空气等离子体处理对涤纶非织造布表面亲水性的影响

王晓娜，张　银，任　煜

(南通大学 纺织服装学院，江苏 南通 226019)



空气等离子体处理对涤纶非织造布表面亲水性的影响

王晓娜，张银，任煜

(南通大学 纺织服装学院，江苏 南通 226019)

采用空气等离子体技术对涤纶非织造布表面进行了处理，利用扫描电子显微镜和光电子能谱仪分别考察了处理前后涤纶非织造布表面形态和化学成分的变化，分析了处理时间对非织造布的亲水性及其时效性以及力学性能的影响。结果表明：随着空气等离子体处理时间的增加，涤纶非织造布的表面粗糙程度增加；在处理时间前90 s内，涤纶非织造布的静态水接触角由未处理时的114.3°下降到33.2°，90～150 s接触角趋于稳定；经等离子体处理的试样表面含碳量下降，含氧和含氮基团增加，其亲水性存在明显的时效性，适当延长处理时间可以在一定程度上抑制试样亲水性的老化效应；随着处理时间的确加，涤纶非织造布的纵向和横向断裂强力缓慢下降，但不影响其主体的力学性能。

聚对苯二甲酸乙二醇酯纤维非织造布空气等离子体表面处理亲水性力学性能

随着我国经济建设的飞速发展，非织造材料的市场需求量越来越大，涤纶以其优良的物理机械性能和化学稳定性在各行各业取得广泛应用，如生物组织工程、一次性卫生用品、包装材料等[1-3]。但由于涤纶本身的非极性结构和较高的结晶度使涤纶非织造布的吸湿性较差[4]，这严重影响了最终产品的使用性能，阻碍了涤纶非织造布进一步的拓展开发。为了改善涤纶非织造布的亲水性，人们探索出多种改性途径，如共聚、共混、接枝和添加表面活性剂等，这些改性方法不利于环境的可持续发展[5-7]。等离子体技术绿色环保无污染，但往往需要在真空条件下进行，对设备要求高，操作复杂，难以实现产业化发展。空气等离子体表面处理技术是在常压环境中进行，既满足了引发表面改性所需的能量要求，又简化了实验过程，节约了生产成本[8]。作者采用空气等离子体技术对涤纶非织造布进行表面改性，探究不同的处理时间对试样亲水性的影响，并考察了涤纶非织造布亲水性的老化效应。

1　实验

1.1材料

涤纶纺粘非织造布：面密度为50 g/m2，厚度为0.25 mm，东莞吉佰利环保科技有限公司产。实验前先将试样用清水冲洗10 min以除去水溶性杂质，再在无水乙醇中超声波清洗20 min除去有机杂质；然后将试样置于50 ℃的烘箱中彻底烘干，保存在干燥器中待用。

1.2仪器设备

APP-350型常压等离子体混合处理设备：电压0～250 V可调，频率为50 Hz，功率0～2 kW可调，中国科学院微电子研究所制；JSM-6510型扫描电子显微镜(SEM)：日本电子株式会社制；JC2000C型接触角测试仪：上海中晨技术设备有限公司制；ESCALAB 250型光电子能谱仪：美国VG科学仪器公司制；YG065型电子织物强力测试仪：莱州市电子仪器有限公司制。

1.3空气等离子体处理方法

常压环境下将试样置于上下电极板中间，开启等离子体处理机。改变处理时间对试样进行改性，电压均为200 V；处理后的试样分别放入干燥的标签袋里并置于室温环境，温度(23±2)℃，相对湿度(60±10%)，每3 d测量一次接触角。

1.4测试

表面形貌：采用SEM观察处理前后试样表面形态的变化，放大倍数为20 000。

接触角：使用JC2000C型接触角测试仪进行测试，以静态水接触角表征试样亲水改性的效果，接触角越小，表明试样的亲水性越好。

元素含量：采用光电子能谱仪分析试样表面的化学成分，Al Kα为X射线源。

力学性能：使用YG065型电子织物强力测试仪参照GB/T 3819—1997对试样进行强力测试。

2　结果与讨论

2.1涤纶非织造布表面形态

从图1可以看出：未经空气等离子体处理的涤纶表面光滑平整，色泽比较均匀；经空气等离子体处理后，纤维表面变得凹凸不平，粗糙度有所增加，且随着处理时间的延长，试样表面凹凸不平的现象越来越严重。由此可以推断，等离子体的刻蚀作用会使纤维表面的微观结构发生改变，而且处理时间越长，刻蚀作用越剧烈，表面粗糙度也越大。

