低温等离子体技术在纺织品染色中的应用(上) yd100-02

展义臻 浙江二元控股集团有限公司 浙江杭州 311221

赵雪 浙江庆茂纺织印染有限公司 浙江绍兴 312071

王伟 东华大学化工学院 上海 200051

收稿日期：2007-06-18

作者简介：展义臻（1981-），男，山东青岛人，硕士，在公司技术中心工作

原载：染整技术2007/12；1-4

【摘要】等离子体处理技术能明显提高处理后织物的染色性能。文章主要简述了等腰三角形离子体技术的概念、提高纺织品的染色性能的处理方法、原理及其在各种纤维上的应用。从长远看，等离子体处理在纺织品染中具有广泛的应用潜力。

【关键词】等离子体;纺织品;染色性能

【中图分类号】TS193·8 文献标识码: A 文章编号：1005-9350(2007)12-0001-04

近年来，等离子体技术作为一种清洁、简便、快速、节能的干态加工方式，在天然和化学纤维改性中得到广泛的应用，逐渐引起人们的重视，低温等离子体中的高能活性粒子与纤维表面作用，发生表面处理、接枝聚合等反应，改变了纤维表面的物理形态和化学组成，从而改善了纤维的染色性能[1]。

等离子体是指一种全部或部分被电离的气体，气态物质在热、电等能量的作用下产生不同程度的分子及电子的分离，形成带负电荷的电子和带正电荷的离子等这种包含原子、分子、电子、离子、光子、各种亚稳态和激发态粒子的混合气体即为等离子体。

等离子体大体上分为高温等离子体(平衡等离子体)和低温等离子体(非平衡等离子体)。当电子温度(Te)很高(10⁴-10⁵K)，气体温度(Tg)近于常温，Te远大于Tg，等离子体处于热的不平衡状态，称之为低温等离子体，纺织染整加工主要应用电晕放电和辉光放电产生的低温等离子体。

低温等离子体用于染色加工有以下途径：利用低温等离子体的高反应性，在纤维表面引入亲水基团(如-OH、-SO₃、-COOH)和对染料具有亲和性的基团(如-NH₂)；利用低温等离子体的高活性，在纤维表面生成自由基，从而引发单体在纤维表面接枝聚合，使纤维表面接枝上与染料具有亲和性的基团(如丙烯酸类单体)；利用低温等离子体表面处理的刻蚀作用，使纺织品表面粗糙化，减少对光的表面反射，增加对染料的吸收，提高染色织物的表观深度和染色浓度。

1 等离子体处理棉织物及其染色

棉纤维上含有许多极性的羟基，是一种亲水性纤维，染色性能良好。然而等离子体处理后可通过对棉纤维的刻蚀和纤维表面改性，提高纤维表观深度(K/S)和染料的上染百分率。

氧气在常用的几种低温等离子体改性气体中(如N₂、Ar等)刻蚀效果是最强的，未处理棉织物表面相对光滑，处理1min后表面开始出现凹糟，5min后凹槽和凹坑已经非常明显，而处理lOmin后的纤维表面已经成蜂窝状。经过刻蚀后，织物比表面积的增加引起了织物亲水性和染料透染性的增加，这点对分子结构相对小的活性染料的影响尤为明显[2]。

氧气等离子体处理对棉纤维染色性能的影响主要体现在：氧气低温等离子体刻蚀作用引起的织物比表面积的增加，比表面积的增加有利于染料在纤维中的扩散；氧气低温等离子体处理后羧基等亲水性基团的引入，提高了纤维的润湿性，加快了染料向纤维表面吸附及向纤维内部扩散；等离子体的刻蚀作用使纤维表面粗糙化，提高了增深效应。

但是需要注意的是等离子体的处理产生的刻蚀作用同样会破坏棉织物表面羟基，羟基的损失将不利于染料活性基团与纤维反应，降低棉织物表观染色深度(K/S)和总固色率；而且处理时间较长会引起纤维表面发生交联，同时降低上染速率和平衡上染百分率。

只有选择合适的处理工艺，氧气低温等离子体对棉织物的刻蚀作用以及一些含氧亲水基团的引入才能有利于染色的进行，与棉织物表面反应的气体活性粒子数量和能量也才能有一个良好的配比。例如处理过程中对氧气气压的选择：气压过高，反应腔中的气体分子多，飞行中的电子能量将被损耗许多，到达被处理物表面的电子能量较低，改性效果差；而气压过低，反应腔中的气体分子少，在等离 子体中和被处理物表面反应的气体活性粒子少，改性效果也会差。而且适当的处理工艺可使纤维表面形成众多凹槽，这些凹槽增加了纤维相互间的摩擦力，增大了织物的断裂强力，但这种增大作用是有一定限度的，当刻蚀超过一定程度时，纤维损伤过度，织物整体的断裂拉伸强力随之也会出现下降趋势。

