全棉水刺非織造布的等離子體冷堆脫脂漂白工藝響應面法優化

劉駿韜, 孫 婷,, 涂 虎,3, 胡 敏,3, 張如全,3, 孫 雷, 羅 霞, 紀 華

(1. 武漢紡織大學 紡織科學與工程學院, 湖北 武漢 430200; 2. 穩健醫療(武漢)有限公司, 湖北 武漢 430415;3. 武漢紡織大學 省部共建紡織新材料與先進加工技術國家重點實驗室, 湖北 武漢 430200;4. 穩健醫療(黃岡)有限公司, 湖北 黃岡 438021)

未脫脂漂白的全棉水刺非織造布[1]需經脫脂漂白工藝后才能滿足一次性衛生材料的使用要求[2]。目前,常用的脫脂漂白方式主要是高溫堿氧脫脂漂白工藝[3],其處理條件劇烈,對環境污染嚴重[4];而無需高溫高壓、能耗小的冷堆工藝[5]則存在處理時間過長(16～24 h),材料脫脂漂白效果不明顯,企業經濟效益不高的問題。雙氧水活化冷堆全棉水刺非織造布脫脂漂白工藝能將處理時間縮短到8 h左右[6],該工藝的處理時間仍需進一步縮短以提高生產效率和降低生產成本。開發新工藝和新技術來提高材料親水性能,并縮短處理時間,提高試劑與材料的接觸面積,加快工藝處理速度,進一步提高冷堆技術在非織造產業的應用具有顯著意義。

等離子體技術[7-8]具備不改變基體固有性能、無需溶劑處理、處理時間短、操作簡單的工藝優點[9]。低溫等離子體技術可應用于前處理工序[10-11],高能粒子對材料表面的刻蝕作用[12-14]不僅可產生毛細效應,增大纖維表層的比表面積,提高親水性,還可去除棉纖維部分表面雜質,并最大程度保留材料原有的物理力學性能[7]。全棉水刺非織造布中的棉纖維比機織物或針織物[15]中的棉纖維空氣接觸面積更大,使等離子體處理非織造布的效果更好。同時,等離子體處理全棉水刺非織造布能夠改進由冷堆工藝帶來的處理時間長的問題,并減少污水排放。

本文采用低溫等離子體對未脫脂漂白的全棉水刺非織造布進行預處理,再進行冷堆脫脂漂白處理。在探究等離子體處理功率、等離子體處理時間、冷堆時間對材料白度、斷裂強力、吸濕性影響的基礎上,采用響應面法[16-17]對工藝參數進行優化,以期為全棉水刺非織造布實施清潔生產及節能減排提供參考。

1 實驗部分

1.1 實驗材料與儀器

材料:未脫脂漂白全棉水刺非織造布(面密度為50 g/m2),穩健醫療(黃岡)有限公司;氫氧化鈉(顆粒狀),國藥集團化學試劑有限公司;30%雙氧水(分析純),上海沃開生物技術有限公司;四乙酰乙二胺(TAED),上海賢鼎生物科技有限公司;平平加O-20(脂肪醇聚氧乙烯醚),天門恒昌化工有限公司。

儀器:PG-10000F型低溫等離子體設備,南京蘇曼等離子科技有限公司;WSD-3A型白度測試儀,溫州方圓儀器有限公司;026D-250型電子織物強力機,溫州市大榮紡織儀器有限公司;PTX-FA210型電子天平,美國惠州HZ電子科技有限公司;OLYMPUS-DSX510型光學顯微鏡,日本奧林巴斯株式會社;JSM-IT500型掃描電子顯微鏡,日本電子株式會社;DNP-9052型電熱恒溫鼓風干燥箱,上海精宏實驗設備有限公司;HH-4型數顯恒溫水浴鍋,金壇市盛藍儀器制造有限公司;IS50ATR型紅外分析光譜儀,美國賽默飛世爾科技公司。

