涤纶织物等离子体表面改性及其性能研究 (1).pdf

第 卷第期 年月安徽工程大学学报J o u r n a l o fA n h u iP o l y t e c h n i cU n i v e r s i t yV o l N o A p r 文章编号:()收稿日期:基金项目:安徽工程大学引进人才科研启动基金资助项目(YQQ );安徽省纺织工程技术研究中心和纺织面料安徽省高校重点实验室 年度联合开放基金资助项目(A E T K L );安徽工程大学 年大学生创新创业训练计划基金资助项目(S );安徽工程大学校级科研基金资助项目(X J KY ,X J KY )作者简介:张瑾(),女,山西灵石人,讲师,博士.通信作者:凤权(),男,安徽六安人,教授,博士.涤纶织物等离子体表面改性及其性能研究张瑾,汪帝,凤权(安徽工程大学 纺织服装学院,安徽 芜湖 )摘要:研究探讨了处理时间、放电气氛(A r和O)和处理功率等不同的等离子体处理条件对涤纶织物润湿性能的影响,从而得到较佳的处理条件,并对较佳条件下的试样进行了分析和表征.结果表明,等离子体处理会对涤纶织物的润湿性能产生影响,在其他条件相同时,随着处理时间的延长,接触角有先减小后增加的趋势.而随着功率的增加,出现转折点的时间会变短.当处理时间为 s,放电气氛为A r,处理功率为 W时,所得样品的润湿性能最好,为本文中最佳的处理条件.通过S EM与F T I R的分析表明处理后的试样表面会出现刻蚀痕迹,同时它的红外光谱特征吸收峰的强度有所加强.对试样的透气性测试表明,处理后试样的透气量会减小,而且用O处理比用A r处理时的透气量有明显的降低.电子织物强力机测试表明,等离子体处理对试样的力学性能影响不大.关键词:涤纶;等离子体;润湿性;透气性;断裂强度中图分类号:T S 文献标志码:A合成纤维中的涤纶纤维具有优良的物理化学性能,是目前世界上产量最多的化学纤维.但它和天然纤维相比因存在含水率低、透气性差、染色性差、容易起球起毛、易沾污等缺点限制了其大范围应用.为了更好地利用涤纶,人们不断对涤纶进行改性.等离子体处理技术作为一种清洁、节水、节能和处理均匀的工艺,已经逐渐被科研人员重视,在纺织品方面的应用也已经有相当多的研究成果.将涤纶织物放入等离子体发生器中进行处理,产生的粒子会对织物表面进行刻蚀,并且在其表面会形成自由基,它们会与织物表面发生化学作用,使得织物表面粗糙化,这样可以显著改善涤纶织物的润湿性能.由于等离子表面处理仅涉及到织物表面 n m处,因此对织物原有的物理机械性能基本无影响.唐永良在其文章中综述了改性涤纶的最新研究进展,主要包括舒适性涤纶、阻燃涤纶、抗凝血涤纶,以及超临界二氧化碳处理、纳米技术在这方面的应用,指出舒适性涤纶是改性涤纶的主要发展方向,它们可以通过改善吸湿性能、改变纤维截面形状、接枝共聚改性、碱水解处理、超仿真技术等方法制得.李景忠综述了近年来对聚酯纤维进行改性的技术研究进展,主要包括光化学处理、胺处理、等离子体处理、生物法及微胶囊法、碱处理、表面接枝等.胺处理、碱处理、表面接枝等改性方法虽然能够极大地改善涤纶的亲水性、染色性、阻燃性、抗静电等,但是这些方法能耗和水耗都极大,容易造成环境污染.研究首先对涤纶织物进行预处理,除去表面的油渍、浆料等杂质,然后对织物进行等离子体处理,分析不同因素(放电气氛、时间、功率)对涤纶织物润湿性能的影响,用静态接触角来表征其变化,以选取较优的处理条件进而达到较好的改性效果.接着用S EM、F T I R研究处理前后织物的表观形貌和化学组成变化.最后用数字式透气量仪和电子织物强力机对处理前后的织物进行测量,从而用透气量(mm/s)来表征透气性,用织物断裂时的断裂强力和断裂伸长长度来表征断裂强度和断裂伸长.实验材料与仪器涤纶,坯布,吴江市博泰纺织品有限公司.十二烷基磺酸钠,化学纯,国药集团化学试剂有限公司.丙酮,化学纯,国药集团化学试剂有限公司.A r,O,工业级,江苏天鸿化工有限公司气体分公司.常温常压等离子发生器(QH 型),沈阳科圣真空仪器研发有限公司;表面张力仪(D C AT ),德国D a t a P h y s i c s;傅里叶红外变换光谱仪(N I C O L E TI S),赛默飞世尔科技(中国)有限公司;扫描电子显微镜(S U ),日本日立公司;数字式透气量仪(Y G E),中国宁波纺织仪器厂;电子织物强力机(Y G C),常州第二纺织机械有限公司.样品制备()涤纶织物的前处理.在 的条件下,将涤纶织物(c m c m)放入含有阴离子表面活性剂(十二烷基磺酸钠)的水溶液中,处理 m i n,水洗,干燥,去除表面的杂质.再将织物放入丙酮中,浸渍 h,彻底除去表面的油剂和其他杂质,然后用去离子水清洗干净,干燥,备用.()等离子体处理.将涤纶织物(c m c m)在常温常压等离子发生器中处理.打开等离子发生器,将清洗好的涤纶织物放入等离子发生器的反应室,启动抽气装置,先抽真空;再通入气体,调节反应室内气体压强到 P a左右,保持动态平衡;调节各参数到实验所需的设定值以后开始放电,达到处理所需的时间后,放电停止,关闭进气阀和真空泵.再放空,等到腔体内外压力平衡后,打开腔体门,取出试样.测试与表征()织物静态接触角测量.