磁控濺射工藝參數(shù)對滌綸織物結(jié)構(gòu)色出色效果的影響

葉麗華，杜文琴

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磁控濺射工藝參數(shù)對滌綸織物結(jié)構(gòu)色出色效果的影響

葉麗華，杜文琴

(五邑大學(xué) 廣東省高校功能性紡織品研究中心，廣東 江門 529020)

采用射頻磁控濺射法，在滌綸平紋白坯布上濺射、周期薄膜成功制備出了織物結(jié)構(gòu)色. 利用場發(fā)射掃描電鏡和超景深三維顯微鏡對織物結(jié)構(gòu)色的表面形貌和出色效果進行表征，并用分光光度計測量鍍膜前后織物的色度差，同時，應(yīng)用宏觀角分辨光譜儀R1測得織物的多角度反射和散射光譜圖，以精確量化描述織物結(jié)構(gòu)色. 通過改變?yōu)R射工藝，探究了靶基距、濺射周期、氣體流量、工作氣壓和濺射功率等5個不同的濺射工藝參數(shù)對織物結(jié)構(gòu)色出色效果的影響，結(jié)果發(fā)現(xiàn)：當(dāng)靶基距，工作氣壓，氣體流量，濺射周期3個周期以上，濺射功率以上時，織物表面已出色明顯，且小范圍內(nèi)調(diào)整濺射功率和測射周期對出色效果的影響不大. 靶基距和工作氣壓對出色效果的影響比較明顯，在實驗設(shè)置的濺射氣氛中，工作氣壓為，靶基距為時出色效果最好.

射頻磁控濺射；滌綸織物；結(jié)構(gòu)色

生物結(jié)構(gòu)色最早發(fā)現(xiàn)于17世紀(jì)，存在于自然界中的結(jié)構(gòu)色是由于入射的可見光在生物表面的韌帶層、殼質(zhì)層、脊等精細(xì)微觀結(jié)構(gòu)處發(fā)生了干涉、透射、衍射和散射等作用而產(chǎn)生的色彩效果[1-2]. 結(jié)構(gòu)色的產(chǎn)生無毒、環(huán)保且需求能源少，其有望成為一種新型無水染色技術(shù)，以解決目前印染業(yè)的環(huán)境污染問題，并產(chǎn)生染色無法實現(xiàn)的多彩顏色. 目前結(jié)構(gòu)色在紡織行業(yè)的應(yīng)用主要是制備結(jié)構(gòu)色纖維和結(jié)構(gòu)色織物兩方面，結(jié)構(gòu)色纖維主要通過電泳沉積法、重力沉降法、毛細(xì)管中膠體微球自組裝、溶膠凝膠法[3-5]等方法制備. 雖然這些制備方法簡單、快速，但其力學(xué)強度不夠，且在紡紗織造工序中，有色結(jié)構(gòu)可能會被破壞，因此結(jié)構(gòu)色纖維要真正具有應(yīng)用價值還需改進. 而關(guān)于結(jié)構(gòu)色織物的研究報道較少.

磁控濺射鍍膜具有靶材沉積速率高、成膜質(zhì)量好、適宜大面積生產(chǎn)等優(yōu)點，在鍍膜行業(yè)中得到了廣泛應(yīng)用，如手機屏幕、高檔門把手、汽車防紫外膜、水龍頭外層金屬膜等，而運用磁控濺射鍍膜法在織物上制備多層干涉膜使其呈現(xiàn)結(jié)構(gòu)色的研究還鮮有報道. 本文采用磁控濺射的方法在滌綸白坯布上交替濺射高折射率的灰色靶材和低折射率的無色透明的靶材制備了周期性薄膜，成功獲得了靚麗的且具有虹彩效應(yīng)的結(jié)構(gòu)色，并探究了改變不同的單因子濺射條件，滌綸織物結(jié)構(gòu)色出色效果的變化情況.

