等离子体处理对聚苯硫醚纤维性能的影响

第３８卷第５期　２０１０年５月　挥噍僻ｌ技术　Ｃｏｔｔｏｎ　Ｔｅｘｔｉｌｅ　Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ　

等离子体处理对聚苯硫醚纤维性能的影响　

赵雪曼赵　萌　

（西安工程大学）　

摘要：　研究氧气低温等离子体处理对聚苯硫醚纤维性能的影响。在不同水平的压强、功率、时间条件　下，对聚苯硫醚纤维进行氧气低温等离子处理，并测试其静摩擦因数、动摩擦因数、断裂强度损失率、断裂伸长减　小率、毛细高度的变化情况。指出：处理功率对纤维机械性能影响显著，处理压强对纤维摩擦性能和润湿性能影　响较大。根据综合平衡法确定最佳工艺为：压强２０　Ｐａ，功率２００　Ｗ，时间３００　Ｓ。　关键词：　低温等离子体处理；聚苯硫醚纤维；处理压强；处理功率；处理时间　中图分类号：ＴＳ１０２．６　文献标志码：Ａ　文章编号：１００１—７４１５（２０１０）０５－０００５．０４　

Ｅｆｆｅｃｔ　ｏｆ　Ｌｏｗ　Ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ　Ｐｌａｓｍａ　Ｔｒｅａｔｍｅｎｔ　

ｏｎ　Ｐｒｏｐｅｒｔｙ　Ｏｆ　ＰＯｌｙｐｈｅｎｙｌｅｎｅ　Ｓｕｌｆｉｄｅ　Ｆｉｂｅｒ　

Ｚｈａｏ　Ｘｕｅｍａｎ　Ｚｈａｏ　Ｍｅｎｇ　（Ｘｉ　ａｎ　Ｐｏｌｙｔｅｃｈｎｉｃ　Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ）　

Ａｂｓｔｒａｃｔ　Ｅｆｆｅｃｔ　ｏｆ　ｏｘｙｇｅｎ　ｌｏｗ　ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ　ｐｌａｓｍａ　ｔｒｅａｔｍｅｎｔ　ｏｎ　ｐｒｏｐｅｒｔｙ　ｏｆ　ｐｏｌｙｐｈｅｎｙｌｅｎｅ　ｓｕｌｆｉｄｅ　ｆｉｂｅｒ　ｗａｓ　ｓｔｕｄ—　ｉｅｄ．Ｉｎ　ｄｉｆｆｅｒｅｎｔ　ｌｅｖｅｌｓ　ｏｆ　ｔｒｅａｔｍｅｎｔ　ｐｒｅｓｓｕｒｅ，ｐｏｗｅｒ，ｔｉｍｅ，ｏｘｙｇｅｎ　ｌｏｗ　ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ　ｐｌａｓｍａ　ｔｒｅａｔｍｅｎｔ　ｗａｓ　ｃａｒｒｉｅｄ　ｏｎ　ｐｏｌｙ—　ｐｈｅｎｙｌｅｎｅ　ｓｕｌｆｉｄｅ　ｆｉｂｅｒ，ｃｈａｎｇｉｎｇ　ｓｉｔｕａｔｉｏｎ　ｏｆ　ｓｔａｔｉｃ＆ｄｙｎａｍｉｃ　ｆｒｉｃｔｉｏｎ　ｃｏｅｆｆｉｃｉｅｎｔ，ｌｏｓｓ　ｒａｔｅ　ｏｆ　ｂｒｅａｋｉｎｇ　ｔｅｎａｃｉｔｙ．ｄｅｃｒｅａｓｅ　ｒａｔｅ　ｏｆ　ｂｒｅａｋｉｎｇ　ｅｌｏｎｇａｔｉｏｎ　ｒａｔｅ　ａｎｄ　ｃａｐｉｌｌａｒｙ　ｈｅｉｇｈｔ　ｗａｓ　ｔｅｓｔｅｄ．Ｉｔ　ｉｓ　ｐｏｉｎｔｅｄ　ｏｕｔ　ｔｈａｔ　ｔｒｅａｔｍｅｎｔ　ｐｏｗｅｒ　ｅｆｆｅｃｔ　ｆｉｂｅｒ　ｍｅｃｈａｎ—　ｉｃａｌ　ｐｒｏｐｅｒｔｙ　ｏｂｖｉｏｕｓｌｙ，ｔｒｅａｔｍｅｎｔ　ｐｒｅｓｓｕｒｅ　ｅｆｆｅｃｔ　ｆｉｂｅｒ　ｆｒｉｃｔｉｏｎ　ｐｒｏｐｅｒｔｙ　ａｎｄ　ｗｅｔｔｉｎｇ　ｐｒｏｐｅｒｔｙ　ａ　ｌｏｔ．Ａｃｃｏｒｄｉｎｇ　ｔｏ　ｉｎｔｅｇｒａｔｅｄ　ｂａｌａｎｃｅ　ｍｅｔｈｏｄ，ｂｅｓｔ　ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ　ｓｈｏｕｌｄ　ｂｅ　ｐｒｅｓｓｕｒｅ　２０　Ｐａ，ｐｏｗｅｒ　２００　Ｗ　ａｎｄ　ｔｉｍｅ　３００　Ｓ．　Ｋｅｙ　Ｗｏｒｄｓ　Ｌｏｗ　Ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ　Ｐｌａｓｍａ　Ｔｒｅａｔｍｅｎｔ，Ｐｏｌｙｐｈｅｎｙｌｅｎｅ　Ｓｕｌｆｉｄｅ　Ｆｉｂｅｒ，Ｔｒｅａｔｍｅｎｔ　Ｐｒｅｓｓｕｒｅ，Ｔｒｅａｔｍｅｎｔ　Ｐｏｗｅｒ，Ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ　Ｔｉｍｅ　

