基本信息
- 项目名称：
- 乙二醇预处理对常压等离子体处理高强聚乙烯纤维效果的影响
- 来源：
- 第十一届“挑战杯”国赛作品
- 小类：
- 能源化工
- 大类：
- 自然科学类学术论文
- 简介：
- 我国是纺织大国，但我们的纺织工业技术上仍然比较落后，是对环境污染最大、耗能和耗水最大的工业之一。而常压等离子体技术这一新兴技术，因其生态友好型和资源节约型技术取代湿整理化学工艺，极大的解决了纺织印染废水的难题，具有良好的市场前景。在纺织品的各道加工工序中，常常要进行湿处理，并且添加许多化学助剂，其中包括大量亲水助剂，而本文正是研究了工业中经常用到的乙二醇助剂对高强聚乙烯纤维在等离子体处理下效果的影响。结果发现乙二醇预处理会妨碍等离子体对纤维表面形态的处理效果，进而在工业生产中通过调整等离子体处理时间、预处理浓度等工艺参数，大大提高了等离子体处理高强聚乙烯的效果的稳定性和有效性。这一研究结论为将来的纺织工业生产提供了理论依据。
- 详细介绍：
- 目前，我国的纺织工业技术上仍然比较落后，是对环境污染最大、耗能和耗水最大的工业之一。据统计，纺织行业每年排放废水9亿多吨，其中大部分是印染废水。国家近些年来提出“节能减排”号召，污水问题关系到整个纺织业的发展。为解决这个问题，需要改进或者彻底改变原有的纺织印染和后整理的工艺路线。 而常压等离子体技术这一项高效环保的新兴技术，它可以改善纺织材料的物理或化学表面性能，如吸附性、润湿性和粘附性能。而又因其生态友好型和资源节约型技术取代湿整理化学工艺，极大的解决了纺织印染废水的难题，具有良好的市场前景。 我们知道，在纺织品的各道加工工序中，常常要进行湿处理，并且添加许多化学助剂，其中包括大量亲水助剂，它们可引入大量水分子。吸水性强的分子的存在使等离子体的成分及其和纤维之间的相互作用变得更为复杂。也使得纤维的微观结构和各种物理机械性能发生改变，从而影响等离子体的处理效果。本文正是研究了工业中经常用到的乙二醇助剂对高强聚乙烯纤维在等离子体处理效果的影响。 低压等离子体处理与常压等离子体处理的区别之一是常压等离子体可以对吸附有诸如交联剂和飞机除冰剂等有机溶剂的材料进行处理。由于这些溶剂可能会与等离子体产生相互作用，因而导致等离子体的处理结果受到影响。本文研究的是乙二醇预处理对等离子体射流处理高强聚乙烯纤维效果的影响。纤维在浸入浓度为0.15 mol/l和0.3 mol/l乙二醇的水溶液24小时之后分别有0.31%和0.42%的重量增加。扫描电子显微镜显示浸泡在乙二醇水溶液并在干燥条件下平衡24小时，再经等离子体处理后的纤维表面与对照组没有显著区别。X-射线光电子能谱结果显示经乙二醇预处理后再经等离子体处理的纤维表面氧含量低于等离子体直接处理的纤维。经乙二醇预处理后高强聚乙烯纤维与环氧树脂的界面剪切强度值与对照组相似，而经等离子体直接处理的纤维与环氧树脂之间的界面剪切强度值则比对照组有显著增强。水的静态接触角测试显示了乙二醇预处理可以提高高强聚乙烯纤维的湿润性。总之，乙二醇预处理会妨碍等离子体对纤维表面形态的处理效果，但有助于提高其润湿性。在纤维表面似乎覆盖了一层乙二醇，而这层乙二醇与等离子体相互作用形成了一层薄薄的聚合物。正是这层聚合物的存在，从而降低了界面剪切强度值，增强了润湿性。 通过我们的研究，发现了乙二醇残留对常压等离子体处理高强聚乙烯纤维可能产生不利影响。进而在工业生产中通过调整等离子体处理时间、预处理浓度等工艺参数，大大提高了等离子体处理高强聚乙烯的效果的稳定性和有效性。这一研究结论为将来的纺织工业生产提供了理论依据。 科学的现实意义就是为未知的世界打开一扇现实的天窗，我们利用等离子体的一些特殊的性质，可对纺织材料进行用其他加工方法无法实现的处理，而且由于等离子体技术符合生态纺织工业的要求，为未来的纺织工业的后整理和印染等工艺处理，打开了一扇绿色环保、节能高效之路，具有良好的市场前景。
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撰写目的和基本思路
- 等离子体表面处理是物理和化学方法结合的气态处理技术。其优点是低污染、不耗水、低能耗，可以改变原有的纺织印染和后整理的工艺路线。 在纺织品的各道加工工序中，会添加大量亲水助剂，对等离子体处理效果有潜在影响。国际上亲水分性分子对常压等离子体处理效果的影响尚无系统研究，故本实验便研究了乙二醇助剂对常压等离子体处理高强聚乙烯纤维效果的影响。此次试验可为将来的工业生产提供理论依据。
科学性、先进性及独特之处
- 首次系统研究亲水分子存在对常压等离子体处理纺织纤维的重要影响。对该技术在纺织材料加工中的应用，有非常重要的理论和实践意义。 采用激光扫描共焦显微镜研究在等离子体处理前后，染料在纤维中扩散的规律。为这一技术在纺织材料中的应用积累宝贵经验。 采用顺磁共振法测量经等离子处理后各种纤维中含有自由基的种类和数量，为深入研究等离子体和高分子材料间的反应机理，提供重要的信息。
应用价值和现实意义
