等离子体技术对合成纤维表面改性的探讨.pdf

一3 成 都 纺 织 高 等 专 科 学 校 学 报 J c u r l o E C h e r 眯I u TJ t e Gd【B 第 1 6卷 第 4期 总 第 5 4期)1 9 9 9年 1 0月 1 6Na 4S u m 5 4j 等离子体技术对合成纤维表面 改性的探讨 l l。阳建斌 郑光洪 郑 雄 1-5 (成 都 磊 磊 学 校 i 科 研 所 成 都 6 1 0 0 6 3)摘要 通过对等离子体表面处理的分析，从理论上讨论 了合成纤维经等离子体表面改性 后所改善润湿性、吸湿性、亲水性的机理及等离子体接枝聚合处理。关键词 合成纤维等离子体技术表面改性 染整 中 图分类号T O3 4 2：T S 1 9 0 一 徼 卟生 合成纤 维织 物的拉伸、耐磨等耐用性能 及免烫、抗折皱等外 观性能 一般优 于天然纤 维织物，但 其舒适性、易染性 不太理想。例 如，涤纶、丙 纶 的公定 回潮率 分 别是 0 4 和 0 0。显然该二种纤 维的吸湿性 较差，其织物 透过皮 肤排 泄 的高热 汗气 的能 力 即透湿 性 较差，从而影 响人 们穿着的舒适 性。另一方面，涤纶分 子 的极性 较小，缺乏 亲水性，无 特定染色基 团易染性差，难 以染 出探 浓鲜艳的色泽；而丙纶 的染色条件 更为苛 刻采用 分 散染料 只能得到很淡 的颜色，通 常采用原渡着 色、纤维 改性等方法 才能解决染 色问题。从 5 0年代末开始，等离子体技术在离子渗析、渗硅、渗碳等表面处理工程中迅速发 展。例如，利用沉积效应使碳在受热基体上有序生长构成金刚石薄膜，将氧化铝陶瓷层喷 涂在铝合金上等。近年来，等离子体技术在纺织品染整工程中的应用引起 了广泛关注。涤 纶、聚丙烯等合成纤维，经等离子体处理，不仅可改进染色性能，还能改善润湿性、吸湿 性、亲水性等。1 等离子体技术 物质除 了 _ 以气、液、固态存在以外在一定条件下，有一部分分子被离解成原子并 且部分甚至全部原子或分子发生 电离，电子脱离原子和分子在空 间 自由运 动。失 去一部分 电子的原子和分子带有正电荷成为正离子。这种 由带 正负 电荷 的粒子组 成的气 体正 负 电 荷数相等，净电荷数等于零，称为等离子体。在强磁场控制下，等离子体的粒子可以作 有规律的运 动从而开发出许 多新的用途。等离子体共有三种：热等离子体、冷等离子体、混合等离子体。常见 的低温等离子体 由辉光放电产生，真 空度 1 3 3 3 2 2-1 3 3 3 2 2 P a，工作 电流 5 0 0至几千伏 的直 流 电或交 流 电，电流频率 印，平均 电子能量 1 1 0 e V，电子 温度：(2 3)e k (e k是 电子 动能)，电子密度 1 O。1 0 个 m。j 根据被处理材料和工作气体的性质、放电时间、放电功率、放电真空度的变化，等离 子体处理聚合物能产生不 同的效果。氧、氮、氩、二氧化碳和氨气 等气体 产生 的低 温等离 王佳丑改善金成红维的润湿性、亲水性，(E 气体产生的等离子体在纤维表面产生强烈的 帑 毽 维普资讯 6 成都纺织高辱专科学控学报 1 9 9 9年 l O月 氧化作用可增强纤维的拒水性。等离子体 处理聚碳酸酯、聚四氟乙烯等聚合物时，高 癣物自由基重新聚合产生表面交联，使表面层分子量增加提高聚合物的熔点。随着等离 子体放 电时间的延长，高能粒子对纤维表面的刻蚀作用增强，重量损 失逐 渐增 加；随着 离 子体放 电功率增大，产生的高能粒子能量增 加；随着等离子体放电真空 度增大，在一定 范 围 内分子平均能量 降低。3 总 之 由于各种等 离子体 反应器 的设计 不 同故 应根 据具 体情 况选择适 当的工作参数。2 等离子体 处理 改善合成纤维的润湿性 2 1 菩离子体的刻蚀作用 低温等离子体是 在真 空下由辉 光放 电产生 的具有 高能量 的离子 和分子，电子温 度达上 万度(K)。等 离子体处理合成 纤维 能引发生成高 聚物 自由基，随后进行链裂 解、自由基转 移、氧化、歧 化和复合 等反应，构成表面层 中的降解、刻蚀、氧化和 交联反应 裂解 和氧 化的小分 子产 物被不断蒸发和喷溅清除 出去。所以在合成 纤维 光滑 的表面层会产 生 一些 小圆坑或沟槽，表面改性层达 5 0 5 0 O A f 2】。2 2 合成纤维的表面能 合成 纤维表面层分 子和 内部分子所具有 的能量是 不同的。内部 任意一个分 子所受周 围 分子 的引力是 球形 对称 的 而表 面层 的分子 受 内部分 子 引力大于 外 部气体 或液 体分子 列 它的吸引力。在恒温、恒压 和组成 一定的情 况下，可逆地增加物 系的表面积 丽剥物系傲 的 非体积功称 为表面能。