通过长时间低压氩氧等离子体处理改性的汉麻纤维性能研究

《ACS Omega》：Study of Hemp Fiber Properties Modified via Long-Duration Low-Pressure Argon and Oxygen Plasma Treatments

表面改性机理与效果分析。

　　
本研究系统探讨了低气压氩气和氧气等离子体处理对亚麻纤维表面形貌、化学结构及力学性能的影响，为天然纤维在环保型纺织加工中的应用提供了创新解决方案。研究聚焦于处理时长（30分钟至4小时）、功率（40Hz和80Hz）与气体种类（氩气与氧气）三个核心变量，通过多维度表征技术揭示了等离子体处理对亚麻纤维的调控机制。

在表面形貌分析方面，扫描电镜（SEM）和原子力显微镜（AFM）的联合研究表明，等离子体处理显著改变了纤维表面结构。氩气处理在30分钟时即可形成纳米级凹凸面，表面粗糙度从未处理的70纳米提升至299纳米，并伴随纤维表面原纤化现象。这种结构改变在4小时处理中达到峰值，形成深达1.2微米的沟壑结构。氧气处理则表现出更强的化学侵蚀能力，在相同时间内形成更密集的网状纹理，表面粗糙度可达182纳米。值得注意的是，氩气处理在80Hz功率下4小时时表面粗糙度下降至105纳米，提示存在临界处理阈值。

化学结构分析通过傅里叶变换红外光谱（FTIR）和荧光显微观察发现，两种等离子体处理均增强了羟基（-OH）和羰基（C=O）的特征峰，表明表面极性基团密度增加。荧光显微镜证实4小时氩气处理使木质素荧光强度降低约60%，与FTIR中羟基峰强度增加趋势一致。但X射线衍射（XRD）显示，氩气处理4小时后纤维结晶度下降至50%，而氧气处理对结晶结构影响较小，这可能与不同气体等离子体的作用机制相关。

表面润湿性能测试显示，所有等离子体处理后的纤维水接触角均降至0度，达到完全润湿状态。氩气处理纤维的润湿性能提升源于物理刻蚀形成的纳米级粗糙结构，而氧气处理则结合了化学氧化与物理刻蚀的双重效应。这种性能突破意味着等离子体处理可替代传统化学退胶，同时避免纤维强度损失。实验数据显示，处理30分钟后的纤维拉伸强度保持在75-85MPa范围内，与未处理纤维（72MPa）无显著差异，验证了等离子体处理的表面改性特性。

研究创新性地揭示了等离子体处理的协同效应：氩气处理通过高动能离子碰撞实现物理刻蚀，优先去除表层的木质素和半纤维素；氧气处理则通过活性氧物种（如臭氧）实现化学氧化，更有效地分解非晶态结构中的复杂大分子。这种差异在AFM三维重构图中得到直观体现，氩气处理形成规则层状刻蚀，而氧气处理产生随机分布的孔洞结构。

特别值得注意的是，处理时长与气体种类存在显著交互作用。氩气处理在4小时时出现结晶度骤降现象，可能与深层木质素去除导致的纤维素微纤丝解体有关。而氧气处理在延长至4小时后仍能保持较高结晶度（65%），显示其更适合需要维持纤维结构完整性的应用场景。这种时效性差异为工艺优化提供了重要参考。

实验体系设计具有方法论创新：采用双变量控制实验（气体类型×处理时长×功率），结合SEM-AFM联用表征、FTIR化学分析、荧光显微定位和力学性能测试四维评价体系。这种多尺度表征网络不仅验证了等离子体处理的表面改性的普适性，还通过XRD结晶度分析首次揭示了长时间处理对纤维深层结构的潜在影响。

在环境效益方面，本研究处理的等离子体设备仅需0.4毫巴低压环境，能耗仅为传统化学处理的三分之一，且完全避免化学废液排放。处理后的纤维接触角测试显示，表面能提升幅度超过300%，这种显著性能改进使纤维在无纺布基材、功能涂层等应用场景中展现出独特优势。例如，等离子体处理后纤维的染料吸附量提升2.3倍，水溶时间缩短至传统工艺的1/5。

研究还发现等离子体处理的功率依赖性特征：在40Hz时，氩气处理4小时可使表面粗糙度达到1.3微米，而80Hz处理30分钟即能达到同等效果。这种效率差异为设备优化提供了方向，提示中等功率短时处理即可实现理想表面结构。同时，氧气处理在相同功率下表现出更强的表面清洁能力，这可能与其产生的活性氧浓度梯度有关。

在产业化应用层面，研究提出的"等离子体预处理-功能涂层-复合纺丝"技术路线，成功将亚麻纤维的湿法纺丝临界湿强从18MPa提升至25MPa。处理后的纤维在169种纺织应用场景测试中，表面润湿均匀性评分达9.8（满分10），纤维断裂强度损失控制在5%以内。这种性能突破为开发高端功能纺织品提供了新路径。

本研究还建立了等离子体处理参数与纤维性能的映射模型：表面粗糙度与处理时长的对数曲线相关系数达0.92，功率提升1倍可使粗糙度增加约50%。值得注意的是，当处理时间超过240分钟时，表面粗糙度反而下降，这可能与等离子体轰击导致的二次结构破坏有关，为后续研究提供了新方向。

通过比较分析，氩气处理更适合需要保持纤维结晶度的应用场景（如增强型复合材料），而氧气处理在功能化改性方面更具优势（如抗菌涂层载体）。这种选择性处理能力为多功能纤维开发奠定了理论基础，例如通过梯度处理实现表面极性从亲水到疏水的可控调节。

最后，研究提出的"三阶段表面改性理论"为后续研究指明方向：初级阶段（0-30分钟）以物理刻蚀为主，中级阶段（30-240分钟）化学氧化与物理剥蚀协同作用，高级阶段（240分钟以上）出现结晶结构重组。这种分阶段改性机制解释了为何长时间处理反而导致结晶度下降，为工艺安全窗口设定提供了科学依据。

该研究不仅验证了等离子体处理作为绿色替代方案的可行性，更构建了从基础表征到应用转化的完整技术链。其创新点在于首次系统揭示等离子体处理时长与气体类型的交互效应，以及表面改性对纤维结晶结构的深层影响。这些发现为开发新型环保纺织材料提供了重要的理论支撑和技术路径。