等离子处理对纤维性能的影响

苏州经贸职业技术学院 陈 慧

等离子处理对纤维性能的影响

苏州经贸职业技术学院 陈 慧

等离子技术是一种新型的对纤维和纺织品改性处理技术，它可以改善纤维的吸湿性，改善纺织品的染色性等。本文讨论了等离子技术对纤维性能的影响，等离子技术的优缺点和存在的问题，以及它的研究应用方向。

纤维性能；等离子处理；吸湿性

1.低温等离子体技术

等离子体技术作为一种新型的纤维改性和织物整理方法以其低能耗、污染小、处理时间短、效果明显的特点引起了人们的关注。等离子体对纤维和纺织品的改性处理可以达到多种效果，如提高染色和显色性能改善织物视觉风格改变纤维摩擦性，提高可纺性能与成纱强度或织物力学性能防缩处理可使织物机可洗防皱及抗弯曲性处理改善织物的保形性和手感风格亲水性或拒水性整理提高染色性能、抗静电和舒适性或防水、防污功能改变表面性能和粘结性，提高复合材料或非织造布的强力涂层覆膜、表面接枝、沉降聚合减刻蚀或注入改性等以及纱线、织物的上浆、退浆和麻类、丝类的脱胶、棉类的脱蜡等方面，看来几乎可以涵盖纺织品表面处理的所有方面。

1.1 等离子的概念

等离子体是指处于电离状态的气态物质，其中带负电荷的粒子(电子、负离子)数等于带正电荷的粒子(正离子)数。通常与物质固态、液态和气态并列，称为物质第四态。通过气体放电或加热的办法，从外界获得足够能量，使气体分子或原子中轨道所束缚的电子变为自由电子，便可形成等离子体。

等离子体按气焰温度划分，实验室等离子体可分为高温等离子体和低温等离子体。温度相当于108～109K完全电离的等离子体，如太阳、受控热核聚变等离子体，叫做高温等离子体。低温等离子体又可划分为热等离子体和冷等离子体。热等离子体是在稠密高气压(1大气压以上)下，温度为103-105K的等离子体，如电弧、高频和燃烧等离子体，它一般能够向外辐射热量。冷等离子体是电子温度较高(约103-104K)、气体温度低的等离子体，这种等离子体是不会向外辐射热量的。如稀薄低压辉光放电等离子体、电晕放电等离子体、DBD介质阻挡放电等离子体。

低温等离子体目前研究在能源、信息、材料、化工、医疗、军工、航天等领域表现出了技术竞争力在同其他基础学科、技术领域的相互渗透、促进中，低温等离子体技术的研究与应用得到了不断发展。

1.2 等离子的工作原理

离子体的能量可通过光辐射、中性分子流和离子流作用于聚合物表面，这些能量的消散过程就使聚合物表面发生改性。在等离子体系中的中性粒子将通过连续不断地轰击固体表面将能量转移给聚合物。这些中性粒子的能量具有四种形式：动能、振动能、离解能和激化能。动能和振动能只对聚合物起加热作用，而自由基离解能则是通过引起聚合物表面的各种化学反应而得到消散的，激化分子和原子是以与固体表面碰撞而达到消散的。这些准稳态分子和原子的能量通常大于聚合物的离解能，因而在碰撞过程中会产生聚合物自由基。所以把织物密封置于该电场，电场中产生的大量等离子体极其高能的自由电子，能促使纤维表层产生腐蚀、交换、接枝和共聚反应。此外由于织物在处理过程中，等离子体中的分子、原子和离子渗入到纺织材料表面，材料表面的原子逸入等离子体中，这个过程使纤维表面大分子链断裂，从而使纤维受到等离子体粒子的刻蚀，表面产生粗糙的凹坑，使织物表面的吸湿性和粘着性增加，纤维之间的摩擦力增加，伴随着可能产生的化学反应，使织物表面产生化学和物理改性。

在真空状态下给气体施加电场，气体在电场提供的能量下会有气态转变为等离子体状态(也称物质的“第四态)。其中含有大量的电子、离子、光子和各类自由基等活性粒子。等离子体是部份离子化的气体，与普通气体相比，主要性质发生了本质的变化，是一种新物质聚集态。

