低溫等離子體處理提升蕾絲花邊複合界麵結合力的工藝探討 引言 隨著現代紡織工業向功能化、智能化和高附加值方向發展，傳統裝飾性材料如蕾絲花邊在服裝、家居及醫療等領域中的應用日益廣泛。特別是在高...
低溫等離子體處理提升蕾絲花邊複合界麵結合力的工藝探討
引言
隨著現代紡織工業向功能化、智能化和高附加值方向發展，傳統裝飾性材料如蕾絲花邊在服裝、家居及醫療等領域中的應用日益廣泛。特別是在高端服飾與功能性紡織品中，蕾絲花邊不僅作為美學元素存在，更逐漸承擔起結構支撐、透氣調節甚至電子集成等功能角色。然而，在將蕾絲花邊與其他基材（如彈性織物、非織造布或高分子薄膜）進行複合時，常因表麵能低、化學惰性強而導致界麵結合不良，出現脫層、起泡等問題，嚴重影響產品性能與使用壽命。
為解決這一難題，近年來低溫等離子體技術因其綠色環保、高效可控、無汙染殘留等優勢，被廣泛應用於紡織材料表麵改性領域。該技術通過在低壓或常壓環境下激發氣體產生含有自由基、離子、激發態分子和紫外光子的活性粒子，對材料表麵進行物理刻蝕與化學接枝雙重作用，顯著提升其潤濕性、粘附性和反應活性，從而有效增強複合界麵的結合強度。
本文旨在係統探討低溫等離子體處理在提升蕾絲花邊複合界麵結合力方麵的工藝機製、關鍵參數優化路徑及其實際應用效果，並結合國內外研究成果進行深入分析。
一、蕾絲花邊的材料特性與複合挑戰
1.1 蕾絲花邊的主要構成材料
蕾絲花邊通常由聚酯纖維（PET）、尼龍（PA6/PA66）、氨綸（Spandex）或其混紡紗線編織而成，具有輕薄、通透、柔韌等特點。不同材質的表麵化學性質差異顯著：
| 材料類型 | 表麵張力（mN/m） | 極性基團含量 | 典型用途 |
|---|---|---|---|
| 聚酯（PET） | 43–45 | 低 | 時裝蕾絲、窗簾 |
| 尼龍6 | 46–50 | 中等 | 內衣蕾絲、運動服 |
| 氨綸 | 38–42 | 極低 | 高彈性裝飾帶 |
數據來源：《Textile Surface Science and Engineering》, Elsevier, 2020.
從表中可見，多數蕾絲基材屬於非極性或弱極性聚合物，表麵自由能較低，導致膠黏劑難以有效鋪展與滲透，形成牢固的機械錨定與化學鍵合。
1.2 複合過程中的主要問題
在熱壓、塗膠或超聲波複合過程中，未處理的蕾絲花邊常麵臨以下挑戰：
- 界麵潤濕性差：膠液無法均勻浸潤纖維表麵，形成空隙；
- 化學結合缺失：缺乏活性官能團參與交聯反應；
- 物理嵌合力不足：表麵光滑，缺乏微觀粗糙結構以增強機械咬合；
- 耐久性下降：經洗滌或拉伸後易發生分層剝離。
據中國紡織工程學會2022年發布的《功能性紡織複合材料發展報告》指出，約67%的複合失敗案例源於基材表麵預處理不當。
二、低溫等離子體技術原理與分類
2.1 技術基本原理
低溫等離子體（Low-Temperature Plasma, LTP）是指電子溫度高達數千至數萬開爾文，而整體氣體溫度接近室溫的電離氣體狀態。其核心作用機製包括：
- 物理轟擊效應：高能粒子撞擊材料表麵，引起微米級刻蝕，增加比表麵積；
- 化學接枝反應：活性氧、氮等物種與表麵碳氫鏈發生氧化、胺化等反應，引入—OH、—COOH、—NH₂等極性基團；
- 交聯與清潔作用：去除有機汙染物並促進表麵交聯，提高穩定性。
2.2 常見等離子體類型對比
| 類型 | 工作壓力 | 激發方式 | 適用材料 | 優點 | 缺點 |
|---|---|---|---|---|---|
| 低壓輝光放電 | 1–100 Pa | 射頻（RF）或直流 | 熱敏材料 | 均勻性好，深度控製精確 | 設備成本高，需真空係統 |
| 大氣壓介質阻擋放電（DBD） | 常壓 | 交流高壓 | 織物卷材連續處理 | 可在線集成，效率高 | 局部放電不均，能耗較高 |
| 冷等離子射流 | 常壓 | 氣流攜帶等離子體 | 複雜曲麵 | 非接觸式，靈活性強 | 處理寬度有限 |
參考文獻：Laroussi M., Plasma Medicine, Cambridge University Press, 2012.
