棉织物因其优异的吸湿性、透气性和生物可降解性,在功能化纺织品开发中备受关注。然而,其表面惰性及缺乏活性官能团导致染料、纳米粒子等功能性物质的负载效率与结合牢度受限。传统化学改性方法(如碱处理或接枝改性)虽能改善表面性能,但存在废水污染、能耗高及纤维损伤等问题。近年来,低温等离子体技术作为一种绿色、高效、无溶剂的表面改性手段,通过物理刻蚀与化学活化协同作用,为棉织物功能化提供了新途径。

等离子体处理技术

等离子体处理通过高能粒子(如电子、离子)和活性自由基与纤维表面相互作用,可在纳米尺度内实现以下效应(图1-1):(1)清洁刻蚀:去除棉纤维表层的蜡质与果胶,形成粗糙结构,增加比表面积与结合位点;(2)化学活化:在纤维表面引入羟基(—OH)、羧基(—COOH)等极性基团,提升表面润湿性与化学键合能力;(3)协同增效:表面刻蚀与活化协同优化功能物质的渗透与吸附。

图1-1 氧等离子体预处理棉织物示意图 

等离子体处理对棉织物的影响

本使用低温等离子体处理仪对棉织物表面进行预处理。首先将棉织物裁剪成合适的大小,随后水平放置在处理仪的圆柱形腔体中,然后打开真空泵将腔内气压抽至10Pa以下。接着打开气瓶通入氧气,设置好流量、处理功率与处理时间后开始对棉织物表面进行处理。

等离子体处理后棉织物的质量损失与形貌变化

等离子体处理通过高能粒子轰击与活性自由基氧化作用,显著改变了棉织物的表面组成与微观结构。如图1-2所示,棉织物的质量损失率随处理功率(100-300W)与时间(10-30min)的增大呈增长趋势,最高质量损失率达8.59%(100W,30min),表明表面刻蚀效应与杂质清除的协同作用。一方面是因为杂质的去除,纤维表层的蜡质与果胶被等离子体分解为CO₂、H₂O等挥发性小分子,导致质量损失;另一方面是因为表面刻蚀:高能粒子轰击导致纤维素分子链断裂,形成微米级沟槽与纳米孔洞(SEM图1-3),直接造成纤维质量减少。

图1-2 等离子体处理后棉织物的质量损失率 

通过对图1-3中SEM图像的对比分析,可清晰揭示氧等离子体处理对棉纤维表面的刻蚀。未处理棉纤维表面呈现典型的光滑层状结构(图1-3a),而经等离子体处理后,纤维表面形成不同程度密集的沟槽与微孔结构(图1-3b-f)。形貌改变的原因是在氧等离子体中,活性物质会引起化学侵蚀(原子)和物理侵蚀(离子)。

图1-3 等离子体处理后棉织物的扫描电镜图(a)未处理,(b)100W-10M,(c)100W- 20M,(d)100W-30M,(e)200W-10M,(f)300W-10M 

等离子体处理对棉织物润湿性的影响

通过接触角测量仪评估等离子体处理技术对棉织物润湿性和亲水性的提高。由于棉织物本身的孔隙率较高,且处理后的棉织物良好的亲水性性导致水珠瞬间渗透,因此很难测量其接触角,在这种情况下,可以通过棉织物对水珠的吸收速率评估棉织物的润湿性。如图1-4所示,未处理棉织物的静态接触角为154.70°,而在9.72s后的降至136.62°,显示出一定的疏水性,归因于浆料在棉纤维表面干燥后,形成一层连续的薄膜,阻碍了水分的快速渗透。而等离子体处理后样品(100W-30min),水珠在0.18s内完全吸收,归因于刻蚀形成的微米级沟槽与纳米孔洞构成多级毛细通道,毛细效应得到强化,驱动水分快速铺展。

图1-5 不同棉织物的接触角测试图(a)未处理,(b)100W-10M,(c)100W-20M,(d) 100W-30M,(e)200W-10M,(f)300W-10M 

等离子体处理后棉织物的红外光谱分析

图1-5展示的不同棉织物的红外光谱图有助于研究等离子体处理对棉织物化学组分的影响,其中,2915cm^-1和2849cm^-1处的峰对应于长烷基链中亚甲基(-CH2-)的不对称和对称拉伸,这表明棉织物表面存在一层蜡质。而在等离子体处理后,不同的处理方案都显现出了相似的结果,即2915cm^-1和2849cm^-1处的峰值强度显著降低甚至消失,这归因于等离子体处理对棉织物表面蜡质的分解去除。此外,等离子体处理后,1657~1605cm^-1区域(C=O)的峰强度增加,并在1655cm^-1出现一个小峰,这证实了氧等离子体处理后棉织物表面的氧化效果,即蜡质层去除后,棉织物被来自氧气的等离子体活性物质氧化,从而生成相对大量的C=O键。此外,这证实了氧等离子体在纤维表面诱导生成了额外的极性基团,以增强织物的亲水性,与接触角测试分析相呼应。 

图1-5 不同棉织物的红外光谱图