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微波等离子体技术在纺织染整中的应用

时间:2008-08-21 01:31:04  浏览:        

目前,纺织染整工业生产仍以湿加工为主,不但需耗用大量的水,而且带来污水公害问题。而作为染整清洁工艺生产的新技术——等离子体技术,是干式反应体系(气体体系处理),节水节能、环境污染和公害少,操作简单且易控制。而且处理仅涉及纤维的表面,不破坏纤维自身的性质,理论上可应用于各种纺织品基质物。因此,可以说等离子体技术迎合了生态纺织品发展的呼声,正越来越受到人们的重视。   

    等离子体技术在纺织上的应用始于上世纪50年代,我国从上世纪80年代开始对等离子体处理纺织品进行研究。在印染工业中,等离子体技术可用于织物的上浆、退浆和麻的脱胶、羊毛的防毡缩、织物的轧光、合成纤维的亲水化外理等诸多领域。等离子体处理也可以改进纤维的染色和印花工艺。近年来,也有人将等离子体处理用于织物的阻燃、防皱和卫生等功能性整理。  
    1、等离子体技术  
    等离子体技术随当代高技术的发展应运而生,作为一个学科交叉的前沿研究领域,自兴起以来的短短20多年中,已在化学合成、新材料的研制、表面处理等领域开拓出一系列新技术、新工艺。等离子体这一新的存在形式是经气体电离产生的由大量带电粒子和中性粒子所组成的体系,是含有离子、电子、自由基、激发态分子和原子,总的正负电荷取相等,不发生静电中和反应,并表现出集体行为的一种准中性电离气体,继固、液、气三态之后列为物质的第四态-等离子态。  
    等离子体可按其压力、带电荷粒子密度和温度等进行分类。在一般情况下,可将等离子体分为高温等离子体和低温等离子体。前者又称为平衡等离子体,其电子和分子或原子类粒子都具有非常高的温度;后者又称为非平衡等离子体,其电子和分子或原子类粒子具有的温度是不同的,电子温度仍然很高,而分子或原子类粒子的温度却较低,低温等离子在纺织染整中的应用最为广泛。等离子体发生方法很多,归纳起来有3种发生方式:  
    (1)气体放电法。在电场作用下气体被击穿,发生气体电离,等离子体即是电离的气体;  
    (2)光致电离法。利用各种射线或具有足够能量的入射光子照射,使粒子获得能量后碰撞,引起气体电离;  
    (3)热致电离法。借加热作用使粒子获得足够的能量,相互碰撞致电离。  
    2、等离子技术在纺织染整中的应用  
    2.1 等离子体处理纺织品的方法  
    通常来说主要有三种不同的等离子体处理纺织品的方法:  
    (1)非聚合性等离子体如氧气、氮气、氢气、氨气或水蒸气等对纤维材料产生表面改性。  
    (2)等离子聚合。用有机氟、有机硅的或有机金属的等离子体作用于材料表面并在纤维材料表面产生一薄层沉积物。  
    (3)先用等离子体使聚合物表面活化产生自由基,再用等离子体与己产生的自由基发生移植作用,从而使纤维材料表面改性。  
    2.2 等离子体处理纺织品的原理  
    等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。  
    2.3 等离子体的应用  
    2.3.1 等离子体在织物前处理中的应用  
    使用等离子体技术对织物进行前处理,即用等离子体作用于浆料、油脂、蜡质等有机分子,最终使有机物分解成CO2和H2O跑掉,节水、节能、无污染,可代替织物用碱剂进行退浆和精练的传统前处理方法。  