聚苯硫醚纤维（以下简称ＰＰＳ纤维）具有较　高的熔点和玻璃化温度，热分解起始温度高达　４３０　ｏＣ。纤维在１７０　ｏＣ～１９０　ｏＣ的高温下可以长　

期使用，２００　ｏｃ以下ＰＰＳ纤维不溶于任何溶剂…。　

另外，阻燃性、无毒、均衡的物理机械性能和良好　

的尺寸稳定性也是ＰＰＳ纤维突出的优点。因此，　

ＰＰＳ纤维的针刺非织造布或机织物可用于高温腐　蚀性试剂的过滤。是较为理想的耐热和耐腐蚀材　

料。但该纤维结构紧密，大分子链上缺乏极性基　

团，如一０Ｈ、一ＮＨ，、一Ｃ０ＮＨ　、一ＣＯＯＲ等，造成　了ＰＰＳ纤维黏结性差、吸湿性差的问题，使其在　

作为过滤性材料的使用过程中遇到了很多难题。　

因此我们利用低温等离子体技术，在氧气氛围下　对ＰＰＳ纤维进行表面改性，在保证其物理力学性　

陕西省教育厅重点科技项目（０８ＪＺ２５）　作者简介：赵雪曼（１９６８一），女，高级工程师，西安，７１００４８　收稿日期：２００９－１２－２５　能没有很大损伤的前提下，改善其摩擦性、吸湿　性，从而增加ＰＰＳ纤维用于过滤材料的适用性。　

１　试验部分　

１．１试验材料及设备　日本产ＰＰＳ纤维，纤维细度１．７　ｄｔｅｘ；纯净氧　

气；ＨＤ一１Ｂ型冷等离子体改性设备。　

采用Ｙ１５１型纤维摩擦系数测定仪测定纤维　摩擦系数；ＹＧＯ０１Ｎ型电子单纤维强力仪测试纤　

维强伸性；ＹＧ（Ｂ）８７１型毛细管效应仪测定ＰＰＳ　样品毛细高度。　计时秒表、干燥器、铁架台、刻度尺、夹子、烧　杯、剪刀、针线。　

１．２辉光放电等离子体处理　

与电晕、ＤＢＤ、高能电子束、射线等方法相比，　

辉光放电等离子体处理由于放电均匀，粒子能量　释瞌织技　ＣｏＲｏｎ　Ｔｅｘｔｉｌｅ　Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ　第３８卷第５期　２０１０年５月　

