低温等离子体技术在棉织物染整加工中的应用进展

陈 镇，彭 平，陆雪飞，徐 湾

（1.湖南工程学院 化学化工学院，湘潭411104，2.暨南大学 理工学院，广州510632）

棉织物作为最具代表的天然纤维制品，具有手感柔软、卫生舒适、吸湿透气、经济实惠等一系列优点，近年来，更是因其绿色、环保、生态的特性，迎合了人们回归自然、追求健康的心理，发展迅速，产销量稳居前列.棉织物的染整加工过程的大多数是湿态的化学加工过程，主要工序包括：前处理、染色或印花和后整理.

1 低温等离子体技术概述

等离子体是物质除了固态、液态和气态以外的第四种聚集态，它是由极具反应活性的电子、离子、自由基、激发态的原子、分子以及光量子等高能粒子组成的集合体；因为这种聚集态中电子的负电荷总数和离子的正电荷总数在数量上是基本相等的，宏观上呈中性，故将其称为等离子体.等离子体通常可分为高温等离子体和低温等离子体，低温等离子体目前研究得较多的是介质阻挡放电，常用的介质有氧气、氮气、氩气、氦气等.低温等离子体技术作为一种清洁、可持续发展的技术，因其节能、高效、无污染的绿色加工特点，也被视为极具发展潜力和前景的新技术［1］.纺织染整加工中主要应用的是低温等离子体，又称非平衡等离子体，它的电子温度高达104－105K，而气体却以低温状态存在，非常适合于处理纺织材料［2］.

2 低温等离子体技术在棉织物染整加工中的应用

低温等离子体对棉织物的基本作用原理可以概括成“减法”和“加法”两大类，“减法”主要是指清洗、刻蚀、杀菌，“加法”主要是指活化、功能化、沉积／涂层等［3－4］.利用低温等离子体技术对棉织物进行处理，不但对材料本身不会产生破坏，还能最大程度保留材料原有的物理、机械性能，并且可以大大降低水、电、气及常规染化料、试剂的用量，降低污水排放，经济及环保效应显著［5］.

2.1 前处理

低温等离子体在棉织物前处理中的作用主要体现在等离子体中高能粒子对织物表面发生刻蚀作用和化学改性，使棉纤维上浆料和蜡质的连续覆盖状态被氧化和破坏，浆料的分子链被切断，杂质的可溶性提高，易于被去除.因此，可优化传统的退煮工序，缩短工艺流程，节约药品、试剂，提高前处理效果.

陈肖南、苏建波等人［6］利用氧气低温等离子体对棉坯布进行处理，使前处理由三步变为一步，省去浓碱高温退浆、精练两道工序而可直接进行双氧水漂白，其效果不低于常规处理工艺的棉织物，同时还可避免与棉混纺或交织的蛋白质纤维、聚酯纤维免受损伤.2008年江南大学李强研究发现［7］，采用低温等离子体对棉坯布预处理后，仅在较低碱浓度和较短处理时间的情况下，可达到退净浆料的目的，织物润湿性明显得到改善，断裂强力和断裂伸长率略有提高.范小波、齐宏进等人［8］采用空气等离子体处理后的练漂不需添加渗透剂即能超过常规练漂的白度、毛效及顶破强力，具有减少污染，节约能源等优点，且其染色性能达到常规前处理染色性能.西安工程大学纺织与材料学院通过研究确定了空气等离子体预处理的棉织物碱氧一浴前处理最优工艺条件为：氢氧化钠8g／L、精练剂TF－1234g／L、双氧水6g／L、硅酸钠6g／L、浴比1∶10、温度70℃、时间40min［9］，经处理的棉织物在毛细管效应、退浆等级、断裂强力方面均优于传统前处理工艺.中国纺织科学研究院徐憬，李翠萍等人［10］采用自行研制的低温等离子体设备对纯棉织物进行前处理，并就工艺过程、前处理效果、工艺参数与常规前处理工艺进行了对比，如表1所示.

表1 不同前处理工艺的处理效果及参数对比

通过对比可知，棉织物采用低温等离子体处理工艺，对工厂的传统前处理方法进行改进，完全能达到实际生产的要求，处理效果接近或超过传统前处理工艺，不仅减少化学试剂的用量，缩短处理时间，而且可以降低处理温度，降低工厂生产成本，节能环保，提升经济效益.

2.2 染色

在棉织物染色工序中辅助低温等离子体技术的作用主要体现在，可以在纤维表面引入与染料接枝的自由基，或与染料具有反应性的基团；使纺织品表面粗糙化，提高织物的表观深度；引入亲水性基团，增强纤维表面的吸水性等，改善其染色性能，提高上染百分率、各项色牢度及改善手感等.

