1250.等离子体改善苎麻织物毛细效应实验研究.doc

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1、XXX民族大学 本科毕业论文（设计）论文题目：等离子体改善苎麻织物毛细效应实验研究学院（系）： 物理与电子工程学院 专 业 ： 物理学 年级班级 ： 物本 班 学 号 ： 学生姓名 ： 指导教师 ： 职称 教授 XXX民族大学毕业论文（设计）任务书 课题名称：等离子体改善苎麻织物毛细效应实验研究 学院 _物理与电子工程学院_专 业 _物理学_ 班 级 _03物本1班_ 学 号 xxx 姓 名 指导教师（签名）_ 2007年 月 日教研室主任（签名）_ 2007年 月 日 2007年 05 月29 日毕业论文（设计）任务书课题名称等离子体改善苎麻织物毛细效应实验研究指导教师姓名 工作单位XXX民

2、族大学物理与电子工程学院一、主要内容： 等离子体改善苎麻织物毛细效应的测试并分析处理数据，分析影响苎麻织物毛细效应的因素，研究等离子体改善苎麻织物毛细效应的机理。二、基本要求(基本技术要求与数据） 资料调研，对苎麻织物进行等离子体处理实验和织物毛细效应测试，分析处理实验数据，理论上简单分析影响苎麻织物毛细效应的因素。三、论文（设计）工作起始日期：自 2007 年 1 月26 日起，至 2007 年 5 月 23 日止四、进度与应完成的工作：第一阶段：阅读书籍、查找资料 （2007年1月26日2007年4月30日）第二阶段：论文初稿 （2007年5月1 日2007年5月16日）第三阶段：修改论文

3、初稿、成稿 （2007年5月17日2007年5月21日）第四阶段：打印论文 （2007年5月22日2007年5月23日）五、主要参考文献、资料1罗纪华，马艺华.等离子体处理苎麻织物湿润性和染着浓度影响初探。XXX纺织科技，2006，35（2）：13-14.2刘裕明，陈慧英，夏建新低温等离子体对棉纺织物表面改性及时效研究。应用基础与工程科学学报，2004,6(2):128.3王其，翟涵.不同截面纤维的毛细管特性研究。 合成科技及应用，2003，18（3）：3.4李焰，段智涌.大麻织物的舒适性能研究。湖南工程学院学报，2006，16（2）：94.5王志文，何燕和.等离子体处理苎麻织物性能研究。中国

4、麻业，2006，28（3）：146，149.目 录等离子体改善苎麻织物毛细效应实验研究2摘 要:2Abstract:31 引言42 实验与测试52.1 试样与仪器52.2 等离子体处理方法52.3 干燥试样52.4 苎麻织物毛细效应测试52.4.1 实验器材及原理52.4.2 实验条件及步骤63 实验结果与讨论63.1 等离子体处理对苎麻织物毛细效应的影响63.2 氮、氧等离子体处理后苎麻毛细效应比较93.3 等离子体处理改善苎麻织物毛细效应的分析和讨论103.3.1 附加压力103.3.2 毛细效应发生的条件和毛细效应高度的影响因数103.3.3 等离子体处理改善苎麻织物毛细效应的分析114

5、 结论12参考文献13致谢13等离子体改善苎麻织物毛细效应实验研究（XXX民族大学物理与电子工程学院，XXX）摘 要: 本文介绍了氮等离子体处理苎麻织物的实验，测试苎麻在等离子体处理前后的毛细效应的变化情况，探讨氮等离子体处理时间、处理功率对苎麻织物表面的液气附加压力、毛细管的大小及曲率半径等毛细效应的影响机制。关键词： 等离子体；毛细效应；苎麻织物。 Experimental Study on Plasma Improvement Ramie Fabrics the Capillary Effect Abstract: This article introduced the nitrogen

6、 plasma processing ramie fabric experiment. And the capillary effect of un-process ramie fabric and processed ramie fabric by nitrogen plasma was tested. The mechanism of plasma parameter effect on the ramie capillarity was simply discussed. Keywords: Plasma; Capillary effect; Ramie.1 引言苎麻属天然纤维，具有吸湿

