3ODVPDYLHUGHDJJUHJDWLHWRHVWDQGYRRUKHWµGURRJ HQµSURSHU YRRUEHKDQGHOHQHQYHUHGHOHQYDQWH[WLHO

3ODVPDYLHUGHDJJUHJDWLHWRHVWDQGYRRUKHWµGURRJ¶ HQµSURSHU¶YRRUEHKDQGHOHQHQYHUHGHOHQYDQWH[WLHO Tom Van Hove Hogeschool Gent, CTO - TO2C Voskenslaan 362 – B-9000 Gent e-mail: [email protected]

,QOHLGLQJ Gedurende januari 2002 – december 2004 wordt het HOBU-project “Plasma: vierde aggregatietoestand voor het ‘droog’ en ‘proper’ voorbehandelen en veredelen van textiel” uitgevoerd. In Unitex nr. 2 van jaargang 2003 is reeds een artikel verschenen waarin een overzicht wordt gegeven van de atmosferische plasmasystemen waarover het TO2C beschikt, nl. Corona, plasma toorts en WASKO. In dit artikel worden de principewerking van deze toestellen beschreven samen met hun implementatiemogelijkheden in en hun potentiële voordelen t.o.v. de klassieke textielprocessen. De onderstaande publicatie heeft als doel de eerste onderzoeksresultaten weer te geven betreffende integratie van de drie hierboven aangehaalde plasmasystemen in bestaande textieltoepassingen.

&RURQDDSSOLFDWLHYLROHWPHGLXPYRRUHFRQRPLVFKHQ HFRORJLVFKVXFFHV 'HWHFKQLHN&RURQD Bij Corona behandeling wordt het textiel getransporteerd door een behandelingsstation dat voorzien is van twee hoogspanningselektroden en van een tegenelektrode (d.i. een geaarde wals). Door het opwekken van een hoogspanning wordt de aangezogen omgevingslucht geïoniseerd, waardoor een atmosferisch plasma ontstaat. Het is een geheel van actieve en niet-actieve componenten: elektronen, radicalen, fotonen, ionen,… Bij inwerking van het opgewekte plasma op textiel zijn een aantal effecten te onderscheiden. Het belangrijkste is de inbouw van nieuwe functionaliteiten (lees: hydrofiele groepen) aan gecreëerde actieve plaatsen. Daarnaast ontstaat een etsing op micro- of zelfs nanoschaal van het oppervlak. Door inwerking van het plasma ondergaat het substraat bovendien een fijnreiniging. Zeer belangrijk is dat al deze effecten slechts topochemisch gebeuren. Dat brengt met zich mee dat de hydrofiliteit van het substraat sterk stijgt en dat de bulkeigenschappen van het textiel (treksterkte, elasticiteit, greep, scheurweerstand,…) niet of nauwelijks beïnvloed worden. De functionalisering van het oppervlak opent nieuwe mogelijkheden in het oplossen van bestaande problemen in de textielsector. Een aantal hiervan worden hieronder beschreven.

7RHSDVVLQJVPRJHOLMNKHGHQYDQ&RURQD ,QYORHGRSKHWYHUIJHGUDJ De specifieke eigenschappen van microweefsels zijn genoegzaam bekend: water- en winddicht, comfortabel want ademend. Zoals de naam laat vermoeden zijn deze weefsels

opgebouwd uit microfijne filamenten (< 1dTEXpf). Naar verfgedrag toe heeft dat belangrijke consequenties. Door de microfijne structuur hebben deze weefsels een zeer groot specifiek oppervlak in vergelijking met de klassieke weefsels. Dat leidt er toe dat om een bepaalde kleurdiepte te bekomen een veelvoud aan kleurstof moet worden aangeverfd (cfr wet van Lambert-Beer) in vergelijking met de klassiek gebruikte garens. Diepe tinten zoals marine en zwart zijn hierdoor echter zo goed als onbereikbaar. Microweefsels linken aan plasmatechnieken is een logische denkpiste: microweefsels met hun zeer groot specifiek oppervlak sluiten nauw aan bij de zuiver topochemisch werkende plasma systemen. De navenante stijging van de hydrofiliteit door toepassing van een plasmabehandeling op microweefsels kan mogelijks het optrekken van de kleurstof op de vezel verbeteren. Er kan immers een betere interactie ontstaan tussen substraat en verfvlot. Indien dat het geval is, kan er sneller geverfd worden én zijn diepe tinten beter haalbaar. Een aantal richtinggevende testen zijn in dit kader uitgevoerd. Zo zijn er atmosferische (Corona) en vacuüm (Europlasma) plasma behandelingen uitgevoerd op polyester en polyamide microweefsels. Telkens wordt een scherpe stijging van de hydrofiliteit vastgesteld. In tabel 1 worden de hydrofiliteitswaarden opgenomen. De tijd t stemt overeen met de benodigde tijd voor volledige uitspreiding van een druppel van een 10 % glucose-oplossing. De hoogte H is de opstijghoogte van een bepaalde kleurstofoplossing gedurende 40 seconden. Bepaling van de oppervlaktespanning is een problematische aangelegenheid in geval van textiel. Voor vlakke substraten zonder porositeiten zoals plastics wordt vaak de 8QLRQ &DUELGH test toegepast. Hierbij wordt gebruik gemaakt van een reeks van testvloeistoffen met variërende oppervlaktespanning. Uitstrijken van deze testvloeistoffen en beoordeling van het bijhorende vloeigedrag laten toe de oppervlaktespanning te bepalen. Op textiel is dat gecompliceerder aangezien capillariteit naast de eigenlijke oppervlaktespanning van het textiel een belangrijke rol speelt. Hier is er voor geopteerd de oppervlaktespanning te bepalen aan de hand van een reeks testvloeistoffen met gekende oppervlaktespanning. Steeds wordt er bepaald van welke vloeistof een druppel na vijf seconden helemaal uitgespreid is. Aan de oppervlaktespanning van het textiel wordt dan een waarde toegekend die gelegen is tussen de oppervlaktespanning van deze testvloeistof én de oppervlaktespanning van de testvloeistof die zich net hoger bevindt in de reeks, maar geen bevochtiging geeft binnen de vijf seconden. Het textielsubstraat wordt immers pas bevochtigd wanneer de oppervlaktespanning van het substraat groter is dan de oppervlaktespanning van de vloeistof. VXEVWUDDW

