空氣等離子體處理對滌綸非織造布表面親水性的影響

王曉娜，張　銀，任　煜

(南通大學(xué) 紡織服裝學(xué)院，江蘇 南通 226019)

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空氣等離子體處理對滌綸非織造布表面親水性的影響

王曉娜，張銀，任煜

(南通大學(xué) 紡織服裝學(xué)院，江蘇 南通 226019)

采用空氣等離子體技術(shù)對滌綸非織造布表面進(jìn)行了處理，利用掃描電子顯微鏡和光電子能譜儀分別考察了處理前后滌綸非織造布表面形態(tài)和化學(xué)成分的變化，分析了處理時間對非織造布的親水性及其時效性以及力學(xué)性能的影響。結(jié)果表明：隨著空氣等離子體處理時間的增加，滌綸非織造布的表面粗糙程度增加；在處理時間前90 s內(nèi)，滌綸非織造布的靜態(tài)水接觸角由未處理時的114.3°下降到33.2°，90～150 s接觸角趨于穩(wěn)定；經(jīng)等離子體處理的試樣表面含碳量下降，含氧和含氮基團(tuán)增加，其親水性存在明顯的時效性，適當(dāng)延長處理時間可以在一定程度上抑制試樣親水性的老化效應(yīng)；隨著處理時間的確加，滌綸非織造布的縱向和橫向斷裂強(qiáng)力緩慢下降，但不影響其主體的力學(xué)性能。

聚對苯二甲酸乙二醇酯纖維非織造布空氣等離子體表面處理親水性力學(xué)性能

隨著我國經(jīng)濟(jì)建設(shè)的飛速發(fā)展，非織造材料的市場需求量越來越大，滌綸以其優(yōu)良的物理機(jī)械性能和化學(xué)穩(wěn)定性在各行各業(yè)取得廣泛應(yīng)用，如生物組織工程、一次性衛(wèi)生用品、包裝材料等[1-3]。但由于滌綸本身的非極性結(jié)構(gòu)和較高的結(jié)晶度使滌綸非織造布的吸濕性較差[4]，這嚴(yán)重影響了最終產(chǎn)品的使用性能，阻礙了滌綸非織造布進(jìn)一步的拓展開發(fā)。為了改善滌綸非織造布的親水性，人們探索出多種改性途徑，如共聚、共混、接枝和添加表面活性劑等，這些改性方法不利于環(huán)境的可持續(xù)發(fā)展[5-7]。等離子體技術(shù)綠色環(huán)保無污染，但往往需要在真空條件下進(jìn)行，對設(shè)備要求高，操作復(fù)雜，難以實(shí)現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化發(fā)展。空氣等離子體表面處理技術(shù)是在常壓環(huán)境中進(jìn)行，既滿足了引發(fā)表面改性所需的能量要求，又簡化了實(shí)驗(yàn)過程，節(jié)約了生產(chǎn)成本[8]。作者采用空氣等離子體技術(shù)對滌綸非織造布進(jìn)行表面改性，探究不同的處理時間對試樣親水性的影響，并考察了滌綸非織造布親水性的老化效應(yīng)。

1　實(shí)驗(yàn)

1.1材料

滌綸紡粘非織造布：面密度為50 g/m2，厚度為0.25 mm，東莞吉佰利環(huán)保科技有限公司產(chǎn)。實(shí)驗(yàn)前先將試樣用清水沖洗10 min以除去水溶性雜質(zhì)，再在無水乙醇中超聲波清洗20 min除去有機(jī)雜質(zhì)；然后將試樣置于50 ℃的烘箱中徹底烘干，保存在干燥器中待用。

1.2儀器設(shè)備

APP-350型常壓等離子體混合處理設(shè)備：電壓0～250 V可調(diào)，頻率為50 Hz，功率0～2 kW可調(diào)，中國科學(xué)院微電子研究所制；JSM-6510型掃描電子顯微鏡(SEM)：日本電子株式會社制；JC2000C型接觸角測試儀：上海中晨技術(shù)設(shè)備有限公司制；ESCALAB 250型光電子能譜儀：美國VG科學(xué)儀器公司制；YG065型電子織物強(qiáng)力測試儀：萊州市電子儀器有限公司制。

1.3空氣等離子體處理方法

常壓環(huán)境下將試樣置于上下電極板中間，開啟等離子體處理機(jī)。改變處理時間對試樣進(jìn)行改性，電壓均為200 V；處理后的試樣分別放入干燥的標(biāo)簽袋里并置于室溫環(huán)境，溫度(23±2)℃，相對濕度(60±10%)，每3 d測量一次接觸角。

