等离子体在纺织材料表面改性中的应用进展

冯雨晴

(德州学院，山东 德州253023)

从20世纪60年代起，等离子体就被用于不同纺织材料的表面处理，以改善材料的表面性能如清洁、粘结性、可染性、亲水性/疏水性、抗摩擦、抗缩水、抗反射、退浆等等。近几年来，随着纺织材料后整理要求的提高，合成纤维使用的增多以及环境保护纺织工程的需要，等离子体表面改性纺织材料有代替传统的湿法化学工艺处理的趋势。

1 等离子体改善纺织材料表面的性能

1．1 提高抱合力

据报道[1],棉粗纱经过氯气电晕放电低温等离子体处理后,纤维间的抱合力可以提高4倍。棉纱抱合力的提高是由于等离子体处理除去了纤维表面的蜡质,使纤维表面变得粗糙不平,增加了纤维之间的抱合力,从而提高了棉纱的断裂强度。棉纱抱合力随处理时间的增大而增大,随处理功率的提高而降低。

1．2 改变润湿性能

Stone等最早将等离子体技术用于棉纱处理,他们发现处理过的棉纱吸湿性能显著增加,其低捻度下的强力也增加了31%～76%。Reza等利用氧和空气等离子体处理棉织物，可以使棉织物表面侵蚀，增加羧基和羰基的含量，从而赋予棉织物更好的润湿性。Temmerman等在常压下利用直流辉光放电处理棉纱，为了测试等离子体处理的效果，通过芯吸速率来确定处理后纱线的亲水性能的提高。结果表明芯吸速率随处理时间和放电功率的增加而增大，在电极附近更高。刘艳春等用氮气辉光等离子体对腈纶纤维表面改性,腈纶表面吸湿性能得到显著提高[2]。

等离子体不仅能增加纺织品的表面吸湿性,而且也可使本来表面吸湿性高的织物表面产生拒水效果。利用等离子体处理,可引入含氟基团使织物拒水。国内外报道较多的是以有机氟树脂进行处理。朱峰等利用某种氟碳化合物的音频等离子体沉积方法在棉织物表面涂覆一层很薄的憎水膜。McCord等使用CF4和C3F6射频等离子体处理棉织物赋予其憎水性。Riccordi等运用低压SF6等离子体处理增加棉织物的憎水性，这种处理是在织物表面引入了含氟基团而不是在织物表面沉积了一层薄膜。Vohrer等通过全氟单体辉光放电等离子体使棉-聚酯织物获得了很好的憎水性。马晓光等利用CF4微波低温等离子体处理纯棉针织物，增加其拒水性能，结果显示织物的拒水性大幅提高，但同时也发现织物的拒水效果随放置时间的延长而下降，具有时效性。Abidi等利用N2、O2和Ar等离子体将棉织物在微波500 W处理240 s增加活性羰基基团，纤维素链段内的活性基团和乙烯单体发生共聚反应赋予棉织物优良的拒水性[3]。

1．3 增加摩擦性能

不同的等离子体可使织物表面变得光滑或粗糙。东华大学理学院的黎志光等人,用自制的介质阻挡放电产生等离子体对大豆纤维进行表面改性。用扫描电镜等观察,发现未处理的试样表面比较光滑,纤维的摩擦因数较小;而经刻蚀处理的纤维表面变得毛糙,出现了沟槽裂缝,使纤维摩擦因数大大提高。因此,经改性后大豆纤维的摩擦因数有明显提高,最高可达40%[4]。

1．4 改善粘合性能

纺织材料经低温等离子体处理后,增加了比表面积,提高了表面粗糙度和润湿性,并引入了活性基团，从而能够与被粘材料充分接触,形成物理交联、化学键合、范德华作用等,达到改善粘合性能的目的。

Miyagawa等研究了氧等离子体处理对碳纤维/环氧树脂纳米复合材料机械性能的影响。结果发现等离子体处理的碳纤维/环氧树脂纳米复合材料具有更好的粘结性，使得其断裂韧度值比未处理试样低，并且冲击强度也有所下降。

利用氨等离子体刻蚀碳纤维，处理时间越长，碳纤维的结构越无序。同时还在处理后的碳纤维表面发现N-H官能团。氧等离子体处理碳纤维提高其整体粘附性，增加碳纤维表面能和润湿性，在纤维表面形成含氧基团并增加了纤维表面的多孔性。

Hild等用气体等离子体处理超高强度聚乙烯纤维提高其粘附性，由于在纤维表面引进了极性基团，因此纤维的润湿性增强。Li等用丙烯胺等离子体在超高强度聚乙烯纤维表面涂覆，改善其与环氧树脂的粘着力。

低温等离子体处理在解决碳纤维、芳纶纤维、聚四氟乙烯纤维、工业聚酯纤维、工业聚乙烯纤维等高性能纤维材料的表面难粘性问题方面有着无可比拟的优势。目前,常用于制备增强复合材料的纤维均为这些高性能纤维。由于它们的粘着性受到其表面结构化学惰性和表面能的限制,使得复合材料粘着困难或层间剪切强度低,进而影响其优良性能的发挥。经等离子体处理后,高性能纤维的表面润湿性和粗糙度都有较大幅度的提高,有利于粘合剂在纤维材料表面的铺展,材料与粘合剂之间有良好的接触,粘合剂的粘合力可得到充分发挥[5]。

1．5 改善染色性能

等离子体能提高纺织纤维的毛细管效能,因而能改善其织物的染色性能。如等离子体对羊毛表面改性后,既改变了羊毛表面的化学组成,提高了羊毛纤维对染料分子的吸附能力,又对鳞片层有一定的破坏作用,提高了染料分子向纤维内部的扩散能力[6]。