    日本山东铁工所已于1992年3月开发设计了连续式低温等离子体处理装置,并实现了在真空中对棉织物退浆、精练的连续加工。俊藤等研究了用氧或空气等离子体处理棉坯布后的芯吸性与工艺条件之间的关系,发现处理后,棉布的去除蜡质和浆料的效果与用氢氧化钠进行汽蒸处理相同,而且织物的强力几乎不受影响。棉坯布经氧低温等离子体处理后,可以不经退浆、精练而直接双氧水漂白,其效果不低于常规工艺生产的棉织物。因此利用等离子体对棉坯布处理,使棉织物的前处理简单化是完全有可能的。  
    2.3.2 棉纤维的等离子体处理  
    等离子体处理棉纤维一般是等离子体表面处理改性法,通过氧化性气体辉光放电进行的。PVA等浆料的分子链被切断,引入了羟基、羧基和羰基等亲水性基团,使PVA易于溶解而除去;同时含C-H键较多的蜡质也被氧化,使C-O、C=0键含量增多,从而使棉的吸水性和毛效得到改进。最早将等离子体技术用于棉纱处理的是Stone和Battett,他们发现处理过的棉纱吸湿性能显著增加,其低捻度下的强力也增加了。有报道说在纺织工序中,棉纱经氯气等离子体处理后,抱合力可增加四倍左右,但是随着处理时间的延长,抱合力也会很快减小,不过最后棉纱的拉伸强力还是可以增加很大,改善了可纺性,织物的耐磨性也得到提高。  
    Ward和Benerito分别采用氩、氦、氨等不同气体等离子体处理棉织物,发现棉的吸附水和油的速度都大大加快。而且经氨等离子体处理后,由于在棉纤维的大分子上引入氮原子形成了酰胺基,干折皱回复性大大提高,靠近电极处的干折皱回复角增加近20%,但湿折皱回复性没有变化,有人怀疑氨等离子体可能会引起纤维素晶格结构的转变。Jung等,考察了氩等离子体处理过的棉织物的吸水效应,并进一步观察了棉毛巾布经等离子体处理后的芯吸效应。研究表明,棉织物表面可能已经形成了羰基、α-羟基过氧化物以及游离的自由基等。  
    在一个研究中显示了棉织物经过等离子体处理产生了的效果:含水量降低了;表面电阻率下降了;经铜乙二氨溶液处理后发现,未经等离子体处理的棉纤维在其中完全溶解,而经等离子体处理的棉纤维尚有部分未溶解,这表明经等离子体处理后,纤维表面发生了部分交联。利用这一特性可改善纤维的防皱性能,若在介质中加入氟单体可起到拒水整理的作用。近年来,有人采用等离子体处理引发不同乙烯基单体、含氟单体对棉纤维进行接枝聚合改性,如Byrne和Brown于70年代初用乙烯单体聚合沉降到棉织物或其它织物表面,观察到了包括棉纤维拒水性提高等纤维性质的一些改变。  
    2.3.3 麻纤维的等离子体处理  
    麻纤维具有良好的机械物理性能和卫生保健性能,其织物服用性能也非常好。但其染色性能较差,不易染成深色,而且鲜艳度也较差。果用等离子体处理后,可使纤维表面的胶质分解,并在纤维表面形成较多的亲水基团、微小凹坑和微细裂纹。麻织物经等离子体处理后,可显著地增加毛细管效应,使纤维表面的润湿性大为改善,同时粗糙程度也有所增加,织物的失重率、上染率和染深性都有所提高。麻织物经等离子体处理后,可大大提高织物印花的着色性,花纹轮廓也十分清晰。最近还发展了等离子体用于麻的抗皱整理,以及将等离子体技术和生物技术如酶等联合使用处理麻等新的方法。  
