磁控濺射鍍膜錦綸織物結(jié)合牢度的研究

王國軒，郭興峰，肖 惠

（天津工業(yè)大學(xué) 紡織學(xué)院，天津 300160）

磁控濺射鍍膜錦綸織物結(jié)合牢度的研究

王國軒，郭興峰，肖 惠

（天津工業(yè)大學(xué) 紡織學(xué)院，天津 300160）

采用磁控濺射技術(shù)，以鈦金屬為靶材，錦綸織物為基材，制備了鍍鈦錦綸長絲織物.通過觀測鍍膜織物的表面形貌發(fā)現(xiàn)：鍍膜僅覆蓋在織物表面的纖維上，呈非連續(xù)分布狀態(tài)，而經(jīng)緯紗線間原有的空隙依然保留；受經(jīng)緯紗交織點的影響，鍍膜在經(jīng)紗或緯紗呈交替分布.采用膠粘帶法剝離鍍膜，發(fā)現(xiàn)當(dāng)剝離強(qiáng)度達(dá)到3.4～4.3 N/m時，依然沒有薄膜脫落，說明鍍膜與織物間具有較好的結(jié)合牢度.采用摩擦法測量鍍膜的耐磨性，發(fā)現(xiàn)隨濺射時間的增加，鍍膜所能承受的耐磨次數(shù)增加，當(dāng)鍍膜時間為220 s時，其耐磨次數(shù)可達(dá)9 200次.

磁控濺射；錦綸織物；金屬化織物；表面形貌；耐磨性

在紡織材料表面沉積納米級金屬薄膜，可使其獲得各種新的功能，擴(kuò)大紡織品的應(yīng)用范圍，如用于纖維太陽能電池、屏蔽電磁波、纖維傳感器和抗菌紡織面料等方面[1－2].在紡織材料表面鍍膜的方法主要有化學(xué)鍍層法、真空蒸鍍法、磁控濺射鍍法等.化學(xué)鍍層法[3－5]應(yīng)用廣泛，但鍍液的穩(wěn)定性、鍍膜過程中的環(huán)境污染以及織物的耐服用性和耐水洗性等還需要作較大的改善.真空蒸鍍法[6]的設(shè)備和工藝簡單、薄膜純凈，但薄膜與基材附著性差.磁控濺射鍍膜法[6－9]是一種高效的薄膜沉積工藝，具有濺射率高、基材溫度低、膜基結(jié)合力好、裝置性能穩(wěn)定、操作控制方便、無環(huán)境污染等優(yōu)勢，可以在基材表面鍍制單層或多層功能性薄膜，以實現(xiàn)材料的表面改性和功能化.由于鈦金屬具有優(yōu)良的生物相容性[10－12]，本文以鈦金屬為靶材，以錦綸長絲織物為基材，采用磁控濺射工藝制備鈦金屬化的錦綸織物，然后研究織物的結(jié)構(gòu)及鈦膜與織物的結(jié)合牢度.

1 試驗部分

1.1 實驗材料與儀器

實驗材料：錦綸長絲織物，6.7 tex×6.7 tex，380根/10cm×280根/10cm，平紋組織，將其裁剪成20cm×20 cm的方形試樣備用；濺射用鈦靶材，純度99.99%；真空室氬氣，純度為99.999%；市售醫(yī)用膠布、塑料膠粘帶、3M600膠帶和漢高百得強(qiáng)力萬用膠布若干.

實驗儀器：JPGF-450I型磁控濺射鍍膜機(jī)，配有射頻和直流電源，北京北儀創(chuàng)新真空技術(shù)有限責(zé)任公司生產(chǎn)；XTS-30體視顯微鏡，北京泰克儀器有限公司生產(chǎn)；YG034/BQ3型剝離強(qiáng)度儀，天津紡織工學(xué)院（現(xiàn)天津工業(yè)大學(xué)）生產(chǎn)；YG（B）401型織物平磨儀，安徽省江南機(jī)械廠生產(chǎn).

1.2 鈦金屬化錦綸織物的制備

采用的磁控濺射鍍膜方法如圖1所示.在真空室內(nèi)，鈦金屬靶材固定于圓靶的下部，錦綸織物固定在工件臺上，處于金屬靶材的正下方，靶材與織物的間距為60 mm.靶材與織物之間的擋板，起著隔離靶材與織物的作用，以防止在濺射實驗的準(zhǔn)備和結(jié)束階段，額外的鈦原子沉積在織物上；在濺射階段，擋板可以移開，對金屬在織物上的沉積沒有任何阻礙.

鍍膜時，真空室內(nèi)充入一定工作壓力的氬氣，氬氣原子被高壓電場電離成高能離子，然后氬離子在電場的作用下加速，與靶材表面相撞擊，靶材表面的原子因吸收氬離子的動能而脫離原來的晶格束縛，逸出靶材表面飛向織物，最終沉積在織物的表面形成薄膜.通過控制濺射時間、濺射功率等工藝參數(shù)，可以控制鍍膜厚度的大小.工件臺在鍍膜過程中旋轉(zhuǎn)，以使在織物上沉積的金屬膜分布均勻.

