摘要:等離子體技術(shù)作為一種環(huán)境友好型的新工藝,在紡織工業(yè)中的應(yīng)用正越來(lái)越受到人們重視。重點(diǎn)綜述了近年來(lái)等離子技術(shù)在纖維材料印染加工的應(yīng)用狀況,并簡(jiǎn)要介紹了等離子體設(shè)備的發(fā)展現(xiàn)狀。
關(guān)鍵詞:等離子體;紡織印染;應(yīng)用
等離子體表面改性是一項(xiàng)高新技術(shù),它是一種以物理手段處理纖維達(dá)到化學(xué)處理效果的方法。等離子體表面改性是干態(tài)處理,節(jié)能節(jié)水、清潔高效、操作簡(jiǎn)單且易控制、環(huán)境污染小。經(jīng)過(guò)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(zhì),使纖維表面特性得以改變而達(dá)到理想的應(yīng)用效果。這樣既可保持織物原有優(yōu)點(diǎn),又可賦予其新特性或消除某些缺點(diǎn)。因此,等離子技術(shù)符合可持續(xù)性發(fā)展戰(zhàn)略的要求,正越來(lái)越受重視。
1等離子的概念及基本特性
當(dāng)氣態(tài)物質(zhì)的溫度升高,氣體分子的熱運(yùn)動(dòng)會(huì)加劇,當(dāng)溫度升高到一定程度時(shí),構(gòu)成分子的原子獲得足夠大的動(dòng)能,便開始彼此分離,分裂成單個(gè)原子,這一過(guò)程稱為離解。若再進(jìn)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(gòu)成氣體的分子及原子成為帶正電荷的離子,這個(gè)過(guò)程稱為電離。等離子體指的就是這種電離氣體,是一種導(dǎo)電率很高的導(dǎo)電流體,它是一種屬于物質(zhì)三態(tài)之外的另一種性質(zhì)奇特的物質(zhì)聚集態(tài),即通常所說(shuō)的物質(zhì)的“第四態(tài)”。由于在這種聚集態(tài)中電子的負(fù)電荷總數(shù)與離子的正電荷總數(shù)在數(shù)值上是相等的,宏觀上呈現(xiàn)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(diǎn)較高的物體,如鋼鐵、噴絲板、化纖的導(dǎo)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(diǎn)較低的物體。目前,在紡織領(lǐng)域中應(yīng)用的等離子體主要是低溫等離子體。
1·1等離子體產(chǎn)生的方法
等離子體可以通過(guò)多種方法產(chǎn)生。自然界中的日光、雷電和極光都可以產(chǎn)生等離子體。實(shí)驗(yàn)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(duì)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?yàn)榈蜏氐入x子體中的電子等活性因素的能量(高達(dá)20eV)比有機(jī)化合物的化學(xué)鍵能(<10eV)高得多,在化學(xué)性上很活躍。當(dāng)處理有機(jī)化合物時(shí),很容易使被處理物表面纖維發(fā)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(yùn)用等離子體作用首先使表面活化,并引入活性基團(tuán),然后再運(yùn)用接枝方法在原表面上接上許多活性支鏈,構(gòu)成新表層。PPD法是將有機(jī)化合物的氣體形成等離子體狀態(tài),通過(guò)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(shù)在紡織印染中的應(yīng)用
國(guó)外在高分子材料的研究和應(yīng)用上使用等離子技術(shù)起步較早。從目前各國(guó)的研究狀況來(lái)看,美國(guó)的研究工作比較系統(tǒng),偏重于等離子體改性的基礎(chǔ)研究[6~8]。日本的研究則偏重于應(yīng)用領(lǐng)域。目前等離子體在紡織印染行業(yè)應(yīng)用的整體趨勢(shì)是向工業(yè)實(shí)用性方向發(fā)展。