将等离子体处理前后的织物剪裁到适当大小,并放置在测量试验台上,然后使用针头滴下一滴液体,并且拍下照片,利用表面张力仪的软件手动测量织物上的液滴静态接触角,平行测定次,结果取平均值.()傅里叶红外光谱(F T I R)测试.首先用红外光谱仪对环境进行取样,然后分别将原样,放电气氛为O,处理功率为 W和处理时间 s处理布样放到试验台上进行测量,在计算机上会显示测试的结果,保存文件.()扫描电子显微镜(S EM)表征.首先将原样,放电气氛为A r,处理功率为 W和处理时间 s的处理布样,放电气氛为O,处理功率为 W和处理时间 s的处理布样进行制样,然后对其进行扫描电子显微镜测试,并且将放大倍数调整为 倍,标尺为 m.()透气性测试.对布样(c m c m)进行等离子体处理.将数字式透气量仪的测量压差调为 P a,测量单位为mm/s,测量面积为 c m,然后对处理前后的块布样进行透气性测试.()断裂强度测试.选择透气性测试的布样作为测试对象,并将布样剪裁为 c m c m大小,将电子强力机的夹持长度设为 c m,然后对这些布样进行断裂强度的测试,并记录下布样断裂时的强力(N)和伸长的长度(mm).结果与讨论接触角测试不同等离子体处理条件(处理时间、放电气氛、处理功率)下的接触角测试结果如图所示.从图可以看出经过等离子体处理,涤纶织物的润湿性能有明显的变化,这是因为等离子体处理的过程中,会产生大量的电子、离子、自由基,以及处于激发态的原子,这些粒子具有极高的能量,高速运动,会溅射到织物的表面,从而会出现刻蚀,改变了表面粗糙度,进而改变织物的润湿性能.并且从图 a f有一个共同的规律,即随着时间的延长,接触角呈现先减小后增大的趋势,这是因为随着处理时间的增加,溅射到织物表面的粒子,它们刻蚀到最后会把织物抹平,从而使得表面又变得光滑,织物的润湿性能与未处理的织物比较也就不会有太大的改变.在同一种放气气氛,随着处理功率的增加,它们出现转折点的时间会缩短,这是因为处理功率的增强,会更容易产生高速运动的等离子体粒子,从而使得它们对涤纶织物表面的溅射作用增强,也就使得出现转折点的时间缩短.在相同功率的条件处理下,经过O处理后的涤纶织物,其接触角出现转折点的时间比A r处理的短,这是因为在O的放电气氛中,放电后会产生含氧的粒子,而这些粒子溅射到织物表面,会与涤纶表面发生化学反应,使得表面产生含氧(C O C、O H)的极性基团,这些会改善织物的润湿性能.纵观文中涤纶织物的处理条件可以发现,当处理时间为 s,放电气氛为A r,处理功率为 W时,所得样品的润湿性能最好,因此为本文中最佳的处理条件.安徽工程大学学报第 卷图不同处理条件下接触角随时间的变化图F T I R表征未处理的涤纶织物和在放电气氛为O、功率为 W、处理时间 s的涤纶织物的红外光谱测试结果如图 a所示;涤纶织物表面引入含氧官能团的机理图如图 b所示.涤纶的官能团为芳环中的聚酯亚甲基、C O C、C OO、聚酯亚甲基、OH,对应的特征吸收峰分别为 、c m,从图 a可知,等离子体处理后,这些特征吸收峰都没有改变,并且也没有出现新的特征峰,说 明 等 离 子 体 处 理 不 会 改 变 涤 纶 织 物 的 化 学 结 构.但 是 在 c m附 近 的C O C,c m附近的 OH,经过等离子体处理后的这两个特征吸收峰有所增强,这是因为放电过程中以O作为放电气氛,会产生大量的含氧粒子,这些含氧粒子会和涤纶的表面发生化学作用,从而会产生含氧基团.表面形貌分析未处理的织物,处理功率为 W、放电气氛为A r、处理时间为 s的织物,处理功率为 W、放电气氛为O、处理时间为 s的织物的S EM图如图所示.从图可以看出,经过等离子体处理过的织物,纤维表面出现一些刻痕,这是因为放电过程中,一方面等离子体中的电子、离子等带有很高能量的粒子,它们会撞击纤维的表面,从而发生溅射刻蚀;另一方面是等离子体中的化学活性粒子会与纤维的表面发生化学反应,从而产生化学侵蚀.溅射刻蚀和化学侵蚀,这两种作用都会导致材料表面变得粗糙,甚至出现大的凹凸起伏,从而就增加了纤维的表面粗糙度,使得织物的润湿性能得到改善 .第期张瑾,等:涤纶织物等离子体表面改性及其性能研究RHRH;ROR OO;R OORHR OOHR;ROR OR ORHRROH;R OHR OH图 a 原样和在O条件下处理 s的红外光谱图图 b 纤维表面引入含氧基团机理图图不同处理条件下涤纶织物的扫描电镜图透气性测试对原样测量的透气量为 mm/s,而在放电气氛为A r,处理功率分别为 W(s)、W(s)、W(s)的条件下处理涤纶织物,测量的透气量分别为 mm/s、mm/s、mm/s;在放电气氛为O,处理功率分别为 W(s)、W(s)、W(s)的条件下处理涤纶织物,测量的透气量分别为 mm/s、mm/s、mm/s.研究发现,等离子处理后的布样,透气量会减小,放电气氛为A r的那一组数据,其透气量基本在 mm/s左右,而放电气氛为O的那一组数据,其透气量基本在 mm/s左右.这是因为等离子体处理过程中,高速粒子溅射到织物表面,会使得它的表面变得粗糙,从而气体在流动过程受到的阻力会增加,所以其透气量也就会减小.O处理的涤纶织物比A r处理的减小得更加明显这是因为放电过程中以O作为放电气氛,会产生大量的含氧粒子,它们不但会使得表面产生凹痕,改变涤纶织物表面的粗糙度,还会与涤纶织物的表面发生化学反应,在织物表面生成含氧基团,而这些基团是极性基团,因此它的处理效果也就比A r处理得更加明显.