SODVPDEHKDQGHOLQJ

WLMGW

KRRJWH+

3(6PLFUR blanco staal = geen plasma 6’ 0,6 cm ZHHIVHO atmosferisch: Corona 30" 0,9 cm  vacuüm 20" 3,9 cm  3$PLFUR blanco staal = geen plasma 12' 0,8 cm ZHHIVHO Atmosferisch: Corona 1'05" 1,6 cm  vacuüm 1' 2,4 cm Tabel 1: Invloed van plasmabehandelingen op de hydrofiliteit van microweefsels

RSSVS 

< 30 mN/m 60 - 65 mN/m 73 - 82 mN/m 30 - 35 mN/m 35 - 41 mN/m 41 - 46 mN/m

Uit tabel 1 is af te leiden dat de stijging van de hydrofiliteit groter is bij een vacuüm plasma behandeling in vergelijking met &RURQDWUHDWPHQW. Dat is logisch: een vacuümbehandeling wordt tweezijdig uitgevoerd en de inwerkingsduur van het plasma is merkelijk langer. Na de beide plasmabehandelingen op het polyamide en polyester microweefsel zijn discontinue verfproeven uitgevoerd. Niettegenstaande de stijging van de hydrofiliteit kan zowel voor polyamide als polyester geen verandering in het verfgedrag worden vastgesteld. Zo blijven verfkarakteristieken als egaliteit, doorverving, verfsnelheid en verfrendement

ongewijzigd. Voor de volledigheid zijn identieke proeven uitgevoerd op klassieke polyester en polyamide weefsels. Hierbij is logischerwijze ook geen verandering in het discontinu verfgedrag vast te stellen. De klassieke weefsels hebben immers een merkelijk kleiner specifiek oppervlak dan de microweefsels. Plasma behandeling is dan ook minder effectief. Wanneer er wordt teruggegaan tot de basisbeginselen van het verven is een gelijkblijvend verfgedrag na het uitvoeren van een plasma behandeling te verklaren. De uitgeteste plasma behandelingen op polyester etsen het oppervlak en bouwen hydrofiele groepen in aan dit oppervlak. Hierdoor stijgt de hydrofiliteit sterk. Polyester wordt geverfd bij pH-waarden van 4,5 – 5 met dispersie kleurstoffen. Dat zijn kleurstoffen die geen ioniseerbare groepen bevatten. Oplading van de topochemisch ingebouwde hydrofiele groepen door plasma behandeling op polyester zal dus geen rechstreekse invloed hebben op de ladingsloze dispersie kleurstoffen. Adsorptie van de dispersie kleurstof aan polyester zal dan ook niet beïnvloed worden door de ingebouwde polaire groepen. De etsing van het oppervlak kan dat mogelijk wél. Een ander verfgedrag is hier echter niet vastgesteld. Vermoedelijk wordt de adsorptie van de kleurstof dus niet gewijzigd. Er is geen enkele reden om aan te nemen dat diffusie en fixatie van de kleurstof in de vezel worden gewijzigd. Bij polyester wordt er doorgaans discontinu geverfd bij 130°C. Dat is ruimschoots boven de glastemperatuur van 80°C, waardoor de polyester vezel zich opent. Hierdoor kunnen de dispersie kleurstoffen in de vezel solubiliseren. Topochemische functionalisatie van het polyesterweefsel wijzigt het fundamentele verfproces dan ook niet. Bij polyamide is de zaak iets complexer aangezien oplaadbare groepen een belangrijke impact kunnen hebben op het verfproces. De hier uitgevoerde vervingen zijn in zuur milieu uitgevoerd. De door plasma ingebouwde groepen zullen vermoedelijk tot een positieve nettolading leiden. Zo zullen bijvoorbeeld de COOH-groepen niet geïoniseerd zijn en zullen de NH2-groepen positief opgeladen zijn. Deze positieve oplading leidt tot een grotere aantrekking van de negatieve zure kleurstoffen, waardoor er sneller kan geverfd worden. Hier wordt echter geen verhoging van de verfsnelheid vastgesteld. De oplading van de door plasma geïnduceerde groepen is dus waarschijnlijk verwaarloosbaar. Adsorptie, diffusie en fixatie van de kleurstoffen blijven theoretisch gezien ongewijzigd. Het gelijkblijvend verfgedrag ondanks plasma behandeling hoeft geen eindpunt te zijn voor plasma-applicatie op gebied van verven. Zo mag niet uit het oog verloren worden dat het steeds gaat om labovervingen. Dat betekent dat er wordt uitgegaan van ideale verfcondities die bij industriële applicatie niet gelden. Niet alle substraten zijn even goed bevochtigbaar en bij continu applicaties komt er een belangrijke tijdsrestrictie bij. Polyester gordelriemen bijvoorbeeld worden momenteel continu geverfd met dispersie kleurstoffen volgens het pad thermosol-procédé aan hoge snelheden. Deze snelheden reiken gemakkelijk boven 80 m/min. De hoge snelheden in combinatie met de structuur van de gordelriemen (2 mm dikte) zorgen ervoor dat het verfgedrag problematisch is. Zo zijn doorverving en egaliteit vaak onvoldoende. Piloottesten hebben aangetoond dat een voorafgaandelijke plasma behandeling (Corona of toorts) leidt tot een hydrofieler substraat en een navenant egalere verving. In figuur 1 wordt een visuele impressie gegeven van geverfde stalen zonder en mét plasma voorbehandeling.