1.2 等離子體冷堆處理工藝

將未脫脂漂白全棉水刺非織造布通過低溫等離子體設備進行處理;使用磁力攪拌2 min使4 g/L NaOH、6 g/L H2O2、2 g/L TAED、2 g/L平平加O-20處理液混合均勻并無明顯顆粒物。將經等離子體處理后的非織造布平鋪放入裝有固定浴比為1∶20的雙氧水活化處理液的自封袋內,擠出自封袋中的空氣并通過固定輕微外力使非織造布浸軋于處理液中,而后放入固定溫度為30 ℃的恒溫水浴鍋內冷堆,工藝示意圖如圖1所示。反應處理至指定時間后,用60 ℃溫水浸泡10 min并洗滌1次,再用20 ℃冷自來水洗滌2次(等量的洗滌水)。最后放入40 ℃的烘箱干燥4 h。工藝流程如圖2所示。

圖1 等離子體冷堆工藝示意圖

圖2 等離子體冷堆法全棉水刺非織造布的工藝流程

1.3 實驗設計

通過控制等離子體處理功率、處理時間以及冷堆處理時間,設計單因素實驗,探究其對全棉水刺非織造布脫脂漂白效果的影響,并在此基礎上確定因素和水平,設計響應面優化實驗。

1.3.1 等離子體處理功率單因素實驗

在保證處理工藝不變基礎上,固定等離子體處理時間為5 s和冷堆處理時間為8 h,將等離子體處理功率作為唯一變量進行單因素實驗。選取等離子體處理功率分別為1、2、3、4、5 kW。

1.3.2 等離子體處理時間單因素實驗

在保證處理工藝不變基礎上,固定等離子體處理功率為2 kW和冷堆處理時間為8 h,將等離子體處理時間作為唯一變量進行單因素實驗。選取等離子體處理時間分別為5、10、15、20、25、30 s。

1.3.3 冷堆處理時間單因素實驗

在保證處理工藝不變基礎上,固定等離子體處理功率為2 kW和處理時間為10 s,將冷堆處理時間作為唯一變量進行單因素實驗。選取冷堆處理時間分別為0、2、4、6、8、12、18、24 h。

1.3.4 等離子體冷堆工藝響應面優化實驗

在上述單因素實驗的基礎上,基于Box-Behnken原理設計實驗方案,實驗數據通過Design-Expert 8.0.6軟件處理。采用響應面法分析等離子體處理功率、等離子體處理時間和冷堆時間對試樣白度的影響,優化等離子體冷堆全棉水刺非織造布的脫脂漂白工藝參數。

1.4 測試與表征

1.4.1 形貌觀察

采用掃描電子顯微鏡對全棉水刺非織造布的表面形貌進行觀察。低真空度為4×10-4Pa,測試電壓為3 kV。測試條件為:標準大氣壓,室溫,空氣相對濕度60%,觀察未脫脂漂白以及不同方式處理的全棉水刺非織造布的微觀形態。

采用光學顯微鏡在室溫恒濕的環境下觀察全棉水刺非織造布的微觀形態,放大總倍率為693。

1.4.2 化學結構表征

采用紅外分析光譜儀對未脫脂漂白及其它不同方式處理的全棉水刺非織造布進行紅外光譜表征,掃描范圍為4 000～500 cm-1,掃描次數為32,分辨率為4 cm-1。

1.4.3 白度測試

參照 GB/T 17644—2008《紡織纖維白度色度試驗方法》,采用白度測試儀測試全棉水刺非織造布的白度,將試樣疊成4層,在織物的不同部位測定 8次,取平均值。其中標準白度板的標稱值為71.3%。

1.4.4 吸水率測試

參照GB/T 24218.6—2010《紡織品 非織造布試驗方法 第6部分: 吸收性的測定》,測試全棉水刺非織造布的吸水率。取尺寸為100 mm × 100 mm的試樣稱量,放入水中60 s后取出,垂直懸掛120 s后再稱量,按下式計算吸水率

式中:mk為調濕后試樣的質量,g;mn為吸液后試樣的質量,g。

1.4.5 力學性能測試

參照GB/T 24218.3—2010《紡織品 非織造布試驗方法 第3部分:斷裂強力和斷裂伸長率的測定(條樣法)》,采用電子織物強力機測試全棉水刺非織造布的力學性能。將300 mm × 50 mm大小的試樣沿簾網輸出方向進行斷裂強力和斷裂伸長率測試,夾距為200 mm,每組試樣測3次,取平均值。