7、透气、穿着凉爽舒适等优良性能，深受人们的喜爱。但苎麻织物染色深度和鲜艳度不及合成纤维。苎麻纤维结晶度、取向度高，导致产品手感粗硬，易起皱，给服用带来许多不便。苎麻织物后整理是改善苎麻织物上述缺陷的关键。为了增强苎麻产品的竞争能力，满足各种服用性能的要求，有必要对苎麻织物进行改善毛细效应的研究1。等离子体是有别于固、液、气体物质三态之外的另一全新物质态，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的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，宏观上呈现电中性，因而称为等离子体。等

8、离子体分为高温等离子体和低温等离子体。低温等离子体的产生通常采用电晕放电和辉光放电两种5。放电时产生的电离气体粒子具有良好的化学活性，适当控制反应条件可以实现一般情况下难以实现的化学反应。那些活性能量粒子，仅在物质表面深度几纳米以内的层面上反应，因而在纺织方面应用等离子体可以在有效地保持纤维原有特性的基础上，非常顺利地仅在其表面进行变性5。等离子体处理是利用在很高的场强下使气体离子化，利用带电粒子对苎麻织物表面的弹性碰撞和非弹性碰撞发生能量交换，使纤维表面的杂质（浆料、油蜡、残胶等）与纤维之间黏附疏松，溶解性能增加；同时纤维表面也被等离子体刻蚀，改善苎麻织物的毛细效应，从而提高织物吸湿和染色性

9、能及染色牢固度。此项技术由于是在干态（非液态）下进行，无需采用可溶性化学物质作为中介物，无废水排放、无环境污染，并可节约能源，使处理效果保持永久性，可为我国纺织业带来可观的经济效益和社会效益。本文将介绍用氮等离子体处理苎麻织物，探讨在一定气压下等离子体处理时间、功率对苎麻织物毛细效应的影响，分析测试毛细效应的数据，理论分析影响织物毛细效应的因素。2 实验与测试2.1 试样与仪器27.8tex27.8tex苎麻织物HD2冷等离子体改性设备202-00型电热鼓风恒温干燥箱2.2 等离子体处理方法本实验室用电容耦合时射频等离子体装置，射频电源频率为13.56MHz，在真空环境产生辉光等离子体。将苎麻

10、织物试样置于HD2冷等离子体改性设备腔体中，把腔体抽真空到10 pa 并通入氮气，直接进行辉光放电处理。在以上条件不变的情况下，在50Pa压强下，分别改变时间、功率等参数对织物进行等离子体处理。2.3 干燥试样为了使苎麻织物的试样在等离子体处理后和未经等离子处理的试样在温度、湿度等初始条件基本一致，用202-00型电热鼓风恒温干燥箱（220 1.2KW，工作温度是室温升10-300）。让织物试样在干燥箱内恒温60，保持36小时。2.4 苎麻织物毛细效应测试2.4.1 实验器材及原理 器材和材料:温度计、固定支架、钢尺、苎麻织物、烧杯，适量的水。实验原理：垂直放置的苎麻纺织品,一端浸在液体中,液

11、体借助表面张力沿其毛细管上升的现象,称为毛细效应。在规定时间内液体沿纺织品的缝隙上升或渗入的高度,即毛细高度。用量具（钢尺）测量液体上升的高度。2.4.2 实验条件及步骤实验条件：室温25，湿度58%RH。实验步骤:将水注入烧杯内,至适当高度。使烧杯内液体温度保持在与室温一致。调整仪器,使液面处于标尺的某一刻度。从干燥箱中取出已干燥好的苎麻织物并将其裁剪为长30.0cm，宽2.0cm的试样。将苎麻织物试样夹紧钢尺，把没用上的试样放回干燥箱保存。设定测试时间为30min。在渗液高度参差不齐时,取每次的最高值代表其毛细效应4 2。3 实验结果与讨论3.1 等离子体处理对苎麻织物毛细效应的影响在50

12、pa的压强下，不同处理时间和功率条件下对苎麻织物进行氮等离子体处理，毛细效应测试时间为30min，织物毛细效应变化情况见表3-1和表3-2。表3-1 不同处理时间对织物毛细效应的影响处理时间（min） 原样510152030毛细效应（cm）经10.2011.3011.7013.6013.2513.32纬11.1010.9011.9012.7512.2512.20实验条件：50Pa，50w。 表3-2 不同处理时间对织物毛细效应的影响处理时间（min） 原样510152030毛细效应（cm）经10.2012.9014.5013.6013.0513.10纬11.1012.9513.4013.801