浙江理工大学胡春弘［11］等选择氧气低温等离子体对棉织物进行处理，再用活性蓝KN－RG进行染色，上染百分率明显提高，总固色率也得到一定改善；将织物在不同浓度的EDA溶液中浸置不同时间后再用氩气低温等离子体处理对改善棉织物活性染料的染色性能最有效果，K／S值的最高提升幅度为28.07%，总固色率最高提升幅度为23.04%；并在多次实验重演后得出结论：选用氧气低温等离子体对棉织物进行处理，可以提高纤维表观深（K／S）及染料染色的上染百分率；用氩气低温等离子体对棉织物进行处理，可以改善棉织物染色的同色效率和总固色率；而对氮气低温等离子体处理后的织物进行染色，效果没有得到有效的改善.

棉织物涂料染色存在染深性和匀染性差、色牢度低等缺点，目前主要通过阳离子化预处理克服以上缺点，宋富佳，陈英等［12］对棉织物阳离子改性及低温等离子体两种预处理涂料染色方法进行了对比，结果如表2，数据显示，染色后各项色牢度可以达到3级或以上，K／S值较高，且对手感影响不大，低温等离子体预处理染色效果与阳离子改性染色相当，同时克服了阳离子改性染色工序长，操作要求高，水、热消耗量大，废水pH值高、处理难度大等问题.

表2 不同预处理方式的染色效果

2.3 印花

相对来说，目前低温等离子体技术在棉织物印花中的研究及报导还较少.

英国《染色技术》2007年曾报导［13］，棉织物氧气等离子体处理后，再用含海藻酸钠、尿素和小苏打浆料涂层，然后用乙烯砜型活性染料喷墨印花可以提高印花织物的色牢度和线条精细度.张凤涛，董绍伟等人研究发现［14－15］，由于低温等离子体处理对表面的净化、粗面化，极性基团和不饱和键的引入、交联等作用，使处理的纤维制品与树脂和橡胶的粘合性提高，由此大大提高织物印花的着色性，花纹轮廓也十分清晰.

2.4 整理

在棉织物的后整理加工中，低温等离子体技术的运用十分广泛，工艺也相对成熟，效果比较明显，主要体现在棉织物三防（防水、防油、防污）三抗（抗皱、抗菌、抗紫外）一阻（阻燃）整理方面［16］.

2.4.1 三防整理（防水、防油、防污）

张健，李和国等人研究发现［17］，通过对棉织物进行防水改性处理，在棉织物表面引入含氟基团，赋予织物防水性能，接触角可达到130°左右，润湿时间可超过120min.处理后织物的外观、手感没有明显的变化，而且具有较好的耐洗性，防水性能良好.

李永强［18］采用氧气低温等离子体结合有机氟整理剂对棉织物进行防水防油整理可以提高织物防水防油的耐久性.夏彦水，马晓光等人［19－20］用CF4等离子体处理棉织物，处理后织物的接触角有不同程度提高，表面张力降低，织物具有很好的防水防油性，表3为织物样品经不同条件的CF4微波低温等离子体处理后，织物的防水性能对比.

表3 处理后织物的防水性能

而采用氧气低温等离子体处理能增加棉织物的亲水性，在防污性和可染性方面都有积极的效果.

2.4.2 三抗整理（抗皱、抗菌、抗紫外）

石小丽，潘志娟等人研究表明［21］，对棉织物低温等离子体处理后，织物因减量而柔软，并提高了抗皱性，用氧气低温等离子体处理的棉布通过电子显微镜观察到与树脂抗皱处理相同的片晶间的交联.而将低温等离子体处理引入壳聚糖抗皱整理序中，整理后纯棉织物的抗弯刚度下降，有利于改善织物的手感，提高织物的舒适性［21］.南通大学张燕、任煜等人利用柠檬酸防皱整理剂结合等离子体技术对棉织物进行防皱整理，结果如表4［22］所示.

表4 不同整理方法织物的抗皱性能

东华大学彭晓波，徐绍魁等人通过对添加抗菌纳米粉体的壳聚糖溶液整理后的织物进行抗菌测试，结果显示，涂层整理织物100次标准洗涤前后对大肠杆菌及金黄色葡萄球菌的抗菌率均高于90%，对金黄色葡萄球菌的抗菌率洗涤前后都高达99.99%，通过对棉织物低温等离子体表面粗糙化及有机涂层工艺有助于纳米粒子与纤维表面的紧密结合，以及纳米抗菌特性的保持；同时，彭晓波，徐绍魁等人为了考察不同整理方法织物的抗菌效果，实验测试一浴法（柠檬酸及壳聚糖的混合溶液）、两浴法（先柠檬酸再壳聚糖）以及等离子体预处理后再进行两浴法整理的3种织物对大肠杆菌和金黄色葡萄球菌的抗菌性，其中等离子体预处理织物时间为5 min，同时测试整理后织物在去离子水中沸煮30 min后织物的抗菌性，结果（见表5）显示，棉织物经等离子体预处理后再经两浴法整理后对大肠杆茵和金黄色葡萄球菌的抗茵率高达100%［24］.

