常压等离子射流对纺织品表面改性的均匀性和渗透性研究

论文摘要

纺织工业是我国外贸顺差最大的行业,同时也是对环境污染最大、耗能和耗水最大的工业之一。据有关方面统计,纺织行业每年排放废水9亿多吨,其中印染废水还具有脱色困难、含有机物浓度高等特点。因此,纺织业的可持续发展,很大程度上取决于能否解决印染废水问题。要彻底解决这个问题,需要改进原有的纺织印染和后整理的工艺路线。等离子体处理是一种物理和化学方法相结合的气态处理技术,与传统的物理化学处理过程相比,具有低污染、低能耗、不耗水、不用化学试剂等优点。尤其是低温等离子体中高能量的电子及其它激发态或电离态的粒子仅在被处理物体表面几十纳米深度范围内引起物理和化学变化,而较低的气体温度使得材料内部的性质不发生变化,因此,低温等离子体表面处理可以用于高分子材料的表面改性。随着人们对纺织行业在生态和经济方面的日益限制,等离子体作为一种环保型的高分子材料表面改性技术,在纺织品预处理和后整理等方面的应用越来越受欢迎,已经呈现出其有效性和适用性,具有广阔的应用前景。过去大多数等离子体处理过程都是在低压下进行,这不仅需要昂贵的真空体系,而且由于要抽真空,不能实现在线处理,使得较低附加值的纺织品一类的产品成本过高,难以实现工业化处理。与之相比,国际上最近几年来正在积极开发的常压非平衡低温等离子体表面处理技术,与低压等离子体处理不同,常压等离子体可以直接加入现有的生产流水线,实现在线处理纺织品。对于纺织品一类的多孔材料,等离子处理效果不仅局限于基体表面几十纳米范围内,而且需要等离子中活性物种能够在保持活性的前提下通过材料中的孔隙穿透到材料的其它内表面进行处理。由于纺织品的特殊结构和加工过程的特殊性,常压等离子体在线处理纺织品中等离子体和纺织品之间的相互作用和在真空中的情况有所不同。在真空中,等离子体可以在两块极板中或在线圈中比较均匀地产生,充满整个容器的,所以一般而言,被处理物的所有表面都能直接接触到等离子体而被处理。而在常压下,情况有所不同,尤其是目前比较有希望在纺织品处理中应用的喷射式常压等离子体处理系统中,等离子体是在一个喷头中产生后向外喷射而形成的等离子射流,被处理材料只有一部分表面与等离子射流直接接触而得到处理,纤维集合体如纱线织物等纺织品的其它内表面的处理则取决于等离子射流中活性粒子通过孔隙与纺织品内表面相互作用的能力。基于上述重要问题的研究现状,为了确保等离子射流能够均匀地处理纺织品中纤维的所有表面,必须研究常压等离子射流穿透纺织品的能力和处理的均匀性及其与纺织品结构、处理条件之间的关系,并且需要发展新的理论来解释常压等离子射流中活性粒子、非活性粒子和被处理物之间的相互作用关系,以指导常压等离子射流处理纺织品一类的多孔材料。因此,本课题利用本实验室最近从国外引进的喷射式常压非平衡低温等离子体发生器,从单纤维到织物系统地研究常压等离子射流对纺织品表面改性的均匀性和渗透能力,利用纤维集合体经常压等离子体处理后吸湿性、染色性、粘结性等性能提高的特点,电子扫描显微镜、原子力显微镜、傅立叶变换红外光谱及X射线光电子能谱等表面形态和化学成分分析方法来探测纤维表面发生的物理和化学变化,通过测定静态和动态接触角、对水滴吸收时间以及芯吸高度等方法来确定表面吸湿性的改善;通过光学、荧光、激光共焦扫描显微镜观察染料在纤维横截面扩散和表观色深值K/S来表征染色性的改善;通过测定纤维与树脂之间的界面剪切强度来表征纤维粘接性的提高。本文首先研究了常压等离子射流处理对单纤维整个表面的改性效果是否均匀,具体方法是将尼龙6纤维经常压等离子射流处理不同时间后,测定处理前后纤维的吸湿性和染色性。使用DCA315动态接触角仪测定纤维的前进角和后退角,使用普通、荧光和激光共焦扫描三种显微镜观察染料在纤维横截面扩散情况。处理后纤维的前进角和后退角分别下降10～20°和20～30°,染料在纤维横截面扩散的深度加大且分布均匀,说明常压等离子射流处理对单纤维整个表面的改性效果是均匀的。扫描电子显微镜和X射线光电子能谱分析结果表明产压等离子射流处理使纤维表面粗糙以及在纤维表面引入极性基团,这都有助于纤维吸湿性和染色性的提高,而且随着处理时间的增加,常压等离子射流处理单纤维的均匀性增加。其次本文研究了常压等离子射流对无捻和有捻纱线中不同位置的纤维的处理效果。