等离子体辐射能和超声波技术在染整中的应用.ppt

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1、等离子体、辐射能和超声波技术在染整中的应用,step,等离子体在各种纤维中的改性应用,等离子体聚合和接枝聚合,辐射能和超声波技术在染整加工中的应用,等离子体的产生方法及化工技术,等离子体的概念和基本特性,等离子体存在处： 宇宙中90物质处于等离子体态。由地球表面向外，等离子体是几乎所有可见物质的存在形式，它是物质存在的第四态（众所周知的物质三态也就是气态、液态、固态）,即等离子体态。如闪电、极光、大气外侧的电离层、以及太阳内部、太阳日冕、太阳风、星云及星团、星际空间，毫无例外的都是等离子体。,闪电,北极光,什么保护了地球：等离子体,有哪些人造等离子体,？,宇宙中90物质处于等离子体态,地球上，

2、人造的等离子体也越来越多地出现在我们的周围。 日常生活中：日光灯、电弧、等离子体显示屏、臭氧发生器 典型的工业应用：等离子体刻蚀、镀膜、表面改性、喷涂、烧结、冶炼、加热、有害物处理 高技术应用：托卡马克、惯性约束聚变、氢弹、高功率微波器件、离子源、强流束、飞行器鞘套与尾迹,霓虹灯,电弧放电等离子体,1、等离子体基本知识,2、等离子体分类,3、等离子体特征,1、等离子体基本知识,等离子体概念：由大量的带电的正粒子、负粒子（其中包括正离子、负离子、电子、自由基和各种活性基团等）组成的集合体，其中正电荷和负电荷电量相等，故称等离子体。 注意： 非束缚性：异类带电粒子之间相互“自由”，等离子体的基本粒

3、子元是正负荷电的粒子（电子、离子），而不是其结合体。 粒子与电磁场的不可分割性：等离子体中粒子的运动与电磁场紧密耦合，不可分割。 集体效应起主导作用：等离子体中相互作用的电磁力是长程的。,等离子体是物质第四态,00C,1000C,100000C,2、 等离子体分类,低温等离子体是继固态、液态、气态之后的物质第四态，当外加电压达到气体的着火电压时，气体分子被击穿，产生包括电子、各种离子、原子和自由基在内的混合体,何为低温等离子,3、等离子体特征 3.1等离子体的整体特征 等离子体是一种导电流体。 对于洛仑兹等离子体，把等离子体看作微观粒子的集合，可以把等离子体的整体导电率写为,对于电子只与每个电

4、荷数均为z的带电粒子碰撞的情况，等离子体整体电导率s为,库仑对数,在等离子体内部，正、负电荷数几乎相等准中性 ne ni,3.2 等离子体的准电中性,就等离子体本身而言，它具有变成为电中性的强烈倾向，故离子和电子的电荷密度几乎相等，此种情况称为准中性，是带相反电荷粒子间的强电作用的结果。 等离子体中电荷分离仅可能由外加电场或等离子体本身的内能（热能）来维持，可由等离子体动力学温度维持的对电中性的最大偏离估算出来。 一个密度几乎相等，每立方米n0个粒子的电子和单电荷正离子构成的含能等离子体，在半径为r的球形区域内，此体积内的静电能由其所包围的剩余电荷量决定，此球表面的静电位为：,Q=en，为球内

5、静电荷，其中e为电子电荷，此时球表面的静电位为 被推进净负电荷小球区域的一个电子所得到的能量可由上式的静电位乘以电荷得到： 此能量仅来自与有限的动力学温度T有关的动能 可得到与电中性的相对偏离：,在等离子体中引入电场，经过一定的时间，等离子体中的电子、离子将移动，屏蔽电场德拜屏蔽,屏蔽层厚度：德拜长度 D,特征响应时间：p D/vT,3.3 等离子体鞘层,德拜屏蔽鞘层,设想在等离子体中插入一电极，试图在等离子体中建立电场，电子将向电极处移动，离子则被排斥，电极所引入的电场仅局限在较小尺度的 “鞘层” 中静电势满足 Poisson 方程：,热平衡时电子、离子密度满足 Boltzmann 分布：,

