中文--常壓等離子體處理對棉纖維表面性能的改善

1、<p><b>　　中文5190字</b></p><p><b>　　譯 文</b></p><p>　　原文題目： Improvements of Surface </p><p>　　Functionality of Cotton Fibers <

2、/p><p>　　by Atmospheric Plasma Treatment </p><p>　　譯文題目： 常壓等離子體處理 </p><p>　　對棉纖維表面性能的改善 </p><p>　　學(xué) 院： 紡織與材料學(xué)院

3、 </p><p>　　專業(yè)班級： 紡織工程 </p><p>　　學(xué)生姓名： </p><p>　　學(xué) 號： </p><p&

4、gt;　　常壓等離子體處理對棉纖維表面性能的改善</p><p>　　H.A.Karahan and E.Ozdogan</p><p>　　土耳其埃格大學(xué)紡織工程系，土耳其伊茲密爾，35100</p><p>　?。?007年7月18日收稿，2007年11月12日修訂，2007年11月27日接受）</p><p><b>　　摘要

5、：</b></p><p>　　本研究旨在探討原棉纖維表面的常壓等離子體處理工藝，以此作為替代濕紡織品前處理工藝的可行性方法。為此，我們對纖維樣本進(jìn)行了空氣等離子體處理和氬氣等離子處理實(shí)驗(yàn)。之后，經(jīng)過等離子處理后的樣本的吸水性和芯吸性能均有所增強(qiáng)，而且其接觸角顯著的減小。并且通過紅外光譜技術(shù)（FTIR-ATR）和X射線光電子能譜技術(shù)（XPS）分析其化學(xué)變化，利用掃描電子顯微鏡（SEM）觀察其形態(tài)學(xué)變化

6、。該實(shí)驗(yàn)結(jié)論可以用于評估表面改性法實(shí)現(xiàn)替代成功的程度。</p><p>　　關(guān)鍵詞：常壓等離子體，空氣等離子體，氬氣等離子體，表面改性，棉</p><p><b>　　引 言</b></p><p>　　棉纖維主要是由纖維素和一些非纖維素物質(zhì)構(gòu)成。這些非纖維物質(zhì)部分包括蠟狀物、果膠和一些蛋白質(zhì)，它們主要存在于棉纖維的表皮層和初生層，即棉纖 維

7、結(jié)構(gòu)的最外層。這些疏水性雜質(zhì)，特別是蠟狀物質(zhì)，影響上染率和后處理方案。為了去除棉纖維表面的這些雜質(zhì)，紡織工業(yè)上應(yīng)用了某些化學(xué)方法。這些傳統(tǒng)方法耗能高，且易產(chǎn)生環(huán)境污染【1】。基于這種考慮，許多可供選擇的環(huán)保方法被開發(fā)出來。等離子體處理法就是這些方法的其中之一。作為一種有效的方法，等 離子體處理法能夠改變棉織物的表面性能，而不改變其內(nèi)部的纖維構(gòu)成【2-4】。</p><p>　　當(dāng)一種氣體暴露在電磁場下，并

8、且在低氣壓狀態(tài)和接近環(huán)境溫度時，就會生成等離子體。等離子體的化學(xué)過程產(chǎn)生在非平衡條件下【5】。等離子體可以分為低壓等離子體和常壓等離子體，這兩種等離子體都能用于材料的表面改性。真空系統(tǒng)是一種消耗大量時間、空間、能源的工藝，而且材料的一些屬性，比如厚度和尺寸，在很大程度上取決于真空裝置的尺寸大小，另外，這項(xiàng)工藝不是連續(xù)進(jìn)行的。另一方面，常壓等離子體能在常壓條件下產(chǎn)生，并不需要具備連續(xù)且開放的織物流的真空系統(tǒng)設(shè)備【6】。等離子體處理的效率取