2 等离子体处理麻织物及其染色

麻织物如亚麻、苎麻具有透气、凉爽、舒适等优良性能，深受广大消费者的喜爱。但麻类织物结晶度、取向度高，使得染料难以渗透和扩散，染色性能较差，不易染成深色，在某种程度上制约了亚麻在服用和装饰用高档面料上的应用。以往改善亚麻染色性能多采用阳离子化学改性法、化学接枝法、稀土法、涂料法、添加增深助剂等方法，这些方法可在一定程度上改善亚麻织物的染色性能。但存在成本高、不节水节能、污染环境等弊端并破坏了纤维自身性能，综合效果不理想。

2·1 等离子体表面处理

氧等离子体处理麻织物使织物表面刻蚀、失重，粗糙度增加，纤维表面的微凹坑和裂纹增大了纤维的表面积，增加了对水的吸附性，提高了织物的毛细管效应，改善了润湿性。因为用氧等离子体处理麻织物，纤维表面渗入氧原子，产生自由基，在空气中表面自由基引起氧发生反应，引入羟基、羰基、过氧基等--类亲水性基团，所以提高了织物的亲水性能。并且处理功率越大，引发的高速粒子数量越多，能量也越大，对纤维表面轰击和刻蚀作用加重，使麻纤维 表面结晶度有所下降，从而润湿性得到提高，有利于织物染着浓度的改善"毛细效应随赴理时间延长渐近 最大值，继续延长处理时间毛细效应变化不明显。

纤维表面刻蚀粗糙化及润湿性的改善对纤维的上染百分率及深染性有影响。 增加和织物润湿性的改善直接有关，润湿性越好，有利于染料向纤维内渗透、扩散，从而提高上染百分率。等离子体的高能粒子对苎麻纤维表面的轰击和刻蚀作用增大，使纤维表面粗糙度加大，而纤维表面粗糙化增加了入射光在纤维表面的反复反射和吸收，其结果是提高了纤维对入射光的总吸收，从而产生表观的深色效应。等离子体处理有利于改善麻类织物用直接染料染色的耐洗和耐摩擦牢度，可代替固色剂Y固色处理，减少化学品消耗。需要注意的是低温等离子体处理时间过长，会使纤维表面过度氧化，形成较多的羧基，增大纤维表面所带负电性，导致纤维与阴离子染料之间的静电斥力增加，降低染料与纤维的亲和力；同时会造成纤维无定型区刻蚀程度加深，纤维结晶度增大，使纤维上染百分率下降。对经树脂或柔软剂整理后的麻织物，经等离子体处理，纤维表面被刻蚀，可使纤维与整理剂进一步反应，在纤维表面形成一层更牢固的粗糙膜，大大降低纤维表面对光的反射率，提高织物的深染性。

2·2 等离子体接枝聚合[3]

将脱胶的亚麻织物在一定浓度的丙烯酰胺水溶液中浸渍，然后恒温干燥一定时间，再经氩低温等离子体处理。由于等离子体产生的活性粒子具有很高的能量，撞击纤维表面，在纤维上产生活性点，形成自由基，从而引发单体在织物表面接枝聚合。亚麻试样活性染料染色后的上染率为29.7%，经等离子体引发接枝后的亚麻试样活性染料上染率可达57.8%。接枝不但提高了活性染料的上染率，而且在纤维表面引入了与染料发生作用的基团，提高了活性染料和亚麻织物之间的结合力(氢键或范德华力)，接枝后活性染料的染色牢度有了很好的改善。

麻织物接枝后，在表面引入了丙烯酸支链，由于羧基的吸电子效应，接枝位置上的碳原子的正电性加强，从而使活性染料上的-SO₃，容易向亚麻试样靠近而增加了纤维对活性染料的吸附。活性染料在纤维上的可及度增大，纤维和活性染料能够很好地发生共价键结合；同时也有利于活性染料向纤维内芯扩散，使上染率提高。表面接入较多的羧基在水中电离为负离子也可和活性基团发生共价键结合，同时降低了染料水解的程度，使上染率得到提高，纤维大分子上引进的酰胺基团越多，接枝聚合物的数量就越多，接枝效果就好。

等离子体对亚麻的作用有两个方面：一是使亚麻分子键断裂，形成表面自由基；二是对亚麻表面分子产生刻蚀作用，连同形成的表面自由基，这类似于"逐层剥离效应""在照射初期，最外层分子因断键而生成自由基的速度大于表面刻蚀作用， 此时自由基数量随反应时间的增加而增加，在反应后期刻蚀速度大于自由基的生成速率，因此随时间增加自由基数量减少，从而含氮量出现极值，所以等离子体的处理时间必须控制好，处理时间过长会破坏麻纤维的无定型区，使上染百分率下降。

3 等离子体处理羊毛织物及其染色

羊毛表面结构复杂，表面有鳞片覆盖，呈疏水性质，染液不易润湿，阻碍了染料的吸附和扩散而难以上染。特别是一些亲和力不高的染料，残液中 染料浓度含量高，污水处理较难。因此，羊毛染色一般采用较高温度，染色时间也较长，造成染色时能耗高，对纤维损伤大，尤其在羊毛等电点之外染色时，羊毛纤维损伤更大，手感粗糙，色泽泛黄。目前较常用的几种羊毛低温染色方法，有甲酸法、尿素法、溶剂法、前处理法和表面活性剂法等，虽有一定成效，但均有成本高、污染严重等弊端[4]。

