CO2激光對滌綸織物的親水改性研究

何 楊 張瑞萍

（南通大學，江蘇南通，226019）

滌綸在生活中應用廣泛，但由于聚酯分子結構中缺乏親水性基團，造成織物親水性差，穿著不舒適[1?2]。傳統的濕法親水處理工藝需要消耗大量的水、能源和化學品，增加廢水排放，且織物上還會殘留整理劑[3]。當前紡織印染生產對節能減排、綠色安全的要求越來越高，因此，開發清潔化纖維改性技術具有重要意義。

激光技術作為一種干態的、非接觸、無污染的處理方法，操作簡單，可以通過計算機精確控制。使用激光處理纖維時，通過刻蝕和氧化作用，增加織物表面親水性基團，從而提高織物的親水性[4?5]。目前，大多數研究選用紫外激光對織物進行改性，對CO2激光在滌綸改性中的研究和應用還相對較少。本研究采用CO2激光對滌綸織物進行親水改性，分析激光功率、速度、步距等參數對改性效果的影響，為開發清潔化生態親水型舒適滌綸面料提供參考。

1 試驗部分

1.1 材料及儀器

材料：滌綸針織物（單位面積質量224.6 g/m2）。

儀器：CM?L1290型激光雕刻機（上海創鳴激光設備廠），電子天平（奧豪斯儀器常州有限公司），HH?S型水浴鍋（浙江省余姚市檢測儀表廠），S?3400N型掃描電子顯微鏡（日本日立公司），WSB?3A型智能式數字白度儀（溫州大榮紡織儀器有限公司），Speclmm GX型傅里葉紅外光譜儀（美國PE公司），YG（B）031S型彈子頂破強力機（溫州大榮紡織儀器有限公司），OCA15EC型接觸角測量儀（德國Dataphysic公司），Bruker?AXS APEX2型X射線衍射儀（德國布魯克公司）。

1.2 滌綸織物激光改性方法

打開激光雕刻機，放入待處理布樣，利用控制軟件Power Cut4311將設計好的參數信息傳遞給激光雕刻機，完成激光改性，將處理好的織物放入密封袋中以備后續使用。激光處理參數為：激光功率3 W～7 W，激光速度50 mm/s～200 mm/s，激光步距0.1 mm～0.4 mm。

1.3 測試方法

1.3.1 親水性測試

滴水擴散時間。按照GB/T 21655.1—2008《紡織品吸濕速干性的評定第1部分：單項組合試驗法》，測試織物的滴水擴散時間。

接觸角。利用接觸角測量儀測試去離子水在織物上的左接觸角和右接觸角，計算平均值[6]。

1.3.2 表觀形貌及元素分析（SEM和EDS）

將待測織物噴金，用掃描電子顯微鏡觀察織物的表面形態，并測定樣品表面的元素含量[7?8]。

1.3.3 紅外光譜分析（IR）

將待測織物烘干，使用傅里葉紅外光譜儀在4000 cm-1～500 cm-1掃描范圍內測試。

1.3.4 X射線衍射分析（XRD）

用X射線衍射儀測定纖維結晶度。主要測試條件為：Cu靶，λ=1.54056×10-10m，電壓40 k V，電流20 mA，步寬0.02°，掃描速度10°/min，2θ范圍為5°～80°，通過jade軟件采用衍射曲線擬合分峰法計算試樣的結晶度（X c）。

