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1、低温等离子体在纺织印染清洁生产中的应用研究 沈安京，上海市纺织科学研究院副院长 沈安京 高级工程师， 上海人。1 9 4 7 年出生，1 9 8 2 年毕业于华东纺织工学院分院纺化系染整 专业 ( 现上海工程技术大学)。1 9 8 4 年任 印染杂志责任编辑;1 9 9 2 年任全国印染科技信息中 心主任， 印染杂志主编; 2 0 0 0 年任上海市纺织科学研究院副院长。曾承担多项部、市、局软课 题研究项目， 发表多篇纺织信息研究文章，获得过部、市局各级软课题成果奖， 是中国纺织工程学 会信息专业委员会副主任。 1 前言 世界纺织印 染工业就整体而言，已 进入一个前所未有的新时期。 全球一体化
2、的经济走向引发了各国 产业结构重大变化; 信息产业将成为或已 经成为主导产业，并藉以 加速改造纺织等传统产业: 激烈的国 际竞争迫使纺织企业采用高 新技术，提高技术创新能力，促进其实现自 动化和智能化;而重视绿色工 艺，开发环保产品则己 成为新世界市场竟争的新焦点。 上述新世纪发展纺织工业的新理念， 在印染技术领域里，集中体现在四大前瞻性技术上，即临界 C o z 介质的 染色技术、 生物酶处理纺织品技术、数字化印 花技术和低温等离子体处理纺织品 技术。 上海市 纺织科学研究院于上世纪7 0 年代末就开始对低温等离子体处理纺织品的技术项目 进行研究开发。 经过几 代人的努力， 于9 0 年代末
3、研制成功国内首台连续化低温等离子体处理羊毛的新设备，并应用于国际生 产。本文就本院的低温等离子体在纺织印染清洁生产上的应用研究情况作一简单的介绍。 2基本原理 利用辐射线和高能粒子加工处理纺织材料， 最早可追溯至我国古代。三千多年前， 我们祖先就已 经 将浸渍过草木灰的生丝进行 “ 昼曝诸日， 夜宿诸井”的 所谓 “ 曝炼” 处理， 对真丝纤维脱胶。及至元代 又有 “ 半浸半晒”的芒麻脱胶方法。随着近代科学技术的发展， 2 0 世纪5 0 年代国外便开始以0 和Y 射线 对纺织材料进行接枝改性的研究; 6 0 年代后期， 通过对核聚变的 研究。 人们逐渐掌握了等离子体的 特性 和变化规律，于是
4、， 将中、 低温等离子体技术引 进各个领城， 并利用低温等离子体 ( 它 包含着各种不同 的粒子和辐射线) 对纺织材料的加工进行研究。 近年来，国际上加快了 对这一课题的研究开发的步伐， 并己显示出十分美好的前景。 2 . 1几个基本概念 何谓等离子体?顾名思义就是被电离子的“ 气体”， 但这一 “ 气体”与通常所指的物质三态中的气 体相比， 有本质的区别。实际上它是包含着离子、电子、原子和分子的一个混合体，并呈现出高度激发 的不稳定状态，因从整体上仍保持电中性，故得名等离子体。等离子体态不服从气体的经典法则，所以 人们又称之为物质的第四态。 其实，等离子体现象人们并不陌生。 在自 然界里，炽
5、热烁烁的火焰、光辉夺目 的闪电、 绚烂壮丽的 极光都是等离子体的作用。就整个宇宙而言， 差不多9 9 .9 %以 上的物质都是以 等离子体态存在着的。 如恒 星和行星际空间等都是以等离子体组成的。 用人工方法如核聚变、核裂变以及各种放电方法都可产生等 离子体. 设一个等离子体的单位体积内 含n e 个电子n 个离子和N个中 性粒子。如上所述，从宏观上看，等离 子 体整 体呈电 中 性，即n r Z n a ， 对于等 离子 体的 性状， 可以 用以 下 三个参量来表证: ( 1 ) 电离度X以时 ( n ; + N ) 表示: ( 2 ) 带电 体密 度n ，即 离 子密 度n ; 和电 子密