1.4測試

表面形貌：采用SEM觀察處理前后試樣表面形態(tài)的變化，放大倍數(shù)為20 000。

接觸角：使用JC2000C型接觸角測試儀進(jìn)行測試，以靜態(tài)水接觸角表征試樣親水改性的效果，接觸角越小，表明試樣的親水性越好。

元素含量：采用光電子能譜儀分析試樣表面的化學(xué)成分，Al Kα為X射線源。

力學(xué)性能：使用YG065型電子織物強(qiáng)力測試儀參照GB/T 3819—1997對試樣進(jìn)行強(qiáng)力測試。

2　結(jié)果與討論

2.1滌綸非織造布表面形態(tài)

從圖1可以看出：未經(jīng)空氣等離子體處理的滌綸表面光滑平整，色澤比較均勻；經(jīng)空氣等離子體處理后，纖維表面變得凹凸不平，粗糙度有所增加，且隨著處理時間的延長，試樣表面凹凸不平的現(xiàn)象越來越嚴(yán)重。由此可以推斷，等離子體的刻蝕作用會使纖維表面的微觀結(jié)構(gòu)發(fā)生改變，而且處理時間越長，刻蝕作用越劇烈，表面粗糙度也越大。

圖1　不同處理時間滌綸非織造布表面的SEM照片F(xiàn)ig.1　Surface SEM images of PET nonwoven fabric at different discharge time

2.2靜態(tài)水接觸角

由圖2 可以看出，當(dāng)?shù)入x子體處理時間從0增加到150 s時，滌綸非織造布的靜態(tài)水接觸角隨著時間的延長總體上可以分為兩個階段：第一階段(處理時間為0～90 s)，試樣的接觸角呈現(xiàn)出銳減的趨勢，由未處理時的114.3°急劇下降到33.2°，材料表面的親水性大幅提高；第二階段(處理時間為90～150 s)，試樣的接觸角隨處理時間的繼續(xù)增加略有降低，基本趨于穩(wěn)定狀態(tài)。這是因?yàn)樵谡麄€改性過程的前90s內(nèi)，隨著處理時間的增加，在纖維表面引入的親水性基團(tuán)逐漸增多，同時刻蝕作用加強(qiáng)，試樣的比表面積增大，從而導(dǎo)致試樣的親水性不斷提高。試樣表面含氧基團(tuán)的植入率達(dá)到最大值以后便逐漸趨于穩(wěn)定，再延長處理時間對試樣的親水性影響不大。

圖2　處理時間對滌綸非織造布接觸角的影響Fig.2　Effect of discharge time on contact angle of PET nonwoven fabric

2.3光電子能譜

從圖3和表1可以看出：滌綸非織造布的光電子能譜圖中主要存在O1s, N1s, C1s 3種峰，分別出現(xiàn)在532，400，285 eV的位置[9]；經(jīng)空氣等離子體處理后，滌綸非織造布表面的C1s峰明顯降低，由處理前的78.63%下降到處理后的49.19%，而O1s, N1s峰顯著增高，尤其是氧元素的質(zhì)量分?jǐn)?shù)由17.15%上升至41.01%。由此說明經(jīng)空氣等離子體處理后的滌綸表面引入了更多的含氧和含氮基團(tuán)，這些極性基團(tuán)含量增加使試樣表面的親水性明顯提高。

圖3　空氣等離子體處理前后滌綸非織造布的光電子能譜Fig.3　X-ray photoelectron spectra of PET nonwoven fabrics after air plasma treatment1—未處理；2—處理120 s

處理時間/swC,%wO,%wN,%078.6317.154.2212049.1941.019.80

2.4親水性的時效性

經(jīng)等離子體處理過的滌綸非織造布的親水性并不穩(wěn)定，會隨著時間的推移慢慢減弱甚至消失，即老化效應(yīng)[10]。

從圖4可以看出：滌綸非織造布經(jīng)空氣等離子體處理后的表面親水性得到了明顯的改善，但隨著時間的推移，不同處理時間的試樣的接觸角呈現(xiàn)出不同的變化趨勢，總體來說，試樣的接觸角在處理后的前6d內(nèi)變化最大，呈快速上升的趨勢(尤其是處理時間為90s和150s的試樣)，之后試樣的接觸角略有波動，基本趨于穩(wěn)定狀態(tài)，這是因?yàn)榈入x子體處理會在試樣表面引入大量的極性基團(tuán)，使試樣的親水性大幅提高，但隨著時間的延長，這些極性基團(tuán)會逐漸向纖維大分子鏈的內(nèi)側(cè)翻轉(zhuǎn)引起材料親水性的降低[11]；比較不同處理時間的試樣接觸角的變化規(guī)律，發(fā)現(xiàn)處理時間為30s的試樣表面接觸角最大，而接觸角最小的是處理時間為150s的試樣，由此可見，延長等離子體處理時間對親水性的時效性的抑制可以起到一定的作用。這是由于等離子處理時間對材料表面氧化層厚度有影響，隨著等離子體處理時間的延長，材料表面所產(chǎn)生的氧化層厚度較大，使得材料表面親水性的時效性得到抑制[12]。

