常压等离子体射流改善羊毛织物服用性能的研究

李淑芳，卞克玉，董 昱

(1.常州市新型纺织材料重点实验室, 江苏 常州 213164； 2.常州纺织服装职业技术学院, 江苏 常州 213164)

目前低温等离子体已被广泛应用在材料表面改性的研究上，它对材料表面的改性不使用水和溶剂，不会产生大量的废水、废物，具有快速、高效、节能、清洁等优势。与放射性处理、电子束等其他工艺相比，等离子体处理[1-3]仅涉及材料表面的极薄层，即离材料表面几十到数百纳米的范围，能使界面性质显著改善而不影响材料的主体性质。

在使用等离子体处理纺织材料时，会造成织物表层物理、化学及表面外貌的变化。如使用等离子体技术能够提高羊毛的表面摩擦因数，从而提高纤维的抱合力和可纺性能；使用等离子体体处理涤纶树脂PET、聚乙烯PP无纺布时，能显著提高织物的吸湿性和抗静电性[4-5]。常压等离子体射流(APPJ)是一种利用喷头喷射出的等离子气体与材料表面直接接触的工艺，具有快速、连续、占地面积小的特性。本文使用APPJ对羊毛织物进行等离子体处理，探讨了处理前后羊毛织物的吸湿性、力学性能、厚度及透气性。

1 实验部分

1.1 材 料

织物为未染色的1/1平纹精纺毛织物，经纬纱线密度均为15.6 tex×2，经向密度210根/(10 cm)，纬向密度180根/(10 cm)，面密度125 g/cm2。

1.2 APPJ处理

首先将织物沿经向剪成40 cm×20 cm的长条，然后用丙酮清洗30 min去除表面的杂质，最后在60 ℃的烘箱中干燥90 min。实验时，首先让气体流(氮气)进入等离子体发生器转变成等离子体；接着织物在移动罗拉的带动下以一定的速度沿带孔静置圆筒运动；最后织物在等离子体发射器的喷头处进行表面处理，APPJ等离子体处理装置见图1。实验测试织物的3种运行速度：1、3和6 m/min。

图1 APPJ 等离子体处理装置

1.3 吸湿性测试

选用自制的基于图像处理的织物导湿性能测试仪[6]测定处理前后水滴在织物上的扩散时间，该仪器包括测试平台与计算机2部分。其中测试平台包括加液装置和摄像头，计算机包括自主研发的软件系统与EXCEL文件。导湿测试时，通过摄像头采集液滴的润湿图像，运用图像处理技术，快速测量出液滴在织物上的扩散时间，并自动输出结果。

1.4 断裂强力和断裂伸长率测试

采用HD026H电子织物强力仪(南通宏大实验仪器有限公司)，测试时把试样的一端先放在上夹钳中，轻轻夹住，再将另一端放在下夹钳内，并在试样下端悬挂一定的预加张力重锤，然后稍松开上夹钳，使试样借重锤的重力伸直，再夹紧上下夹钳，取下重锤开动机器，使下夹钳按一定速度向下牵引，至试样断裂即可得到断裂强力和断裂伸长率。

1.5 透气性测试

采用YG461 N型织物透气仪(南通宏大实验仪器有限公司)进行测试，试样安装完毕后，调节压力使试样两侧形成一个恒定的压差，测定一定时间内垂直通过试样给定面积的气流流量。

1.6 扫描电子显微镜(SEM)

为了较清晰地观察处理前后羊毛纤维的变化，使用JSM-840型扫描电镜观察纤维的微观形貌(放大倍数为15 000倍)。测试时先安装试样，然后调节电压，接着调节放大倍数，最后找点、扫描。

2 结果与讨论

2.1 吸湿性能

经APPJ处理后，织物的吸湿性[7-9]显著增强，水滴在未处理织物上的扩散时间大于1 h，而处理后能达到5 s，织物吸湿性能测试结果见表1。原因可能是：处理前羊毛纤维表面的鳞片皮层富含共价键合类脂物质，次外层含有胱氨酸，使得未经处理的织物表现出其特有的疏水性能，而经等离子体处理后，通过部分或完全去除这种脂质屏障，鳞片层被侵蚀、剥落甚至移除。由于毛细管的存在，水滴可以很容易地渗透到织物中，织物表现出明显的亲水性。除此之外，更重要的是反应中还引入了极性的含氮基团，提高了织物的吸湿性能。另外，实验中对比3种不同的织物运行速度时发现，织物运行速度越低，即与等离子体的接触时间越长，对吸湿性能的改善越大。当织物的运行速度在1 m/min时，水滴的扩散时间不到10 s，说明进一步降低处理速度可以获得更有效的结果。

表1 处理前后织物的吸湿性能

2.2 拉伸强力

等离子体处理对织物经纬向断裂强力和伸长率均有一定的影响，运行速度对织物断裂强力和伸长率的影响见表2。

表2 不同运行速度下的拉伸强力

特别是经向强力、断裂强力增加显著，织物运行的速度越慢，断裂强力、断裂伸长率的增加越明显。原因可能是：处理前由于油脂层的存在，纤维间的摩擦力较小，导致纤维间的抱合力较低。经等离子体处理后通过去除这一外层，纤维间的摩擦加大、抱合力增加，并导致滑脱现象减少，同时纤维的主体结构并未受到破坏，进而使织物的断裂强力增加。

2.3 厚 度

等离子体处理后发现织物的运行速度越慢，即织物与等离子体体接触的时间越长，织物的厚度增加明显。未处理时织物的厚度为295 μm，处理后织物厚度均增加。当降低织物的运行速度时，这一效应被放大，特别是当织物的运行速度为1 m/min时，厚度增加5%达近310 μm。 织物厚度增加的主要原因可能是：①等离子体电场中产生的静电电荷，使纤维及纱线结构在织物中重新排列，致使织物的厚度增加。②等离子体与纤维、纱线或织物间的摩擦产生的静电，使纤维间互相排斥，进而使织物厚度增加。

2.4 透气性

经APPJ处理后，羊毛织物的透气量增加速度越低透气量越大，当织物运行速度为1 m/min时，透气量增加14%，由未处理时660 L/(m2·s)增加到700 L/(m2·s)以上。原因可能是：速度减小时，等离子体处理能有效地刻蚀羊毛表面的油脂层[10]，虽然经处理后织物的厚度明显增加，可能会使透气性在一定程度上减小，但在表面刻蚀和厚度增加的双重作用下，刻蚀占主导作用，因此织物的透气性能有所增加。

2.5 外观形貌

经过APPJ处理后，羊毛纤维的外观形态并没有太大的改变，见图2。

图2 处理前后羊毛纤维扫描电镜照片(×15 000)

传统等离子体处理后所出现的纤维粗糙度增加、鳞片腐蚀和裂痕等现象均未出现，说明使用氮气的APPJ等离子体处理相比使用氧气的APPJ等离子体处理[11]对纤维的刻蚀较弱，不破坏外皮表层，因此处理后织物的手感并未发生变化。

3 结束语

常压等离子体射流(APPJ)主要是一种自由基反应，它快速、连续、占地面积小而且环境友好，由于是在常压下操作，设备和工艺相对简单。羊毛织物经其处理后，吸湿性能显著增强，拉伸强力、断裂伸长率都有所增加，虽然厚度增加，但织物的透气量相对于初始值增加了约14%，观察扫描电镜照片发现，处理前后羊毛织物的外观形态并没有太大的改变，织物的手感并未发生变化，是一种能有效改进羊毛织物服用性能的方法。