等离子技术在纺织工业中的应用Application of Pla sma Technology in Textile Industry
北京服装学院 陈 苏
[内容提要]介绍了纺织工业中应用的2种等离子技术以及等离子体处理织物的作用原理。目前，等离子技术在纺织工业上的应用主要在涤纶等合纤的深度染及其吸湿性的改进、羊毛的防缩及染印花、提花纺织材料的粘结性、棉织物前处理、苎麻染以及高性能纤维和聚合物的表面改性等方面。 [关键词]等离子体 纺织工业 应用/TS101.8
一、概述
动动网
等离子体是在气体放电的基础上产生的，可定义为等量的正电荷和负电荷载体的集合体，具有总的零电荷。从应用角度出发，可将气体放电分为：无声放电、辉光放电、弧光放电、电晕放电、火花放电、高频放电和无极放电。它们都是在很高的场强下使气体或极板离子化，同时也伴有其他一些高能粒子的生成。通常，放电时具有强烈的可见辐射和不可见辐射，另外，放电时产生的电离气体具有良好的化学活性，适当控制反应条件可以实现一般情况下难以实现的化学反应。其特点之一是平均单位面积上的电子密度要比在工业上得到的电子束高出数千倍，而且由于以这些电子为中心的高能量粒子，仅在物质表面深度几纳米以内的层面上反应，因而在纺织方面应用等离子体可以有效地利用纤维原有的优点，非常顺利地仅在其表面进行变性。 可应用于纺织工业上的2种不同的等离子技术是电晕放电和辉光放电。
辉光放电是在外加电压超过气体的着火电压、限流电阻较大的情况下产生的放电。其特点是端电压低，同时放出较大热量。而电晕放电则是电极两端电压较高，电极表面附近电场很强时，电极附近的气体介质被局部击穿而产生的放电现象。其电极表面附近有强烈的激发和电离。表1和表2分别为电晕放电等离子体中的电子、离子能量和有机物的代表结合能。由此可见，等离子体中的一部分活性物质要比有机物的结合能具有更高的能量。因此，如果等离子体中的活性物质与这些结合相冲突，则将产生引起结合和离解的各种反应。
表1 电晕放电等离子体中的电子、离子能量
活性因素能量/eV
电子0～20
离子0～2
准稳定态0～20
紫外线、可见光3～40
表2 有机物的代表结合能
结合能量/eV结合能量/eV
C-H 4.3C=O8.0
C-N 2.9C-C 3.4
C-Cl 3.4C=C 6.1
C-F 4.4C≡C8.4
可应用于等离子体技术的气体有多种，如O2、NH3、N2、Ar、He，应用不同的气体可获得不同的效果。
二、等离子体处理织物的作用原理
在等离子体发生器中，除了等电量的正、负粒子外，还存在许多化学活性物质及其因辐射消散而发出的不同波长的光子。等离子体与聚合物表面的相互作用如图1所示。
等离子体的能量可通过光辐射、中性分子流和离子流作用于聚合物表面。这些能量的消散过程就使聚
合物
上述例子系染中(染料2.2%)测出的坚牢度值,2种染都同样好。
结束语
可以采用合适的助剂进行还原清洗，并依照最佳的温度和时间关系来控制低聚物，使它不再显得困难重重；实际上低聚物问题已成为过去。然而纺织工业仍希望化纤生产厂家能提供无低聚物的涤纶或者提供这种在染整加工过程中只分离出很少的低聚物到产品表面的涤纶，只是这个课题不需要我们去研究。这将是一个梦想，也许涤纶碱性染可最终解决这个问题。■
(郑可成 译)
图1等离子体与聚合物表面相互作用
表面获得改性。在等离子体中的中性粒子将通过连续不断地轰击固体表面将能量转移给聚合物。这些中性粒子的能量具有4种形式：动能、振动能、离解能和激化能。动能和振动能只对聚合物起加热作用，而自由基离解能则是通过引起聚合物表面各种化学反应———脱氢、加成、氧化等作用而获得消散，与此同时，也可与聚合物表面的自由基结合而使聚合物加热；激化分子和原子是以与固体表面碰撞而达到能量消散的。这些亚稳态分子和原子的能量通常大于聚合物的离解能，因而在碰撞过程中会产生聚合物自由基。把织物密封置于该电场，电场中产生的大量等离子体及高能自由电子，能促使纤维表层产生腐蚀、交换、接枝和共聚反应。等离子体中的分子、原子和离子渗入到材料表面；材料表面的原子逸入等离子体中。这个过程可以达到没有等离子体参与所不能达到的化学和物理改性效果，它可使纤维表层的大分子链断裂，呈微观不平的粗糙状态，为进一步改性创造条件；或在表面生成离子、自由基团而改变纤维表面的亲水性、渗透性、导电性以及分子量等。另外，聚合物表面的结晶相和无定形相的比例也可能发生变化。
