摘要:等離子體技術作為一種環境友好型的新工藝,在紡織工業中的應用正越來越受到人們重視。重點綜述了近年來等離子技術在纖維材料印染加工的應用狀況,并簡要介紹了等離子體設備的發展現狀。
關鍵詞:等離子體;紡織印染;應用
等離子體表面改性是一項高新技術,它是一種以物理手段處理纖維達到化學處理效果的方法。等離子體表面改性是干態處理,節能節水、清潔高效、操作簡單且易控制、環境污染小。經過該方法處理的織物僅涉及纖維的表面,不破壞纖維自身的性質,使纖維表面特性得以改變而達到理想的應用效果。這樣既可保持織物原有優點,又可賦予其新特性或消除某些缺點。因此,等離子技術符合可持續性發展戰略的要求,正越來越受重視。
1等離子的概念及基本特性
當氣態物質的溫度升高,氣體分子的熱運動會加劇,當溫度升高到一定程度時,構成分子的原子獲得足夠大的動能,便開始彼此分離,分裂成單個原子,這一過程稱為離解。若再進一步加熱,原子外層的電子便擺脫原子核的束縛而成為自由電子。最終使構成氣體的分子及原子成為帶正電荷的離子,這個過程稱為電離。等離子體指的就是這種電離氣體,是一種導電率很高的導電流體,它是一種屬于物質三態之外的另一種性質奇特的物質聚集態,即通常所說的物質的“第四態”。由于在這種聚集態中電子的負電荷總數與離子的正電荷總數在數值上是相等的,宏觀上呈現電中性,因而又稱其為等離子體。
一般將等離子體分為高溫等離子體和低溫等離子體兩類。前者又稱為平衡等離子體,它的電子和分子或原子類粒子都具有非常高的溫度,一般用于處理熔點較高的物體,如鋼鐵、噴絲板、化纖的導絲部件等各種金屬制品;后者又稱為非平衡等離子體,它的電子和分子或原子類粒子的溫度比較低,一般用于處理熔點較低的物體。目前,在紡織領域中應用的等離子體主要是低溫等離子體。
1·1等離子體產生的方法
等離子體可以通過多種方法產生。自然界中的日光、雷電和極光都可以產生等離子體。實驗室主要采
1·2低溫等離子體處理紡織品的作用方式
低溫等離子體的作用方式主要有三種:等離子體表面處理改性(PST法)、等離子體接枝聚合(PGP法)和等離子體沉積聚合(PPD法)。PST法是指對材料表面或極薄表層的活化、刻蝕處理,通常稱為減量處理。因為低溫等離子體中的電子等活性因素的能量(高達20eV)比有機化合物的化學鍵能(<10eV)高得多,在化學性上很活躍。當處理有機化合物時,很容易使被處理物表面纖維發生斷裂,從而改善纖維或織物的吸濕性、拒水性、抗污性及染色性等性能。PGP法是運用等離子體作用首先使表面活化,并引入活性基團,然后再運用接枝方法在原表面上接上許多活性支鏈,構成新表層。PPD法是將有機化合物的氣體形成等離子體狀態,通過控制工藝條件,使其沉積在處理物表面形成覆膜的方法。后兩類是增量處理法。
2等離子技術在紡織印染中的應用
國外在高分子材料的研究和應用上使用等離子技術起步較早。從目前各國的研究狀況來看,美國的研究工作比較系統,偏重于等離子體改性的基礎研究[6~8]。日本的研究則偏重于應用領域。目前等離子體在紡織印染行業應用的整體趨勢是向工業實用性方向發展。
等離子體技術在紡織印染中的應用始于上世紀50年代,我國從80年代開始將等離子體技術應用到紡織品工業中。在紡紗織造過程中,可用等離子體作用于織物的上漿,使紗線上漿均勻;在印染前處理過程中,等離子體技術能夠優化織物的退漿、精練,提高前處理效率,還可以改進染色和印花工藝,使工藝高效、經濟、環保;在印染后整理過程中,等離子體處理對織物抗靜電性、抗起毛起球性、易去污性、拒水拒油性等有著顯著的效果,這對于提高織物的附加值有著積極的意義。同時等離子體處理與其它整理劑結合使用,