13、3.3013.20实验条件：50Pa，120w。对应的变化曲线如图3-3和图3-4。图3-3 氮等离子体处理对苎麻织物毛细效应的影响（50Pa，50w）从图3-3明显可见，等离子处理引起苎麻织物润湿性变化较大。 15min内织物经向的毛细效应是随时间增大而增大，10min到15min之间毛细效应增大速度较快，15min左右达到一个较高值。而织物的纬向毛细效应前5min是先减小后增大，等离子处理时间到15min左右毛细效应达到较高数值，继续延长处理时间毛细效应变化不明显，其间也有减小的情况，但织物的毛细效应相比等离子处理前都有明显的变化。图3-4 氮等离子体处理对苎麻织物毛细效应的影响（50Pa

14、，120w）图3-4与图3-3曲线相比，图3-4等离子体处理功率是120W，图3-3的等离子体处理功率50W，时间间隔毛细效应变化速度较快以及变化值增大，曲线变化的趋势相差较大，可见处理功率对苎麻织物润湿性有一定影响。随着时间不断增大，5min内毛细效应增加速度比较快。苎麻织物经向的毛细效应10min左右达到较高的数值，15min时毛细效应突然下降到一个较小值，延长时间毛细效应又开始增大，继续延长时间变化不明显。织物纬向的毛细效应15min左右达到一个较高值，到达一定值后延长时间毛细效应减小，继续延长时间变化缓慢不明显。随着功率增强，织物毛细效应值增大。因为处理功率越大，引发的高速粒子数量越多

15、，能量也越大，对纤维表面轰击和刻蚀作用加重，使纤维表面的结晶相和无定形相比例发生变化，纤维结晶度有所下降，从而润湿性得到提高，有利于织物染着浓度的改善。3.2 氮、氧等离子体处理后苎麻毛细效应比较在50pa的压强下，不同处理时间和功率条件下对苎麻织物进行氧等离子体处理，毛细效应测试时间为30min，织物毛细效应变化情况见图3-5和图3-4。图3-5 苎麻织物的毛细效应与氧等离子体处理时间关系1（50Pa，120w）从图3-5可见，氧等离子体引起苎麻织物湿润性变化。处理时间在5min内苎麻的毛细效应变化较明显，处理时间在5min到10min之间毛细效应变化较缓慢，处理时间到15min左右苎麻的毛

16、细效应达到较高的数值，继续延长处理时间毛细效应变化不明显。而图3-4反映，随着时间不断增大，5min内毛细效应增加速度比较快。苎麻织物经向的毛细效应10min左右达到较高的数值，15min时毛细效应突然下降到一个较小值，延长时间毛细效应又开始增大，继续延长时间变化不明显。织物纬向的毛细效应15min左右达到一个较高值，到达一定值后延长时间毛细效应减小，继续延长时间变化缓慢不明显。不同的功率对苎麻织物毛细效应即湿润性有一定的影响。在0到40w的处理功率之间苎麻织物的毛细效应数值迅速增大，大于40w处理功率时苎麻织物的毛细效应值缓慢增大。处理功率到120w时苎麻的毛细效应达到较高的数值，继续增加功

17、率毛细效应变化不明显1。通过比较图线走势，可以看出氧等离子体处理毛细效应变化呈稳定的增大趋势；氮等离子体处理后的毛细效应变化先是开始以较快的速度增大后以平缓的速度减小，图线走势比较不稳定。所以用氧离子体处理苎麻织物使毛细效应改变的实验，在实验时间上比氮等离子体处理较好控制，反映的实验结果也较有规律。3.3 等离子体处理改善苎麻织物毛细效应的分析和讨论3.3.1 附加压强由于毛细管中的液气界面张力将附加到液柱上，根据拉普拉斯方程： （3.1）式中： 表示附加压强(Pa)； 表示液气界面张力系数(Nm)，20水为00725(Nm)；表示弯月形曲面一轴向的曲率半径(m)；表示弯月形曲面另一轴向的曲率

18、半径(m)。对于圆管，所以 (3.2)由于 ， 所以 (3.3)式中：r表示毛细管当量半径(m)；表示固-液接触角。 3.3.2 毛细效应发生的条件和毛细效应高度的影响因数作用在毛细管上的附加压力，只有大于或等于毛细管中的液态水所产生的重力时，毛细效应才能发生，液体才能上升。即 （3.4）式中：h表示毛细效应高度(m)；g表示重力加速度(ms )；d表示液体密度(kg)。由式(3.4)得 （3.5）由式(3.5)可见毛细效应与液气界面张力系数、毛细管的材料特性、液体密度d以及毛细管的当量半径r有关。在毛细管的材料特性和液体密度d及液气界面张力系数一定时，毛细效应高度只与毛细管当量半径有关，说明

