定處理時間，功率分別為200、300、400、500、600 W→熱水洗3次(95 ℃、10 min)→充分冷水洗10 min→烘干(105 ℃，3 h)。

1.3.3 等離子體加堿處理

坯布→等離子體處理→堿煮(95 ℃、1 h)，改變堿質量濃度→熱水洗→充分冷水洗→烘干。

1.4 退漿率

先確定回潮率，取3塊約純棉坯布，先將其中一塊坯布在電子天平上稱重，再稱重另外兩塊，取平均值m0。置于105～110 ℃烘箱中烘至恒重，迅速取出坯布，放入裝有硅膠的干燥器中，冷卻至室溫，分別對3塊坯布稱重，取平均值m1，按式(1)計算試樣回潮率[8]。

(1)

式中：w為回潮率，%；m0為坯布烘干前的質量，g；m1為坯布烘干后的質量，g。

將其余坯布在電子天平上精確稱取質量(m2)，按“1.3”工藝進行減退漿，擠干水后放入烘箱，在105～110 ℃下烘干至恒重，迅速取出坯布，放入干燥器中，冷卻至室溫，精確稱取質量(m3)。按式(2)計算試樣退漿率。

(2)

1.5 力學性能

參照GB/T 3923.1—2013 第1部分 斷裂強力和斷裂伸長率的測定(條樣法)，將坯布剪成25 cm×5 cm布條，在電子坯布強力機上測定其斷裂強力和斷裂強力保留率。測3次，取平均值。

1.6 白 度

測試坯布5個不同部位的白度，取平均值。

1.7 毛細效應

參照FZ/T 01071—2008，將待測坯布剪成20 cm×5 cm布條，在離頂端1 cm處沿緯向作平行線，與液面對齊；以重鉻酸鉀溶液作為測試液，室溫下記錄30 min內測試液沿經向上升的高度。

1.8 服用性能

1.8.1 透濕性

參照GB/T 12704—2009 第1部分：吸濕法，采用透濕杯法使用織物透濕儀測出試樣透濕量。每個樣品剪取3塊試樣，每塊試樣直徑70 mm，將織物試樣按要求置于裝有35 g無水氯化鈣的透濕杯內，在溫度38 ℃、RH為90%的環境下靜置10 min后稱重，60 min后再次稱重，根據質量差計算透濕率(g/(m2·h))。

(3)

式中：Δm為同一試驗組合體兩次質量差，g；Δm′為空白試樣的同一試驗組合體兩次質量差，g；不做空白試驗時，Δm′=0；A為有效試驗面積(本部分的裝置為0.004 9 m2)，m2；t為試驗時間，h。

1.8.2 透氣性

參照GB/T 5453—1997，在室溫25 ℃、相對濕度65%的環境下，選擇同一樣品3個不同區域，對20 cm2的織物試樣進行測試，測試壓差為100 Pa，測試結果取平均值。

1.8.3 硬挺度

參照GB/T 18318—2001，采用斜面法測定抗彎長度，每個樣品取6塊試樣，大小250 mm×25 mm，自動計算結果。以抗彎長度為評價指標，越大表示織物越硬挺，越小表示織物越柔軟。

1.8.4 厚 度

參照GB/T 3820—1997，將試樣對折兩次共4層，加壓2 kPa，同一樣品選擇7個不同區域進行測試，結果去掉最大值和最小值后取平均值。

1.9 結構表征

1.9.1 SEM

將待測纖維進行真空噴金，通過SEM(JSM-7800F，日本JEOL)對纖維樣品脆裂特征進行詳細的形貌觀察與分析。

1.9.2 FT-IR

FT-IR(Perkin-Elmer Spectrum two，美國MA)；染料用溴化鉀壓片，采用透射法進行測試，在室溫下500～4 000 cm-1測定試樣結構變化。

1.9.3 XRD

XRD-7000S(日本Shimadzu)；Cr，3 kV；管電壓，20～60 kV；掃描范圍，10°～40°。

2 結果與討論

2.1 等離子體處理功率對坯布性能的影響

如表1所示，隨著處理功率的增大，毛效、退漿率都逐漸增大，白度和斷裂強力減小。綜合各種指標，處理功率選擇400 W。

表1 等離子體處理功率對坯布性能的影響Tab.1 Effect of plasma treatment power on properties of grey fabrics

