等离子体技术课件.ppt

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1、,等离子体技术在纺织上的应用,t讲解：欧阳标 林福义ppt制作：邱佳祥 汪存鼎 黄志彬 曾金耀,前言,目前，纺织染整工业生产仍以湿加工为主，不但需耗用大量的水，而且带来污水公害问题。而作为染整清洁工艺生产的新技术等离子体技术，是干式反应体系(气体体系处理)，节水节能、环境污染和公害少，操作简单且易控制。而且处理仅涉及纤维的表面，不破坏纤维自身的性质，理论上可应用于各种纺织品基质物。因此，可以说等离子体技术迎合了生态纺织品发展的呼声，正越来越受到人们的重视。等离子体技术在纺织上的应用始于上世纪50年代，我国从上世纪80年代开始对等离子体处理纺织品进行研究。在印染工业中，等离子体技术可用于织物的上

2、浆、退浆和麻的脱胶、羊毛的防毡缩、织物的轧光、合成纤维的亲水化外理等诸多领域。等离子体处理也可以改进纤维的染色和印花工艺。近年来，也有人将等离子体处理用于织物的阻燃、防皱和卫生等功能性整理。,概念,简述 等离子体技术随当代高技术的发展应运而生，作为一个学科交叉的前沿研究领域，自兴起以来的短短20多年中，已在化学合成、新材料的研制、表面处理等领域开拓出一系列新技术、新工艺。等离子体这一新的存在形式是经气体电离产生的由大量带电粒子和中性粒子所组成的体系，是含有离子、电子、自由基、激发态分子和原子，总的正负电荷取相等，不发生静电中和反应，并表现出集体行为的一种准中性电离气体，继固、液、气三态之后列为

3、物质的第四态-等离子态。,等离子体的特性,在纺织加工过程中，等离子体可作用于织前的上浆过程，使 纱线上浆均匀；在印染前处理过程中，等离子体技术能够优 化织物的退浆、精练，提高前处理效率，,还可以改进染色和 印花工艺，使工艺高效、经济、环保；在后整理过程中，等离 子体处理对织物抗静电性、抗起毛起球性、易去污性、拒水 拒油性等有显著的效果。同时等离子体处理与其它整理剂 结合使用，可以提高整理剂的功效及功能整理的效果。,低温等离子体处理可用于各种纤维、纱线、织物的表面改性，对纤维基体的内部影响小，不损伤纤维原有性能。清洁、快捷、无污染、成本低,在当今倡导清洁和绿色生产、节约资源的形势下, 低温等离子

4、体处理技术以其无需化学品、无需耗用大量水和能源、无需进行高成本废水处理和对环境友好的优势，在纺织工业中具有广阔的应用前景和市场。近年来国内外都在努力加强等离子体技术在纺织领域的应用研究。,分类,等离子体可按其压力、带电荷粒子密度和温度等进行分类。在一般情况下，可将等离子体分为高温等离子体和低温等离子体。前者又称为平衡等离子体，其电子和分子或原子类粒子都具有非常高的温度;后者又称为非平衡等离子体，其电子和分子或原子类粒子具有的温度是不同的，电子温度仍然很高，而分子或原子类粒子的温度却较低，低温等离子在纺织染整中的应用最为广泛。,产生方法,等离子体发生方法很多，归纳起来有3种发生方式： (1)气体

5、放电法。在电场作用下气体被击穿，发生气体电离，等离子体即是电离的气体; (2)光致电离法。利用各种射线或具有足够能量的入射光子照射，使粒子获得能量后碰撞，引起气体电离; (3)热致电离法。借加热作用使粒子获得足够的能量，相互碰撞致电离。,等离子体处理纺织品的方法,通常来说主要有三种不同的等离子体处理纺织品的方法： (1)非聚合性等离子体如氧气、氮气、氢气、氨气或水蒸气等对纤维材料产生表面改性。 (2)等离子聚合。用有机氟、有机硅的或有机金属的等离子体作用于材料表面并在纤维材料表面产生一薄层沉积物。 (3)先用等离子体使聚合物表面活化产生自由基，再用等离子体与己产生的自由基发生移植作用，从而使纤

