干式鍍膜在織物表面改性中的應(yīng)用

楊艷艷+丁志榮+范鴻軒

摘要：本文介紹了“綠色鍍膜”技術(shù) —— 干式鍍膜技術(shù)的應(yīng)用領(lǐng)域，著重介紹了干式鍍膜中的真空蒸鍍膜技術(shù)、真空濺射鍍膜技術(shù)、離子鍍膜技術(shù)以及等離子體化學(xué)氣相沉積技術(shù)的原理及與紡織相關(guān)的研究和應(yīng)用，并對(duì)其應(yīng)用前景進(jìn)行了展望。

關(guān)鍵詞：干式鍍膜；真空蒸鍍；真空濺射鍍膜；離子鍍；等離子體化學(xué)氣相沉積技術(shù)

中圖分類號(hào)：TS156 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

Application of Dry Coating on Surface Modification of Fabric

Abstract： This article described the applications of the "green coating" technology - dry coating technology. The principle of vacuum evaporation coating technology， vacuum sputtering coating technology， ion plating technology and plasma chemical vapor deposition technology were mainly introduced， as well as the related research in textile field. The prospects for the dry coating technology was also discussed.

Key words： dry coating； vacuum deposition； vacuum sputtering； ion plating； plasma chemical vapor deposition

隨著社會(huì)的不斷發(fā)展與進(jìn)步，薄膜涂層在日常生活中的應(yīng)用越來越廣泛。如薄膜可以使裝飾品表面呈現(xiàn)五彩繽紛的顏色；在刀具模具等金屬表面鍍上一層TiN、ZrN、TiC、TiAlN等物質(zhì)，可增加金屬本身的硬度，延長(zhǎng)其使用壽命；在玻璃上鍍上一層鉻、鎳、鈦等金屬可以起到反射紅外線、吸收紫外線的作用；鍍上TiO2薄膜則可以使玻璃具有防霧、防露、自清潔的功能；薄膜滿足了各類液晶顯示器透明度的要求等。除了上述幾種常見的應(yīng)用外，鍍膜還在太陽(yáng)能電池板、防偽技術(shù)、飛機(jī)涂層、光學(xué)儀器以及信息存儲(chǔ)、傳感器等諸多領(lǐng)域發(fā)揮著重要的作用。

隨著經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，傳統(tǒng)的紡織品已無法滿足人們的需求。多功能紡織品的發(fā)展為紡織開辟了新的發(fā)展方向。紡織品經(jīng)過各種功能性整理，可獲得不同的功能，如阻燃、防水、拒油、抗菌、抗紫外線、防輻射等。在紡織品上鍍膜是實(shí)現(xiàn)功能整理的一種方式，適用于紡織品的鍍膜技術(shù)主要有電鍍、化學(xué)鍍、涂層、干式鍍膜等。其中，干式鍍膜應(yīng)用范圍雖廣，但在紡織領(lǐng)域的應(yīng)用研究相對(duì)較少。本文主要介紹國(guó)內(nèi)外科研人員運(yùn)用干式鍍膜技術(shù)對(duì)紡織品表面進(jìn)行改性的研究進(jìn)展。

鍍膜技術(shù)的分類方法多種多樣，通常按膜層的成形方法將鍍膜分為濕式鍍膜和干式鍍膜。濕式鍍膜又被稱為液相沉積或溶液法，是指在電解質(zhì)水溶液中通過化學(xué)或電化學(xué)法完成的鍍膜方法。干式鍍膜又叫真空鍍或氣相沉積，是將物件置于真空環(huán)境中，靶材料在物理或化學(xué)方法的作用下被汽化成分子或原子，或被電離成為離子附著在物件表面，形成具有特殊功能的薄膜。干式鍍膜包括以下幾種方式：真空蒸鍍、濺射鍍膜、離子鍍、化學(xué)氣相沉積。

1 物理氣相沉積（PVD）鍍膜技術(shù)

PVD在干式鍍膜中占據(jù)重要地位，其主要包括真空蒸鍍、濺射鍍以及真空離子鍍。該方法鍍膜過程簡(jiǎn)單，不涉及化學(xué)反應(yīng)，無污染，低能耗，成為目前研究紡織材料表面改性的熱門手段。

Van o M等人認(rèn)為在非金屬織物上使用PVD鍍膜技術(shù)使織物具有功能性是一種新的非常規(guī)方法，并以在天然棉纖維上鍍銀為例，測(cè)試了其撕破強(qiáng)度。結(jié)果表明，鍍膜后的棉織物的撕裂強(qiáng)度高于未處理的棉織物。他們還論述了經(jīng)PVD表面鍍膜后的織物材料可成為工業(yè)用新材料，并闡述了PVD鍍膜技術(shù)在紡織上的應(yīng)用前景。