密度适宜，更合适于纤维表面改性，实际应用中取　得显著的效果　。］，因此低温等离子体是对ＰＰＳ　

纤维改性的重要途径。辉光放电等离子体处理方　

法的主要工艺参数是功率、时间和压强，处理压强　和功率决定了低温等离子体中活性粒子的数量和　

能量状态。处理时先将样品放入低温等离子体处　理器反应室内，关闭所有的进气阀门，抽真空达到　

本地真空（约２　Ｐａ），打开氧气进气阀，调节到所　

需的气压、功率和时间，放电并计时，处理一定时　间后，关闭功率源，放气取出样品，放入干燥器待　

测试。　１．３测试　１．３．１　单纤维强力测试　试验取样方式为随机取样。预加张力０．５　

ｃＮ，负载量程９８　ｃＮ，试样长度１０．Ｏ０　ｍｍ，拉伸速　

度ｌ０．Ｏ０　ｍｍ／ｍｉｎ，每组测试３０根。　１．３．２动、静摩擦系数的测试　

本试验采用绞盘法测纤维的静、动摩擦系数，　

每种试样测１０根，每根测试２次，求平均值。　１．３．３毛细效应的测试　

按照行业标准ＺＢＷ０４０１９．９０｛纺织品毛细管　

表２正交试验结果　效应试验方法》进行测定。试验时，取不同处理　条件的ＰＰＳ非织造毡样品各３份，长度为２０　ＣＩＴＩ。　

先把样品垂直悬挂，将其下端浸入有色溶液中，２０　

ｍｉｎ后测量纤维的润湿高度，并取３个试样的平　均值。　

２试验结果与分析　

为了分析在氧气氛围下低温等离子体处理的　

压强、功率和时间对ＰＰＳ纤维性能的影响，我们　

先取了压强，功率和时间３个因素的３个水平，具　体值如表１所示。　

表１　因素水平表　

根据表１的因素水平，利用正交表Ｌ。（３　）确　定试验方案，表２为正交试验结果。　

注：０　方案为未处理原样。　

２．１　处理后纤维损伤情况的分析　为了更直观的反映ＰＰＳ纤维经辉光放电低　

温等离子体处理后的损伤情况，采用断裂强度损　

失率和断裂伸长率减小率来进行分析。　２．１．１　ＰＰＳ纤维断裂强度损失率的正交分析　

根据表２的试验结果，采用正交设计的直观　

分析法分析辉光放电低温等离子体处理各个因素　对ＰＰＳ纤维断裂强度的影响程度，从而找出影响　

断裂强度的最重要因素。具体如表３所示。　

表３　断裂强度损失率的正交分析表　第３８卷第５期　２０１０年５月　择瞌想起　

Ｃｏｔｔｏｎ　Ｔｅｘｔｉｌｅ　Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ　

由表３可以看出，因素Ｂ（处理功率）的极差　

７．０８４最大。这说明因素Ｂ的水平改变对ＰＰＳ纤　

维断裂强度的影响最大，也就是说，其他因素水平　

一定时，处理功率越大，对纤维表面的破坏越严　

重；反之，则断裂强度变化较小。所以因素Ｂ是　我们考虑的主要因素。因素Ａ（处理压强）的极　

差为２．６０７，仅次于因素Ｂ，它对纤维的表面也起　到一定的破坏作用。因素ｃ（压强）的极差为　

１．２００，是３个因素中极差最小的，因此时间的变　

化对断裂强度的影响较小。在不考虑其他指标的　情况下要使处理后的断裂强度损失率最小，３个　

参数选择分别为１０　Ｐａ，１００　Ｗ，３００　Ｓ。　２．１．２　ＰＰＳ纤维断裂伸长率减小率的正交分析　

采用同样的方法，分析各个因素对断裂伸长　率的影响主次关系。具体如表４所示。　

表４　断裂伸长率损失率的正交分析表　

