等离子技术在纺织印染工业中的应用 等离子体表面改性是一项高新技术,它是一种以物理手段处理纤维达到化学处理效果的方法。等离子体表面改性是干态处理,节能节水、清洁高效、操作简单且易控制、环境污染小。经过该方法处理的织物仅涉及纤维的表面,不破坏纤维自身的性质,使纤维表面特性得以改变而达到理想的应用效果。这样既可保持织物原有优点,又可赋予其新特性或消除某些缺点。因此,等离子技术符合可持续性发展战略的要求,正越来越受重视。
1等离子的概念及基本特性
当气态物质的温度升高,气体分子的热运动会加剧,当温度升高到一定程度时,构成分子的原子获得足够大的动能,便开始彼此分离,分裂成单个原子,这一过程称为离解。若再进一步加热,原子外层的电子便摆脱原子核的束缚而成为自由电子。最终使构成气体的分子及原子成为带正电荷的离子,这个过程称为电离。等离子体指的就是这种电离气体,是一种导电率很高的导电流体,它是一种属于物质三态之外的另一种性质奇特的物质聚集态,即通常所说的物质的“第四态”。由于在这种聚集态中电子的负电荷总数与离子的正电荷总数在数值上是相等的,宏观上呈现电中性,因而又称其为等离子体。
一般将等离子体分为高温等离子体和低温等离子体两类。前者又称为平衡等离子体,它的电子和分子或原子类粒子都具有非常高的温度,一般用于处理熔点较高的物体,如钢铁、喷丝板、化纤的导丝部件等各种金属制品;后者又称为非平衡等离子体,它的电子和分子或原子类粒子的温度比较低,一般用于处理熔点较低的物体。目前,在纺织领域中应用的等离子体主要是低温等离子体。
1·1等离子体产生的方法
等离子体可以通过多种方法产生。自然界中的日光、雷电和极光都可以产生等离子体。实验室主要采用电晕放电和辉光放电的方法得到低温等离子体。电晕放电是指在大气压条件(空气介质和通常的气压)下产生的弱电流放电。辉光放电又称为高频放电,是低于大气压条件下的放电。
1·2低温等离子体处理纺织品的作用方式
低温等离子体的作用方式主要有三种:等离子体表面处理改性(PST法)、等离子体接枝聚合(PGP法)和等离子体沉积聚合(PPD法)。PST法是指对材料表面或极薄表层的活化、刻蚀处理,通常称为减量处理。因为低温等离子体中的电子等活性因素的能量(高达20 eV)比有机化合物的化学键能(空气>氩气。因此等离子体处理气体的不同对织物的染色性能也有不同的影响。汪前东等人研究等离子体(压强15 Pa,额定电流6 A,时间5 min)处理羊毛后,80℃染色50 min,经过处理的羊毛的染料上染率得到了很大的改观;而且经过处理后的羊毛的色牢度都提高了半级到一级。
Iriyama等人利用不同的低温等离子气体(O2,N2和H2)处理染中深色的蚕丝织物,研究发现所有经等离子处理的织物K/S值都有所提高,而最节约染料、染色效果最佳的是经O2处理的织物。
2·3合成纤维的等离子体处理
合成纤维大多数吸湿性差、易产生静电,影响了合成纤维服饰穿着的舒适性。Negulescu等人采用SiCl4低温等离子体对涤纶纤维处理,发现纤维的亲水性有明显提高,纤维经30 s处理后表面水的接触角由原来的86°降为60°,再经等离子处理10 min,接触角则降为46°。李永强等人用低温等离子体(压强40 Pa,功率100 W,时间5 min)处理引发丙烯酸对涤纶的接枝处理,实验发现经过等离子体处理的涤纶比未经过处理的润湿性能大有改善,用碱性染料亚甲基蓝染色,测得经等离子体处理后,K/S值稍有提高。这是由于等离子体对涤纶织物的刻蚀,涤纶表面裂解,自由基与一定含量的氧原子形成呈酸性的羧酸基等基团,酸性基团的增多使碱性染料亚甲基蓝吸附量增加。