三、等离子技术在纺织上的应用
1.涤纶等合纤的深度染和吸湿性的改进
涤纶具有坚牢、耐用等优点，但其结构紧密，吸水性差，易起静电荷，难染深，采用高温高压或热
熔染，对设备要求高，能耗大，采用载体常压染则污染严重，因而存在许多需要改进的地方。近年来，人们注意到等离子体加工的优点，并可应用于染整方面。在涤纶等合纤深度染和改进吸湿性方面的应用主要有:
(1)用氧或其它无机气体进行表面改性，使纤维表面受到侵蚀，产生微小凹凸，或引入化学活性点而使之亲水化。处理后润湿性能的提高主要是由于引入了一些含氧或不含氧的官能团，引入含氧基产生的润湿性要比引入不含氧基的润湿性好。用含氧等离子体处理疏水性纤维后，由于氧化作用，在聚合物表面产生了>C=O、-C OOH、-OH官能团，当其密度达到1014～1015时就能引起润湿性的很大变化，这种反应进行相当快，只要数秒钟就能完成。氧化作用并不仅局限于含氧等离子体中，其它含氧气体，如空气、C O2、NO2等也会产生相同效果。除含氧基团外，其它官能团也能引起润湿性的改变。也有人将亲水性物质预先浸轧到织物上，然后进行等离子体处理，以获得耐久的亲水效果。与此相反，如希望降低纤维表面的润湿性，则可用含氟单体(CF4、CHF3等)的等离子体进行处理。
(2)等离子体聚合、接枝聚合
通过控制反应条件，使成为等离子体状态的气体发生聚合，在聚酯纤维表面形成低折射率的聚酯薄膜。曾有资料表明用氮等离子体引发丙烯酰胺对涤纶织物进行接枝聚合，可使涤纶织物的上染百分率、染深度及亲水性都有明显提高。单体在等离子体引发下的聚合反应与常规单体的聚合反应有很
多不同之处。等离子体聚合主要决定于发生等离子体的条件，其聚合机理相当复杂，不过可以将它们归纳为下述几种反应。1)单体在等离子体聚合的同时会产生裂解，使某些官能团脱落，如丙烯酸在等离子体聚合时，由于分子上的羧基被裂解，使形成的聚合物上羧基缺落很多，从而具有相当大的疏水性。2)聚合反应一般是按独特的等离子体聚合机制进行的。3)某些单体的聚合(如乙烯类单体)也可能按通常的加成反应进行，由等离子体中的活性物质引发。另外，它们相应的饱和化合物(如乙烷)虽然不可能发生聚合反应，却可能发生等离子体聚合，并且不饱和化合物和相应的饱和化合物在聚合物基质上的沉积速度大致相同，这说明等离子体中发生的聚合反应主要是按等离子体聚合机制进行的。最近也有报道，用电晕放电对预溶胀的涤纶进行处理，然后接枝丙烯酸，其接枝率大大提高，由于引进羧酸基团，大大改善了吸湿性。
2.羊毛的防缩及染、印花
由于羊毛纤维表面定向排列着一层结构紧密的鳞片层，使得羊毛的毡缩性成为人们比较头疼的问题，另外，需要较高(100℃左右)的染温度，而通常的氯化处理是以羊毛的化学损伤为代价的。所以，早些年人们就开始尝试用等离子体解决这些问题。试验表明，用各种等离子体处理都有很好的防缩效果。尽管电晕放电与辉光放电对羊毛表面形态的改变有所不同，但其处理效果却有着很大的相似性。主要集中在以下几个方面:
(1)处理纤维，降低定向摩擦效应，从而使羊毛防缩。处理后的羊毛织物丰满度、硬挺度提高，低负荷下的伸长降低，保形性提高，尺寸稳定性明显改善，但织物表面粗糙度增加。表3为经氧等离子体处理3m in后羊毛表面摩
擦系数的变化。
1-甲基环己醇
表3 氧等离子体处理3m in后羊毛织物表面摩擦系数的变化
μ
1μ
2
μ
1
ktkp-073/μ2μ2-μ1
μ
2
-μ1
μ球墨铸铁管qiumogg
gprs天线1
μ
2
-μ1
μ
2
+μ1
未处理0.1680.348 2.0720.180 1.0720.349
氧等离子体
处理3min0.714 1.656 2.3200.942 1.3200.398
注:μ1为顺向摩擦系数;μ2为逆向摩擦系数。
