Plazemska tehnologija v tekstilstvu

262
Plazemska tehnologija v tekstilstvu
Marija Gorjanc, Petra Recelj, Marija Gorenšek
Oddelek za tekstilstvo, Naravoslovnotehniška
fakulteta, Univerza v Ljubljani
Plasma technology
for textile purposes
Professional Paper
Received October 2007 • Accepted December 2007
Plazemska tehnologija
v tekstilstvu
Strokovni članek
Poslano oktober 2007 • Sprejeto december 2007
Abstract
Use of plasma technology for textile purposes
Izvleček
dates back in 90’s of last century. In the present
time there are more and more researches in this
field area and the researchers discovered many
new and interesting aspects in use of plasma in
textile technology, which lead to new challenges
and inventions in research. Plasma treatment
of textile materials is ecologically friendly procedure and gives new properties to the material which can not be achieved by conventional
Začetki uporabe plazemske tehnologije v tekstilstvu segajo v devetdeseta leta prejšnjega stoletja. Raziskovanj takšnih obdelav je
v zadnjem času vse več, raziskovalci pa so prišli do zanimivih spoznanj, odprla se je pot novim vprašanjem in izzivom tudi na področju obdelav tekstilij. S plazemsko obdelavo tekstilij pridobijo materiali nove lastnosti, ki jih ni mogoče dobiti na konvecionalen način.
Pri tem je potrebno povdariti, da obdelava s plazmo spada med
ekološko prijazne metode.
methods.
Key words: plasma, plasma treatment, textile,
Ključne besede: plazma, plazemska obdelava, tekstil, modifikacija
vlaken
fiber modification
Plazma
Vodilni avtor/corresponding author:
dr. Marija Gorjanc
tel.: +386 1 200 32 32
e-mail: [email protected]
dr. Marija Gorenšek
tel.: +386 1 200 32 34
e-mail: [email protected]
V medicini in biologiji pomeni izraz plazma del krvne tekočine,
v fiziki in kemiji pa pomeni četrto agregatno stanje. Plazma je ioniziran plin, ki sestoji iz ionov, elektronov, fotonov, prostih radikalov in metastabilno vzbujenih delcev. Plazma prevaja električni
tok in včasih deluje kot izvor magnetnega polja. [1–3] V tekstilstvu se plazmo uporablja za spreminjanje lastnosti površin tekstilnega materiala, npr. za aktiviranje površine materiala s prekinitvijo
vezi in ustvarjanje reaktivnih mest, cepitve v funkcionalne skupine, jedkanje materiala, razkroj površinskih onesnaževalcev oz. čiščenje površin in odlaganje željenih novih plasti na material. [2]
Delovanje plazemskih strojev je kompleksno, zato so za razumevanje njihovega delovanja uvedli predpostavke in poenostavitve.
Tako se za plin, ki ga uporabljajo za proizvajanje plazme predpoTekstilec, 2007, let. 50, št. 10–12, str. 262–266
Plazemska tehnologija v tekstilstvu
stavlja, da je sestavljen iz identičnih molekul, je samostojna enota, ki se ne spreminja in ne potuje, da
so posamezne molekule plina majhne v primerjavi s povprečno oddaljenostjo med njimi, da so molekule nestisljive in v nenehnem naključnem gibanju. Plini, ki jih uporabljajo za obdelovanje tekstilij
s plazmo so argon, kisik, helij, zrak in njihova kombinacija. Uvaja se tudi uporaba drugih plinov, npr.
acetilena [4]. Znani so različni tipi vzbujevalcev
energije za proizvodnjo plazme:
nizko frekvenčen (50–450 kHz), radio frekvenčen (13,56 ali 27,12 MHz) ali mikrovalovni tip (915
MHz ali 2,45 GHz). Za vzbujanje je potrebna moč
od 10 do 5000 W, odvisno od velikosti reaktorja za
plazmo in od želenega učinka.
Temperatura plazme običajno ni definirana, temperatura elektronov, ionov ali nevtralnega plina se izraža v elektronvoltih (eV) ali stopinjah Kelvin (K).
Zaradi razlike v masi med delci, elektroni ne izgubljajo kinetične energije po prožnih trkih z nevtralnimi molekulami. Zaradi tega je temperatura elektronov višja od temperature ionov ali plina, kar je
posebno značilno pri nizko tlačnih plazmah.
