等離子體技術(shù)在羊毛織物后整理中的應(yīng)用

孫學(xué)瑜 陳韶娟 杜吉浩 苗大剛

（1.青島大學(xué)，山東青島，266000；2.青島即發(fā)集團(tuán)股份有限公司，山東青島，266000）

羊毛是人類(lèi)利用開(kāi)發(fā)較早的蛋白質(zhì)纖維，其質(zhì)輕、保暖、吸濕透氣、光澤柔和，深受消費(fèi)者的青睞，歷來(lái)被用于高檔服裝面料［1-3］。羊毛纖維外層為鱗片層，每個(gè)鱗片細(xì)胞主要由3 層組成，即外表皮層、外角質(zhì)層和內(nèi)角質(zhì)層［4］。最外的外表皮層富含以C21為主的類(lèi)脂物質(zhì)，與其相鄰的外角質(zhì)層則富含胱氨酸［5-6］。

目前，羊毛防氈縮整理中，氯化/樹(shù)脂法已相當(dāng)成熟，可以達(dá)到很好的防氈縮效果，但此工藝會(huì)產(chǎn)生大量的可吸附有機(jī)鹵化物，嚴(yán)重污染環(huán)境，這就要求開(kāi)發(fā)綠色織物后整理工藝［7-9］。用低溫等離子體改善羊毛織物性能，綠色環(huán)保，成為國(guó)內(nèi)外研究的重點(diǎn)［10-18］。低溫等離子體處理是一種干態(tài)、環(huán)保的技術(shù)，是紡織工業(yè)傳統(tǒng)濕法化學(xué)處理的有效替代方法［19-20］。本研究通過(guò)常壓等離子體與雙氧水預(yù)處理，研究其對(duì)羊毛織物染色與氈縮性能的影響［21-22］。

1 試驗(yàn)部分

1.1 材料與試劑

羊毛機(jī)織物（山東岱銀紡織集團(tuán)有限公司），質(zhì)量分?jǐn)?shù)30%H2O2（萊陽(yáng)市康德化工有限公司），NaCl（國(guó)藥集團(tuán)化學(xué)試劑有限公司），Na2CO3（國(guó)藥集團(tuán)化學(xué)試劑有限公司），克勞素黑D（河南德宜瑞新材料有限公司），冰醋酸（國(guó)藥集團(tuán)化學(xué)試劑有限公司），甲酸（國(guó)藥集團(tuán)化學(xué)試劑有限公司），硫銨（國(guó)藥集團(tuán)化學(xué)試劑有限公司）。

1.2 儀器

AS-12/24 型常溫振蕩式小樣機(jī)（佛山市精柯紡織印染設(shè)備有限公司），HH-8 型數(shù)顯恒溫水浴鍋（常州丹瑞實(shí)驗(yàn)儀器設(shè)備有限公司），F(xiàn)R42020 N 型電子天平（奧豪斯儀器有限公司），U-3900/U-3900H 型紫外分光光度計(jì)（上海菁華科技儀器有限公司），Datacolor 850 型測(cè)色儀（美國(guó)Datacolor公司）；Phenom Pro 型電子掃描顯微鏡（荷蘭Phenome 公司）；Plasma Pre-treatment System Model AS400（德國(guó)Plasma 公司）；Instron 3300 型電子萬(wàn)能材料試驗(yàn)機(jī)（美國(guó)Instron 公司）。

1.3 試驗(yàn)方法

洗毛：使用質(zhì)量分?jǐn)?shù)0.6%的Na2CO3在50 ℃的水浴鍋中清洗羊毛織物，洗滌時(shí)間2 h。

等離子體預(yù)處理：采用常壓等離子體儀器，將等離子體占空比設(shè)置成40%，電壓調(diào)至260 V，電離氣體流速調(diào)至2 000 L/h，對(duì)羊毛織物進(jìn)行等離子體處理。

氧化處理：采用H2O2，改變其質(zhì)量分?jǐn)?shù)（0～1%），對(duì)羊毛織物進(jìn)行氧化處理。

染色配方：克勞素黑D 4.0%（omf），冰醋酸4.0%（omf），甲 酸1.0%（omf），硫 銨4.0%（omf），浴比1∶30。

染色工藝流程：首先將羊毛織物放入32 ℃的染液中，然后以1.5 ℃/min 的升溫速率升至92 ℃，保溫染色60 min，再以1.5 ℃/min 的降溫速率降至80 ℃，保溫20 min，最后水洗烘干。