1.3.5 白度測試

利用智能式數字白度儀測試激光處理前后滌綸織物的白度，測4次取平均值。

1.3.6 頂破強力測試

按照GB/T 19976—2005《紡織品 頂破強力的測試鋼球法》測試激光處理前后滌綸織物的頂破強力。

2 結果與討論

2.1 激光處理工藝對滌綸織物親水性的影響

2.1.1 激光功率對滌綸織物親水性的影響

采用3 W～7 W的激光功率、200 mm/s的激光速度和0.4 mm的激光步距對滌綸織物進行激光處理，織物的滴水擴散時間、接觸角和白度測試結果見表1。

表1 不同激光功率處理后滌綸織物的親水性和白度

從表1可以看出，隨著激光功率的增加，織物的滴水擴散時間和接觸角呈下降趨勢，說明親水性提高。這是由于激光改性后大分子鏈段斷裂生成新的自由基，空氣中的氧與大分子鏈上的各個自由基發生反應生成最終產物羧基。當激光功率為6 W時，滴水擴散時間和接觸角略微增加，這可能是由于激光對滌綸的燒蝕作用使織物表面產生低聚物和固體碎片等小分子產物，導致親水性下降。隨著功率增加至7 W，滴水擴散時間和接觸角降低，這是由于隨著激光強度的進一步增加，激光對滌綸改性作用增強，部分滌綸纖維發生熔斷，造成面料孔隙變大，織物變薄。另外，功率為7 W的激光改性織物，手感變差，白度和強度下降明顯。因此，綜合親水性和纖維損傷情況，選擇激光功率為5 W。

2.1.2 激光速度對滌綸織物親水性的影響

改變激光速度（50 mm/s、100 mm/s、150 mm/s、200 mm/s），采用激光功率5 W、激光步距0.4 mm對滌綸織物進行激光處理，織物的滴水擴散時間、接觸角和白度測試結果見表2。

表2 不同激光速度處理后滌綸織物的親水性和白度

激光速度也是影響織物親水性的重要參數，速度越慢，激光作用時間越長，速度越快，作用時間越短。從表2可以看出，隨著速度由50 mm/s增加到200 mm/s，織物的滴水擴散時間增加，由3.0 s增加到5.9 s，接觸角由93.9°增加到99.4°，這是由于速度增加，改性時間降低，引入羧基減少，親水性變差。當速度為50 mm/s、100 mm/s時親水性較好，白度基本不變，但織物變薄，手感粗糙。因此，綜合考慮親水性和纖維損傷情況，選擇速度為150 mm/s。

2.1.3 激光步距對滌綸織物親水性的影響

改變激光步距（0.1 mm、0.2 mm、0.3 mm、0.4 mm），采用激光功率5 W、激光速度150 mm/s對滌綸織物進行激光處理，織物的滴水擴散時間、接觸角和白度測試結果見表3。

表3 不同激光步距處理后滌綸織物的親水性和白度

激光步距是指激光平行掃描兩條直線間的距離，步距越小，激光作用密度越大，改性作用越強，反之改性作用越弱[9]。從表3可以看出，隨著激光步距由0.1 mm增加到0.4 mm，織物的滴水擴散時間、接觸角呈上升趨勢，由2.5 s增加到3.6 s，接觸角由80.4°升至100.3°。這是由于步距越大，改性作用越弱，引入羧基越少，親水性越差。當步距低于0.3 mm時，織物親水性較好，白度基本不變，但孔隙率變大，纖維損傷較為嚴重。因此，綜合考慮親水性和纖維損傷情況，選擇步距為0.3 mm。

綜上，優化的激光改性工藝參數為：激光功率5 W，激光速度150 mm/s，激光步距0.3 mm。處理后織物的滴水擴散時間為3.9 s，接觸角為98.3°，白度86.5。

2.2 激光改性織物的掃描電鏡及EDS分析

采用5 W和7 W的激光功率、150 mm/s的激光速度和0.3 mm的激光步距對滌綸織物進行激光處理，利用掃描電鏡觀察織物改性前后的表面形態，電鏡照片見圖1。

圖1 激光改性前后滌綸織物表面形態

從圖1可以看出，未經過激光處理的滌綸纖維表面光滑，經激光處理后，滌綸纖維表面變得粗糙，當功率為5 W時，纖維表面產生了刻蝕，當激光功率增加到7 W時，纖維表面發生熔融。這是因為在光化學反應與熱效應協同作用下，激光輻照引起聚合物表面發生刻蝕，隨著激光功率的增加，這種現象越明顯[10]。

用EDS分析元素變化，測得未經CO2激光處理的纖維表面C和O的質量相對含量分別為80%和20%，O/C質量相對含量比值為25%；當激光功率為5 W時，C的含量下降到78.1%，O的含量增加到21.6%，O/C質量相對含量比值增加至27.7%；當激光功率為7 W時，C的含量下降到75.3%，O的含量增加到24.5%，O/C質量相對含量比值增加至32.5%。結果表明：經過激光處理后，一些含氧基團（羧基）被引入織物表面從而改善其親水性[11?12]。據相關文獻報道，可能是激光照射后滌綸分子中的酯鍵斷裂生成新的自由基，見圖2。

