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《东华大学》 2010年
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常压等离子体处理对PVA薄膜溶解性能和棉织物退浆效果的影响研究

彭淑静  
【摘要】: 聚乙烯醇(PVA)在纺织工业中被广泛用作上浆剂。经PVA上浆的棉织物必须经过退浆处理,以满足后续加工(染色、印花、整理)要求。目前常用的退浆方法是使用热水在棉织物表面洗脱PVA,有时加入烧碱或氧化剂如H_2O_2等,该方法不仅耗能高,废水排放量大,而且排出的废水中含有大量的PVA和化学助剂,造成环境污染严重,不符合当今环保的要求,不利于产品的可持续发展,因此有利于生态环境的低温等离子体在纺织制品染整加工中的应用研究引起人们极大关注。如果能将低温等离子体运用于纺织工业的退浆工艺,在退浆工艺阶段就实现对PVA的降解,不仅能大大减少化学助剂用量和PVA废水的排放,还能降低能耗和减少用水,具有重大的环境效益和经济效益。 然而,过去大多数等离子体处理过程都是在低压下进行,这不仅需要昂贵的真空体系,而且由于要抽真空,不能实现在线处理,使得较低附加值的纺织品一类的产品成本过高,难以实现工业化处理。与之相比,国际上最近几年来正在积极开发的常压非平衡低温等离子体技术,不需要抽真空,因此可以实现处理过程连续化。到目前为止,进入市场的常压等离子体处理设备中,主要有两种,即介质阻挡放电(DBD)和喷射式等离子体(Plasma Jet)。DBD为电容式,被处理物必须通过两块极板中的狭缝。而喷射式等离子体的活化气体是在喷头里产生,然后喷出来和被处理物接触。 常压等离子体处理过程中和低压等离子体处理的一个很大区别在于试样置于外界大气环境中,会吸收外界环境中的水分而使材料保持一定的回潮率。而对于以往的低压等离子技术,试样在处理前需要被干燥以达到所需的真空度,所以不需要考虑水分的存在对处理效果的影响。水分子的存在使常压等离子体的成分及其和被处理物之间的相互作用变得更为复杂。也使得材料的微观结构和各种物理机械性能发生改变,从而影响等离子体的处理效果。 PVA是一种水溶性聚合物,在液态水存在或高湿度环境下,其大分子链发生松弛,内部结构及性能明显改变,当PVA的含水率提高到10%以上,其玻璃化温度由68℃降至20℃以下。可见,水分对PVA内部结构和本身物理机械性能有很大的影响。近年来,国内外有关常压等离子体技术对棉织物上PVA浆料的去除有过不少研究。但是,有关水分对常压等离子体退除PVA浆料效果的影响方面目前还尚未有报道。 本课题采用本实验室最近从国外引进的喷射式常压非平衡低温等离子体发生器和中科院研发的介质阻挡放电装置,从PVA薄膜到PVA上浆的棉织物系统地研究常压等离子体射流对棉织物退浆效果的影响,并探讨薄膜和织物中存在的水分对PVA刻蚀、溶解性能的影响及其对棉织物本身表面和力学性能的影响。通过一系列的表面分析测试方法,如扫描电子显微镜(SEM)、原子力显微镜(AFM)、傅立叶变换红外光谱(FTIR)及其X射线光电子能谱(XPS)等表面形态和化学分析方法探测PVA薄膜及其织物表面发生的物理和化学变化,通过动态力学热分析(DMA)和X射线衍射(XRD)等方法来测定等离子体处理后PVA薄膜内部微观结构的变化,通过测量薄膜和上浆棉织物的刻蚀失重率及其溶解率来分析等离子体的直接刻蚀效果和对后道水洗退浆效果的影响,通过芯吸高度和白度等测定方法来表征处理后棉织物吸湿性能和白度的变化,通过测定棉纱的拉伸强力和棉织物的低应力机械性能及其表面性能来分析等离子体退浆对织物本身的影响。 首先,本文研究了常压射流等离子处理工艺参数(气氛、流量、功率、时间、喷头与薄膜距离、回潮率和垫层)对PVA薄膜刻蚀速率的影响。