纤维素等离子改性

1、三.纤维素纤维等离子体改性等离子体处理用于纤维素纤维改性也进行了较广泛的研究，这包 括改善纤维素纤维的可纺性和强力，改善纤维的粘合性能和润湿性 能，改善纤维素纤维的染色性能，以及进行等离子体接枝变性和功能 整理等。（一）棉纤维等离子体改性天然棉纤维的外表部除由纤维素组成外，还含有大量的伴生物， 如蛋白质、果胶、蜡脂等，棉纤维的印刷性、润湿性在很大程度上取 决于最外表面层的组成和结构，改变表面物质的组成及分布就能有效 地实现棉纤维的表面改性。从而影响它们的附着性、吸水性、染色性、 可纺性和抗静电性等一系列性质，引起人们的广泛关注。棉织物坯布 的等离子体处理已表明可以改善其在水和烧碱溶液中的可润湿性。1. 等离子体处理对棉纱抱合力的影响棉粗纱经氯气电晕放电等离子体处理后，抱合力可增加，棉纱的 拉伸强力也可以增加24%左右，因而改善了可纺性，提高了纱和织 物的强力，织物的耐磨性也得到提高。棉条电晕放电等离子体处理后抱合力与功率及处理时间的关系 见表213。表2-13电晕放电等高子体的功率及处理时间（或速度）与粗植棉条抱合力的关系电晕放电功率/W不同速度处理的棉条抱合力/mN.tex-】4mT

2、nin19nrmin-iISirfmin-100.860.850.830.82501.010.950.900.871001.061.020.950.912001.141.071.000.953001.221.101.040.97由表213可以看出，功率越大，抱合力越大，处理速度越快， 抱合力增加越少。实验还发现，棉纤维湿含量越高，抱合力越低，但 受反应室中的气体种类影响较小。2 .等离子体处理对棉纱润湿性的影响棉条经等离子处理后，其润湿性得到改善，改善的程度决定于等 离子体的功率和处理时间，也和通过等离子体的棉条数量有关。研究低温氩气辉光放电等离子体处理对棉纤维的吸水性的影响 时发现，处理后棉纤维的润湿速率大大加快。虽然处理后棉纤维的外 观没有明显变化，但通过红外吸收光谱和电子自旋共振分析发现，棉 纤维表面被氧化，而且可以检测到存在碳自由基。采用氩、氮或空气等离子体处理后，棉的吸附水和油的速度大大 加快。而且分析证明在棉纤维表面形成了羰基、羟基以及自由基。采用氨等离子体处理后的棉纤维，发现棉纤维上引入了氮原子， 可能是形成了酰胺基团。氨等离子体处理棉织物后，可以显著增加干 折皱回复性，

3、而湿折皱回复性不变，结果见表214。表2-14氨气等离子体处理对棉细布的重和折皱回复性的影响试样位置失重率/%折皱回复角（W+F）/rad干态湿态电极之间12.273.3682.729靠近电极处3.993.4383.001真空出口处3.902.9322.984未处理2.8803.158通过电子自旋共振分析发现，辉光放电等离子体处理不同纤维，以棉纤维生成的自由基密度最高，见表215所示。表2- 15利用不同气体低温等离子体处理纤维形成的自由基相对密度（在133P&压力下处理3min）自由基相对密度纤 维未处理6n2CH,Arh2COcf4棉0.20.50,61.11.62.03.13.1羊毛0.20.40.50.50.60.60.60.5蚕丝0.20.30.40.40.60.40.50.4锦纶60.20.20.20.20.20.20.20.2涤纶0.20.20.20.20.20.20.20.2由表214可以看出，未处理的各种纤维的自由基相对密度的水 平是相同的，不同气体等离子体处理后，自由基密度都有增加，这和 前述等离子体作用特性是相符的，但是不同气体处理形成自由基的水 平相差很大，其中