唐晓亮等人用不同气体的常压介质阻挡放电等离子体处理涤纶织物,可大幅度提高涤纶织物染色K/S值和染料上染量,以Ar或O2-Ar(1∶10)等离子体处理,上染量提高20%左右。同时摩擦牢度没有降低,基本达到5级。N2-Ar(1∶4)等离子体有时也有较好的改性效果,但其改性作用不太稳定。利用氧气、氮气等离子体处理后,引进了一定数量的含氧及含氮基团,使涤纶表面张力增大,也使其易去污性有所改善。而经过CF4,CF3Cl处理涤纶纤维后表面张力是降低的,表面疏水性增强,涤纶的拒水性能变得更好。
在研究中,有学者讨论了空气等离子体处理气态丙烯酰胺和丙烯腈的等离子体接枝的涤纶表面电阻性能。表明经空气等离子体处理后,涤纶织物表面电阻明显下降,即使在较低相对湿度条件下,表面电阻也相当低。
Errifai等人利用等离子体聚合技术对尼龙6处理,在尼龙6表面覆盖上一层丙烯酰-1,1,2,2-四氢全氟癸酯,使尼龙6具有很好的阻燃性能,热量释放的速率降低了50%。
蒋向,邓剑如利用H2和空气的等离子体对芳纶进行改性,研究发现芳纶表面极性基团增多,纤维表面张力增大、表面极性分数增大。H2等离子体处理3 min后,芳纶表面张力总量提高了37%。
丙纶和锦纶经过等离子体处理后,各项性能都得到提高。苏远,彭赛平等人研究发现,等离子引发丙烯酸接枝后的丙纶,染料上染率得到明显提高。
一项由湖北鄂东丝织股份有限公司、湖北国威高科技有限责任公司和武汉化工学院联合开发,应用等离子体技术对纺织品表面改性处理的工艺取得重大突破。经湖北省纺织品质量检验和测试中心检测,经该工艺处理后化纤织物表面亲水性增强一级,小样染色后,其处理效果持久。
3等离子体设备的发展
随着制造技术的进步,等离子体生产型设备相继问世。由原先的实验室阶段,渐渐实现工业化生产。目前已开发成功的等离子体设备均为间歇式的,如瑞士Te鄄choplasmaS A,俄罗斯Niekmi学院和意大利Inter公司合作开发的KPR系列等离子体加工设备,其中KPR—180型低压等离子体设备工作门幅180 cm,织物运行速度8~80 m/min,日产量12 000 m/批。我国中科院化学所已购买该设备,正在开发在纺织加工中的应用。日本山东铁工在1993~1997年间,研制了低压等离子体连续处理设备,其工作幅宽为1.8 m,最大运行速度为70 m/ min。在1997年世界纺织品博览会上德国和瑞士相继都展出了可以在常压及真空下工作的等离子体设备,并投入市场。由上海市纺织科学研究院和太平洋印染机械有限公司共同研制的APPS型等离子体处理样机,其最大的优点是可以在常压条件下进行连续等离子体处理,减少了制造和控制难度。在羊毛处理上也取得了可喜的进展,正在研制适合于量大面广的平幅织物的连续式等离子体退浆设备。日前由常州恒泰等离子技术应用公司自主开发的DLZT-160等离子设备处理效率高,而其价格仅为进口设备的一半,有极强的市场竞争力。
4等离子技术存在的问题
当前,国内等离子体技术面临着产业技术的突破和普及的巨大挑战,其缺陷主要表现在自主研发的具有自主知识产权的设备及其工艺过程的缺乏,如何将现代科学研究的新成果转化为商品,应用到工业化生产中,提升企业及其产品的市场竞争力是相关从业人员面临的问题。另一方面等离子对材料改性的效果并不稳定,随着时间的推移部分效果会失去,这种现象称为等离子处理的时效性。时效性是一个复杂的物理化学变化影响因素众多,需要我们进一步研究探讨。
5结语
随着社会的发展,科技的进步,市场对纺织品的性能要求不断提高,等离子体技术作为一种经济、环保、效率高的新方法新工艺,在纺织印染方面已有相当多的成果和进展。利用等离子体的一些特殊的性质,可对纺织材料进行加工,达到其他方法无法比拟的效果。更重要的是等离子体技术符合生态纺织工业的要求,其必将推动纺织印染行业向前快速发展。 |