2 結果與討論

2.1 微觀形態結構分析

2.1.1 表面形貌分析

圖3為等離子體處理前后全棉水刺非織造布的顯微鏡照片。可以看出:未脫脂漂白的全棉水刺非織造布里含有一些異物雜質等;經2 kW等離子體處理10 s后的棉纖維在纖維斷裂端發現明顯的變焦變黃等外觀變化,而棉纖維其它位置并未出現變黃的現象。由于等離子體作用于非織造布的時間很短,在該功率范圍內,僅對棉纖維表面產生刻蝕作用。經2 kW等離子體處理10 s的非織造布的孔洞的位置表面起初含有凸起的棉籽殼等雜質,等離子體能分解棉籽殼中的木質素[18],使其炭化,表面處理時將其擊穿,使周圍的水刺纏結的棉纖維斷裂,并在斷裂端引起變黃等外觀變化。經2 kW等離子體處理10 s再經添加雙氧水活化劑冷堆處理8 h后,使等離子體處理造成的全棉水刺非織造布宏觀上變黃等負面外觀變化消除,同時冷堆處理過程會讓非織造布結構更松散,使等離子體擊穿造成的孔洞略有縮小。由于等離子體處理造成的材料物理結構上的變化不易消除,該工藝更適合應用于大型棉籽殼等異物雜質較少的棉坯布。

圖3 全棉水刺非織造布的顯微鏡照片

圖4為全棉水刺非織造布經等離子體處理后的單根纖維的掃描電鏡照片。可以看出:未脫脂漂白的全棉水刺非織造布中棉纖維表面可觀察到一些不規則大小的凸點及細絲狀褶皺;經2 kW等離子體處理10 s的全棉水刺非織造布中棉纖維表面有條狀紋路;而經2 kW等離子體處理10 s后再使用堿氧試劑冷堆處理8 h的材料中棉纖維表面有較深的絲狀褶皺(見圖4(c));在冷堆處理的基礎上添加雙氧水活化劑處理8 h后的材料中棉纖維溝壑處還具有較深褶皺(見圖4(d)),但其它位置光滑。說明等離子體處理會刻蝕纖維表面,雙氧水活化劑處理后棉纖維表面變得相對光滑。

圖4 全棉水刺非織造布單根纖維的SEM照片

2.1.2 化學結構分析

圖5示出不同處理工藝下的全棉水刺非織造布的紅外光譜圖。

圖5 不同處理工藝下的全棉水刺非織造布的紅外光譜圖

2.2 單因素實驗結果

2.2.1 等離子體冷堆工藝對白度的影響

圖6(a)示出等離子體處理功率對全棉水刺非織造布白度的影響。

圖6 各因素對全棉水刺非織造布白度的影響

由圖6(a)可以看出:當等離子體處理時間為5 s,冷堆時間為8 h時,隨著等離子體處理功率的增加,白度先增加后減小;處理功率為2 kW時,全棉水刺非織造布的白度最高;但處理功率為5 kW時,材料白度比未經等離子體處理的還低。這主要是由于等離子體表觀能量密度過高,將全棉水刺非織造布中碎小的棉籽殼擊穿,并在擊穿處周圍發生物理結構變化,及高能粒子將棉籽殼炭化產生棕黃色的顏色變化造成的。

圖6(b)示出等離子體處理時間對全棉水刺非織造布白度的影響?？梢钥闯?當等離子體處理功率為2 kW,冷堆時間為8 h時,在0～20 s內進行等離子體處理對材料白度起積極作用,而在20～30 s時均起負面作用,因此,等離子體處理時間也是需要重點關注的因素。其中在0～10 s區間內,白度呈增加趨勢;在10～30 s區間則呈減小趨勢;在處理10 s時材料白度最高。