6、 度4 ; ( 3 ) 绝 对 温 度T ( K ) 即 电 子 温 度T . 、 离 子 温 度T ; 和 气 体 温 度几 当整个等离子体系统的绝对温度T 5 0 0 0 K时，等离子体处于热力学平衡状态， 其中 各种粒子的平均 动 能( 即 温 度) 都 是 相 同 的 ， 即L - T ;- T 9 或T d T g 1 , 这 种 等 离 子 体 称 之 为 平 衡 等 声 子 体 ; 又 因 为整个系统处于均一性的高能 状态， 所以 又称之为高 温等离子体。 在低压状态下， 气体分子间的距离非常大。 放电时，自由电子在电 场方向 得到较长距离的 加速， 获 得较高的能量，绝对温度可
7、达数万度以上;而质量较大的离子在电场中虽然也得到加速， 但不会达到电 子那样的动能;中 性粒子如气体分子受到碰撞能也比 较低。所以电子的平均动能远比中性粒子和离子的 平均动能大得多，即T -T I ，也就是说， 整个系统处于非平衡状态，故称为非平衡等离子体。由于此时 系统气体温度接近于室温，低温等离子体也由此得名。 在以 放电产生的等离子体中， 辉光放电、电晕放电、高频放电 等都属于低温等离子体。 例如在气压 为。 1 - 1 .0 托( 1 托 = l m m H g ) 时 ， 辉 光 放电 的 等 离 子 体 中 平 均电 子 能 为l O e V ( 1 了 - 1 0 皱) ， 电
8、子 密 度 为 1 0 9 - 1 U “ c m “s ， 其 中 T d T g 1 0 - 1 O Z 而 电 弧 放 电 等 属 于 平 衡 等 离 子 体 ， T . / T s - I 其T o - 5 0 0 0 K 以 上( 风 表 1 )。 序争毛争1毛，十卫，币、喂，于备 表1 各种放电 方式产生的等离子体性状 性状指标 K 毛 ，K Te，-10l0 等离子体类型 高温等离子体 放电 方式 n . ， c m“ E , V c m “ , P . T o r r l 0 0 - 7 X1 0 低温等离子体 电弧 辉光 电晕 电频 1 了 - 1 0 “ 1 0 0 1 0
9、 0 1 001 护- 7 X 1 0 对于热敏感的 纺织材料来说， 采用低温等离子体进行加工量为适宜。因为处于非平衡态的 等离子 体， 其气体温度可接近室温。 而系统中的电子又具有足够的能量， 或断裂纺织材料商聚物的 分子键，或 使其分子激发、 游离，或对材料表面进行蚀作用。 2 .2低温等离子体对纺织材料的作用原理 低温等离子体对纺织材料表面的交互作用如图1 所示。 ( 复合为气体)._ 一 一 一.” “ ，.，_ _” 一 电子e 离子A + 或A 激发态分子A Z 激发态原子A . 光子h Y 一等离子体 扩义 分解后的 气体产物 一一一一一一一-，-甲厅-一-，-，禽猫睡祠团.百
10、7r fi !- .丁万飞 纺织材料 图1低温等离子体对纺织材料表面的交互作用 放电时，首先是自由电子从电场中获得能量变成高级电子。在其与气体中的分子和原子相互碰撞时，如 果这种高级电子的能量比分子或原子足够大，就可激发后者变成激发态分子、激发态原子或游离基团: 如果这种高能级电 子的能量大于气体中 分子或原子的电 离势能，则会引 起碰撞电 离， 从而使后者变成离 子。其间，由 于各种能级粒子的跃迁， 还会随着发光现象 光波波长从紫外到红处各种波段)。上述碰 撞过程的反应式可表示如下 ( 以双原子气体为例): A Z + e 一 A 2 十 e 一 A+ e 一 A十 e一 A + e 慢速电
11、子 - j A AZ * A 甲 能级跃迁 能级跃迁 A+ h Y A+ h Y 如图1 所示， 等离子体的能量通过光辐射、中 性粒子流和离子流而作用于纺织材料。 等离子体的 光 辐射线中的 紫外线 对高分子纺织材料表面作用后， 产生游离基团和文联结合， 而可见光和红外线则不能 产生化学作用。红外线被吸收转换为热能，对其他化学反应起着促进作用。 粒子流当中的中性粒子，如原子、基态分子、激发态分子等对纺织材料表面轰击，将其能量转移到 纺织材料表面。中性粒子流包括四种形式的能量，即 动能、振动能、 解离能 形成自由 基)以 及激发能 ( 亚稳态能)。 动能和振动能使被处理材料加热。 提供了一个无氧