Figuur 1: Verbetering van de egaliteit door plasma behandeling bij continu verven

Plasma behandeling als een voor- of nabehandeling bij het verven kan een manier zijn om GLIIHUHQWLDOG\HLQJ effecten te bekomen. Creatief omspringen met plasma technologie moet zeker nieuwe mogelijkheden kunnen creëren. Verschillende invalshoeken zijn hierbij mogelijk. Zo kunnen met een Corona of toortsbehandeling selectief eerder aangebrachte chemicaliën verwijderd worden. Denken we bijvoorbeeld aan de klassiek gebruikte chemicaliën in de textielindustrie zoals zouten, alkali, zuren, reductiemiddelen of fluorkoolwaterstoffen. Via vacuümtechnologie is het reeds mogelijk aminogroepen in te bouwen op verschillende textielsubstraten. Toorts- of WASKO-behandelingen met geschikte stikstofgassen moeten dat theoretisch gezien ook kunnen. Deze denkpiste kan uitgewerkt worden als een soort voorbehandeling van textiel bij het verven met zure kleurstoffen wat mogelijk leidt tot specialiteitseffecten. Plasma technologie heeft niet alleen de potentie om geïntegreerd te worden in verfprocessen. Ook in druktoepassingen zijn er mogelijkheden. Denken we bijvoorbeeld aan de hechting van bedrukkingen en de doordringdiepte van drukpasta’ s in poolweefsels.

(OLPLQDWLHYDQQDWPDNHUV Natmakers zijn universeel gebruikte hulpmiddelen bij discontinue en continue processen. Ze verlagen de oppervlaktespanning van het vlot waardoor textielsubstraten op een afdoende wijze bevochtigd worden. Indien het textiel op een continue wijze hydrofoob of oleofoob gemaakt wordt, kan de gebruikte natmaker achterblijven op het substraat. Daardoor ontstaat een negatieve invloed op het water- of olie-afstotend vermogen. De bedoeling is de natmaker in het foulardbad te elimineren door voor het foularderen een Corona behandeling toe te passen op het textiel. Door zo’ n bestraling stijgt immers de hydrofiliteit van het substraat, waardoor de vlotopname normaliter ook beter moet verlopen. In een eerste fase wordt nagegaan of de natmaker kan geëlimineerd worden door vooraf te gaan bestralen. Nadien wordt de invloed van verschillende types natmakers én van een Corona-behandeling nagegaan bij een oleofobering.  2QGHU]RHNYDQGHVXEVWLWXHHUEDDUKHLGYDQGHQDWPDNHULQKHWIRXODUGEDGGRRU YRRUDIJDDQGHOLMNHHQ&RURQDEHKDQGHOLQJWRHWHSDVVHQ Als basisgrondstof wordt gewerkt met ecru katoen, omdat dit een slechte vlotopname vertoont bij foularderen. Om een referentie te creëren wordt dit ecru katoen gefoulardeerd met zacht water. De pick-up wordt bij verschillende snelheden, maar bij eenzelfde druk, vastgesteld. Nadien wordt ecru katoen op eenzelfde wijze gefoulardeerd, maar aan het foulardbad wordt supplementair een standaardhoeveelheid natmaker toegevoegd. De mogelijke substitutie van de natmaker door eerst een Corona-behandeling uit te voeren wordt nagegaan door ecru katoen eens eenzijdig en eens tweezijdig te bestralen. De pick-ups worden dan opnieuw opgetekend bij de verschillende foulardsnelheden. In tabel 2 worden de resultaten weergegeven. SLFNXSHFUX SLFNXSHFUX NDWRHQIRXODUGHUHQ VQHOKHLG NDWRHQIRXODUGHUHQ PHW IRXODUG PHWZDWHU ZDWHUQDWPDNHU 10 m/min 39,94% 57,24% 20 m/min 38,41% 53,30% 30 m/min 36,10% 47,40% Tabel 2: Eliminatie natmaker door een Corona-behandeling

SLFNXSHFUX NDWRHQ&RURQD HHQ]LMGLJN: IRXODUGHUHQPHW ZDWHU 63,39% 61,73% 53,27%

SLFNXSHFUX NDWRHQ&RURQD WZHH]LMGLJN: IRXODUGHUHQPHW ZDWHU 64,25% 62,16% 61,68%

9DVWVWHOOLQJHQ Door ecru katoen te behandelen met Corona neemt de hydrofiliteit sterk toe. Vetten/wassen worden immers gedeeltelijk verwijderd én er gebeurt een inbouw van hydrofiele groepen aan het oppervlak van het substraat. Hierdoor stijgt de pick-up sterk bij het foularderen. Deze wordt zelfs groter dan bij het gebruik van een natmaker in het foulardbad. De bestraling tweezijdig uitvoeren heeft weinig zin: door een eenzijdige behandeling stijgt de hydrofiliteit reeds voldoende. Uit het voorgaande is af te leiden dat een natmaker te vervangen is door een gepaste Corona behandeling. Dat kan zowel gebeuren op niveau van voorbehandelen, verven en appreteren. Een dergelijk concept kan probleemoplossend werken. Nu is men soms genoodzaakt voor het hydro- of oleofoberen een wasproces toe te passen om restanten van natmakers afkomstig van andere processen te verwijderen, ten einde een goed water- of olie-

afstotend effect te bekomen. Deze extra bewerking wordt overbodig als de natmaker vervangen kan worden door een bestraling. Dat leidt tot een besparing van water, energie en natuurlijk ook van de natmaker zelf. 