圖6(c)示出冷堆時間對全棉水刺非織造布白度的影響?？梢钥闯?當等離子體處理功率為2 kW,等離子體處理時間為10 s時,隨著冷堆處理時間的延長,白度整體呈上升趨勢。在0～6 h內,白度快速上升;6 h之后白度無明顯變化。這說明在6 h內,經等離子體處理后的材料在常溫下與冷堆試劑能反應完全。

2.2.2 等離子體冷堆工藝對吸水率的影響

圖7(a)示出等離子體處理功率對全棉水刺非織造布吸水率的影響。可以看出:隨等離子體處理功率的增加,吸水率整體趨勢呈上升狀態,但增加的速率逐漸減小;當等離子體處理功率達到2 kW后,吸水率增加逐漸平緩。這說明等離子體處理能明顯提高吸水率,從而提高棉纖維的親水性能。

圖7 各因素對全棉水刺非織造布吸水率的影響

圖7(b)示出等離子體處理時間對全棉水刺非織造布吸水率的影響。可以看出:等離子體處理時間在0～10 s時,材料的吸水率變化幅度不大;而在10～20 s時迅速降低,最后在20～30 s時又趨于水平。說明處理時間在0～10 s內時,等離子體處理對材料的吸水率影響不大。

圖7(c)示出冷堆時間對全棉水刺非織造布吸水率的影響?？梢钥闯?隨冷堆時間的延長,吸水率整體呈上升狀態,在2 h內吸水率增長最快,說明等離子體處理能顯著提升脫漂反應效果。等離子體作用深度距材料表面為幾個納米到100 nm之間,冷堆試劑會快速在材料納米單位表面浸潤,因此在2 h內反應迅速,之后由于材料內部沒有等離子體的刻蝕作用而反應平緩。

2.2.3 等離子體冷堆工藝對力學性能的影響

圖8(a)示出等離子體處理功率對全棉水刺非織造布斷裂強力及斷裂伸長率的影響?？梢钥闯?脫漂后的材料斷裂強力及斷裂伸長率沒有明顯變化。

圖8(b)示出等離子體處理時間對全棉水刺非織造布斷裂強力及斷裂伸長率的影響?？梢钥闯?等離子體處理時間對材料的斷裂強力有影響,在實驗范圍內斷裂強力呈現下降的趨勢,但處理時間達到15 s后無明顯變化。

圖8(c)示出冷堆時間對全棉水刺非織造布斷裂強力及斷裂伸長率的影響?？梢钥闯?隨冷堆時間的延長,經等離子體處理的材料斷裂強力在4 h內迅速降低,之后逐漸平緩。說明影響斷裂強力的更多是脫漂試劑化學處理冷堆的過程。由于等離子體對棉表面蠟質的刻蝕和部分極性基團的引入,從而實現脫漂試劑滲透至纖維表層,達到快速去除果膠而提高織物的潤濕性。等離子體處理能夠縮短冷堆處理的時間,提高棉的親水性能。

2.3 響應面實驗結果與分析

2.3.1 響應面回歸模型分析

在上述單因素實驗的基礎上,基于Box-Behnken原理設計了三因素三水平實驗方案,如表1所示。

在Design-Expert 8.0.6軟件上輸入表1中各因素及相應水平,設計17個實驗點,其中響應值白度(Y)取8次實驗的平均值。實驗方案及結果如表2所示。

表2 等離子體冷堆法響應面優化實驗方案及結果

利用Design-Expert 8.0.6軟件對表2中的數據進行分析,Quadratic方程的F值<0.000 1,應采用二次回歸擬合分析,將自變量等離子體處理功率、等離子體處理時間和冷堆時間編碼為A、B、C,得到以白度(Y)為響應值的二次多項回歸方程:

Y=75.77-0.122 1A+0.059 4B+0.780 7C-0.101 3AB-0.001AC-0.019BC-0.400 9A2-0.223 9B2-1.71C2

表3示出采用ANOVA分析響應面的回歸模型及各參數的顯著度。結果表明:經方差分析,其模型的顯著性P<0.000 1,響應面模型達到顯著模型水平,模擬失擬項P=0.619 8>0.05不顯著,說明該模型適宜。變異系數反映模型的置信度,變異系數越低,模型的置信度越好。本文實驗的變異系數為0.152 7%<5%,表明該模型方程可有效反映實驗值,可對全棉水刺非織造材料白度進行分析與預測。