发现经等离子体处理后,刻蚀速率随功率、氧气流量、氦/氧混合气体流量及其薄膜回潮率的增加而增加;随处理时间和氦气流量的增加先上升后下降;随喷头与被处理样的距离增加而下降,当距离超过6mm,刻蚀速率几乎为0。研究还发现,不同垫层(塑料片、钢片和铝板)导热性能对刻蚀速率影响很小。在常压等离子体刻蚀作用下,PVA薄膜表面变得粗糙,表面氧元素含量增加,从而导致极性基团含量增加,薄膜吸湿性能提高。 其次,为了研究水分对等离子体处理过的PVA薄膜溶解性能的影响,本文采用常压射流等离子体处理装置对回潮率分别为2.5%、9.3%和78.3%的PVA薄膜(在相对湿度分别为10%、65%和98%的环境中平衡24小时)进行处理,在氦气中加入氧气作为工作气体,处理时喷头温度约为60℃,处理功率为100W,处理速度为2mm/s。处理过程中采用塑料片、钢片和铝板三种导热系数不同的垫层,研究由此引起薄膜表面聚积温度的高低对处理后薄膜表面形貌的不同变化和对溶解性能大小的影响。考虑到由于加热引起的结晶度变化对处理效果可能造成的影响,我们对PVA薄膜退火处理,并与等离子体处理效果进行比较。发现经等离子体处理后,相对湿度为65%和98%的试样含氧量增加,而相对湿度为10%的试样略有下降;与相对湿度(10%和65%)较低的试样相比,相对湿度为98%的试样溶解性能最差。尤其经塑料片垫层处理过的薄膜更是如此。溶解性能的下降主要是由于水分增塑作用下,PVA薄膜的玻璃化温度远低于处理薄膜的表面温度,经等离子体高能粒子轰击后,裂解形成的小分子链段在无定型区重新排列,PVA薄膜表面发生重结晶,结晶度明显增加引起的,这点可以由SEM和XRD测试得到验证。 为了研究水分对等离子体处理后织物的退浆效果,本文选择含PVA浆料的棉织物作为模型,在相对湿度分别为10%,65%和98%的大气环境中平衡24小时后,将棉织物置于铝板上,采用氦/氧常压射流等离子体处理,再经水洗,水洗温度为60℃。研究表明,处理后棉织物的退浆率增加,退浆时间缩短,在同样的处理条件下,相对湿度为10%的棉织物退浆效果最佳,该织物经64s等离子体处理后水洗20分钟纤维表面几乎和未上浆织物一样干净。棉织物退浆率的提高主要是由于等离子体的刻蚀失重和PVA大分子链断裂及含氧极性基团含量增加引起的。在等离子体高能粒子作用下,棉纤维表层覆盖着的蜡质、果胶等共生物发生氧化分解反应,织物的吸水性得到改善。此外,等离子体处理后织物的单纱强力均没有下降。 在研究了常压等离子体射流对PVA浆料去除效果后,本文进一步探讨了棉织物经等离子体退浆处理引起的低应力机械性能及其表面性能变化。在等离子体的刻蚀作用下,棉纤维表面变得粗糙,三种相对湿度的棉织物表面性能包括表面摩擦和表面粗糙度均有所增加,其中相对湿度为98%的试样粗糙度最大,这点由AFM测试结果得到验证。增加的表面粗糙度进一步加大了纤维或纱线间的摩擦,阻碍了织物的应力变形及其变形回复能力,从而导致棉织物的低应力机械性能(拉伸、剪切和压缩性能)增大。 最后,本文还研究了介质阻挡放电(DBD)中处理时间对上浆棉织物前处理效果的影响,并与常规前处理工艺进行比较。四组试样分别经氩气/氧气等离子体处理1、2、4和6分钟,再经热水和冷水洗涤,水洗温度分别为60℃和25℃。研究表明等离子体处理时间对刻蚀以及退浆效果有显著影响。通过SEM观察发现处理后棉织物表面的PVA浆料被打碎,随着处理时间的延长,纤维变得粗糙甚至出现裂痕。织物的热水洗退浆率增加,但冷水洗退浆效率无明显提高。处理后棉纤维上蜡质的连续覆盖层状态被破坏,织物芯吸高度增加,甚至优于常规煮炼的芯吸效果。经过等离子体处理的织物白度没有明显改善。此外,短时间的DBD处理并不会降低棉织物的单纱强力。因此我们得出,常压DBD等离子体处理棉织物可以达到常规退浆煮炼的效果。
【学位授予单位】:东华大学
【学位级别】:博士
【学位授予年份】:2010
【分类号】:TS103.84

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