6、维材料表面改性。,原理,等离子体的能量可通过光辐射、中性分子流和离子流作用于聚合物表面，这些能量的消散过程就使聚合物表面发生改性。在等离子体系中的中性粒子将通过连续不断地轰击固体表面将能量转移给聚合物。这些中性粒子的能量具有四种形式：动能、振动能、离解能和激化能。动能和振动能只对聚合物起加热作用，而自由基离解能则是通过引起聚合物表面的各种化学反应而得到消散的，激化分子和原子是以与固体表面碰撞而达到消散的。这些准稳态分子和原子的能量通常大于聚合物的离解能，,9,能的自由电子，能促使纤维表层产生腐蚀、交换、接枝和共聚反应。此外由于织物在处理过程中，等离子体中的分子、原子和离子渗入到纺织材料表面，材

7、料表面的原子逸入等离子体中。这个过程使纤维表面大分子链断裂，从而使纤维受到等离子体粒子的刻蚀，表面产生粗糙的凹坑，使织物表面的吸湿性和粘着性增加，纤维之间的摩擦力增加，伴随着可能产生的化学反应，使织物表面产生化学和物理改性。,研究概况,等离子体的作用主要有3种：表面刻蚀、接枝改性与 表面沉积。应用时根据加工效果的要求，选择适当的气氛、 单体和加工工艺。等离子体技术在工业生产中的应用面十 分广泛，涉及电子、能源环保、材料等各个领域。以美国为 例，经初步统计与等离子体相关的专利多达26 000多个。,等离子体在纺织印染行业的应用已有广泛的研究，几乎在各个加工环节均有相关文献报道。在一些热点领域(如

8、 涤纶亲水改性等)国内外已有许多学者采用不同等离子体 进行了系统的研究，积累了大量的数据，为等离子体在纺织 印染行业的推广提供了重要的理论基础和数据支撑。其中 一些相关科研项目已获得验收，取得了良好的效果。,国内外研究状况,传统的等离子体技术要求高度真空条件，对加工设备 的要求很高，价格昂贵，连续化生产的难度大。这也是该技 术在20世纪七八十年代就已经成熟，但产业化迟迟未能实 现的主要原因。随着制造技术的进步，生产型等离子体设备 相继问世。 虽然目前等离子体技术已有很多应用，扩展到各个领 域，取得了理想的效果。但是在纺织印染行业，涉及工业生 产的报道较少，尤其在国内，更是凤毛嶙角。,国外应用状

9、况,1973年，美国SAC(surface activation company)公司与 United Dye Works最先合作开发了_一条用于涤纶织物加工的 等离子体生产线，处理织物幅宽18 m，运行速度457 mmin。 加工产品有舒适的吸湿眭，还有防污和耐洗涤剂等性能。 比利时Europlasma公司自1994年开始生产纺织工业用 低压等离子体设备，工作幅宽40180 cm。上海某电子元 件公司、东华大学国家染整工程技术中心、中国纺织科学研 究院先后购买了该等离子体处理设备，取得了理想的成效。,2001年，由爱尔兰等离子公司、瑞典织物和聚合物技 术研究院(IFP)等科研机构与6家企业合

10、作开发了对非织 造布及织造布常压等离子体处理的高速连续生产线，成功 地研制出了低温等离子体生产系统PIAP100。目前已在瑞 典、德国和西班牙安装运行。 目前，德国Freudenberg公司采用两台常压等离子体设 备建立了一个装配良好的中试车间，用以进行大面积被处 理物的连续整理，设计宽度1 m。美国的Plasmatreat公司和 德国Diener电子公司也分别研制了可用于纺织行业的低温 等离子体设备。其中Henniker的产品属于低压等离子体设 备，至今已成功开发Pico、Tetra等4个系列产品，设备处理 空间最高达12 600 L。,等离子体化工技术,等离子体化工技术,在等离子体条件下的

11、化学反应大致过程是这样的，通过低气压的辉光放电、电晕放电或高频放电产生稀薄的低温等离子体。自由电子从电场获得能量之后，跟气体中的原子和分子碰撞，产生激发和电离现象，由此产生的激发分子、激发原子、离子以及自由基都是极不稳定的，具有较高的化学反应性，因而很容易发生在一般条件下无法产生的各种反应，生成新的化合物，或使被处理物体分解失重。由此可见低温等离子体化学反应中气体分子的激发和电离是关键的一步。而和染整加工有关的主要涉及高分子物（包括纤维）的表面改性和接枝聚合两方面。,等离子体接枝聚合有四种方法：, 等离子体表面处理后，隔绝空气，直接与气相单体反应，并称为气相一气相接枝处理； 经等离子体表面处理