6、当 ，有,等离子体的特征长度：德拜长度,一维模型（电极为无限大平板），解为：,德拜长度：,通常由于离子响应慢，离子的动态屏蔽作用可略， 德拜长度是等离子体保持准电中性的最小尺度 德拜长度也是集体效应起主要作用的最小尺度,库仑屏蔽势，点电荷在等离子体中产生的电势分布为：,3.4 等离子体扩散过程,对于麦克斯韦气体和非磁化等离子体，Einstein给出了此类等离子体的扩散系数,另外，David Bohm 提出了一个从经验推论的扩散系数，用于描述某些电弧中等离子体的径向扩散，表示为,3.5 等离子体辐射,激发辐射 hv =En-Em=E 复合辐射 hv =e+(Ei-Em) e复合前自由电子的动能

7、Ei电离能 Em复合后该电子所处的能级,轫致辐射 回旋辐射,1、低温等离子体在保鲜、杀菌、除臭等方面产品开发，目前已开发出适用于冰箱、空调、洗衣机的发生器。 2、“低温等离子体有机废气净化设备”利用低温等离子体产生的具有高氧化性的臭氧，在催化剂的作用下，使有机废气在较低的温度完全转化。该设备可应用于溶剂厂、印染厂、油漆厂等有机废气排放源。 3、“低温等离子体废水净化设备”可使皮革厂、造纸厂、印染厂、游泳池等排放的废水经处理后，达到无色无味、无菌的效果。,低温等离子体的意义,等离子体的产生 方法及化工技术,低温等离子体的产生方法,点晕放电,辉光放电,此外还有介质阻挡放电，射频放电，滑动电弧放电，

8、射流放电，大气压辉光放电，次大气压辉光放电,在大气压条件（空气介质和通常的气压）下产生的弱电流放电称为电晕放电。它是一种高电场强度、高气压（一个大气压）和低离子密度的低温等离子体。在对两个电极施加一高电压时便产生电晕放电。两极间产生的电火花被绝缘体阻断，为了引起电晕放电，就必须在其中的一个电极保持高电场，而电子在高电压下沿绝缘板方向加速。 电晕放电产生的等离子体中含有电子、离子、自由基、激发分子和未反应的分子。由于介质是空气，在等离子体中还会形成臭氧和三氧化二氮分子，它们与纤维材料表面作用不仅会产生相关的自由基，还会对纤维材料氧化，增加极性基团、发生改性。,电晕放电（低频放电）,辉光放电,辉光

9、放电又称高频放电，是产生等离子体的另一种重要方法。它处在电晕放电与微波放电之间的中间范围，比电晕放电的电场强度高，气体压力则大，也是一种低温等离子体。 与电晕放电相比，除了放电介质不同外（电晕放电的介质是空气，而辉光放电的介质可根据反应需要而选择），辉光放电的电子能量更高些，因为气压低，它与气体分子碰撞的机会少，速度减慢较小。这意味着辉光放电产生的活性因子（电子等）渗透性较电晕放电要强，对被处理物的表面改性会更加强烈些。 影响辉光放电的因素：1，真空度活气压 2，气体的种类 3，被处理物的性能,作为继固、液、气三态之后列为物质的第四态-等离子态。它的发生方法很多，归纳起来有3种发生方式： 1.

10、气体放电法。在电场作用下气体被击穿，发生气体电离，等离子体即是电离的气体。 2.光致电离法。利用各种射线或具有足够能量的入射光子照射，使粒子获得能量后碰撞，引起气体电离。 3.热致电离法。借加热作用使粒子获得足够的能量，相互碰撞致电离。,等离子体的作用主要有3种：表面改性、接枝改性与 表面沉积。应用时根据加工效果的要求，选择适当的气氛、 单体和加工工艺。等离子体技术在工业生产中的应用面十 分广泛，涉及电子、能源环保、材料等各个领域。以美国为 例，经初步统计与等离子体相关的专利多达26 000多个。,等离子体的化工技术,表面改性,1.表面刻蚀：如用氧等离子体处理高分子物（包括天然和合成纤维）在表