&RURQDEHKDQGHOLQJHQGHLQYORHGYDQYHUVFKLOOHQGHW\SHVQDWPDNHUVELM ROHRIREHUHQ

Als grondstof wordt voorbehandeld katoen gebruikt, waarop steeds 1% of 2% fluorkoolwaterstof-dispersie wordt geappreteerd. De variërende parameter is het al of niet gebruiken van een bepaald type natmaker. Als referenties worden stalen gemaakt waarop de twee percentages fluorcarbons zijn aangebracht, en waarbij geen natmaker wordt gebruikt. Daarnaast worden stalen aangemaakt waarbij eens een hittestabiele en eens een niethittestabiele natmaker worden gebruikt bij het foularderen. Isopropanol als natmaker is een ander uitgetest alternatief. De niet-hittestabiele natmaker gecombineerd met fluorcarbons en een extender wordt voor de volledigheid ook uitgeprobeerd. Ten slotte worden op tweezijdig bestraald katoen de twee hoeveelheden fluorkoolwaterstoffen toegepast. Het bekomen oleofoob effect wordt steeds beoordeeld via de AATCC Test Method 18. Hierbij wordt gebruik gemaakt van acht verschillende koolwaterstoffen met afnemende oppervlaktespanning. Deze vloeistoffen krijgen een AATCC-graad van 1 tot en met 8. Hoe groter de bekomen graad, hoe beter het olie-afstotend vermogen. In tabel 3 worden de resultaten weergegeven. 3URHI

).:6

).:6

geen natmaker

2

6

hittestabiele natmaker

<1

2

niet-hittestabiele natmaker

2

6

isopropanol als natmaker

2

6

niet-hittestabiele natmaker+F-KWS+extender

4

7

geen natmaker + Corona: tweezijdig, 3 kW 2 Tabel 3: Resultaten uitvoering Oil test op de verschillende stalen

6

Opmerking ‘<1’ wil zeggen dat AATCC-graad 1 niet wordt behaald. 9DVWVWHOOLQJHQ Een niet-hittestabiele natmaker en isopropanol hebben geen nadelige invloed op de oleofobering. De niet-hittestabiele natmaker wordt immers afgebroken tijdens het droog- en fixatieproces. Isopropanol daarentegen vervluchtigt bij deze hittebehandelingen en kan dus niet negatief gaan werken. Er mag echter niet vergeten worden dat beide natmakers nog steeds moeten toegepast worden (dus een kost). Isopropanol verdampen leidt tot dan weer tot vluchtige organische componenten, wat ecologisch gezien niet interessant is. Een hittestabiele natmaker veroorzaakt een duidelijke verslechtering van het oleofoob karakter. In dit geval is het interessant de natmaker te elimineren. Een mogelijkheid wordt geboden door het textielmateriaal een Corona behandeling te geven. Hierdoor stijgt de hydrofiliteit sterk waardoor een natmaker bij het foularderen overbodig wordt. Stijgende hydrofiliteit conflicteert echter met oleofobe effecten. Uit tabel 3 is evenwel af te leiden dat een bestraling niet leidt tot een daling van de oleofobie. Dat is aannemelijk aangezien de fluorcarbons

werken aan het oppervlak van het substraat, waar zij de door Corona ingebouwde hydrofiele groepen ‘maskeren’ . Bovendien is de stijging van de hydrofiliteit van zo’ n bestraling slechts tijdelijk. Bestralen dient zich dus aan als een volwaardig alternatief voor het gebruik van een natmaker. &RURQDEHKDQGHOLQJWHURQGHUVWHXQLQJYDQFRDWLQJHQODPLQHHUSURFHVVHQ  6LWXHULQJ Er wordt steeds meer gebruik gemaakt van allerlei nieuwe polymeren. Deze polymeren hebben vaak een gebrek aan polaire groepen en beschikken dan ook over een navenante lage oppervlaktespanning. Dat levert onvermijdelijk problemen op bij de hechting van de klassieke coatings op deze substraten. Bovendien kunnen allerlei al of niet gemigreerde additieven en contaminanten beperkend optreden: smeermiddelen, spinensimages, anti-oxidantia, vetten en wassen,... Bekende voorbeelden zijn de polyolefines (polyetheen en polypropeen). Deze interessante (want goedkope) polymeren hebben een uitgesproken apolair karakter door het ontbreken van hydrofiele groepen. Zonder specifieke behandeling zijn deze materialen moeilijk of zelfs helemaal niet te coaten. Een elegante manier om ze een goed adhesievermogen te bezorgen is het toepassen van een plasmabehandeling. Momenteel zijn atmosferische plasmatechnieken state-of-the-art in de plasticindustrie. Corona’ s worden er veelvuldig ingezet om polymeren bedrukbaar, verlijmbaar, lakbaar,... te maken. De link met textielproducten is snel gemaakt. Het gaat hierbij immers om dezelfde polymeren, zij het in vezel-, filament- of weefselvorm. Deze andere verschijningsvorm heeft als voordeel dat het specifiek oppervlak véél groter is in vergelijking met plastic filmen. Het textielpolymeer kan dus optimaal interageren met het topochemisch werkende plasma. Daarnaast is het een belangrijke vaststelling dat hechting zich afspeelt op het oppervlak van het textielmateriaal. Plasma behandelingen zijn uitstekende voorbehandelingen voor een daaropvolgend coatingproces, en dit om verschillende redenen: Er gebeurt een inbouw van hydrofiele groepen aan het oppervlak bij plasma behandeling. Deze IXQFWLRQDOLVHULQJ speelt in op de fysico-chemische adhesie tussen coating en substraat. Er gebeurt een HWVLQJ op micro- of zelfs nanoschaal van het behandelde substraat. De etsing ontstaat doordat het inwerkende plasma polymeerketens aan het oppervlak doorbreekt, waardoor ze loskomen van het substraat. Deze etsing is anisotroop, dus onregelmatig. Belangrijk is dat enkel het oppervlak wordt geëtst, de bulkeigenschappen blijven in principe ongewijzigd. In figuur 2 wordt een geëtst oppervlak van een PP-vezel voorgesteld. De etsing bevordert vooral de mechanische adhesie: er ontstaan extra hechtingspunten, of nog het contactoppervlak coating-substraat stijgt sterk.

