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空气等离子体处理对涤纶非织造布表面亲水性的影响

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研究与开发 C合成纤维工业,HINA SYNTHETIC FI2B0E1R6 I,3N9D(4US)T:R2Y4 王晓娜,张银,任煜 (南通大学纺织服装学院,江苏南通226019) 摘 要:采用空气等离子体技术对涤纶非织造布表面进行了处理,利用扫描电子显微镜和光电子能谱仪分 效性以及力学性能的影响。结果表明:随着空气等离子体处理时间的增加,涤纶非织造布的表面粗糙程度增 加;在处理时间前90 S内,涤纶非织造布的静态水接触角由未处理时的114.3。下降到33.2。,90~150 S接触 角趋于稳定;经等离子体处理的试样表面含碳量下降,含氧和含氮基团增加,其亲水性存在明显的时效性,适 当延长处理时间可以在一定程度上抑制试样亲水性的老化效应;随着处理时间的确加,涤纶非织造布的纵向 和横向断裂强力缓慢下降,但不影响其主体的力学性能。 关键词:聚对苯二甲酸乙二醇酯纤维非织造布中图分类号:TQ342.2 文献标识码:A 随着我国经济建设的飞速发展,非织造材料 的市场需求量越来越大,涤纶以其优良的物理机 械性能和化学稳定性在各行各业取得广泛应用, 如生物组织工程、一次性卫生用品、包装材料 等¨ J。但由于涤纶本身的非极性结构和较高的 结晶度使涤纶非织造布的吸湿性较差 J,这严重 影响了最终产品的使用性能,阻碍了涤纶非织造 布进一步的拓展开发。为了改善涤纶非织造布的 亲水性,人们探索出多种改性途径,如共聚、共混、 接枝和添加表面活性剂等,这些改性方法不利于 zP环境的可持续发展 。 。等离子体技术绿色环保 无污染,但往往需要在真空条件下进行,对设备要 求高,操作复杂,难以实现产业化发展。空气等离 子体表面处理技术是在常压环境中进行,既满足 了引发表面改性所需的能量要求,又简化了实验 zz1 实验 1.1材料 过程,节约了生产成本 。作者采用空气等离子 体技术对涤纶非织造布进行表面改性,探究不同 的处理时间对试样亲水性的影响,并考察了涤纶 非织造布亲水性的老化效应。 涤纶纺粘非织造布:面密度为50 g/m ,厚度 为0.25 mm,东莞吉佰利环保科技有限公司产。 实验前先将试样用清水冲洗10 min以除去水溶 性杂质,再在无水乙醇中超声波清洗20 min除去 sgiol1.2仪器设备 1.4测试 slna.eom。 ePf空气等离子体表面处理亲水性别考察了处理前后涤纶非织造布表面形态和化学成分的变化,分析了处理时间对非织造布的亲水性及其时 文章编号:1001.0041(2016)04—0024 04 有机杂质;然后将试样置于5O 的烘箱中彻底烘 干,保存在干燥器中待用。 APP.350型常压等离子体混合处理设备:电 压0~250 V可调,频率为5O Hz,功率0~2 kW可 调,中国科学院微电子研究所制;JSM.6510型扫 描电子显微镜(SEM):日本电子株式会社制; JC2000C型接触角测试仪:上海中晨技术设备有 限公司制;ESCALAB 250型光电子能谱仪:美国 VG科学仪器公司制;YGO65型电子织物强力测 试仪:莱州市电子仪器有限公司制。 1.3空气等离子体处理方法 常压环境下将试样置于上下电极板中间,开 启等离子体处理机。改变处理时间对试样进行改 性,电压均为200 V;处理后的试样分别放人干燥 的标签袋里并置于室温环境,温度(23±2) ,相 对湿度(60±10%),每3 d测量一次接触角。 表面形貌:采用SEM观察处理前后试样表面 形态的变化,放大倍数为20 000。 收稿日期:2015—12.10;修改稿收到日期:2016—05-31。 作者简介:王晓娜(1990~),女,硕士研究生,主要研究方 向为纤维材料的等离子体改性处理。E.mail:wangxn6668@ 基金项目:江苏省自然科学基金资助项目(BK20140431), 南通大学自然科学项目(14ZY004)。 }通讯联系人。E—mail:ren.v@ntu.edu.cn。 rp力学性能 空气等离子体处理对涤纶非织造布 表面亲水性的影响 zzzPsgiolePfrp26 合成纤维工业 2016年第39卷 表1 空气等离子体处理前后 涤纶非织造布表面的元素含量 Tab.1 Surface chemical composition of PET nonwoven fabrics before and after air plasma treatment 2.4亲水性的时效性 经等离子体处理过的涤纶非织造布的亲水性 并不稳定,会随着时间的推移慢慢减弱甚至消失, 即老化效应 …。 