低温等离子体在染整加工中的应用

低温等离子体在染整加工中的应用前言：目前，纺织染整工业生产仍以湿加工为主，不但需耗用大量的水，而且带来污水公害问题。而作为染整清洁工艺生产的新技术等离子体技术，是干式反应体系(气体体系处理)，节水节能、环境污染和公害少，操作简单且易控制。而且处理仅涉及纤维的表面，不破坏纤维自身的性质，理论上可应用于各种纺织品基质物。因此，可以说等离子体技术迎合了生态纺织品发展的呼声，正越来越受到人们的重视。等离子体技术在纺织上的应用始于上世纪50年代，我国从上世纪80年代开始对等离子体处理纺织品进行研究。在印染工业中，等离子体技术可用于织物的上浆、退浆和麻的脱胶、羊毛的防毡缩、织物的轧光、合成纤维的亲水化外理等诸多领域。等离子体处理也可以改进纤维的染色和印花工艺。近年来，也有人将等离子体处理用于织物的阻燃、防皱和卫生等功能性整理[1]。1本概念和相应理论1.1概念：等离子体技术随当代高技术的发展应运而生，作为一个学科交叉的前沿研究领域，自兴起以来的短短20多年中，已在化学合成、新材料的研制、表面处理等领域开拓出一系列新技术、新工艺。等离子体这一新的存在形式是经气体电离产生的由大量带电粒子和中性粒子所组成的体系，是含有离子、电子、自由基、激发态分子和原子，总的正负电荷取相等，不发生静电中和反应，并表现出集体行为的一种准中性电离气体，继固、液、气三态之后列为物质的第四态-等离子态[2]。1.2染整加工中的应用：在纺织加工过程中，等离子体可作用于织前的上浆过程，使纱线上浆均匀；在印染前处理过程中，等离子体技术能够优化织物的退浆、精练，提高前处理效率，还可以改进染色和印花工艺，使工艺高效、经济、环保；在后整理过程中，等离子体处理对织物抗静电性、抗起毛起球性、易去污性、拒水拒油性等有显著的效果。同时等离子体处理与其它整理剂结合使用，可以提高整理剂的功效及功能整理的效果。1.3分类：等离子体可按其压力、带电荷粒子密度和温度等进行分类。在一般情况下，可将等离子体分为高温等离子体和低温等离子体。前者又称为平衡等离子体，其电子和分子或原子类粒子都具有非常高的温度;后者又称为非平衡等离子体，其电子和分子或原子类粒子具有的温度是不同的，电子温度仍然很高，而分子或原子类粒子的温度却较低，低温等离子在纺织染整中的应用最为广泛[3]。1.4产生方式：①，电晕放电（低频放电）在大气压条件（空气介质和通常的气压）下产生的弱电流放电称为电晕放电。它是一种高电场强度、高气压（一个大气压）和低离子密度的低温等离子体。在对两个电极施加一高电压时便产生电晕放电。两极间产生的电火花被绝缘体阻断，为了引起电晕放电，就必须在其中的一个电极保持高电场，而电子在高电压下沿绝缘板方向加速。电晕放电产生的等离子体中含有电子、离子、自由基、激发分子和未反应的分子。由于介质是空气，在等离子体中还会形成臭氧和三氧化二氮分子，它们与纤维材料表面作用不仅会产生相关的自由基，还会对纤维材料氧化，增加极性基团、发生改性。②，辉光放电辉光放电又称高频放电，是产生等离子体的另一种重要方法。它处在电晕放电与微波放电之间的中间范围，比电晕放电的电场强度高，气体压力则大，也是一种低温等离子体。与电晕放电相比，除了放电介质不同外（电晕放电的介质是空气，而辉光放电的介质可根据反应需要而选择），辉光放电的电子能量更高些，因为气压低，它与气体分子碰撞的机会少，速度减慢较小。这意味着辉光放电产生的活性因子（电子等）渗透性较电晕放电要强，对被处理物的表面改性会更加强烈些[4]。2内外研究状况低温等离子体处理可用于各种纤维、纱线、织物的表面改性，对纤维基体的内部影响小，不损伤纤维原有性能。清洁、快捷、无污染、成本低,在当今倡导清洁和绿色生产、节约资源的形势下,低温等离子体处理技术以其无需化学品、无需耗用大量水和能源、无需进行高成本废水处理和对环境友好的优势，在纺织工业中具有广阔的应用前景和市场。近年来国内外都在努力加强等离子体技术在纺织领域的应用研究[5]。