CN103046307B

CN103046307B - 一种用等离子体处理提高木棉纤维吸水性的方法

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Publication number: CN103046307B
Application number: CN201310014740.6A
Authority: CN
Inventors: 丁颖; 沈勇; 姜涛; 高群艳
Original assignee: Shanghai University of Engineering Science
Current assignee: Shanghai University of Engineering Science
Priority date: 2013-01-15
Filing date: 2013-01-15
Publication date: 2015-01-28
Anticipated expiration: 2033-01-15
Also published as: CN103046307A

Abstract

本发明涉及一种用等离子体处理提高木棉纤维吸水性的方法，将木棉纤维依次进行煮练处理、水洗、H₂O₂漂白处理、水洗并烘干，经过前处理的木棉纤维置于AS181A梳棉试验机上精梳1-2道，将精梳后的木棉纤维排列整齐并铺成一层，然后控制等离子体的电压为9.5-14kV，对木棉纤维处理10-60s。本发明创造性的将等离子应用于对木棉纤维的处理上，可极大提高木棉纤维的吸水性能，从而改善木棉纤维的染色性能。

Description

一种用等离子体处理提高木棉纤维吸水性的方法

技术领域

本发明涉及一种纤维表面改性方法，尤其是涉及一种用等离子体处理提高木棉纤维吸水性的方法。

背景技术

木棉纤维是目前唯一未在服饰领域上得到大量开发与应用的天然非棉纤维，原因一是其长度短、强度低、抱合性差和缺乏弹性而难以单独纺纱；二是木棉纤维的染色上存在上染率低，可用染料品种少等染色上的缺陷。

木棉纤维具有中空结构，其中空度达90％，是所有纤维(包括天然及合成纤维)中最高的，因此，木棉纤维具有保温、隔热、浮力强等特点。在崇尚天然、环保面料的今天，对木棉纤维在服饰领域上的开发利用显得相当重要。经有关学者专家研究，木棉纤维的纺纱技术得到了解决，但木棉纤维染色性能差的缺陷除本课题组相关人员，国内外研究甚少，未见有报道。

导致木棉纤维染色性能差的原因之一是：木棉纤维虽然与棉、麻等同属纤维素纤维，棉、麻等纤维素纤维有极好的亲水性，而木棉纤维却是疏水性纤维，木棉纤维的疏水表面使得染液不能很好地润湿纤维，染料也难以通过染液上染并渗透到纤维内部，从而导致了木棉纤维存在上染率不高并且深色效应差的染色缺陷。

木棉纤维疏水的原因：

1、与其组成和结构有关。木棉纤维的纤维素含量低于棉纤维，且含有木质素与半纤维素，木棉纤维与棉纤维、苎麻纤维、的主要化学成分比较见下表：

表1木棉纤维与棉纤维、苎麻纤维、亚麻纤维以及剑麻纤维的化学成分比较

由表可知木棉纤维与天然棉纤维、麻类纤维等纤维素纤维化学组成相似，但比例却存在着明显的差异。主要表现在以下几点：

(1)棉纤维的纤维素含量大于90％，麻类纤维的纤维素含量在70％以上而木棉纤维中的纤维素含量仅为棉纤维的一半左右。

(2)上述五种纤维中木棉纤维的半纤维素含量最高，在20％以上，麻类纤维的半纤维素含量在15％左右，而棉纤维的半纤维素含量只有6％左右。

(3)上述五种纤维中木棉纤维的木质素含量最高，在20％左右，其它四种纤维素纤维的木质素含量较低，其中天然棉纤维中几乎不含木质素。

纤维素是由葡萄糖组成的大分子多糖，富含羟基，可与水以氢键结合，从而赋予棉、麻等纤维素纤维良好的亲水性。木质素是由高度取代的苯基丙烷单元随机聚合而成的高分子，它与纤维素、半纤维素共同组成植物骨架的主要成分。木棉纤维的木质素主要由愈创木基丙烷结构单体聚合而成的愈创木基木质素成，分子结构为：

