大氣壓低溫等離子體在棉織物退漿中的應(yīng)用

閆 俊，朱高偉，于心悅，崔一帆，李 紅，葉 方，范艷蘋，鄭來久

(1.大連工業(yè)大學(xué) 遼寧省清潔化紡織重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，遼寧 大連 116034；2.浙江省現(xiàn)代紡織工業(yè)研究院，浙江 紹興 312030)

0 引 言

目前，純棉織物漿紗使用的漿料主要是聚乙烯醇(PVA)[1]，退漿方法包括生物酶法、熱堿法、酸法和氧化法[2]。退漿過程會(huì)使用大量NaOH，并產(chǎn)生大量廢水[3]。高耗能、高污染問題嚴(yán)重影響了紡織工業(yè)的可持續(xù)發(fā)展，新環(huán)保形勢下清潔化生產(chǎn)迫在眉睫。

Yasuda[4]根據(jù)碳?xì)浠衔锝?jīng)放射線照射分解的自由基機(jī)理，提出了等離子體聚合過程。等離子體放電過程中的電子會(huì)被激發(fā)躍遷至導(dǎo)帶形成帶負(fù)電荷的高活性電子e-，同時(shí)產(chǎn)生帶正電荷的空穴h+，形成電子空穴對(duì)。等離子體技術(shù)作為一種新型的處理工藝[5]，工藝簡單、低成本、低時(shí)耗、處理效果好[6]。Bozduman等[7]采用電暈放電技術(shù)對(duì)棉織物上的聚乙烯醇(PVA)和淀粉進(jìn)行了脫膠處理，結(jié)果表明等離子體對(duì)PVA和淀粉漿織物的除漿率、親水性均有積極的影響。Cornelius等[8]采用氦/四氟化碳等離子體處理的樣品比對(duì)照樣品退漿效果更好。但以上研究均未提及服用棉織物大氣壓低溫等離子體退漿效果。本實(shí)驗(yàn)采用大氣壓低溫等離子體退漿工藝，結(jié)合服用性能優(yōu)化實(shí)驗(yàn)，探討最佳退漿條件，通過SEM、FT-IR、XRD和服用性能表征棉織物性能。

1 試 驗(yàn)

1.1 材 料

純棉坯布，PVA上漿，線密度35.8 tex；織物經(jīng)密度為每10 cm 267根，緯密度為每10 cm 267根，市售。

1.2 設(shè) 備

CTP-2000A型低溫等離子體準(zhǔn)輝光放電表面處理機(jī)，南京蘇曼等離子科技有限公司；WSB-3A型智能式數(shù)字白度計(jì)，溫州大榮紡織儀器有限公司；YG065C型電子坯布強(qiáng)力儀、YG871毛細(xì)管效應(yīng)測定、LLY-01型電子硬挺度儀、YG141LA型織物厚度儀，萊州市電子儀器有限公司；YG461E-Ⅲ型全自動(dòng)透氣量儀、YG601H-Ⅱ型電腦式織物透濕儀，寧波紡織儀器廠。

1.3退漿工藝流程

1.3.1 傳統(tǒng)堿處理

坯布→堿煮(95 ℃，1 h)→熱水洗→充分冷水洗→烘干。

堿煮工藝及配方：NaOH質(zhì)量濃度分別為20、25 g/L，時(shí)間60 min，浴比1∶30，溫度95 ℃。

1.3.2 低溫等離子體處理

將坯布試樣平鋪在等離子處理面板上，改變處理時(shí)間0～30 min、放電電壓0～220 V、處理功率200～600 W，對(duì)坯布進(jìn)行大氣壓等離子體準(zhǔn)輝光放電處理，放電處理高度1 mm。工作氣體為空氣，等離子體氣體平均溫度35 ℃，CTP-2000A等離子體發(fā)生裝置，電源頻率50 Hz。

對(duì)坯布進(jìn)行等離子體處理，固定功率，處理時(shí)間分別為5、10、15、20、25、30 min；然后固定處理時(shí)間，功率分別為200、300、400、500、600 W→熱水洗3次(95 ℃、10 min)→充分冷水洗10 min→烘干(105 ℃，3 h)。

1.3.3 等離子體加堿處理

坯布→等離子體處理→堿煮(95 ℃、1 h)，改變堿質(zhì)量濃度→熱水洗→充分冷水洗→烘干。

1.4 退漿率

先確定回潮率，取3塊約純棉坯布，先將其中一塊坯布在電子天平上稱重，再稱重另外兩塊，取平均值m0。置于105～110 ℃烘箱中烘至恒重，迅速取出坯布，放入裝有硅膠的干燥器中，冷卻至室溫，分別對(duì)3塊坯布稱重，取平均值m1，按式(1)計(jì)算試樣回潮率[8]。