12、的 热源:自 由 基的 解离能对于纺织材 料这类高分子物质，在其表面通过消除、加成、 氧化等化学反应而消耗掉，也可以 通过与纺织材料表面 的自 由 基进行自由 基复合作用而形成加热:亚稳态原子和分子以电 子激发而储存了能量， 这些粒子不能 辐射，因而其能量必须在与纺织材料表面碰撞时消耗掉。 对于作用聚合物的纺织材料来说，亚稳态能通 常比 聚合物的 解离能要大，因 而在碰撞中 会产生聚合物的 游离荃 ( 自由 基)。 离子流在低温等离子体中的 浓度要比中性粒子小得多。 离子携带着动能、 振动能和电离能撞击在纺 织材料表面，导致后者表面被刻蚀和加热， 或产生似于中性粒子流的化学反应. 2 .3 如
13、何获得等离子体? 如上所述， 获得等离子体的 方法有很多种， 在实验室和生产中一般采用气体放电、冲击波、核反应 以 及藉高能光子、丫 射线和a 粒子流的 辐射方法产生等离子体。而在应用低温等离子体的纺织印染实际 生 产中 ， 则 通 常 采 用 气 体 放电 ， 即 辉 光 放电( G l o w D i s c h a r g e ) 、 电 晕 放 电( C o ro n a D i s c h a r g e ) 和 射 频 放 电 R a d i o - fr e q u e n c y D i s c h a r g e )等方 法， 其中 尤以 前 两者 应用为 最多， 且已 有生
14、 产型 设备问 世。 现将辉 光放电 与电 晕放电 特点比 较如表2 e 表2辉光放电 与电 晕放电 特点比 较 一一一一覆湮面下药铎覆一下 E M价 格 高低 辉 光 放电 1 0 0 托 1 夕 一1 0 2 电晕放电 常压 1 2 e V时，碰撞后便产生电离: 厂0 2 + 2 e 一- 一一 一 一 一 ， 了 一 了 i d a1盯 一 t l; 3 L践娜杰貌 。 !一_ O, + e 涟 0+ 0 + 2 e 上式 产生的 氧正离子若与搜 速电子中 和， 则将中 和能 释放出 来， 再次解离为 原子 态氧: 0 2 + * - 0 2 一 - 一 - * O + O 此外，由 于
15、氧是电负性较高的 元素， 在等离子体系统内由 于慢速电子的附加作用， 而形成氧负离子: 0 2 + e- 一 州 卜 0 2 以 上产生的氧正离子和氧负离子又将中 和，其中的中和能的一部分由 于辐射跃迁而返回到基态分子 部分则解离为原子态氧: AOz + e + h v 0 2 + + 0 2 - - - -*O + O 在氧等离子体中，由以 上种种瓜生成的原子态氧，在纺织材料的 表面进行如下一系列反应: R + R“O . RH+ O . R .+ 0. R 十 以. Ti ; . RH /万 、R R ，十 H. 速速速 高高缓 .十 R ， 高 速R + 0 2 一 - _ - * R
16、O O 高速R O O + R H - 0 , R O O H + R 缓速R O O H 一 一 -卜 R O . O H 经过上述一系列反应. 纺织材料或其他高分子材料表面被氧化， 从而产生大t的 含载基团 ( 如 C = O ， - 0 0 0 等)，改变了材料表面的接触角，由 此斌予纤维或织物以良 好的表面润湿性和粘合性、印染性 等。 如果上述氧化反应继续进行下去，则纺织材料或其他离分子物的大分子链将被一一切断， 化为小分 子碎片以 气相排出反应系统外。这就是等离子体嫌烧过程， 或称为灰化( C i n e r a t i o 旧过程。 上述反应过程便是低沮等离子体技术在印 染加工中的应用机理。 3 . 2 . 1 退桨 利用低温等离子体的灰化作用， 可以 进行干法退浆处理，而不产生废水和污染环境。 若采用氧或空 气 ( 因其含有一定的 氧) 等离子体对P V 上浆的涤纶织物进行干法退浆，可退除9 5 % 的P V