2·1纖維素纖維的等離子體處理
等離子體處理棉纖維一般是等離子體的表面處理改性法(PST法),可以改善纖維的黏合能力和潤濕性能,提高染色性能。早在1992年日本山東鐵工所就開發設計了連續式低溫等離子體處理裝置,實現了對棉等纖維素纖維的退漿、精練的加工。利用輝光放電,氧化性氣體等離子將棉織物上的PVA等漿料的分子鏈切斷,引入了羧基、羥基等親水性基團,使PVA更加容易去除。棉織物經過等離子處理后強力不會下降。蔡再生,邱夷平等人研究發現利用常壓等離子體作用在前處理退漿過程中,可以使部分PVA漿料大分子氧化成小分子,如CO2、H2O而直接消失在空氣中,另一部分PVA大分子被氧化降解成分子鏈較短的分子,從而提高PVA在水中的溶解率,進而有助于PVA漿料去除。同時經FT-IR測得PVA的C-C、C-H鍵減少,C-O、O-C-O鍵增加,親水性增強,有利于退漿。
陳森,陳英等人研究發現經過氬氣等離子體(50W,1min)處理的棉織物再經過5g/LNaOH退漿處理10min,能達到常規堿退漿10g/LNaOH退漿30min的退漿率,而且其毛效也高于一般常規堿退漿的效果。對纖維的損傷程度小于常規堿退漿,單紗的強力較高。經過等離子處理的纖維素纖維染色效果也得到增強,上染率提高。
目前,意大利HTPUNITEX(尤尼泰克斯)公司推出的DPR等離子體設備已成功應用于平幅織物的退漿工藝。設備公稱寬度500~3500mm,速度為5~50m/min。基本原理是在抽真空(20~200Pa),溫度為50℃下,通入氮氣,利用高壓施加于電極產生的等離子體對織物進行退漿。等離子體有效地切斷織物上漿料的分子鍵,提高了退漿率,改善了染色性能,并大大縮短了前處理水洗流程,節水、節氣、經濟、環保。
葡萄牙Minho大學紡織工程部研究發現,在棉織物絲光前,先采用Softal電暈放電裝置對織物進行等
經過等離子處理的棉織物在染色性能上也有很大提高,Oz-dogan等人用不同的氣體等離子EDA(乙二胺)和TETA(三乙烯四胺)在13.56MHz下處理棉針織物,經過等離子處理的棉織物顏色優于沒有經過等離子處理的。實驗得出經TETA等離子體處理15min后棉針織物的K/S值最高。
麻纖維具有良好的機械物理性能和衛生保健性能。但是由于其取向度高,染色性較差,不易染成深色、而且鮮艷度也較差。研究發現,利用等離子體處理苧麻纖維,對苧麻的表面進行刻蝕,引入親水性基團,可顯著的增加毛細管效應,使纖維表面的潤濕性大大改善,提高了染料在纖維中的擴散效率和增大了纖維對染料的吸附量。同時表面粗糙程度也有所增加,增大了表面積,失重率增加。研究發現當放電功率增大到40W時的上染率和增深性都達到最大。如果功率繼續增大,上染率和增深性反而下降,這可能是因為隨著功率增大,等離子體中粒子數量增多,能量增大,苧麻表面氧化程度越高,降低了纖維對染料的吸附能力。
李淳,王曉等人利用不同氣氛下等離子氣體引發亞麻織物接枝丙烯酸,空氣與氦氣引發產生的接枝物比氮氣引發產生的要均勻。其中空氣等離子處理接枝效果最優。再經研究發現對接枝后的亞麻進行活性染料染色,織物的干濕摩牢度、水洗牢度都得到提高。染料的上染率、染色牢度、得色深度也有一定程度的提高。