Figuur 2: Etsing van polypropyleen voor (links) en na (rechts) een atmosferische plasmabehandeling

Door plasma behandeling gebeurt er een RSSHUYODNWHUHLQLJLQJ. Voor adhesie belemmerende stoffen zoals spinensimages, smeermiddelen, anti-oxidantie,... worden selectief geëlimineerd. Door een plasma voorbehandeling stijgt de bevochtigingbaarheid van het substraat. &RDWLQJVGULQJHQELMJHYROJGLHSHUGRRULQKHWVXEVWUDDW en hechten er dus beter mee.  3RVLWLHYHLQYORHGYDQ&RURQDRSDGKHVLHNDUDNWHULVWLHNHQ Wanneer polyethyleen of polypropyleen weefsels worden gecoat, treedt er vaak een onvoldoende hechting op tussen coating en substraat. Dat wordt vooral veroorzaakt door de apolaire natuur van deze materialen. Nog aanwezige spin finishes kunnen ook beperkend optreden. Daarbij komt dat de aangebrachte coatings niet optimaal te fixeren zijn aangezien PE en PP niet thermostabiel zijn bij hogere temperaturen. Bovendien beschikt niet iedereen in de industrie over een voldoend lange fixeerlijn, waardoor de aangebrachte coatings dan te kortstondig worden gecured. In deze studie is industrieel uitgetest of een Corona voorbehandeling de adheerbaarheid van polyacrylaat en polyurethaan coatings op ruw PEweefsel kan bewerkstelligen. Omwille van de hierboven aangehaalde redenen is de hechting van deze coatings zonder voorbehandeling ruim onvoldoende. Door echter een Corona voorbehandeling toe te passen op het PE-weefsel stijgt de adheerbaarheid markant. Bij het uitvoeren van genormaliseerde afpeltesten (DIN 54 310: Trennung von fixiertem Einlagestoff vom Oberstoff) wordt bijvoorbeeld vastgesteld dat de gemiddelde afpelkracht verhoogt van 3,872 N tot 35,431 N, in het geval van een PUR-coating. En dat enkel door een eenvoudige Corona voorbehandeling. Atmosferische plasma behandelingen zijn niet alleen interessant voor coatingprocessen. Ook in het geval van lamineren zijn er mogelijkheden. De hieronder beschreven test bevestigt dat laminaten beter te hechten zijn op substraten door een voorafgaandelijke Coronisatie. In deze test wordt een PE-folie via een acrylaatlijm verlijmd op een PP-weefsel. De invloed van een &RURQDWUHDWPHQW wordt nagegaan door afwissend het PP-weefsel, de PE-folie of beide materialen te coroniseren. De positieve impact op de adhesie van de folie op het weefsel is aangetoond door afpeltesten uit te voeren. De resultaten worden voorgesteld in onderstaande tabel. VWDDO

JHPDISHONUDFKW

blanco = geen Corona 0,903N enkel Corona op PP-weefsel 4,236 N enkel Corona op PE-folie 3,479 N Corona op PP-weefsel en op PE-folie 6,327 N Tabel 4: Afpeltesten bij lamineren van PE-folie op PP-weefsel

Uit tabel 4 is af te leiden dat Corona behandelingen op de folie of op het weefsel de adhesie ten goede komen. Het beste resultaat wordt dan ook bekomen wanneer zowel de folie als het weefsel gecoroniseerd worden. Door creatief om te springen met de bestaande plasmasystemen kunnen adhesiekarakteristieken merkelijk verbeteren. Zo bestaat er de mogelijkheid om een aantal plasma toortsen naast elkaar te installeren. Deze toortsen kunnen intermittent toegepast worden op substraten als een soort voorbehandeling voor een daaropvolgend coating- of lamineerproces. Hiermee wordt beoogd sterke plaatselijke verankeringspunten in te bouwen voor de coating of het laminaat. Dit systeem fungeert dan als een soort extra puntcoating binnen een bestaande hechtingsstructuur.

3ODVPDWRRUWV +HWFRQFHSWSODVPDWRRUWV In het geval van de plasma toorts worden een generator, een hoogspanningstransformator en een sproeikop gebruikt. De ontlading gebeurt in de sproeikop en het hierbij gecreëerde plasma wordt via perslucht naar buiten gevoerd. Door de sproeikop te laten roteren wordt een effectieve behandelingsbreedte van 3 cm bekomen. Door twee dergelijke koppen op een roterende schijf te plaatsen kan de behandelingsbreedte opgedreven worden tot een tiental cm. Een aantal van die schijven naast elkaar plaatsen maakt plasmabehandeling op industriële breedtes mogelijk De plasma toorts is een compact en eenvoudig te manipuleren toestel, waarbij voor een goede werking drie zaken vereist zijn: een aansluiting op netspanning (230 V), perslucht (4 bar) en een afzuiging. Door zijn karakteristieken is het toestel eenvoudig in bestaande in line systemen te integreren. De plasma behandeling met een bepaalde toorts gebeurt bij een snelheid van 6 tot 120 m/min. De toegepaste snelheid hangt af van de afstand tot en de dikte van het substraat. De afstand tot het substraat kan 1 tot 4 cm bedragen, maar ligt meestal tussen 1 en 2 cm. Bij gebruik van een batterij roterende toortsen kan tot een breedte van 2 meter gewerkt worden, bij een snelheid van 50 m/min.