9、決于時間、壓強(qiáng)、功率和氣體。參與等離子反應(yīng)的物質(zhì)，如受激原子、自由基、亞穩(wěn)態(tài)粒子、電子、離子等，能夠和基底相互作用產(chǎn)生物理或者化學(xué)反應(yīng)【7】。</p><p>　　大量的實(shí)驗(yàn)已經(jīng)證明，通過運(yùn)用等離子技術(shù)能夠改進(jìn)紡織纖維和紡織品的透濕性、防水性及防污能力等【8-11】。此外， 通過等離子方法，傳統(tǒng)的染色、印花、后整理等工藝都得到進(jìn)一步的改善。然而，大多數(shù)的實(shí)驗(yàn)都是采用低壓等離子體工藝。在本實(shí)驗(yàn)中則研究了常壓空氣和氬

10、氣等離子體對棉織物性能的影響。</p><p>　　紡織品整理加工的濕潤過程中需要用大量的水，它要消耗巨大的能量，產(chǎn)生的廢水會對地下水造成污染，并且還會產(chǎn)生熱污染。因此，該研究的主要目的是論證常壓等離子處理方法的可行性，以便用于作為替代濕法預(yù)處理過程的另一種方法，以減少能量消耗和對水體的污染。</p><p><b>　　實(shí) 驗(yàn)</b></p><

11、p><b>　　實(shí)驗(yàn)材料</b></p><p>　　本試驗(yàn)選用100 %原棉纖維平紋織物，織物平方米重153 g/m2，經(jīng)密450根/10cm，緯密260根/10cm。</p><p><b>　　常壓等離子處理</b></p><p>　　在本實(shí)驗(yàn)中，應(yīng)用了介質(zhì)阻擋放電常壓等離子處理裝置【12】。把樣本放置在兩個

12、電極之間，并且電極之間的距離為0.2 cm。在所有處理過程中，以空氣和氬氣作為輔助氣體，功率分別為50瓦, 100瓦和130瓦，時間間隔分別為20秒，40秒和60秒。</p><p><b>　　實(shí)驗(yàn)方法描述</b></p><p>　　織物的親水性（吸收性）依據(jù)AATCC 79-1995標(biāo)準(zhǔn)來進(jìn)行測量。根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)，一滴水從固定高度落向繃緊的測試試樣表面。測量并記錄水滴

13、單向反射消失所需要的時間，把這個時間作為濕潤時間。</p><p>　　根據(jù)DIN 53924標(biāo)準(zhǔn)，用蒸餾水對樣本進(jìn)行垂直芯吸試驗(yàn)。將樣本剪成3×25 cm的小塊，并放入1cm深的水中。60分鐘后，測量芯吸高度。實(shí)驗(yàn)結(jié)果證明，垂直放置的樣品的芯吸長度是實(shí)驗(yàn)處理時間和實(shí)驗(yàn)功率的函數(shù)。</p><p>　　通過測角系統(tǒng)測量接觸角，該系統(tǒng)包括配量液體的微升注射器和光學(xué)系統(tǒng)結(jié)合的VHS錄

14、像機(jī)，以及用于數(shù)據(jù)分析的計(jì)算機(jī)。為了測量接觸角，在棉織物表面放置一個裝有0.1ml的去離子水滴的微升注射器，之后實(shí)驗(yàn)所用的計(jì)算機(jī)軟件系統(tǒng)會獲得圖像的照片。在軟件輔助下，水滴的位置在3秒后被手動捕捉，計(jì)算機(jī)程序計(jì)算出水、空氣和固體接觸面的兩個接觸角，并計(jì)算出算術(shù)平均值。</p><p>　　為了測量織物表面的動摩擦系數(shù)，本實(shí)驗(yàn)采用了Lima等人所描述的Frictorq摩擦儀器【13】。</p><

15、;p>　　利用Perkin Elmer 100紅外光譜分析儀測定棉纖維的紅外線（IR）光譜，用金剛石或者硒化鋅晶體產(chǎn)生衰減全反射。為了保證晶面和纖維之間的持續(xù)接觸，利用校準(zhǔn)扭矩改錐來對晶體座施加80kPa的壓強(qiáng)。每分析4cm的織物，就需要掃描15次。</p><p>　　X射線光電子能譜被用來監(jiān)控棉纖維表面最外面(5-10 nm)的變化。在本實(shí)驗(yàn)中，采用的測量深度是7nm。在10 kV and 200 W的