1.4 測(cè)試方法

用紫外分光光度計(jì)分別測(cè)定染色前后染液的最大吸收波長(zhǎng)（λmax）處的吸光度，按公式（1）計(jì)算上染百分率D。

式中：A1為染色殘液稀釋n倍后的吸光度；A2為染色原液稀釋n倍后的吸光度。

采用測(cè)色儀測(cè)定試樣皂洗、干燥后的K/S值。K/S值為染色深度，該值越大表示染色深度越深，皂洗干燥后的K/S值越大，則固色率越大。

參照GB/T 8629—2017《紡織品 試驗(yàn)用家庭洗滌和干燥程序》測(cè)試試樣氈縮率，按照規(guī)定的4N 程序連續(xù)洗滌1 次，取出烘干［23］。按公式（2）計(jì)算氈縮率。

采用電子萬(wàn)能材料試驗(yàn)機(jī)，根據(jù)GB/T 3923.1―2013《紡織品 織物拉伸性能 第1 部分：斷裂強(qiáng)力和斷裂伸長(zhǎng)率的測(cè)定（條樣法）》測(cè)試織物斷裂強(qiáng)力。每種試樣測(cè)5 次，取平均值。

將試樣鍍金后，用電子掃描顯微鏡觀察試樣表面特征。

2 結(jié)果與討論

2.1 等離子體參數(shù)選擇

根據(jù)查閱相關(guān)文獻(xiàn)確定等離子體處理的電壓、頻率、占空比和氣體流速的范圍。通過(guò)預(yù)試驗(yàn)，最終確定最佳工藝參數(shù)：氣體為空氣，占空比40%，電壓260 V，頻率19 kHz。在預(yù)試驗(yàn)中，氮?dú)獾入x子體的效果最好，但是氮?dú)馀c空氣效果差距較小，考慮到經(jīng)濟(jì)效益，最終選擇空氣等離子體。電壓、占空比、頻率若繼續(xù)增大，羊毛織物會(huì)出現(xiàn)燒焦情況；若減小，則會(huì)出現(xiàn)輝光不穩(wěn)定的現(xiàn)象［24-25］。

2.2 羊毛織物表面特征分析

利用掃描電鏡對(duì)不同處理工藝的羊毛進(jìn)行表征，如圖1 所示。其中，工藝1 為質(zhì)量分?jǐn)?shù)0.5%雙氧水處理，工藝2 為質(zhì)量分?jǐn)?shù)1%雙氧水處理，工藝3 為等離子體處理，工藝4 為等離子體+質(zhì)量分?jǐn)?shù)0.5%雙氧水處理，工藝5 為等離子體+質(zhì)量分?jǐn)?shù)1%雙氧水處理。

圖1 不同處理方式下羊毛纖維電鏡照片

由圖1 可以看出，未經(jīng)處理的羊毛鱗片結(jié)構(gòu)緊密，尖角突出，棱角分明。所以這種羊毛經(jīng)過(guò)摩擦，纖維相互糾纏，摩擦力增大，氈縮率增大。而經(jīng)過(guò)雙氧水處理后，羊毛纖維表面鱗片軟化，部分脫落，皮質(zhì)層受到損傷，摩擦效應(yīng)降低，故氈縮率與強(qiáng)力有可能下降，后面進(jìn)一步通過(guò)試驗(yàn)驗(yàn)證；經(jīng)等離子體處理后，羊毛表面的鱗片層出現(xiàn)刻蝕，能夠看到部分鱗片已經(jīng)脫落，鱗片結(jié)構(gòu)變得松弛，羊毛表面變得粗糙，織物氈縮率有可能下降［26-27］；但由于表面摩擦力增大，纖維抱合力增大。雖然單根纖維受到損傷強(qiáng)力降低，但羊毛織物強(qiáng)力有可能增大，下面通過(guò)進(jìn)一步試驗(yàn)驗(yàn)證。

2.3 等離子體處理對(duì)羊毛織物固色率的影響

按照1.3 中的工藝對(duì)羊毛織物進(jìn)行處理、染色，并測(cè)定固色率。未處理和工藝1、工藝2、工藝3、工藝4、工藝5 處理的羊毛織物K/S值分別為26.988、 27.498、 29.219、 29.570、 31.162、31.181。由此可以看出，單獨(dú)的等離子體處理以及雙氧水處理都會(huì)提高羊毛織物的固色率，并且雙氧水的質(zhì)量分?jǐn)?shù)越大效果越好，這是因?yàn)殡p氧水會(huì)軟化纖維的鱗片，甚至?xí)コ糠主[片，從而減小染料進(jìn)入纖維內(nèi)部的阻礙［28-29］；等離子體高能粒子對(duì)羊毛纖維進(jìn)行短時(shí)間的轟擊后，會(huì)在纖維表面進(jìn)行刻蝕，增大了纖維的比表面積，并且會(huì)引入新的極性基團(tuán)，從而使得染色屏障被打破；同時(shí)，鱗片層中的胱氨酸經(jīng)空氣等離子體處理后會(huì)被氧化，二硫鍵發(fā)生斷裂，生成親水極性基團(tuán)（—SSO3和—SH），提高了羊毛纖維的潤(rùn)濕性，增加了與染料的結(jié)合力，從而使得羊毛織物的固色率明顯提高。