木质素中含有甲氧基，降低了纤维和水分子的结合能力。

2、与其表面形态有关。木棉纤维表面光滑，纵向外观呈圆柱形，因此水不易润湿纤维。

发明内容

本发明的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种可极大提高木棉纤维的吸水性能，从而改善木棉纤维的染色性能的用等离子体处理提高木棉纤维吸水性的方法。

本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：

一种用等离子体处理提高木棉纤维吸水性的方法，包括以下步骤：

(1)前处理：将木棉纤维依次进行煮练处理、水洗、H₂O₂漂白处理、水洗并烘干；

(2)精梳：将经过前处理的木棉纤维置于AS181A梳棉试验机上精梳1-2道；

(3)等离子体处理：将精梳后的木棉纤维排列整齐并铺成一层，然后控制等离子体的电压为9.5-14kV，对木棉纤维处理10-60s。

作为优选的实施方式，等离子体对木棉纤维进行处理时，控制等离子极板之间的间距为1-7mm。

作为更加优选的实施方式，所述的等离子极板之间的间距优选3-4mm。

作为优选的实施方式，步骤(3)中等离子体的电压优选12.0-13.5kV，对木棉纤维处理30-40s。

作为优选的实施方式，步骤(1)中所述的煮练处理采用浓度为10g/L的NaOH溶液，控制温度为90℃将木棉纤维煮练1～2次。

作为优选的实施方式，步骤(1)中所述的水洗采用50℃的温水对木棉纤维清洗两次，然后用冷水再进行充分水洗。

作为优选的实施方式，步骤(1)中所述的H₂O₂漂白处理采用浓度为6g/L的H₂O₂，调节pH值为10.5-11，控制温度为90℃对木棉纤维漂白1-2次。

采用本发明工艺，具有以下优点：

(1)本发明创造性的将等离子处理应用于对木棉纤维的处理上，可极大提高木棉纤维的吸水性能，从而改善木棉纤维的染色性能；

(2)由于等离子体对棉、麻及合成纤维的处理均可不需精梳，而唯独木棉纤维在前处理后结块抱团现象严重，很难用一般的方法松散铺均匀，在后续等离子体处理时会导致处理不均匀，处理效果变差，因此本发明通过增加1-2道精梳很好地解决这个问题。

附图说明

图1为未处理的木棉纤维的扫描电镜照片；

图2为处理后的木棉纤维的扫描电镜照片。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。

(1)前处理：将木棉纤维依次进行碱处理(煮练)、水洗、H₂O₂漂白处理、水洗并烘干，其中，碱处理(煮练)采用浓度为10g/L的NaOH溶液，控制温度为90℃将木棉纤维煮练1～2次，水洗采用50℃的温水对木棉纤维清洗两次，然后用冷水再进行充分水洗，H₂O₂漂白处理采用浓度为6g/L的H₂O₂，调节pH值为10.5-11，控制温度为90℃对木棉纤维漂白1-2次；

(2)精梳：将经过前处理的木棉纤维置于AS181A梳棉试验机上精梳1-2道，由于棉麻等纤维前处理后可以很方便地松散开，而木棉纤维在前处理后结块抱团现象严重，很难用一般的方法松散铺均匀，在后续等离子体处理时会导致处理不均匀，处理效果变差，因此用精梳棉机梳理1-2道，此方法在棉麻等纤维上一般是不用的，但是在对木棉纤维进行处理时需要使用；

(3)等离子体处理：将精梳后的木棉纤维排列整齐并铺成一层，然后控制等离子极板之间的间距为1-7mm，控制等离子体的电压为9.5-14kV，对木棉纤维处理10-60s。

等离子体处理技术是20世纪60年代后期在物理学、化学、电子学、真空技术等学科交叉的基础上逐渐兴起的一门新兴技术，是使物质通过吸收电能进行的气相干式化学反应，具有节水省能无公害、有效利用资源、有益环境保护的绿色化学特征。利用等离子体具有的高活性，可以实现一系列传统化学和水洗加工法所不能实现的、新的反应过程。1992年国际科学界确认等离子体技术是21世纪对世界环境无污染的四大关键技术之一，是新化学加工工艺的生态技术。

