PLA纤维的低温等离子体改性yd12901
李亮 盐城纺织职业技术学院江苏盐城 224001
收稿日期：
作者简介：李亮(1984-)男,江苏盐城,长期从事纺织品的功能整理与染整助剂开发
原载：染整技术2010/10；9-12
【摘要】将低温等离子体应用于聚乳酸(PLA)纤维的改性,研究了等离子体处理时间、处理功率对纤维表面得色深度、强力、吸湿性、摩擦牢度的影响并浅析了其原因;对等离子体处理前后织物的红外分析表明,处理后织物含有较多极性基团。
【关键词】PLA纤维;等离子体;改性;染色性能
【中图分类号】TS195.54 文献标识码:A 文章编号:1005-9350(2010)
1 前言
聚乳酸纤维(po1y1actic Acid Fiber.简称PLA)是采用可再生的玉米、小麦等淀粉原料经发酵转化成乳酸,然后经聚合、溶液或熔融纺丝而制成的纤维,是第一个完全来自于可再生资源的人造纤维,兼有天然纤维和合成纤维的特点。以聚乳酸纤维制得的布料具有真丝的光泽,优良的手感、亮度、悬垂性、吸水性、形状保持性及抗皱性,穿着舒适,并具耐穿性、抗皱性、抗紫外线和导湿作用,并能释放人体气味等特性,是较理想的面料。但是聚乳酸纤维染色性能不佳,尤其是染深色比较困难[1,2]。
等离子体表面改性是一种完全不用水的干式改性方法,快速、高效、无污染,操作简单,节省能源,只引起被处理物表层的物理或化学变化,不改变纤维基体的优良性能,同时赋予纤维新的特性。使用低温等离子体对聚乳酸纤维进行处理,可改变其染色性能。
2 实验
2.1 实验材料料、仪器
聚乳酸机织物:42s×42s
H-12高温快速染色机(南通三思),HD026N+电子织物强力仪(南通宏大),JN-DB常压等离子体实验仪(江南大学),Data Co1our 6O0测色配色仪(美国Dataco1or),Y571B摩擦牢度测试仪(南通三思),FTIR-650傅里叶变换红外光谱仪(天津港东)。
2.2 实验方法
(1)工艺流程:
浸湿织物→精练→热水洗(60℃×5min)→冷水洗→烘干(70℃×6min)→冷却
(2)处方:
碳酸钠
精练剂
浴比 1∶50
温度
时间 40min
(1)工艺流程
(2)染色处方:
|
分散染料(o.m.f)% 匀染剂(g/L) pH值(醋酸/醋酸钠) 浴比 |
X 1 5 1∶100 |
(3)皂洗处方:
|
皂片 碳酸钠 保险粉 浴比 温度 |
1:
100 |
(1)织物强力测试
拉伸断裂强力按GB/T3923,1-1997进行测试,织物撕毛边,有效测试宽为
(2)织物得色深度的测试
试样折四层,每个试样测3次取平均值。按GB/T8424-1987进行测试。
(3)织物的红外光谱分析(FTIR)
未处理、处理未染色聚乳酸织物,剪成粉末与KBr混匀压片,测试其红外光谱曲线。
(4)摩擦牢度的测试
干湿摩擦牢度按GB/T3920-1997《纺织品色牢度实验耐摩擦色牢度》进行测试。
3 结果与讨论
3.1 低温等离子体处理时间对聚乳酸纤维性能的影响
为考察等离子体处理时间对聚乳酸纤维性能的影响,分别测试了不同处理时间下织物的润湿角、强力及色织物K/S值,见下表1
表1 低温等离子体处理时间对聚乳酸纤维性能的影响
|
处理时间/s |
润湿角/度 |
强力/N |
色织物K/S值 |
|
0 |
76 |
684.4 |
3.1564 |
|
1 |
69 |
626.3 |
3.1968 |
|
2 |
79 |
591.2 |
3.1201 |
|
3 |
80 |
585.5 |
3.1088 |
|
4 |
80 |
580.7 |
3.0967 |
|
10 |
81 |
578.1 |
3.0790 |
|
0 |
76 |
684.4 |
3.1564 |
|
1 |
72 |
668.2 |
3.1884 |
|
2 |
70 |
649.6 |