Pregled raziskav
Pri obdelavi s plazmo lahko dosežemo različne
nove lastnosti tekstilnega materiala. Obstojnost volne proti krčenju lahko poleg že znanih metod, dosežemo tudi z uporabo radiofrekvenčne nizkotemperaturne plazme. [6] Ugotovljeno je bilo, da ima
pri kratkih časovnih obdelavah volne s plazmo, zrak
kot uporabljen plin večji učinek na stabilnost volne
proti krčenju od dušika. [7] Z obdelavo s plazmo se
skrčenje volne zniža s 65 % na 15 %. Na Tajskem [8]
so z nizkotemperaturno plazmo svili podelili hidrofobni karakter, tako da so svilo obdelovali z žveplovim heksakloridom. SF6 plazma proizvaja fluoridno
plast na površini vlakna preko fluorovih radikalov,
ki nastajajo v plazmi. Na površini vlaken nastaja tanek film in s tem povečuje njeno mikrohrapavost,
ki pa je posledica Van der Waalsovih sil med fluorom in ogljikom v svili. Lahko pa tekstiliji podelimo tudi večjo vpojnost, torej ji povečamo hidrofilnost. To je posebej zaželeno pri umetnih materialih,
kot so polipropilen, poliester in poliamid, kjer je zaradi inertne površine in pretežno visoke kristaline
strukture oteženo tudi barvanje takšnih materialov.
Z obdelavo poliamida z atmosfersko DBD plazmo
263
[9], kjer so kot plin uporabili helij, so poliamid hidrofilirali, modificiranemu poliamidu povečali adhezijsko sposobnost in površinsko energijo, odstranili pa so se tudi oligomeri in nečistoče. Z metodo
optične emisijske spektroskopije se lahko spremlja
razvoj oksidacije PET med obdelovanjem s kisikovo
plazmo. [10] Pri kratkih časovnih obdelavah s plazmo se tvorijo le kisikovi radikali na površini materiala. Kasneje se začno kazati CO in OH vrhovi, kisikovi pa se znižajo. Z daljšo izpostavljenostjo plazmi,
CO, OH in H vrhovi izginejo, povrne se in ostane le
še atomski kisik. Za barvanje je bombaž potrebno
dobro predobdelati, tudi beliti. Literatura navaja beljenje bombaža z uporabo kisikove plazme [11] do
beline 95,3, medtem ko z beljenjem enakega materiala z vodikovim peroksidom obelimo bombaž do
94,5 po CIE.
Aparati za proizvodnjo plazme
in učinki
V tekstilstvu se največ uporabljajo naslednji plazemski stroji: nizkotlačne plazme in atmosfersko tlačne plazme – Corona, DBD (dielectric
barrier discharge) in tleča plazma (glow discharge). V nizkotlačnih plazemskih aparatih se proizvaja visoka koncentracija reaktivnih delcev, ki jedkajo ali odlagajo tanke filme s hitrostjo približno
10 µm/min. Temperatura nevtralnega plina je pod
150 °C tako, da se termično občutljivi materiali ne
poškodujejo. [3,5]
Z nizkotlačno plazmo dosegamo:
1) aktivacijo površine, ki jo imenujemo tudi kemijska cepitev. Ponavadi se aktivacija površine zgodi
med ali po plazemski obdelavi. Učinek reaktivnih
atomov (npr. kisikovih) na tekstilni substrat je pri
kemijski plazmi dvojen: atomi reagirajo z organskimi nečistočami na tekstilni površini in površino očistijo, nato pa na njej tvorijo karbonilne,
karboksi- ali hidroksi- funkcionalne skupine. Rečemo, da je bila površina kemijsko funkcionalizirana. Posledica kemijske cepitve na PP, PE, PET
je povišanje površinske energije materiala, kar
nakazuje, da je material postal bolj reaktiven, bolj
hidrofilen,
2) jedkanje površine s plazmo, kjer se substrat obstreljuje z nabitimi delci, pozitivnimi ioni. Poleg
kemijske cepitve nastaja tudi fizikalno nanašanje
delcev na površino.
Tekstilec, 2007, let. 50, št. 10–12, str. 262–266
264
Plazemska tehnologija v tekstilstvu
Jedkanje površine vodi v kontrolirano nano- ali
mikro- hrapavost površine, ki zmanjša refleksijski odboj svetlobe na tekstilni površini. Taka
obarvana tekstilija ima zaradi povečane površine
temnejšo barvo,
3) polimerizacijo na materialu. Plin, ki ga dovajamo, razpade tudi na radikale, ki na površini tekstilnega substrata reagirajo drug z drugim. Od narave plina bo odvisna lastnost nanešene plasti, ki
je lahko debeline 10–50 nm, oz. 5–30 molekularnih plasti.
Primer polimerizacije hidrofilnih ali hifrofobnih
plasti na površini materiala so hidrofobni filtri in
hidrofilni baterijski separatorji.
Nizkotlačni plazemski aparati delujejo na principu
uporabe vskuuma. Za takšne izvedbe so potrebne
posebne črpalke. Kljub vsemu pa vzpostavitev takega sistema ne predstavlja prevelikih stroškov.
