低温等离子体对聚丙烯SMS复合非织造布的表面改性*

(南通大学纺织服装学院，南通，226007)

SMS复合非织造布是由上层纺黏层(S)、中层熔喷层(M)和下层纺黏层(S)三层通过热熔复合而成，由Kimberly-Clark公司在20世纪80年代初最先开发，现已在世界范围内受到广泛重视[1]。

由聚丙烯制成的SMS复合非织造布，纤维结构紧密，缺乏极性基团，润湿性能差，严重影响了其使用性能，所以聚丙烯SMS复合非织造布的表面亲水改性对拓展其应用范围，开发功能材料具有积极的意义。

等离子是在气体放电的基础上产生的，在很高的场强下使气体离子化，同时也伴有其他一些高能粒子的生成，放电时产生的电离气体具有良好的化学活性，适当控制反应条件可以实现一般情况下难以实现的化学反应，引进一些功能基团，改善材料表面性能[2]。低温等离子体技术属于干态加工，节水环保，处理温度接近室温，处理时间短，且改性作用仅涉及到材料表层，能使界面性质显著改善而材料本身却不受影响，已受到各领域的广泛关注。

利用低温等离子体技术改善材料的亲水性已取得了一些重要的研究成果[3-5]。

本文采用低温等离子体对聚丙烯SMS复合非织造布进行处理，以芯吸高度为指标，分析低温等离子体处理时真空度、功率和处理时间对聚丙烯SMS复合非织造布润湿性能的影响；优化低温等离子体改性工艺，比较改性前后聚丙烯SMS复合非织造布的接触角、强力、透气性能和表面形态。

1 试验部分

1.1 材料

聚丙烯SMS复合非织造布，面密度50 g/m2。

1.2 仪器和设备

HD-1A等离子体处理仪，苏州奥普斯等离子体科技有限公司；YG(B)871毛细管效应测定仪，温州际高检测仪器有限公司；KYKY2800扫描电子显微镜，北京中科科仪技术发展有限公司；YG065电子织物强力测试仪，莱州市电子仪器有限公司；YG461A织物透气量仪，宁波纺织仪器厂。

1.3 等离子体对聚丙烯SMS复合非织造布的表面改性方法

用无水乙醇充分洗涤聚丙烯SMS复合非织造布，并烘干，用HD-1A型等离子体仪对试样进行处理。设定真空度、功率和处理时间等参数，气氛为空气。

1.4 测试方法

(1)芯吸高度：根据FZ/T 01071—1999标准进行测试。

(2)断裂强力：根据GB/T 3923.1—1997标准采用电子织物强力测试仪测定试样的强力。试样规格为5 cm×30 cm。测试参数：拉伸速度设定为100.00 mm/min，试样夹距200.00 mm，预加张力1 N。

(3)透气性能：根据GB 5453—1985标准，采用织物透气量仪测定透气量。

(4)扫描电镜观察：将聚丙烯SMS复合非织造布试样表面镀金进行观察。

2 结果与讨论

2.1 等离子体处理条件对聚丙烯SMS复合非织造布亲水改性效果的影响

2.1.1 真空度

设定等离子体处理仪的功率和处理时间分别为100 W和30 s，改变真空度(20～60 Pa)，以芯吸高度为指标，考察真空度对聚丙烯SMS复合非织造布表面改性的影响，结果见图1。

图1 真空度对芯吸高度的影响

由图1可知：在功率和处理时间不变的情况下，真空度在30 Pa以下时，随着真空度的增加，芯吸高度增加，这是因为真空度过低，活性粒子数目多，自由程下降，且单位粒子从电场获得的能量减少[6]；真空度增加到30 Pa时，气体分子多，活性粒子的浓度大，被高度激发的不稳定的活性粒子对聚丙烯SMS复合非织造布表面改性作用明显，润湿性能增加；当真空度继续增大到大于30 Pa 时，聚丙烯SMS复合非织造布的芯吸高度降低；在真空度为60 Pa时芯吸高度降至2.5 cm，这是由于真空度过高时，活性粒子数减少，因而能够对聚丙烯SMS复合非织造布起作用的粒子也可能减少，所以润湿性能下降。综合考虑，可选择真空度为30 Pa。

2.1.2 处理时间

设定等离子体处理仪的功率和真空度分别为100 W和30 Pa，改变处理时间(15～120 s)，考察处理时间对聚丙烯SMS复合非织造布表面改性的影响，结果见图2。

图2 处理时间对芯吸高度的影响

由图2可知：在功率和真空度不变的情况下，随着处理时间的逐渐增加，聚丙烯SMS复合非织造布的芯吸高度也逐渐增加，这是由于活性粒子对SMS复合非织造布作用的次数及面积随着时间的延长而增加[4]；当处理时间为90 s时，芯吸高度达到最高值6.7 cm，此时聚丙烯SMS复合非织造布有很好的润湿性；当处理时间继续增加时，活性粒子对布面的作用减缓，曲线趋于平坦。综合考虑，可选择处理时间为90 s。