3.2226 |
|
3 |
69 |
633.1 |
3.3002 |
|
4 |
71 |
625.3 |
3.1613 |
|
5 |
73 |
589.7 |
3.1595 |
|
6 |
76 |
581.9 |
3.1491 |
|
7 |
80 |
580.5 |
3.1061 |
|
10 |
81 |
576.1 |
3.0788 |
注:处理功率为100W,染料为分散蓝2BLN,o.m.f为2%
从表1可以看出,经等离子处理后,织物的吸水性增加,但吸水性增加主要发生在前1s,处理时间大于1s后,吸水性不但不增加,反而比未处理的低,这是因为:处理时间小于1s时,等离子体在表面的刻蚀可以形成较多的极性基团,提高了纤维的表面能,使得织物比较容易被润湿,但处理时间大于1s后,过剧烈的氧化分裂反应使纤维的分子链可能发生了交联作用,限制了水的渗透,吸湿性降低。
从表1可以看出,随着处理时间的增加,聚乳酸纤维的强力逐渐下降,在0s至2s之间,强力变化比较明显,而在处理时间超过2s后,其强力变化比较平缓。这是由于：等离子体对纤维进行轰击,在纤维表面发生剧烈氧化反应,形成刻蚀,必然会破坏纤维中的分子链段,这使得织物在外力作用下,承受力的聚乳酸分子链数目变少,应力更集中,从而导致纤维强力的下降；同时,刻蚀主要发生在织物的表面,不会深入到纤维的内部,处理一段时间后,表面的刻蚀饱和后,强力不再发生变化。
从表1还可以看出,低温等离子体的处理时间对染色深度影响较大,随着处理时间的增大,织物染色后K/S值呈现先增大后减小的趋势,处理时间为1s时其K/S值最大;在处理时间为1-2s时,织物染色后K/S值变化较大,处理时间超过2s后,随着处理时间的增大,织物染色后K/S值逐渐减小,但K/S值变化不大。这是由于：织物经等离子体处理后,等离子体中的分子、原子和离子渗入到纺织材料表面,材料表面的原子逸入等离子体中,这使纤维表面大分子链断裂,从而使纤维受到等离子体粒子的刻蚀[3],即在织物表面形成大量的微小凹坑或裂纹,可以提高织物表面对光的吸收效率,从而起到增深作用。但处理时间过长,等离子体在表面发生过度的氧化反应,织物表面疏水性增强,反而不利于染料对纤维的吸附上染,表面得色深度下降。故低温等离子体的处理时间控制在较短时间内,选择1s为宜。
3.2 低温等离子体处理功率对聚乳酸纤维性能的影响
测试了不同处理功率下色织物K/S值和强力,测试结果见下表2
表2 等离子体处理功率对聚乳酸纤维性能的影响
|
处理功率/W |
色织物K/S值 |
强力/N |
|
0 |
3.3993 |
685.2 |
|
300 |
3.4022 |
626.5 |
|
400 |
3.3719 |
603.7 |
|
500 |
3.3436 |
586.1 |
|
600 |
3.3235 |
583.8 |
|
700 |
3.2570 |
580.9 |
|
800 |
3.2245 |
575.3 |
注:处理时间为1s,染料为分散蓝2BLN,o.m.f为2.5%
从表2可以看出,在处理功率为300W时,织物K/S值高于未处理试样,处理功率大于300W时,随着处理功率的增加,织物表面的得色深度逐渐下降。这是由于：处理功率为300W时,在较短的时间内,等离子体在织物表面形成大量的微小凹坑或裂纹,可以提高织物表面对光的吸收效率,从而起到增深作用;处理功率的增加,等离子体在织物表面发生氧化反应程度加剧,在纤维表面形成的极性基团的数目加剧,这不利于染料在纤维表面的吸附着色,表面得色深度逐渐下降。
从表2还可以看出,随着处理功率的增加,织物的强力逐渐下降。这是因为处理功率的增加,等离子体在织物表面发生氧化反应程度加剧,纤维分子链分子断裂程度也就增加,表现为强力的降低。因此,采用等离子体对玉米纤维处理时,适宜在低功率下进行。