11、面发生氧化分解反应，可以改善材料的粘合、染色、吸湿、反射光线、摩擦、手感、防污、抗静电等性能。 2.交联改性：通过低温等离子中活性粒子的冲击，有机化合物中的氢 原子等被放出，分子链被切断，从而形成自由基，再通过自由基的相互结合，分子链有可能形成交联。 3.化学改性：通过低温等离子处理高分子物质，使其表面的分子中的基团发生化学反应，改变化学组成，引起其表面化学性质变化，也同时引起其表面某些物理性质相随变化。,将有机物的气体形成等离子体状态，通过控制反应条件，这些有机化合物的气体可发生聚合。,等离子聚合和接枝聚合,表；等离子体表面处理、等离子体聚合和接枝聚合改性方法的特征比较,低温等离子在纤维改性

12、中的功能应用,等离子体在哪些纤维中有改性应用？,蛋白质纤维等离子体改性,传统的羊毛防毡缩采用的是氯化的方法，此方法容易使纤维降解过重，纤维的强力及机械性能降低。此外氯化对环境污染严重。 用等离子体处理羊毛，利用等离子体中的高能粒子对羊毛表层进行轰击，表面产生刻蚀，纤维表面微观粗糙化，使羊毛纤维表层变的平滑，鳞片层边缘部分损伤，呈不规则形状，并明显钝化，定向摩擦系数降低，使羊毛手感变好，降低毡缩率。但是单是等离子处理羊毛其织物的防毡缩效果下降有限。,利用低温等离子体和Savinas型酶或Protex Multiplus L型酶结合进行羊毛防毡缩整理，效果十分明显，而羊毛的优良性能几乎不变。利用低

13、温等离子体和MTG酶结合对羊毛进行防毡缩整理，使得羊毛织物毡缩率降幅达85%，而断裂强度和断裂延伸度都有所提高。利用等离子结合壳聚糖和生物酶对羊毛织物防毡缩处理，羊毛织物经过等离子处理后，先用壳聚糖溶液处理，利用壳聚糖在织物表面可以成膜保护生物酶对羊毛织物的二硫键的过分破坏，防止羊毛过度损伤。改善了羊毛的手感、悬垂性等性能。 经过等离子体处理后的羊毛的染色性能也得到大大提高。利用低温氮气等离子体处理羊毛织物，在羊毛的表面进行刻蚀，形成更多的亲水性基团，使染料更容易扩散到纤维内部，纤维对染料的吸附量提高。利用不同气体(空气、O2和Ar)等离子体处理羊毛针织物，经过测定针织物的K/S值大小依次是：

14、O2空气氩气。因此根据等离子体处理气体的不同对织物的染色性能也有不同的影响。,纤维素纤维等离子体改性,1、棉纤维等离子改性,等离子体处理棉纤维一般是等离子体的表面处理改性法，可以改善纤维的黏合能力和润湿性能，提高染色性能。早在1992年日本山东铁工所就开发设计了连续式低温等离子体处理装置，实现了对棉等纤维素纤维的退浆、精练的加工。利用辉光放电将氧化性气体等离子对棉织物上的PVA等浆料的分子链被切断，引入了羧基、羟基等亲水性基团，使PVA更加容易去除。棉织物经过等离子处理后强力不会下降。 利用常压等离子体作用在前处理退浆过程中，可以使部分PVA浆料大分子氧化成小分子，如CO2、H2O而直接消失在

15、空气中，另一部分PVA大分子被氧化降解成分子链较短的分子，从而提高PVA在水中的溶解率，进而有助于PVA浆料退除。同时经FT-IR测得PVA的C-C、C-H键减少，C-O、C-O和O-C-O键增加，亲水性增强，有利于退浆。经过氩气等离子体处理的棉织物后再经NaOH退浆处理，能达到常规碱退浆NaOH退浆的退浆率，而且其毛效也高于一般常规碱退浆的效果。对纤维的损伤程度小于常规碱退浆，单纱的强力较高。经过等离子处理的纤维素纤维染色效果也得到增强，上染率提高。 经过等离子处理的棉织物在染色性能上也有很大提高，,2、苎麻纤维等离子改性,麻纤维具有良好的机械物理性能和卫生保健性能。但是由于其取向度高，染色