1 試驗部分

1.1 試驗材料及儀器

試驗儀器：500型織物功能處理機（沈陽科學(xué)儀器研制中心有限公司）；SEM掃描電鏡；coloreye700A分光光度計（美國愛色麗公司）；VHX-1000C型超景深三維顯微鏡（日本基恩士公司）；宏觀角分辨光譜儀R1（上海復(fù)享儀器有限公司）.

1.2 試驗方法

1.2.1 織物洗滌

1.2.2 濺射加工

采用500型功能處理機射頻濺射：將織物放入真空腔中，正面朝向靶材. 樣品轉(zhuǎn)換臺上裝有靶材擋板，當(dāng)濺射某種靶材時要打開擋板，濺射完畢要關(guān)閉擋板以防止其他靶材原子沉積影響試驗效果；調(diào)節(jié)靶基距為，濺射時的本底真空為，工作氣壓為，氣體流量為（表示1標(biāo)準(zhǔn)毫升/分鐘），設(shè)置濺射時電壓為，電流，濺射功率為，先濺射靶材，再濺射SiO2靶材，此為一周期，再重復(fù)濺射3個周期. 為了方便下文描述，將此樣品命名為樣a.

1.2.3 出色效果表征

樣a表面形貌和色彩的觀察：用場發(fā)射掃描電子顯微鏡分別觀察鍍膜后樣品放大倍和倍后的表面形貌；用超景深三維顯微鏡，觀察鍍膜后樣品放大500倍和倍的顏色效果.

樣a的多角度宏觀角分辨光譜測試：將濺射后的樣品正面朝上鋪平放在宏觀角分辨光譜儀的樣品臺上，分別調(diào)節(jié)光譜儀進入反射和散射模式，光線入射角度變化范圍從到，每測一次，取5次測量的平均值，以獲得樣品的多角度反射光譜圖和散射光譜圖，并分析結(jié)構(gòu)色隨入射光角度變化的影響情況.

1.2.4 不同的濺射工藝加工

為了探究磁控濺射工藝對織物結(jié)構(gòu)色出色效果的影響，分別改變?yōu)R射的靶基距、濺射周期、氣體流量、工作氣壓和功率進行濺射加工，將上述因素濺射后的樣品分別命名為A、B、C、D、E等5個系列. 濺射工藝參數(shù)選擇如表1所示.

表1 不同濺射工藝參數(shù)的設(shè)計

1.2.5 樣品色差測試

用分光光度計測試各樣品鍍膜前后的CIELAB色差值. 選取滌綸白坯布為標(biāo)準(zhǔn)樣，濺射后的各滌綸織物為對比樣，在D65光源下進行測試，每個測試樣布取4個不同測試點測試并取平均值，得到DL值、Da值、Db值和DE值（各色差值的單位是絕對值“1”，也稱1個DBS色差單位），分別表示織物濺射前后的明度差異、紅/綠色差異、黃/藍(lán)色差異及總色差值，分析A、B、C、D、E系列樣品各自的色差值變化規(guī)律. 亮度差DL（-）表示比樣與標(biāo)樣相比偏黑，反之偏白；紅綠色度指數(shù)Da（+）表示比樣與標(biāo)樣相比偏紅，值越大表示偏紅程度越大，反之偏綠；黃藍(lán)色度指數(shù)Db（+）表示比樣與標(biāo)樣相比偏黃，數(shù)值越大表示偏黃程度越大，反之偏藍(lán)；DE表示總色差，值越大表示色彩總偏差越大，若色差值大于4則人眼極易區(qū)分.

2 結(jié)果與討論

2.1 樣a的表面微觀形貌與光學(xué)性能

圖1為樣a的不同放大倍數(shù)的SEM圖，從圖中可以看出：靶材分子在滌綸纖維表面分布比較均勻，在纖維間隙分布不勻且有裂紋，直觀上看不出兩種材料的分界與層數(shù)，在纖維表面局部會出現(xiàn)靶材粒子團聚的現(xiàn)象.

