ag国际威尼斯-bet9九州手机版-登录

技术资料
纺织材料等离子体拒水改性的研究现状与展望
ag国际威尼斯-bet9九州手机版-登录
2011/10/10
浏览数:805 (从2018年5月开始统计)

         熊秋元

      (常州纺织服装职业技术学院,常州市新型纺织材料重点实验室,江苏常州213164)
    摘 要:探讨了基于等离子体处理技术的纺织材料拒水改性的研究现状及发展趋势。阐述了纺织材料等离子拒水改性的常用方法,指出国内外研究大多集中 在利用氟系饱和或不饱和的化合物对织物进行拒水改性。其发展总趋势是:利用等离子体对纺织材料拒水改性的产业化、工业化;常压等离子体处理技术的发展;等 离子体处理技术和常规加工技术的结合;利用等离子体对纺织材料改性,赋予其多种性能。
    关键词:等离子;拒水改性;现状;展望
    中图分类号:TS195·5        文献标识码:A文章编号:1673-0356(2011)03-0029-04
    等离子体技术作为一种新型的纤维改性和织物整理方法,以其低能耗、污染小、处理时间短、效果明显的特点引起了人们的关注。等离子体处理过程不使用 大量的化学物质和水,是一个干燥且环保的处理过程。低温等离子体是一种部分被电离的气体,其中电子的温度远比其他粒子的温度要高。这些高能电子和其他低能 量的粒子能够在纺织材料表面引发反应,使材料获得需要的表面特性而不会影响材料的主体性能,仅涉及到表面几纳米范围[1]。大多数纺织材料属于热敏感型的 纺织材料,所以低温等离子体非常适于处理纺织品,能赋予纺织品多种处理效果:如提高染色和显色性能以改善织物视觉风格;改变纤维摩擦性,提高可纺性能与成 纱强度或织物力学性能;防缩处理可使织物机可洗;防皱及抗弯曲性处理改善织物的保形性和手感风格;亲水性或拒水性整理提高染色性能、抗静电和舒适性或防 水、防污功能;改变表面性能和粘结性,提高复合材料或非织造布的强力;涂层覆膜、表面接枝、沉降聚合、减量刻蚀或注入改性等;以及纱线、织物的上浆、退浆 和麻类、丝类的脱胶、棉类的脱蜡等方面,几乎可以涵盖纺织品表面处理的所有方面[2]。
    20世纪80年代纤维与织物的等离子体拒水改性研究开始展开,前期以低压等离子体处理纺织品为主,研究热点主要集中于利用氟系、硅系化合物等离子 体改性。最近几年,利用常压等离子体对纺织材料改性的研究开始蓬勃发展。本文主要阐述了近年国内外利用等离子体技术对纺织材料拒水改性的研究进展。
    1·纺织材料的等离子体拒水改性方法
    纺织品拒水整理是指通过物理的或者化学的方法,使拒水性物质沉积或者接枝到纤维材料表面,使织物不宜润湿油和水,所用的整理剂称为拒水剂或者拒油 剂。纺织材料的等离子体处理拒水拒油改性大多数是通过沉积或接枝共聚的方法把拒水性基团引入到材料表面达到拒水目的。一般有三种途径[3],其中最直接的 方式是在非聚合性气体中对织物进行等离子处理,将拒水性基团,如含氟基团,接枝到纺织材料分子结构上或和其原子进行置换。另一种方法是将纺织材料浸渍到含 有拒水性的预聚物和引发剂的溶液中,然后再用等离子处理在材料表面生成自由基,引发预聚物接枝到材料表面上。最具潜能的方法是将材料置于等离子发生设备 中,直接将拒水性有机物沉积到材料表面上。这种沉积作用可以在两种情况下发生,一是在等离子体处于激发状态下的沉积聚合,又称为等离子体聚合;另一种方法 是两步法:首先使用惰性气体(氦气、氩气)等离子体处理纺织材料,使材料表面产生自由基,然后用不饱和单体和这些自由基发生反应接枝到材料大分子上,这又 称为等离子接枝。
    2·国内纺织品等离子拒水改性的研究现状