19、毛细管当量半径是决定毛细效应的固有特性，一旦毛细管当量半径确定，毛细效应高度确定。毛细管细，当量半径小，毛细效应高度大3。3.3.3 等离子体处理改善苎麻织物毛细效应的分析氮等离子体对苎麻的作用主要有两种，分别是等离子体表面改性和等离子体接枝聚合。等离子体表面改性是指对材料表面或极薄表层活化、刻蚀处理。未进行刻蚀的苎麻织物表面杂质（浆料、油蜡、残胶等）较多，与纤维黏附紧密，经刻蚀后纤维表面杂质变得疏松，并且纤维上出现了沟槽裂纹，纤维表面粗糙化，电负性能和纤维结晶度也发生了变化。由于等离子体的刻蚀作用，导致纤维表面产生更多裂缝和断裂弱点，从而为液体的湿润和渗透提供了通道，使毛细管的材料特性角减小

20、，液气界面张力系数变大，从而可以改善苎麻织物的毛细效应。等离子体接枝聚合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。用氮等离子体处理苎麻织物时，氮原子打击纤维表面并渗入到纤维内部，产生自由基。等离子体处理时间越长，处理功率越大，打击到纤维表面及内部的氮原子越多，产生的自由基就越多，从而织物的亲水性就越强，使得毛细管的材料特性角就越小，液气界面张力系数变得越大。荷能粒子的能量能则是通过引起聚合物表面各种化学反应 脱氢、加成、氧化等作用，亚稳态分子和原子的能量通常大于聚合物的离解能，因而在碰撞过程中会产生聚合物自由基，把织物密封置于该电

21、场，电场中产生的大量等离子体及高能自由电子，能促使纤维表层产生腐蚀、交换等反应。从而可以达到化学和物理改性效果，它可使纤维表层的大分子链断裂，呈微观不平的粗糙状态，为进一步改性创造条件；或在表面生成离子、自由基团而改变纤维表面的亲水性、渗透性、导电性以及分子量等。另外，聚合物表面的结晶相和无定形相的比例也可能发生变化。故等离子体处理苎麻织物后能有效提高其毛细效应，同时也可降低其结晶度5。4 结论采用氮等离子体处理苎麻织物，通过测试苎麻在等离子体处理前后的毛细效应的变化情况，探讨氮等离子体处理时间、处理功率对苎麻织物毛细效应的影响机制。并与氧等离子体处理后织物的毛细效应变化图线比较，反映氧等离子

22、体处理的优点。等离子体处理苎麻织物时等离子体中的荷能粒子和活性分子能有效作用苎麻纤维表面，使纤维表面得到一定程度的刻蚀和腐蚀，改变其形貌，也能降低苎麻纤维的结晶度5，提高其毛细效应，即湿润性大大提高，有利于改善苎麻的染整技术。还能在一定程度上减少苎麻织物的刺痒感。在射频等离子处理苎麻织物时，相关的化学反应使等离子体整理能有效改善苎麻织物性能。与常规的整理方法相比，等离子体整理只限于织物表面，不影响基体固有性能，对织物及纤维伤害低；等离子体整理为干式工艺，操作较方便，无污染，节能降耗，具有较好的应用前景。参考文献1 罗纪华，马艺华.等离子体处理苎麻织物湿润性和染着浓度影响初探J.XXX纺织科技，2006,35（2）：13-14.2 刘裕明，陈慧英，夏建新.低温等离子体对棉纺织物表面改性及时效研究J.应用基础与工程科学学报，2004,6(2)：128.3 王其，翟涵.不同截面纤维的毛细管特性研究J.合成科技及应用，2003,18（3）：3.4 李焰，段智涌.大麻织物的舒适性能研究J.湖南工程学院学报，2006,16（2）：94.5 王志文，何燕和.等离子体处理苎麻织物性能研究J.中国麻业，2006,28（3）：146-149.致谢本人在撰写论文的过程中，得到王XX老师的悉心指导及吴成柳和岑加荣同学的帮助，在此向他们深表谢意！