16、X光射線源透視下，通過生理相干與自主平衡光電子能譜系統(tǒng)（SPCS XPS system）， 分析棉纖維樣本。分析容器內(nèi)部壓強(qiáng)為10-8~10-9托。在48 eV瞬間能量下，進(jìn)行觀察掃描。峰位置的修正值與鍵能為284.5 eV的C-C鍵有關(guān)。</p><p>　　為了進(jìn)行表面觀測，使用掃描電子顯微鏡（SEM）觀察纖維表面的變化。該實(shí)驗(yàn)使用的掃描電子顯微鏡（SEM）是飛利浦XL-30S FEG。</p>

17、<p><b>　　結(jié)果與討論</b></p><p><b>　　吸水性</b></p><p>　　等離子體處理改善了棉纖維的親水性【14】。因此，常壓等離子體刻蝕處理破壞了纖維的疏水層部分，進(jìn)而增加了纖維的親水性。正如如表1所示，親水性的改善取決于處理時間，功率和等離子體類型。表1中顯示，氬氣等離子體比空氣等離子體效果更好。這可

18、能是由于稀有性氣體特定的刻蝕影響效果的原因【15】。</p><p>　　表1 親水性效果（秒/s）</p><p><b>　　表2 接觸角（°）</b></p><p>　　常壓等離子體處理導(dǎo)致纖維疏水層部分的分解，并在表面形成新的親水性組織，這就增加了纖維的表面能量值，并且使接觸角減小【14】。在應(yīng)用空氣等離子體時，在一定曝光時

19、間和額定功率下，隨著等離子體處理的增強(qiáng)，接觸角逐漸減小。另一方面，在50W、40s氬氣等離子體暴露條件下，足以使接觸角減少至0 º。在圖1中清晰的描述了這個問題，進(jìn)而也沒有必要進(jìn)行進(jìn)一步的實(shí)驗(yàn)處理。如表2所示，在相同的親水性處理?xiàng)l件下，氬氣等離子體處理比空氣等離子體處理效果更加明顯。</p><p>　　圖1. 接觸角效果圖</p><p><b>　?。╝）未處理纖維

20、</b></p><p>　　（b）在130W與60s下空氣等離子體處理的纖維</p><p>　?。╟）在130W與60s下氬氣等離子體處理的纖維</p><p>　　表3 芯吸高度（cm）</p><p>　　如表3所示的結(jié)果，等離子體處理增強(qiáng)了原棉纖維的芯吸能力【14】。芯吸高度隨著纖維親水性和接觸角值的增加而顯著增加，但是

21、從芯吸效果上能夠看出，兩種等離子體處理有明顯的不同之處。在表2和3中，130W、60s的等離子體處理結(jié)果中纖維有相同的親水性和接觸角值，但是氬氣等離子體處理的的芯吸高度更高。這很可能是由于氬氣的刻蝕效果所致。正如前面所闡述的，稀有氣體有更高的刻蝕趨勢。從掃描電子顯微鏡（SEM）圖像中看出，相對于空氣等離子體處理，氬氣等離子體處理能更好的改變纖維表面?？椢锉砻娴牧芽p導(dǎo)致毛細(xì)管壓力降低，進(jìn)而改善了纖維的芯吸效果【16】。</p>

22、<p>　　相對于親水性和接觸角測量，芯吸效果實(shí)驗(yàn)則給出了更廣泛的信息來說明織物表面改性的現(xiàn)象。這也顯示了處理的同質(zhì)性【17】。如果處理引發(fā)相同的結(jié)構(gòu)，則在纖維的任何部分，芯吸趨勢也是相同的。我們在更高的能量和更長的曝光時間下，觀察到了相同的芯吸效果。</p><p>　　紅外光譜/衰減全反射分析</p><p>　　紅外光譜衰減全反射分析是一個簡單易行的方法,它用于分析位于

