低溫等離子在芳綸處理中的影響

王巧玲

摘 要：采用低溫等離子對(duì)芳綸進(jìn)行處理，在處理前后分別使用XPS和掃描電鏡對(duì)芳綸經(jīng)過處理的部位表面進(jìn)行分析觀察，對(duì)其物化性以及結(jié)構(gòu)變化情況進(jìn)行研究。通過研究發(fā)現(xiàn)，芳綸經(jīng)過等離子處理后，其表面發(fā)生刻蝕效應(yīng)，C-O鍵數(shù)量增加；以不改變單纖強(qiáng)力的前提下，芳綸的親水性能以及摩擦性能有所提高。

關(guān)鍵詞：芳綸；等離子體；低溫；性能

芳綸是現(xiàn)代高科技合成纖維材料，其在性能上較之傳統(tǒng)的纖維材料強(qiáng)度、模量較高，且密度低，具有較好的耐磨性，主要由對(duì)稱的剛性分子相互結(jié)合而成，具有較高的結(jié)晶度和定向程度，所以分子間橫向作用力較弱；并且大量芳香環(huán)存在于芳綸的分子結(jié)構(gòu)中，因此分子不易移動(dòng)，并且分子間H-H鍵較弱，其分子橫向強(qiáng)度較差，在受到剪切力以及壓縮力作用時(shí)容易發(fā)生斷裂，而在斷裂后由于受到結(jié)構(gòu)影響，會(huì)使得材料表面光滑，且具有較差的潤濕性，同復(fù)合材料、橡膠、化學(xué)材料等粘結(jié)作用便會(huì)受到影響，因此使得材料的推廣應(yīng)用以及發(fā)展受到了嚴(yán)重的限制。為保證芳綸能夠充分發(fā)揮其力學(xué)性能，可以對(duì)其材料表面做一定的處理。目前常用的改性技術(shù)主要包括等離子技術(shù)以及化學(xué)方式?；瘜W(xué)的方式主要是通過一定的化學(xué)手段對(duì)芳綸的表層結(jié)構(gòu)進(jìn)行改變，用以對(duì)芳綸結(jié)構(gòu)上的不足予以彌補(bǔ)，但是由于化學(xué)作用控制性較差，因此芳綸內(nèi)部結(jié)構(gòu)也有可能受到破壞，這種方式需要對(duì)反應(yīng)時(shí)間予以精準(zhǔn)的控制，因此限制較多。同化學(xué)方式比較，物理法中的等離子技術(shù)具有更為廣闊的發(fā)展空間，隨著技術(shù)的不斷完善，是一種良性的干法處理手段，不但零污染、環(huán)保，并且能耗低節(jié)約水資源，等離子僅僅作用在纖維表層，不會(huì)對(duì)內(nèi)部結(jié)構(gòu)以及整體性能做出改變，從而賦予芳綸更加優(yōu)質(zhì)的性能。

文章中的等離子處理手段通過等離子在低溫條件下，其活性離子對(duì)芳綸的表面進(jìn)行轟擊。對(duì)經(jīng)過活化后的纖維體進(jìn)行觀察，通過對(duì)表面物化性能和機(jī)械性能處理前后的對(duì)比，對(duì)等離子處理的壓強(qiáng)、功率以及時(shí)間對(duì)芳綸材料一系列性能的影響。

1 實(shí)驗(yàn)

1.1 材料

芳綸1414短纖樣品以及芳綸1414長絲樣品。

1.2 實(shí)驗(yàn)采用的方法

本文中介紹的低溫等離子設(shè)備為HD-1B輝光放電儀，通過該等離子設(shè)備對(duì)芳綸的長絲以及短纖進(jìn)行處理，后采用電子顯微鏡對(duì)纖維的表面進(jìn)行掃描觀察，研究其形態(tài)上發(fā)生的改變，通過光電子能譜設(shè)備對(duì)芳綸纖維的表面化學(xué)成分變化進(jìn)行檢測(cè)，從而對(duì)材料組分百分比含量進(jìn)行定量分析，對(duì)纖維摩擦性能采用Y151纖維摩擦系數(shù)進(jìn)行檢測(cè)，對(duì)纖維強(qiáng)力性能采用專業(yè)的強(qiáng)力儀器進(jìn)行測(cè)量，而對(duì)纖維親水性的檢測(cè)則通過使用YG（B）871毛細(xì)管效應(yīng)設(shè)備。

2 結(jié)果分析

2.1 表面結(jié)構(gòu)以及形態(tài)的改變

對(duì)芳綸采用電子顯微鏡進(jìn)行掃描分析，對(duì)其表面形態(tài)在處理前處理后的狀態(tài)予以變化跟蹤。為了保證能夠?qū)⒎季]表面結(jié)構(gòu)變化清晰的表現(xiàn)出來，因此選用了5000倍的放大效果，并結(jié)合16000倍、18000倍和20000倍的電子顯微鏡，如此便能夠清晰形象的將芳綸的表面變化表現(xiàn)出來。通過成像分析可以看出，經(jīng)過等離子處理的材料表面出現(xiàn)了刻蝕現(xiàn)象，因而材料上出現(xiàn)了平溝痕，并且出現(xiàn)了刻蝕現(xiàn)象以及隆起，使得材料表面變得極為粗糙，使得纖維比表面積的增加，而該種方式變得很粗糙，從而增加了纖維的比表面積，比表面積的增加相對(duì)會(huì)提高纖維的物理吸附力，因而加快染化料在纖維上的擴(kuò)散能力，從而提高了纖維粘結(jié)性和上染率。而隨著時(shí)間的推移，等離子對(duì)于纖維進(jìn)行處理的時(shí)間越長，芳綸便會(huì)出現(xiàn)明顯的溝槽和條紋，而當(dāng)處理時(shí)間為100s時(shí)，芳綸的表面粗糙度最大；繼續(xù)對(duì)表面進(jìn)行處理會(huì)發(fā)現(xiàn)隨著時(shí)間的增加，纖維表面又恢復(fù)了平滑。所以當(dāng)處理功率或者處理時(shí)間過大，那么先前由等離子所產(chǎn)生的刻蝕作用便會(huì)消失，極性基團(tuán)以及溝槽會(huì)隨之剝離掉，纖維表面會(huì)逐漸的顯露其光滑的本體結(jié)構(gòu)。