7RHSDVVLQJVPRJHOLMNKHGHQYDQSODVPDWRRUWVRSWH[WLHO ,QOHLGLQJ De plasma toortstechnologie wordt momenteel toegepast op glas, rubber, plasics, keramiek, composieten en metaal. Er kunnen driedimensionale vormen behandeld worden, aangezien het plasma ook in ruimtes kan binnendringen. Vaak wordt een toortsbehandeling uitgevoerd als een soort voorbehandeling voor een daaropvolgend kleef- of lakproces, dat ter verbetering van de adhesie. De belangrijkste effecten bij een toortsbehandeling zijn immers stijging van de hydrofiliteit door inbouw van polaire groepen aan het oppervlak, een reiniging én etsing op microschaal van dat oppervlak. Materialen zoals plastics, rubbers en stalen platen kennen een vlak en regelmatig oppervlak. Toortsbehandeling op deze materialen leidt dan ook in normale omstandigheden niet tot aantasting. Toortsbehandeling op textiel daarentegen is een delicater gegeven. Textiel kent immers een onregelmatige textuur en hoogteverschillen, wat leidt tot een groot specifiek oppervlak. Dit grote specifiek oppervlak in combinatie met het krachtige en energetische plasma opgewekt via de toorts leidt veel sneller tot beschadiging. Inderdaad, een onaangepaste toortsbehandeling op bijvoorbeeld polyesterweefsel leidt direct tot degradatie. In een eerste fase relaxeren de PES-filamenten. Bij een verdere aantasting zijn microscopisch al smeltdruppels waarneembaar. Een eenvoudige evaluatietechniek om eventuele vezelaantasting na te gaan is het uitvoeren van een kortstondige discontinue verving met dispersie kleurstoffen. De gerelaxeerde en gesmolten filamentdeeltjes nemen immers reeds bij lage verftemperaturen (90°C) veel kleurstof op i.t.t. niet aangetaste filamenten. In figuur 3 wordt een microscopisch beeld weergegeven van een kortstondig geverfd PES-staal, dat door een voorafgaandelijke toortsbehandeling aangetast is. De gezwollen filamenten verven samen met de smeltdruppels diep rood aan. De onderliggende filamenten vertonen geen aanverving, wat erop wijst dat ze niet beschadigd zijn. Hieruit valt af te leiden dat de tussenafstand toortssubstraat bij toortsbehandeling op polyesterweefsel een kritische parameter is.

Figuur 3: Microscopisch beeld van een beschadigd PES-weefsel na toortsbehandeling én kortstondige verving

De hierboven beschreven proef wijst op de nood aan een adequate instelling van de procescondities (snelheid substraat, afstand toorts – textiel, toegepast vermogen) bij toepassing van een plasma toorts op textielmaterialen. 6WLMJLQJYDQGHK\GURILOLWHLWVWDELOLWHLWYDQKHWHIIHFW Door een passende toortsbehandeling (d.i. geen degradatie) toe te passen wordt textiel gemodificeerd op een manier die goed vergelijkbaar is met een Corona behandeling. Vooreerst gebeurt er een inbouw van hydrofiele groepen, waardoor de hydrofiliteit en de adheerbaarheid van de behandelde substraten sterk stijgen. Daarnaast wordt het oppervlak van het materiaal geëtst en gereinigd. Om de stijging van de hydrofiliteit na te gaan samen met de permanentie ervan zijn volgende proeven uitgevoerd. Op voorbehandeld polyester en polyamide weefsel zijn standaard toortsbehandelingen uitgevoerd. De hydrofiliteit van de bestraalde stalen is gekwantificeerd door bepaling van de tijd t benodigd voor opname van een standaard kleurstofdruppel. Deze bepaling is op geijkte tijdstippen gebeurd: direct na de bestraling, na 0,5 h, na 3 h, na 1 dag, na 3 dagen, na 2 weken én na 1 maand. In de tussentijd worden de bestraalde stalen blootgesteld aan een normaalatmosfeer. Parallelle testen worden uitgevoerd op gecoroniseerde samples. In figuren 4 en 5 worden de resultaten grafisch weergegeven.

6WDELOLWHLWSODVPDHIIHFWRS3(6ZHHIVHO

WLMGRSQDPH NOHXUVWRIGUXSSHOLQ PLQXWHQ

     

GLUHFW

QD K

QDK

QD GDJ

QD QD QD GDJHQ ZHNHQ PDDQG

WLMGVWLSEHSDOLQJK\GURILOLWHLWQDEHVWUDOLQJ WRRUWVVWDQGDDUG &RURQD

WRRUWVVWDQGDDUG JHHQSODVPD

Figuur 4: Stabiliteit plasma-effect op PES-weefsel

WLMGRSQDPHNOHXUVWRIGUXSSHO LQPLQXWHQ

6WDELOLWHLWSODVPDHIIHFWRS3$ZHHIVHO     

  