    亚麻织物的舒适、卫生和优雅的质量使采用亚麻作衣料的需求增加了。但亚麻纤维结晶度高,导致抗弯硬挺度较高,加工难度大,等离子体处理可以消除这一缺陷。亚麻纤维具有独特的分子结构和形态学结构,例如亚麻较棉具有较高的结晶度和较小的螺旋结构节距,它没有那种存在于棉纤维结构中的螺旋反向层和转曲。同样,二者在微孔的结构和微晶的大小方面也存在着显著的差别。等离子体刻蚀作用,仅攻击在微晶表面的可结晶度的末端,不会造成在纤维整体结晶度方面的明显变化。经等离子体处理后,可使表面的聚合物分子发生断裂,从而使麻纤维具有更好的弯曲挠性,同时织物的强力增加。  
    2.3.4 羊毛的等离子体处理  
    羊毛表面具有鳞片结构,容易产生定向摩擦效应,从而产生毡缩。传统的方法是氯化处理,但它会带来环保问题而且会损伤羊毛 不少学者对用等离子体来代替羊毛的化学处理进行了研究。Radetic等用低温等离子体处理羊毛针织物并与氯化处理相对比,发现等离子体处理后羊毛的润湿性和溶胀性都大有提高,对纤维损伤程度很小;印花后再经氯化处理织物会泛黄,而低温等离子体处理则对白度无影响;短时间处理后,给色量明显改善。Hesse等对经过等离子体处理的羊毛纤维表面进行了研究,指出其防毡缩效果来源于表面的等离子体氧化效应,纤维表面亲水性增强,就会在洗涤过程中形成水膜,将单根的纤维分离开来,减少了摩擦,而且等离子体处理产生的高能粒子轰击纤维表面,使羊毛纤维表面的鳞片层受到破坏,双向摩擦系数的差值降低,因此达到防毡缩目的。  
    用CF4和CHF3等离子体处理羊毛织物后,可以改变羊毛表面的化学组成,在纤维表面增加部分正电荷中心,改变羊毛在水溶液中的带电状况,纤维表面极性增加,从而提高染料对纤维的吸附能力及降低染料向纤维内扩散的空间阻力,改善羊毛的染色性能。据报道用CF4等离子体处理后,羊毛表面的润湿性降低,但是上染速度却增快了,而且匀染性不降低,反而有所改进,所以上染速度增状的原因主要不是改善了纤维的润湿性,而是破坏了羊毛鳞片层中的胱氨酸二硫键,使染料易于扩散进入纤维内部。C.W.Kan等研究了采用低温等离子体方法处理改善羊毛的染色性能,研究了等离子体处理毛纱的染色动力学和热力学,毛纱经等离子体处理后,染料上染速度有明显的增加,但染料平衡上染率没有明显地改变,低温等离子体处理毛纱的热力学参数有明显变化,可采用低温染色。  
    等离子体处理还可增加羊毛纤维的表面摩擦系数,纤维强力也不会降低,从而提高了纺纱时纤维相互之间的抱合力和纺纱性能。处理后的羊毛,纤维的平均细度比未处理前稍细,短毛率有所增加,手感比处理前略显粗糙,而回潮率则普遍下降,在纺制高支纱时的断头率有明显的降低。利用等离子体处理毛织物,可以在织物表面形成薄膜,具有均匀性高、针孔少、耐溶性能优、热稳定性高以及在服装加工中与衬里粘合性好等优异性能。  
    2.3.5 丝织物的等离子体处理  
    采用等离子体对蚕丝的改性处理研究得相对较少。行人曾利用氮气辉光放电产生的低温等离子体处理柞蚕丝,经处理后的柞蚕丝可以大大改善其润湿性和染色性。如果丝织物采用微粒子染色时,采用等离子体照射后,纤维表面受到离子射流的刻蚀,使纤维表面形成许多微小的凹坑和微细裂纹,可提高织物吸附微粒子的耐久性和染色的鲜艳度,从而提高了丝织物染深性。  
    Yasuda等研究了等离子体处理过的丝纤维表面形态的变化,发现CF4气体改变了丝纤维的润湿性,使其与水的接触角由0°增加到136°,这表明了氟原子已植入丝纤维表面。苏州丝绸科学研究所探索了等离子体处理对丝绸性能的影响,发现丝织物在一定条件的低温等离子体处理后,毛细管效应增加,染色速度加快,但过度的处理反而会降低织物的吸湿性,通过扫描电子显微镜观察发现纤维表面产生了许多凹坑。国外科研人员对脱胶丝绸的处理作了系统的研究,发现丝织物经等离子体处理后物理性能如拉断强力、拉断伸长无明显变化;织物白度在一定处理时间内无明显变化,但处理时间过长,白度有所降低;纤维分子量无明显变化;织物上染能力明显提高。  