等離子體技術(shù)在紡織印染中的應(yīng)用始于上世紀(jì)50年代,我國(guó)從80年代開始將等離子體技術(shù)應(yīng)用到紡織品工業(yè)中。在紡紗織造過(guò)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(guò)程中,等離子體技術(shù)能夠優(yōu)化織物的退漿、精練,提高前處理效率,還可以改進(jìn)染色和印花工藝,使工藝高效、經(jīng)濟(jì)、環(huán)保;在印染后整理過(guò)程中,等離子體處理對(duì)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(duì)于提高織物的附加值有著積極的意義。同時(shí)等離子體處理與其它整理劑結(jié)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(rùn)濕性能,提高染色性能。早在1992年日本山東鐵工所就開發(fā)設(shè)計(jì)了連續(xù)式低溫等離子體處理裝置,實(shí)現(xiàn)了對(duì)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(tuán),使PVA更加容易去除。棉織物經(jīng)過(guò)等離子處理后強(qiáng)力不會(huì)下降。蔡再生,邱夷平等人研究發(fā)現(xiàn)利用常壓等離子體作用在前處理退漿過(guò)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(jìn)而有助于PVA漿料去除。同時(shí)經(jīng)FT-IR測(cè)得PVA的C-C、C-H鍵減少,C-O、O-C-O鍵增加,親水性增強(qiáng),有利于退漿。
陳森,陳英等人研究發(fā)現(xiàn)經(jīng)過(guò)氬氣等離子體(50W,1min)處理的棉織物再經(jīng)過(guò)5g/LNaOH退漿處理10min,能達(dá)到常規(guī)堿退漿10g/LNaOH退漿30min的退漿率,而且其毛效也高于一般常規(guī)堿退漿的效果。對(duì)纖維的損傷程度小于常規(guī)堿退漿,單紗的強(qiáng)力較高。經(jīng)過(guò)等離子處理的纖維素纖維染色效果也得到增強(qiáng),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(shè)備已成功應(yīng)用于平幅織物的退漿工藝。設(shè)備公稱寬度500~3500mm,速度為5~50m/min?；驹硎窃诔檎婵?20~200Pa),溫度為50℃下,通入氮?dú)?利用高壓施加于電極產(chǎn)生的等離子體對(duì)織物進(jìn)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(jié)水、節(jié)氣、經(jīng)濟(jì)、環(huán)保。
葡萄牙Minho大學(xué)紡織工程部研究發(fā)現(xiàn),在棉織物絲光前,先采用Softal電暈放電裝置對(duì)織物進(jìn)行等
經(jīng)過(guò)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(jīng)過(guò)等離子處理的棉織物顏色優(yōu)于沒(méi)有經(jīng)過(guò)等離子處理的。實(shí)驗(yàn)得出經(jīng)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(jī)械物理性能和衛(wèi)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(fā)現(xiàn),利用等離子體處理苧麻纖維,對(duì)苧麻的表面進(jìn)行刻蝕,引入親水性基團(tuán),可顯著的增加毛細(xì)管效應(yīng),使纖維表面的潤(rùn)濕性大大改善,提高了染料在纖維中的擴(kuò)散效率和增大了纖維對(duì)染料的吸附量。同時(shí)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(fā)現(xiàn)當(dāng)放電功率增大到40W時(shí)的上染率和增深性都達(dá)到最大。如果功率繼續(xù)增大,上染率和增深性反而下降,這可能是因?yàn)殡S著功率增大,等離子體中粒子數(shù)量增多,能量增大,苧麻表面氧化程度越高,降低了纖維對(duì)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(fā)亞麻織物接枝丙烯酸,空氣與氦氣引發(fā)產(chǎn)生的接枝物比氮?dú)庖l(fā)產(chǎn)生的要均勻。其中空氣等離子處理接枝效果最優(yōu)。再經(jīng)研究發(fā)現(xiàn)對(duì)接枝后的亞麻進(jìn)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(jù)報(bào)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(jìn)行了等離子體處理,處理后織物的毛細(xì)效應(yīng)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(zhì)纖維的等離子體處理
