磁控濺射鍍膜錦綸織物的耐磨性研究

關(guān)曉宇，郭興峰，肖 惠

（1.天津工業(yè)大學(xué) 紡織學(xué)院，天津 300160；2.中國(guó)紡織信息中心，北京 100742）

磁控濺射鍍膜錦綸織物的耐磨性研究

關(guān)曉宇1，2，郭興峰1，肖 惠1

（1.天津工業(yè)大學(xué) 紡織學(xué)院，天津 300160；2.中國(guó)紡織信息中心，北京 100742）

以鈦金屬為靶材、以錦綸織物為基體，通過(guò)改變?yōu)R射時(shí)間，濺射功率和濺射氣壓，制備出鈦金屬鍍膜錦綸織物試樣，然后進(jìn)行摩擦試驗(yàn).采用掃描設(shè)備獲得了織物摩擦前后的圖像，利用軟件neoimaging測(cè)試織物組織點(diǎn)處的亮度，以相對(duì)亮度的變化反映鍍膜的磨損.研究表明：隨著濺射時(shí)間和濺射功率的增加，鍍膜的耐磨性提高；較為合適的濺射氣壓是0.5～3 Pa，濺射氣壓過(guò)高，耐磨性反而降低.

磁控濺射；錦綸織物；耐磨性；工藝參數(shù)

對(duì)紡織品表面進(jìn)行金屬化改性，可以賦予其許多新的特殊功能，如抗菌防臭、防紫外線、阻燃、電磁屏蔽、抗靜電等[1－2].在紡織品表面涂鍍金屬薄膜的方法主要有磁控濺射法、化學(xué)鍍法、蒸發(fā)沉積法和噴涂法等，利用磁控濺射技術(shù)在紡織品表面沉積的金屬薄膜，其薄膜的致密性好，與織物的結(jié)合力強(qiáng)，成膜均勻性好，且鍍膜過(guò)程不產(chǎn)生環(huán)境污染，因而受到國(guó)內(nèi)外學(xué)者的重視[3－5].采用磁控濺射技術(shù)在紡織品表面鍍金屬膜的研究，主要集中在薄膜的制備工藝、薄膜的形貌結(jié)構(gòu)和制備工藝對(duì)織物功能性的影響等方面[6－8].在鍍膜織物的應(yīng)用過(guò)程中，耐磨性是影響其性能的一項(xiàng)重要指標(biāo)，本文首先探索金屬化錦綸織物耐磨性的定量評(píng)價(jià)方法，然后研究磁控濺射工藝參數(shù)對(duì)耐磨性的影響，以便為鈦金屬化織物的合理制備提供依據(jù).

1 試驗(yàn)部分

1.1 鈦金屬鍍膜織物的制備

采用錦綸平紋織物為基材、鈦金屬（99.995%）為靶材，織物經(jīng)緯紗密度均為221根/5 cm，在JPGF－450I型磁控濺射鍍膜機(jī)上，織物試樣被固定在水冷旋轉(zhuǎn)工件盤上，以使濺射的金屬粒子能均勻分布在基材表面.實(shí)驗(yàn)中首先將濺射室抽至本底真空2.0×10－3Pa，然后充入高純度氬氣（99.99%）作濺射氣體，通過(guò)改變鍍膜工藝參數(shù)：鍍膜時(shí)間、濺射功率和工作壓強(qiáng)，制備了16種不同工藝條件下的鈦金屬鍍膜錦綸織物.

1.2 織物摩擦試驗(yàn)

將制備的鍍膜織物裁成直徑40 mm的圓試樣，固定在YG401型馬丁代爾耐磨儀，采用黑色純毛華達(dá)呢作磨料，在載荷為7.92 N條件下分別摩擦500次和1 600次，然后比較織物表面的形態(tài)變化，以分析磁控濺射工藝參數(shù)對(duì)鍍膜織物耐磨性的影響.

2 織物圖像的采集與處理

在標(biāo)準(zhǔn)“金屬化紡織品鍍層耐磨牢度的測(cè)定”[9]中，是采用試樣被磨損時(shí)的摩擦次數(shù)來(lái)反映耐磨性，但檢驗(yàn)試樣是否被磨損是定性的，且操作不方便.本文首先將織物表面形態(tài)轉(zhuǎn)換成圖像，然后利用軟件檢測(cè)摩擦前后的織物表面亮度，通過(guò)亮度的變化反映試樣的磨損情況.

2.1 織物圖像的采集

將摩擦前后的試樣由掃描儀進(jìn)行掃描，設(shè)定的分辨率為1 200 dpi，從而得到了織物的表面形態(tài)圖像.圖1所示為錦綸鈦鍍膜織物在摩擦前、摩擦500次和1 600次后，織物表面形貌的變化情況，鍍膜條件為濺射功率400 W、真空室氣壓0.5 Pa、濺射時(shí)間120 s（記為 400 W/0.5 Pa/120 s）.