2.1国外研究概况：早在70年代，美国、法国、日本、波兰、前苏联等国都先后致力于低温等离子体技术方面的研究，他们走的都是真空放电工艺路线。前苏联伊万诺夫Niekmi研究所采用真空辉光放电技术，于上世纪90年代中期开发了一系列工业用等离子体设备，在ITMA’99（巴黎）展上推出了与欧洲几家纺机厂如意大利Intex、瑞士Looptex公司等合作开发的低温等离子体KPR180机型，用以处理羊毛织物，以替代氯化羊毛，达到了机可洗产业化水平。最近又开发出KPR270机型，主要用于提高织物复合的粘结力。该设备报价80万美元。意大利Mezzera公司最近推出KPR型等离子体处理设备，用于织物前处理退浆，可有效地切断织物上浆料的分子链而使浆料容易洗去，不仅提高了织物的上染率和色牢度，而且可大大缩短前处理水洗设备的流程，减少废液排出。该设备现为中试阶段。最近，日本山东铁工所也研制成功低温等离子体干法连续退浆煮练设备，尚未正式投产，且存在反映室内有长花、密封辊易被飞毛污染等问题尚未得到完满解决。以上均是用真空辉光放电产生等离子体方式，设备制造要求高，又是间歇式生产，产量也不高，即不能连续处理而生产效率低[6]。2.2国内研究概况：国内虽有不少大专院校和科研院所在研究低温等离子体技术，但大多数停留在实验室机理研究或小试阶段，尚未见到有生产设备的报道。东华大学国家染整工程技术研究中心引进比利时Europlasma公司的RolltoRoll400生产型样机一台，在此设备上进行了羊毛织物防毡缩、羊毛低温染色、羊毛印花、提高难染纤维涂料印花性能等研究，取得可喜成果。上海市纺织科学研究院从上世纪70年代开始从事低温等离子体技术的研究，并于1986年研究成功便于工业化生产的常温常压下介质放电产生低温等离子体技术，先应用于处理兔毛，于90年代初期即又应用于处理羊毛。羊毛经低温等离子体处理后，可提高可纺支数、降低纺纱断头率、提高生产效率。近年该技术又应用于棉纺、染整等工艺领域。该院的低温等离子体技术从上世纪90年代初期就居世界先进水平，现在仍属世界先进水平，但由于近几年纺织行业普遍缺乏投资能力，推广应用很不理想。如果能得到有关部门的支持和资金投入，或者找到国外合适的合作伙伴，进一步加以开发和扩大应用（或许可以向国外技术输出），前景看好[7]。2.3国外应用情况：1973年，美国SAC(surfaceactivationcompany)公司与UnitedDyeWorks最先合作开发了_一条用于涤纶织物加工的等离子体生产线，处理织物幅宽1．8m，运行速度45.7m／min。加工产品有舒适的吸湿眭，还有防污和耐洗涤剂等性能。比利时Europlasma公司自1994年开始生产纺织工业用低压等离子体设备，工作幅宽40～180cm。上海某电子元件公司、东华大学国家染整工程技术中心、中国纺织科学研究院先后购买了该等离子体处理设备，取得了理想的成效。2001年，由爱尔兰等离子公司、瑞典织物和聚合物技术研究院(IFP)等科研机构与6家企业合作开发了对非织造布及织造布常压等离子体处理的高速连续生产线，成功地研制出了低温等离子体生产系统PI—AP100。目前已在瑞典、德国和西班牙安装运行[8]。目前，德国Freudenberg公司采用两台常压等离子体设备建立了一个装配良好的中试车间，用以进行大面积被处理物的连续整理，设计宽度1m。美国的Plasmatreat公司和德国Diener电子公司也分别研制了可用于纺织行业的低温等离子体设备。其中Henniker的产品属于低压等离子体设备，至今已成功开发Pico、Tetra等4个系列产品，设备处理空间最高达12600L。2.4国内应用情况：北京印刷学院的葛袁静等将等离子体表面处理技术推广应用到我国的邮票印刷工艺中，这是低温等离子体技术在我国工业界获得应用的成功案例之。.我国是一个纺织品出口大国,提高纺织品的品质对我国的国民经济意义重大。低温等离子体处理纺织品或纤维材料可以改善它们的浸润性、可印染性、柔软性、防缩水性、可编织性等性能。