表5 不同整理方法织物的抗菌性能

2008年董媛媛［25］等人采用先浸渍亲水型有机硅抗辐射整理剂CGKF，再经低温等离子体处理工艺，对棉织物进行抗紫外线整理，研究表明，经低温等离子体处理整理的棉织物抗紫外线性能比未经等离子体处理的要好.

2.4.3 阻燃整理

通过对棉织物用含磷、氮聚合物浸泡后，然后经氮气低温等离子体照射而接枝聚合，纤维得到阻燃功能［17］；阻燃织物进行低温等离子体处理还可以提高整理织物的耐洗性，同时由于低温等离子体处理提高了表面的亲水性，获得了易去污的效果.

3 结 语

低温等离子体技术作为一种清洁、高效、节能、环保的加工工艺，在棉织物染整加工方面已经取得了一定的研究成果，当前应继续大力开发低温等离子体技术与其他技术的合作，如与酶、树脂、有机溶剂等配合使用，赋予棉织物独特的更高的附加值，开发棉织物更为广阔的市场.总之，低温等离子体技术在棉织物染整加工中将会有更加辉煌灿烂的应用前景.

［1］ 瑞士联邦材料测试与开发研究所（瑞士）.纺织品等离子体整理的展望［J］.国际纺织导报2011（4）：51－52.

［2］ KAN Chi－wai.Effect of Low Temperature Plasma on Different Wool Dyeing Systems［J］.AUTEX Research Journal，2007，8（4）：225－233.

［3］ 叶早萍译，何叶丽校.新型等离子体处理工艺［J］.国际染印漂整工作者（英国），2009（6）：12－14.

［4］ C.W.Kan，C.W.M.Yuen.Textile Modification with Plasma Treatment.RJTA，2006，10（1）：49－64.

［5］ Yuen C W M，Kan C W.A Study of the Properties of ink－jet Printed Cotton Fabric Following Low－temperature Plasma Treatment［J］.Coloration Technology，2007，123（2）：96－100.

［6］ 陈肖南，苏建波.利用低温等离子体技术改善织物染色性能［J］.北京纺织，2003（5）：40－42.

［7］ 李 强.低温等离子体技术在织物退浆中的应用研究［D］.江南大学，2008（6）.

［8］ 范小波，齐宏进.棉针织物常压空气等离子体前处理探讨［J］.针织工业，2010（6）：43－46.

［9］ 冯仑仑，王雪燕，庄小雄，等.棉织物的等离子体前处理工艺研究［J］.西安工程大学学报，2010（2）：17－20.

［10］徐 憬，李翠萍，姚登辉，杨立波.常压等离子体设备在棉织物前处理中的应用［J］.印染，2008，18：1－3.

［11］胡春弘，方 晓，刘今强.氧气低温等离子体改性对棉织物染色性能的影响［J］.浙江理工大学学报，2006，23（1）：1－5.

［12］宋富佳，陈 英，徐永华.常压等离子体处理棉织物的涂料染色［J］.印染，2010，20：6－9.

［13］吴建华译.等离子体处理棉织物的数码印花［J］.染色技术（英国），2007（2）：96－100.

［14］张凤涛，唐淑娟，韩连顺，陆海明.低温等离子体技术在纺织品功能整理中的应用［J］.现代纺织技术，2006（3）：49－51.

［15］董绍伟.等离子体技术在纺织染整中的应用［J］.染整技术，2005，27（7）：12－16.

［16］D.Sun，G.K.Stylios.Fabric Surface Properties Affected by Low Temperature Plasma Treatment［J］.Journal of Materials Processing Technology，2006，173（2）：172－177.

［17］张 健，李和国，白书培，等.棉织物的常压等离子体拒水改性处理［J］.纺织学报，2011（4）：85－90.

［18］李永强.天然纤维的低温等离子体改性技术研究［D］.浙江理工大学，2005（1）.

［19］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］.纺织科技避展，2005（3）：5－7.

［20］马晓光，李 强.棉针织物CF4微波低温等离子体拒水处理初探［J］.针织工业，2004，12（6）：69－71.

［21］石小丽，潘志娟.低温等离子体在纺织材料表面处理中的应用［J］.江苏丝绸，2006：34－37.

［22］任 煜，尹永志，宋凯峰.壳聚糖／低温等离子体对棉织物联合整理研究［J］.南通大学学报（自然科学版），2010（3）：39－43.

［23］张 燕，任 煜，李志红，张瑞萍.棉织物等离子体／柠檬酸的抗皱整理初探［J］.印染，2008（5）：7－10.

［24］彭晓波，徐绍魁，徐金洲，张 菁.等离子体对壳聚糖整理棉织物效果的影响［J］.东华大学学报（自然科学版）.2007，33（2）：196－200.

［25］董媛媛.大气压等离子体处理改善棉织物抗紫外线性能［J］.产业用纺织品，2009，27（4）：32－37.