首先研究了常压等离子射流对无捻涤纶平行长丝束中处于不同位置的单丝的改性效果是否均匀,将处理后的长丝束截面看作圆形并分成六层,每层包括10根左右单丝,分别测定其静态接触角,结果表明处理后长丝束中处于不同位置的单丝的接触角无明显差异,但都小于原样的接触角,说明常压等离子射流处理平行长丝束时的处理效果能够渗透到每根单丝的表面。同时,本文还研究了常压等离子射流处理有捻纱线的渗透性,采用四种捻度不同的超高模量聚乙烯丝束为模型,测定处理前后纤维接触角以及与树脂的界面剪切强度。结果表明随捻度的增加,接触角增加,纤维和树脂间的界面剪切强度减小,且两者的离散程增加,说明捻度的增加减弱了常压等离子射流对纱线渗透能力。在研究了常压等离子射流对单纤维和纱线的处理特点以后,本文进一步研究了常压等离子射流处理织物的的渗透性及其渗透深度。首先采用羊毛机织物为模型,研究处理的工艺参数对等离子射流处理织物的渗透性的影响,通过改变输出功率、处理时间、喷头与织物间距离、气体温度以及织物移动速度来研究羊毛织物处理后正反面吸湿和染色性能的变化及其差异。实验结果表明常压等离子射流的处理效果以及在织物中的渗透性与处理时间、功率以及气体溫度成正比,与基体移动速度无关,当喷头与织物间距离小于1mm或大于6mm时,等离子的处理效果较差且几乎没有渗透,而当距离为2～3mm左右时,处理效果及其渗透性最佳。因此,为了使织物正反面获得最佳的处理效果且正反面性能差异小,应该选择合理的处理工艺参数,使常压等离子射流处理织物的渗透性达到最佳效果。等离子体对织物的渗透能力和织物的孔隙大小及分布有很大关系。为了研究织物孔径对常压等离子射流处理织物的渗透性的影响,选取厚度相同孔径及其分布不同的几块涤纶织物,将纤维平行且紧贴布面粘贴在织物的正反面,采用在上一个实验中摸索出的常压等离子射流渗透效果最佳的工艺参数处理试样后,测试未处理纤维和处理后织物正反面纤维的接触角的变化,从而得出常压等离子射流处理织物的渗透性与织物孔径的关系,当孔径大于200μm时,处理效果可以完全渗透,而当孔径小于10μm几乎无渗透。常压等离子射处理较厚重的织物甚至是几层织物时,需要了解等离子射流对不同孔径织物的渗透深度。我们将几层涤纶机织物粘贴在一起模拟一定厚度的织物,进行氦气/氧气常压等离子射流处理。通过测定织物对水滴吸收的时间和芯吸高度分别来评价每层织物正反面的亲水性,研究发现,在一定处理时间范围内,随着织物孔径的增加,常压等离子射流对织物表面改性的深度相应增加,结果表明等离子射流处理效果在孔径为200μm的涤纶机织物中能渗2mm左右。为了确定常压等离子射流处理时间和织物表面改性的渗透深度的关系,以氦气和氧气分别作为载气和反应气体,对四层涤纶机织物叠放在一起的试样处理不同的时间。每层织物的正反面对水滴吸收时间由200s下降至约0s,每层织物的芯吸高度随着处理时间增加而线性增加,而随着层数增加而线性关系下降,在得出处理时间和层数的关系的基础上,建立了常压等离子射流处理织物的渗透深度与处理时间的经验模型,预测出常压等离子射流处理效果在织物中的渗透深度最多达六层。本文的研究结果表明常压等离子射流处理效果能有效快速地穿透一定厚度的纺织品,掌握了如何有效地处理纺织品从而使其各个表面性能在一定处理条件下都能取得最佳的等离子体改性效果。常压等离子射流处理纺织材料的均匀性和渗透性与处理工艺参数以及纺织品的结构参数有关,前者有处理时间、功率、气体温度、喷头与织物间距离;后者为表征不同纺织品特征的结构参数,如纱线捻度、织物结构或孔径等。另外,本文探讨了常压等离子射流处理纺织品的渗透机理,建立了处理织物的渗透深度与时间的关系,以及在一定工艺条件下常压等离子射流最大渗透深度。这将会对常压等离子射流处理纺织品的工业化生产实践起到十分重要的指导意义。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 前言
• 参考文献
• 第二章 文献综述
• 2.1 基本概念
• 2.1.1 等离子体的定义
• 2.1.2 等离子体的产生
• 2.1.3 等离子体的分类
• 2.2 等离子体处理机理
• 2.2.1 表面清洁
• 2.2.2 等离子体刻蚀及再沉积
• 2.2.3 表面化学改性
• 2.2.4 等离子体聚合