據報道,俄羅斯紡織科研工作者在研究中為了提高亞麻的印花效果,用半漂染和漂白亞麻織物進行了等離子體處理,處理后織物的毛細效應分別提高1倍和1.5倍,處理后原色織物和漂白織物試樣的白度幾乎不變。然
2·2蛋白質纖維的等離子體處理
傳統的羊毛防氈縮采用的是氯化方法,此方法容易使纖維降解過重,纖維的強力及機械性能降低。此外氯化對環境污染嚴重。
Hesse等用等離子體處理羊毛,利用等離子體中的高能粒子對羊毛表層進行轟擊,表面產生刻蝕,纖維表面微觀粗糙化,使羊毛纖維表層變的平滑,鱗片層邊緣部分損傷,呈不規則形狀,并明顯鈍化,定向摩擦系數降低,使羊毛手感變好,降低氈縮率。但是僅用等離子處理羊毛其織物的防氈縮效果下降有限。國內郭勇、蔡再生等人也利用低溫等離子體和Savinas型酶或ProtexMultiplusL型酶結合進行羊毛防氈縮整理,效果十分明顯,而羊毛的優良性能幾乎不變。虞學鋒等人利用低溫等離子體和MTG酶結合對羊毛進行防氈縮整理,使得羊毛織物氈縮率降幅達85%,而斷裂強度和斷裂延伸度都有所提高。鐘安華等人研究的等離子結合殼聚糖和生物酶對羊毛織物防氈縮處理,羊毛織物經過等離子處理后,先用殼聚糖溶液處理,利用殼聚糖在織物表面可以成膜保護生物酶對羊毛織物的二硫鍵的過分破壞,防止羊毛過度損傷。改善了羊毛的手感、懸垂性等性能。
經過等離子體處理后的羊毛的染色性能也得到大大提高。國外El-Zawahry等人利用低溫氮氣等離子體處理羊毛織物,在羊毛的表面進行刻蝕,形成更多的親水性基團,使染料更容易擴散到纖維內部,纖維對染料的吸附量提高。Radetic[25]等人利用不同氣體(空氣、O2和Ar)等離子體處理羊毛針織物,經過測定針織物的K/S值大小依次是:O2>空氣>氬氣。因此等離子體處理氣體的不同對織物的染色性能也有不同的影響。汪前東等人研究等離子體(壓強15Pa,額定電流6A,時間5min)處理羊毛后,80℃染色50min,經過處理的羊毛的染料上染率得到了很
Iriyama等人利用不同的低溫等離子氣體(O2,N2和H2)處理染中深色的蠶絲織物,研究發現所有經等離子處理的織物K/S值都有所提高,而最節約染料、染色效果最佳的是經O2處理的織物。
2·3合成纖維的等離子體處理
合成纖維大多數吸濕性差、易產生靜電,影響了合成纖維服飾穿著的舒適性。Negulescu等人采用SiCl4低溫等離子體對滌綸纖維處理,發現纖維的親水性有明顯提高,纖維經30s處理后表面水的接觸角由原來的86°降為60°,再經等離子處理10min,接觸角則降為46°。李永強等人用低溫等離子體(壓強40Pa,功率100W,時間5min)處理引發丙烯酸對滌綸的接枝處理,實驗發現經過等離子體處理的滌綸比未經過處理的潤濕性能大有改善,用堿性染料亞甲基藍染色,測得經等離子體處理后,K/S值稍有提高。這是由于等離子體對滌綸織物的刻蝕,滌綸表面裂解,自由基與一定含量的氧原子形成呈酸性的羧酸基等基團,酸性基團的增多使堿性染料亞甲基藍吸附量增加。