(1)

式中：w為回潮率，%；m0為坯布烘干前的質(zhì)量，g；m1為坯布烘干后的質(zhì)量，g。

將其余坯布在電子天平上精確稱取質(zhì)量(m2)，按“1.3”工藝進(jìn)行減退漿，擠干水后放入烘箱，在105～110 ℃下烘干至恒重，迅速取出坯布，放入干燥器中，冷卻至室溫，精確稱取質(zhì)量(m3)。按式(2)計(jì)算試樣退漿率。

(2)

1.5 力學(xué)性能

參照GB/T 3923.1—2013 第1部分 斷裂強(qiáng)力和斷裂伸長率的測定(條樣法)，將坯布剪成25 cm×5 cm布條，在電子坯布強(qiáng)力機(jī)上測定其斷裂強(qiáng)力和斷裂強(qiáng)力保留率。測3次，取平均值。

1.6 白 度

測試坯布5個(gè)不同部位的白度，取平均值。

1.7 毛細(xì)效應(yīng)

參照FZ/T 01071—2008，將待測坯布剪成20 cm×5 cm布條，在離頂端1 cm處沿緯向作平行線，與液面對(duì)齊；以重鉻酸鉀溶液作為測試液，室溫下記錄30 min內(nèi)測試液沿經(jīng)向上升的高度。

1.8 服用性能

1.8.1 透濕性

參照GB/T 12704—2009 第1部分：吸濕法，采用透濕杯法使用織物透濕儀測出試樣透濕量。每個(gè)樣品剪取3塊試樣，每塊試樣直徑70 mm，將織物試樣按要求置于裝有35 g無水氯化鈣的透濕杯內(nèi)，在溫度38 ℃、RH為90%的環(huán)境下靜置10 min后稱重，60 min后再次稱重，根據(jù)質(zhì)量差計(jì)算透濕率(g/(m2·h))。

(3)

式中：Δm為同一試驗(yàn)組合體兩次質(zhì)量差，g；Δm′為空白試樣的同一試驗(yàn)組合體兩次質(zhì)量差，g；不做空白試驗(yàn)時(shí)，Δm′=0；A為有效試驗(yàn)面積(本部分的裝置為0.004 9 m2)，m2；t為試驗(yàn)時(shí)間，h。

1.8.2 透氣性

參照GB/T 5453—1997，在室溫25 ℃、相對(duì)濕度65%的環(huán)境下，選擇同一樣品3個(gè)不同區(qū)域，對(duì)20 cm2的織物試樣進(jìn)行測試，測試壓差為100 Pa，測試結(jié)果取平均值。

1.8.3 硬挺度

參照GB/T 18318—2001，采用斜面法測定抗彎長度，每個(gè)樣品取6塊試樣，大小250 mm×25 mm，自動(dòng)計(jì)算結(jié)果。以抗彎長度為評(píng)價(jià)指標(biāo)，越大表示織物越硬挺，越小表示織物越柔軟。

1.8.4 厚 度

參照GB/T 3820—1997，將試樣對(duì)折兩次共4層，加壓2 kPa，同一樣品選擇7個(gè)不同區(qū)域進(jìn)行測試，結(jié)果去掉最大值和最小值后取平均值。

1.9 結(jié)構(gòu)表征

1.9.1 SEM

將待測纖維進(jìn)行真空噴金，通過SEM(JSM-7800F，日本JEOL)對(duì)纖維樣品脆裂特征進(jìn)行詳細(xì)的形貌觀察與分析。

1.9.2 FT-IR

FT-IR(Perkin-Elmer Spectrum two，美國MA)；染料用溴化鉀壓片，采用透射法進(jìn)行測試，在室溫下500～4 000 cm-1測定試樣結(jié)構(gòu)變化。

1.9.3 XRD

XRD-7000S(日本Shimadzu)；Cr，3 kV；管電壓，20～60 kV；掃描范圍，10°～40°。

2 結(jié)果與討論

2.1 等離子體處理功率對(duì)坯布性能的影響

如表1所示，隨著處理功率的增大，毛效、退漿率都逐漸增大，白度和斷裂強(qiáng)力減小。綜合各種指標(biāo)，處理功率選擇400 W。

表1 等離子體處理功率對(duì)坯布性能的影響Tab.1 Effect of plasma treatment power on properties of grey fabrics

2.2 等離子體處理時(shí)間對(duì)坯布性能的影響

如表2所示，隨著處理時(shí)間的延長，坯布的毛效、白度以及退漿率都逐漸增大；處理時(shí)間達(dá)到15 min時(shí)，坯布的退漿率逐漸變緩，而白度和毛效15 min后減小。低溫等離子體處理坯布時(shí)，隨著處理時(shí)間的延長，高速等離子體轟擊試樣的強(qiáng)度增大，并且表面刻蝕增強(qiáng)，導(dǎo)致斷裂強(qiáng)力下降，退漿率上升。綜上，處理時(shí)間選擇15 min。