4、以CO和cf4气体等离子体处理形成的自由基水 平最高，而以O2气体等离子体处理形成的水平最低。各种纤维相比， 以棉纤维形成的水平最高，合成纤维形成的水平最低。事实上，采用辉光放电等离子体处理引发不同乙烯单体对棉纤维 进行接枝聚合改性，包括利用含氟单体，接枝聚合变性后，棉织物具 有良好的拒水性。在丙烯腈气体中进行等离子体接枝聚合，接枝率较 高，得到了改性的氰乙基棉。近年来，将等离子体处理用于阻燃、防皱和卫生整理等功能整理， 其原理是先用等离子体处理纤维，使纤维活化，然后进行有关整理，也有直接将等离子体引发纤维和整理剂之间的反应，作固着处理用。（二）苎麻纤维等离子体改性苎麻纤维具有很好的物理机械性能，其织物服用性能也很好，但 是和棉等纤维素纤维相比，染色性能较差，不易染深，鲜艳度也稍差。1 .等离子处理对苎麻织物的失重率、上染率和染深性的影响利用氧气低温等离子体处理苎麻织物，发现苎麻织物的失重率、 毛细管效应、上染率和染深性都会变化。失重率随处理时间延长而增 加，说明这种等离子体对苎麻纤维发生了刻蚀，纤维表面粗糙程度增 加。等离子体处理后苎麻织物的毛细管效应也明显增加，润湿性的改 善首先和

5、纤维表面形成较多的亲水基团有关，其次也和失重后表面形 成微凹坑和裂纹有关，后者增大了表面积，增强了对水的吸附能力。 试验表明，失重率和毛细管效应的变化不呈线性关系，失重率是随处 理时间不断增加，而毛细管效应在开始处理的30s内增加很快，以后 增加不多，这说明毛细管效应的变化主要决定于表面改性。随着等离子体处理时间延长，苎麻织物对直接染料的上染率也有 所增加，也是在处理的前30s增加最快，以后有所变慢，并趋于稳定。 上染率的增加和纤维的润湿性变化直接有关，因为润湿性好，有利于 染料对纤维的吸附。不过，一些结果表明，低温等离子体处理时间过 长，会导致上染率下降，其原因也是多方面的。首先，在有氧气存在 下，这种等离子体会使纤维素分子链发生氧化，不但减少了羟基，而 且会形成较多的羰基和羧基，纤维表面形成较多的氧化纤维素，降低 对染料的亲和力。羧基电离后带负电荷，对阴离子染料还会产生电性 斥力，使染料难以被纤维吸附，甚至比未处理纤维的上染率还要低。 一般来说，染色性变化随染料不同也不同。所以采用低温等离子体处 理改性时，首先应该选用合适的气体介质，处理时间也不应过长，特 别对一些耐晒牢度较差的染

6、料更是如此。随着上染率的变化，颜色深度也相应变化，和未处理的织物相比， 有一定的增深效果。其变化规律和上染率类似，即30s内增深明显， 以后反而有所降低，最后趋于稳定。所以颜色的深度主要决定于纤维 上染料的数量;另一方面，由于等离子体对苎麻纤维表面发生了刻蚀， 所以物理性的增深作用也可能存在，但这种作用相对较次要。2. 放电功率与失重率和上染率、增深性的关系研究放电功率与失重率和上染率、增深性的关系时发现，失重率 随功率增大而不断增加，但是上染率和增深性与功率的关系却不一 样。在功率为40W时的上染率和增深性都达到最大，功率继续增大， 则上染率及增深性反而有所下降，这可能是随着功率增大，苎麻纤维 表面极性基团增多，润湿性提高后，有利于染料上染，所以上染率高、 颜色也深。但是功率过高，等离子体中高能活性粒子数量增多和能量 增大，纤维素被氧化的程度越激烈，降低了对染料的吸附能力，和处 理时间过长的情况类似。3. 真空度与失重率和上染率、增深性的关系研究等离子体放电处理室的真空度与苎麻织物失重率、上染率和增深性的关系时发现，真空度过高（小于30Pa）,失重率随真空度增高 而减小，显然这是由于