唐曉亮等人用不同氣體的常壓介質阻擋放電等離子體處理滌綸織物,可大幅度提高滌綸織物染色K/S值和染料上染量,以Ar或O2-Ar(1∶10)等離子體處理,上染量提高20%左右。同時摩擦牢度沒有降低,基本達到5級。N2-Ar(1∶4)等離子體有時也有較好的改性效果,但其改性作用不太穩定。利用氧氣、氮氣等離子體處理后,引進了一定數量的含氧及含氮基團,使滌綸表面張力增大,也使其易去污性有所改善。而經過CF4,CF3Cl處理滌綸纖維后表面張力是降低的,表面疏水性增強,滌綸的拒水性能變得更好。
在研究中,有學者討論了空氣等離子體處理氣態丙烯酰胺和丙烯腈的等離子體接枝的滌綸表面電阻性能。表明經空氣等離子體處理后,滌綸織物表面電阻明顯下降,即使在較低相對濕度條件下,表面電阻也相當低。
Errifai等人利用等離
蔣向,鄧劍如利用H2和空氣的等離子體對芳綸進行改性,研究發現芳綸表面極性基團增多,纖維表面張力增大、表面極性分數增大。H2等離子體處理3min后,芳綸表面張力總量提高了37%。
丙綸和錦綸經過等離子體處理后,各項性能都得到提高。蘇遠,彭賽平等人研究發現,等離子引發丙烯酸接枝后的丙綸,染料上染率得到明顯提高。
一項由湖北鄂東絲織股份有限公司、湖北國威高科技有限責任公司和武漢化工學院聯合開發,應用等離子體技術對紡織品表面改性處理的工藝取得重大突破。經湖北省紡織品質量檢驗和測試中心檢測,經該工藝處理后化纖織物表面親水性增強一級,小樣染色后,其處理效果持久。
3等離子體設備的發展
隨著制造技術的進步,等離子體生產型設備相繼問世。由原先的實驗室階段,漸漸實現工業化生產。目前已開發成功的等離子體設備均為間歇式的,如瑞士Te鄄choplasmaSA,俄羅斯Niekmi學院和意大利Inter公司合作開發的KPR系列等離子體加工設備,其中KPR—180型低壓等離子體設備工作門幅180cm,織物運行速度8~80m/min,日產量12000m/批。我國中科院化學所已購買該設備,正在開發在紡織加工中的應用。日本山東鐵工在1993~1997年間,研制了低壓等離子體連續處理設備,其工作幅寬為1.8m,最大運行速度為70m/min。在1997年世界紡織品博覽會上德國和瑞士相繼都展出了可以在常壓及真空下工作的等離子體設備,并投入市場。由上海市紡織科學研究院和太平洋印染機械有限公司共同研制的APPS型等離子體處理樣機,其最大的優點是可以在常壓條件下進行連續等離子體處理,減少了制造和控制難度。在羊毛處理上也取得了可喜的進展,正在研制適合于量大面廣的平幅織物的連續式等離子體退漿設
4等離子技術存在的問題
當前,國內等離子體技術面臨著產業技術的突破和普及的巨大挑戰,其缺陷主要表現在自主研發的具有自主知識產權的設備及其工藝過程的缺乏,如何將現代科學研究的新成果轉化為商品,應用到工業化生產中,提升企業及其產品的市場競爭力是相關從業人員面臨的問題。另一方面等離子對材料改性的效果并不穩定,隨著時間的推移部分效果會失去,這種現象稱為等離子處理的時效性。時效性是一個復雜的物理化學變化影響因素眾多,需要我們進一步研究探討。
5結語
隨著社會的發展,科技的進步,市場對紡織品的性能要求不斷提高,等離子體技術作為一種經濟、環保、效率高的新方法新工藝,在紡織印染方面已有相當多的成果和進展。利用等離子體的一些特殊的性質,可對紡織材料進行加工,達到其他方法無法比擬的效果。更重要的是等離子體技術符合生態紡織工業的要求,其必將推動紡織印染行業向前快速發展。
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