    2.3.6 合成纤维的等离子体处理  
    许多学者对合成纤维采用等离子体改性产生了极大的关注,其主要研究集中在对涤纶织物的改性,并且已取得了一定的效果。主要是通过等离子体表面处理改性法,使涤纶表面发生分裂、刻蚀,其表面结构和可润湿性都发生了相当大的变化,纤维表面形成微凹坑和一些微细裂纹,纤维的表面积增加,不仅可增强这些纤维与其他纤维间的抱合力,而且可提高纤维表面的润湿性、上染率、染深性和染色牢度。文献将等离子体接枝聚合法用于涤纶织物改性,用低温等离子体引发丙烯酰胺对涤纶织物进行接枝处理,发现接枝后织物的性能大有改善,由于织物导入酰胺基团,亲水性提高,利于染料向纤维内扩散。在最近的研究中,探索了等离子体处理和等离子体接枝的涤纶表面电阻率性能,发现表面电阻率大大地降低了,Maiid Sarmadi等研究用四氯化硅等离子体处理的方法,改善涤纶织物的亲水性。织物在四氯化硅等离子体处理过程中,产生的氯硅阳离子反应性很强,能打效的植入纤维表面,其中主要是SiCl3+离子,这种离子在大气环境中能与水分子反应。迅速转化为Si(OH)x,从而纤维表面呈酸性,能吸附阳离子性物质。通过试验发现,纤维表面增加了硅元素和氧元素,接触角明显降低染色织物的K/S值大大增加。  
    此外对丙纶和锦纶的等离子体改性也进行了一定的研究。Yasuda及其合作者运用氟碳等离子体处理锦纶织物,并用不同的技术分析其表面性能的变化,发现处理后,锦纶织物表面张力大大降低,接近聚四氟乙烯的表面张力,锦纶疏水性增强,织物具有很好的拒水性。拒水性在水洗、烘干后降低,说明纤维表面的分子片段存在着旋转性。还有人用氨等离子体处理聚烯烃、聚酯、聚氯乙烯以及醋酯纤维后,发现都可以用酸性染料染色,说明纤维表面上接上了含氮的阳离子,所以可以吸附阴离子型的酸性染料。  
    在建造摩天大楼和特大桥梁时,为了降低其自身的重量常常采用高科技、高性能碳纤维和芳纶纤维来替代钢材,由于这些纤维强度大大高于钢材而重量又十分轻。但其表面十分光滑,与其他建筑材料的粘合力不够理想。可采用等离子体对其进行改性处理,使其表面形成微凹坑和微细裂纹,有效地增强与其他材料的粘合力,提高高层建筑以及水下建筑的坚牢度。  
    2.3.7 产业用纺织品的等离子体处理  
    等离子体技术用于产业用纺织品的防护处理具有重要意义。AKZO Nobel公司开发研制的用等离子体技术对弹道材料表面进行处理,先用无机等离子体处理,再用疏水性有机气体的等离子体接枝或覆膜,有效地提高弹道材料的防潮能力进而提高材料的性能。用等离子体处理涤锦双组分复合纤维织物有利于充分开纤,明显提高超细纤维的前处理效率。  
    3 结语  
    当今世界上正处于信息时代,高新技术发展越来越快,并己冲破行业的界限,相互交叉,相互渗透,相互促进,共同发展,开拓了纺织染整工业发展的美好前景。除了现代化学、生物化学及计算机的应用外,现代物理学中的等离子体技术业已渗透到纺织染整工业的各个行业,提高了纺织产品的高技术含量。利用等离子体的一些特殊的性质,可对纺织材料进行用其他加工方法无法实现的处理,而且由于等离子体技术符合生态纺织工业的要求,其必将推动纺织染料工业向前快速的发展。
  
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