2.4 等離子體處理對(duì)羊毛織物強(qiáng)力和氈縮率的影響

不同處理方式下羊毛織物的強(qiáng)力和氈縮率測(cè)試結(jié)果如表1 所示。從表1 中可以看出，經(jīng)等離子體處理與雙氧水處理后，織物的氈縮率出現(xiàn)明顯下降；兩種方式復(fù)合對(duì)織物進(jìn)行處理時(shí)，氈縮率下降最為明顯。使用雙氧水進(jìn)行處理時(shí)織物的強(qiáng)力呈下降趨勢(shì)，而使用等離子體處理時(shí)織物的強(qiáng)力反而上升。這是由于使用雙氧水或等離子體處理時(shí)，都會(huì)對(duì)羊毛表面的鱗片層進(jìn)行破壞，雙氧水會(huì)使羊毛表面的鱗片發(fā)生軟化，而等離子體則會(huì)對(duì)羊毛表面的鱗片進(jìn)行轟擊，從而使其部分脫落。兩者都會(huì)減弱羊毛的摩擦效應(yīng)，從而降低氈縮率。兩種處理方式對(duì)于織物強(qiáng)力產(chǎn)生不同的結(jié)果，則是由于雙氧水使羊毛表面的鱗片軟化，摩擦力降低，纖維之間的抱合力減弱，且由于氧化作用，單根纖維的強(qiáng)力也隨之降低，從而導(dǎo)致織物的強(qiáng)力降低；等離子體處理會(huì)使羊毛表面鱗片部分脫落，導(dǎo)致纖維表面變粗糙，雖然會(huì)使纖維受到破壞，單根纖維強(qiáng)力降低，但是由于表面粗糙度增加，從而增加了纖維之間的抱合力，使織物的強(qiáng)力增大。

表1 不同處理方式下羊毛織物的強(qiáng)力和氈縮率

2.5 等離子體處理對(duì)羊毛織物上染速度及上染百分率的影響

不同處理方式下羊毛織物的上染百分率如表2 所示。

表2 不同處理方式下羊毛織物的上染百分率

從表2 中可以看出，隨著時(shí)間的增長(zhǎng)，上染百分率不斷增大，到達(dá)一定時(shí)間之后，所有處理方式得到的上染百分率幾乎相同。這是由于達(dá)到一定溫度后，染料會(huì)吸附到織物上，但是染料分子不會(huì)全部進(jìn)入纖維內(nèi)部，皂洗后染料會(huì)脫落；等離子體處理與雙氧水處理都能加快染料進(jìn)入纖維內(nèi)部的速度，這是由于雙氧水能夠氧化羊毛纖維表面的鱗片，使其表面的鱗片部分脫落，使染料更容易滲透到纖維的內(nèi)部，從而提高染料進(jìn)入纖維內(nèi)部的速率以及上染百分率；相比較而言，等離子體處理對(duì)提高上染速率更為有效［30］。這是由于等離子體會(huì)對(duì)羊毛纖維表面進(jìn)行刻蝕，使羊毛表面鱗片部分脫落，同時(shí)會(huì)在纖維表面接枝親水基團(tuán)，從而提高上染速率以及上染百分率。因此依次經(jīng)過(guò)等離子體和雙氧水處理的羊毛織物上染速率與上染百分率改善更為顯著。

3 結(jié)論

羊毛織物經(jīng)過(guò)雙氧水、常壓等離子體或兩者的聯(lián)合處理，羊毛纖維表面的鱗片部分被破壞，活性染料上染羊毛織物的效果得到改善，尤其是當(dāng)兩者共同作用時(shí)，效果最為明顯。經(jīng)過(guò)常壓等離子體處理后的羊毛織物強(qiáng)力明顯增大，并且經(jīng)過(guò)常壓等離子體和質(zhì)量分?jǐn)?shù)0.5%雙氧水聯(lián)合處理的羊毛織物各方面性能明顯優(yōu)于質(zhì)量分?jǐn)?shù)1.0%雙氧水單獨(dú)處理的羊毛織物，因此這種處理方式有望降低羊毛前處理中雙氧水的用量。