12、后，隔绝空气，直接与液相或溶液状单体反应，并称为气相一脱气液相接枝处理； 经等离子体表面处理后，置于空气中，使聚合物表面的自由基与氧反应生成过氧化物活性基，然后与液相或溶液状单体反应，按氧化接枝聚合历程开始接枝聚合，并称为气相一常压液相接枝处理； 用低挥发性单体（液体或溶液）浸渍或浸轧聚合物（例如纤维或织物）后，再经等离子体处理，引发单体与聚合物间的接枝聚合反应，即预处理接枝处理。,等离子体表面处理、等离子体聚合和接枝聚合改性方法的特征比较,等离子体在不同纺织材料上应用,等离子体在纺织材料改性中的应用,目前，应用于纺织品的材料有棉、麻、丝、毛等天然纤维，涤纶、锦纶、腈纶等合成纤维，纤维的性能直

13、接决定了纺织面料的性能。纤维表面改性是提高纺织面料服用性能的重要手段，具体方法可分为化学方法和物理方法。纤维的化学方法改性由于其自身发展的制约因素，在处理过程中过量能耗、污染等形成了发展的瓶颈。于是人们把目光投向了物理方法，在众多纤维表面改性的物理方法中，等离子体技术是发展前景最广阔的。,等离子体对棉的反应,棉纤维用低温等离子体处理后，可改善其粘合性、接枝聚合性及染色性能。原棉纤维在经低温氧等离子体处理时，等离子体中大量基态氧和激发态氧原子等活性粒子将能量传递给棉纤维表面初生胞壁中的分子，使棉纤维表面的伴生物蜡脂、果胶在高能粒子轰击下脱离表面，引起失重并在棉纤维表面留下许多深浅不同的凹坑，引起

14、棉纤维的表面刻蚀。同时，大量氧活性粒子能使棉纤维表面氧化、接枝，从而使棉纤维吸水性增强。尺寸稳定性等许多方面能获得不同程度的改善。,低温等离子体除去布匹表面的棉蜡及织物表层夹杂物，使得染料更易附着在布匹纤维上，使染色更加牢固的前处理方法。 等离子体通过对布匹进行 30-300S左右的处理，可达到甚至超过湿法漂白棉纤维的精炼效果，从而使精炼的效果大大提高，同时干式精炼法具有节水无污染的突出优点。 低温等离子体用于棉针织物的前处理加工，属于非水干式加工，是通过物理溅蚀或化学改性提高天然杂质水溶性的方式，达到去除棉纤维上果胶、蜡质等天然杂质的目的，符合当今节能、降耗、清洁生产的发展方向,对棉织物的作

15、用,低温等离子体对棉织物之诱发性好处,除能处理织物的杂质，毛羽，死棉，令表面光洁，处理后部分三丝，尼龙草亦被除去。低温等离子体处理后的织物，尺寸稳定性好，尤以针织物，线圈排列整整齐齐。 因纤维织物的表面改性，引发后工序得到更佳的效果，如吸色，功能等等。 等离子体在纺织行业中的应用领域无穷，随着第一阶段研究，再进入第二阶段-染色后整，新产品等等。,改善羊毛纤维的防毡缩性能羊毛纤维表面具有鳞片结构，纤维的弹性也很好，因此在洗涤或湿加工时产生定向摩擦效应，而使纱线和织物发生毡缩。为了改善羊毛纺织品的这种毡缩性能，通常是通过各种化学处理，破坏鳞片结构或树脂包覆鳞片来减少洗涤或湿处理过程中的定向摩擦作用

16、，改善羊毛纺织品的防毡缩性能。不过化学处理方法存在不少问题。由于低温等离子体处理的特点，不少科研人员研究用这种方法来改善羊毛的防毡缩性能。,羊毛纤维等离子体改性,羊毛纱线从一端的毛细管中进入反应室中，并从另一端毛细管中出来，毛细管和反应室都保持一定的真空度。事实上羊毛在这种辉光放电等离子体处理时，发生了多种作用，但各种作用的效果是不同的，在这种处理时，等离子体作用的同时，还存在热和紫外线的作用。 它们的作用有以下特点：1，热和紫外线照射不会或很少影响羊毛的毡缩性能及纱线强力；2，紫外线照射引发了聚合物对羊毛接枝聚合反应；3，辉光放电等离子体改善了羊毛纱线的防毡缩性，强力也有提高，而且引起了聚合