圖4　不同時間處理的滌綸非織造布表面接觸角的時效性變化Fig.4　Change of surface contact angle with discharge time of PET nonwoven fabrics■—30 s；●—90 s；▲—150 s

2.5力學(xué)性能

從圖5可以看出：未經(jīng)空氣等離子體處理的滌綸非織造布橫向和縱向拉伸斷裂強(qiáng)力分別為38.5N和50.8N；經(jīng)過不同時間的等離子體處理后，試樣的橫向和縱向拉伸斷裂強(qiáng)力均呈現(xiàn)出緩慢下降的趨勢，當(dāng)處理時間為150s時，試樣的橫向拉伸斷裂強(qiáng)力下降至35.5N，強(qiáng)力損傷率為7.79%，縱向拉伸斷裂強(qiáng)力下降至47.0N，強(qiáng)力損傷率為7.48%。這是因?yàn)榭諝獾入x子體在對滌綸非織造布進(jìn)行表面改性的同時，也產(chǎn)生了一定程度的刻蝕，使試樣的拉伸斷裂強(qiáng)力有所降低。但是，由于空氣等離子體的作用僅發(fā)生在材料的淺表面，因而并未對試樣的主體性能造成較大的損傷。

圖5　處理時間對滌綸非織造布拉伸斷裂強(qiáng)力的影響Fig.5　Effect of discharge time on breaking strength of PET nonwoven fabric■—橫向；●—縱向

3　結(jié)論

a. 在空氣等離子體處理滌綸非織造布的過程中，隨著處理時間的增加，試樣表面的凹凸不平現(xiàn)象加劇。

b. 經(jīng)空氣等離子體處理的滌綸非織造布表面的親水性得到明顯改善，且不同處理時間下的改性效果也存在一定差異。適當(dāng)增加等離子體處理時間，試樣表面的親水性會逐漸增強(qiáng)。等離子體處理的前90s內(nèi)，試樣的接觸角由未處理時的114.3°迅速下降到33.2°，隨后90～150s趨于穩(wěn)定狀態(tài)。

c. 經(jīng)空氣等離子體處理，滌綸非織造布表面的含碳量明顯下降，材料表面引入了更多的含氧和含氮基團(tuán)，這些極性基團(tuán)含量的升高使試樣表面的親水性明顯增強(qiáng)。

d. 空氣等離子體處理的滌綸非織造布表面親水性存在明顯的時效性，改性效果只能維持3～6d，但6d以后材料的親水性依然比未處理樣的好。等離子體處理150s的試樣接觸角最小，且親水效果的老化時間最長。

e. 隨著空氣等離子體處理時間的延長，滌綸非織造布的拉伸斷裂強(qiáng)力緩慢下降，但并沒有對試樣的主體性能造成較大的損傷。

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Effectofairplasmatreatmentonhydrophilicpropertyofpolyesternonwovenfabrics

Wang Xiaona, Zhang Yin, Ren Yu

(School of Textile and Clothing, Nantong University, Nantong 226019)

Thesurfaceofpolyester(PET)nonwovenfabricwastreatedbyairplasmatechnique.ThechangeofsurfacemorphologyandchemicalcompositionofPETnonwovenfabricwasinvestigatedbeforeandafterairplasmatreatmentbyscanningelectronmicroscopyandphotoelectronspectroscopy.TheeffectsoftreatmenttimeonthehydrophilicpropertyandtimelinessandmechanicalpropertiesofPETnonwovenfabricwereanalyzed.TheresultsshowedthatthesurfaceofPETnonwovenfabricbecamerougherwhileprolongingtheairplasmadischargingtime;thestaticwatercontactangleofPETnonwovenfabricwasdecreasedfrom114.3°to33.2°within90sandtendedtobestablefrom90sto150sduringtheairplasmatreatment;thesurfacecarboncontentwasdecreased,theoxygen-containingandnitrogen-containinggroupswereincreased,andthehydrophilicpropertyofPETnonwovenfabricshowedobvioustimelinessafterairplasmatreatment;thehydrophilictyageingcouldbedepressedinsomedegreebyproperlyprolongingthetreatmenttime;andthelongitudinalandhorizontalbreakingstrengthofPETnonwovenfabricwasslowlydecreasedwithoutlossofmechanicalpropertieswhileprolongingthetreatmenttime.

polyethyleneterephthalatefiber;nonwovenfabric;airplasma;surfacetreatment;hydrophilicproperty;mechanicalproperties

2015-12-10；修改稿收到日期：2016- 05-31。

王曉娜(1990—)，女，碩士研究生，主要研究方向?yàn)槔w維材料的等離子體改性處理。E-mail：wangxn6668@sina.com。

江蘇省自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(BK20140431)，南通大學(xué)自然科學(xué)項(xiàng)目(14ZY004)。

TQ342.2

A

1001- 0041(2016)04- 0024- 04

*通訊聯(lián)系人。E-mail：ren.y@ntu.edu.cn。