图1　不同处理时间涤纶非织造布表面的SEM照片Fig.1　Surface SEM images of PET nonwoven fabric at different discharge time

2.2静态水接触角

由图2 可以看出，当等离子体处理时间从0增加到150 s时，涤纶非织造布的静态水接触角随着时间的延长总体上可以分为两个阶段：第一阶段(处理时间为0～90 s)，试样的接触角呈现出锐减的趋势，由未处理时的114.3°急剧下降到33.2°，材料表面的亲水性大幅提高；第二阶段(处理时间为90～150 s)，试样的接触角随处理时间的继续增加略有降低，基本趋于稳定状态。这是因为在整个改性过程的前90s内，随着处理时间的增加，在纤维表面引入的亲水性基团逐渐增多，同时刻蚀作用加强，试样的比表面积增大，从而导致试样的亲水性不断提高。试样表面含氧基团的植入率达到最大值以后便逐渐趋于稳定，再延长处理时间对试样的亲水性影响不大。

图2　处理时间对涤纶非织造布接触角的影响Fig.2　Effect of discharge time on contact angle of PET nonwoven fabric

2.3光电子能谱

从图3和表1可以看出：涤纶非织造布的光电子能谱图中主要存在O1s, N1s, C1s 3种峰，分别出现在532，400，285 eV的位置[9]；经空气等离子体处理后，涤纶非织造布表面的C1s峰明显降低，由处理前的78.63%下降到处理后的49.19%，而O1s, N1s峰显著增高，尤其是氧元素的质量分数由17.15%上升至41.01%。由此说明经空气等离子体处理后的涤纶表面引入了更多的含氧和含氮基团，这些极性基团含量增加使试样表面的亲水性明显提高。

图3　空气等离子体处理前后涤纶非织造布的光电子能谱Fig.3　X-ray photoelectron spectra of PET nonwoven fabrics after air plasma treatment1—未处理；2—处理120 s

处理时间/swC,%wO,%wN,%078.6317.154.2212049.1941.019.80

2.4亲水性的时效性

经等离子体处理过的涤纶非织造布的亲水性并不稳定，会随着时间的推移慢慢减弱甚至消失，即老化效应[10]。

从图4可以看出：涤纶非织造布经空气等离子体处理后的表面亲水性得到了明显的改善，但随着时间的推移，不同处理时间的试样的接触角呈现出不同的变化趋势，总体来说，试样的接触角在处理后的前6d内变化最大，呈快速上升的趋势(尤其是处理时间为90s和150s的试样)，之后试样的接触角略有波动，基本趋于稳定状态，这是因为等离子体处理会在试样表面引入大量的极性基团，使试样的亲水性大幅提高，但随着时间的延长，这些极性基团会逐渐向纤维大分子链的内侧翻转引起材料亲水性的降低[11]；比较不同处理时间的试样接触角的变化规律，发现处理时间为30s的试样表面接触角最大，而接触角最小的是处理时间为150s的试样，由此可见，延长等离子体处理时间对亲水性的时效性的抑制可以起到一定的作用。这是由于等离子处理时间对材料表面氧化层厚度有影响，随着等离子体处理时间的延长，材料表面所产生的氧化层厚度较大，使得材料表面亲水性的时效性得到抑制[12]。

图4　不同时间处理的涤纶非织造布表面接触角的时效性变化Fig.4　Change of surface contact angle with discharge time of PET nonwoven fabrics■—30 s；●—90 s；▲—150 s