17、物对羊毛接枝反应。,纱线连续式辉光放电等离子体处理装置,涤纶纤维等离子体改性,涤纶用等离子体处理后可以获得持久的亲水性、抗静电性，染色性能、粘着性能等也可得到改善。加工目的和流程主要有以下几种： 半制品织物先进行等离子体处理，然后进行染色或整理等加工，可以改善染色和整理加工性能。 染色织物进行等离子体处理，主要进行表面刻蚀，增加颜色深度，并提高整理时的反应性，还可以改善粘着性、抗静电性和亲水性等。 染色和整理后的织物进行等离子体处理，改善颜色深度，提高抗静电性、亲水性等。,涤纶和羊毛一样，等离子体处理以后纤维的润湿性大大改善，特别是用氦气/氩气等离子体处理后，水渗透时间大为缩短，这是由于纤维表

18、面形成了较多的极性基团，提高了纤维的表面能，所以容易被水润湿，同理也容易被粘着。,改善润湿性、亲水性、粘着性和抗静电性,涤纶经等离子体处理后，在纤维表面会形成极性基团，例如，在氧气和空气等离子体中处理，纤维表面可形成含氧的极性基（纤维表面被氧化），在氮气等离子体中处理，纤维表面可形成含氮的极性基。同时还发现，即使在非反应性气体氩气等离子体中处理后，纤维表面也会被氧化，形成含氧极性基，,这是由于在等离子体中形成自由基后，随后在和空气接触时与空气中的氧气反应的结果。这些基团的形成都会改变涤纶的表面张力，不仅提高润湿和吸水性，也会提高与粘合剂或涂层剂的粘着性（粘着过程实际是粘合剂对纤维表面的润湿、扩

19、散和建立分子间结合力的过程）。曾有人将此作用来改善涤纶织物的涂料印花牢度，增强复合材料的粘结强度，以及提高与金属镀层的结合力，加工金属化涤纶。,在麻改性中的应用,麻纤维色泽洁白，有天然的抗虫蛀及抗菌性能，是天然纤维中强力较高的纤维，穿着凉爽舒适，透气性好，易洗快干，深受消费者的青睐。但由于麻纤维分子结构致密、纤维的结晶取向度较高，染色性能较差，在染整加工中需要较高的加工成本。 利用氧、氩等离子体处理，使亚麻、苎麻纤维的一些性能得到改变，使织物上的浆料、油蜡等杂质对纤维的黏附性能降低，可以使退浆、煮练工艺简化，吸湿性能提高，纤维与染料的结合速率和能力增强，进而节约加工成本。,研究表明，经过氧或氩

20、等离子体工艺处理后亚麻纤维表面亲水性、极性基团(COOH，C=O)增加。经氧或氩等离子体工艺处理后，亚麻纤维的结晶度没有明显的改变，对纤维表面的刻蚀也只是发生在纤维的无定型区的表面。经氧等离子体处理后纤维的失重和强力下降程度要稍稍高于经氩等离子体处理后的纤维。在经过100W，2.5min氧等离子体处理后，纤维的芯吸能力增强一倍,无论是氧或者氩等离子体处理，对纤维,芯吸能力的提高具有耐久性，可以达到储存1000小时以上无明显下降的效果。通过扫描电镜对处理后的亚麻纤维形态进行观察，发现纤维表层从麻结处开始形成微孔和裂缝，这样就为纤维提供了传输水分和染料的空间，增加了纤维与染料的结合点，从而可以提高

21、吸湿能力和上染能力。但是处理时间过长并不能继续提高纤维的芯吸能力，反到会使得纤维的失重增加、轻微弯曲、泛黄，但这都不会影响纤维整体的服用性能。,在锦纶改性中的应用,锦纶织物强度高、耐磨性好、表面较光亮、富有弹性，但其吸湿性较差。等离子体技术应用于锦纶主要是改善其润湿性、染色性、抗静电性，或者赋予其拒水性、拒油性等。用He、He/O2、O2、Ar等离子体处理锦纶后，发现纤维表面的含氧基团含量增加，由于刻蚀的作用，纤维变粗糙，用SEM观察发现纤维的表面出现少量的微孔和狭缝，使得织物的润湿性能提高；织物的导电能力也有极大的增强，经氧等粒子体处理后导电能力提高最大，但是如果He等离子体处理时间过长会导