- 在纺织品的各道加工工序中，常要进行湿处理，并且添加许多化学助剂，其中包括大量亲水助剂，而本文正是研究工业中经常用到的乙二醇助剂对高强聚乙烯纤维在等离子体处理时效果的影响。结果发现乙二醇会妨碍等离子体对纤维表面形态的处理效果。所以在工业生产中可以通过调整等离子体处理时间、预处理浓度等工艺参数，大大提高等离子体处理高强聚乙烯的效果的稳定性和有效性。这一研究结论为将来的纺织工业生产提供理论依据。
学术论文摘要
- 低压等离子体处理与常压等离子体处理的区别之一是常压等离子体可以对吸附有机溶剂的材料进行处理。由于这些溶剂可能会与等离子体产生相互作用，因而导致等离子体的处理效果受到影响。本文研究的是乙二醇预处理对等离子体处理高强聚乙烯纤维效果的影响。纤维在浸入浓度为0.15 mol/l和0.3 mol/l乙二醇的水溶液24小时之后分别有0.31%和0.42%的重量增加。扫描电子显微镜显示浸泡在乙二醇水溶液并在干燥条件下平衡24小时，再经等离子体处理后的纤维表面与对照组没有显著区别。X射线光电子能谱结果显示经乙二醇预处理后再经等离子体处理的纤维表面氧含量低于等离子体直接处理的纤维。经乙二醇预处理后的高强聚乙烯纤维与环氧树脂的界面剪切强度值与对照组相似，而经等离子体直接处理的纤维与环氧树脂之间的界面剪切强度值则比对照组有显著增强。静态接触角测试显示了乙二醇预处理可以提高高强聚乙烯纤维的湿润性。总之，乙二醇预处理会妨碍等离子体对纤维表面形态的处理效果。在纤维表面似乎覆盖了一层乙二醇，而这层乙二醇与等离子体相互作用形成了一层薄薄的聚合物。正是这层聚合物的存在，从而降低了界面剪切强度值，增强了润湿性。
获奖情况
- 2009年该论文已投递到Applied Surface Science，现已处于修回阶段。 2009年5月该论文发表于美国纤维学会春季会议上。
鉴定结果
参考文献
- 1）常压等离子体技术的广泛应用：Park, J., et al., Discharge phenomena of an atmospheric pressure radio-frequency capacitive plasma source. Journal of Applied Physics, 2001. 89(1): p. 20-28. 2）常压等离子体射流技术（APPJ）原理：Schutze, A., et al., The atmospheric-pressure plasma jet: A review and comparison to other plasma sources. Ieee Transactions on Plasma Science, 1998. 26(6): p. 1685-1694. 3）水分对常压等离子体处理效果的影响：Zhu, L., et al., Effect of absorbed moisture on the atmospheric plasma etching of polyamide fibers. Surface & Coatings Technology, 2008. 202(10): p. 1966-1974. 4）酒精对常压等离子体处理效果的影响：Jiang, Q., et al., Influence of ethanol pretreatment on effectiveness of atmospheric pressure plasma treatment of polyethylene fibers. Surface and Coatings Technology, 2009. 203(12): p. 1604-1608
同类课题研究水平概述
- 常压等离子体技术从60年代初的空间等离子体研究逐步转变到当今以材料为导向领域以及高速发展的微电子科学、环境科学、能源与材料科学等，为常温等离子体科学发展带来了新的机遇和挑战。 现在，众多国内外的专家学者致力于等离子体对材料表面改性方面的研究。等离子体中的电子、离子、自由基等各种粒子均有很高的能量，高分子材料在等离子体作用下，表面分子链部分断裂，引起表面刻蚀或者表面粗糙化、交联反应、化学修饰或等离子体聚合，使高分子材料表面的物理及化学性能发生变化。 而在纺织领域，等离子体技术也逐渐进入了人们的视野，等离子体技术可以改善纺织材料物理或化学表面性能，如吸附性、润湿性和粘附性能。在以前的研究中，人们普遍使用真空状态下的等离子体技术，在真空条件下，器械造价高，处理工序复杂，不适宜进行大规模工业化生产，而且在真空中水分是要被抽掉的。而在纺织品的各道加工工序中，常常要进行湿处理，并且添加许多化学助剂，其中包括大量亲水助剂，这就抑制了真空等离子体技术在纺织领域的应用。这些不成熟工艺和系统性研究的缺乏使得等离子技术在纺织工业上并没有广泛使用。 而常压等离子体不需要真空条件，可实现在线处理并且可处理含吸附液体的材料，又领我们进入了一个新的研究阶段。但国内外在常压等离子体在纺织上的应用研究较少。目前国际上还尚无系统研究亲水分子将对常压等离子体处理纺织纤维产生如何影响，故我们项目就系统的研究了乙二醇预处理对常压等离子体处理高强聚乙烯纤维的处理效果的影响，此次试验结论也将为未来的工业生产提供理论依据。