16、性较差，不易染成深色、而且鲜艳度也较差。研究发现，利用等离子体处理苎麻纤维，对苎麻的表面进行刻蚀，引入亲水性基团，可显著的增加毛细管效应，使纤维表面的润湿性大大改善，提高了染料在纤维中的扩散效率和增大了纤维对染料的吸附量。同时表面粗糙程度也有所增加，增大了表面积，失重率增加。研究发现当放电功率增大到40W时的上染率和增深性都达到最大。如果功率继续增大，上染率和增深性反而下降，这可能是因为随着功率增大，等离子体中粒子数量增多，能量增大，苎麻表面氧化程度越高，降低了纤维对染料的吸附能力。 利用不同气氛下等离子气体引发亚麻织物接枝丙烯酸，空气与氦气引发产生的接枝物比氮气引发产生的要均匀。其中空气等离

17、子处理接枝效果最优。再经研究发发现对接枝后的亚麻进行活性染料染色，织物的干湿摩牢度、水洗牢度都得到提高。染料的上染率、染色牢度、得色深度也有一定程度的提高。 用半漂染和漂白亚麻织物进行了等离子体处理，处理后织物的毛细效应分别提高1倍和1.5倍，处理后原色织物和漂白织物试样的白度几乎不变。然后对亚麻织物进行活性染料筛网印花。结果表明，经等离子体处理的亚麻织物有较高的染色牢度，纤维上活性染料的固色率均有很大提高。,合成纤维等离子体改性,1、涤纶等离子改性,合成纤维大多数吸湿性差、易产生静电，影响了合成纤维服饰穿着的舒适性。采用SiCl4低温等离子体对涤纶纤维处理，纤维的亲水性有明显提高，纤维经30

18、s处理后表面水的接触角由原来的86降为60，再经等离子处理10min，接触角则降为46。用低温等离子体处理引发丙烯酸对涤纶的接枝处理，经过等离子体处理的涤纶比未经过处理的润湿性能大有改善，用碱性染料亚甲基蓝染色，测得经等离子体处理后，K/S值稍有提高。这是由于等离子体对涤纶织物的刻蚀，涤纶表面裂解，自由基与一定含量的氧原子形成呈酸性的羧酸基等基团，酸性基团的增多是碱性染料亚甲基蓝吸附量增加。 用不同气体的常压介质阻挡放电等离子体处理涤纶织物，可大幅度提高涤纶织物染色K/S值和染料上染量，以Ar或O2-Ar(110)等离子体处理，上染量提高20%左右。不仅上染量提高，而且摩擦牢度没有降低，基本达

19、到5级。N2-Ar(14)等离子体有时也有较好的改性效果，但其改性作用不太稳定。利用氧气、氮气等离子体处理后，引进了一定数量的含氧及含氮基团，使涤纶表面张力增大，也使其易去污性有所改善。而经过CF4，CF3Cl处理涤纶纤维后表面张力是降低的，表面疏水性增强，涤纶的拒水性能变的更好。 经空气等离子体处理后，涤纶织物表面电阻明显下降，即使在较低相对湿度条件下，表面电阻也相当低。,2、其他合成纤维等离子改性,利用等离子体聚合技术对尼龙6处理，在尼龙6表面覆盖上一层丙烯酰-1，1，2，2-四氢全氟癸酯，使尼龙6具有很好的阻燃性能，热量释放的速率降低了50%。 利用H2和空气的等离子体对芳纶进行改性，研

20、究发现芳纶表面极性基团增多，纤维表面张力增大、表面极性分数增大。H2等离子体处理3 min后，芳纶表面张力总量提高了37%。 丙纶和锦纶35-36经过等离子体处理后，各项性能都得到提高。研究发现，等离子引发丙烯酸接枝后的丙纶，染料上染率得到明显提高。,等离子聚合和接枝聚合,等离子体的聚合,概念：等离子体的聚合反应包括聚合和缩聚等不同的反应，甚至十分稳定的化合物，例如甲烷、苯等也可作为单体，进行等离子体聚合。,聚合反应的过程： 一、从聚合开始的连锁反应：和普通聚合反应一样，生成与单体的化学组成一样的聚合物。 二、阶段反应：单体在等离子中裂解为较低的分子，直到裂解为原子，然后在排列组合起来，因而生

