涤纶具有较高的强度、良好的耐磨性和优异的尺寸稳定性，被广泛应用于各类纺织产品中，但其表面能较低、极性点位有限，导致润湿性与吸湿导湿性能不足，影响染整加工的效率。从绿色加工角度出发，构建一种温和、可控并兼顾性能的涤纶表面改性途径，对推动纺织行业绿色可持续发展与转型升级具有现实意义。

涤纶传统水浴染色存在高耗水、高排放、高污染的技术难题。据统计,在实际染整加工中，染色1t涤纶织物需要消耗4t左右水，排放的印染废水中含有大量的表面活性剂、碱剂、染料等，尤其是重金属盐分,难以被自然降解,导致水土被重金属污染。目前针对涤纶无水染色的方法主要为有机溶剂染色、超临界CO2流体染色、真空升华染色等，但是溶剂染色的上染率一般较低,这与染料在溶剂中溶解度有关，同时溶剂染色过程中对防火安全及染料类别也有更严格的要求。目前超临界CO2流体染色还存在装置难清洗、染色成本高以及染色专用染料品种不全等问题。真空升华染色染料污染设备严重,设备清洗困难，对染色设备要求较高。

等离子体处理是一种节水、节能、减少环境污染的干式整理技术。等离子体处理引起聚酯纤维表面刻蚀和纤维微观结构发生变化，使染料分子更易渗入纤维中，从而使织物具有更好的染色性。分散染料通过范德华力、氢键和偶极力与涤纶的无定形区进行结合其中氢键占主导地位。分散染料分子中含有氢原子，能够与纤维中的氧原子和氮原子形成氢键，在等离子体改性过程中，处理气体中的氧和氮被引入到纤维表面，羧基则具有一定亲水性，可改善染液与纤维表面的界面作用，促进染液润湿和铺展。

等离子体处理工艺分析

织物表面形貌分析

针对涤纶纤维表面光滑、染料亲和性差的固有缺陷,采用低温等离子体处理技术对编织纱外层涤纶纤维进行表面改性,通过扫描电子显微镜对相同功率下、不同处理时间的纤维表面形貌进行表征。

如图1(a)所示,未处理的涤纶纤维表面呈现出连续、平整且致密的形貌特征,不利于功能染料在纤维表面的附着。如图1(b)-(d)所示,在200W功率条件下,等离子体处理对纤维表面形貌产生影响,处理30s后,纤维表面开始出现少量的浅表刻蚀特征,但整体仍以平滑结构为主,表面粗糙度提升有限;当处理时间延长至60s时,纤维表面刻蚀效应有所增强,沿纤维轴向形成较为连续的微观沟槽,表面粗糙度提高,在不破坏纤维整体形态的前提下,有效增加了纤维表面的比表面积,为后续热致变色染料分子提供了更多潜在的物理嵌附位点;当处理时间进一步延长至90s时,纤维表面刻蚀趋于不均匀,局部区域沟槽加深,表面连续性有所下降,表明过长时间的等离子体处理可能引起表面形貌的过度演化,不利于界面结构的可控调节。

图1(e)为经200W∕60s等离子体处理后并进行热致变色染料附着的纤维形貌图像,可以观察到纤维表面存在连续分布的附着相,说明适度的等离子体刻蚀通过改善纤维表面微观结构,为热致变色染料在涤纶纤维表面的稳定附着提供了有利的物理界面条件。

图1　不同等离子体处理功率及处理时间下涤纶试样的SEM图

织物接触角分析

未经处理的涤纶织物对水的接触角为125.0°，而水滴接触经等离子体处理后的织物时瞬间被织物吸收，如图2所示。这主要是因为刻蚀会在纤维表面产生裂痕，增加水滴与纤维的接触面积，从而增强纤维对水的运输能力，同理可使染料分子更好地渗透到纤维中。

图2 涤纶织物等离子体处理前后亲水性对比

织物元素含量分析

图3为涤纶试样等离子体处理前后的XPS能谱分析,由图3可知,经200W∕60s氮气等离子体处理后,试样表面元素占比发生显著变化,氧原子含量由17.06%提升至33.89%,碳原子含量相应降低,O∕C原子比由0.21增加至0.55,表明等离子体处理提高了纤维表面的含氧程度与极性特征。从C1s精细谱可见,未处理样品中以284.8eV处的C—C∕C—H峰为主,而处理后286.5eV附近归属于C—O∕C—OH的峰强明显增强,同时288.9eV处酯羰基(O—C═O)相关组分的增加,说明纤维表面含氧官能团比例提升,表明等离子体作用主要诱导了纤维表层的氧富集与官能团重排,而未破坏其主体化学结构。O1s谱进一步证实了上述结果,等离子体处理后,533.0eV附近与羟基或其他极性含氧结构相关的峰强增强,高结合能组分的增强进一步印证了表面极性含氧结构的引入,为后续热致变色染料分子通过氢键作用或其他分子间相互作用实现稳定附着提供了有利的界面条件。

图3　涤纶试样等离子体处理前后XPS能谱分析图