Sheila Shahidi等對(duì)PVD作用原理及應(yīng)用領(lǐng)域做了相關(guān)解釋，還特別強(qiáng)調(diào)了PVD在紡織領(lǐng)域的潛在用途，并同樣認(rèn)為PVD鍍膜技術(shù)在紡織材料表面改性方面開辟了新的可能，尤其是在紡織品設(shè)計(jì)及產(chǎn)業(yè)用紡織品開發(fā)方面具有較好的前景。

1.1 真空蒸鍍

真空蒸鍍是指在真空條件下，靶材被加熱蒸發(fā)出分子或原子，分子或原子在真空室中受到其他粒子的碰撞較少，因此可順利地附著在被鍍物件的表面。一般靶材加熱到一定的溫度后會(huì)由固態(tài)變?yōu)闅鈶B(tài)，即汽化，將其置于真空環(huán)境中則可以降低蒸發(fā)時(shí)所需的溫度，提高蒸鍍效率。蒸鍍法是物理氣相沉積中發(fā)展最早的一類鍍膜方法，其工藝與設(shè)備簡(jiǎn)單，所鍍膜層純度較高，但膜基結(jié)合牢度還不夠高。真空蒸鍍依據(jù)加熱源的不同可分為電阻加熱蒸發(fā)蒸鍍、電子束蒸發(fā)蒸鍍以及激光束、高頻感應(yīng)加熱蒸發(fā)蒸鍍技術(shù)。其中電阻加熱蒸發(fā)蒸鍍適用于蒸發(fā)低熔點(diǎn)材料，成本低；激光束加熱蒸發(fā)鍍蒸發(fā)的純度較高，不產(chǎn)生分餾現(xiàn)象。

陳莉娜等人利用真空蒸發(fā)鍍膜技術(shù)分別在未經(jīng)表面處理和經(jīng)熨燙、烘干以及表面電凈和去油脂等表面預(yù)處理的 4 塊毛織物上鍍上鋁和鈦，測(cè)試織物鍍上金屬膜后對(duì)電磁波的屏蔽效果。結(jié)果鍍上金屬膜的毛織物具有一定的電磁屏蔽效果，但是效果不太理想；經(jīng)過表面預(yù)處理的毛織物對(duì)電磁波的屏蔽效果優(yōu)于未經(jīng)表面處理的毛織物；兩種金屬中，鍍鋁的毛織物對(duì)電磁波的屏蔽效果比鍍鈦的好。

Liu Yang等利用真空熱蒸發(fā)技術(shù)將鋁沉積在圓形單絲PET表面，制備可穿戴導(dǎo)電纖維，并對(duì)其進(jìn)行UV、丙烯酸及PVP表面改性，測(cè)試經(jīng)表面改性處理后對(duì)導(dǎo)電纖維導(dǎo)電性能的影響。研究結(jié)果表明：經(jīng)UV表面改性后的圓柱形鍍鋁單絲PET導(dǎo)電纖維導(dǎo)電性能不受影響；但經(jīng)PVP浸涂表面改性后的導(dǎo)電纖維導(dǎo)電性能最佳。他們認(rèn)為這是因?yàn)镻ET粗糙的表面平滑化的結(jié)果。通過AFM觀察分析在鍍鋁過程中PET表面形成小丘的原因，認(rèn)為蒸發(fā)時(shí)基膜之間的熱膨脹差異及壓縮應(yīng)變是致使小丘生長(zhǎng)的原因，且小丘成縱向增長(zhǎng)。

1.2 濺射鍍膜

濺射鍍膜是指在通入一定量氬氣的真空環(huán)境下，氬氣在輝光放電的作用下被電離成氬離子（Ar+），Ar+在高能電場(chǎng)的作用下加速轟擊靶材表面產(chǎn)生濺射現(xiàn)象，靶材表面濺射出的粒子沉積到基材表面形成濺射薄膜。在濺射鍍膜中，作為鍍膜靶材的種類較多，除了各種金屬外，還可以是絕緣體、半導(dǎo)體以及各類化合物。此外，濺射與蒸發(fā)鍍膜相比，膜-基結(jié)合牢度較好，膜厚可控，純度高，因此在干式鍍膜中濺射鍍膜備受關(guān)注。

濺射鍍膜根據(jù)電極結(jié)構(gòu)可分為：直流二級(jí)濺射、直流三級(jí)濺射、直流四級(jí)濺射、磁控濺射、對(duì)向靶向以及ECR濺射等幾種濺射方式。此外，射頻濺射、偏壓濺射、離子束濺射等都是在基礎(chǔ)的濺射鍍膜方式上發(fā)展而來。在以上濺射鍍膜技術(shù)中，磁控濺射因其在低溫、低損傷的條件下能實(shí)現(xiàn)高效率鍍膜，成為目前干式鍍膜工業(yè)化生產(chǎn)的主要手段。

