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等离子体处理对丙纶纤维表面接触角的影响

content

目录

01

引言与背景

02

实验设计与方法

03

结果与分析

04

表面形貌与接触角关系

05

结论与展望

引言与背景

01

丙纶纤维特性与应用挑战

独特性能

丙纶纤维以其低密度、高强度、耐酸碱和舒适性，在运动与产业纺织品中广泛应用。

润湿性难题

然而，丙纶纤维吸湿性极差，回潮率几乎为零，限制了其在服装面料的应用。

染色与应用局限

不良润湿性导致染色困难，阻碍了丙纶纤维在高端服装领域的拓展。

改进需求

提升丙纶纤维的润湿性能，对于拓宽其应用领域具有重要价值和现实意义。

等离子体处理技术优势

环保处理方式

等离子体处理无需化学试剂，减少环境污染，符合绿色制造趋势。

表面改性精准

精确控制处理深度，仅影响材料表面，保持本体性质不变。

提升润湿性能

有效改善丙纶纤维润湿性，拓宽其应用领域，如服装面料。

工艺简单高效

操作简便，处理时间短，适用于大规模工业生产。

实验设计与方法

02

材料与样品制备

01

丙纶纤维制备

采用ESL实验室纺丝设备，选用HF445JB型号丙纶切片，经精确控制的纺丝条件（牵伸比50%，喷丝孔尺寸0.08mm，温度梯度215-230℃），制备出无上油的丙纶纤维样品。

02

等离子体处理准备

选用HD-IA型等离子体处理机，针对丙纶纤维的低熔点特性，设定处理功率为30W，处理气体为氧气和氩气，处理时间分别设置为30s和60s，以评估不同条件下的表面改性效果。

03

测试前样品状态

确保所有待处理的丙纶纤维样品在测试前均处于干燥状态，无任何表面污染物，以保证实验结果的准确性。

等离子体处理参数

处理气体选择

采用氧气和氩气作为处理气体，氧气用于引入亲水性基团，氩气用于物理刻蚀。

功率控制

鉴于丙纶纤维熔点较低，实验中严格控制等离子体处理功率为30W，避免损伤纤维结构。

处理时间

实验设置处理时间为30秒和60秒，以评估不同处理时间对纤维表面接触角的影响。

气流压强

等离子体处理过程中，气流压强设定为15Pa，确保处理条件的一致性和可比性。

测试与分析手段

原子力显微镜扫描

采用接触模式，扫描范围5.0μm，揭示纤维表面微观结构变化。

Wilhelmy原理应用

动态测量纤维表面接触角，精确评估润湿性能改进。

接触角测量仪

使用CDCA-100F表面动态接触角测量仪，记录力F变化，间接测定接触角。

数据分析流程

对比不同处理条件下的接触角数据，分析表面形貌与润湿性的关系。

结果与分析

03

表面形貌变化观察

原始纤维表面特征

未经处理的丙纶纤维表面看似光滑，但在原子力显微镜下，可见明显的纹路与细微凹凸，揭示了接触角滞后的微观原因。

氧气处理效果

氧气等离子体处理不仅刻蚀纤维表面，还引入亲水性基团，纤维表面形态呈现双重变化，显著降低了接触角。

氩气处理对比

氩气处理更侧重于表面刻蚀，随时间延长，刻蚀现象愈发明显，对纤维表面形貌产生显著影响。

动态接触角测量结果

01

接触角显著降低

经等离子体处理后，丙纶纤维的前进接触角与后退接触角均明显减小，尤其是处理60秒后，后退角接近20°，显示润湿性显著提升。

02

氧气处理更有效

对比氧气与氩气处理，氧气处理不仅刻蚀纤维表面，还引入亲水性基团，导致接触角进一步降低，60秒处理后，前进角降至43.8°。

03

接触角滞后性变化

处理后，接触角滞后性（前进角与后退角之差）增加，氩气处理尤为明显，30秒处理后增至17.9°，60秒达32.4°，反映表面粗糙度对后退角影响更大。

表面形貌与接触角关系

04

粗糙度对接触角滞后的影响

粗糙度影响机制

纤维表面的微观粗糙度是造成接触角滞后现象的关键因素，尤其是对后退角的影响更为显著。

氩气处理效果

氩气等离子体处理60秒后，丙纶纤维的后退角显著下降，从80.2°降至22.2°，证实了粗糙度对后退角的直接影响。

氧气处理对比

相比之下，氧气处理对前进角的影响更明显，处理60秒后，前进角从91.0°降至43.8°，表明前进角与纤维表面成分的不均有关。

接触角滞后性分析

未经处理的丙纶纤维存在明显的接触角滞后性（θa-θr=10.8°），等离子体处理后，这一滞后性因表面粗糙度的增加而有所增强。

前进角与纤维组分关联

纤维组分不匀影响

等离子体处理后，丙纶纤维表面组分的不均匀分布显著影响前进接触角，揭示了纤维表面化学性质对润湿行为的关键作用。

氧气处理效果

使用氧气等离子体处理，纤维前进角大幅降低，从91.0°降至43.8°，证实了表面化学改性对改善润湿性的显著效果。

组分与接触角关系

纤维表面的化学组分直接影响前进角大小，说明等离子体处理通过引入亲水性基团，有效降低了前进接触角。

微观结构分析

原子力显微镜观察显示，处理后纤维表面形态的变化与前进角的减少密切相关，进一步证明了表面组分对