7、真空度越高，等离子体中的活性粒子数越少， 纤维表面受到轰击次数也就越少，因此失重率较小。但是，真空度过 低，失重率也不高，这可能是真空度过低，等离子体活性粒子相互碰 撞机会多，能量损耗多，所以苎麻纤维表面受到轰击发生刻蚀效率也 就较小。失重率最大的功率约为30W。上染率及增深性与真空度的 关系也存在最佳真空度（约为10Pa），过低和过高均会使上染率和增深 性降低，原因还是上染率和增深性的提高主要决定于纤维的润湿性的 提高，当润湿性达到最高值后，它们非但不会进一步提高，反而会因 纤维被过度氧化，特别是纤维表面形成较多的羧基后，使上染率下降， 颜色深度也相继降低。图2-11氧等离子体处理对芒麻织物上染 速率曲线的影响（90弋恒温匕染）1 一未处理2-等离子体处理0 10 20 30 40 50 60 70 80 时间/min806040 C费会皿法-H图2-11为等离子体处理和未处 理苎麻纤维的上染曲线，从图中可发 现，等离子体处理后上染速度稍有降 低，但平衡上染百分率则稍有增高。将染色后的苎麻织物用氧等离 子体处理，发现和羊毛及蚕丝的情况一样，具有明显的增深效果，特 别是对经过树脂或柔软

8、剂整理的染色织物，增深效果更加明显。四.合成纤维等离子体改性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，难以染出深浓鲜艳的色泽；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 采用原液着色、纤维改性等方法才能解决染色问题。涤纶被广泛地用于纺织工业领域，它具有优良的机械特性，化学 惰性和耐热性。然而，涤纶表面反射出大量的光，因其具较大的内部 折射指数(n=l.725)，因而要得到比较浓的颜色是比较困难的，尤 其在黑色或其他的浓色上。最近，已开展了许多研究，通过低压等离 子体聚合、喷溅蚀刻和低折射率化学树脂涂覆，以在涤纶上获得较高 的颜色强度。使用低折射率(n=1.314 )单体的等离子体聚合， 已经被用来增加染色涤纶织物的深度。喷溅刻蚀在染色涤纶织物上处 理，可以增加色深。因为

9、在织物表面有不规则的物理形状，导致光的 散射，减少了在表面上的光反射率。沉积在织物上的低折射率的树脂 也可增加深色效果。(一)涤纶的等离子体改性涤纶用等离子体处理后可以获得持久的亲水性、抗静电性，染色 性能、粘着性能等也可得到改善。加工目的和流程主要有以下几种: (1)半制品织物先进行等离子体处理，然后进行染色或整理等加工， 可以改善染色和整理加工性能。(2)染色织物进行等离子体处理，主要进行表面刻蚀，增加颜色深度，并提高整理时的反应性，还可以改善粘着性、抗静电性和亲水性 等。（3）染色和整理后的织物进行等离子体处理，改善。颜色深度，提 高抗静电性、亲水性等。影响等离子体处理的因素也很多，包括纤维和织物的结构、等离 子体的气体种类、真空度、功率、处理时间等因素。图2-12在氧气中高频放电对涤纶 织物失重的影响 处理条件:氧气,100W,5min，只是在处理时间过长，气涤纶在等离子体处理时，表面受到 各种高能粒子作用后，会发生分裂、刻 蚀和明显的失重。气压越高，时间越长， 功率越大，刻蚀越严重。同时也和等离 子体气体的种类有关。由图212可以 看出，在气压较高的条件下，失重较为 强烈，织物表面发生明显降解，并伴随 泛黄，不过在适当条件下，并无明显泛j 体压力过低，功率过大时才严重泛黄。泛黄是由于纤维发生裂解，形 成了不饱和的基团和发生氧化、交联的结果。随着纤维表面的裂解、氧化和交联，纤维的许多性能也随之变化， 失重率越高，性能变化一般也越大。纤维的润湿性、亲水性、粘着性、 抗静电性以及染色性均会变化。

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