2.5力学性能

从图5可以看出：未经空气等离子体处理的涤纶非织造布横向和纵向拉伸断裂强力分别为38.5N和50.8N；经过不同时间的等离子体处理后，试样的横向和纵向拉伸断裂强力均呈现出缓慢下降的趋势，当处理时间为150s时，试样的横向拉伸断裂强力下降至35.5N，强力损伤率为7.79%，纵向拉伸断裂强力下降至47.0N，强力损伤率为7.48%。这是因为空气等离子体在对涤纶非织造布进行表面改性的同时，也产生了一定程度的刻蚀，使试样的拉伸断裂强力有所降低。但是，由于空气等离子体的作用仅发生在材料的浅表面，因而并未对试样的主体性能造成较大的损伤。

图5　处理时间对涤纶非织造布拉伸断裂强力的影响Fig.5　Effect of discharge time on breaking strength of PET nonwoven fabric■—横向；●—纵向

3　结论

a. 在空气等离子体处理涤纶非织造布的过程中，随着处理时间的增加，试样表面的凹凸不平现象加剧。

b. 经空气等离子体处理的涤纶非织造布表面的亲水性得到明显改善，且不同处理时间下的改性效果也存在一定差异。适当增加等离子体处理时间，试样表面的亲水性会逐渐增强。等离子体处理的前90s内，试样的接触角由未处理时的114.3°迅速下降到33.2°，随后90～150s趋于稳定状态。

c. 经空气等离子体处理，涤纶非织造布表面的含碳量明显下降，材料表面引入了更多的含氧和含氮基团，这些极性基团含量的升高使试样表面的亲水性明显增强。

d. 空气等离子体处理的涤纶非织造布表面亲水性存在明显的时效性，改性效果只能维持3～6d，但6d以后材料的亲水性依然比未处理样的好。等离子体处理150s的试样接触角最小，且亲水效果的老化时间最长。

e. 随着空气等离子体处理时间的延长，涤纶非织造布的拉伸断裂强力缓慢下降，但并没有对试样的主体性能造成较大的损伤。

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Effectofairplasmatreatmentonhydrophilicpropertyofpolyesternonwovenfabrics

Wang Xiaona, Zhang Yin, Ren Yu

(School of Textile and Clothing, Nantong University, Nantong 226019)

Thesurfaceofpolyester(PET)nonwovenfabricwastreatedbyairplasmatechnique.ThechangeofsurfacemorphologyandchemicalcompositionofPETnonwovenfabricwasinvestigatedbeforeandafterairplasmatreatmentbyscanningelectronmicroscopyandphotoelectronspectroscopy.TheeffectsoftreatmenttimeonthehydrophilicpropertyandtimelinessandmechanicalpropertiesofPETnonwovenfabricwereanalyzed.TheresultsshowedthatthesurfaceofPETnonwovenfabricbecamerougherwhileprolongingtheairplasmadischargingtime;thestaticwatercontactangleofPETnonwovenfabricwasdecreasedfrom114.3°to33.2°within90sandtendedtobestablefrom90sto150sduringtheairplasmatreatment;thesurfacecarboncontentwasdecreased,theoxygen-containingandnitrogen-containinggroupswereincreased,andthehydrophilicpropertyofPETnonwovenfabricshowedobvioustimelinessafterairplasmatreatment;thehydrophilictyageingcouldbedepressedinsomedegreebyproperlyprolongingthetreatmenttime;andthelongitudinalandhorizontalbreakingstrengthofPETnonwovenfabricwasslowlydecreasedwithoutlossofmechanicalpropertieswhileprolongingthetreatmenttime.

polyethyleneterephthalatefiber;nonwovenfabric;airplasma;surfacetreatment;hydrophilicproperty;mechanicalproperties

2015-12-10；修改稿收到日期：2016- 05-31。

王晓娜(1990—)，女，硕士研究生，主要研究方向为纤维材料的等离子体改性处理。E-mail：wangxn6668@sina.com。

江苏省自然科学基金资助项目(BK20140431)，南通大学自然科学项目(14ZY004)。

TQ342.2

A

1001- 0041(2016)04- 0024- 04

*通讯联系人。E-mail：ren.y@ntu.edu.cn。