常壓等離子體射流改善羊毛織物服用性能的研究

李淑芳，卞克玉，董 昱

(1.常州市新型紡織材料重點實驗室, 江蘇 常州 213164； 2.常州紡織服裝職業技術學院, 江蘇 常州 213164)

目前低溫等離子體已被廣泛應用在材料表面改性的研究上，它對材料表面的改性不使用水和溶劑，不會產生大量的廢水、廢物，具有快速、高效、節能、清潔等優勢。與放射性處理、電子束等其他工藝相比，等離子體處理[1-3]僅涉及材料表面的極薄層，即離材料表面幾十到數百納米的范圍，能使界面性質顯著改善而不影響材料的主體性質。

在使用等離子體處理紡織材料時，會造成織物表層物理、化學及表面外貌的變化。如使用等離子體技術能夠提高羊毛的表面摩擦因數，從而提高纖維的抱合力和可紡性能；使用等離子體體處理滌綸樹脂PET、聚乙烯PP無紡布時，能顯著提高織物的吸濕性和抗靜電性[4-5]。常壓等離子體射流(APPJ)是一種利用噴頭噴射出的等離子氣體與材料表面直接接觸的工藝，具有快速、連續、占地面積小的特性。本文使用APPJ對羊毛織物進行等離子體處理，探討了處理前后羊毛織物的吸濕性、力學性能、厚度及透氣性。

1 實驗部分

1.1 材 料

織物為未染色的1/1平紋精紡毛織物，經緯紗線密度均為15.6 tex×2，經向密度210根/(10 cm)，緯向密度180根/(10 cm)，面密度125 g/cm2。

1.2 APPJ處理

首先將織物沿經向剪成40 cm×20 cm的長條，然后用丙酮清洗30 min去除表面的雜質，最后在60 ℃的烘箱中干燥90 min。實驗時，首先讓氣體流(氮氣)進入等離子體發生器轉變成等離子體；接著織物在移動羅拉的帶動下以一定的速度沿帶孔靜置圓筒運動；最后織物在等離子體發射器的噴頭處進行表面處理，APPJ等離子體處理裝置見圖1。實驗測試織物的3種運行速度：1、3和6 m/min。

圖1 APPJ 等離子體處理裝置

1.3 吸濕性測試

選用自制的基于圖像處理的織物導濕性能測試儀[6]測定處理前后水滴在織物上的擴散時間，該儀器包括測試平臺與計算機2部分。其中測試平臺包括加液裝置和攝像頭，計算機包括自主研發的軟件系統與EXCEL文件。導濕測試時，通過攝像頭采集液滴的潤濕圖像，運用圖像處理技術，快速測量出液滴在織物上的擴散時間，并自動輸出結果。

1.4 斷裂強力和斷裂伸長率測試

采用HD026H電子織物強力儀(南通宏大實驗儀器有限公司)，測試時把試樣的一端先放在上夾鉗中，輕輕夾住，再將另一端放在下夾鉗內，并在試樣下端懸掛一定的預加張力重錘，然后稍松開上夾鉗，使試樣借重錘的重力伸直，再夾緊上下夾鉗，取下重錘開動機器，使下夾鉗按一定速度向下牽引，至試樣斷裂即可得到斷裂強力和斷裂伸長率。

1.5 透氣性測試

采用YG461 N型織物透氣儀(南通宏大實驗儀器有限公司)進行測試，試樣安裝完畢后，調節壓力使試樣兩側形成一個恒定的壓差，測定一定時間內垂直通過試樣給定面積的氣流流量。

1.6 掃描電子顯微鏡(SEM)

為了較清晰地觀察處理前后羊毛纖維的變化，使用JSM-840型掃描電鏡觀察纖維的微觀形貌(放大倍數為15 000倍)。測試時先安裝試樣，然后調節電壓，接著調節放大倍數，最后找點、掃描。