3.3 低温等离子体对聚乳酸纤维摩擦牢度的影响
为考察经等离子体处理后色织物的摩擦牢度,分别测试了不同处理条件下织物的摩擦牢度,见下表3
表3 不同处理条件对摩擦牢度的影响
|
处理条件 |
摩擦牢度/级 |
||
|
湿摩擦 |
干摩擦 |
||
|
未处理 |
5 |
5 |
|
|
处理功率300W |
时间1s |
5 |
5 |
|
时间5s |
5 |
5 |
|
|
处理功率400W |
时间1s |
5 |
5 |
|
时间5s |
5 |
5 |
|
|
处理功率5O0W |
时间1s |
5 |
5 |
|
时间5s |
5 |
5 |
|
注:染料为分散蓝2BLN,o.m.f为2%
从表3可以看出,处理前后织物的摩擦牢度变化不大。这是因为：分散染料的摩擦牢度本身就很高,等离子体在表面产生刻蚀后,在纤维表面产生了凹坑和裂纹,虽然增加了织物的表面摩擦系数,但不足以使分散染料从织物上脱落下来。
3.4 低温等离子体对聚乳酸纤维的化学结构的影响(红外分析)
对整理前后织物进行红外分析,测试结果如下图1
|
|
|
A为未处理棉织物B为处理后织物 单位(cm-1) |
|
图1处理前后织物的红外光谱 |
整理后织物的红外能够反应织物的化学结构变化情况。图3.4是处理前聚乳酸织物和处理后聚乳酸织物红外曲线,在曲线A中,2947.5cm-1,3001.5cm-1处为PLA纤维的烷基的C-H伸缩振动吸收峰:1090.7cm-1和1041.6cm-1处为PLA纤维中酯基的-C-O伸缩振动吸收峰。在1772.2cm-1处出现强的吸收峰,为PLA纤维的-C=O官能团的伸缩振动吸收谱带[4-5]。
比较处理前后织物的红外曲线可以发现:处理后织物在1772.2cm-1,1090.7cm-1,1041.6cm-1和1216.2cm-l处的吸收强度均增加,这表明经等离子体处理后,织物上的酯基数目增加了;在吸收峰为500cm-1至1000cm-1之间,处理后织物的红外曲线的吸收强度比处理前小,869.1cm-l,758.3cm-1处吸收强度的下降表明织物中-CH2数目的减少。这表征了低温等离子体在聚乳酸表面的产生的氧化反应,产生了大量的极性基团。
4 结论
(1)采用低温等离子体对聚乳酸处理,为得到增深效果,其处理时间应控制在较短时间内,并选择较低的处理功率。
(2)采用低温等离子体对聚乳酸处理,会导致织物的强力的下降。
(3)经等离子处理后,可以提高织物的吸水性,但处理时间过长不利于提高吸湿性
(4)处理前后织物的红外曲线表明处理后织物表面产生大量的酯基。
参考文献
[1]Cicero JA, Dorgan J R, Physica1 properties and fiber morpho1ogy of
po1y1actic acid obtained from continuous two-step me1t spinning[J]Journa1 of
Polymers and the Environment, 2001, 9(1);1-10
[2]Huda M S, Mohanty A K, Drza1 LT,et a1.,″Green″ composites from recyc1ed ce11u1ose
and po1y(1actic acid):Physico-mechanica1 and morpho1ogica1 properties
eva1uation[J]Journa1 of Materia1s science, 2005,40(16);4221-4229
[3]宋心远.染整新技术[M]上海:中国纺织出版社,1999;43-46
[4]董炎明,高分子材料实用剖析技术[M]北京:中国石化出版社,1997;156-189
[5]李占双,景晓燕等.近代分析测试技术[M]哈尔滨:哈尔滨工程大学出版社,2005;3O6-326