断裂强度变化原样及不同等离子体处理条件下的断裂强力和断裂伸长如表所示.从表可知,等离子体处理对涤纶织物的断裂强力和断裂伸长影响并不明显.因为粒子只与涤纶织物表面碰撞,因此改性仅涉及 n m处,它们不会改变涤纶的分子结构,涤纶分子仍然是对称型芳环结构的线性大分子,所以改性前后影响不大.表不同样品断裂强力和断裂伸长的测试结果(原样强力:N,伸长:mm)气体功率/W断裂强力/N断裂强度/(N/c m)断裂伸长/mm无无 A r 气体功率/W断裂强力/N断裂强度/(N/c m)断裂伸长/mmO 结论等离子体处理后的涤纶织物,接触角会发生变化,随着时间的延长,呈现先减后增的趋势;在同一处理安徽工程大学学报第 卷放电气氛中,随着处理功率的增加,出现转折点的时间会缩短;在相同功率的条件处理下,经过O处理后的涤纶织物,其接触角出现转折点的时间比A r处理的短.等离子体处理前后涤纶织物的红外吸收光谱没有变化,在O气氛下处理后C O C和 OH的特征峰有所增强,并且经等离子体处理后纤维表面出现一些刻痕.等离子体处理后布样的透气量会减小,经O处理的涤纶织物比A r处理的透气量减小得更明显.等离子体处理前后织物的断裂强度和伸长没有明显变化.参考文献:谢峥涤纶仍是最重要的合成纤维J印染,:唐永良改性涤纶研究进展J合成纤维工业,():李景忠聚酯纤维表面改性的研究进展J化学与黏合,():王春莹,王潮霞真空氧等离子体表面改性涤纶织物研究J合成纤维工业,():陈森,陈英低温等离子体引发的涤纶织物的接枝改性J北京服装学院学报,():Z HAN GC,F ANG K S u r f a c em o d i f i c a t i o no fp o l y e s t e rf a b r i c sf o ri n k j e tp r i n t i n gw i t ha t m o s p h e r i c p r e s s u r ea i r/A rp l a s m aJS u r f a c e&c o a t i n g s t e c h n o l o g y,():张建祥,王桂芝,崔金德,等纺织品透气性测试J印染,:任永花,李瑾羊毛单纤维的强力测试方法改进J现代纺织技术,():T I MKO H,D J UR A B E KOVAF,C O S T E L L EL M e c h a n i s mo f s u r f a c em o d i f i c a t i o n i n t h ep l a s m a s u r f a c e i n t e r a c t i o n i ne l e c t r i c a l a r c sJP h y s i c a l r e v i e wB,():B O R C I AC,B O R C I AG,D UM I T R A S C UNR e l a t i n gp l a s m a s u r f a c em o d i f i c a t i o n t op o l y m e r c h a r a c t e r i s t i c sJ A p p l i e dP h y s i c sA,():D OR A IR,KU S HN E R MJ A m o d e l f o rp l a s m am o d i f i c a t i o no fp o l y p r o p y l e n eu s i n ga t m o s p h e r i cp r e s s u r ed i s c h a r g e sJJ o u r n a l o fp h y s i c sda p p l i e dp h y s i c s,():T h eP r o p e r t i e so fP o l y e s t e rF a b r i cw i t hP l a s m aS u r f a c eM o d i f i c a t i o nZ HAN GJ i n,WAN GD i,F E N GQ u a n(S c h o o l o fT e x t i l e sa n dG a r m e n t,A n h u iP o l y t e c h n i cU n i v e r s i t y,W u h u ,C h i n a)A b s t r a c t:T h ee f f e c t so fd i f f e r e n tp r o c e s s i n gc o n d i t i o n sw i t ht r e a t e dt i m e,d i s c h a r g ea t m o s p h e r e(A ra n dO)a n dp r o c e s s i n gp o w e ro nw e t t i n gp r o p e r t yo fp o l y e s t e rf a b r i cw e r ee l a b