等离子体在纺织材料的表面改性中，主要用于以下几个方面：

1).分子链交联

纺织材料在低温等离子作用下产生大分子自由基。由于大分子自由基的加成作用，使大分子链产生交联，这种交联也可由大分子的过氧化基或氧自由基的作用而产生。

2).氧化作用

空气低温等离子体中有大量的基态氧和激发态氧原子，它们具有较高的化学活性，对纺织材料会产生氧化作用。氧化作用一方面将大量的含氧基团(如羟基，羧基和羰基)引进表面，另一方面由于氧化分解使其表面产生刻蚀作用。

3).分解和降解

在等离子体各种粒子的作用下，纺织材料表面某些大分子链发生断裂，分解，分子量逐渐下降，并且最终以挥发性物质进入系统内被排出。

4).聚合和接枝

几乎所有的有机气体都可能在低温等离子体中发生聚合和接枝反应。所生成的聚合膜是非晶性的，具有较高的致密性，因而耐热性能和耐熔性能较好。通过一些单体的等离子体聚合在材料表面形成极薄的涂层，可以赋予其特殊性能。

在本发明中，确定等离子处理工艺是发明人通过大量的实验最终得到的，这也是本申请的发明创造点所在。申请人创造性地将等离子应用于对木棉纤维的处理上，可极大提高木棉纤维的吸水性能，从而改善木棉纤维的染色性能，对具体工艺参数的实验及机理如下所示：

步骤1、确定极板间电压：

固定极板间距为1mm，处理时间为30s，调节电压为9.5、10.0、10.5、11.0、11.5、12.0、12.5、13.0、13.5、14.0kv，处理后测试木棉纤维的吸水倍率，得出较合适的处理电压。根据实验结果，处理电压在12.0～13.5kv较好。

步骤2、确定极板间距：

根据实验步骤1，确定处理电压(12.0～13.5kv)，调节极板间距为1、2、3、4、5、6、7mm，处理30s，处理后测试木棉纤维的吸水倍率，得出较合适的极板间距。根据我们的实验结果，极板间距在3～4mm较好。

对于极板间距，发明人进一步陈述其原因：等离子体处理纤维时，如果极板间距过小，会导致极板之间填充的气体较少，等离子体放电可激发的粒子密度减少，影响处理效果；如果极板间距过大，被激发的高能粒子达到处理纤维的表面的距离加大，两极板间的电场强度随之降低，导致激发的粒子到达纤维表面时的能量损耗加剧，导致等离子体处理效果降低。

步骤3、确定处理时间：

根据实验步骤1，确定处理电压(12.0～13.5kv)，调节极板间距为3mm，处理时间分别为10、20、30、40、50、60s，处理后测试木棉纤维的吸水倍率，得出较合适的处理时间。根据实验结果，木棉纤维的吸水倍率随处理时间的增加而上升，但在40s后继续增加处理时间，吸水倍率上升不明显。原因是随着处理时间的增加，木棉纤维表面的刻蚀加重，比表面积增大，表面引入更多的极性基团，吸水倍率显著上升。但随着处理时间的延长，木棉纤维的单纤维强力呈逐渐降低的趋势，处理时间在30s以内单纤维强力下降的并不明显，到40s单纤维强力急剧下降。这主要是因为等离子体处理对木棉纤维产生刻蚀作用，破坏木棉纤维的表观形态，增加处理的时间，刻蚀作用就越明显，对木棉纤维的破坏就越大，使其单纱强力随着处理时间的延长呈逐渐下降的趋势。

基于上述特性，本申请利用等离子体对木棉纤维进行表面改性处理，将经等离子体处理与未处理的木棉纤维进行X射线光电子能谱(XPS)测试，其结果见下表：

表2

由上表，未处理样品的成分中C-C/C-H键占的比例高达75％，而处理后C-C/C-H比例明显下降。C-O-H/C-O-C、C＝O和O-C＝O键的比例在经等离子体处理后所占的比例有相当大程度的提高，原因可能是等离子体处理后，在木棉纤维的表面形成了较多的-OH，因而木棉纤维的吸水性有所提高。

用扫描电镜(SEM)对未处理的木棉纤维以及经等离子体处理的木棉纤维进行观察，如图1-2所示。由电镜照片可以看到等离子体处理过后的木棉纤维的表面出现比较明显沟槽，这些连续的沟槽互相串联，增加了木棉纤维表面的粗糙度，水容易沿着沟槽上升。因而木棉纤维的吸水性有所提高。