23、棉纖維最外層的植物纖維素的蠟狀物和其他雜質(zhì)【18】。與纖維素的化學(xué)結(jié)構(gòu)有關(guān)的典型鍵為氫鍵，OH鍵伸縮振動為3550-3100∕cm，CH鍵伸縮振動為2900∕cm，CH鍵搖擺振動為1315∕cm【18-20】。所有處理和未處理的的纖維的紅外光譜衰減全反射都顯示出了這些鍵，但是在2943/cm、1737/cm處出現(xiàn)顯著峰值，其中2800-3000/cm下的CH伸縮振動與纖維上的蠟狀物的數(shù)量有關(guān)。蠟狀物是烴、醇、酯和烷基構(gòu)成的自由酸的混合體

24、【18】。如圖2（b）中所示，在2943/cm形成一個新的高峰，這個峰值是一組對稱的CH2（長鏈烷基），可能就是它導(dǎo)致了常壓等離子處理中的對蠟狀物質(zhì)的破壞。</p><p>　　在1735/cm附近的峰值能證明果膠物質(zhì)和脂類物質(zhì)的存在【21】。蠟狀物質(zhì)組成部分則位于棉纖維的初生壁上，和果膠物質(zhì)緊密相連，并且它在纖維表面具有最高的濃度【22】。從圖2中可以看出，在1737/cm數(shù)值下的氬氣等離子體的寬帶符合果膠物質(zhì)

25、，它位于蠟狀物質(zhì)的下層，并且經(jīng)過氬氣等離子體處理后，寬帶變得更加明顯。</p><p>　　圖2 在1871-1500 /cm（a）和3189-2800/ cm（b）下，未處理、空氣等離子體處理和氬氣等離子體處理的棉纖維的紅外光譜衰減全反射分析</p><p>　　圖3 未處理棉纖維的光電子能譜掃描</p><p>　　圖4 空氣等離子體處理的棉纖維的光電子能譜掃

26、描</p><p>　　圖5 氬氣等離子體處理的棉纖維的光電子能譜掃描</p><p>　　表4 未處理、空氣等離子體處理、氬氣等離子體處理的棉纖維的化學(xué)結(jié)構(gòu)</p><p>　　在1640/cm出現(xiàn)的峰值是因?yàn)楸焕w維吸收的水分【18】.在處理中棉纖維結(jié)構(gòu)中的水分子被蒸發(fā)掉，這就增加了棉纖維的透明度【23】。這一現(xiàn)象可以清晰的從光譜中看出來。</p>

27、<p><b>　　光電子能譜分析</b></p><p>　　由于等離子體產(chǎn)生的化學(xué)作用，生成的新功能群會在纖維表面生成物上產(chǎn)生各種變化。從圖3，4，5和表4中可以看出，隨著空氣等離子體處理，碳含量從81.9﹪顯著減少到75.6﹪，而隨著氬氣等離子體處理，碳含量從81.9﹪顯著減少到73.3﹪，這種減少極有可能是因?yàn)槌旱入x子體的侵蝕效果。</p><p&g

28、t;　　經(jīng)過空氣和氬氣等離子體處理的織物表面的氧含量峰值明顯比未處理的表面的高。隨著空氣等離子體的處理，氧含量從17.1﹪增加至24.4﹪，隨著氬氣等離子體的處理，氧含量從17.1﹪增加至26.7﹪。纖維樣本的氧/碳含量比例從0.208增加到0.322（經(jīng)空氣等離子體處理）和0.364（經(jīng)氬氣等離子體處理）。這種改變是因?yàn)樘?、氧環(huán)化學(xué)鍵產(chǎn)生斷裂，碳和配糖以及氧重新連接，纖維素鏈的無水葡萄糖環(huán)的斷裂的在C2、 C3間產(chǎn)生了C1和氧苷鍵、去

29、氫和脫羥基[24-27]。</p><p>　　氧含量增加提高了棉纖維的親水性和芯吸能力，也減少了接觸角，而且氬氣等離子體處理比空氣等離子體處理更有效。</p><p><b>　　掃描電子顯微鏡分析</b></p><p>　　為了觀察織物的物理變化，對其進(jìn)行了掃描電子顯微鏡的測定。常壓等離子體處理會產(chǎn)生輕微的裂縫和微小的凹槽，這可能是由于材

