等离子体

等离子体技术对合成纤维表面改性的探讨

关键字：合成纤维;等离子体技术;表面改性;

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04％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50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。[1]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1．33322-1333．22Pa，工作电流500至几千伏的直流电或交流电，电流频率-60Hz，平均电子能量1～10eV，

电子温度(ek是电子动能)，电子密度[2]

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子体可改善合成纤维的润湿性、亲水性，CF4气体产生的等离子体在纤维表面产生强烈的氧化作用．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，高聚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等离子体的刻蚀作用

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50～50OA[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而对物系做的非体积功称为表面能。[4]若增大表面积dA。

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．纤维表面粗糙单位体积的物质所具有的表面积，即比表面AS增加，

式中．A代表体积为V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

能润湿。例如．在室温下聚酯的水

接触角是75．8°．等离子体处理纤维后．其表面能增加愈易润湿。若改变ó后，使铺展系数ψ>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]

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1kg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：b是吸附系数。

饱和吸附量r∞及每个吸附质分子的截面积Am与吸附剂的比表面Aw之间的定量关系为：

式中，L为阿伏加德罗常数；Aμ为比表面．即每kg吸附剂所具有的表面，单位为M2·kg-1因此，经等离子体处理后纤维表面50～500A深度改性，相应增加了纤维的比表面Aw，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，δ2可表示成

式中．δя2称极性力内聚能密度，是由偶极力和氢键产生的。δb2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δя2增加，导致δ2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

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

这些聚合物自由基可与反应器或空气中的O2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[2]

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—0H、—NH2．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。

[6]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]

研究证明，由等离子体处理产生的高聚物自由基．在约24h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。