• 2.3 等离子体处理后性能表征
• 2.3.1 表面形态分析
• 2.3.2 表面化学成分分析
• 2.3.3 吸湿性测定
• 2.3.4 染色性测定
• 2.3.5 界面粘结性能测试
• 2.3.6 薄膜性能测试
• 2.4 等离子体在纺织方面的应用
• 2.4.1 吸湿性
• 2.4.2 染色性
• 2.4.3 粘结性
• 2.4.4 羊毛防缩
• 2.4.5 退浆
• 2.5 本课题研究内容
• 参考文献
• 第三章 常压等离子射流处理的尼龙6纤维染料分布的显微镜表征:常压等离子射流处理纤维的均匀性
• 3.1 前言
• 3.2 实验
• 3.2.1 材料
• 3.2.2 等离子射流处理
• 3.2.3 吸湿性测试
• 3.2.4 纤维染色
• 3.2.5 显微镜观察
• 3.2.6 扫描电子显微镜观察
• 3.2.7 X射线光电子能谱测试
• 3.2.8 单纤维强度测试
• 3.2.9 统计分析
• 3.3 结果和讨论
• 3.3.1 表面形态分析
• 3.3.2 表面化学成分分析
• 3.3.3 吸湿性的提高
• 3.3.4 染色性的改善
• 3.3.5 单纤维强度分析
• 3.4 本章小结
• 参考文献
• 第四章 捻度对常压等离子射流处理丝束表面均匀性影响:常压等离子射流处理纱线的渗透性
• 4.1 前言
• 4.2 实验
• 4.2.1 材料
• 4.2.2 试样准备
• 4.2.3 等离子射流处理
• 4.2.4 吸湿性测定
• 4.2.5 粘结性能测试
• 4.2.6 扫描电子显微镜观察
• 4.2.7 X射线光电子能谱测试
• 4.2.8 统计分析
• 4.3 结果与讨论
• 4.3.1 表面形态分析
• 4.3.2 表面化学成分分析
• 4.3.3 涤纶长丝束的吸湿性
• 4.3.4 UHMPE长丝束的吸湿性
• 4.3.5 UHMPE长丝束的粘结性
• 4.4 本章小结
• 参考文献
• 第五章 常压等离子射流处理对羊毛机织物正反面的改性:工艺参数对常压等离子射流处理织物的渗透性的影响
• 5.1 前言
• 5.2 实验
• 5.2.1 材料
• 5.2.2 等离子射流处理
• 5.2.3 吸湿性测定
• 5.2.4 染色性测定
• 5.2.5 扫描电子显微镜观察
• 5.2.6 傅立叶变化红外光谱分析
• 5.3 结果与讨论
• 5.3.1 表面形态分析
• 5.3.2 表面化学成分分析
• 5.3.3 吸湿性和染色性的改善
• 5.4 本章小结
• 参考文献
• 第六章 织物孔径对常压等离子射流处理织物渗透性的影响
• 6.1 前言
• 6.2 实验
• 6.2.1 材料
• 6.2.2 试样准备
• 6.2.3 常压等离子射流处理
• 6.2.4 亲水性测试
• 6.2.5 原子力显微镜观察
• 6.2.6 X射线光电子能谱测试
• 6.2.7 单纤维强度测试
• 6.2.8 统计分析
• 6.3 结果与讨论
• 6.3.1 表面形态分析
• 6.3.2 表面化学分析
• 6.3.3 接触角分析
• 6.3.4 单纤维强度分析
• 6.4 本章小结
• 参考文献
• 第七章 常压等离子射流处理效果在不同孔径织物中的渗透深度
• 7.1 前言
• 7.2 实验
• 7.2.1 材料
• 7.2.2 等离子射流处理
• 7.2.3 吸湿性测试
• 7.2.4 原子力显微镜观察
• 7.2.5 X-射线光电子能谱测试
• 7.3 结果与讨论
• 7.3.1 织物表面形态分析
• 7.3.2 织物表面化学成分分析
• 7.3.3 吸湿性的改善
• 7.4 本章小结
• 参考文献
• 第八章 处理时间对常压等离子射流处理效果在织物中的渗透深度的影响
• 8.1 前言
• 8.2 实验
• 8.2.1 材料
• 8.2.2 等离子射流处理
• 8.2.3 吸湿性测定
• 8.2.4 扫描电子显微镜观察
• 8.2.5 X射线光电子能谱测试
• 8.3 结果和讨论
• 8.3.1 表面形态分析
• 8.3.2 表面化学成分分析
• 8.3.3 吸湿性的改善
• 8.4 本章小结
• 参考文献
• 第九章 结论与展望
• 9.1 结论
• 9.2 存在问题和研究展望
• 致谢
• 附录: 攻读博士学位期间发表的论文