Miao Dagang等人借助磁控濺射鍍膜技術(shù)在聚酯PET表面沉積AZO/Ag/AZO多層薄膜，制備光控紡織品。測(cè)試結(jié)果表明，AZO（30 nm）/Ag（13 nm）/AZO（30 nm）多層膜沉積的聚酯織物呈現(xiàn)95%的高紅外反射率，UPF值為35.01，具有較好的紅外反射性能。

王國(guó)軒等以金屬鈦為鍍膜中的靶材料，錦綸織物為基材，利用磁控濺射技術(shù)制備出鍍鈦錦綸織物，通過對(duì)其進(jìn)行摩擦和剝離試驗(yàn)，重點(diǎn)研究了膜-基之間的結(jié)合牢度。結(jié)果表明，鍍鈦膜錦綸織物在 4 種不同膠帶的粘合作用下，表現(xiàn)出較好的膜-基結(jié)合牢度；在220 s內(nèi)摩擦次數(shù)達(dá)到9 200次，足以證明所鍍鈦膜沉積較好，具有一定的膜厚，摩擦?xí)r不易脫落。

高秋瑾等人利用磁控濺射技術(shù)在絲織物的表面鍍上一層納米銀。研究發(fā)現(xiàn)，隨著時(shí)間的延長(zhǎng)，所鍍薄膜致密均勻，顆粒粒徑均勻，顆粒間隙減小，薄膜厚度隨之增加，延長(zhǎng)沉積時(shí)間有利于提高膜-基結(jié)合牢度。

陳長(zhǎng)文等人利用磁控濺射技術(shù)對(duì)PET表面分別鍍上銅和鎳兩種金屬膜，制備防電磁輻射織物，研究了金屬增重率對(duì)防電磁輻射效果以及穿著舒適性的影響。綜合考慮穿著舒適性和防電磁輻射效果，得出最佳增重率為0.77%，此時(shí)透氣率達(dá)166.28 mm/s，電磁屏蔽達(dá)72.7 dB。

倪新亮等利用測(cè)控濺射對(duì)等離子體處理前后的碳纖維增強(qiáng)樹脂基復(fù)合材料鍍上一層鋁膜，探究磁控濺射各工藝參數(shù)對(duì)鋁膜表面結(jié)構(gòu)的影響，以及等離子體處理后對(duì)膜-基結(jié)合牢度的影響。結(jié)果表明：磁控濺射鍍的電流增大，會(huì)使鋁的結(jié)晶度增加；氣壓增大，則會(huì)使鋁的生長(zhǎng)方向發(fā)生變化；經(jīng)等離子體處理后的膜-基結(jié)合牢度較高。

Wei Qufu等利用濺射鍍膜技術(shù)在PP纖維基底鍍上一層金屬銅薄膜，通過等離子體預(yù)處理和加熱改善膜-基結(jié)合牢度。借助AFM觀察PP表面及界面結(jié)構(gòu)，通過剝離及摩擦試驗(yàn)檢驗(yàn)經(jīng)等離子處理后的膜 - 基界面結(jié)合牢度。結(jié)果在AFM下可觀察到PP纖維表面附著一層銅薄膜，等離子體預(yù)處理和加熱對(duì)改善膜-基結(jié)合牢度具有顯著效果，這是由于等離子體的粗糙化和加熱的擴(kuò)散作用引起的。

黃美林等利用磁控濺射在聚酯織物上鍍上一層聚四氟乙烯（PTFE）薄膜，制備抗紫外線織物，探究磁控濺射的各工藝參數(shù)對(duì)抗紫外線性能的影響。通過正交試驗(yàn)分析得出：在各類工藝參數(shù)中，織物品種對(duì)抗紫外線效果的影響最大，而基底溫度對(duì)其影響最小。

1.3 離子鍍

離子鍍?nèi)Q為真空離子鍍膜技術(shù)，顧名思義離子鍍的發(fā)生場(chǎng)所也是在真空下，其利用各種氣體放電，產(chǎn)生等離子體，等離子體不斷碰撞轟擊靶材表面，使靶材表面部分粒子被電離，靶材離子在高壓電場(chǎng)的作用下定向地沉積到被鍍工件表面。離子鍍是由美國(guó)Sandin公司在蒸發(fā)蒸鍍以及濺射鍍膜基礎(chǔ)上開發(fā)而來。在離子鍍中，為給離子提供更大的能量，加速其在電場(chǎng)中的運(yùn)動(dòng)，故在基體上施加一定的負(fù)偏壓，這是離子鍍與其他兩種鍍膜方式的主要區(qū)別。離子鍍除了能加速鍍膜效率外，還能改善膜層品質(zhì)和性能，進(jìn)一步提高膜-基結(jié)合牢度。由于以上優(yōu)點(diǎn)，離子鍍得到了較多的關(guān)注，在機(jī)械模具加工、包裝膜領(lǐng)域得到較多應(yīng)用，而與紡織相結(jié)合的應(yīng)用與研究目前相對(duì)較少。

