低壓等離子體改性棉織物表面性能研究

朱虹燁,謝光銀

(西安工程大學(xué) 紡織科學(xué)與工程學(xué)院,陜西 西安710048)

棉纖維作為最常見的纖維,具有多種優(yōu)良性能,棉織物也是應(yīng)用最廣泛的產(chǎn)品[1],但原棉生長期間在纖維表面常積累雜質(zhì),棉織物上漿處理的加工工藝使得棉纖維會殘留蠟質(zhì)漿料及其他雜質(zhì),這些雜質(zhì)會影響棉織物的親水性,適當(dāng)?shù)貙γ蘅椢锉砻孢M(jìn)行改性,能夠增強(qiáng)棉織物的廣泛應(yīng)用性。

射頻輝光放電等離子體不僅會對棉織物表面起活化作用,也會對棉織物進(jìn)行一定程度的刻蝕作用,而過強(qiáng)的刻蝕作用會削弱對織物的活化效果[2]。等離子體處理是近幾十年發(fā)展起來的一種新型紡織材料改性方法。等離子體處理可以使棉織物在不損傷材料本身的基礎(chǔ)上獲得新的性能[3]。但等離子體處理的研究還停留在負(fù)壓等離子體上,大多需要填充氣體介質(zhì),存在設(shè)備成本高、技術(shù)難度大、處理面積小等缺點(diǎn),在實(shí)際生產(chǎn)中應(yīng)用難度大,要在實(shí)際生產(chǎn)中得到推廣,還需要進(jìn)行技術(shù)創(chuàng)新。

等離子體中高能粒子對棉織物的轟擊,可以破壞棉纖維中的蠟質(zhì),使棉織物獲得更廣泛的應(yīng)用,棉紗的上漿在傳統(tǒng)的加工工藝中,用到的是高壓法和預(yù)濕法[4],不符合當(dāng)代綠色生態(tài)的發(fā)展主題。使用等離子體處理可有效減少污染,該技術(shù)作為一種節(jié)能環(huán)保、方便無污染的處理技術(shù)為紡織領(lǐng)域開辟了一條新的環(huán)保加工方式,是一種很有前景的預(yù)處理技術(shù)[5]。

1 試驗(yàn)部分

1.1 材料

選用織物組織為平紋且規(guī)格相近的未加工處理的原棉織物。主要規(guī)格見表1。

表1 織物規(guī)格

1.2 試驗(yàn)方法與表征

1.2.1 等離子體處理

(1)通過改變等離子體處理時間來分析等離子體處理對棉織物產(chǎn)生的影響。

(2)處理?xiàng)l件為:射頻等離子體處理,射頻為13.56 MHz,處理功率為80 W。

(3)處理時間分別為30、60、90、120、150 s,按照處理時間不同將棉織物分組并剪成小樣,分別放進(jìn)低壓等離子體處理設(shè)備中進(jìn)行處理。

1.2.2 纖維表面形貌表征

(1)儀器:S-4800掃描電子顯微鏡。

(2)測試方法:將織物按照一定尺寸裁剪,用導(dǎo)電膠帶粘于樣品臺,通過掃描電子顯微鏡進(jìn)行觀測。

1.2.3 織物紅外光譜表征

(1)儀器:VERTEX 70紅外測試儀。

(2)測試方法:將織物樣品置于樣品臺,測試面朝金剛石晶體,將壓力輪降下,使樣品固定并調(diào)節(jié)壓力標(biāo)桿至2.5,進(jìn)行樣品測試。

1.2.4 織物親水性能測試

(1)儀器:OCA 40接觸角測量儀。

(2)測試方法:試樣在測量前經(jīng)無水乙醇超聲清洗,得到干凈的表面,分別測量涂層試樣與水的接觸角,取多次測量的平均值。

2 結(jié)果與討論

2.1 纖維表面形貌

織物等離子體處理前后的掃描電子顯微鏡表征結(jié)果如圖1、圖2所示,可以看出原棉樣品表面平整光滑,有天然的縱向條紋,而經(jīng)過150 s低壓等離子體處理的棉纖維表面平整性被破壞,出現(xiàn)凹槽,表明等離子體處理對纖維表面造成了刻蝕效果,纖維表面變得更加粗糙復(fù)雜,使比表面積變大,改善了織物表面性能。