在上述的鍍膜方法中，鈦金屬僅沉積在面向靶材的織物表面，是單面鈦金屬化的織物，而織物另一面沒有鍍膜.將該織物翻轉(zhuǎn)后固定在工件臺上再次鍍膜，就可以獲得織物兩面都有鍍膜的鈦金屬化織物.

本研究中只是制備單面鈦金屬化織物，并就鍍膜織物性能進(jìn)行測試、分析.其操作步驟如下：將織物固定于工件臺上，首先抽真空，使真空室內(nèi)的壓力降至本底真空度2.0×10-3Pa，再充入氬氣，然后調(diào)節(jié)氬氣壓強(qiáng)和濺射功率開始鍍膜，直至設(shè)定的濺射時間，完成一個樣品的制備.

1.3 膜基結(jié)合性能測試

膜層與基材的結(jié)合牢度（或者稱膜層對基材的附著性），是衡量鍍膜織物質(zhì)量的一個關(guān)鍵因素，它影響鍍膜織物的使用壽命.由于目前還沒有評價鍍膜與織物結(jié)合牢度的標(biāo)準(zhǔn)，下面通過剝離和摩擦2種方法，探討鈦金屬鍍膜與錦綸織物的結(jié)合性能.

1.3.1 剝離性能測試

依據(jù)FZ/T 01010-1991《涂層織物涂層粘附強(qiáng)度測定方法》，利用YG034/BQ3型剝離強(qiáng)度儀測試鍍膜織物的剝離性能.

測試時，設(shè)定剝離速度為（100±10）mm/min，回程速度為270 mm/min，剝離長度100 mm，當(dāng)剝離到濺射中心區(qū)域時記錄強(qiáng)度的數(shù)值，每個試樣記錄40個數(shù)值，然后求平均.

1.3.2 摩擦性能測試

依據(jù)國家標(biāo)準(zhǔn)GB/T21196-1-2007《紡織品馬丁代爾織物耐磨性的測定》，采用平紋組織的純毛織物（190根/10 cm×120根/10 cm，195 g/m2）做磨料，在 YG（B）401型織物平磨儀上對鍍膜織物進(jìn)行摩擦實驗.

2 結(jié)果與討論

2.1 鈦金屬化織物的結(jié)構(gòu)

圖 2（a）、（b）分別是鍍膜前、后織物的顯微鏡觀測照片.

從圖2中可以發(fā)現(xiàn)，鍍膜前的織物為白色，有一定光澤；鍍膜后表面顏色變暗，具有金屬光澤.鍍膜僅覆蓋在織物表面的纖維上，呈非均勻分布狀態(tài)，經(jīng)緯紗線間原有的空隙依然存在.因磁控濺射鍍膜在織物表面沉積的鍍膜很薄，為納米級，所以鍍膜后經(jīng)、緯紗束絲中的單絲清晰可辨，甚至絲與絲之間的溝痕也依然存在.

鈦金屬為銀白色，而鍍膜織物的表面呈暗黑色，這是由于鍍膜的織物從真空室取出后與空氣接觸，部分鈦膜粒子發(fā)生了氧化反應(yīng).根據(jù)有關(guān)資料報道[13－14]，二氧化鈦的抗菌性能優(yōu)良，因此鈦金屬鍍膜織物具有天然的抗菌性能，有利于其在醫(yī)療衛(wèi)生領(lǐng)域的應(yīng)用.

圖3是從鍍膜織物中拆出的緯紗顯微照片，經(jīng)紗也有類似的外觀.

圖3中黑色的區(qū)域是被鈦金屬膜覆蓋的結(jié)果，而白色的區(qū)域沒有被鍍膜覆蓋.造成這種鍍膜段與非鍍膜段交替出現(xiàn)的原因在于，磁控濺射只能在織物表面沉積金屬膜，在經(jīng)、緯紗的交織點，鍍膜僅能覆蓋在表層的紗線上，而底層的紗線沒有被鍍膜覆蓋.這種未被鍍膜區(qū)域的存在，必將影響織物改性的效果.

2.2 鍍膜與織物的剝離性能

實驗時，將膠粘帶牢固地粘貼在鍍膜織物的表面，然后再將膠粘帶從織物上剝離，實驗方法如圖4所示.測量將兩者分離所需剝離強(qiáng)力F的大小，并觀察織物上鍍膜脫落的情況.

設(shè)錦綸織物與鈦金屬膜之間的結(jié)合力為T，膠粘帶與鍍膜之間的結(jié)合力為T1，根據(jù)T與T1間大小的關(guān)系，可分為3種情況：①當(dāng)T遠(yuǎn)大于T1時，膠粘帶并不能把鍍膜從織物上剝離；②當(dāng)T遠(yuǎn)小于T1時，則鍍膜可以完全與織物分離，轉(zhuǎn)移到膠粘帶上；③而當(dāng)T與T1接近時，則鍍膜部分轉(zhuǎn)移到膠粘帶上，部分還保留在織物上.只有在后2種情況下，測量的鍍膜與織物的剝離載荷F，才反映了鍍膜與織物的結(jié)合牢度；而第一種情況，測試的是鍍膜與膠粘帶之間的剝離載荷，而鍍膜與織物的實際剝離載荷，要比測試的結(jié)果要大.可見，在選擇膠粘帶時，其與鍍膜的結(jié)合力應(yīng)盡量大.