其中，DBD技術因適用於寬幅柔性材料的連續化生產，在紡織行業應用為廣泛。
三、低溫等離子體對蕾絲花邊表麵的改性機製
3.1 表麵形貌變化
掃描電子顯微鏡（SEM）觀察顯示，未經處理的聚酯蕾絲表麵光滑平整；經氧氣等離子體處理後，可觀察到明顯的微孔與溝槽結構，比表麵積提升約3.5倍。
表1：不同處理條件下PET蕾絲表麵粗糙度變化（AFM測定）
| 處理條件 | 功率（W） | 時間（s） | 氣體種類 | Ra值（nm） | 接觸角（°） |
|---|---|---|---|---|---|
| 未處理 | — | — | — | 18.3 | 89.7 |
| 處理A | 100 | 60 | O₂ | 62.1 | 43.2 |
| 處理B | 150 | 90 | O₂ | 87.6 | 31.5 |
| 處理C | 150 | 120 | O₂ | 91.3 | 28.8 |
| 處理D | 150 | 150 | O₂ | 89.0 | 30.1 |
結果顯示，隨著處理時間延長，表麵粗糙度先升後趨於飽和，表明過度處理可能導致纖維損傷。佳參數區間為功率100–150 W，時間60–120 s。
3.2 化學成分分析
X射線光電子能譜（XPS）分析表明，O₂等離子體處理後，PET蕾絲表麵C=O和C–O鍵比例顯著上升，氧碳比（O/C）由原始的0.32提升至0.58，說明成功引入了含氧官能團。
此外，采用NH₃或N₂作為工作氣體時，可在表麵引入氨基（—NH₂），有利於後續與環氧類或異氰酸酯類膠黏劑發生共價結合。
四、等離子體處理工藝參數優化
4.1 關鍵影響因素分析
| 參數 | 影響機製 | 佳範圍 | 測試方法 |
|---|---|---|---|
| 放電功率 | 決定等離子體密度與能量輸入 | 80–160 W | 剝離強度測試 |
| 處理時間 | 控製改性深度與均勻性 | 30–120 s | 接觸角測量 |
| 氣體種類 | 決定引入的官能團類型 | O₂、N₂、Ar、空氣 | XPS、ATR-FTIR |
| 氣體流量 | 影響活性粒子濃度 | 10–50 L/min | 發射光譜監測 |
| 電極間距 | 關係放電穩定性與均勻性 | 1–3 mm | SEM形貌觀察 |
4.2 不同氣體環境下的性能對比
為驗證不同氣氛對複合性能的影響，選取四種常見氣體進行對比實驗，結果如下：
表2：不同氣體等離子體處理後蕾絲/TPU薄膜複合樣件剝離強度對比
| 氣體類型 | 功率（W） | 時間（s） | 剝離強度（N/25mm） | 表麵能增量（mN/m） | 主要引入基團 |
|---|---|---|---|---|---|
| 空氣 | 120 | 90 | 4.3 | +21.5 | —OH, —COOH |
| 氧氣（O₂） | 120 | 90 | 5.1 | +26.8 | —COOH, C=O |
| 氮氣（N₂） | 120 | 90 | 4.7 | +23.2 | —NH₂, —CN |
| 氬氣（Ar） | 120 | 90 | 3.9 | +18.7 | 物理刻蝕為主 |
數據表明，O₂等離子體在提升結合力方麵表現優，因其兼具強氧化能力與良好的化學接枝效果。
五、複合工藝匹配與性能評估
5.1 複合方式選擇
常見的蕾絲複合方式包括：
- 熱熔膠複合：使用EVA、PO或TPU熱熔膜，加熱加壓粘合；
- 水性膠塗覆複合：環保型丙烯酸或聚氨酯乳液；
- 超聲波焊接：局部高頻振動實現分子級融合。
等離子體預處理對各類複合方式均有顯著增效作用，尤其在降低熱壓溫度、減少膠量使用方麵優勢明顯。
5.2 實際應用案例：內衣用蕾絲與氨綸針織布複合
某國內知名內衣製造商采用O₂等離子體預處理聚酯蕾絲（型號：PL-302），再與含氨綸針織麵料（成分：88% PA, 12% SP）進行熱熔複合。具體工藝流程如下：
- 前處理：去油清洗 → 幹燥
- 等離子體處理：DBD設備，O₂氣體，120 W，90 s
- 複合：TPU熱熔膜（厚度0.08 mm），熱壓溫度110℃，壓力0.3 MPa，時間15 s
- 後處理：冷卻定型 → 分切檢驗
表3：處理前後複合性能對比
| 項目 | 未處理組 | 等離子處理組 | 提升幅度 |
|---|---|---|---|
| 初始剝離強度（N/25mm） | 2.1 ± 0.3 | 5.1 ± 0.4 | +143% |
| 水洗5次後剝離強度 | 1.3 ± 0.2 | 4.2 ± 0.3 | +223% |
| 耐摩擦次數（500g負荷） | < 500 | > 1500 | > 200% |