GLUHFW

QD K

QDK

QD GDJ

QD GDJHQ

WLMGVWLSEHSDOLQJK\GURILOLWHLW

WRRUWVVWDQGDDUG &RURQD

QD ZHNHQ

QD PDDQG

WRRUWVVWDQGDDUG JHHQSODVPD

Figuur 5: Stabiliteit plasma-effect op PA-weefsel

9DVWVWHOOLQJHQ Zowel een toorts- als een Corona behandeling leiden tot een stijging van de hydrofiliteit van het polyester weefsel. Dat wordt vooral veroorzaakt door de inbouw van hydrofiele groepen aan het oppervlak. Het effect is echter van tijdelijke aard. Door een bestraald substraat in een normaalatmosfeer te brengen ontstaat er een geleidelijke ompoling

van de ingebouwde topochemische polaire groepen in de polymeermatrix. De omgevingslucht is immers een lage energiemedium. Een andere invloedsfactor is de migratie van vezeladditieven naar het oppervlak, waar ze het plasma-effect als het ware gaan maskeren. Het gevolg is dat er een langzame daling ontstaat van het geïnduceerde hydrofiele effect. Na een maand is het verschijnsel zo goed als verdwenen. Voor continue toepassingen is deze vaststelling minder relevant. Bij discontinue applicaties kunnen er evenwel belangrijke distorties optreden. Het afnemend hydrofiel effect hoeft echter niet altijd beperkend te zijn. Bij toepassingen zoals foularderen krijgt het materiaal niet de tijd om zich opnieuw aan te passen. Bij bijvoorbeeld discontinue verfprocessen is dat wél het geval. De ‘omgeklapte’ hydrofiele groepen krijgen in het hoge energiemedium water immers de tijd om zich opnieuw naar buiten te richten, zodat ze hun positieve werking opnieuw kunnen uitoefenen. Voor bestralingen van het polyamide weefsel kunnen dezelfde opmerkingen gemaakt worden als voor het polyester weefsel. De vermindering van de hydrofiliteit is bij het geteste PA-weefsel evenwel minder uitgesproken. Dat bevestigt het vermoeden dat de permanentie van het plasma-effect nauw samenhangt met het substraattype en zijn karakteristieken. Een permanente stijging van de hydrofiliteit creëren via (atmosferische) plasmatechnieken is een interessante optie. Denken we bijvoorbeeld aan de verbetering van het zweettransport en het was- en droogvermogen. Via de Corona of de plasma toorts is permanentie niet of moeilijk haalbaar. De SODVPDWRUFK levert wel een sterk energetisch plasma dat de potentie heeft blijvende hydrofiele effecten te creëren. Op textiel ligt dat echter moeilijk aangezien de bijhorende applicatie met de plasma toorts het textiel in vele gevallen zal beschadigen. Op substraten zoals rubber en metaal valt deze limitatie wel weg. Een mogelijke oplossing om de daling van de hydrofiliteit tegen te gaan is de door plasma ingebouwde groepen verhinderen om om te polen door ze vast te zetten aan het oppervlak. Concreet kan dat misschien worden bewerkstelligd door een WASKO-behandeling (Corona + aërosol) met tensides. 7RRUWVEHKDQGHOLQJHQJHwQWHJUHHUGELQQHQYHUISURFHVVHQ Er zijn een aantal oriënterende proeven gebeurd betreffende de implementatie van de plasma toorts in discontinue verfprocessen. Zo zijn er standaard toortsbehandelingen uitgevoerd op klassieke polyester en polyamide weefsels en op hun equivalent in microweefselvorm evenals op ecru en voorbehandelde katoenweefsels. Niettegenstaande er door deze behandeling een stijging van de hydrofiliteit en een verruwing van het oppervlak ontstaan, blijft het discontinu verfgedrag ongewijzigd; en dat zowel naar verfsnelheid, verfrendement, egaliteit en doorverving toe. Om een maximale inwerking te hebben van het plasma zijn er ook toortsbehandelingen uitgevoerd op polyester-, polyamide- en katoengarens. Het verfgedrag wijzigt evenwel opnieuw niet. 9HUZLMGHULQJYDQVSLQHQVLPDJHVGRRUSODVPDEHKDQGHOLQJHQ Het voorbehandelen van polyamide en polyester weefsels is gewoonlijk beperkt tot het verwijderen van spinensimages en/of sterkmiddelen (in water oplosbare polyesters of polyacrylaten). Momenteel gebeurt dat door een wasproces. In dit onderzoek is er nagegaan of deze voorbehandeling geheel of gedeeltelijk kan vervangen worden door een atmosferische plasma behandeling. Indien dat mogelijk is, kan dat leiden tot een besparing van water (wasproces elimineren), energie (drogen na wasproces) en chemicaliën (wasmiddelen).

Economische en ecologische voordelen dienen zich dan aan. Spinensimages zorgen nu vaak voor problemen in allerlei processen. Zo kunnen spin finishes (of de restanten ervan) aanleiding geven tot ongewenste dampen bij thermische processen (drogen, fixeren, textureren) of kunnen ze ingebakken worden. Daarnaast kunnen spinensimages limiterend optreden bij verfprocessen: anorganische substanties kunnen bevochtigingsproblemen veroorzaken of kunnen bovendrijven in bijvoorbeeld foulardbaden. Door hun apolair karakter kunnen spinensimages ook leiden tot hechtingsproblemen bij coating- of lamineerprocessen. De elimineerbaarheid van spin finishes wordt nagegaan door ecru polyester weefsel te bestralen met de Corona of de plasma toorts. Door extracties met petroleumether 40 – 60 C wordt de verwijderde hoeveelheid spinensimages bepaald. Daarnaast worden er ook extracties met methanol (polair solvent) uitgevoerd om de oxidatie van de spinensimages te onderzoeken. In onderstaande figuur worden de resultaten weergegeven. 9HUZLMGHULQJYDQVSLQHQVLPDJHVGRRUDWPRVIHULVFKSODVPD