2.2 等離子體處理時間對坯布性能的影響

如表2所示，隨著處理時間的延長，坯布的毛效、白度以及退漿率都逐漸增大；處理時間達到15 min時，坯布的退漿率逐漸變緩，而白度和毛效15 min后減小。低溫等離子體處理坯布時，隨著處理時間的延長，高速等離子體轟擊試樣的強度增大，并且表面刻蝕增強，導致斷裂強力下降，退漿率上升。綜上，處理時間選擇15 min。

表2 等離子體處理時間對坯布性能的影響Tab.2 Effect of plasma treatment time on properties of grey fabrics

2.3 等離子體和堿處理對坯布性能的影響

由表3可以看出，與常規堿煮工藝相比，采用等離子體處理后，加入8 g/L NaOH溶液進行堿煮即能達到同等效果。白度、退漿率、毛效均高于常規堿煮方法。原因可能是等離子體激發漿料表面層分子，產生氧化降解作用，成為小分子除去[10]，坯布表面會產生刻蝕而變得粗糙，纖維表面孔隙增大，NaOH更容易進入坯布纖維內部，進行退漿。綜上，選擇NaOH質量濃度為8 g/L。

表3 等離子體加堿處理對坯布性能的影響Tab.3 Effect of plasma and alkali treatment on properties of grey fabrics

2.4 服用性能測試結果

由表4可以看出，在最佳工藝條件下，經等離子體加堿處理后，厚度減小、硬挺度降低，漿膜去除導致織物厚度減小，刻蝕作用使纖維表面出現凹坑和裂紋，纖維之間的抱合力減弱，紗線變的蓬松，纖維黏附力變差，柔軟性變好；另外織物結構是多孔形狀，漿料去除空洞增大，當水蒸氣和空氣通過織物時，阻力減小，透濕性和透氣性增強。

表4 不同處理的試樣服用性能對比Tab.4 Comparison of wearability of different treated samples

2.5 結構表征

2.5.1 SEM分析

如圖1所示，等離子體處理后纖維表面有較多散碎狀的漿料聚集體，常規堿退漿后纖維表面雖然光潔但仍有漿料薄層覆蓋在纖維表面，而等離子加堿煮處理后的，纖維表面光潔殘留的聚集體較少，退漿效果最佳。

圖1 不同方式處理棉織物的SEM圖Fig.1 SEM of cotton fabric treated with plasma and alkali

2.5.2 FT-IR分析

如圖2所示，對比樣品1和6可知，經過等離子加堿處理后，2 347.65 cm-1處—CH2峰強度明顯減小，1 720 cm-1處醛基C—O峰、1 635cm-1處羧基—COOH峰以及1 099 cm-1處酮羰基C—O峰均明顯增強，證明等離子體處理導致PVA分子C—O和C—O鍵增加[11]。

1，純PVA坯布；2，未處理的無漿料坯布；3，未處理的PVA坯布；4，堿煮處理PVA坯布；5，等離子體處理PVA坯布；6，等離子體加堿處理PVA坯布圖2 6種試樣的FT-IR圖Fig.2 FT-IR images of six samples

2.5.3 XRD分析

如圖3所示，未經處理的棉織物衍射峰的2θ、各峰的寬度和位置未發生明顯的變化，處理后棉織物的基本結晶結構未改變，表明低溫等離子體沒有破壞棉纖維的微觀結構。

1，未經處理的PVA上的坯布；2，堿煮處理PVA上漿坯布；3，等離子體處理PVA上漿坯布；4，等離子體加堿處理PVA上漿坯布圖3 4種試樣的XRD圖Fig.3 XRD images of four samples

3 結 論

本實驗使用等離子體加堿處理退漿，等離子體在織物表面產生刻蝕作用，破壞漿膜，使PVA分子鏈斷裂，氧化或降解成CO2和H2O。刻蝕作用使漿料及纖維表面出現凹坑和裂紋，有利于堿液滲入，實現高效退漿。最佳工藝條件：放電電極與坯布間距為1 mm，等離子體最佳處理功率為400 W，等離子體最佳處理時間為15 min，最佳堿煮堿濃度為8 g/L。經等離子體加堿處理的坯布透濕性、透氣性增加，斷裂強力、厚度、硬挺度降低。加入少量NaOH處理后白度、毛效以及退漿率皆超過常規堿煮工藝。