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棉織物因其優異的吸濕性、透氣性和生物可降解性,在功能化紡織品開發中備受關注。然而,其表面惰性及缺乏活性官能團導致染料、納米粒子等功能性物質的負載效率與結合牢度受限。傳統化學改性方法(如堿處理或接枝改性)雖能改善表面性能,但存在廢水污染、能耗高及纖維損傷等問題。近年來,低溫等離子體技術作為一種綠色、高效、無溶劑的表面改性手段,通過物理刻蝕與化學活化協同作用,為棉織物功能化提供了新途徑。

等離子體處理技術

等離子體處理通過高能粒子(如電子、離子)和活性自由基與纖維表面相互作用,可在納米尺度內實現以下效應(圖1-1):(1)清潔刻蝕:去除棉纖維表層的蠟質與果膠,形成粗糙結構,增加比表面積與結合位點;(2)化學活化:在纖維表面引入羥基(—OH)、羧基(—COOH)等極性基團,提升表面潤濕性與化學鍵合能力;(3)協同增效:表面刻蝕與活化協同優化功能物質的滲透與吸附。

圖1-1 氧等離子體預處理棉織物示意圖 

等離子體處理對棉織物的影響

本使用低溫等離子體處理儀對棉織物表面進行預處理。首先將棉織物裁剪成合適的大小,隨后水平放置在處理儀的圓柱形腔體中,然后打開真空泵將腔內氣壓抽至10Pa以下。接著打開氣瓶通入氧氣,設置好流量、處理功率與處理時間后開始對棉織物表面進行處理。

等離子體處理后棉織物的質量損失與形貌變化

等離子體處理通過高能粒子轟擊與活性自由基氧化作用,顯著改變了棉織物的表面組成與微觀結構。如圖1-2所示,棉織物的質量損失率隨處理功率(100-300W)與時間(10-30min)的增大呈增長趨勢,最高質量損失率達8.59%(100W,30min),表明表面刻蝕效應與雜質清除的協同作用。一方面是因為雜質的去除,纖維表層的蠟質與果膠被等離子體分解為CO?、H?O等揮發性小分子,導致質量損失;另一方面是因為表面刻蝕:高能粒子轟擊導致纖維素分子鏈斷裂,形成微米級溝槽與納米孔洞(SEM圖1-3),直接造成纖維質量減少。

圖1-2 等離子體處理后棉織物的質量損失率 

通過對圖1-3中SEM圖像的對比分析,可清晰揭示氧等離子體處理對棉纖維表面的刻蝕。未處理棉纖維表面呈現典型的光滑層狀結構(圖1-3a),而經等離子體處理后,纖維表面形成不同程度密集的溝槽與微孔結構(圖1-3b-f)。形貌改變的原因是在氧等離子體中,活性物質會引起化學侵蝕(原子)和物理侵蝕(離子)。

圖1-3 等離子體處理后棉織物的掃描電鏡圖(a)未處理,(b)100W-10M,(c)100W- 20M,(d)100W-30M,(e)200W-10M,(f)300W-10M 

等離子體處理對棉織物潤濕性的影響

通過接觸角測量儀評估等離子體處理技術對棉織物潤濕性和親水性的提高。由于棉織物本身的孔隙率較高,且處理后的棉織物良好的親水性性導致水珠瞬間滲透,因此很難測量其接觸角,在這種情況下,可以通過棉織物對水珠的吸收速率評估棉織物的潤濕性。如圖1-4所示,未處理棉織物的靜態接觸角為154.70°,而在9.72s后的降至136.62°,顯示出一定的疏水性,歸因于漿料在棉纖維表面干燥后,形成一層連續的薄膜,阻礙了水分的快速滲透。而等離子體處理后樣品(100W-30min),水珠在0.18s內完全吸收,歸因于刻蝕形成的微米級溝槽與納米孔洞構成多級毛細通道,毛細效應得到強化,驅動水分快速鋪展。

圖1-5 不同棉織物的接觸角測試圖(a)未處理,(b)100W-10M,(c)100W-20M,(d) 100W-30M,(e)200W-10M,(f)300W-10M 

等離子體處理后棉織物的紅外光譜分析

圖1-5展示的不同棉織物的紅外光譜圖有助于研究等離子體處理對棉織物化學組分的影響,其中,2915cm^-1和2849cm^-1處的峰對應于長烷基鏈中亞甲基(-CH2-)的不對稱和對稱拉伸,這表明棉織物表面存在一層蠟質。而在等離子體處理后,不同的處理方案都顯現出了相似的結果,即2915cm^-1和2849cm^-1處的峰值強度顯著降低甚至消失,這歸因于等離子體處理對棉織物表面蠟質的分解去除。此外,等離子體處理后,1657~1605cm^-1區域(C=O)的峰強度增加,并在1655cm^-1出現一個小峰,這證實了氧等離子體處理后棉織物表面的氧化效果,即蠟質層去除后,棉織物被來自氧氣的等離子體活性物質氧化,從而生成相對大量的C=O鍵。此外,這證實了氧等離子體在纖維表面誘導生成了額外的極性基團,以增強織物的親水性,與接觸角測試分析相呼應。 

圖1-5 不同棉織物的紅外光譜圖