2.2 芳綸表面受到低溫等離子處理后期表面的化學(xué)成分會(huì)發(fā)生改變，通過分析光電子能譜，可以發(fā)現(xiàn)芳綸的各個(gè)元算都會(huì)在什么位置結(jié)合，光電子能譜中對(duì)元素進(jìn)行定量分析主要依據(jù)的是對(duì)譜峰面積的測(cè)量，因此精度很高。并且譜峰中的主峰會(huì)伴隨出現(xiàn)很多伴峰。一類過程是同主峰同時(shí)發(fā)生的，即震離、多重分裂、震激等。另一類伴峰則是在主峰產(chǎn)生后而發(fā)生的過程。在定量測(cè)量中，若主峰存在伴峰，那么必須作為一整個(gè)部分進(jìn)行處理。通過分析，在芳綸的OLS精細(xì)譜中，存在兩個(gè)峰，主峰位置530.483eV，而伴峰的位置則在531.570eV。在芳綸的結(jié)構(gòu)中有氧原子同一個(gè)碳原子的雙鍵結(jié)合結(jié)構(gòu)以及氧原子同兩個(gè)碳原子結(jié)合的單鍵結(jié)構(gòu)，通過分析主峰對(duì)應(yīng)的應(yīng)當(dāng)是雙鍵結(jié)構(gòu)，中氧原子結(jié)合能，而伴峰則對(duì)應(yīng)了單鍵結(jié)構(gòu)中的氧原子結(jié)合能。

光電子能譜所獲得的能譜主要有四個(gè)鋒，芳綸中氧原子主要以C-O、C-一-O、C-OH鍵和C原子之間進(jìn)行結(jié)合，處理的時(shí)間越長C=O、C-O鍵比例越高，同時(shí)C-H、c-OH鍵比例便越低，由于反應(yīng)氣體是空氣，會(huì)在電離后在芳綸表面引發(fā)刻蝕，使得O1S、N1S的原子含量大大提升。

2.3 低溫等離子體處理對(duì)芳綸力學(xué)性能的影響

隨著功率的增加，芳綸的斷裂強(qiáng)力、斷裂強(qiáng)度、斷裂伸長率呈遞減的趨勢(shì)，靜、動(dòng)摩擦系數(shù)有所降低；隨著時(shí)間的延長，靜、動(dòng)摩擦系數(shù)增大，而斷裂強(qiáng)力、強(qiáng)度，斷裂伸長率都大幅度下降。過于激烈的處理會(huì)破壞芳綸的結(jié)構(gòu)組成，如2號(hào)樣在較高的壓強(qiáng)、功率、時(shí)間處理下，纖維的靜摩擦系數(shù)比未處理的還要小，斷裂強(qiáng)力、斷裂強(qiáng)度顯著下降。

通過正交實(shí)驗(yàn)分析，得出空氣低溫等離子體處理芳綸的最佳條件是8號(hào)樣的20Pa、50w、100s，此時(shí)芳綸的斷裂強(qiáng)力基本保持不變，但是芳綸的靜、動(dòng)摩擦系數(shù)卻是0.612、0.386，遠(yuǎn)比未處理的0.513、0.284好得多；從電鏡照片也可以看出良好的刻蝕痕跡增加了芳綸的粗糙度。這樣在保證不損壞芳綸強(qiáng)力的情況下，最大限度地提高了纖維表面的摩擦性能，為纖維的后續(xù)加工提供了便利，紗線更易抱和，與復(fù)合材料等更易粘接。

經(jīng)等離子體處理的芳綸潤濕性普遍高于未處理的芳綸，親水性顯著提高，未處理的1號(hào)樣毛細(xì)管效應(yīng)為9.97cm，9號(hào)樣升到18.95 cm，升高了47.4%，且3號(hào)、7號(hào)、11號(hào)樣的毛細(xì)管效應(yīng)也比未處理的至少提升45%。親水性的提高改善了芳綸的染色性能。

3 結(jié)束語

經(jīng)過處理后的芳綸表面會(huì)發(fā)生刻蝕效應(yīng)，產(chǎn)生平溝痕，并且會(huì)在等離子體的作用下產(chǎn)生刻蝕碎片以及隆起，摩擦系數(shù)大大增加，并且材料表面積以及粗糙度也會(huì)隨之變化，但當(dāng)時(shí)間過長或者功率過大，等離子會(huì)便會(huì)令芳綸本體結(jié)構(gòu)顯露出來，剝離產(chǎn)生的極性基因和溝槽而變得光滑。通過研究還發(fā)現(xiàn)處理功率越大，在斷裂強(qiáng)力、伸長率以及強(qiáng)度上芳綸會(huì)呈現(xiàn)出遞減的趨勢(shì)，摩擦系數(shù)會(huì)相對(duì)下降；而處理時(shí)間越長，材料的摩擦系數(shù)會(huì)增大，但是斷裂伸長率、強(qiáng)度、強(qiáng)力等性能都會(huì)降低，不過材料會(huì)獲得較高的親水性。

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