傳統(tǒng)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(guò)重,纖維的強(qiáng)力及機(jī)械性能降低。此外氯化對(duì)環(huán)境污染嚴(yán)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(duì)羊毛表層進(jìn)行轟擊,表面產(chǎn)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(guī)則形狀,并明顯鈍化,定向摩擦系數(shù)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(guó)內(nèi)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(jié)合進(jìn)行羊毛防氈縮整理,效果十分明顯,而羊毛的優(yōu)良性能幾乎不變。虞學(xué)鋒等人利用低溫等離子體和MTG酶結(jié)合對(duì)羊毛進(jìn)行防氈縮整理,使得羊毛織物氈縮率降幅達(dá)85%,而斷裂強(qiáng)度和斷裂延伸度都有所提高。鐘安華等人研究的等離子結(jié)合殼聚糖和生物酶對(duì)羊毛織物防氈縮處理,羊毛織物經(jīng)過(guò)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(hù)生物酶對(duì)羊毛織物的二硫鍵的過(guò)分破壞,防止羊毛過(guò)度損傷。改善了羊毛的手感、懸垂性等性能。
經(jīng)過(guò)等離子體處理后的羊毛的染色性能也得到大大提高。國(guó)外El-Zawahry等人利用低溫氮?dú)獾入x子體處理羊毛織物,在羊毛的表面進(jìn)行刻蝕,形成更多的親水性基團(tuán),使染料更容易擴(kuò)散到纖維內(nèi)部,纖維對(duì)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(jīng)過(guò)測(cè)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(duì)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(qiáng)15Pa,額定電流6A,時(shí)間5min)處理羊毛后,80℃染色50min,經(jīng)過(guò)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(fā)現(xiàn)所有經(jīng)等離子處理的織物K/S值都有所提高,而最節(jié)約染料、染色效果最佳的是經(jīng)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(shù)吸濕性差、易產(chǎn)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(duì)滌綸纖維處理,發(fā)現(xiàn)纖維的親水性有明顯提高,纖維經(jīng)30s處理后表面水的接觸角由原來(lái)的86°降為60°,再經(jīng)等離子處理10min,接觸角則降為46°。李永強(qiáng)等人用低溫等離子體(壓強(qiáng)40Pa,功率100W,時(shí)間5min)處理引發(fā)丙烯酸對(duì)滌綸的接枝處理,實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)經(jīng)過(guò)等離子體處理的滌綸比未經(jīng)過(guò)處理的潤(rùn)濕性能大有改善,用堿性染料亞甲基藍(lán)染色,測(cè)得經(jīng)等離子體處理后,K/S值稍有提高。這是由于等離子體對(duì)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(tuán),酸性基團(tuán)的增多使堿性染料亞甲基藍(lán)吸附量增加。
唐曉亮等人用不同氣體的常壓介質(zhì)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(shí)摩擦牢度沒(méi)有降低,基本達(dá)到5級(jí)。N2-Ar(1∶4)等離子體有時(shí)也有較好的改性效果,但其改性作用不太穩(wěn)定。利用氧氣、氮?dú)獾入x子體處理后,引進(jìn)了一定數(shù)量的含氧及含氮基團(tuán),使滌綸表面張力增大,也使其易去污性有所改善。而經(jīng)過(guò)CF4,CF3Cl處理滌綸纖維后表面張力是降低的,表面疏水性增強(qiáng),滌綸的拒水性能變得更好。