    2004年以来,天津工业大学、东华大学、浙江理工大学先后发表了相关的研究论文。其中,主要集中在东华大学化学与化工学院的沈丽、戴瑾瑾等,浙 江理工大学的刘金强、徐秀娟等人,研究大多集中在利用氟系饱和或不饱和的化合物对织物进行拒水改性。2009年,东华大学高志强利用He/CF4常压射流 等离子体处理PA6膜,其他未见有关利用常压等离子体对纺织材料进行拒水改性的报道。
    2005年,东华大学沈丽等利用GPT-3型等丽子处理仪,以六氟丙烯C3F6为气氛对蚕丝织物进行低压辉光放电,将F-O,F-C结构引入到纤 维结构上,最大接触角可达138°,拒水效果优良[4]。次年,沈丽等又采用C3F6对棉织物进行等离子体拒水改性,接触角测量显示最大可达136°,且 耐久性优良,存放150天后拒水性能没有大的改变[5]。沈丽等人还报道了利用全氟庚烷对棉织物进行改性,改性后对水接触角可达150°以上,对油接触角 可达120°以上,水洗后拒水性能略有下降,存放45天后没有明显变化[6]。
    2005年,浙江理工大学徐秀娟等人利用HD-1A冷等离子体设备对蚕丝进行O2等离子处理,探索了先等离子处理,再浸轧的拒水整理工艺,此工艺 和常规工艺比较,虽然拒水性能没有明显提高,但是拒水耐久性却大幅提高[7]。2006年,浙江理工大学刘今强等利用电容式耦合辉光放电低温等离子体,以 CF4为气氛对蚕丝织物进行了表面改性,整理后其拒水接触角可达145°,优于商用氟系拒水拒油整理剂的化学整理效果(含氟整理剂TG-410,其主要成 分为氟化乙丙烯聚合物),并且处理后蚕丝织物的热稳定性有所提高[8]。
    2009年,东华大学高志强等人[9]报道了利用He/CF4常压射流等离子体处理PA6膜,引入了CF、CF2、CF3等含氟基团,明显改善了 PA6膜的拒水性能,并且发现随着处理时间延长,接触角先变小然后变大,30s时接触角最小,这可能是因为在含氟基团接枝到膜表面以前,由等离子体的刻蚀 或氧化作用对纤维表面的清洗作用而导致的。
    3·国外相关研究进展
    国外对纺织材料的等离子体拒水改性研究比较活跃,其中以美国、台湾、韩国、瑞士等国家学者的研究相对更多。他们大多采用氟系化合物,较少的采用硅 系化合物对纺织材料进行拒水改性。从20世纪80年代开始,美国Yu Iriyama等人开始利用低压等离子技术进行纤维材料的拒水改性研究。到21世纪 近几年,利用常压等离子技术对纺织品进行拒水改性获得了快速发展,但是还处于实验室阶段。
    3·1 利用氟系化合物
    由于氟系化合物分子间相互作用力较弱,表面张力非常低,因而氟化的聚合物也表现出很低的表面张力,使这些聚合物难以被水或有机液体润湿。这些氟化 聚合物的表面粘附性很差,具有很低的摩擦系数,表面拒水的。因此,氟派生物,如单体、低聚物、聚合物等被广泛地作为纺织品、纸张、皮革、木材等的涂覆材 料,得以获得拒水的表面性能。基于这种目的,氟烷化合物,特别是全氟烷基(甲基)丙烯酸甲酯,或者他们的同系物或者共聚物,都是非常有效的拒水剂 [10]。
    1988年美国人Yu Iriyama利用碳氟化合物低温等离子体对锦纶6纤维进行处理[11]。处理后的试样在洗衣机里面连续洗涤30 min 并且室温干燥。结果发现,所有用饱和碳氟化合物低温等离子处理的试样,不管碳氟化合物分子结构尺寸如何,接触角都为130°。经过洗衣机洗涤30 min 后接触角缩减为125°。YuIriyama特别指出,只用静态接触角对其拒水性能进行评价是不完善的,相比之下,水滴滑落角在区分所用的这几种碳氟化合 物拒水性能时更为充分。还有一个重要的发现是用CF4和C2F4低温等离子处理,水洗后其拒水性能几乎消失,而C3F8、C4F10、C6F14保留了大 部分的拒水效果。
