基于介质阻挡放电等离子体表面修饰的化纤纱线气流牵引力研究及其机理分析

摘要

论文以常压低温介质阻挡放电（DBD）等离子体为手段，对几类化纤纱线表面进行了物理刻蚀与化学修饰，发现在适当的处理条件下，化纤纱线的气流牵引力得到显著提升。通过系列验证性实验及纱线性能表征发现，处理后纱线表面的化学性质及微观形貌均发生了明显变化，推测这些变化可能对纱线与气流界面的粘性效应（或牵引系数 Cd）具有直接的影响，进而在相同的射流流场中提升纱线的气流牵引力。这一研究发现可为喷气织机对化纤织物织造效率的提高提供一种新途径，所得结果为该等离子体技术的实际应用及化纤织物的“改性-织造一体化”的实现奠定实验基础。论文主要工作如下：
　　1）采用DBD等离子体动态与远程处理两种方法对涤纶（PET）纱线进行改性，结果发现：与未处理的纱线相比，经两种等离子体处理改性后，纱线的气流牵引力均发生了显著的变化，这种变化对等离子体处理时间、处理强度具有明显的依赖性。动态处理下涤纶纱线的牵引力增长率Rd最大可达18.9％，远程处理下Rd最大可达17.4%。类似地，动态处理下腈纶（PAN）、乙纶（PE）及丙纶（PP）纱线的Rd最大分别可达10.9%、43.0%及40.0%。
　　2）对照未处理涤纶纱线样品及经过两种DBD等离子体处理涤纶纱线样品在不同射流湿度下的气流牵引力，发现未经处理涤纶纱线的气流牵引力随射流湿度的增加而减小；相反，经等离子体处理后纱线气流牵引力随射流湿度的增加而增加。从一个方面证明经过等离子体处理后纱线表面极性基团的接枝是引起纱线气流牵引力变化的关键因素。
　　3）经等离子体动态处理涤纶纱线的回潮率亦发生明显增加，且回潮率和纱线气流牵引力随DBD等离子体处理剂量增加的变化趋势较为吻合，为等离子体处理对提升纱线气流牵引力机理的解释提供了一个重要的旁证。
　　4）采用X射线光电子能谱分析仪（XPS）及扫描电子显微镜（SEM）、原子力显微镜（AFM）对两种等离子体处理前后涤纶纱线样品表面化学特征及微观形貌进行了表征，XPS结果表明：经过两种等离子体处理后纱线表面接枝上了含氮含氧的极性基团，整体提高了涤纶纱线的表面极性，从而引起纱线与射流水分子之间氢键作用的增强，以此产生对的Cd影响，进而在相同的射流流场中提升了纱线的气流牵引力；通过SEM和AFM分别对两种处理方式处理后的纱线表面微观形貌进行了表征，发现动态处理后纱线表面沿轴向产生了许多纳米尺寸的沟槽，而远程处理后表面则产生了较多纳米尺度的凸起物；同时发现，适当的等离子体处理条件可以增强纱线的抗拉强度。
　　5）测量两种等离子体处理前后纱线直径，发现纱线直径随等离子体处理时间及放电强度的变化呈细微的变化；并通过对同种纱线样品的Fd/d值（等效于Cd）的对比，发现Fd/d的增长率（等效于Cd的增长率）Rc的变化规律与Rd的变化规律及数值较为接近，这说明牵引系数Cd的变化是引起气流牵引力变化的主要原因。
　　6）通过表征等离子体处理纱线过程产生的尾气组分并将其与对照组作对比，发现纱线既是自由基刻蚀的对象，又是DBD等离子体源产生自由基的反应载体；进一步阐明了经等离子体处理后纱线气流牵引力变化的等离子体反应机理。
　　7）采用涤纶纱线表面修饰特定分子（苯胺分子）手段，研究聚苯胺修饰量对纱线气流牵引力的影响，发现随着聚苯胺修饰量的增加，气流牵引力也逐渐增大，同时纱线的导电性也得到了极大的增强，与未处理纱线体积电阻率相比，最大降低至5.6×104之一。同时，利用等离子体技术成功地制备了超疏水织物及超双疏织物。上述结果为功能化纤维/织物的等离子体制备奠定了实验基础。

目录

声明

第一章 绪 论

1.1 研究背景

1.2 喷气织机气流引纬的研究现状

1.3 低温等离子体对材料表面改性的研究现状

1.4 课题研究的内容及意义

1.5 课题研究的技术路线

第二章 实验装置及方法

2.1 DBD等离子体对纱线表面修饰方法及实验装置

2.2 纱线气流牵引力测定装置及方法

2.3 纱线样品的微观表征及其测定方法

2.4 纱线样品的宏观表征及其测定方法

第三章 DBD等离子体处理对化纤纱线气流牵引力的研究

3.1 引言

3.2 DBD等离子体动态处理对涤纶纱线气流牵引力的影响

3.3 DBD等离子体远程处理对涤纶纱线气流牵引力的影响

3.4 两种处理方式对涤纶纱线气流牵引力影响的差异

3.5 DBD等离子体处理对涤纶纱线机械性能的影响

3.6 DBD等离子体处理对四种化纤纱线气流牵引力影响的比较

3.7 修饰特定分子对纱线气流牵引力的影响

3.8 小结

第四章 化纤纱线气流牵引力变化的机理分析

4.1 引言

4.2 DBD等离子体处理对涤纶纱线回潮率的影响

4.3 射流湿度对涤纶纱线气流牵引力的影响

4.4 等离子体处理前后涤纶纱线表面的化学表征

4.5 等离子体处理前后涤纶纱线表面微观形貌的表征

4.6 DBD等离子体处理对涤纶纱线直径的影响

4.7 DBD等离子体远程处理的尾气成分分析

4.8 等离子体动态处理对四种化纤性能的影响比较

4.9 小结

第五章 功能化纱线及织物的低温等离子体制备

5.1 引言

5.2 低温等离子体对纱线及织物非聚合改性的弊端

5.3 低温等离子体对纱线的聚合改性

5.4 小结

第六章 总结与展望

6.1 总结

6.2 论文主要创新点

6.3 工作展望

参考文献

攻读学位期间发表的研究成果

致谢