下面采用具体的实验方式，公开了具体的工艺参数，对木棉的吸水性能也做了进一步检测。

实施例1

经前处理(煮练一次)未经等离子体处理的木棉纤维的吸水倍率为：9.35；经前处理(煮练二次)未经等离子体处理的木棉纤维的吸水倍率为：11.25。

实施例2

前处理(煮练二次)，未精梳，电压为11KV，极板间距固定为1mm，处理时间为30s的等离子体处理后的木棉纤维的吸水倍率为：11.83。

实施例3

前处理(煮练二次)，精梳一道，使用电压为11KV，极板间距固定为1mm，处理时间为30s的等离子体处理后的木棉纤维的吸水倍率为：12.20。

实施例4

前处理(煮练二次)，精梳二道，，使用电压为11KV，极板间距固定为1mm，处理时间为30s的等离子体处理后木棉纤维的吸水倍率为：15.43。

实施例5

前处理(煮练二次)，精梳一道，使用电压为12KV，极板间距固定为1mm，处理时间为30s的等离子体处理后木棉纤维的吸水倍率为：18.35。

实施例6

前处理(煮练二次)，精梳二道，使用电压为13.5KV，极板间距固定为1mm，处理时间为30s的等离子体处理后木棉纤维的吸水倍率为：21.66。

实施例7

前处理(煮练二次)，精梳二道，使用电压为12.5KV，极板间距固定为3mm，处理时间为20s的等离子体处理后木棉纤维的吸水倍率为：21.12。

实施例8

前处理(煮练二次)，精梳二道，使用电压为12.5KV，极板间距固定为3mm，处理时间为40s的等离子体处理后木棉纤维的吸水倍率为：24.33。

实施例9

前处理(煮练二次)，精梳二道，使用电压为12.5KV，极板间距固定为3mm，处理时间为60s的等离子体处理后木棉纤维的吸水倍率为：22.05。

实施例10

前处理(煮练二次)，精梳二道，使用电压为13.0KV，极板间距固定为1mm，处理时间为30s的等离子体处理后木棉纤维的吸水倍率为：20.48。

实施例11

前处理(煮练二次)，精梳二道，使用电压为13.5KV，极板间距固定为5mm，处理时间为30s的等离子体处理后木棉纤维的吸水倍率为：21.18。

实施例12

前处理(煮练二次)，精梳二道，使用电压为13.5KV，极板间距固定为7mm，处理时间为30s的等离子体处理后木棉纤维的吸水倍率为：18.56。

通过以上实施例可以发现，等离子处理可极大提高木棉纤维的吸水性能。

Claims

1.一种用等离子体处理提高木棉纤维吸水性的方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：

(3)等离子体处理：将精梳后的木棉纤维排列整齐并铺成一层，然后控制等离子体的电压为12.0-13.5kV，对木棉纤维处理30-40s。

2.根据权利要求1所述的一种用等离子体处理提高木棉纤维吸水性的方法，其特征在于，等离子体对木棉纤维进行处理时，控制等离子极板之间的间距为1-7mm。

3.根据权利要求2所述的一种用等离子体处理提高木棉纤维吸水性的方法，其特征在于，所述的等离子极板之间的间距优选3-4mm。

4.根据权利要求1所述的一种用等离子体处理提高木棉纤维吸水性的方法，其特征在于，步骤(1)中所述的煮练处理采用浓度为10g/L的NaOH溶液，控制温度为90℃将木棉纤维煮练1～2次。

5.根据权利要求1所述的一种用等离子体处理提高木棉纤维吸水性的方法，其特征在于，步骤(1)中所述的水洗采用50℃的温水对木棉纤维清洗两次，然后用冷水再进行充分水洗。

6.根据权利要求1所述的一种用等离子体处理提高木棉纤维吸水性的方法，其特征在于，步骤(1)中所述的H₂O₂漂白处理采用浓度为6g/L的H₂O₂，调节pH值为10.5-11，控制温度为90℃对木棉纤维漂白1-2次。