    1994-1995年,一些编辑研究了通过等离子拒水性涂覆渗透和纺织材料结构的关系。Krentsel E等人研究了CF4、C2F4的辉光放 电和低温射流等离子体对涤纶非织造布涂覆的渗透效果。研究表明,化学活性粒子和材料表面的相互作用不仅发生在非织造布表面和等离子直接接触的地方,氟化程 度最高的地方是表层之下的第二层[12]。文献[13]认为,等离子处理聚合物表面包括至少以下3个方面的机理:(1)处于低温等离子状态的反应性粒子和 纤维表面的直接相互作用(视线辐射效应)。(2)等离子诱发的反应性粒子和纤维表面的化学反应(不聚合)。(3)活性粒子相互之间或和纤维表面的反应(等 离子聚合)。(1)、(3)应被认为仅仅局限在和辉光直接接触的表面。(2)被认为是不仅仅局限在和辉光直接接触的表面,而是通过扩散可以渗透到等离子区 域之外。Yasuda等人对纤维集合体(其中仅最上层纤维可以和辉光直接接触)研究了等离子体导致的化学变化的渗透。结果表明,氟化效应渗透到纤维集合体 内部相当的深度,渗透深度主要取决于纤维之间的孔隙。此时,等离子诱导的具有反应活性的但是不会聚合的粒子和基体纤维之间的化学反应似乎占主导地位。具有 能量的粒子,包括离子、电子、被电子激发物质和聚合物表面之间的相互作用(刻蚀)是次要的,在这种情况下主要的作用是产生了具有化学反应活性的粒子。 
    2002年,美国人Mukhopadhyay等人[14]使用射频等离子体对高孔隙率材料进行了表面改性,连续波等离子发生器具有一对平行电极 板,结果发现,CF2和CF3是引起滤纸产生拒水性的主要原因。当氟原子的平均表面含量在15%时,表面就具有明显的拒水性。这表明,非常薄的沉积厚度 (平均厚度小于1~2 nm)就会产生明显的拒水效果。此外的继续沉积只会增加涂层的厚度,对接触角的改变没有效果。
    2004年,泰国的P Chaivan等人[15]利用低压SF6提高蚕丝纤维的拒水性能,经过3 min处理后其接触角从70°增加到 130°~140°。由光学发射光谱技术测得的SF6等离子光谱知氟元素两条最高的密度线在685·6 nm和703·75 nm处,主要有两种方式激发 氟离子。可以认为主要是氟元素的引入导致了丝纤维拒水性能的获得。
    2008年,台湾Shih Hsien Yang等利用脉冲射频全氟苯(C6F6)低压等离子体将碳氟化合物薄膜沉积到硅片和棉织物上[16], 研究了频宽比(duty-cycle)对沉积膜表面形态和拒水性能的影响。结果发现,当DC越小,其表面拒水性能越强,F/C比越接近于C6F6中的F /C原子比,并且,基质上沉积粒子的粒径越小,数量越多,表面越粗糙。这是因为,DC越小,被裂解的C6F6单体越小,被裂解的粒子有充足的时间发生相互 作用又重新聚合成了C6F6。这是控制等离子体表面沉积形态和成分的一种重要方法。
    2006年,日本人Nagai M等人[17]利用常压等离子体将粒径在50~100 nm的球形碳氟化合物粒子沉积到基体上,并且特别指出了温 度是影响沉积的重要因素。2003年,美国Cruz-Barba等[18]利用常压SiF6冷等离子体在纤维素纸表面沉积氟化涂层,研究发现处理 5 min就可达到表面58%的氟原子沉积浓度,并且CF2是沉积层的主要成分。AFM和SEM表明,SiF6等离子有选择地和纤维素无定形区和结晶区进 行了反应,接触角实验表明其接触角急剧增大至120°。2009年,罗马尼亚人Topala I[19]利用常压介质阻挡放电He/苯乙烯等离子体在不同 的基体上进行聚合,得到了与商业用聚苯乙烯性能基本一致的等离子聚合苯乙烯,其水接触角测试高达130°,折射系数1·5。