2 化學(xué)氣相沉積（CVD）鍍膜技術(shù)

CVD鍍膜技術(shù)主要包括以下幾種：等離子體化學(xué)氣相沉積、低壓化學(xué)氣相沉積、金屬有機(jī)物化學(xué)氣相沉積、光化學(xué)氣相沉積以及熱激發(fā)化學(xué)氣相沉積。其中等離子體化學(xué)氣相沉積鍍膜技術(shù)在紡織上的應(yīng)用已較為普遍，較為成熟。

等離子化學(xué)氣相沉積（PCVD）是在較低的溫度下，由等離子體作為能量源激發(fā)氣體產(chǎn)生帶電粒子，帶電粒子的動(dòng)能激發(fā)化學(xué)氣相沉積反應(yīng)的進(jìn)行，以此在工件表面形成一層薄膜。其優(yōu)點(diǎn)在于通常需要在高溫下完成的化學(xué)沉積，用此方法可使化學(xué)沉積反應(yīng)較低溫度下進(jìn)行，通常溫度不高于600 ℃。

Yu Anton等人借助等離子體輔助技術(shù)在非織造布表面沉積銀、銅及氧化鋅等 3 種納米顆粒，制備抗菌材料，對(duì)其進(jìn)行抗菌測(cè)試。結(jié)果在沉積了銀和銅的樣品中，細(xì)菌減少97%，而沉積了氧化鋅的樣品中，金黃色葡萄球菌減少了86%，說明經(jīng)等離子體化學(xué)沉積后的非織造材料抗菌效果明顯。

沈麗等人以全氟庚烷作為反應(yīng)氣氛，利用等離子體技術(shù)對(duì)純棉織物進(jìn)行表面功能處理，以獲得拒水拒油棉織物。通過不斷改變工作時(shí)間、功率以及壓力等工藝參數(shù)，研究全經(jīng)氟庚烷沉積后的棉織物的拒水拒油等級(jí)，以及時(shí)效性。經(jīng)全氟庚烷處理后的棉織物拒水接觸角可達(dá)150°，拒油接觸角可達(dá)120°，具有較明顯的拒水拒油效果。放置45天后，其拒水拒油性能基本不變。

陳杰瑢運(yùn)用 6 種不同的氣體（O2、N2、He、Ar、H2和CH4）等離子體分別對(duì)聚酯PET進(jìn)行表面改性處理，探究經(jīng)等離子處理后織物表面潤(rùn)濕性能的變化情況。結(jié)果表明，經(jīng)O2、N2、Ar、H2等離子體在 3 min內(nèi)處理織物表面，織物表面張力增大，織物表面呈現(xiàn)出較好的潤(rùn)濕性能；表面潤(rùn)濕性能的提高是織物表面含氮或含氧極性基團(tuán)的增加所致。

朱友水等利用低溫等離子體對(duì)丙綸非織造布進(jìn)行金屬化處理，討論了各工藝參數(shù)的變化對(duì)試樣電阻的影響，得出經(jīng)H2等離子處理后的樣品具有一定的導(dǎo)電性。

3 展望

與傳統(tǒng)的電鍍、化學(xué)鍍等濕式鍍膜技術(shù)相比，干式鍍膜工藝過程簡(jiǎn)單，所鍍膜層品質(zhì)較好，膜基結(jié)合牢度較高，可鍍物質(zhì)種類多，生產(chǎn)過程無污染，低能耗。將其與紡織品結(jié)合，在紡織基材表面鍍上不同物質(zhì)的薄膜，可獲得多功能的紡織品，其應(yīng)用前景廣闊，但目前用干式鍍膜技術(shù)在紡織品表面鍍膜較少。實(shí)現(xiàn)紡織品表面鍍膜大規(guī)模生產(chǎn)的手段還是以傳統(tǒng)的涂層及化學(xué)鍍?yōu)橹?，?huì)引起較多的環(huán)境污染，因此若能繼續(xù)完善干式鍍膜技術(shù)在紡織領(lǐng)域的應(yīng)用理論，尋找可以加大工業(yè)化生產(chǎn)的方法，將會(huì)解決鍍膜技術(shù)在環(huán)境污染這一方面的難題，同時(shí)將會(huì)拓寬紡織品的應(yīng)用領(lǐng)域。

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