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低温等离子体在纺织染色中的应用 传统的染色以水为介质，染色时间长，染色温度高，损伤大。一般染色结束后,染色残液中染料未吸尽,或染色织物在后处理中洗下的浮色,都会造成严重的水污染。等离子体技术作为一种清洁、简便、快速、节能的干态加工方式,在天然和化学纤维改性中得到广泛的应用。 等离子体是指一种全部或部分被电离的气体,气态物质在热、电等能量的作用下产生不同程度的分子及电子的分离,形成带负电荷的电子和带正电荷的离子等,这种包含原子、分子、电子、离子、光子、各种亚稳态和激发态粒子的混合气体即为等离子体。等离子体大体上分为高温等离子体(平衡等离子体)和低温等离子体(非平衡等离子体)。当电子温度(Te)很高(104～105 K),气体温度(Tg)近于常温,Te远大于Tg,等离子体处于热的不平衡状态,称之为低温等离子体,纺织染整加工主要应用电晕放电和辉光放电产生的低温等离子体。 低温等离子体用于染色加工有以下途径:利用低温等离子体的高反应性,在纤维表面引入亲水基团(如—OH、—SO3H、—COOH)和对染料具有亲和性的基团(如—NH2);利用低温等离子体的高活性,在纤维表面生成自由基,从而引发单体在纤维表面接枝聚合,使纤维表面接枝上与染料具有亲和性的基团(如丙烯酸类单体);利用低温等离子体表面处理的刻蚀作用,使纺织品表面粗糙化,减少对光的表面反射,增加对染料的吸收,提高染色织物的表观深度和染色浓度。 1 丝绸的等级化 1.1 薄膜的表面张力 等离子体处理以后的涤纶纤维润湿性大大改善,特别是用氦气/氩气等离子体处理后,水渗透时间大为缩短(见表1)。这是由于纤维表面形成了较多的极性基团,提高了纤维的表面能,所以被水润湿,经不同气体等离子体处理后涤纶薄膜的表面张力见表2。 从表2可知,经等离子体处理后涤纶薄膜的总表面张力有的增大,有的降低,随处理气体不同而异。这说明等离子体处理不仅会发生刻蚀,而且处理的气体参加了化学改性。大部分气体使涤纶薄膜表面张力增加,说明表面极性基团增多,而CF4和CClF3处理后的表面张力降低。分析表明,这种氟碳气体等离子体处理后,涤纶薄膜或纤维表面含有氟原子,具有拒水和拒油的特性,和全氟烃整理剂整理的效果类似,显然表面张力与表面形成氟烃结构有关。从表2还可看出,表面张力增加量最大的是O2、N2等离子体,这是因为它们使表面形成的极性基团最多。分析表面张力可知,表面张力的增加是氢键力增加的缘故,相对应的是非极性的分散力减小,这也和极性基团增多相一致。一般说,偶极力的表面张力变化不大。 1.2 提高耐纺织性和颜色深度 1.2.1 表面织构及表面粗糙度 由表3可知,涤纶经等离子体处理后,半染时间有所缩短,扩散系数有所增大,最大上染量有所增加,但变化不大,这也是由于作用仅发生在纤维表面。另外,处理效果随处理功率和时间的增加而增大。相对来讲,100℃的染色效果比130℃低,不过100℃时的上染速度仍然较低,最大上染量也不错。 涤纶经等离子体处理后染色性能发生变化的原因:(1)涤纶是疏水性纤维,不含强亲水基团;(2)纤维结构紧密,染色较困难。用等离子体处理后,纤维表面分子链受到等离子体活性粒子的轰击后,会发生氧化、裂解等,形成一定数量的极性基团(包括羧基离子基团),可以改善纤维的润湿性能。一些极性基团还可以增强对染料极性基团的结合,因而可改善染料对纤维的上染,若形成羧基还可以结合碱性染料。但是,极性基特别是离子基的存在又会降低分散染料的上染量。所以,不同的等离子体处理对染色性能的影响是不同的。另外,等离子体对涤纶还会发生刻蚀作用,在纤维表面形成许多微小的坑斑,增大纤维表面积,减少对光的反射,表面积增大会加快对染料的吸附速度,对光的反射减少,有增深作用。但是,这种作用是有限的,一方面是由于等离子体作用仅局限于纤维表面,不能深入纤维内部,其次是表面粗糙化的增深作用也是有限的,再次是纤维经等离子体处理后,如果极性基团过多,反而会降低对分散染料的结合,特别是形成亲水性的离子基团后,对非离子性的分散染料的结合会大大降低(亲和力降低),上染量减少,颜色反而变浅。这就是处理时间过长颜色变浅的原因。 1.2.2 等离子体处理增深织物的工艺改进 近年来,对染色涤纶织物用等离子体处理也进行了大量的研究。由于涤纶的折射率大,对光的反射力强,其显色性较差,不易染成深色,特别是乌黑的颜色。近年来开发的超细纤维,由于线密度小,对光的反射力更强,染成和常规纤维一样深的颜色所需染料量需要数倍之多,因此,改善它们的染色性和染深性是当务之急。采用等离子体处理,使涤纶表面粗糙化,降低对光的反射来达到颜色增深的目的,已取得一定的效果。 一般有两种途径改善颜色深度,对未染色纤维的处理主要通过改善润湿性来提高染色性,上染量多,颜色加深,虽然纤维表面也会形成微坑,有一定的增深作