Pri atmosferskih plazmah se za ionizacijo plina uporablja tlak 1 bar (760 torr/101,3 kPa). Zaradi tega
pogosto nastaja plazma v obliki obloka, temperatura
plazme pa je lahko zelo visoka, kar je vodilo v razvoj
različnih plazemskih sistemov, od katerih se v tekstilstvu uporabljajo Corona, DBD in tleča plazma.
Z atmosfersko plazmo dosegamo:
1) jedkanje, ki nastane pri interakciji med trdno površino in plazmo. Pri tem plazma ustvari stranske produkte iz trdne površine in jih prevede v
plinsko fazo, ki vključuje atome ali molekule. Ti
stranski produkti se s površine desorbirajo in odstranijo, kjer se odstrani tudi del mase materiala,
2) čiščenje, oz. odstranjevanje nečistoč, ki je pravzaprav jedkanje z zelo visoko selektivnostjo. Pri čiščenju se odstrani le nezaželena površinska nečistoča, substrat pa ostane praktično nespremenjen,
3) aktivacijo, oz. povečanje površinske energije, ki
na površini substrata proizvaja kemijsko reaktivna
mesta in povišuje površinsko napetost materiala,
4) nalaganje funkcionalnega hidrofobnega ali hidrofilnega filma na površini, ki nastane pri interakciji substrat – plazma, ko plazma s substratom
tvori trdno fazo na površini substrata. Trdna faza
aglomerira v nekaj mikrosekundah in tvori tanek
film. Temu procesu pravimo plazemska polimerizacija.
energije, ki poviša frekvenco in napetost elektrike
iz 50/60 Hz in 230/420 V na 10–35 kHz in 10 kV.
Generator oskrbuje z električno energijo obdelovalno mesto, kjer se energija usmeri na tekstilno površino preko odprtine med dvema elektrodama kamor priteče plin. Ena elektroda ima visok potencial,
druga pa je ponavadi ozemljen valj, ki podpira tekstilijo. Visoko električno polje med elektrodami ionizira plin in tvori se plazma.
Delovanje atmosferskega aparata
Primer ustvarjanja plazme pri atmosferskem tlaku
je Corona plazemski aparat. Iz slike 1 je razvidno,
da aparat sestavljata dva dela: generator kot izvor
Slika 1: Corona sistem
Pri obdelovanju s Corona plazmo, kjer se kot plin
uporabljata zrak ali kisik, se kot stranski produkt
ustvarjata ozon in dušikovi oksidi. Ozon je iz delovnega območja nujno potrebno odstraniti, saj je življenjsko nevaren in povzroča korozijo strojev. Zaradi ekoloških predpisov se ozona ne sme spuščati
v atmosfero, ampak se ga mora uničiti. Uniči se ga
z vodenjem preko katalitičnega ozonskega razgrajevalca na bazi kovinskega oksida, s spremembo ozona v kisik.
Na Mednarodnem sejmu strojev za tekstilno industrijo ITMA 07, so iz podjetja Ahlbrandt system
predstavili Corona plazemski stroj, ki je sestavljen
iz ene ali več elektrod, razmik med elektordama pa
znaša 1–15 mm. Elektrode so ponavadi prevlečene z neprevodnimi materiali, npr. s keramičnimi ali
kremenčevimi materiali za visoko napetostne elektrode in keramičnimi ali silikonskimi materiali za
ozemljene elektrode. Ponavadi se kot plin uporablja kar kisik iz zraka. Širina materiala za plazemsko obdelavo znaša do 3,8 m, debelina pa 12 mm.
Corona plazma deluje v obsegu do 6 cm. Pri obdelavi večje površine ali če želimo večjo moč obdelave je potrebno uporabiti večje število obdelovalnih
Tekstilec, 2007, let. 50, št. 10–12, str. 262–266
Plazemska tehnologija v tekstilstvu
glav. Ta aparat ima največjo obdelovalno hitrost 30–
50 m/min.
DBD sistem, ki je prav tako atmosferski aparat za
plazmo, je sestavljen iz dveh simetričnih elektrod,
ki sta obrnjeni ena proti drugi z odmikom 10 mm.