Janca等用常压等离子体处理精梳毛条，发现白度和染料吸附增强而手感没有变化。利用不同非聚合低温等离子体处理羊毛纤维改善其酸性媒染染料的染色性，结果显示低温等离子体处理可以不同程度地改善羊毛纤维的染色性能。朱若英等采用低温氧等离子体技术处理羊毛，结果表明，低温氧等离子体处理增加了纤维表面的亲水性，并且使羊毛纤维染色初始壁障被破坏，改善了染色性能，即上染速率和染色扩散系数提高及染色平衡时间缩短[7]。

上海工程技术大学王黎明等人用低温等离子体处理兔毛,处理后提高了兔毛的上染速率及上染百分率,降低染色温度,减少酸的用量,从而减少了纤维的损伤。经处理后的兔毛纤维放置20天,其上染百分率发生变化,但下降幅度不大,仍比未处理过的纤维上染百分率高。这说明用低温等离子体处理后的兔毛具有较高的使用价值。

1．6 羊毛防毡缩

毡缩是羊毛的典型特征，羊毛表面改性的目的就是为了赋予羊毛在水洗过程中具有一定的抗缩水性[8]。

Kan等使用氧、氮和氢/氮混合气体等离子体处理羊毛织物，由毡缩球密度可以断定在低温下氮和混合气体等离子体的刻蚀作用赋予了羊毛纤维相似的防毡缩效果，比氧等离子体处理的效果好。金郡潮等利用氮和氧等离子体对羊毛机织物进行处理改善织物的防毡缩性，结果表明时间、压强和功率三个因素均存在一个适当的条件，超过此条件并不能进一步提高处理效果。他们还研究了在等离子体处理后再进行后处理，进一步提高了防粘缩性能，而且还使羊毛织物手感柔软并富于弹性[9]。

1．7 提高退浆率

等离子体处理使浆料表面发生大分子链的断裂和极性基团的形成等化学变化，从而增强浆料在冷水中的溶解性。蔡再生等研究利用空气/氦常压等离子体退除棉织物上的PVA浆料，发现等离子体处理可以去除部分PVA浆料，或是增强PVA在冷水中的溶解性，而等离子体处理没有对棉织物性能产生影响。

1．8 其他性能

等离子体可对涤纶织物进行抗静电整理,用氨气低温等离子体处理棉织物可大大提高干折皱回复性,但湿折皱回复性没有变化。还可用等离子体对家具布进行阻燃整理,目前Europlasma公司正在开展该项研究,据称有着广阔的市场前景[10]。

2 等离子体表面改性技术存在的问题

低温等离子体被广泛应用于改善基体表面性能。但是，就以前的研究来说，有些方面还有待于进一步完善和研究。目前,低温等离子体技术基本上还处于实验阶段,试验的处理装置大多还是实验室的小装置,而且有以下不足:

2．1反应条件的设定因素多。使用的低温等离子体大多是在低压下产生的，即使利用的是常压等离子体，处理过程也是在密闭的反应装置内进行的。

2．2对处理装置的依赖性大。处理装置的高频发生器、电机形状、处理气体导入法、监控法等有待进一步改进、完善。

2．3反应复杂、生成物的化学结构难固定，抽真空与连续化等问题影响了该项技术的工业化应用。

此外,到目前为止,虽然不同等离子体对同一织物产生不同的处理效果,以及同一等离子体不同作用参数产生不同作用效果已有许多研究成果,但由于等离子体技术作用机理的复杂性和等离子体固有的不稳定性,使得未解决的问题还有很多。发掘等离子体技术在纺织领域的更多用途,以及如何将等离子体技术应用于纺织大规模生产等,还有待于进行更广泛、更深入的研究。

3 展望

低温等离子体表面改性属于固体与气体之间的直接反应,是一种无水处理技术,可大幅度地节水、节能,并减少环境污染。同时该技术还具有反应速度快,作用时间短,材料的物理机械性能损失小,可得到多种改性效果等优点,因而其应用前景广阔。在纺织工业中，等离子体处理与传统的处理方法相比具有很多的优点，但在该技术进入工业应用之前,还需要对纤维表面改性进行更深入的研究,开发出适合连续作业、使用方便、价格合理和无环境污染的低温等离子体生产装置[11]。

参考文献：

[1]陈杰蓉.低温等离子化学及其应用[M].北京:科学出版社,2001.

[2]李阳,许根慧.等离子体技术在催化反应中的应用[J].化学工业与工程,2002,19(1):66—68.

[3]沈丽,戴瑾瑾.氟碳等离子体技术[J].印染,2005,(1)：49—51.

[4]张建春,郭玉海.电晕辐照技术[M].北京:中国纺织出版社,2003.

[5]李成榕,王新新.大气压下的辉光放电[J].高电压技术,2002,28(12):41—42.

[6]朱若英，滑钧凯，黄故，忻浩忠. 羊毛低温等离子体处理后的染色性能研究[J]. 天津工业大学学报 2002,21(4): 22—27.

[7]C.W. Kan, K. Chan, C.W.M. Yuen, M.H. Miao. Surface properties of low-temperature plasma treated wool fabrics[J]. Journal of Materials Processing Technology，1998，(83): 180—184.

[8]李亮.低温等离子体对羊毛织物防毡缩性能的影响[J].山东纺织科技，2010，51(6)：8—10.

[9]金郡潮，戴瑾瑾.等离子体处理羊毛织物防粘缩性能的研究[J].印染,2002,(增刊)：30—33.

[10]陈宇岳，邹利云，盛家镛.等离子体处理对真丝纤维微细结构的影响[J]. 纺织学报,2001,22(6)：50—53.

[11]夏彦水,杨建忠. 低温等离子体技术在纺织材料表面改性中的应用进展[J].纺织科技进展，2005，(3)：5—7.