从图4可以看出:涤纶非织造布经空气等离 子体处理后的表面亲水性得到了明显的改善,但 随着时间的推移,不同处理时间的试样的接触角 呈现出不同的变化趋势,总体来说,试样的接触角 在处理后的前6 d内变化最大,呈快速上升的趋 势(尤其是处理时间为90 S和150 S的试样),之 e后试样的接触角略有波动,基本趋于稳定状态,这 是因为等离子体处理会在试样表面引入大量的极 l性基团,使试样的亲水性大幅提高,但随着时间的 o延长,这些极性基团会逐渐向纤维大分子链的内 侧翻转引起材料亲水性的降低… ;比较不同处理 i时间的试样接触角的变化规律,发现处理时间为 30 S的试样表面接触角最大,而接触角最小的是 处理时间为150 S的试样,由此可见,延长等离子 g体处理时间对亲水性的时效性的抑制可以起到一 定的作用。这是由于等离子处理时问对材料表面 氧化层厚度有影响,随着等离子体处理时问的延 s长,材料表面所产生的氧化层厚度较大,使得材料 P表面 g-- z藩 蝼 放置时间,d 图4不同时间处理的涤纶非织造布 表面接触角的时效性变化 Fig.4 Change of sunCace contact angle with discharge time of PET nonwoven fabrics 一一30 s;●--90 s:▲--150 s 2.5力学性能 从图5可以看出:未经空气等离子体处理的 涤纶非织造布横向和纵向拉伸断裂强力分别为 38.5 N和50.8 N;经过不同时间的等离子体处理 后,试样的横向和纵向拉伸断裂强力均呈现出缓 慢下降的趋势,当处理时问为150 S时,试样的横 向拉伸断裂强力下降至35.5 N,强力损伤率为 7.79%,纵向拉伸断裂强力下降至47.0 N,强力 p损伤率为7.48%。这是因为空气等离子体在对 涤纶非织造布进行表面改性的同时,也产生了一 定程度的刻蚀,rf使试样的拉伸断裂强力有所降低。 但是,由于空气等离子体的作用仅发生在材料的 浅表面,因而并未对试样的主体性能造成较大的 损伤。 苣 想 堡 掘 图5 处理时间对涤纶非织造布拉伸断裂强力的影响 Fig.5 Effect of discharge time on breaking strength of PET nonwoven fabric ■一横向;●一纵向 3结论 a.在空气等离子体处理涤纶非织造布的过 程中,随着处理时间的增加,试样表面的凹凸不平 现象加剧。 b.经空气等离子体处理的涤纶非织造布表 面的亲水性得到明显改善,且不同处理时间下的 改性效果也存在一定差异。适当增加等离子体处 理时间,试样表面的亲水性会逐渐增强。等离子 体处理的前90 S内,试样的接触角由未处理时的 114.3。迅速下降到33.2。,随后90~150 S趋于稳 定状态。 C.经空气等离子体处理,涤纶非织造布表面 的含碳量明显下降,材料表面引入了更多的含氧 和含氮基团,这些极性基团含量的升高使试样表 面的亲水性明显增强。 d.空气等离子体处理的涤纶非织造布表面 zzP第4期 王晓娜等.空气等离子体处理对涤纶非织造布表面亲水性的影响 2014,42(4):74—77. 27 亲水性存在明显的时效性,改性效果只能维持 3~6 d,但6 d以后材料的亲水性依然比未处理 样的好。等离子体处理150 s的试样接触角最 小,且亲水效果的老化时间最长。 [6] 陈英,陈森,宋富佳.等离子体接枝反应对涤纶织物亲水性 能的影响[J].纺织学报,2010,31(7):74—78. Chen Ying,Chen Sen,Song Fujia.Ar plasma initiated grafting reaction for hydrophilicity of PET fabrics[J].J Text Res, 2010,31(7):74—78. e.随着空气等离子体处理时间的延长,涤纶 非织造布的拉伸断裂强力缓慢下降,但并没有对 试样的主体性能造成较大的损伤。 参考文献 [7] 倪人捷,黄煜.阳离子Gemini表面活性剂对涤纶织物的匀 染性能研究[J].广东化工,2012,39(18):6—7. Ni Renjie,Huang Yu.The research on levelling capability of cationic Gemini surfactant for polyester fabric[J].Guangdong Chem Ind,2012,39(18):6—7. 王玉萍.涤纶工业丝行业发展现状及应用研究[J].合成纤 维,2011,40(1O):1—5. Wang Yuping.Development situation and application of polyes— [8] Jelil R A.A review of low—temperature plasma treatment of tex- tile materials[J].J Mater Sci.2015,50(18):5913—5943. [9] 高志强.常压等离子体对聚酰胺6膜的刻蚀研究[D].上 海:东华大学,2009. ter technical yam industry[J].Syn Fiber Chin,2011,40 (10):1—5. 