圖1 樣a表面不同放大倍數(shù)的SEM圖

圖2為樣a鍍膜前后的超景深三維顯微圖，由圖可見，鍍膜后的織物表面出現(xiàn)了靚麗的黃色，局部區(qū)域出現(xiàn)了藍(lán)紫色，在織物上展現(xiàn)了不同色彩自然混合過渡的效果，這也與織物表面的凹凸不平有關(guān).

圖2 樣a的超景深三維顯微圖

圖3為鍍膜后樣a的多角度反射光譜和散射光譜. 從圖3-a可以看出：1）當(dāng)光線的入射角度為時，反射峰位在處，薄膜對應(yīng)的顏色為黃色；2）當(dāng)入射角度是時，反射率最大，反射曲線中出現(xiàn)兩個峰，峰位分別在和，但因在紅外光波長區(qū)域內(nèi)，對樣品顏色無影響，故此時樣品對應(yīng)顏色為藍(lán)色. 譜圖中明顯可見隨著入射角度從增大到，譜圖峰位發(fā)生了藍(lán)移，這反映了結(jié)構(gòu)色的虹彩效應(yīng). 從圖3-b可以看出：1）光從不同角度入射，散射曲線上均出現(xiàn)兩個峰，可見薄膜顏色為多種顏色的混合色；2）當(dāng)入射角度是時，反射率最大，峰位分別出現(xiàn)在和處，對應(yīng)的顏色為綠色和橙色的混合顏色. 入射角度從到變化時，峰位沒有發(fā)生移動，這也符合“光的散射作用產(chǎn)生的結(jié)構(gòu)色不具有虹彩效應(yīng)的特性”的結(jié)論.

圖3 鍍膜后樣a的多角度反射光譜和散射光譜

2.2 濺射工藝參數(shù)對滌綸織物結(jié)構(gòu)色出色效果的影響

圖4～8為濺射后各系列樣品的DL、Da、Db、DE值的變化趨勢圖，從這些圖中可看出分別改變靶基距等5個濺射參數(shù)后，各樣品的DL值始終小于0，即鍍膜后的樣品都比白坯布色彩偏黑，表明樣品均有出色.

圖4 靶基距對結(jié)構(gòu)色各色差值的影響

圖5 濺射周期對結(jié)構(gòu)色各色差值的影響

圖6 氣體流量對結(jié)構(gòu)色各色差值的影響

圖7 工作氣壓對結(jié)構(gòu)色各色差值的影響

圖8 濺射功率對結(jié)構(gòu)色各色差值的影響

2.2.1 靶基距對織物出色效果的影響

2.2.2 濺射周期對織物出色效果的影響

試驗表明濺射周期小于2時，織物上無法生色，而濺射周期大于7時織物呈黑色. 由圖5可以看出：1）在2～5個濺射周期內(nèi)，織物各色差值變化不大；2）當(dāng)濺射周期為6時，與滌綸白坯布相比，樣品總色差最大，樣品顏色偏紅. 這是因為濺射周期越多沉積到織物表面的靶材粒子越多，對粗糙基材表面的覆蓋程度也越好，膜層局部的平整性越好，成膜的連續(xù)性和致密性越好. 另外，膜層越厚，光線入射時的透過率變小、反射率變大. 故當(dāng)濺射周期達(dá)到足夠多時，織物結(jié)構(gòu)色的出色效果越好.

