常压等离子体处理涤纶织物的颜料喷墨印花性能研究

摘要

在纺织品的喷墨印花领域,采用等离子体对织物进行预处理具有能耗低、可靠性高、环境友好等优势,近年来发展十分迅速。等离子体所产生的活性粒子对纤维表面的溅射刻蚀和化学改性是织物表面性能发生变化的微观原因,并决定了织物印花的色彩表现力和图案的清晰度。针对这一课题的研究能够为实际应用提供基本的理论指导。
　　 本课题采用脉冲式常压等离子体对涤纶平纹织物进行表面改性处理,然后使用颜料墨水对织物进行喷墨印花。实验首先分析了放电时间、极板间距和放电气氛对等离子体处理效果的影响,然后从织物印花的颜色表现、渗化情况以及色牢度等方面分析了等离子体处理对织物印花直接性能的影响。然后通过液滴状态分析仪、SEM、AFM和XPS等对织物的表面润湿性能、表面自由能、纤维表面形貌以及表面化学组分等进行表征,揭示了等离子体有效提高织物印花性能的原因和机理。最后通过对多层织物进行叠加处理和对处理后的织物进行放置分析了等离子体处理的透深性和时效性在改善织物印花性能方面产生的影响。实验结果如下:
　　 (1)经常压等离子体处理后的涤纶织物印花K/S值明显高于未处理织物,其喷墨印花性能得到了有效的改善。当等离子体的放电气氛和时间一定时,织物印花K/S值随着极板间距的增加先增大后减小,在3mm时达到相对最佳值;在等离子体放电气氛和极板间距一定的情况下,处理后涤纶织物印花的K/S值会随处理时间的增加而增大,在180s时接近最大值,此时等离子体内各种粒子相互作用达到一个动态平衡,对织物的处理效果达到饱和。随处理时间的进一步增加,活性粒子对纤维的刻蚀加剧,反而会减弱处理效果,K/S值因而逐渐减小。在放电时间和极板间距一定的情况下,在空气中混入一定比例(20％左右)的Ar作为放电气氛时,由于氩气的击穿电位比空气低,较空气更易放电,等离子体获得了比对纯空气放电更好的处理效果。
　　 (2)CMYK四种颜色墨水的印花性能测试结果表明,经等离子体处理后的涤纶织物的印花颜色深度(K/S)增加,鲜艳程度提高,色彩饱和度(C值)相应增加;等离子体处理的刻蚀效果使得织物表面粗糙程度提高,增加了光的漫反射,印花图案的明度(L值)相应减小,色彩更加柔和。
　　 (3)视频变焦显微镜对四色喷墨印花色块及线宽的观察和测量结果表明,经等离子体处理涤纶织物的印花渗化现象得到了明显的遏制,图案的边际线清晰度显著提高。四色墨水在织物经纬向的打印线宽约为处理前的54％～62％,说明涤纶织物在等离子体处理后的防渗性能大幅度的改善。耐摩擦和耐水洗牢度实验证实,等离子体处理并未对织物的印花色牢度产生明显的影响。
　　 (4)通过SEM和AFM的观察发现,与未处理时光滑的表面相比,经等离子体处理的涤纶纤维表面产生了均匀且微小的凹坑,由于刻蚀而产生的气态物质在等离子体环境中受到活性粒子的作用,又会返回到材料表面形成凸状的沉积物,这些凹坑和沉积物共同使得纤维表面的粗糙度明显提高。
　　 (5)XPS测试和分析表明,在空气和空气+20％Ar等离子体处理后,涤纶织物表面的C元素含量分别从原来的81.05％下降到了73.90％和66.89％,而O元素的含量则从处理前的16.68％分别增加到了22.85％和29.51％,O/C的比率也因而相应增加了0.1和0.23。在进一步对Cls峰进行分峰拟合后发现,涤纶表面的C-C在等离子处理后明显降低,C-O(及/或C-OH)和O=C-O(及/或COOH)有所增加,并且出现了极性更强的C=O,这些极性基团的变化使织物表面的润湿性能发生了改变。
　　 (6)未经处理的涤纶织物润湿性能很差,去离子水液滴在接触到其表面的140s内都很难完全铺展。等离子体处理后涤纶织物的润湿性能显著提高,通过液滴状态分析仪观察发现,去离子水液滴在500ms左右的时间内即可被织物完全吸收。借助Fowkes理论和Young's方程分别测量两种已知液体在固体表面的接触角计算得出,空气等离子体处理和空气+20％At等离子体处理后织物的表面自由能分别从处理前的25.59mN/m提高到了72.55mN/m和78.83mN/m,其中极性基团部分的变化尤为显著。
　　 (7)通过改变放电气氛来达到不同的等离子体处理效果,从而比较物理刻蚀和引入极性基团在织物表面改性过程中所发挥的作用后发现,纯空气等离子体对织物表面的溅射刻蚀效果比空气+50％At等离子体更加均匀充分,而后者则能在织物表面引入更多的亲水基团,颜色性能测试结果表明,经后者改性的涤纶织物印花效果更好。
　　 (8)常压等离子体在对多层涤纶织物进行叠加处理会展现出一定的透深性,处理后织物的印花性能从顶层向底层逐渐递减。通过SEM和XPS测试证实,本研究中等离子体的有效透深可以满足两层涤纶织物的同时叠加处理从而提高生产效率,处理后织物的印花颜色性能、防渗性能均能达到既定要求。
　　 (9)润湿时间实验和XPS测试证实,处理后涤纶织物的表面润湿性和亲水基团的数量会随放置时间的延长而降低和衰减,尽管SEM观察证实涤纶纤维的表面刻蚀效果并未随时间发生改变,但等离子体处理的时效性仍会影响到织物喷墨印花的K/S值和防止墨水渗化的能力,理想的印花实施时间应在常压等离子体处理后的24小时以内。
　　 本文的主要贡献在于研究了常压等离子体对涤纶织物表面改性的原因和机理,及其对织物颜料喷墨印花性能方面的影响。通过改变等离子体处理的气氛对多层涤纶织物进行处理并分析等离子体处理的时效性,进一步阐明了等离子体处理在涤纶织物颜料喷墨印花中的应用前景。