| 表麵接觸角（水） | 89.7° | 28.8° | ↓68% |
該批次產品已通過OEKO-TEX® Standard 100認證，且客戶反饋脫層投訴率下降92%。
六、國內外研究進展與產業化現狀
6.1 國外研究動態
德國弗勞恩霍夫研究所（Fraunhofer IGD）早在2010年即開發出基於大氣壓等離子體的“PlasmaJet”係統，用於醫用紡織品表麵活化。其研究表明，經He/O₂混合等離子體處理的尼龍66網狀材料，與矽膠塗層的粘接壽命延長3倍以上（Surface & Coatings Technology, 2013）。
日本東麗公司則將等離子體技術整合進智能服裝生產線，通過對蕾絲傳感器載體進行NH₃等離子體胺化處理，使導電銀漿印刷附著力提升至ASTM D3359標準5B級（劃格法測試無脫落）。
6.2 國內研究與應用
清華大學材料學院團隊於2018年提出“多尺度協同改性”理論，結合等離子體刻蝕與納米溶膠浸漬，使滌綸蕾絲與PTFE薄膜的層間剪切強度達到8.7 MPa，較傳統工藝提升近3倍（Journal of Materials Science, 2019）。
浙江理工大學研發的“柔性織物等離子體在線處理裝置”已在紹興多家蕾絲企業試運行，實現大處理寬度1.8 m，線速度達30 m/min，能耗低於1.2 kWh/kg，具備工業化推廣潛力。
值得一提的是，國家發改委在《產業結構調整指導目錄（2023年本）》中明確將“綠色功能性紡織品表麵改性技術”列為鼓勵類項目，政策支持力度持續加大。
七、設備選型與產線集成建議
7.1 典型設備參數推薦
| 項目 | 推薦值 | 說明 |
|---|---|---|
| 工作模式 | 大氣壓DBD或等離子射流 | 適合連續化生產 |
| 電源頻率 | 10–30 kHz | 避免電磁幹擾 |
| 電極材料 | 不鏽鋼或鋁鍍鎳 | 耐腐蝕、導電性好 |
| 冷卻方式 | 風冷或水冷 | 高功率下必備 |
| 自動化接口 | PLC+HMI控製係統 | 支持MES對接 |
7.2 產線布局示意圖（簡述）
原料卷 → 開卷機構 → 清潔單元 → 等離子體處理區 → 幹燥橋 → 複合主機 → 冷卻輥 → 收卷機
建議在等離子體段設置封閉腔體，配備廢氣淨化係統（活性炭+UV光解），確保操作環境安全合規。
八、質量控製與穩定性保障
8.1 在線檢測手段
- 接觸角自動測量儀：每30分鍾取樣一次，監控表麵能變化；
- 剝離強度實時反饋係統：通過伺服測力傳感器動態記錄複合強度；
- 等離子體發射光譜（OES）監測：判斷活性粒子濃度穩定性。
8.2 存放時效性研究
等離子體改性效果存在“老化效應”，即處理後的材料若長時間暴露於空氣中，新生成的極性基團會逐漸重排或被汙染物覆蓋。實驗數據顯示：
| 存放時間（小時） | 接觸角回升率（%） | 剝離強度保留率（%） |
|---|---|---|
| 0 | 0 | 100 |
| 2 | 12 | 95 |
| 6 | 28 | 83 |
| 24 | 45 | 67 |
| 72 | 62 | 51 |
因此，建議等離子體處理後應在6小時內完成複合工序，或采用惰性氣體封裝臨時存儲。
九、經濟性與環保效益分析
9.1 成本結構對比
| 項目 | 傳統火焰處理 | 電暈處理 | 低溫等離子體處理 |
|---|---|---|---|
| 單位能耗（元/kg） | 0.8 | 1.1 | 1.5 |
| 化學助劑用量 | 高（底塗劑） | 中等 | 極低 |
| 廢氣排放 | CO、NOx | 臭氧為主 | 幾乎為零 |
| 綜合成本（含維護） | 中 | 中 | 略高但長期回報優 |
盡管初期投資較高（單台設備約80–150萬元人民幣），但因減少膠水用量30%以上、廢品率下降50%，一般可在18個月內收回成本。
9.2 環保優勢
- 無需使用鉻酸、氯仿等有毒底塗劑；
- 不產生VOCs排放；
- 符合REACH、RoHS等國際環保法規；
- 可助力企業獲得綠色工廠認證。
十、未來發展方向
隨著智能製造與可持續發展理念的深入，低溫等離子體技術在蕾絲花邊複合領域的應用正朝著以下幾個方向演進：
- 智能化控製：結合AI算法實現工藝參數自適應調節，根據材料厚度、濕度實時優化功率與時間；
- 多功能集成：在同一設備中實現等離子體清洗、活化、沉積（如SiOx阻隔層）一體化處理；
- 新型氣體組合：探索O₂/H₂O、CF₄/NH₃等混合氣體，實現疏水-親水圖案化改性；
- 生物兼容性拓展：用於醫療用抗菌蕾絲與生物膜的複合，滿足ISO 10993生物安全性要求。
可以預見，低溫等離子體將成為高端功能性紡織複合材料製造的核心賦能技術之一。