o r a t e d T h eb e t t e rt r e a t e dc o n d i t i o n so np o l y e s t e r f a b r i cb yp l a s m aw a so b t a i n e d,t h es t r u c t u r ea n dp r o p e r t yo f t h es a m p l e su n d e rb e t t e rp l a s m a t r e a t e dc o n d i t i o n sw e r e a n a l y z e da n dc h a r a c t e r i z e d T h e r e s u l t s i n d i c a t e d t h a t p l a s m a t r e a t m e n th a dr e m a r k a b l ee f f e c t so nt h ew e t t i n gp r o p e r t yo fp o l y e s t e rf a b r i c T h ec o n t a c ta n g l eo fp o l y e s t e rf a b r i cd e c r e a s e df i r s t l ya n d t h e n i n c r e a s e dw i t h i n c r e a s i n g t r e a t e d t i m eu n d e r t h e s a m e t r e a t e dp o w e r a n dg a s T h e t i m eo f o c c u r r i n gc o n t a c t a n g l e t u r n i n gp o i n t s h o r t e n e dw i t h t h e i n c r e a s eo f t r e a t e dp o w e r Wh e nt h e t r e a t m e n t t i m e i s s,t h ed i s c h a r g ea t m o s p h e r e i sA r,a n dt h et r e a t m e n tp o w e r i s W,t h ew e t t a b i l i t yo f t h e s a m p l eo b t a i n e d i s t h eb e s t,w h i c h i s t h eb e s t t r e a t m e n t c o n d i t i o n i n t h i sp a p e r S EMa n dF T I Rr e s u l t ss h o w e dt h a t e t c h i n gt r a c eo c c u r r e do nt h es u r f a c eo f t h e t r e a t e ds a m p l e s,a n dt h e i n t e n s i t yo fc h a r a c t e r i s t i ca b s o r p t i o np e a ks l i g h t l y i n c r e a s e d T h ea i rp e r m e a b i l i t yo fs a m p l e s i n d i c a t e dt h a t t h ep e r m e a b i l i t yo f t r e a t e ds a m p l e sd e c r e a s e d i nc o m p a r i s o nw i t ht h a t o f u n t r e a t e ds a m p l e s T h ep e r m e a b i l i t yo fs a m p l e sw i t ho x y g e nt r e a t m e n tw a so b v i o u s l y l o w e r t h a nt h a to f s a m p l e sw i t ha r g o nt r e a t m e n t T h er e s u l t so f e l e c t r o n i c f a b r i c s s t r e n g t hm a c h i n e s h o w e d t h a tp l a s m a t r e a t m e n th a d l i t t l ee f f e c t o nm e c h a n i c a lp r o p e r t yo fp o l y e s t e r f a b r i c K e yw o r d s:p o l y e s t e r f a b r i c;p l a s m a;w e t t i n g;a i rp e r m e a b i l i t y;b r e a k i n gs t r e n g t h第期张瑾,等:涤纶织物等离子体表面改性及其性能研究