等离子体改性改善氨纶染色性能

文章出处：等离子清洗机厂家 | 深圳纳恩科技有限公司| 发表时间：2023-10-13

氨纶是聚氨基甲酸酯弹性纤维，是由至少85%聚氨酯链段组成的线性大分子，其分子结构为软硬链段交替排列的嵌段共聚物，具有高伸长、高回复的特点，伸长率为500%~600%，瞬时弹性回复率在95%以上，少量添加可改善织物的弹性和穿着舒适性。基于以上特点，氨纶被称为纺织品的“工业味精”。目前，氨纶主要用于包芯纱、针织物、机织物等纺织品，越来越多的新型面料和功能服装都会使用氨纶作为增效纤维。除了在普通纺织面料中应用，氨纶在卫生用品和医疗领域也有重要应用，如骑行服、瑜伽服、航空服中的部分弹力面料以及静脉曲张患者的压力服和医用弹力带等。氨纶的应用日趋广泛，并且在织物中的用量也越来越多。随着差别化氨纶的发展，其应用领域也在不断扩大。

尽管氨纶具有众多优点，但在染色性能方面，普通氨纶缺少与染料结合的官能团，染料的上染率和染色牢度远远达不到使用要求，与其他纤维混纺时，常出现“露白”现象，尤其是与尼龙、棉纤维、涤纶阳离子结合染黑色或大红色时，“露白”问题尤为严重。氨纶的“露白”问题会严重制约其在一些高档面料和氨纶含量较高的纺织面料中的应用，因此，改善氨纶的染色性能，对于拓展氨纶的应用范围、提高氨纶面料的档次和附加值具有重要意义。

氨纶结构

氨纶是氨基甲酸酯和脲基的嵌段共聚体，主要化学成分是聚氨基甲酸酯，分子链中既含柔性链段，也含刚性链段。

一般情况下，软链段处于非结晶状态，并且分子链中的氨基甲酸酯基占比较低，而氨纶的玻璃化温度低于零下40℃，所以氨纶纤维在室温下处于高弹态。总体来说，氨纶以下结构特点可能会影响其染色性能：（1）氨纶分子链中基本不含极性基团，且亚甲基和芳基的含量比较高，故氨纶纤维是一种疏水性纤维；（2）氨纶纤维分子结晶度高；（3）氨纶的嵌段共聚物结构中硬链段结构紧密，软链段松弛但与染料的结合能力不强；（4）氨纶分子上有少量端位氨基的存在，可为染料的上染提供染座。因为末端氨基数目较少，所以所染颜色比较浅。

等离子体改性改善氨纶染色性能

等离子体是由部分电子被“剥夺”后的原子及原子团被电离后产生的正负离子组成的离子化气体状物质，尺度大于德拜长度的宏观电中性电离气体，其运动主要受电磁力支配，并表现出显著的集体行为。其是一种处于高度激发态的不稳定气体，由电子、离子、自由基、激发分子、中性粒子组成，呈电中性，是除固体、气体和液体之外的物质存在的第四态。

相对于传统的化学湿法处理工艺，等离子体处理聚合物材料有如下优势：（1）等离子体处理可以在不改变基布特性的前提下只改善材料的表面性能；（2）等离子体对材料表面的作用仅涉及几到几百纳米，只会改善材料表面性能，不影响基体性能；（3）等离子体处理是物理过程，化学物质的消耗量很少。等离子体技术是一种高能物理技术，在加工过程中不涉及水，可以大大减少对环境的污染，是一种环保的加工方式，符合碳达峰、碳中和的要求。

等离子体可以通过气体放电（辉光放电或弧光放电）或高温（火焰、电弧、核反应等）产生，根据等离子体的离子温度，可分为低温等离子体和高温等离子体。高温等离子体又称平衡等离子体，电子和分子或原子类粒子的温度非常高，操作温度为5000~20000K（4726.85~19726.85℃），纤维高分子材料在高温下会发生热分解，温度太高会限制其应用；低温等离子体又称非平衡等离子体，其电子和分子或原子类粒子的温度不同，电子温度仍然很高，分子或原子类粒子的温度却很低，这是低温等离子体的特性之一，被处理材料的温度不会超过375K（101.85℃）。工业上应用的均为低温等离子体。

低温等离子体活性因素的能量水平高于有机化合物的化学键能，在化学上处于活泼状态，使用这种等离子体处理有机化合物能打开化合物的化学键。其能通过产生自由基，在表层形成新的化学结构，利用这种效应，低温等离子体一般能使材料产生如下变化：表面交联、产生自由基、引入新的基团以及表层刻蚀，如图1所示。必须指出的是，使用低温等离子体处理纺织材料时，基本不影响材料的力学等性能。

图1 等离子体与聚合物表面的相互作用

不同的气体电离后所产生的活性粒子的种类不同，因此，对材料表面的改性效果也不同。反应性气体有O2、N2、CO、CO2和空气等，所产生的等离子体中含有的化学活性种可以直接与材料表面发生反应，进而改变表面化学结构；非反应性气体有Ar和He等，所产生的等离子体中的化学活性种不可以直接与材料表面发生反应，但是可以利用其中的高能粒子轰击材料表面，以产生大量高活性自由基，进而改变材料表面的化学及物理性能。不同的气体经过等离子体处理后可以得到不同的官能团，例如氢气可以得到羟基、氧气可以得到羧基、甲烷可以得到醛基、氨气可以得到氨基等。这些官能团都是活性基团，能明显提高材料表面活性，起到活化改性的作用。

因此，利用氮气、氨气、空气等气体，将氨纶丝放入放电区，可以在氨纶丝表面引入氨基，其反应式如下：
NH₃→NH₂·+H·
NH₂→NH·+H·
N2+2H·→2NH·
RH→R·+H·
R·+NH₂·→RNH₂
RH+NH·→RNH₂
式中：RH代表氨纶的化学组成。

运用该方法可以大大增加氨纶的氨基数目，为酸性染料上染氨纶提供染座，提高染料的上染率，增加染色深度，解决氨纶的“露白”问题。此外，低温等离子体对氨纶有一定的刻蚀作用，会使氨纶丝表面变得粗糙，增加了入射光反复吸收和发射的途径，使总体吸收强度提高，产生了一种深色效应。

运用低温等离子体处理氨纶后，选择合适的气体，氨纶大分子上的氨基数目将大量增加。在酸性条件下，酸性染料的磺酸根带负电，可以与氨纶上的氨基以离子键的方式结合上染，解决了氨纶的“露白”问题。该改性方法全程无需水和化学助剂的加入，无废水等污染物产生。由此可见，低温等离子体技术是一种高效环保的加工技术，可以解决氨纶的“露白”问题，符合碳达峰、碳中和的要求。

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