本試驗分別使用空氣(以下簡稱Air)和50%空氣/50%氬氣(以下稱Air/Ar)作為反應(yīng)氣體,對滌綸織物進(jìn)行常壓等離子體處理,從物理刻蝕和表面化學(xué)組分等方面進(jìn)一步研究常壓等離子體對滌綸的表面改性及噴墨印花性能的影響。
1 試驗部分
1.1材料和設(shè)備
材料滌綸平紋織物(織物克重為61.4 g/m2,紗線細(xì)度為63 D);藍(lán)色納米顏料墨水(江南大學(xué)納米色素與數(shù)字印花研發(fā)中心)。
設(shè)備ST/RI脈沖常壓等離子體改性設(shè)備(上海市紡織科學(xué)研究院研制),Mimaki JV4—180噴墨印花機(日本武藤有限公司),Minni thermo一350 Roaches焙烘箱(英國Roaches公司),DSA一100液滴形狀分析儀(德國Krtiss有限公司),Union DZ3視頻顯微鏡(日本西努光學(xué)儀器有限公司),JSM-5610掃描電鏡(日立株式會社),X—Rite Color premier 8400型臺式分光光度計(美國X—Rite有限公司),PHI-5000C ESCA型X射線光電子能譜儀(美國PHI公司)。
1.2等離子體處理滌綸織物及噴墨印花工藝
1.2.1常壓氬等離子體處理
先對放電室抽真空,然后通入氬氣和空氣,設(shè)定處理參數(shù)后開始放電,處理一定時間后停止放電,取出樣品。
1.2.2滌綸織物噴墨印花工藝
滌綸織物→常壓等離子體處理→噴墨印花→焙烘(120℃×3 min)
1.3性能測試
1.3.1 潤濕時間
使用DSA一100液滴形狀分析儀,測量去離子水液滴在織物表面完全鋪展所需的時間,評價其潤濕性能(取織物表面5處,分別測量液滴鋪展時間,取平均值)。
1.3.2噴墨印花防滲效果
沿噴墨印花邊界線的經(jīng)緯方向,在放大75倍的視頻顯微鏡下拍照,觀測未處理和經(jīng)等離子體處理,以及不同處理條件下印花織物的滲化情況。
1.3.3顏色參數(shù)測量
采用測色儀CIE—Lab測色系統(tǒng),于D65光源、10°視場測試織物的K/S值(將織物折疊4層,測量4次,取平均值)。
1.3.4表面元素分析
采用PHI 5000C ESCA型x射線光電子能譜儀(經(jīng)過美國RBD公司升級),分析樣品表面各元素的相對含量比例。分析條件為鋁/鎂靶,高電壓14.0 kV,功率250 W,真空度1 X 10 -8Torr。采用美國RBD公司的RBDl47數(shù)據(jù)采集卡和AugerScan 3.21軟件采集樣品在0~1 200 eV的全掃描譜(通能為93.9 eV)。
1.3.5掃描電子顯微鏡
測試條件:加速電壓20 kV,電流5 mA。完成等離子體處理后,立即對織物表面形貌進(jìn)行表征。
2結(jié)果與討論
2.1 等離子體處理對滌綸織物潤濕性的影響
將去離子水分別滴在未經(jīng)處理和經(jīng)Air/Ar等離子體處理的滌綸織物試樣上,觀察液滴在不同時間點的狀態(tài),記錄其在織物表面完全鋪展所需的時間,見圖1。
圖1 不同時間點滌綸織物表面去離子水液滴的形態(tài)
由圖1可以看出,對于未經(jīng)過處理的滌綸織物,液滴接觸90 S后仍然很難將其潤濕。經(jīng)過常壓Air/Ar等離子體處理后,織物的潤濕性明顯提高,液滴接觸織物表面457 ms內(nèi)即可完全鋪展。這主要是由于等離子體處理不僅可在纖維表面形成刻蝕,而且可將一些親水性基團(如羥基、羧基、氨基等)引入到纖維表面,使親水性得到顯著提高。
2.2等離子體處理對滌綸織物防滲性的影響
表1 Air/Ar等離子體處理前后滌綸織物的噴墨打印線寬
水平打印線和豎直打印線的寬度分別體現(xiàn)了織物經(jīng)、緯向的防滲化能力。由表1可看出,織物沿經(jīng)緯方向的滲化現(xiàn)象不同,沿經(jīng)向的滲化較嚴(yán)重,這可能與織物的組織結(jié)構(gòu)有關(guān)。經(jīng)等離子體處理后,水平和豎直打印的線寬明顯變窄。
圖2為滌綸織物藍(lán)色墨水噴墨印花的滲化情況。
圖2滌綸織物的防滲效果
圖2中,經(jīng)Air/Ar等離子體處理后,織物經(jīng)緯方向的防滲性能都得到了明顯改善,印花邊緣線更為清晰。這是由于等離子體處理在纖維表面產(chǎn)生了刻蝕作用,且在纖維表面引入的親水性基團提高了織物的吸水性,瞬時加速對墨水的吸收,從而起到防滲效果。
2.3等離子體處理時間對織物印花顏色的影響
表2 等離子體處理前后噴墨印花的顏色指標(biāo)