21、成的聚合物的组成与单体不同，这个过程是等离子体聚合特有的，在这个过程中往往氢气会释放出来。所形成的聚合物具有枝化或交联结构，一般是非晶体形的。,由上述反应可知，等离子体聚合反应不同于常规的聚合反应。课作为聚合的单体，除了通常的含有双键和叁键的不饱和有机化合物外，有一些饱和有机化合物也可作为单体。例如氟碳高分子化合物，通常是用CF2=CF2等不饱和化合物作单体，聚合后得到聚四氟乙烯等高分子物，而等离子体聚合除了CF2=CF2外,CF3CF3也可作为单体进行聚合，它们的聚合物和常规的聚四氟乙烯不同，在聚合过程中伴随着氟原子的脱落.,等离子体聚合特别适合形成数倍分子至数纳米厚度的薄膜，比如在基材表面

22、进行等离子体聚合，进行改性等到性能特别的膜。如反渗透膜和分离膜。,等离子体接枝聚合,概念：聚合物（纤维等）经等离子体处理后，在其表面形成浓度较高的自由基，若将这些自由基活化，并处在可聚合的单体中，则在聚合物表面可发生等离子体接枝聚合反应。,等离子接枝聚合的四种方法： （1）等离子体表面处理后，隔绝空气，直接与气相单体反应，并称为气相气相接枝处理； （2）经等离子体表面处理后，隔绝空气，直接与液相或溶液状单体反应，并称为气相脱气液相接枝处理； （3）经等离子体表面处理后，置于空气中，使聚合物表面的自由基与氧反应生成过氧化物活性基，然后与液相或溶液状单体反应，按氧化接枝聚合历程开始接枝聚合，并称为

23、气相常压液相接枝处理； （4）用低挥发性单体浸渍或浸轧聚合物后，再经等离子体处理，引发单体和聚合物间的接枝聚合反应，即预处理接枝处理。,等离子接枝聚合应用： （1）聚合物表面改性 （2）对涤纶织物，用丙烯酰胺进行辉光放电等离子体接枝改性 （3）天然纤维的改性,你知道的辐射能有哪些？,辐射能包括不同波长的电磁波及其他高能射线。主要有紫外线，红外线，微波和激光。,紫外线辐射 激光辐射 超声波,辐射能和超声波技术在染整中的应用,紫外线辐射在纺织染整加工中的应用,紫外线是波长为100400nm的电磁波。在产生电晕放电和辉光放电等离子体时也会伴随有紫外线的辐射。,紫外线处理的优点：一方面他仍然具有很高的

24、能量，能够对纺织纤维进行改性或加工，另一方面它不需要再真空状态，或不需引用专门的气体，只要在常压空气中就能加工,1.紫外线辐射改善棉纤维的染色和印花性能：（使纤维表面产生极性基团，甚至氧化）； 2.紫外线辐射接枝改性（使整理剂与织物表面纤维分子发生反应，从而改善织物的某些性能）； 3.紫外线辐射改善羊毛的染色和印花性能： 紫外线、臭氧干法处理羊毛，使羊毛鳞片层 的二硫键发生氧化，羊毛的润湿、吸水性有 很大改善，可增强染料的吸附和扩散能力。,4.紫外线辐射改善蚕丝的染色和印花性能； 5.紫外线辐射固着（加速树脂、黏合剂等在织物上的固着）； 6.紫外线辐射漂白（催化H2O2、NaClO2等的分解）

25、； 7.紫外线光催化脱色 （如染整污水的脱色）。,激光辐射在纺织染整加工中的应用,激光：受激辐射下强化的光。 1.紫外线激光辐射纤维改性：激光辐射后，纤维出现形态变化（凹凸纹）、结构变化（表面结晶度下降）、化学变化（键断裂、表面活性基团增加）,2. 激光辐射改性印花； 3. 激光辐射活性染料固色； 4. 激光雕刻和对花； 5. 激光测定染料浓度和上染速度。,超声波在染整加工中的应用,超声波：一种频率很高的声波，超出人类听觉范围)以上的频率振动。一般超过20千赫,1.纺织助剂加工中的应用：制备乳化液、调浆等。 2.纺织品印染前处理：洗毛、绢纺原料精练、退浆、煮炼、漂白等 3.染色中的应用：帮助染料溶解、分散；加速上染；改善纺织品透染程度等。 4.后整理及水洗中的应用 5.其它应用：如地毯的粘合,Thank you,