表3 等離子體冷堆法響應面回歸方程方差分析表

回歸模型系數的顯著性檢驗(P)結果表明,冷堆時間(C)的1次項和2次項極顯著(P<0.000 1),說明冷堆時間對材料白度的影響最為顯著。由F值可知,3個因素對織物白度的影響由大到小為:冷堆時間、等離子體處理功率、等離子體處理時間。

2.3.2 響應面分析

圖9為等離子體處理功率和處理時間對白度影響的響應曲面圖?？梢钥闯?等離子體處理功率與等離子體處理時間對全棉水刺非織造布的白度影響不是特別顯著,二者的交互影響也不顯著,2個因素同時過低或過高會使材料白度有部分程度的下降。

圖9 等離子體處理功率和處理時間對白度影響的曲面圖

圖10為等離子體處理功率、冷堆時間對白度影響的響應曲面圖?？梢钥闯?冷堆時間是對材料白度影響最大的因素,白度隨冷堆時間的延長先迅速上升,后緩慢下降;同時,當等離子體處理功率在2.5 kW以上時,材料白度會有明顯下降且比處理功率為1 kW時還低。圖11為等離子體處理時間、冷堆時間對白度影響的響應曲面圖。可以看出:白度隨等離子體處理時間的延長呈現先增后減的趨勢,且增減幅度基本一致。說明等離子體處理時間過短或過長對白度的影響程度一致。

圖10 等離子體處理功率與冷堆時間對白度影響的曲面圖

圖11 等離子體處理時間與冷堆時間對白度影響的曲面圖

綜上分析發現,等離子體處理對全棉水刺非織造布的白度有影響,但影響較小,最主要的影響因素是后續的冷堆時長。

經過前期對未經等離子體處理的冷堆工藝的研究發現,冷堆處理最佳時間為8 h[6],而等離子體冷堆處理最佳冷堆時間可下降到6.5 h,說明經過等離子體處理后,能減少冷堆工藝的處理時間。

2.3.3 響應面模型驗證

在等離子體冷堆法響應面優化方案中,根據上述實驗結果,將響應值白度目標設置為最大(為76%),得到經過響應面優化的最佳條件為:等離子體處理功率1.828 kW;等離子體處理時間10.804 s;冷堆時間6.454 h。在此條件下,全棉水刺非織造布的白度達到75.872%,決定系數R2為0.923 5,回歸擬合效果好。為驗證模型的準確性,根據實際操作情況,選定等離子體處理功率為2 kW,等離子體處理時間為11 s,冷堆時間為6.5 h,在此優化條件下進行5次平行驗證實驗,得到全棉水刺非織造布的白度實際值為75.883 6%,與預測值接近,說明等離子體冷堆法響應面優化的回歸模型與實際情況相符合,故模型可信,且實驗樣品的斷裂強力滿足企業產品需求。

3 結 論

本文利用等離子體處理未脫脂漂白的全棉水刺非織造布,之后利用雙氧水活化冷堆工藝對其進行處理,并對處理后材料的微觀形貌、物質組成、白度、力學性能、吸濕性能進行測試和分析,得出以下主要結論。

1)經等離子體處理后的全棉水刺非織造布表面的棉籽殼等異物雜質被去除,并在材料表面留下孔洞,經冷堆處理后非織造布纖維表面光滑,排列更松散,使孔洞得到一定程度的消除,等離子體工藝適用于大型棉籽殼等異物雜質較少的全棉水刺非織造布的冷堆工藝流程中。

2)等離子體處理可以有效去除棉纖維表面的脂類物質等疏水成分,使材料吸濕性能得到提高。

3)對于全棉水刺非織造布的冷堆處理,等離子體處理可以明顯縮短其反應時間。經實驗優化可得:經處理功率為2 kW的等離子體處理11 s,再進行冷堆處理6.5 h時,可達到75.883 6%的白度,相較于傳統冷堆工藝處理時間縮短了1.5 h。