表3表明，羊毛经等离子体处理后，虽然正逆鳞片方向的摩擦系数(μ1、μ2)均有所提高，然而(μ2-μ1)却增加了，因而所得的产物具有很好的防缩性。
(2)处理纤维、毛条或织物，提高纤维间的抱合力，进而提高织物强力。
(3)处理纤维或织物，改变纤维表面物理化学结构，引入活性基团，可应用于羊毛的深染和印花工业。经低温氧等离子体处理后的羊毛，纤维表面增加了部分电荷中心，改变了羊毛在水中的带电状态，从而提高了羊毛对弱酸性染料的吸附能力，改善了羊毛的染性能，提高了上染速率及对染料的吸附量。另外，羊毛经等离子体处理后，表面亲水化，润湿性提高，在印花过程中，除了浆离开筛网时的压力和动能外，织物中的毛细管效应增加了浆向织物内部的扩散和渗透，使得印制后的织物带有更多的浆，浆渗入织物深处，使得量提高。经等离子体处理后的织物，蒸化时染料能够迅速而有效地上染，从而可获深且均匀的印花效果。
3.提高粘结性
对于等离子体在提高粘结性方面的作用，以前在塑料、橡胶方面应用较多，与亲水性很类似，纤维表面引入极性基团后，表面的自由能增大，润湿性提高，表面被侵蚀的结果是粗糙化，因而粘结性提高。涂层底布经等离子体处理后，能提高与涂层树脂的粘结力。由此看来，在用纤维增强树脂作为增强材料的前处理中应用等离子体，可望有一定效果，但至今尚无在实际中应用的例子。另外，对于马海毛、兔毛等一些纺织材料，由于表面光滑，缺乏抱合力，给纺织加工带来很大困难，利用等离子体刻蚀，可使其表面产生很多凹槽，增加表面粗糙度，从而提高这些纤维的可纺性，这种处理在国内已有过不少研究，有些已获得生产上的应用。
4.在棉织物前处理及苎麻染中的一些应用
较早就有报道说，低温等离子体处理可以代替棉织物的一些前处理过程，如退浆，煮练，甚至漂白。坯布经等离子体处理后，亲水性提高，进而通过浆料的氧化分解提高浆料的溶解性，使浆料中的蜡和棉蜡成为亲水性，有利于精练剂的渗透，减少助剂的使用。另外，对于应用等离子体提高苎麻的深染性也有相应的资料，其作用主要也是对苎麻表面进行刻蚀，通过交换和接枝聚合反应，改变纤维表面物理化学结构，从而达到增深效果。
5.高性能纤维和聚合物的表面改性
高性能纤维和聚合物，如碳纤维、聚芳胺、聚芳酯、聚四氟乙烯等具有高强、高模、高弹、耐热等优
良性能，但在实际中很少单独使用而常用作复合材料。由于它们的内聚力很强或表面缺乏极性官能团等原因，而使复合材料粘结困难，或制得的复合材料其层间剪切强度很低。经过等离子体放电处理，可改变这些材料的表面性能，最明显的是提高润湿性和增加表面粗糙度，从而有利于粘合剂在纤维表面的铺展及与材料之间产生良好的接触，增强其粘合力。另外，放电处理也可以引入一些极性官能团，这些极性基团还可以与粘合剂发生交联反应，进一步提高粘结性。
四、结束语
除了以上介绍的等离子技术的应用外，近年来，已见等离子体处理用于阻燃、防皱、拒水、拒污、卫生整理等方面。等离子体的工艺优点是清洁，能量有效且处理均匀度很高，是一种很吸引人的加工方法。其主要缺点是设备投资费用高，除电晕放电外，其他均需要要求极高的真空设备，从而限制了它们在生产中的应用。然而研究表明，尽管设备的投资费用高，但在能源、用水、化学品和人力方面的节约，足以使等离子技术成为经济上可行的方法，从目前的技术条件来看，电晕放电有可能首先在生产中得以应用。各种放电技术的应用前景很大程度上取决于能否设计出一种简单连续的生产设备，这也将有可能成为今后研究的主要方向。■
参 考 文 献
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表面电晕处理机
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9葛丽波.低温等离子体处理对毛织物风格的影响.毛纺科技,1998 (6):47～51
38
纺织工程
Textile Engineering
CT L
纺织导报 CH I N A T E X T I LELE A DE R 1999年第5期
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