圖1 原棉樣品SEM測試結(jié)果

圖2 等離子處理150 s后SEM測試結(jié)果

2.2 紅外光譜

經(jīng)不同時間等離子體處理織物的紅外光譜圖如圖3所示,可以看出經(jīng)過等離子體處理之后,沒有出現(xiàn)新的顯著性特征吸收峰,但各吸收峰的強(qiáng)度較未處理織物有所變?nèi)酢?90～1 030 cm-1附近為飽和碳?xì)浠鶊F(tuán)中甲基、乙基等基團(tuán)的面內(nèi)搖擺振動峰；1 069.23 cm-1附近很明顯能分辨出是羰基化合物中伯醇(C-O)的伸縮振動峰,此吸收峰強(qiáng)度非常大；1 319.65 cm-1和1 590.11 cm-1附近分別是羧基中C-O基團(tuán)的伸縮振動峰和烷基羧酸羧基中C=O振動峰；2 921.05 cm-1處的吸收峰為亞甲基的,表明了羧甲基化的棉紗布中存在亞甲基,且與氧原子直接相連；3 200～3 400 cm-1附近為醇羥基的吸收峰。在紅外的測試過程中,樣品采用了酒精進(jìn)行洗滌,故也可證明最后檢測時的棉纖維中殘留有少量的乙醇。

經(jīng)過低溫等離子體處理的織物表面被活化,產(chǎn)生了自由基,引起了吸收峰強(qiáng)弱的變化,并沒有出現(xiàn)偏移或其他變化,其化學(xué)結(jié)構(gòu)沒有改變,但高能粒子撞擊織物表面的漿料和雜質(zhì),撞擊后部分漿料及雜質(zhì)可能被去除,使吸收峰減弱。

圖3 低壓等離子體處理紅外光譜圖

2.3 織物親水性能

織物親水性能測試結(jié)果見表2。棉織物在經(jīng)過真空低溫等離子體處理后,表面的親水性能增強(qiáng),且效果明顯。處理時間為30 s時,棉織物吸水性不明顯,隨處理時間的增加,棉織物的潤濕時間逐漸縮短,當(dāng)處理時間為150 s時,棉織物達(dá)到瞬吸狀態(tài)。在表2中,第一組、第二組、第三組為將棉織物分別進(jìn)行等離子體處理60、90、120 s時所得到的試驗(yàn)數(shù)據(jù),從第一組數(shù)據(jù)可以看出,等離子體對棉織物的處理不均勻,親水效果不好,數(shù)據(jù)差別較大,上下浮動較大,但總體趨勢是隨著處理時間的增加,棉織物的潤濕時間隨之縮短,親水效果越好；第三組幾乎可以達(dá)到瞬吸的效果,但是處理不均勻。當(dāng)棉織物被等離子體處理時間達(dá)到150 s時,親水效果達(dá)到最佳,出現(xiàn)了瞬吸的效果。(其中等離子體處理功率為80 W,處理時間為30 s的試驗(yàn)材料處理效果不好,多次在10 min內(nèi)未被潤濕,所以不在比較范圍之內(nèi),150 s時的試驗(yàn)材料已經(jīng)達(dá)到瞬吸的效果,潤濕時間不能測得,故也不在比較范圍之內(nèi)。)

表2 織物潤濕時間

3 結(jié)語

原棉織物經(jīng)紡織材料低壓等離子體處理設(shè)備處理,在處理功率為80 w,處理時間為150 s時原棉織物能達(dá)到瞬吸的效果,親水性得到極大的改善。

棉織物的親水性與其表面活性、所含基團(tuán)以及漿料雜質(zhì)等因素有關(guān),將棉纖維表面用等離子體進(jìn)行處理后,棉纖維表面的平整性被破壞,表面變得更為復(fù)雜粗糙,增大了棉纖維表面的比表面積,破壞了棉纖維表面的漿料及雜質(zhì)。比表面積是影響棉纖維吸附能力的一個重要因素,比表面積越大,其吸附能力和吸附效果越好,隨著等離子體處理時間增長和功率增大,表面變得更加粗糙不平,比表面積也就越大,吸附能力也就越好。經(jīng)過等離子體處理后,棉纖維表面存在大量的含氮、含氧等親水基團(tuán),氮和氧的存在非常容易和游離的水分子之間形成氫鍵,大量吸附水分子,棉纖維表面氫鍵的形成,不僅提高了纖維的吸水能力,也相應(yīng)提高了其保水能力和吸水速率。