等離子體改性改善氨綸染色性能

文章出處：等離子清洗機廠家 | 深圳納恩科技有限公司| 發表時間：2023-10-13

氨綸是聚氨基甲酸酯彈性纖維，是由至少85%聚氨酯鏈段組成的線性大分子，其分子結構為軟硬鏈段交替排列的嵌段共聚物，具有高伸長、高回復的特點，伸長率為500%~600%，瞬時彈性回復率在95%以上，少量添加可改善織物的彈性和穿著舒適性。基于以上特點，氨綸被稱為紡織品的“工業味精”。目前，氨綸主要用于包芯紗、針織物、機織物等紡織品，越來越多的新型面料和功能服裝都會使用氨綸作為增效纖維。除了在普通紡織面料中應用，氨綸在衛生用品和醫療領域也有重要應用，如騎行服、瑜伽服、航空服中的部分彈力面料以及靜脈曲張患者的壓力服和醫用彈力帶等。氨綸的應用日趨廣泛，并且在織物中的用量也越來越多。隨著差別化氨綸的發展，其應用領域也在不斷擴大。

盡管氨綸具有眾多優點，但在染色性能方面，普通氨綸缺少與染料結合的官能團，染料的上染率和染色牢度遠遠達不到使用要求，與其他纖維混紡時，常出現“露白”現象，尤其是與尼龍、棉纖維、滌綸陽離子結合染黑色或大紅色時，“露白”問題尤為嚴重。氨綸的“露白”問題會嚴重制約其在一些高檔面料和氨綸含量較高的紡織面料中的應用，因此，改善氨綸的染色性能，對于拓展氨綸的應用范圍、提高氨綸面料的檔次和附加值具有重要意義。

氨綸結構

氨綸是氨基甲酸酯和脲基的嵌段共聚體，主要化學成分是聚氨基甲酸酯，分子鏈中既含柔性鏈段，也含剛性鏈段。

一般情況下，軟鏈段處于非結晶狀態，并且分子鏈中的氨基甲酸酯基占比較低，而氨綸的玻璃化溫度低于零下40℃，所以氨綸纖維在室溫下處于高彈態。總體來說，氨綸以下結構特點可能會影響其染色性能：（1）氨綸分子鏈中基本不含極性基團，且亞甲基和芳基的含量比較高，故氨綸纖維是一種疏水性纖維；（2）氨綸纖維分子結晶度高；（3）氨綸的嵌段共聚物結構中硬鏈段結構緊密，軟鏈段松弛但與染料的結合能力不強；（4）氨綸分子上有少量端位氨基的存在，可為染料的上染提供染座。因為末端氨基數目較少，所以所染顏色比較淺。

等離子體改性改善氨綸染色性能

等離子體是由部分電子被“剝奪”后的原子及原子團被電離后產生的正負離子組成的離子化氣體狀物質，尺度大于德拜長度的宏觀電中性電離氣體，其運動主要受電磁力支配，并表現出顯著的集體行為。其是一種處于高度激發態的不穩定氣體，由電子、離子、自由基、激發分子、中性粒子組成，呈電中性，是除固體、氣體和液體之外的物質存在的第四態。

相對于傳統的化學濕法處理工藝，等離子體處理聚合物材料有如下優勢：（1）等離子體處理可以在不改變基布特性的前提下只改善材料的表面性能；（2）等離子體對材料表面的作用僅涉及幾到幾百納米，只會改善材料表面性能，不影響基體性能；（3）等離子體處理是物理過程，化學物質的消耗量很少。等離子體技術是一種高能物理技術，在加工過程中不涉及水，可以大大減少對環境的污染，是一種環保的加工方式，符合碳達峰、碳中和的要求。

等離子體可以通過氣體放電（輝光放電或弧光放電）或高溫（火焰、電弧、核反應等）產生，根據等離子體的離子溫度，可分為低溫等離子體和高溫等離子體。高溫等離子體又稱平衡等離子體，電子和分子或原子類粒子的溫度非常高，操作溫度為5000~20000K（4726.85~19726.85℃），纖維高分子材料在高溫下會發生熱分解，溫度太高會限制其應用；低溫等離子體又稱非平衡等離子體，其電子和分子或原子類粒子的溫度不同，電子溫度仍然很高，分子或原子類粒子的溫度卻很低，這是低溫等離子體的特性之一，被處理材料的溫度不會超過375K（101.85℃）。工業上應用的均為低溫等離子體。

低溫等離子體活性因素的能量水平高于有機化合物的化學鍵能，在化學上處于活潑狀態，使用這種等離子體處理有機化合物能打開化合物的化學鍵。其能通過產生自由基，在表層形成新的化學結構，利用這種效應，低溫等離子體一般能使材料產生如下變化：表面交聯、產生自由基、引入新的基團以及表層刻蝕，如圖1所示。必須指出的是，使用低溫等離子體處理紡織材料時，基本不影響材料的力學等性能。

圖1 等離子體與聚合物表面的相互作用

不同的氣體電離后所產生的活性粒子的種類不同，因此，對材料表面的改性效果也不同。反應性氣體有O2、N2、CO、CO2和空氣等，所產生的等離子體中含有的化學活性種可以直接與材料表面發生反應，進而改變表面化學結構；非反應性氣體有Ar和He等，所產生的等離子體中的化學活性種不可以直接與材料表面發生反應，但是可以利用其中的高能粒子轟擊材料表面，以產生大量高活性自由基，進而改變材料表面的化學及物理性能。不同的氣體經過等離子體處理后可以得到不同的官能團，例如氫氣可以得到羥基、氧氣可以得到羧基、甲烷可以得到醛基、氨氣可以得到氨基等。這些官能團都是活性基團，能明顯提高材料表面活性，起到活化改性的作用。

因此，利用氮氣、氨氣、空氣等氣體，將氨綸絲放入放電區，可以在氨綸絲表面引入氨基，其反應式如下：
NH₃→NH₂·+H·
NH₂→NH·+H·
N2+2H·→2NH·
RH→R·+H·
R·+NH₂·→RNH₂
RH+NH·→RNH₂
式中：RH代表氨綸的化學組成。

運用該方法可以大大增加氨綸的氨基數目，為酸性染料上染氨綸提供染座，提高染料的上染率，增加染色深度，解決氨綸的“露白”問題。此外，低溫等離子體對氨綸有一定的刻蝕作用，會使氨綸絲表面變得粗糙，增加了入射光反復吸收和發射的途徑，使總體吸收強度提高，產生了一種深色效應。

運用低溫等離子體處理氨綸后，選擇合適的氣體，氨綸大分子上的氨基數目將大量增加。在酸性條件下，酸性染料的磺酸根帶負電，可以與氨綸上的氨基以離子鍵的方式結合上染，解決了氨綸的“露白”問題。該改性方法全程無需水和化學助劑的加入，無廢水等污染物產生。由此可見，低溫等離子體技術是一種高效環保的加工技術，可以解決氨綸的“露白”問題，符合碳達峰、碳中和的要求。

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