圖2 滌綸分子中酯鍵斷裂生成多種自由基

對于上述的自由基，還會發生反應，C元素以CO、CO2的形式從大分子鏈上逸出，見圖3。

圖3 自由基發生的后續反應

同時，隨著輻照的繼續，產生的各種自由基與空氣中的水和氧氣反應，在大分子鏈上生成極性含氧基團（羧基），見圖4。

圖4 自由基與氧氣和水反應

2.3 激光改性織物的紅外光譜分析

按照優化工藝對滌綸織物進行激光改性，滌綸纖維原樣與激光處理后試樣的紅外光譜圖見圖5。圖5中，1710 cm-1附近為C=O鍵的伸縮振動特征吸收峰，1250 cm-1附近為C—O—C基團的伸縮振動特征吸收峰，1020 cm-1處為C—H面內彎曲振動特征吸收峰，876 cm-1附近為苯環C—H的伸縮振動特征吸收峰[13]。改性前后，1710 cm-1處的相對強度基本不變；改性前，1250 cm-1與1710 cm-1處相對強度比值為1.03，改性后比值為0.95，降低了7.77%，說明酯鍵斷裂；改性前，1020 cm-1與1710 cm-1處相對強度比值為1.01，改性后比值為0.91，降低了9.90%，說明改性后C—H鍵減少，可能是由于亞甲基或亞甲基自由基與空氣中的氧氣和水反應。

圖5 激光改性前后滌綸織物紅外光譜圖

2.4 激光改性織物的XRD分析

按照優化工藝對滌綸織物進行激光改性，對樣品進行X射線衍射測試，并計算結晶度，滌綸織物X射線衍射曲線見圖6。

圖6 激光改性前后滌綸織物X射線衍射曲線

滌綸織物的主要衍射峰位于2θ=16.4°、22.9°和25.9°處，分別對應滌綸的（010）、（110）和（100）晶面[14]。從圖6可以看出，改性前衍射峰位于2θ=7.81°、15.85°、22.09°、25.82°和42.19°處，改性后衍射峰的位置基本沒有發生變化。利用jade軟件通過衍射曲線擬合分峰法，計算得出滌綸織物的結晶度為43.16%，改性后織物結晶度為38.93%，纖維結晶度有所下降。

2.5 激光改性織物的強力分析

采用3 W～7 W的激光功率、150 mm/s的激光速度和0.3 mm的激光步距對滌綸織物進行激光處理，測試處理前后滌綸織物的頂破強力，結果見圖7。

圖7 激光功率對滌綸織物頂破強力的影響

從圖7可以看出，當激光功率小于4 W時，織物頂破強力變化不大。當激光功率超過4 W時，頂破強力隨著激光功率的增加而下降，由未處理時的1548 N下降至200 N，其中，當激光功率為5 W時，強力下降21.71%。這是由于激光引起聚合物表面的變化通常被認為是一個光化學反應與熱效應共同作用的結果[15]，激光功率過高，能量較高，纖維產生過度的光熱降解，引起強力下降。

3 結論

（1）隨著激光功率增加，改性滌綸織物的滴水擴散時間和接觸角呈下降趨勢，親水性提高；激光速度、步距越大，滴水擴散時間和接觸角呈上升趨勢，親水性下降。確定激光對滌綸織物親水改性的工藝為：激光功率5 W，激光速度150 mm/s，激光步距0.3 mm。

（2）CO2激光處理后滌綸織物的親水性能得到改善。激光處理后滌綸針織物的滴水擴散時間由13.5 s降至3.9 s，接觸角由120.6°降至98.3°；白度基本不變，頂破強力下降21.71%，不影響服用性能。

（3）CO2激光處理使纖維表面產生明顯刻蝕；激光改性后纖維表面的O/C質量相對含量比值由未改性纖維的25%增加到32.5%；改性后纖維的C—O—C發生部分斷裂，纖維結晶度由43.16%降到38.93%。