22、致纤维的抗拉强度下降。,氧等离子体处理锦纶后，发现由于纤维表面的电负性基团含量增大，加上对纤维的刻蚀作用，织物染深色性能增强。用氟碳化合物等离子体处理锦纶后，锦纶织物的表面张力大大降低，接近四氟乙烯的表面张力，织物具有良好的拒水性，但是由于这些氟原子仅仅是接在纤维的表面，对织物进行洗涤、烘干后拒水性能会逐渐消失，要达到耐久的拒水性必须结合其他方法作进一步处理。,等离子体处理设备的发展,随着等离子体技术的日趋成熟，等离子体设备的发展也备受人们关注，使其从实验室装置慢慢走向工业化设备。对等离子体发生设备的研究从20世纪70年代开始，美国的表面活化公司(SAC)与联合染色厂(UPDW)合作开发了一条

23、生产线，出用于涤纶织物加工的连续化等离子体设备，并逐渐投入市场。随后德国的LEYBOLD HERAEUS公司，日本有信越化学公司，龙尼契加和日本山东铁工公司也合作开发了同类的设备，并相继投放市场。,俄罗斯伊万诺夫的Niekmi研究院也研制出工业化的等离子体设备，于1986年开发出供织物用的连续化加工设备，主要用于纯棉织物或者涤棉织物的前处理加工。意大利的Looptex SA与In.Tes S.p.公司以及俄罗斯的Niekmi研究院在米兰举行的Itma95上展出一台辉光放电等离子体处理机，日产可以达到3-4万米，并在俄罗斯以及意大利的纺织业中投入使用。德国展出了可以在常压下工作的等离子体设备，并

24、迅速投入使用；瑞士也展出了专用于纺织加工的持续真空等离子体装置，明显减少成本，随后进入市场39。比利时的Europlasma公司从20世纪80年代就开始低温等离子体设备的开发研制，90年代已经生产工业用的等离子体设备并投入使用。,应用于纺织工业中的等离子体设备，以辉光放电设备为主，该类设备有以下几个部分组成：真空室；等离子体发生器；布匹传送装置；反应气体混合输入口；冷却和密封装置。加工过程在低真空中进行，所以设备应具备一些基本的条件：低的真空度；等离子体发生要均匀；设备的性能要稳定，易操作等。由于这些条件的制约，使得应用于纺织中的等离子体设备发展相对缓慢，在连续化生产方面仍然需要有进一步的突破

25、。,等离子体及其作用方式,等离子体是有别于固、液、气物质三态之外的另一全新物质聚集态，被称为第四态。它是部分离子化的气体，可能由电子、任一极性的离子、以基态或任何激发形式的任何高能状态的气体原子和分子，以及光量子组成的气态复合体。在此复合体中，电子的负电荷总数和离子的正电荷总数在数值上是相等的，宏观上呈电中性，因而称为等离子体。等离子体分类有各种方法，大多数将其分为高温等离子体和低温等离子体。纺织染整加工主要应用低温等离子体，它又称非平衡等离子体，其电子温度很高而分子或原子类粒子的温度却较低。低温等离子体的产生通常采用电晕放电和辉光放电两种。,低温等离子体的作用方式主要有三种，等离子体表面处理

26、改性、等离子体接枝聚合和等离子体沉积聚合。PST法是指对材料表面或极薄表层的活化，刻蚀处理，通常称减量处理。因为低温等离子体中电子等活性因素的能量比有机化合物的化学键能高得多，在化学上呈非常活泼的状态。当处理有机化合物时，很容易使被处理物发生断裂和反应，从而改善纤维或织物的吸湿性、拒水性、抗污性、耐磨性及染色粘合等性能。PGP法是运用等离子体作用首先使表面活化，并引入活性基团，然后再运用接枝方法在原表面上形成许多支链，构成新表层。PPD法是将有机化合物的气体形成等离子体状态，通过控制工艺条件，使其沉积在处理物表面形成覆膜的方法。后两类是增量处理法.,结束语,等离子体技术作为一项低能耗、清洁、环保、处理均匀的工艺，在纺织材料改性中得到了越来越多的应用，在改变纤维的吸湿性能和染色性能、羊毛织物的防毡缩性能、合成纤维的抗静电性和拒水性能等方面有了较全面的研究。随着等离子体加工设备的不断改进，等离子体工艺必将加快工业化的步伐，相信其必定会为纺织业开辟一条真正的绿色通道，具有广泛的应用前景。,不用谢,