30、料被刻蝕所致。在圖6，7和8中分別顯示了未處理和處理過的棉纖維樣本的表面變化深度。</p><p>　　圖6 未處理的棉纖維樣本的掃描圖像</p><p>　　圖7. 在130 W和 60 s下的空氣等離子體處理的棉纖維樣本掃描圖像</p><p>　　圖8. 在130 W和 60 s下的氬氣等離子體處理的棉纖維樣本掃描圖像</p><p>

31、;　　表5 棉纖維表面摩擦系數(shù) (ūkin)</p><p>　　通過掃描電子顯微鏡對未處理的棉纖維表面進(jìn)行檢驗(yàn)，可以發(fā)現(xiàn)未處理的棉纖維有光滑的表面。等離子體處理后的棉纖維表面產(chǎn)生了微小的裂縫和凹槽，這些我們能從圖像上清晰的看出來。氬氣等離子處理比空氣等離子處理體效果更明顯。經(jīng)過氬氣等離子體處理的棉纖維表面產(chǎn)生了更多數(shù)量的凹槽，這是因?yàn)槎栊詺怏w所具有的刻蝕性【15】。這些圖像并不能說明表面摩擦系數(shù)有相同組合。在表

32、5中給出了棉纖維的表面摩擦系數(shù)值。我們從表中可以很容易的發(fā)現(xiàn)，經(jīng)過等離子體處理后，由于常壓等離子體所具有的的刻蝕效果，該值隨著持續(xù)時間和功率的增加而增強(qiáng)【28，29】。雖然表面摩擦系數(shù)的增加值并不是大幅度的提高，但結(jié)果是一致的，這足以證明等離子體的作用，因?yàn)樗軌蚋淖儾怀^1000 Å的纖維表面【2-4】。 </p><p><b>　　結(jié) 論</b></p>

33、<p>　　常壓等離子處理能在一定程度上改變棉纖維表面的性能。本研究的主要目的在于證明常壓等離子處理對原棉纖維的作用。經(jīng)過等離子處理后，樣本的親水性和芯吸能力增強(qiáng)，接觸角也明顯增加。正如紅外光譜衰減全反射分析和光電子能譜分析圖像所示，通過表面改性程度的提高達(dá)到了表面結(jié)構(gòu)改變的效果。摩擦系數(shù)和掃描電子顯微鏡的結(jié)果顯示，由于侵蝕作用，常壓等離子處理導(dǎo)致樣本表面結(jié)構(gòu)更變得加粗糙。換句話說，常壓等離子體處理不僅能夠使原棉纖維樣本產(chǎn)生化

34、學(xué)變化，也同樣能夠使樣本發(fā)生物理變化，并且，氬氣等離子體處理比空氣等離子體處理更加有效。</p><p>　　等離子體處理作為一種棉纖維預(yù)處理的有效方法具有顯而易見的優(yōu)勢，它所需的處理時間短、溫度要求低、不需要額外化學(xué)物質(zhì)、耗水量低、不會改變纖維內(nèi)部結(jié)構(gòu)等。</p><p>　　常壓等離子處理方法可以用于替代濕法預(yù)處理過程，它不一定能夠完全的替代，但是它可以在一定范圍內(nèi)替代常規(guī)處理方法，至

35、少可以用于增加色差。隨著其他有效處理方法的發(fā)展，有關(guān)這部分研究的規(guī)模的前景是良好的，因?yàn)閲?yán)峻的環(huán)境形勢迫切需要環(huán)保的紡織預(yù)處理工藝，盡管可能不是目前我們所研究的這種技術(shù)。</p><p>　　本研究的目的在于能夠找到一種能量消耗少、清潔、干燥的紡織整理加工工藝。但是請廣大讀者們注意，該實(shí)驗(yàn)?zāi)壳斑€只是停留在實(shí)驗(yàn)室研究規(guī)模。為了便于應(yīng)用于大規(guī)模生產(chǎn)，未來我們還需要不同的設(shè)備和研究方法。</p><