由表2可看出,織物經(jīng)常壓Air、Air/Ar等離子處理后,印花織物K/S值變大,顏色變深;L值(明度)減小,顏色偏暗;C值(色度)變大,鮮艷度提高。這是由于等離子體的刻蝕和氧化作用,提高了織物的防滲性能,使單位面積上墨水色素增多,使顏色更深更鮮艷。另一方面,刻蝕使得織物表面粗糙度增加,增加了光漫反射,使明度下降。然而,經(jīng)純空氣和空氣混合50%氬氣兩種氣氛下,滌綸織物顏色效果無明顯差別。
2.4等離子體處理后滌綸表面化學(xué)組分的變化
為了獲得處理前后滌綸表面的化學(xué)組分信息,利用XPS(X射線光電子能譜)技術(shù)對滌綸表面原子的結(jié)合組分和結(jié)合狀態(tài)進(jìn)行定量分析。表3是等離子體處理前后碳元素、氧元素的相對含量及兩者的比率。
表3滌綸織物碳、氧元素的相對含量及其比率
由表3可看出,經(jīng)等離子體處理后,碳含量下降,氧含量相應(yīng)增加,兩種氣氛下O/C比率較未處理時分別增加0.1和0.2以上。說明經(jīng)等離子體處理后,一些含氧基團被引入織物表面。在混合氣氛下進(jìn)行等離子體處理,含氧基團的含量反而升高,這可能是擊穿電位較低的氬氣混入后使等離子體放電更為均勻,對空氣的電離也更加充分所致。
為了更清楚地了解等離子體處理后含氧基團以何種形式被引入滌綸纖維表面,利用c1S高分辨XPS譜及其解譜擬合譜對其進(jìn)行分析。圖3為處理前后滌綸纖維表面的高分辨XPS擬合譜。
(a)未處理
(b)Air等離子體處理
(c)Air/Ar等離子體處理
圖3滌綸織物CIS譜分峰結(jié)果
由圖3可看出,處理前滌綸纖維表面的XPS譜主要由三個峰組成,結(jié)合能分別為284.6 eV,286.1 eV和288.75 eV,分別對應(yīng)C-c、C-O和O-C=0,出峰位置與參考文獻(xiàn)基本一致。由處理后滌綸表面的XPS譜可以清楚地看出各種化學(xué)組分的改變,其中C-c鍵明顯減少,而C-O和O-c=0等含氧基團卻大大增加。同時由圖3(b)和3(c)可看出,經(jīng)等離子體處理后織物表面引入了c-o,這是由于c-c鍵在等離子體處理過程中被破壞,而滌綸纖維表面這些被破壞的鍵又與氧結(jié)合形成含氧的極性基團。此結(jié)論也與前述的潤濕性測試結(jié)果相吻合。
2.5等離子體處理對滌綸織物表面形貌的影響
織物表面的潤濕性除了與纖維種類、織物組織結(jié)構(gòu)有關(guān)外,還取決于纖維的表面粗糙程度。因此,采用掃描電子顯微鏡(放大2 400倍)對等離子體處理前后滌綸纖維的表面形貌進(jìn)行表征,結(jié)果如圖4所示。
(a)未處理
(b)空氣等離子體處理
(c)Air/Ar等離子體處理
圖4等離子體處理對滌綸纖維表面形貌的影響
由圖4可看出,處理前滌綸纖維表面較光滑,處理后由于刻蝕作用使滌綸表面產(chǎn)生凹坑,該結(jié)果與文獻(xiàn)相吻合。同時發(fā)現(xiàn),滌綸表面存在少量凸?fàn)畛练e物,一般認(rèn)為基質(zhì)材料受到表面刻蝕時,高分子表面層的物質(zhì)會發(fā)生分解形成氣態(tài)物質(zhì),這些氣態(tài)物質(zhì)在等離子體環(huán)境中受到活性粒子的作用,又會返回到基質(zhì)材料表面,回到表面的氣態(tài)物質(zhì)具有重新聚合的能力,便會在基質(zhì)材料表面的凸出頂端重新發(fā)生聚合,并逐步生長,最終形成凸?fàn)畛练e物。其數(shù)量和大小與等離子體的功率、放電時間有關(guān)。
對比圖4(b)和4(C)發(fā)現(xiàn),當(dāng)分別用Air/Ar和Air作為反應(yīng)氣體進(jìn)行等離子體處理時,單位長度上滌綸纖維經(jīng)刻蝕所形成的溝槽,無論是數(shù)量還是深度,二者并無明顯差別。
3 結(jié)論
(1)采用Air/Ar混合氣體常壓等離子體對滌綸織物進(jìn)行表面改性,可提高織物噴墨印花的清晰度和顏色鮮艷度,且沿經(jīng)緯方向的防滲性能均有明顯提高。
(2)經(jīng)SEM和XPS分析,以Air和Air/Ar作為反應(yīng)氣體的常壓等離子體均可對噴墨印花織物產(chǎn)生明顯且相近的物理刻蝕效果;烊霘鍤獾牡入x子體,使織物表面引入含氧基團含量增加,但對其實際印花效果卻未有進(jìn)一步改善。因此可認(rèn)為,等離子體的物理刻蝕對改善織物的印花性能起到了更為關(guān)鍵的作用。
來源:印染在線
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