表５摩擦系数的正交分析表　从表４中可以看出，因素Ｂ（处理功率）的极　

差６．９６９最大。这说明因素Ｂ的水平改变对ＰＰＳ　

纤维断裂伸长率的影响最大，也就是说，其他因素　水平一定时，处理功率越大，ＰＰＳ纤维断裂伸长率　

越小；反之，则断裂伸长率变化较小。所以因素Ｂ　是我们考虑的主要因素。因素Ａ（处理压强）的　

极差３．３０８，仅次于因素Ｂ。因素Ｃ（处理时间）的　极差０．８２５最小，说明它的水平改变对ＰＰＳ纤维　

断裂伸长率的影响最小。在不考虑其他指标的情　

况下要使处理后的断裂伸长率损失率最小，３个　参数选择分别为３０　Ｐａ，１００　Ｗ，１８０　Ｓ。　

２．２　ＰＰＳ纤维表面摩擦性能的正交分析　为了使纱线具有一定的强力，纤维与纤维之　

间要求具有足够的摩擦力，同时纱线与纱线之间　也要具有足够的摩擦力，这是织物尺寸稳定性良　

好的必要条件。根据表２的试验结果我们对ＰＰＳ　纤维的摩擦系数进行了极差分析，经等离子处理　

后的ＰＰＳ纤维摩擦系数的具体情况如表５所示。　由表５可看出，影响动、静摩擦的最主要因素　

均为压强，即压强越大，摩擦系数值越大。对于静　

摩擦来说，时间的影响居中，功率对静摩擦系数影　响较小；对于动摩擦来说，功率的影响居中，时间　

对静摩擦系数影响较小。　

２．３毛细高度的正交分析　

作为增强复合材料、过滤材料使用的ＰＰＳ纤　

维，其润湿性能以及由此引出的吸附、黏结、抗污　等问题对其实用性是至关重要的。　

在氧气氛围下，经低温等离子体按正交表的　９个方案处理的９种ＰＰＳ织物以及未处理的原　

样，共１０种织物的毛细高度极差分析如表６所　

示。　表６

毛细高度的正交分析表　择噍僻技　

Ｃｏｔｔｏｎ　Ｔｅｘｔｉｌｅ　Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ　第３８卷第５期　２０１０年５月　

由表２可以看出，ＰＰＳ织物经低温等离子体　处理后吸湿性得到了显著的改善。未处理的织物　

毛细高度为０　ｃｍ，即ＰＰＳ织物本身是拒水性的，　

当经低温等离子体处理后，其毛细高度在２０　ｍｉｎ　时最多可以达到２０　ｃｍ，既织物完全吸满，不同的　

处理方案最后所达到的效果是不同的。由表６可　知，低温等离子体的处理压强（即因素Ａ）对ＰＰＳ　

的毛细高度影响最大，是主要的影响因素。针对　

这一指标最优方案选择为２０　Ｐａ，２００　Ｗ，３００　Ｓ。　由表２还可以明显看出，ＰＰＳ织物经低温等　离子处理后毛细高度上升，原因分析如下：一是经　

低温等离子体刻蚀而使纤维表面变粗糙，从而增　

加了比表面积；二是经等离子处理后在材料表面　

引入了更多的亲水性基团。　改性的根本原因是因为低温等离子体中含有　离子、激发态分子、自由基等多种活性粒子，这些　

高速运动的活性粒子流和ＰＰＳ纤维表面发生能　

量交换，使纤维表面改性。低温等离子体的能量　可通过光辐射、中性粒子流和离子流作用于纤维　

表面，这些能量的消散过程就是材料表面获得能　

量的过程　。　对比表２中６　方案与９　方案可知，对于提高　ＰＰＳ的润湿性能并不是压强越高、功率越大、时间　

越长，ＰＰＳ的润湿性能的提高就越显著。因为随　

着处理条件剧烈程度的增加，低温等离子体的刻　蚀作用也随之增强，相应的就削弱了氧化作用，减