  
  
   
 
  
  
   
   
        !  #"$  %   &         -   & -. "$

1  .2!3$ -4  '()* 

56""-.  '(),+ 

 " "# 47 & -. 8 -$  . 1 '(),+ 

'()-' 

'() / 

'()-0 

Figuur 6: Verwijdering van spinensimages door atmosferisch plasma

9DVWVWHOOLQJHQ Zowel bij Corona als de plasma toorts gebeurt er een zekere verwijdering van de spinensimages. Het inwerkende plasma kan immers organische polymeren degraderen tot CO2, CO en water. De verwijdering is echter zo beperkt dat ze verwaarloosbaar is. Door extracties uit te voeren met methanol worden iets grotere hoeveelheden geëxtraheerd na plasma behandeling. Dat wijst erop dat door de uitgevoerde plasma behandelingen een zekere oxidatie van de spinensimages heeft plaatsgevonden. Deze oxidatie samen genomen met de minimale verwijdering van de spinensimages zal niettemin leiden tot een beter bevochtigbaar substraat. Wasprocessen voor de verwijdering van de ensimages kunnen daardoor theoretisch ingekort worden. De (te) beperkte verwijdering van spinensimages door atmosferische plasma behandelingen kan verklaard worden door een aantal redenen. Zo bestaat er vermoedelijk een

‘bereikbaarheidsprobleem’ tussen het opgewekte plasma en de spin finishes. Niettegenstaande het topochemisch werkende plasma min of meer fungeert als een gas kan het immers niet altijd optimaal interageren met spinensimages, die zich niet noodzakelijk op het oppervlak van het substraat bevinden. Spin finishes zijn doorgaans een heterogene samenstelling van organische verbindingen: vetzuren, vetzure esters, polyethers,… Plasma’ s zijn nu wel in staat polymeerkettingen te doorbreken, indien ze bereikbaar zijn voor het plasma én indien de ketenlengte van deze polymeren beperkt blijft. Verwijdering van spin finishes door plasma steunt immers op degradatie van deze finishes tot vluchtige degradatieproducten. De huidig gebruikte spin finish formulaties voldoen echter meestal niet aan deze voorwaarde. Dat er niettemin mogelijkheden zijn wordt bevestigd door onderstaande proef. Hierbij wordt op voorbehandeld katoen ongeveer 5% vetzuur gefoulardeerd. Nadien worden atmosferische plasma behandelingen toegepast. Via extracties met petroleumether 40 – 60 °C wordt de verwijderde hoeveelheid vetzuur bepaald. De resultaten worden voorgesteld in tabel 5. 6WDDO

katoen: gefoulardeerd met vetzuur katoen: gefoulardeerd met vetzuur; nadien: Corona katoen: gefoulardeerd met vetzuur; nadien: plasma toorts Tabel 5: Vetzuurpercentages voor en na bestralen

YHW]XXU 4,90% 2,97% 3,55%

Uit tabel 5 is af te leiden dat via een atmosferisch plasma een organische verbinding als vetzuur wel degelijk te verwijderen is. Bij een Corona behandeling is zelfs ongeveer de helft van het aangebrachte vetzuur elimineerbaar. Deze proef bevestigt twee hypotheses. Vooreerst zijn via atmosferisch plasma organische verbindingen te verwijderen, indien de ketenlengte beperkt is. Daarnaast moet de organische verbinding goed bereikbaar zijn voor het plasma (bij foularderen wordt het vetzuur vooral oppervlakkig aangebracht).

:$6.2&RURQDPLQLPDOHDGGRQ  Bij het WASKO-toestel is het mogelijk onmiddellijk na de Corona-activatie van het substraat een injectie uit te voeren van chemicaliën in aërosolvorm of van gassen. Indien er gewerkt wordt met aërosolen zijn er twee belangrijke aandachtspunten. Eerst en vooral moet het toe te passen chemicalie aërosoleerbaar zijn. Daarnaast is het belangrijk in te zien dat er slechts een zeer minieme hoeveelheid product wordt aangebracht. Het gaat als het ware om een tweede generatie van een minimale add on-techniek. In combinatie met een Coronaactivatie kan een minimale hoeveelheid product echter meetbare effecten opleveren. De bedoeling is enerzijds het toestel te integreren in bestaande textielprocessen als een soort procesondersteuning. Hierdoor wordt het klassiek toegepaste proces vereenvoudigd door kortere behandelingstijden, lagere temperaturen, minder vlot,… Verschillende invalshoeken zijn hierbij mogelijk. Zo kan een WASKO-behandeling geïntegreerd worden binnen de klassiek toegepaste voorbehandelingsstappen (ontsterken, afkoken, bleken, wasprocessen) of veredelingsprocessen. Anderzijds kan het WASKO-toestel gebruikt worden om bestaande of nieuwsoortige effecten op textielsubstraten te introduceren. Ruime mogelijkheden bieden zich aan. Er wordt o.a. gedacht aan hydro- en oleofobe eigenschappen, brandwerendheid, barrièrevorming, antistatische behandelingen, adhesiepromotoren,… Vooralsnog blijft deze nieuwsoortige techniek een black box, die zijn geheimen nog moet prijsgeven.

'DQNZRRUG Het project “Plasma: vierde aggregatietoestand voor het ‘droog’ en ‘proper’ voorbehandelen en veredelen van textiel” is een project verricht met de steun van het Vlaamse Gewest – IWT.