若增大表面积 则d G=(1)r：或(纛)T、P、(2)式中，a 为比表面能。a 在数值上等于实验所测定的表面张力。显然，经过等离子体对合成纤维表面的刻蚀纤维表 面粗糙 的表面积，即比表面 增加，=(r a-)C 圈 单 位体 积的物质所具 有(3)式 中A 代表体积为 的物质所具有的表面积。因此，等离子体气体 中高能粒子能 量 的部 分转化 为 纤维 的表面能使合成纤 维的表面能增 大。2 3 合成纤维的润湿现象 水对合成纤维的润湿程度可用接触角来衡量。所谓接 触角就是 固液界面与气 液界 面在气、液、固兰相交点 的切 线的夹角 0。【5 见 附图。接触角愈小愈易润湿。当接触 角达平衡状态时，有杨氏方 程 附图接触 角与各界面 o a,。c o s 0 (4)张力的关 系 或 c o s 0=(5)d 当 一O A：O 则 c o s 0O，即 0 O，则水液可能铺展于合成纤维上达到更理想的润湿效果。3 等离子体处理改善合成纤维 的吸湿 性 纤维放置在大气 中具有吸收和放 出水分的性能称为吸湿性。合 成纤维 的吸湿性 普通较 差。纤维的吸湿性能 与氢键、范德华力有关。根据兰格缪 尔提出的单分子层吸 附理论，_ 4】=+(6)r r r*曲 式 中，r 表示平衡压力有P时的吸附量；r 表示饱和 吸附量，即 1 l 昭吸附剂的 表面上，盖 满 一层吸附质的分子时所能吸附的最大摩尔数：6是吸附 系数。饱和 吸附量 r 及 每个吸附质分子 的截面积 A 与吸附剂的 比表面A 之 间的定量关系 为：P (7)式中，L为阿伏 加德 罗 常数；为 比表面 即每 l 昭 吸 附剂 所 具有 的表 面，单位 为 M-。因此，经 等离 子体处 理 后 纤维 表面 5 05 0 0 A 深 度 改性，相应 增 加 了 纤维 的 比表 面 A ，使纤 维的饱和 吸附量 r 成 比例增 大。根 据公式(6)，随着 r 增 大 可提高纤 维对 水 分 的吸附量，使纤维 的吸湿性 增大。另一方 面，合成纤维表面所 吸尉 的水分 子和碰撞 在上面 的水分 子之 阃存在 范德 华力，会使 水分子层加厚 而形成多分子层 吸附。又 由于纤维表面改性 后具 有 毛细 作用 也 能提 高纤 维的吸湿性。4 等离子体处理改善合成纤维的亲水性 棉、麻干 n 粘胶都是纤维素纤维，其大分子的每一个葡萄糖剩基含有一个伯醇基、二个 仲醇基，这种纤维称为亲水性纤维。涤纶纤维的大分 子除 了疏 水性 的苯环和 乙撑外，只含 有亲水性 不强的酯键这种纤维称为疏水性纤 维。分散染料对涤纶纤维的上染是通过染 料溶 解成 分子分散 状态而 吸附到纤 维表面 层，再 通过扩 散层“溶解”在纤维的无定形区。分散染料和 涤纶纤维分子 问 的作用主要是极 性 引力(包括 氢键)和非极 性引力(主要是色散力)。分子问 的作用力可用 内聚能密度 来衡量，可表示成 占 =占 +占b (8)式中 称极性力 内聚能密度，是由偶极力和氢键产生的。b z 称非极性力内聚能密度。显 然，如果 涤纶纤维所 岔的极性基 团增加则。增 加，导致 0 增加，那 么用溶解度 参数的概念 即可估计 出该 涤纶纤维 对分散染料的“溶解度”增加。等 离子 体含有 自由基、激 发的分子和原子、离子 及电子。例如 h r+O+O +e (9)等离子体一高聚物反应是按 自由基机理进行的。由紫外线辐射引发的过程是 RH R，+H 这些聚合物 自由基可 与反应器 或空气 中的 等气 体反 应，引人 极性 基 因。例如，等 离子体处理 使将涤 纶表面 引起链裂解、去羧基反应，生成同位和对位 酚端 基 即 维普资讯 8 成都纺织高等专科学校学报 1 9 9 9年 1 0月 早 早 _ f 争 _-。1 +O O H H O O 下 。一 下 +O 0 O O O 等下 C n (1 1)O O 由此可见，等离子体处理合成纤维可引人丰富的极性基 因如0 H、N 从而捷 高合成纤维 的亲 水性，改善染 色效果。5 等离子体处理在合 成纤维接枝聚合 中的作 用 通过化学反应，在某聚合物主链接上结构组成不同的支链这一过程称为接枝；所形 成的产物称为接枝共聚物。【接枝共聚物兼有骨架聚台物和构成支链 的聚合物的特征，在 合成纤维表面处理中也可用接枝聚合反应改善合成纤维的吸湿性、染色性能等。如前所述，等离子体处理高聚物后，可引发高聚物 自由基产生，进行 自由基聚合反 应。例如。由激发 的惰性气体原子引发 _ 2 一l 1 r+He+He +e r RH+He R H l R。+H +H e (1 2)卜 R 1。+R 2 +式中 表示氮 自由基，H。