林立中介绍了一种他们发明的可以用于纤维材料处理的直流辉光放电等离子体装置。孙宁等采用X射线衍射和扫描电子显微镜，研究了聚酯纤维在低温等离子体处理后晶格结构和表面形态方面发生的变化。李敏等用射频氧等离子体处理细旦涤纶,提高了上染率,可以减少印染工艺中污染物的排放,有利于环境保护。陈杰瑢等报道了他们在各种织物等离子体处理方面的研究进展。他们认为，低温等离子体对纤维的处理可以起到大幅度节水、节能和环保的作用,是21世纪最有可能开发的革新技术[9]。3同材料织物的低温等离子技术的应用利用低温等离子体处理活化纤维表面,使之能和后处理的各类整理剂(或单体)发生反应,使整理剂(或单体)牢度地固着在织物上,或者将浸轧整理剂(或单体)的织物用低温等离子体处理,直接引发纤维与整理剂(或单体)发生反应,其作用相当于焙烘.在反应性、处理效果的耐久性、减轻纤维损伤及环境保护方面,低温等离子体处理更具优势[10]。3.1对棉织物的应用棉纤维用低温等离子体处理后可改善其粘合性、接枝聚合性及染色性能。原棉纤维在经低温氧等离子体处理时，等离子体中大量基态氧和激发态氧原子等活性粒子将能量传递给棉纤维表面初生胞壁中的分子，使棉纤维表面的伴生物蜡脂、果胶在高能粒子轰击下脱离表面，引起失重．并在棉纤维表面留下许多深浅不同的凹坑，引起棉纤维的表面刻蚀[11]。同时，大量氧活性粒子能使棉纤维表面氧化、接枝，从而使棉纤维吸水性增强。尺寸稳定性等许多方面能获得不同程度的改善，低温等离子体除去布匹表面的棉蜡及织物表层夹杂物，使得染料更易附着在布匹纤维上，使染色更加牢固的前处理方法[12]。等离子体通过对布匹进行30-300S左右的处理，可达到甚至超过湿法漂白棉纤维的精炼效果，从而使精炼的效果大大提高，同时干式精炼法具有节水无污染的突出优点。低温等离子体用于棉针织物的前处理加工，属于非水干式加工，是通过物理溅蚀或化学改性提高天然杂质水溶性的方式，达到去除棉纤维上果胶、蜡质等天然杂质的目的，符合当今节能、降耗、清洁生产的发展方向[13]。3.2对羊毛织物的应用羊毛纤维表面具有鳞片结构，纤维的弹性也很好，因此在洗涤或湿加工时产生定向摩擦效应，而使纱线和织物发生毡缩。为了改善羊毛纺织品的这种毡缩性能，通常是通过各种化学处理，破坏鳞片结构或树脂包覆鳞片来减少洗涤或湿处理过程中的定向摩擦作用，改善羊毛纺织品的防毡缩性能。不过化学处理方法存在不少问题。由于低温等离子体处理的特点，不少科研人员研究用这种方法来改善羊毛的防毡缩性能[14]。3.3对涤纶织物的应用涤纶和羊毛一样，等离子体处理以后纤维的润湿性大大改善，特别是用氦气/氩气等离子体处理后，水渗透时间大为缩短，这是由于纤维表面形成了较多的极性基团，提高了纤维的表面能，所以容易被水润湿，同理也容易被粘着。涤纶用等离子体处理后可以获得持久的亲水性、抗静电性，染色性能、粘着性能等也可得到改善。半制品织物先进行等离子体处理，然后进行染色或整理等加工，可以改善染色和整理加工性能。同时，染色织物进行等离子体处理，主要进行表面刻蚀，增加颜色深度，并提高整理时的反应性，还可以改善粘着性、抗静电性和亲水性等。另外，染色和整理后的织物进行等离子体处理，改善颜色深度，提高抗静电性、亲水性等[15]。3.4对真丝织物的应用真丝织物因具有优雅的光泽,柔软的手感,轻盈飘逸的风格,对人体具有保健功能和优良的穿着舒适性能而倍受消费者青睐。但真丝织物因在穿着使用过程中存在着弹性差、易起皱、易泛黄、抗菌性差、易起茸毛等缺点,从而在很大程度上限制了真丝织物的使用。在物质生活变得越来越丰富,生态和健康问题已成为人们普遍关注焦点的今天,研究和生产有益于人类生态和健康的真丝纺织品,已成为当今世界发展的潮流。因此,开发具有优良抗皱、抗菌性能的真丝织物具有广阔的市场前景。近年来,随着对纺织品服用性能要求的提高,对真丝织物进行抗皱、抗菌整理已成为真丝织物整理技术发展的趋势[16]。采用低温氧等离子体对真丝织物进行预处