表2 等離子體處理時(shí)間對(duì)坯布性能的影響Tab.2 Effect of plasma treatment time on properties of grey fabrics

2.3 等離子體和堿處理對(duì)坯布性能的影響

由表3可以看出，與常規(guī)堿煮工藝相比，采用等離子體處理后，加入8 g/L NaOH溶液進(jìn)行堿煮即能達(dá)到同等效果。白度、退漿率、毛效均高于常規(guī)堿煮方法。原因可能是等離子體激發(fā)漿料表面層分子，產(chǎn)生氧化降解作用，成為小分子除去[10]，坯布表面會(huì)產(chǎn)生刻蝕而變得粗糙，纖維表面孔隙增大，NaOH更容易進(jìn)入坯布纖維內(nèi)部，進(jìn)行退漿。綜上，選擇NaOH質(zhì)量濃度為8 g/L。

表3 等離子體加堿處理對(duì)坯布性能的影響Tab.3 Effect of plasma and alkali treatment on properties of grey fabrics

2.4 服用性能測試結(jié)果

由表4可以看出，在最佳工藝條件下，經(jīng)等離子體加堿處理后，厚度減小、硬挺度降低，漿膜去除導(dǎo)致織物厚度減小，刻蝕作用使纖維表面出現(xiàn)凹坑和裂紋，纖維之間的抱合力減弱，紗線變的蓬松，纖維黏附力變差，柔軟性變好；另外織物結(jié)構(gòu)是多孔形狀，漿料去除空洞增大，當(dāng)水蒸氣和空氣通過織物時(shí)，阻力減小，透濕性和透氣性增強(qiáng)。

表4 不同處理的試樣服用性能對(duì)比Tab.4 Comparison of wearability of different treated samples

2.5 結(jié)構(gòu)表征

2.5.1 SEM分析

如圖1所示，等離子體處理后纖維表面有較多散碎狀的漿料聚集體，常規(guī)堿退漿后纖維表面雖然光潔但仍有漿料薄層覆蓋在纖維表面，而等離子加堿煮處理后的，纖維表面光潔殘留的聚集體較少，退漿效果最佳。

圖1 不同方式處理棉織物的SEM圖Fig.1 SEM of cotton fabric treated with plasma and alkali

2.5.2 FT-IR分析

如圖2所示，對(duì)比樣品1和6可知，經(jīng)過等離子加堿處理后，2 347.65 cm-1處—CH2峰強(qiáng)度明顯減小，1 720 cm-1處醛基C—O峰、1 635cm-1處羧基—COOH峰以及1 099 cm-1處酮羰基C—O峰均明顯增強(qiáng)，證明等離子體處理導(dǎo)致PVA分子C—O和C—O鍵增加[11]。

1，純PVA坯布；2，未處理的無漿料坯布；3，未處理的PVA坯布；4，堿煮處理PVA坯布；5，等離子體處理PVA坯布；6，等離子體加堿處理PVA坯布圖2 6種試樣的FT-IR圖Fig.2 FT-IR images of six samples

2.5.3 XRD分析

如圖3所示，未經(jīng)處理的棉織物衍射峰的2θ、各峰的寬度和位置未發(fā)生明顯的變化，處理后棉織物的基本結(jié)晶結(jié)構(gòu)未改變，表明低溫等離子體沒有破壞棉纖維的微觀結(jié)構(gòu)。

1，未經(jīng)處理的PVA上的坯布；2，堿煮處理PVA上漿坯布；3，等離子體處理PVA上漿坯布；4，等離子體加堿處理PVA上漿坯布圖3 4種試樣的XRD圖Fig.3 XRD images of four samples

3 結(jié) 論

本實(shí)驗(yàn)使用等離子體加堿處理退漿，等離子體在織物表面產(chǎn)生刻蝕作用，破壞漿膜，使PVA分子鏈斷裂，氧化或降解成CO2和H2O?？涛g作用使?jié){料及纖維表面出現(xiàn)凹坑和裂紋，有利于堿液滲入，實(shí)現(xiàn)高效退漿。最佳工藝條件：放電電極與坯布間距為1 mm，等離子體最佳處理功率為400 W，等離子體最佳處理時(shí)間為15 min，最佳堿煮堿濃度為8 g/L。經(jīng)等離子體加堿處理的坯布透濕性、透氣性增加，斷裂強(qiáng)力、厚度、硬挺度降低。加入少量NaOH處理后白度、毛效以及退漿率皆超過常規(guī)堿煮工藝。