常壓等離子體處理對(duì)PVA薄膜溶解性能和棉織物退漿效果的影響研究.pdf

1、聚乙烯醇(PVA)在紡織工業(yè)中被廣泛用作上漿劑。經(jīng)PVA上漿的棉織物必須經(jīng)過退漿處理，以滿足后續(xù)加工(染色、印花、整理)要求。目前常用的退漿方法是使用熱水在棉織物表面洗脫P(yáng)VA，有時(shí)加入燒堿或氧化劑如H2O2等，該方法不僅耗能高，廢水排放量大，而且排出的廢水中含有大量的PVA和化學(xué)助劑，造成環(huán)境污染嚴(yán)重，不符合當(dāng)今環(huán)保的要求，不利于產(chǎn)品的可持續(xù)發(fā)展，因此有利于生態(tài)環(huán)境的低溫等離子體在紡織制品染整加工中的應(yīng)用研究引起人們極大關(guān)注。如果能將

2、低溫等離子體運(yùn)用于紡織工業(yè)的退漿工藝，在退漿工藝階段就實(shí)現(xiàn)對(duì)PVA的降解，不僅能大大減少化學(xué)助劑用量和PVA廢水的排放，還能降低能耗和減少用水，具有重大的環(huán)境效益和經(jīng)濟(jì)效益。
　　 然而，過去大多數(shù)等離子體處理過程都是在低壓下進(jìn)行，這不僅需要昂貴的真空體系，而且由于要抽真空，不能實(shí)現(xiàn)在線處理，使得較低附加值的紡織品一類的產(chǎn)品成本過高，難以實(shí)現(xiàn)工業(yè)化處理。與之相比，國(guó)際上最近幾年來正在積極開發(fā)的常壓非平衡低溫等離子體技術(shù)，不需要抽

3、真空，因此可以實(shí)現(xiàn)處理過程連續(xù)化。到目前為止，進(jìn)入市場(chǎng)的常壓等離子體處理設(shè)備中，主要有兩種，即介質(zhì)阻擋放電(DBD)和噴射式等離子體(Plasma Jet)。DBD為電容式，被處理物必須通過兩塊極板中的狹縫。而噴射式等離子體的活化氣體是在噴頭里產(chǎn)生，然后噴出來和被處理物接觸。
　　 常壓等離子體處理過程中和低壓等離子體處理的一個(gè)很大區(qū)別在于試樣置于外界大氣環(huán)境中，會(huì)吸收外界環(huán)境中的水分而使材料保持一定的回潮率。而對(duì)于以往的低壓等

4、離子技術(shù)，試樣在處理前需要被干燥以達(dá)到所需的真空度，所以不需要考慮水分的存在對(duì)處理效果的影響。水分子的存在使常壓等離子體的成分及其和被處理物之間的相互作用變得更為復(fù)雜。也使得材料的微觀結(jié)構(gòu)和各種物理機(jī)械性能發(fā)生改變，從而影響等離子體的處理效果。
　　 PVA是一種水溶性聚合物，在液態(tài)水存在或高濕度環(huán)境下，其大分子鏈發(fā)生松弛，內(nèi)部結(jié)構(gòu)及性能明顯改變，當(dāng)PVA的含水率提高到10％以上，其玻璃化溫度由68℃降至20℃以下?？梢姡謱?duì)

5、PVA內(nèi)部結(jié)構(gòu)和本身物理機(jī)械性能有很大的影響。近年來，國(guó)內(nèi)外有關(guān)常壓等離子體技術(shù)對(duì)棉織物上PVA漿料的去除有過不少研究。但是，有關(guān)水分對(duì)常壓等離子體退除PVA漿料效果的影響方面目前還尚未有報(bào)道。
　　 本課題采用本實(shí)驗(yàn)室最近從國(guó)外引進(jìn)的噴射式常壓非平衡低溫等離子體發(fā)生器和中科院研發(fā)的介質(zhì)阻擋放電裝置，從PVA薄膜到PVA上漿的棉織物系統(tǒng)地研究常壓等離子體射流對(duì)棉織物退漿效果的影響，并探討薄膜和織物中存在的水分對(duì)PVA刻蝕、溶解性

6、能的影響及其對(duì)棉織物本身表面和力學(xué)性能的影響。通過一系列的表面分析測(cè)試方法，如掃描電子顯微鏡(SEM)、原子力顯微鏡(AFM)、傅立葉變換紅外光譜(FTIR)及其X射線光電子能譜(XPS)等表面形態(tài)和化學(xué)分析方法探測(cè)PVA薄膜及其織物表面發(fā)生的物理和化學(xué)變化，通過動(dòng)態(tài)力學(xué)熱分析(DMA)和X射線衍射(XRD)等方法來測(cè)定等離子體處理后PVA薄膜內(nèi)部微觀結(jié)構(gòu)的變化，通過測(cè)量薄膜和上漿棉織物的刻蝕失重率及其溶解率來分析等離子體的直接刻蝕效果

7、和對(duì)后道水洗退漿效果的影響，通過芯吸高度和白度等測(cè)定方法來表征處理后棉織物吸濕性能和白度的變化，通過測(cè)定棉紗的拉伸強(qiáng)力和棉織物的低應(yīng)力機(jī)械性能及其表面性能來分析等離子體退漿對(duì)織物本身的影響。
　　 首先，本文研究了常壓射流等離子處理工藝參數(shù)(氣氛、流量、功率、時(shí)間、噴頭與薄膜距離、回潮率和墊層)對(duì)PVA薄膜刻蝕速率的影響。發(fā)現(xiàn)經(jīng)等離子體處理后，刻蝕速率隨功率、氧氣流量、氦/氧混合氣體流量及其薄膜回潮率的增加而增加；隨處理時(shí)間和氦