2.1.3 处理功率

设定等离子体处理仪的真空度和时间分别为30 Pa和90 s，改变处理功率(50～150 W)，考察处理功率对聚丙烯SMS复合非织造布表面改性的影响，结果见图3。

由图3可知：在真空度和处理时间不变的情况下，当功率小于125 W时，随着处理功率的逐渐增加，聚丙烯SMS复合非织造布的芯吸高度也逐渐增加，这是由于处理功率直接影响了等离子体气氛中活性粒子的能量大小与能量分布，随着功率增加，等离子体中的活性粒子可能获得较高的能量水平，对聚丙烯SMS复合非织造布表面的改性作用

图3 功率对芯吸高度的影响

加剧，润湿性增加；当功率大于125 W时，聚丙烯SMS复合非织造布润湿性能并无明显变化，且功率过高对聚丙烯SMS复合非织造布有所损伤。综合考虑，可选择处理功率为125 W。

2.2 优化改性工艺正交试验

运用正交试验的直观分析法优化等离子体处理聚丙烯SMS复合非织造布工艺。本试验主要选取等离子体处理的功率、真空度和时间三个主要因素，利用三因素三水平正交表进行试验，见表1和表2。

表1 因素水平表

由表2可知，极差最大的是功率，真空度次之，处理时间最小。这说明功率对聚丙烯SMS复合非织造布表面改性效果的影响最大，其次是真空度，最后是处理时间。等离子体对聚丙烯SMS复合非织造布的最佳亲水改性工艺条件为A3B2C3，即功率125 W、真空度30 Pa、处理时间120 s。按照A3B2C3方案对聚丙烯SMS复合非织造布进行改性处理，测得其芯吸高度为8.2 cm。

2.3 等离子体处理对聚丙烯SMS复合非织造布改性效果分析

2.3.1 接触角

以接触角为指标，分别比较未经和经过等离子体处理的聚丙烯SMS复合非织造布与水的接触角，结果见图4。由图4可知：未经处理的聚丙烯SMS复合非织造布本身具有一定疏水能力，接触角为62.3°；经过等离子体处理后，试样的亲水性得

表2 正交试验结果分析

到提高，与水的接触角迅速降为0°。这是因为等离子体改性使纤维表面引入了亲水性的极性基团，显著提高了聚丙烯SMS复合非织造布的亲水性能。

图4 等离子体处理前后试样的接触角比较

2.3.2 断裂强力

由表3可以看出，经过等离子体处理后，聚丙烯SMS复合非织造布的断裂强力和断裂伸长率均有所下降。这是由于等离子体腔内活性粒子对试样表面进行高强度辐射和撞击，表面产生刻蚀和凹槽[5]，使聚丙烯SMS复合非织造布纤维黏合层减弱，导致试样整体强力稍有下降。

2.3.3 透气性能

由表4可以看出，经过等离子体处理后，试样

透气率增加。这是由于等离子体处理可将聚丙烯SMS复合非织造布表面的吸附层和氧化层去除[4]，纤维间隙变大，因而透气率有所增加。另外，等离子体处理使聚丙烯SMS复合非织造布纤维黏合层减弱，也会对透气性能产生一定的影响。

表3 等离子体处理前后试样力学性能比较

表4 等离子体处理前后试样透气性能比较

2.3.4 表面形态

图5为聚丙烯SMS复合非织造布在等离子体处理前后的不同放大倍数的扫描电子显微镜照片。

由图5可知，未处理的聚丙烯纤维表面光滑，经等离子体改性后聚丙烯纤维表面产生明显的刻蚀，形成了许多微小的凹坑。这是因为等离子体中的活性物质使纤维表面发生氧化降解等反应，从而引起刻蚀，增加了纤维表面粗糙度和比表面积[5]。

3 结论

(1)空气低温等离子体改性处理能够显著改善聚丙烯SMS复合非织造布的亲水性能。

(2)在真空度30 Pa、功率125 W、处理时间120 s的条件下进行等离子体改性处理，聚丙烯SMS复合非织造布的芯吸高度为8.2 cm，接触角由处理前的62.3°降至0°，试样断裂强力稍有下降，透气性能提高。

(3)经过低温等离子体处理后，聚丙烯SMS复合非织造布纤维表面产生明显的刻蚀和凹坑。

图5 等离子体处理前后聚丙烯SMS复合非织造布纤维表面形态

[1] 张建春．功能性复合非织造布[J]．产业用纺织品，2001，19(1)：5-10．[2] BUYLE G. Nanoscale finishing of textiles via plasma Treatment[J]. Materials Technology，2009，24(1)：46-51.

[3] 金郡潮，戴瑾瑾，陆望，等．丙纶薄膜等离子体表面改性处理的研究[J]．印染，2000(4)：11-13．

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[5] 李淑芳，齐宏进.空气等离子处理对丙纶无纺布吸湿性的影响[J].五邑大学学报：自然科学版，2001(4):15-17.

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