由圖1（a）可見(jiàn)，織物表面經(jīng)緯組織點(diǎn)的黑白不同，在經(jīng)組織點(diǎn)的區(qū)域黑，而在緯組織點(diǎn)的區(qū)域較白.但實(shí)際織物表面的鍍膜非常均勻，并不存在黑白的變化，出現(xiàn)的原因是在掃描過(guò)程中，經(jīng)紗和緯紗對(duì)入射光線的反射程度不同，緯紗的反射光強(qiáng)而經(jīng)紗的反射光弱.若把織物旋轉(zhuǎn)90°重新掃描，則會(huì)出現(xiàn)緯組織點(diǎn)暗而經(jīng)組織點(diǎn)亮的情況.

隨著織物所受摩擦次數(shù)的增加，織物表面的鍍膜變薄甚至被磨透，圖1中的經(jīng)組織點(diǎn)逐漸變白、亮度增加，特別是在凸起位置的組織點(diǎn)處，因而通過(guò)組織點(diǎn)亮度的變化，能夠反映鍍膜磨損的變化.

2.2 織物表面亮度的測(cè)定與處理

在制圖軟件neoimaging中，純白圖片的亮度值為255，純黑圖片為0，利用該軟件對(duì)掃描的圖片進(jìn)行處理，測(cè)定一根經(jīng)紗方向上連續(xù)20個(gè)經(jīng)組織點(diǎn)的亮度值，然后計(jì)算其平均值.由于織物品種不同，其亮度也不相同，鍍膜前錦綸織物的平均亮度值為252.75、方差0.887 5，為了便于與其他鍍膜織物比較，采用了相對(duì)亮度R：

式中：T為測(cè)定織物的亮度；T0為原織物亮度.

3 工藝參數(shù)對(duì)鈦鍍膜織物耐磨性的影響

濺射時(shí)間、功率和工作壓力是影響鍍膜性能的工藝參數(shù)，對(duì)不同工藝參數(shù)下獲得的鍍膜織物，分別測(cè)試其摩擦前、摩擦500次和1 600次的亮度值，然后計(jì)算其相對(duì)亮度.

3.1 濺射時(shí)間對(duì)耐磨性的影響

圖2反映了錦綸鍍膜織物相對(duì)亮度隨鍍膜時(shí)間的變化情況.

從摩擦前的相對(duì)亮度變化曲線可以看出，隨著濺射時(shí)間的增加，織物金屬膜層逐漸變厚，相對(duì)亮度值逐漸變低，當(dāng)濺射時(shí)間超過(guò)80 s以后，相對(duì)亮度的變化已經(jīng)很小.

織物經(jīng)500次和1 600次摩擦后，仍然表現(xiàn)為濺射時(shí)間長(zhǎng)則相對(duì)亮度較低.觀察摩擦的鍍膜織物，在表面凸起的組織點(diǎn)處，鍍膜被首先磨損，但鍍膜并沒(méi)有與纖維脫落，而是變薄、甚至被磨透.摩擦1 600次的相對(duì)亮度普遍比摩擦500次的高，但在40 s和80 s時(shí)，二者差異較小，分別為2.4%和1.6%；而在120 s和160 s時(shí)，二者差異較大，分別為6.9%和9.2%；在200 s和220 s時(shí)，二者差異又較小，分別為3.8%和2.7%.原因在于40 s和80 s的鍍膜較薄，500次的摩擦已基本將組織點(diǎn)的鍍膜磨透，繼續(xù)摩擦只會(huì)使組織點(diǎn)的織物變薄，亮度略有上升；在120 s和160 s，500次的摩擦還沒(méi)有將鍍膜磨透，到1 600次時(shí)鍍膜已被磨透，使亮度上升較大；而在200 s和220 s時(shí)，1 600次摩擦還沒(méi)有磨透鍍膜，因而亮度差異不大.

3.2 濺射功率對(duì)耐磨性的影響

濺射功率對(duì)以錦綸為基體的鍍膜織物的影響如圖3所示.

隨著濺射功率的增加，使得濺射粒子束的能量提高，一方面薄膜沉積速率提高，鍍膜厚度增大；另一方面沉積時(shí)的溫度逐漸上升，提高了薄膜和錦綸基體的附著力和膜層致密度[10]，有利于鍍膜的耐磨性.