8、氣流量的增加先上升后下降；隨噴頭與被處理樣的距離增加而下降，當(dāng)距離超過6mm，刻蝕速率幾乎為0。研究還發(fā)現(xiàn)，不同墊層(塑料片、鋼片和鋁板)導(dǎo)熱性能對(duì)刻蝕速率影響很小。在常壓等離子體刻蝕作用下，PVA薄膜表面變得粗糙，表面氧元素含量增加，從而導(dǎo)致極性基團(tuán)含量增加，薄膜吸濕性能提高。
　　 其次，為了研究水分對(duì)等離子體處理過的PVA薄膜溶解性能的影響，本文采用常壓射流等離子體處理裝置對(duì)回潮率分別為2.5％、9.3％和78.3％的PV

9、A薄膜(在相對(duì)濕度分別為10％、65％和98％的環(huán)境中平衡24小時(shí))進(jìn)行處理，在氦氣中加入氧氣作為工作氣體，處理時(shí)噴頭溫度約為60℃，處理功率為100W，處理速度為2mm/s。處理過程中采用塑料片、鋼片和鋁板三種導(dǎo)熱系數(shù)不同的墊層，研究由此引起薄膜表面聚積溫度的高低對(duì)處理后薄膜表面形貌的不同變化和對(duì)溶解性能大小的影響?？紤]到由于加熱引起的結(jié)晶度變化對(duì)處理效果可能造成的影響，我們對(duì)PVA薄膜退火處理，并與等離子體處理效果進(jìn)行比較。發(fā)現(xiàn)經(jīng)等

10、離子體處理后，相對(duì)濕度為65％和98％的試樣含氧量增加，而相對(duì)濕度為10％的試樣略有下降；與相對(duì)濕度(10％和65％)較低的試樣相比，相對(duì)濕度為98％的試樣溶解性能最差。尤其經(jīng)塑料片墊層處理過的薄膜更是如此。溶解性能的下降主要是由于水分增塑作用下，PVA薄膜的玻璃化溫度遠(yuǎn)低于處理薄膜的表面溫度，經(jīng)等離子體高能粒子轟擊后，裂解形成的小分子鏈段在無定型區(qū)重新排列，PVA薄膜表面發(fā)生重結(jié)晶，結(jié)晶度明顯增加引起的，這點(diǎn)可以由SEM和XRD測(cè)試得

11、到驗(yàn)證。
　　 為了研究水分對(duì)等離子體處理后織物的退漿效果，本文選擇含PVA漿料的棉織物作為模型，在相對(duì)濕度分別為10％，65％和98％的大氣環(huán)境中平衡24小時(shí)后，將棉織物置于鋁板上，采用氦/氧常壓射流等離子體處理，再經(jīng)水洗，水洗溫度為60℃。研究表明，處理后棉織物的退漿率增加，退漿時(shí)間縮短，在同樣的處理?xiàng)l件下，相對(duì)濕度為10％的棉織物退漿效果最佳，該織物經(jīng)64s等離子體處理后水洗20分鐘纖維表面幾乎和未上漿織物一樣干凈。棉織物

12、退漿率的提高主要是由于等離子體的刻蝕失重和PVA大分子鏈斷裂及含氧極性基團(tuán)含量增加引起的。在等離子體高能粒子作用下，棉纖維表層覆蓋著的蠟質(zhì)、果膠等共生物發(fā)生氧化分解反應(yīng)，織物的吸水性得到改善。此外，等離子體處理后織物的單紗強(qiáng)力均沒有下降。
　　 在研究了常壓等離子體射流對(duì)PVA漿料去除效果后，本文進(jìn)一步探討了棉織物經(jīng)等離子體退漿處理引起的低應(yīng)力機(jī)械性能及其表面性能變化。在等離子體的刻蝕作用下，棉纖維表面變得粗糙，三種相對(duì)濕度的棉

13、織物表面性能包括表面摩擦和表面粗糙度均有所增加，其中相對(duì)濕度為98％的試樣粗糙度最大，這點(diǎn)由AFM測(cè)試結(jié)果得到驗(yàn)證。增加的表面粗糙度進(jìn)一步加大了纖維或紗線間的摩擦，阻礙了織物的應(yīng)力變形及其變形回復(fù)能力，從而導(dǎo)致棉織物的低應(yīng)力機(jī)械性能(拉伸、剪切和壓縮性能)增大。
　　 最后，本文還研究了介質(zhì)阻擋放電(DBD)中處理時(shí)間對(duì)上漿棉織物前處理效果的影響，并與常規(guī)前處理工藝進(jìn)行比較。四組試樣分別經(jīng)氬氣/氧氣等離子體處理1、2、4和6分鐘

14、，再經(jīng)熱水和冷水洗滌，水洗溫度分別為60℃和25℃。研究表明等離子體處理時(shí)間對(duì)刻蝕以及退漿效果有顯著影響。通過SEM觀察發(fā)現(xiàn)處理后棉織物表面的PVA漿料被打碎，隨著處理時(shí)間的延長(zhǎng)，纖維變得粗糙甚至出現(xiàn)裂痕。織物的熱水洗退漿率增加，但冷水洗退漿效率無明顯提高。處理后棉纖維上蠟質(zhì)的連續(xù)覆蓋層狀態(tài)被破壞，織物芯吸高度增加，甚至優(yōu)于常規(guī)煮煉的芯吸效果。經(jīng)過等離子體處理的織物白度沒有明顯改善。此外，短時(shí)間的DBD處理并不會(huì)降低棉織物的單紗強(qiáng)力。因