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Ling Liangzhong,Liu Song,Ni Zhiting.Development technolo— gY and application of modiifed polyester[J].Cotton Text Tech, zzcal properties Abstract:The surface of polyester(PET)nonwoven fabric was treated by air plasma technique.The change of surface mor— phology and chemical composition of PET nonwoven fabric was investigated before and after air plasma treatment by scanning e— lectron microscopy and photoelectron spectroscopy.The effects of treatment time on the hydrophilic property and timeliness and mechanical properties of PET nonwoven fabric were analyzed.The resuhs showed that the surface of PET nonwoven fabric became rougher while prolonging the air plasma discharging time:the static water contact angle of PET nonwoven fabric was decreased from 114.3。to 33.2。within 90 s and tended to be stable from 90 s to 150 s during the air plasma treatment:the surface carbon content was decreased,the oxygen—containing and nitrogen—containing groups were increased,and the hydrophilic property of PET nonwoven fabric showed obvious timeliness after air plasma treatment;the hydrophilicty ageing could be depressed in some degree by properly prolonging the treatment time:and the longitudinal and horizontal breaking strength of PET nonwoven fabric was slow— ly decreased without loss of mechanical properties while prolonging the treatment time. Key words:polyethylene terephthalate fiber;nonwoven fabric;air plasma;surface treatment;hydrophilie property;mechani- zPEffect of air plasma treatment on hydrophilic property of polyester nonwoven fabrics Wang Xiaona,Zhang Yin,Ren Yu (School of Textile and Clothing,Nantong University,Nantong 226019) sgiol253(1):213—215. ePfUniversity,2009. Gao Zhiqiang.Study on etching of polyamide 6 films treated with atmospheirc pressure plasma jet[D]:Shanghm:Donghua [1O]任煜,邱夷平.低温等离子体对高聚物材料表面改性处理时 效性的研究进展[J].材料导报,2007,21(1):56—59. Ren Yu,Qiu Yiping.Research development of aging effect of low temperature plasma treatment on surface modiifcation of polymer materils[J].Mataer Rev,2007,21(1):56—59. ic air—plasma treatment of PET(polyethylene terephtlatae) [11]TakkeV,BeharyN,PerwuelzA,eta1.Studies on atmospher- woven fabrics:Effect of process parameters and of aging[J]. Heart Lung Circ,2015,61(1):42—43. 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