3.3 濺射氣壓對(duì)磁控濺射鍍膜織物耐磨性的影響

濺射氣壓對(duì)錦綸織物耐磨性的影響如圖4所示.從圖4可以看出，當(dāng)濺射氣壓為0.5～3 Pa時(shí)，鍍膜織物無(wú)論是摩擦前還是摩擦后，亮度值只是小幅波動(dòng)，而當(dāng)濺射氣壓達(dá)到5 Pa時(shí)，亮度值大幅.提高，鍍膜的耐磨性下降.這是由于過(guò)高的濺射氣壓，使濺射室內(nèi)的氬氣密度增大，濺射粒子與氬原子相互碰撞次數(shù)增多，降低了其本身的能量，結(jié)果導(dǎo)致薄膜的沉積速率減小[11].

4 結(jié)論

采用掃描設(shè)備將織物摩擦前后的表面形貌轉(zhuǎn)化為圖像，利用軟件neoimaging測(cè)試織物組織點(diǎn)處的亮度，以相對(duì)亮度的變化反映鍍膜的磨損.

在磁控濺射的工藝參數(shù)對(duì)錦綸織物鈦金屬鍍膜的耐磨性影響中，隨著濺射時(shí)間和濺射功率的增加，鍍膜的耐磨性提高；較為合適的濺射氣壓為0.5～3 Pa，濺射氣壓過(guò)高，耐磨性反而降低.

[1]DOWLING D P，DONNELLY K，MCCONNELL M L，et al.Deposition of anti－bacterial silver coatings on polymeric substrates[J].Thin Solid Films，2001，389－399：602－606.

[2]SCHOLZ J，NOCKE G，HOLLSTEIN F，et al.Investigations on fabrics coated with precious metals using the magnetron Sputter technique with regard to their anti－microbial properties[J].Surface and Coatings Technology，2005，192：252－256.

[3]AMOR S B，BAUD G，JACQUETM，et al.Photoprotective titania coatings on PET substrates[J].Surface and Coatings Technology，1998，102：63－72.

[4]CAI Y，HUANG F，WEI Q，et al.Surface functionalization，morphology and thermal properties of polyaminde6/O－MMT composite nanofibers by Fe2O3sputter coating[J].Applied Surface Science，2008，254：5501－5505.

[5]洪劍寒，王鴻博，魏取福，等.磁控濺射法制備納米Ag薄膜的 AFM 分析和導(dǎo)電性能[J].紡織學(xué)報(bào)，2006，27（9）：14－17.

[6]王鴻博，高衛(wèi)東，何艷麗，等.磁控濺射PET非織造基銀膜的微結(jié)構(gòu)及性能[J].紡織學(xué)報(bào)，2009，30（2）：29－33.

[7]WEI Q，XU Q，CAI Y，et al.Evaluation of the interfacial bonding between fibrous substrate and sputter coated copper[J].Surface&Coatings Technology，2008，202（19）：4673－4680.

[8]王國(guó)軒，郭興峰.預(yù)處理工藝對(duì)磁控濺射鍍膜織物膜基結(jié)合力的影響[J].天津工業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)，2010，29（4）：57－60.

[9]中國(guó)紡織工業(yè)協(xié)會(huì).FZ/T 60012－1993金屬化紡織品鍍層耐磨牢度的測(cè)定[S].北京：中國(guó)標(biāo)準(zhǔn)出版社，1993.

[10]何子博，陳顯春，蘇葆輝，等.聚碳酸酯鏡片上沉積類金剛石薄膜耐磨性的研究[J].表面技術(shù)，2006（2）：63－64，79.

[11]馬元遠(yuǎn)，王德苗，金 浩，等.工藝參數(shù)對(duì)磁控濺射金屬化薄膜性能的影響[J].真空，2008（4）：70－74.

Study on wear resistance of magnetron sputtering nylon fabric

GUAN Xiao－yu1，2，GUO Xing－feng1，XIAO Hui1
（1.School of Textiles，Tianjin Polytechnic University，Tianjin 300160，China；2.China Textile Information Center，Beijing 100742，China）

Basing on the titanium metal and nylon fabric，by changing the sputtering time，sputtering power and sputtering pressure，the specimen of nylon fabric coated with titanium can be

，and then the friction experiment is done.The images of the fabric before and after friction are obtained by scanning equipment，and then the software of neoimaging is applied to test the brightness of fabric neoimaging point in order to reflect the changes of the wear coating with the changes of relative brightness.It is shown that as the sputtering time and sputtering power increases，the wear resistance of coatings grows higher as a consequence；the more appropriate sputtering pressure is 0.5－3 Pa，when the sputtering pressure is too high，the wear resistance decreases.

magnetron sputtering；nylon fabric；wear resistance；parameters

TS156；TQ153.3

A

1671－024X（2010）05－0049－03

2010－06－28 基金項(xiàng)目：天津市科技發(fā)展計(jì)劃項(xiàng)目（06YFJZJC14800）

關(guān)曉宇（1987—），男，助理工程師.

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