低温等离子体处理技术以其清洁、快速和对羊毛损伤少而倍受关注。采用低温等离子体技术处理羊毛，能使羊毛纤维表层的大分子链断裂，形成离子或自由基，提高纤维表面亲水性，从而改善羊毛染色性能。等离子体处理只作用于羊毛纤维表面极浅的一层，约30-5Onm，从而使纤维原有的优点几乎不变。

低温等离子体处理羊毛，改变了羊毛表面的化学组分，在羊毛表面形成的刻蚀效应，增加了极性基团；同时羊毛表面形成的刻蚀效应，破坏了鳞片层胱氨酸中二硫键，使其断裂形成磺基丙氨酸或氧化后形成硫代磺酸盐，提高了羊毛纤维表面的亲水性和极性，改善了润湿性，提高了染料对纤维的亲和力；由于破坏鳞片层胱氨酸中二硫键，致使羊毛染色壁障被破坏，使染料分子容易进入纤维内部。使染色时的渗透性增强，并且容易吸附染料，因此初染温度降低，染色速率提高。另外，等离子体的物理破坏作用(表面刻蚀)使鳞片变软，染色时纤维容易润湿和溶胀，染料分子容易吸附在纤维表面，并扩散迸入纤维内部，使上染速率明显提高，平衡上染时间大大缩短[5]，同样对处理样颜色光泽起到增深作用。因此，低温等离子体处理可改善羊毛的染色性能，表现在羊毛的初始上染速率提高，固色率增加，但平衡上染率变化不大。

由于羊毛纤维表面鳞片层的阻碍，当染色温度由9O℃降到70℃时，鳞片层的软化和张角的增大需要更长的时间，同时染料的吸附和扩散能力都有所减弱，所以羊毛织物上染速率明显降低，平衡上染时间大大延长，平衡上染率也有所下降。经常压氦气/空气等离子体处理后的羊毛机织物，其纤维表面的鳞片层遭到破坏，同时由于纤维表面形成较多的亲水性基团，加上刻蚀而形成更多的孔道，使染料分子较容易 吸附并扩散进入纤维内部，与纤维分子上的氨基发生反应而固着。因此，低温等离子体处理后，羊毛即使在70℃温度下染色，也能有较快的上染速率，平衡上染时间也大大缩短，平衡上染率比未经等离子体处理的羊毛略高，固色率大幅度提高，颜色也更加鲜艳。

经处理的羊毛织物表观色深(K/S值)明显增大。低温等离子体处理后的羊毛织物表面碳-氧键大大增多，这样就增加了可以与染料分子发生结合的染座，提高纤维对染料的化学亲和力，从而上染率增大，使得羊毛织物的K/S值增大，可使羊毛织物的染色牢度提高1.5级；由于低温等离子体处理后的羊毛纤维表面粗糙化，这使得羊毛织物表面对光的全反射降低，而漫反射增加，产生深色效应，也使得羊毛织物表观色深增大。

4 等离子体处理兔毛织物及其染色

兔毛纤维表面过于光滑，纤维间抱合力差，难以纺纱加工。因此，对兔毛纤维的染色性能也产比了一定的影响。为了改善兔毛纤维的表面性能，以提高其染色性，国内外大都采用过氧化物、硝酸或含汞化合物等化学制剂对兔毛纤维进行处理，但都存在着工艺复杂及"三废"严重等缺点，且处理后纤维的化学与物理性能损伤较严重，故实际使用效果并不理想。低温等离子体处理纺织材料，可改变纤维表面化学结构相形态，并使其染色性能也发生相应的变化[6]。

低温等离子体处理过的兔毛纤维上染百分率比未处理过的明显增加，且在一定范围内，上染百分率随着低温等离子体处理时间的增加而提高。但当上染百分率增加到一定数值时，其不再增加，略有下降。这说明兔毛纤维经一定时间低温等离子体处理后，表面形态已得到了改变，上染百分率逐步达到最大，此时再增加时间，上染率已无大的变化，经低温等离子体处理后，兔毛纤维初染速率、平衡上染百分率都高于未处理的兔毛纤维。这是由于经低温等离子体处理后的兔毛纤维，受到高能活化粒子的作用，改变了纤维表面的物理形态及化学组成，增大了染料与纤维之间的作用力，有利于染料的吸附，提高了染料的上染率；同时经低温等离子体处理后，在兔毛纤维表面又引入了更多的亲水性基团，提高了纤维的吸附性，从而有利于染料向纤维内扩散。根据菲克定律，提高染浴与纤维表面的染料浓度梯度和染料向纤维内扩散的系数，就能提高染色速率，缩短染色时间，提高上染百分率。在温度为40℃到60℃染色时，未处理过的兔毛纤维上染率很低，特别是40℃，平衡上染百分率仅为6%；而经低温等离子体处理后的兔毛纤维花此条件下染色，上染百分率明显高于未处理的纤维。这说明经低温等离子体处理后，由于兔毛纤维表面化学结构的改性，使之在较低温度染色时也有一定的上染率，这样就提高了兔毛纤维的实用性。 (未完待续)