Obe elektrodi sta izolirani in skozi njiju teče električni tok, ki je posledica napajanja z generatorjem
s frekvenco 50 kHz in napetosti 10 kV, ki ustvarja
plazmo. Plazma zapolni odprtino med elektrodama
s konstantnim in homogenim bliskanjem (slika 2).
kuje razvoj tudi na področju nanosa barvil. Pravilna uporaba plazemske tehnologije zahteva dobro
poznavanje tega področja. S funkcionalizacijo površin tekstilij s plazmo lahko bodisi za kratek čas
ali trajno spremenimo lastnosti tekstilij. Obstojnost
sprememb so zelo različne, odvisne od pogojev obdelav s plazmo, spremembe potečejo na zelo tanki
plasti tekstilije in ne smejo vplivati na poslabšanje
mehanskih in kemijskih lastnosti materiala. Zato
je potrebno znanje, s katerim lahko hitro rešujemo
probleme v zvezi s plazemskimi obdelavami. Raziskave na tem področju kažejo smiselnost razvoja
različnih aparatov za proizvajanje plazme za obdelavo v tekstilstvu. Verjetna je tudi opcija, da se bo
dalo z znanjem uporabe pravilne plazme izdelovati posebne, na tržišču večvredne materiale. Šele tak
način razvoja bo pokazal koliko so vredni v tekstilni industriji dobro izšolani doktorji znanosti z različnih področij.
Literatura:
Slika 2: Shema DBD aparata za plazmo
Podjetje Arioli svoj plazemski stroj še testira. Na
sejmu ITMA 07 so prikazali le razstavni prototip.
Predstavljen je bil atmosferski DBD plazemski stroj,
ki kot plin uporablja zrak, lahko pa tudi druge pline. Hitrost obdelave tekstilij znaša 1–60 m/min, tekstilijo lahko obdeluje eno- ali dvostransko v širini
400 cm. Primeren je za obdelavo tkanin, pletenin in
netkanih tekstilij.
Zaključek
Obdelava s plazmo prinaša v proizvodnjo tekstilij veliko novosti, saj se s plazemsko tehnologijo izognemo mnogim običajnim obdelavam tekstilij,
pri čemer se zmanjša poraba vode, kemikalij, proizvodnih stroškov povezanih s tem, zniža pa se tudi
ekološka obremenjenost odplak. Vidimo, da lahko s
plazemsko tehnologijo ustvarjamo lastnosti materialov, ki jih ni mogoče doseči z običajnimi obdelavami. Zaenkrat s plazmo še ne moremo nadomestiti
mokrega procesa barvanja. V prihodnosti se priča-
265
1. Dostopno na svetovnem spletu: <http://www.
plasmas.org/basics.htm>
2. SHISHOO, R. Plasma technologies for textiles,
Woodhead publishing limited, England, 2007,
322 str.
3. BELLAN, P.M. Fundamentals of plasma physics,
Cambridge university press, UK, 2006, 609 str.
4. PAPPAS, D., BUJANDA, A., DAMAREE, D.,
HIRVONEN, J. K., KOSIK, W., JENSEN, R. in
McKNIGHT, S. Surface modification of polyamide fibers and films using atmospheric plasmas, Surface and coatings tehnology, 2006, vol.
201, str. 4384–4388.
5. SCHUTZE, A., JEONG, J. Y., BABAYAN, S.
E., PARK, J., SELWYN, G. S. in HICKS, R. F.
The atmosferic-pressure plasma jet: review
and comparison to other plasma sources. IEEE
Transactions on plasma science, 1998, vol. 26, št.
6, str. 1685–1693.
6. JOCIĆ, D., NAVARRO, A. in JOVANČIĆ, P.
Surface modification – a tool for tailoring new
functionalities in textiles, 37th International
Symposium on novelties in Textiles, 15–17 June
2006, Ljubljana, Slovenija
7. MOLINA, R., et al Tratamientos con plasma
como acabodo textil, Proceedings of 2001 International Textile Congress, Terrassa, 18–20 June
2001, vol. II (2001), str. 456–464.
Tekstilec, 2007, let. 50, št. 10–12, str. 262–266
266
Plazemska tehnologija v tekstilstvu
8. CHAIVAN, P., PASAJA, N., BOONYAWAN,
D., SUANPOOT, P. in VILAITHONG, T. Lowtemperature plasma treatment for hydrophobicity improvement of silk, Surface and coatings
technology, 2005, vol. 193, str. 356–360.
9. BORCIA, C. in DUMITRASCU, N. Adhesion
properties of polyamide-6 fibres treated by dielectric barrier discharge, Surface and coatings
technology, 2006, vol. 201, str. 1117–1123.
10. KRISTULOVIC, N., LABAZAN, I., MILOSEVIC, S., CVELBAR, U., VESEL, A. in MOZETIC, M. Optical emission spectroscopy characterization of oxygen plasma during treatment of
a PET foil, Journal of Physics D : Applied Physics, 2006, vol. 39, št. 17, str. 3799–3804.
11. NAVARRO, A., BAUTISTA, L. Surface modification an characterization in cotton fabric bleaching, Proceedings of the 5th world Textile Conference AUTEX 2005, 27–29 June 2005, Portorož
Slovenija, CD-ROM, 2005, str. 188–194.
Tekstilec, 2007, let. 50, št. 10–12, str. 262–266