    3·2 利用硅系化合物
    近年来,利用常压等离子体使用含硅化合物对聚合物表面进行沉积改性主要是利用六甲基硅氮烷(HMDSN)、六甲基硅氧烷(HMDSO)、含氢硅油 (HSF)、四乙氧基硅烷(TEOS)等含硅化合物,韩国、台湾的研究相对较多,如台湾国立中央大学化学工程与材料工程学系陈晖课题组 Yang shih-Hsien等人,韩国韩国高技术工程学院的Young Yeon Ji等人。
    在常规的纺织材料拒水拒油整理中,硅类拒水剂因其只拒水不拒油、拒水效果差、适用条件差等逐渐受到市场冷落,但是其优势在于价格低,手感特别柔软 舒适。大多数工厂在浸渍后烘燥交联时,因设备、技术等的限制,不能使各交联点(亲水性的-Si-OH基团)全部交联生产无亲水性的醚键(-Si-O- Si-)[20]。而利用等离子可以做到无热处理,在技术凸显优势。
    2009年,台湾国立中央大学Shih-Hsien Yang等人[21]利用自组装的常压射频等离子沉积系统,分别以六甲基硅氮烷 (HMDSN)和氩气作为前体气体和离子化气体,在硅膜(20 mm×20 mm)上沉积SiOx膜,研究其化学性质变化和形态变化。单体气化后用 O2(流速100~300标准ml/min)进行混合,通入等离子处理设备。通过研究,主要得出以下结论:在0~100标准ml/min范围内,随着氧气 的流速增大,有更高的沉淀率。当喷嘴到基体距离从20 mm到10 mm逐渐变小时,SiOx膜表面逐渐变得粗糙,拒水接触角逐渐变大,带有CH3基团的 表面粗糙的SiOx膜接触角超过150°(滑动角低于5°)。他们还发现,基体温度越低,处于室温时有更高的沉积率。
    2008年,韩国高技术工程学院的Young Yeon Ji等人研究了利用Ar/六甲基硅氧烷常压射频低温等离子体处理涤纶纤维,提高其拒水性 能[22]。研究结果表明,涤纶纤维试样被来回处理20次后拒水级别达到90(AATCC标准),拒水性能优良。傅里叶红外光谱和电镜显示,拒水性能的提 高是由于Si-O-Si, Si-(CH3)2和Si-C基团的植入。
    4·纺织材料等离子体拒水改性的研究展望
    利用等离子体对纺织材料拒水改性的研究总趋势一是该改性方法的产业化、工业化,纺织材料的等离子体拒水改性研究,目前大多集中于实验室阶段,开发 工业化加工设备,达到工业化生产,是努力地方向之一;二是常压等离子体处理技术的发展;三是等离子体处理技术和常规加工技术的结合;四是利用等离子体对纺 织材料进行改性,赋予其多种性能,如拒水拒油、抗菌、阻燃等。
    参考文献:略

欢迎投稿
CTA中国纺织助剂月刊杂志投稿声明:
        (1)投稿文章一经采用,支付编辑稿酬200元/篇(如优势产品应用、经验类总结文章等);
        (2)本刊投稿邮箱为
                 ctanet@163.com(企业)
                 350652029@qq.com(个人)
        (3)月刊杂志十余年投稿文章集结在网站和微信“专家投稿”栏目,感谢关注!

品牌推广咨询 020-84869930
请关注微信/视频号CTA666 抖音号CTA2007
浏览书橱,可翻阅电子杂志及产品资料!
  索 阅           投 稿           书 橱        更多杂志    

索阅免费杂志、原料/助剂/牛仔洗水/设备/行业会议/检测产品等资料

ag国际威尼斯|bet9九州手机版

XML 地图 | Sitemap 地图