2.2.3 氣體流量對織物出色效果的影響

2.2.4 工作氣壓對織物出色效果的影響

原因是：在分子運動平均速率一定的情況下，濺射出的靶材粒子和氣體分子之間的碰撞次數(shù)與分子碰撞時的平均自由程成反比. 在試驗設(shè)定的工藝條件下，當(dāng)工作氣壓小于時，能電離出的高能氬離子數(shù)較少，導(dǎo)致被轟擊出的靶材粒子變少，因而織物表面的靶材沉積量也小. 氣壓增大時，氬氣分子密度增大，那么可供電離的氬氣分子數(shù)也增多，電離量增大，造成在靶表面被轟擊出的靶材粒子數(shù)增加，沉積到織物上的靶材粒子數(shù)也變多，織物出色效果變明顯直至達(dá)到一個最好狀態(tài). 但當(dāng)工作氣壓增大到最優(yōu)值以后，氣壓增大帶來了分子平均自由程的縮短，導(dǎo)致氬氣分子與靶材粒子間的碰撞增多，靶材粒子因為碰撞損失了動能而不能沉積到織物上，因此膜層較薄，進而各色差值與最優(yōu)工作氣壓時的色差值相比呈下降趨勢[8].

實際操作中，工作氣壓過低時，氬氣分子密度過低會導(dǎo)致不起輝，甚至引起息輝. 當(dāng)剛打開儀器無法起輝時，也常先調(diào)大工作氣壓令其起輝后再將工作氣壓調(diào)到設(shè)定值.

2.2.5 濺射功率對織物出色效果的影響

每個高能氬離子撞擊靶材表面時，能濺射出的靶材粒子數(shù)就叫做濺射產(chǎn)額，它會對薄膜的制備、膜結(jié)構(gòu)等產(chǎn)生直接的影響. 濺射產(chǎn)額的多少與轟擊靶材的氬離子的入射能量息息相關(guān)，即與濺射功率關(guān)聯(lián). 當(dāng)入射的氬離子能量足以濺射到靶材時，隨著濺射功率的增大，靶材的濺射率隨之先呈現(xiàn)非線性關(guān)系的增大，之后呈線性關(guān)系增大，當(dāng)達(dá)到一個最優(yōu)值時，又逐漸降低. 可見，濺射功率的變大會使濺射出的靶材粒子數(shù)先變多后變少，因此結(jié)構(gòu)色的出色效果的變化也從明顯到不明顯.

從圖8可以看出，結(jié)構(gòu)色的色差值隨著濺射功率的增大呈現(xiàn)緩慢增大的趨勢，肉眼觀察的織物結(jié)構(gòu)色在功率為時色彩效果非常不明顯，能看到輕微的淺綠色，時織物的出色就很靚麗了，時織物的色彩偏黑褐色. 實驗中選擇濺射功率范圍也較小，這主要與基底是滌綸織物有關(guān)，滌綸的玻璃化溫度在，熔點在，若功率太大，就會導(dǎo)致織物表面升溫很快，進而改變織物的狀態(tài)影響成膜及出色效果，且因為使用的是導(dǎo)熱性能低的陶瓷靶材，若功率過大，會導(dǎo)致靶材表面的熱量無法及時疏散而使靶材出現(xiàn)裂紋.

3 結(jié)論

本文利用射頻磁控濺射法成功地在滌綸白坯布上制備了靚麗的結(jié)構(gòu)色，并探討了靶基距、濺射周期、氣體流量、工作氣壓和濺射功率對織物結(jié)構(gòu)色出色效果的影響. 濺射功率和濺射周期對于以織物為基底的結(jié)構(gòu)色的制備可調(diào)節(jié)的范圍并不是太大；當(dāng)其他工藝參數(shù)是：靶基距，工作氣壓，氣體流量時，小范圍內(nèi)調(diào)整濺射功率和濺射周期對織物出色效果的影響不大；濺射周期為3周期以上、濺射功率為以上時，織物表面的出色效果已經(jīng)可以明顯看出. 靶基距和工作氣壓對織物結(jié)構(gòu)色的出色效果的影響是比較敏銳和明顯的，并且都存在一個最優(yōu)值，在實驗設(shè)置的濺射氣氛中，工作氣壓為、靶基距為時出色效果最好. 該結(jié)果對織物結(jié)構(gòu)色的實際制備具有一定的參考價值，如可以通過實驗找到這個最優(yōu)值，再與其他的最佳工作條件配合，以達(dá)到最快的鍍膜效率和最好的成膜質(zhì)量，得到最優(yōu)的織物結(jié)構(gòu)色. 本文雖然只是在滌綸織物上制備出結(jié)構(gòu)色，探討了不同的5個工藝參數(shù)對出色效果的影響，但結(jié)果對其他纖維面料織物結(jié)構(gòu)色的制備也具有一定的參考意義.