2 結果與討論

2.1 吸濕性能

經APPJ處理后，織物的吸濕性[7-9]顯著增強，水滴在未處理織物上的擴散時間大于1 h，而處理后能達到5 s，織物吸濕性能測試結果見表1。原因可能是：處理前羊毛纖維表面的鱗片皮層富含共價鍵合類脂物質，次外層含有胱氨酸，使得未經處理的織物表現出其特有的疏水性能，而經等離子體處理后，通過部分或完全去除這種脂質屏障，鱗片層被侵蝕、剝落甚至移除。由于毛細管的存在，水滴可以很容易地滲透到織物中，織物表現出明顯的親水性。除此之外，更重要的是反應中還引入了極性的含氮基團，提高了織物的吸濕性能。另外，實驗中對比3種不同的織物運行速度時發現，織物運行速度越低，即與等離子體的接觸時間越長，對吸濕性能的改善越大。當織物的運行速度在1 m/min時，水滴的擴散時間不到10 s，說明進一步降低處理速度可以獲得更有效的結果。

表1 處理前后織物的吸濕性能

2.2 拉伸強力

等離子體處理對織物經緯向斷裂強力和伸長率均有一定的影響，運行速度對織物斷裂強力和伸長率的影響見表2。

表2 不同運行速度下的拉伸強力

特別是經向強力、斷裂強力增加顯著，織物運行的速度越慢，斷裂強力、斷裂伸長率的增加越明顯。原因可能是：處理前由于油脂層的存在，纖維間的摩擦力較小，導致纖維間的抱合力較低。經等離子體處理后通過去除這一外層，纖維間的摩擦加大、抱合力增加，并導致滑脫現象減少，同時纖維的主體結構并未受到破壞，進而使織物的斷裂強力增加。

2.3 厚 度

等離子體處理后發現織物的運行速度越慢，即織物與等離子體體接觸的時間越長，織物的厚度增加明顯。未處理時織物的厚度為295 μm，處理后織物厚度均增加。當降低織物的運行速度時，這一效應被放大，特別是當織物的運行速度為1 m/min時，厚度增加5%達近310 μm。 織物厚度增加的主要原因可能是：①等離子體電場中產生的靜電電荷，使纖維及紗線結構在織物中重新排列，致使織物的厚度增加。②等離子體與纖維、紗線或織物間的摩擦產生的靜電，使纖維間互相排斥，進而使織物厚度增加。

2.4 透氣性

經APPJ處理后，羊毛織物的透氣量增加速度越低透氣量越大，當織物運行速度為1 m/min時，透氣量增加14%，由未處理時660 L/(m2·s)增加到700 L/(m2·s)以上。原因可能是：速度減小時，等離子體處理能有效地刻蝕羊毛表面的油脂層[10]，雖然經處理后織物的厚度明顯增加，可能會使透氣性在一定程度上減小，但在表面刻蝕和厚度增加的雙重作用下，刻蝕占主導作用，因此織物的透氣性能有所增加。

2.5 外觀形貌

經過APPJ處理后，羊毛纖維的外觀形態并沒有太大的改變，見圖2。

圖2 處理前后羊毛纖維掃描電鏡照片(×15 000)

傳統等離子體處理后所出現的纖維粗糙度增加、鱗片腐蝕和裂痕等現象均未出現，說明使用氮氣的APPJ等離子體處理相比使用氧氣的APPJ等離子體處理[11]對纖維的刻蝕較弱，不破壞外皮表層，因此處理后織物的手感并未發生變化。

3 結束語

常壓等離子體射流(APPJ)主要是一種自由基反應，它快速、連續、占地面積小而且環境友好，由于是在常壓下操作，設備和工藝相對簡單。羊毛織物經其處理后，吸濕性能顯著增強，拉伸強力、斷裂伸長率都有所增加，雖然厚度增加，但織物的透氣量相對于初始值增加了約14%，觀察掃描電鏡照片發現，處理前后羊毛織物的外觀形態并沒有太大的改變，織物的手感并未發生變化，是一種能有效改進羊毛織物服用性能的方法。