利用等离子体中含有的大量电子、离子、激发态的原子、分子等活性粒子来轰击材料表面时．会将能量传递给表层分子，使材料发生热蚀、交联、降解和氧化，并使材料表面发生大量的自由基或引进一些极性基团而使材料表面性能获得优化。低温等离子体技术通过高能粒子的物理和化学作用对纺织品/纤维表面进行改性，以其快捷、环保和干态的加工方式等特点，挑战传统以水为介质的化学湿法加工生产方式。

2.低温等离子体处理纺织品的方式及在纺织上的优点

2.1 低温等离子体处理纺织品的方式

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)[4]。

PST法是指非聚合性等离子体如氧气、氮气、氢气、氨气或水蒸气等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20eV)比有机化合物的化学键能(<10eV)高得多，在化学性上很活跃。当处理有机化合物时，很容易使被处理物表面纤维发生断裂，从而改善纤维或织物的吸湿性、拒水性、抗污性及染色性等性能。

PGP法是运用等离子体作用首先使表面活化，并引入活性基团，然后再运用接枝方法在原表面上接上许多活性支链，构成新表层。

PPD法是将有机化合物的气体（如有机氟、有机硅）形成等离子体状态，通过控制工艺条件，使其沉积在处理物表面形成覆膜的方法。后两类是增量处理法。

2.2 低温等离子体技术在纺织上的优点

低温等离子体处理可用于各种纤维、纱线、织物的表面改性，对纤维基体的内部影响小，不损伤纤维原有性能。清洁、快捷、无污染、成本低，在当今倡导清洁和绿色生产、节约资源的形势下，低温等离子体处理技术以其无需化学品、无需耗用大量水和能源、无需进行高成本废水处理和对环境友好的优势，在纺织工业中具有广阔的应用前景和市场。近年来国内外都在努力加强等离子体技术在纺织领域的应用研究。

3.等离子处理在纺织上的研究应用方向

(1)在纺织品前处理中的应用

在纺织品的前处理工序中，目前主要可用于各类织物的退浆，真丝和麻类生坯织物的脱胶，以及其它的杂质去除等。传统的织物退浆工艺（如棉织物等）需要经过退、煮、漂等多种工序，加工工序长，生产效率低，而且需要消耗大量水、能源和化学药品，同时产生大量的废水等。而低温等离子体技术的应用，可大大缩短其工艺流程及生产周期，节约能量和水资源，可有效降低企业的生产成本。

除此之外，低温等离子体在去除织物上其它杂质如色素、蜡质、果胶等也具有很好的效果。用氧或空气等离子体（频率13.56MHZ，真空度1Torr，放电功率100W）处理棉坯布后的芯吸性与工艺条件之间的关系，用空气等离子体处理60s，氧等离子体处理在30s后，棉布的除蜡质和浆料的效果达到正常煮炼漂白的程度。

(2)改善纤维或织物的吸湿、润湿性

利用低温等离子体中处于激发态的各种高能粒子的物理刻蚀和化学反应，或者通过等离子体的接枝、聚合沉积等方式，可在纺织品的纤维表面产生或引入亲水性基团、支链及侧基，从而可有效改善、提高纺织品的吸湿或润湿性。目前应用在疏水性的涤纶合纤类织物、涤纶/棉混纺交织物、棉纱以及腈纶类纺织品。

此外，低温等离子体技术在改善碳纤维、聚乙烯纤维、聚丙烯纤维及聚四氟乙烯纤维等的润湿性，得到大大改善。跟常规化学方法相比，其工艺更简单、流程更短，而且可轻易实现化学方法所不能进行的改性加工。

(3)提高毛类纤维纺织品的防缩绒性

羊毛类纺织品。由羊毛纤维外覆鳞片层所产生的定向摩擦效应，往往使这类织物在服用和洗涤的过程中产生收缩，从而影响织物的服用性能。因而为提高此类纺织品的尺寸稳定性和可洗性(尤其是可机洗性)，常需进行防缩绒加工。

利用低温等离子体的刻蚀和化学反应作用，可有效去除或削弱鳞片层的定向摩擦效应，可到达或提高织物的防缩绒性。与湿法化学加工中防缩处理相比，无需额外的化学药品或助剂，而且节水节能，无任何废水产生。