表示氢自由基，H e 表示亚稳态中性粒子。表示聚合 物 自由基。研究证明，由等离子体处理产生的高聚物 自由基在约 2 4 h内不会衰变。因此，可采 用预浸渍或后浸渍单体溶液方法。目前大多数合成纤维接枝聚合的单体采用丙烯酰胺、丙烯酸酯类等。6 结论 等离子体处理技术应南于染整工程，具有减少环境污染缩短工艺流程，能提高合成 纤维 的润湿性、吸湿性和亲水性等性 能在一定程度上可改善合纤 织物的舒适性 能和 染色 性能。参考文献 1大连工学院无机化学教研室编。无机化学。北京：高等教育出版社1 9 8 2 1 1-1 2 2 美s 吴高聚榜的羿面与粘结潘强余等译北豪：妨织工业出版社，1 9 8 7 2 7 7-2 9 0 3 王雪燕等，低温等离子体处理对苎席织物的释袭性研究印染。1 9 9 8(4)4 天津大学物理化学教研室编物理化学北京：高等教育出版杜1 9 8 6，1 3 8 1 7 9 5 王菊 生编 染整 工艺原 理：第二 分册北京：中国纺织 出版杜，1 喜 B 6 6 潘祖仁高分子化学北京；化学工业出版杜1 9 8 6 2 6 5 2 6 7 (下转 1 8页)维普资讯 1 8 成都坊织高等专科学校学报 1 9 9 9 年 1 0月 土作媒染剂后可使织物获得较好的染色牢度，具有实用价值。3 2 姜黄色素 的提 取既可用 乙醇 浸渍，又 可 用水 沸 煮提取；但 乙醇提 取液 中 的天然 色素 姜 黄素 的有效浓度远 高于 水提 取液。在 实际染色中，提取 浓缩液可 直接 用于苎麻织物 的染 色。3 3 乙醇提 取的姜黄索作为染液使用时，在酸 中稳定 且 随 p H升高产 生色变。这 是姜 黄 素分子中的羟基离子化所致。3 4 采用 稀土氯化物作姜黄素染色的媒染剂，可降低染料在水中的溶解度，使上染率有 所提高，可避免常规重金属离子对环境的污染，并可提高天 然植 物染料 染色成 品的酸、碱 及 日晒稳定性，有较大的应用前景。3 5 对姜黄素染液 与苎麻织 物上 染过程 中的相互作 用机理 以及稀 土 氯化物 的 媒染机理 尚 需进行深入 的讨 论。参考文献 1 陈荣圻婪用染皋 及其代用第二版北京：中国纺织出驻社，1 9 9 8-1 1 0 1 2 1 2 王秀玲，唐志翔等译天然植物染料的应用印染泽 1 9 9 7(s)：1 5 3 饪苏南等天然色素化学及其在纺织工业上的应用。印染1 9 9 7 2 3 6 7)：4 1 4 金成襄染整工艺实驻北京：纺织出版杜1 9 8 6 5 中国医学科学药物所中草药成份分析北京：人民出版杜1 9 7 2 6 郑光洪等稀土在苎麻织物染色中的应用研究成都纺织高等专科学校学报1 9 9 4(4)Re s e a r c h o f t he Us e o r Tu r me r i c i n t h e埘 dI Ig p r,e s s 0 f Re ml l b e r Zh e ng Gn a n g h o r Yi n F e i x B e e t I d (a u k OJ e G e n w d u 6 1 0 0 6 3)Ab r 口 n：山e a i c e i s b a 8。d册 the a 珀【。f 。c 咖c n mid f u n c t io n。f 仙nr H 证 wh i c h i s u e f k t h e r e l a t e d a r m；p =c e s s t h e de d 1 t h e c m b a c tor s wh i c h ff e c t c s f “d dy e i n g I w o r d s：p a n【由 n ；m c；博r e e a r I h d 衄 m【；r a f【I Ie (上接 8页)us 0 I 仰p】舢s I I c e M o d i fic t l o n o l n t h l l h e r s Y a n g|i n b l n Z h n g Gnn g h o n g o 曲Te x t il e c dI 啦 o 霹 d u6 1 o。)Ab s t：山 p a p 盯 c h ie 时 a n a y s t h e lI r I明 n【in ,u in g呻 p e a b汀 q i Lv n 睁 f 叫 m b c f ib e r s 吐 。L l 脚 r 憎 面 c e mo d ifi c a fi a K w0 r d s：s：md efi fi b e r s p h m 日 If 丑 c ema di fi c a ti o n 眦 肿 州出 【q u a i v a mn 时 h 咖 维普资讯