非热等离子体改性聚酯纤维：从亲水性提升看工业表面工程新方向

基于印度 Kongunadu Arts and Science College 的聚酯织物等离子体表面改性研究解读

关键词
Plasma,Polyester,Polar groups,Hydrophilic,X-ray photoelectron spectroscopy,静电除尘器,工业滤料

在工业过滤材料、除尘滤袋和功能纺织品领域，聚酯（PET）因成本可控、机械强度高、耐化学性好而被广泛使用。但从表面性质看，PET 天然偏疏水、极性基团贫乏，导致润湿性、上色性、粘附性和生物相容性等性能都不理想。这在静电除尘器（ESP）滤袋、防雾防静电面料、以及工业烟气净化滤料中，都会直接影响捕集效率、结露行为和粉尘再沉积。如何在不破坏基材主体性能的前提下，通过绿色工艺提升聚酯表面的亲水性，已成为当前工业表面工程和环保行业共同关注的技术方向。

基于这一背景，印度 Kongunadu Arts and Science College 物理系 S. Inbakumar 与 A. Anukaliani 团队，开展了“非热等离子体改性聚酯织物以提升亲水性”的系统研究。该工作发表于第 11 届国际静电除尘会议（11th International Conference on Electrostatic Precipitation），从等离子体物理参数、润湿行为、表面化学组成（XPS）和形貌（SEM）四个维度，给出了低温等离子体处理聚酯纤维的较完整证据链，对工业滤料表面改性具有直接参考价值。

研究对象为 100% 聚酯机织物。实验中，样品被裁剪成 5×5 cm 织物片，固定在真空腔体内，距离阴极约 1 cm，以避免热效应带来的基体损伤。等离子体系统由真空室、电源、电极及可调电极间距机构组成，处理气体为空气，腔体压力控制在约 0.2–0.3 mbar，直流电压在 300–400 V 范围内可调。研究者在正式处理前，先使用低电流放电对电极及基座进行“预清洁”，同时用去离子水、丙酮清洗腔体和电极表面，尽量排除污染干扰，为后续 X 射线光电子能谱（XPS）分析建立可靠基线。

在等离子体参数方面，作者通过探针 I–V 特性曲线反演了电子温度和电子密度：在 350 V、0.3 mbar 条件下，电子温度约为 1.345 eV，对应电子密度约 1.29×10^10 cm^-3。对于聚合物表面改性而言，高等离子体密度配合中低电子能量，更有利于引入化学官能团而非简单烧蚀；文中也指出，随气压升高，碰撞频率增加，电子密度提高而电子温度下降，这与工业化低温等离子体处理工艺寻求“高密度、低能量”窗口的经验是吻合的。

为评价亲水性改善效果，研究采用了纺织领域常用的“垂直毛细上升法”（vertical drag / wicking test）。具体做法是将布条垂直悬挂，下端浸入含染料的水溶液，记录溶液沿经纬纱向上爬升至每一厘米高度所需时间，并折算为一定时间内的毛细上升高度。结果表明，未经处理的聚酯织物毛细上升高度仅约 1.2 cm，呈现典型疏水行为；在合适的等离子体条件下（如 0.5 mbar、5–6 min 处理），毛细上升高度可提升至接近 4.9–5.0 cm，润湿性显著改善。

从实验趋势看，处理电压从 300 V 升高到 400 V、处理时间从数分钟延长、处理压力从 0.1 mbar 提高至 0.5–0.6 mbar，整体上均有利于提升毛细上升高度，即提高亲水性。但作者也指出，时间与压力并非越高越好，需要在“官能团引入”和“表面降解、烧蚀”之间寻找平衡，以避免过度刻蚀导致力学性能衰减。这一点对于工程应用极其关键：在静电除尘滤袋、袋式除尘器复合滤料等场景，引入亲水或极性表面有利于凝结水膜形成和粉尘剥离，却必须兼顾强度、耐温和耐腐蚀性。

XPS 分析提供了聚酯织物表面化学组成变化的直接证据。未处理织物表面主要元素为碳和氧，原子百分含量分别约为 82% 和 15%，并伴有少量 Ca、Cl、Si 等杂质元素；经空气等离子体处理约 4 min 后，碳含量降至约 70%，氧含量升至约 21%，说明表面明显氧化。同时，由于电极采用铜材料，处理后表面检测到约 3.2% 的 Cu 元素，并存在少量 F 元素，这与工业设备中电极溅射、腔体杂质带来的寄生沉积情况相一致，对今后工业放大时选择电极和腔体材料具有提示意义。

更关键的是 C1s 高分辨谱的峰分解结果。未处理聚酯表面中，C–C/C–H 组分约占 87.9%，而 C–O 和 O–C=O 两类极性官能团各仅约 6.05%。在空气等离子体处理 10 min 后，C–C/C–H 降至约 80.2%，C–O 升至约 9.0%，O–C=O 升至约 10.8%。换言之，等离子体在聚酯表面“打断”了部分惰性 C–C/C–H 键，引入了大量含氧极性基团，如羟基、羧基和过氧基团。这些极性基团显著提高了表面自由能中的极性分量，从而直接提升亲水性和润湿性。论文将毛细上升实验与 XPS 结果进行对应，基本建立了“极性基团增加—表面能提升—润湿性增强”的逻辑链条。

在形貌方面，研究者通过扫描电子显微镜（SEM）对比了处理前后的纤维表面。未经等离子体处理的聚酯纤维表面相对平整光滑；经非热等离子体处理后，纤维表面出现明显的细微裂纹、孔洞与粗糙结构，这是等离子体刻蚀（etching）和活性粒子轰击的结果。形貌粗糙化一方面有助于毛细通道形成和液体吸入，另一方面为后续涂层、浸渍整理、功能化纳米颗粒负载提供了更多“锚固点”，对工业滤料的后处理（如 PTFE 微孔覆膜、亲水涂层、催化涂层）具有放大增效的潜力。

综合物理参数、毛细上升测试、XPS 与 SEM 结果，作者认为低温等离子体处理可以在不显著改变聚酯纤维体相性能的前提下，同时改变其表面化学组成和微观形貌，大幅提升亲水性和表面自由能。这一结论与众多聚合物表面等离子体改性研究结果相吻合[2–5,10,11]，但该工作通过对聚酯面料的系统测量，将“极性基团增多”和“毛细润湿性能提升”直接关联，对纺织与环保滤料行业具有更直接、可工程化解读的意义。

对于静电除尘器与烟气治理行业而言，该类非热等离子体表面改性技术有三点值得关注：一是通过提升纤维亲水性，可改善冷端工况下滤袋表面结露特性，减少干粉强粘附，改善清灰效果；二是在需要同时具备亲水、防静电与耐腐蚀性能的复合滤料上，可与导电纤维、功能整理剂协同设计，优化荷电与捕集行为；三是低温等离子体本身属于“干法、无水、低药剂”工艺，与当前绿色制造和碳减排趋势高度契合。在未来高效除尘滤料、高温烟气超低排放滤袋、以及含酸雾工况专用滤料研发中，这类表面工程路线值得与现有浸轧、涂覆、溶剂法改性等手段形成互补，为工业除尘设备和环保系统提供更稳定、更可控的界面性能。

可以预见，随着等离子体电源、真空系统成本的进一步下降，以及在线卷对卷（roll-to-roll）处理装备的成熟，非热等离子体表面改性有望从实验室走向工业滤料连续化生产线，为静电除尘器滤袋、袋式除尘器滤筒以及各类工业烟气净化材料开启新一轮性能升级窗口。

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