(4)提高或改善纺织品的染色性

目前等离子体技术在提高或改善纺织品的染色性方面的研究及应用，主要集中在棉、涤纶、锦纶，以及毛类(如羊毛、兔毛等)纺织品上。通过对棉纱或其织物处理后，可明显改善纱线或织物的毛效，提高染料及助剂在织物/纱线间的均匀吸附和扩散，使织物的上染率和匀染性得到提高。

低温等离子体的物理刻蚀作用，可提高合成纤维表面的粗糙度，对涤纶、锦纶等纺织品产生增深作用，可达到节约染化料的作用。毛类纤维表面的鳞片成，阻碍了染化料向纤维内相的扩散及在表面的吸附作用。经低温等离子体处理后，纤维鳞片的破坏或消失，可有效提高毛类织物的可染性和染深性，而且可加快上染过程。

将等离子体与2D树脂整理联合处理(先树脂整理后等离子体处理)，对改善直接染料苎麻织物的耐洗及耐摩擦牢度效果非常明显，而且染色牢度高于固色剂Y处理后的染色牢度，可代替固色剂Y处理。

(5)在纺织品后整理中的应用

低温等离子体在纺织品后整理中具有广泛的用途。根据整理目的和要求，可实现纺织品的多种功能加工，大大提高产品附加值。目前其在纺织品中的应用主要包括以下几类。

（a）“三防”整理

纺织品传统的“三防”整理，常常需要经过轧、烘、焙等工序，工艺流程长，需要耗用大量的能量；而且需要昂贵的整理剂，以及其它添加剂等。因而其加工成本高，同时整理后，往往也影响或牺牲纤维或织物本身的特性及性能。更为重要的是，这些整理剂或交联剂，以及其它添加剂中，可能含有或会产生如甲醛等的有毒有害物质，因而其在高档产品或外贸产品中的应用正越来越受到限制。

低温等离子体处理技术，以及特有的环保加工方式，可直接采用单体或相关气体作为功能整理剂对织物进行处理，同样可达到传统的“三防”整理效果。无需从单体到功能整理剂的化学合成过程，无需其它任何交联剂或添加剂等，而且工艺环保简单。

（b）在涂层整理中的应用

传统的涂层整理工艺中，除需要性能较好的涂层剂外，为增强涂层和织物的剥离强力或粘结力，各种交联剂等往往起到很重要的作用。低温等离子体处理技术，可直接起到或可取代交联剂的作用，能达到增强涂层织物剥离强力的功效。同时由于可减少或无需采用交联剂，涂层织物的手感将得到有效改善。

（c）其它功能整理

根据客户的要求，采用低温等离子体处理技术，还可进行各类纺织品的多种多样的特定整理。凡传统工艺能达到的效果，一般都可在等离子体处理技术中得到实现。如疏水性合成纤维的抗静电整理，各类纺织品的阻燃整理，留香整理等等。

4.低温等离子技术在纺织应用中存在的问题

4.1 时效性问题

低温等离子体对纤维改性效果的时间稳定性一直是个有争议的问题。南通工学院的陈惠美等在采用烘箱法改善涤纶长丝吸湿性研究中发现，在一般的非聚合性等离子体改性中，纤维的改性效果随放置时间的延长有所下降。开始时下降幅度较大，以后下降幅度较小，最后有趋于平衡稳定的态势。但在等离子体接枝聚合中，改性效果下降很小，可以认为不存在时效性问题。这与日本S.Kanazawa等人对聚四氟乙烯的等离子体改性研究所得结果一致。总之，时效性问题是一个较复杂的问题，目前仍无统一的看法。

4.2 目前发展中存在的问题

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：

（1）反应条件的设定因素多；

（2）对处理装置的依赖性大；

（3）反应复杂，生成物的化学结构难固定；

（4）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；

（5）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。

[1]许根慧,姜恩永,盛京,等.等离子体技术与应用[M].北京:化学工业出版社,2006.

[2]张树均,等.改性纤维与特种纤维[M].北京:中国石化出版社,1995.

[3]肖为维.合成纤维改性原理和方法[M].成都:成都科技大学出版社,1992.

[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]沈丽,戴瑾瑾.氟碳等离子体技术[J].印染,2005(1):49-50.

[6]黎志光.一种新的等离子体源及其在纺织材料表面改性中的应用[J].东华大学学报,2004,30(3):21-25.

陈慧（1990—），女，江苏镇江人，大学专科，现就读于苏州经贸职业技术学院。