目录

文摘

英文文摘

第一章 绪论

1.1 研究背景和意义

1.2 文献综述

1.2.1 数字喷墨印花概述

1.2.2 等离子体技术概述

1.2.3 已有的研究成果及存在的问题

1.3 研究目的和研究内容

1.4 研究方法

1.5 论文的章节安排

参考文献

第二章 喷墨印花及实验用等离子体设备

2.1 喷墨印花墨滴和织物的相互作用

2.1.1 墨水的组成

2.1.2 墨滴的形状

2.1.3 墨滴和印花基质的相互作用

2.2 等离子体预处理的工作原理

2.2.1 与材料能量交换的途径

2.2.2 对材料的作用原理

2.3 试验用等离子体设备测试

2.3.1 测试装置及方法

2.3.2 放电功率测量

2.4 测试结果与分析

2.4.1 电压电流波形

2.4.2 等离子体放电发光图像

2.4.3 等离子体放电功率

2.5 本章小结

参考文献

第三章 等离子体处理涤纶织物的直接印花性能研究

3.1 引言

3.2 实验材料与设备

3.3 实验方法

3.3.1 等离子体预处理

3.3.2 数字喷墨印花工艺

3.3.3 印花颜料墨水的粘度测定

3.3.4 颜料粒径测试

3.3.5 喷墨印花颜色性能分析

3.3.6 喷墨印花防渗性能分析

3.3.7 印花色牢度测试

3.4 结果与讨论

3.4.1 极板间距对喷墨印花颜色深度的影响

3.4.2 处理时间对喷墨印花颜色深度的影响

3.4.3 放电气体对喷墨印花颜色深度的影响

3.4.4 涤纶织物喷墨印花的颜色性能

3.4.5 墨水的粘度和颜料粒径

3.4.6 涤纶织物喷墨印花的防渗性能

3.4.7 涤纶织物的印花牢度

3.5 本章小结

参考文献

第四章 等离子体处理涤纶织物的表面分析

4.1 引言

4.1.1 涤纶的表面特性

4.1.2 表面特性分析手段

4.2 实验材料与设备

4.3 实验方法

4.3.1 表面形貌分析

4.3.2 表面化学组分分析

4.3.3 润湿时间测试

4.3.4 表面自由能

4.4 结果与讨论

4.4.1 涤纶纤维的表面形貌

4.4.2 织物的表面化学组分

4.4.3 织物的表面润湿性能

4.4.4 涤纶织物的表面自由能

4.4.5 纤维表面的印花着色分析

4.4.6 溅射刻蚀和极性基团对等离子体处理效果的影响

4.5 本章小结

参考文献

第五章 等离子体的有效透深对多层处理喷墨印花织物的影响

5.1 引言

5.2 实验材料与设备

5.3 实验方法

5.3.1 等离子体预处理

5.3.2 表面形貌

5.3.3 表面化学组分测试

5.3.4 润湿时间测试

5.3.5 喷墨印花颜色性能测试

5.3.6 喷墨印花防渗性能分析

5.3.7 印花色牢度测试

5.4 结果与讨论

5.4.1 等离子体处理透深对织物表面性能的影响

5.4.2 等离子体处理透深对织物印花直接性能的影响

5.4.3 等离子体处理透深对织物印花色牢度的影响

5.5 本章小结

参考文献

第六章 等离子体喷墨印花预处理的时效性研究

6.1 引言

6.2 实验材料与设备

6.3 实验方法

6.3.1 等离子体处理与样品放置

6.3.2 表面形貌

6.3.3 表面化学组分测试

6.3.4 润湿时间测试

6.3.5 喷墨印花性能测试

6.4 结果与讨论

6.4.1 放置时间与织物表面形貌的关系

6.4.2 放置时间对处理织物表面化学组分的影响

6.4.3 放置时间与织物表面润湿能力的关系

6.4.4 等离子体喷墨印花预处理有效放置时间的确定

6.5 本章小结

参考文献

第七章 结论与展望

7.1 全文总结

7.2 本文存在的问题和进一步研究方向

致谢

附录1:作者在攻读博士学位期间发表的论文

附录2:表面自由能方程求解