[1] 鄔文俊，史鐵林，廖廣蘭. 蝶翅微納結(jié)構(gòu)的光學(xué)特性及變色機理研究[D]. 武漢：華中科技大學(xué)，2012.

[2] XU Jun, GUO Zhiguang. Biomimetic photonic materials with tunable structural colors [J]. Journal of Colloid and Interface Science, 2013, 406: 1-17.

[3] JIA Yanrong, ZHANG Yun, ZHOU Lubao, et al. Structural colors of the/polyethyleneimine thin films on poly(ethylene terephthalate) substrates [J]. Thin Solid Films, 2014, 569: 10-16

[4] YASUDA T, NISHIKAWA K, FURUKAWA S. Structural colors frommultilayer flakes prepared by sol-gel process [J]. Dyes and Pigments, 2012, 92(3): 1122-1125.

[5] DIAO Yingying, LIU Xiangyang. Multiple structural coloring of silk-fibroin photonic crystals and humidity- responsive color sensing [J]. Adv Funct Mater, 2013, 23: 5373-5380.

[6] 祐衛(wèi)國，張勇，李璟，等. 濺射氣氛對RF反應(yīng)磁控濺射制備ZnO薄膜微結(jié)構(gòu)及光致發(fā)光特性的影響[J]. 發(fā)光學(xué)報，2010, 31(4): 503-508.

[7] 田民波. 薄膜技術(shù)與薄膜材料[M]. 1版. 北京：清華大學(xué)出版社，2006.

[8] 蔡珣，石玉龍，周建. 現(xiàn)代薄膜材料與技術(shù)[M]. 1版. 上海：華東理工大學(xué)出版社，2007.

[責(zé)任編輯：熊玉濤]

Effect of Magnetron Sputtering Process Parameters on Polyester Fabric Structural Color

YELi-hua, DUWen-qin

(Guangdong Higher Education Institutes Engineering Technology Research Center for Functional Textiles, Wuyi University, Jiangmen 529020, China)

Structural colors were fabricated on polyester fabric substrates with periodic filmsandby the magnetron sputtering RF method. The morphology of the structural colors on the fabric and surface color effect were characterized by Scanning Electron Microscopy and Ultra-depth 3Dmicroscope. The color differences of the fabric before and after coating were measured with a spectrophotometer. Also the multi-angle reflection and scattered light spectrums were measured by R1 macroscopic angle resolution meters, the fabric structural colors were characterized by precise quantification, and the influence of the five different process parameters (target-substrate distance, sputtering period, gas flow, working gas pressure, and sputtering power) were explored by changing the sputtering technology. The results show that when the target-substrate distance was, working gas pressure, the gas flow, the sputtering cycle above 3, and the sputtering power over, the fabric structural color was already obvious, small adjustment of sputtering power and sputtering cycle was of slight influence to the structural color, but the target-substrate distance and working gas pressure had obvious influence on the structural colors, and when the work pressure was set atand the target distance atin the sputtering atmosphere set at the lab, the structural color was the best.

magnetron sputtering; polyester fabrics; structural colors

1006-7302（2015）03-0016-07

TS19

A

2015-03-26

葉麗華（1989—），女，福建三明人，在讀碩士生，主要從事功能紡織材料的研究；杜文琴，教授，碩士生導(dǎo)師，通信作者，主要從事紡織功能材料及新技術(shù)研究.