在研究中,有學(xué)者討論了空氣等離子體處理氣態(tài)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(jīng)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(duì)濕度條件下,表面電阻也相當(dāng)?shù)汀?/p>
Errifai等人利用等離
蔣向,鄧劍如利用H2和空氣的等離子體對(duì)芳綸進(jìn)行改性,研究發(fā)現(xiàn)芳綸表面極性基團(tuán)增多,纖維表面張力增大、表面極性分?jǐn)?shù)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(jīng)過(guò)等離子體處理后,各項(xiàng)性能都得到提高。蘇遠(yuǎn),彭賽平等人研究發(fā)現(xiàn),等離子引發(fā)丙烯酸接枝后的丙綸,染料上染率得到明顯提高。
一項(xiàng)由湖北鄂東絲織股份有限公司、湖北國(guó)威高科技有限責(zé)任公司和武漢化工學(xué)院聯(lián)合開發(fā),應(yīng)用等離子體技術(shù)對(duì)紡織品表面改性處理的工藝取得重大突破。經(jīng)湖北省紡織品質(zhì)量檢驗(yàn)和測(cè)試中心檢測(cè),經(jīng)該工藝處理后化纖織物表面親水性增強(qiáng)一級(jí),小樣染色后,其處理效果持久。
3等離子體設(shè)備的發(fā)展
隨著制造技術(shù)的進(jìn)步,等離子體生產(chǎn)型設(shè)備相繼問(wèn)世。由原先的實(shí)驗(yàn)室階段,漸漸實(shí)現(xiàn)工業(yè)化生產(chǎn)。目前已開發(fā)成功的等離子體設(shè)備均為間歇式的,如瑞士Te鄄choplasmaSA,俄羅斯Niekmi學(xué)院和意大利Inter公司合作開發(fā)的KPR系列等離子體加工設(shè)備,其中KPR—180型低壓等離子體設(shè)備工作門幅180cm,織物運(yùn)行速度8~80m/min,日產(chǎn)量12000m/批。我國(guó)中科院化學(xué)所已購(gòu)買該設(shè)備,正在開發(fā)在紡織加工中的應(yīng)用。日本山東鐵工在1993~1997年間,研制了低壓等離子體連續(xù)處理設(shè)備,其工作幅寬為1.8m,最大運(yùn)行速度為70m/min。在1997年世界紡織品博覽會(huì)上德國(guó)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(shè)備,并投入市場(chǎng)。由上海市紡織科學(xué)研究院和太平洋印染機(jī)械有限公司共同研制的APPS型等離子體處理樣機(jī),其最大的優(yōu)點(diǎn)是可以在常壓條件下進(jìn)行連續(xù)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(jìn)展,正在研制適合于量大面廣的平幅織物的連續(xù)式等離子體退漿設(shè)
4等離子技術(shù)存在的問(wèn)題
當(dāng)前,國(guó)內(nèi)等離子體技術(shù)面臨著產(chǎn)業(yè)技術(shù)的突破和普及的巨大挑戰(zhàn),其缺陷主要表現(xiàn)在自主研發(fā)的具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的設(shè)備及其工藝過(guò)程的缺乏,如何將現(xiàn)代科學(xué)研究的新成果轉(zhuǎn)化為商品,應(yīng)用到工業(yè)化生產(chǎn)中,提升企業(yè)及其產(chǎn)品的市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力是相關(guān)從業(yè)人員面臨的問(wèn)題。另一方面等離子對(duì)材料改性的效果并不穩(wěn)定,隨著時(shí)間的推移部分效果會(huì)失去,這種現(xiàn)象稱為等離子處理的時(shí)效性。時(shí)效性是一個(gè)復(fù)雜的物理化學(xué)變化影響因素眾多,需要我們進(jìn)一步研究探討。
5結(jié)語(yǔ)
隨著社會(huì)的發(fā)展,科技的進(jìn)步,市場(chǎng)對(duì)紡織品的性能要求不斷提高,等離子體技術(shù)作為一種經(jīng)濟(jì)、環(huán)保、效率高的新方法新工藝,在紡織印染方面已有相當(dāng)多的成果和進(jìn)展。利用等離子體的一些特殊的性質(zhì),可對(duì)紡織材料進(jìn)行加工,達(dá)到其他方法無(wú)法比擬的效果。更重要的是等離子體技術(shù)符合生態(tài)紡織工業(yè)的要求,其必將推動(dòng)紡織印染行業(yè)向前快速發(fā)展。
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