采用上述方法測試了醫(yī)用膠布、塑料膠粘帶、3M600膠帶和漢高百得強(qiáng)力萬用膠布4種膠帶與鍍鈦膜錦綸織物的剝離強(qiáng)力.首先將膠帶粘貼在鍍膜織物表面，再施加147 N壓力達(dá)12 h，以使膠帶與鍍膜織物充分粘貼，然后在YG034/BQ3型剝離強(qiáng)度儀上以（100±10）mm/min的剝離速度，測試剝離力的大小.在這4種膠粘帶中，漢高膠粘帶的剝離強(qiáng)度最大，在3.4～4.3 N/cm之間.再觀察織物上的鍍膜，并沒有鍍膜從織物分離轉(zhuǎn)移到膠粘帶上，說明測試結(jié)果僅反映了鍍膜與膠粘帶之間的結(jié)合力，而鍍膜與織物間的結(jié)合力比鍍膜與膠粘帶間的更大.

2.3 鍍膜與織物的摩擦性能

測試6種錦綸鍍膜織物在鍍膜被磨損時的摩擦次數(shù)，結(jié)果如表1所示.制備6種鍍鈦織物的濺射功率、工作壓強(qiáng)均分別為400 W、0.5 Pa，但鍍膜時間不同.

表1 摩擦次數(shù)與鍍膜時間的關(guān)系Tab.1 Relationship between abrasion cycles and deposition time

與毛織物的硬度相比，顯然鈦金屬要大得多，因此毛織物與鈦金屬摩擦，受磨損的主要是毛織物.但將毛織物與鍍鈦織物相摩擦，并使鍍膜產(chǎn)生磨損，主要反映的是鍍膜與織物的結(jié)合性能.這是由于鍍膜很薄，僅為納米級，在毛織物反復(fù)摩擦、揉搓等機(jī)械作用下，鍍膜會從織物上破裂、脫落.因此，測試的摩擦次數(shù)反映了鍍膜與織物的結(jié)合牢度，摩擦次數(shù)越多，鍍膜與織物的結(jié)合牢度越大.

從表1可見，隨著鍍膜時間的增加，摩擦次數(shù)越大，這是因為鍍膜時間影響鍍膜的厚度，鍍膜時間越長，在織物上沉積的鈦金屬膜厚度越大，摩擦破壞時鍍膜越不容易產(chǎn)生破裂、脫落.

3 結(jié)論

（1）通過分析鍍鈦織物的細(xì)觀結(jié)構(gòu)，發(fā)現(xiàn)鈦金屬膜很薄且僅覆蓋在織物表面，紗線間的空隙依然存在，鈦膜在經(jīng)（緯）紗線上呈交替分布狀態(tài).

（2）鈦金屬膜與織物間的結(jié)合牢度較大，采用膠粘帶法剝離鍍膜，當(dāng)剝離強(qiáng)度達(dá)3.4～4.3 N/cm時，沒有鍍膜被剝離下來；隨鍍膜時間延長，鍍膜的耐磨次數(shù)增多，鍍膜時間延長至220 s時，耐磨次數(shù)9 200次.

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Study on film-substrate bonding fastness of Ti-metallic nylon fabrics prepared by magnetron sputtering technology

WANG Guo－xuan，GUO Xing－feng，XIAO Hui
（School of Textiles，Tianjin Polytechnic University，Tianjin 300160，China）

Because of the specific practical function of surface metallic fabrics，Ti－metallic nylon fabrics were prepared by magnetron sputtering technology.The surface morphology of film－deposited fabrics was observed，and the results show that Ti film is only deposited on fabrics′surface fibers in a discontionuous state，and blanks between yarns are remained.Under the influence of weaving points of warp and weft yarns，Ti film distribute alternately on yarns′surface.Ti film and fabrics have good bonding fastness as proved by adhesive tape peel－off method and when the peel－off intensity was up to 3.4－4.3 N/m，there was still no film apart from substrates.Ti film′s abrasion resistance was tested by rubbing method，and it is found that Ti film abrasion resistance improves with the increase of the sputtering time，when the sputtering time is 220 s，the abrasion cycles are up to 9 200.

magnetron sputtering；nylon fabrics；metallic fabrics；surface morphology；abrasion resistance

TS156；TQ153.3

A

1671－024X（2010）05－0046－03

2010－06－11 基金項目：天津市科技發(fā)展計劃項目（06YFJZJC14800）

王國軒（1985—），男，碩士研究生.

郭興峰（1964—），男，博士，教授，碩士生導(dǎo)師.E－mail：xfguo@tjpu.edu.cn