激光前處理磁控濺射鍍銅滌綸織物的制備及性能

彭靈慧，郭榮輝,*，蘭建武，肖紅艷，張周益，張君亮

（1.四川大學(xué)輕紡與食品學(xué)院，四川 成都 610065；2.寧波格蘭家居用品有限公司，浙江 寧波 315600）

激光前處理磁控濺射鍍銅滌綸織物的制備及性能

彭靈慧1，郭榮輝1,*，蘭建武1，肖紅艷1，張周益2，張君亮2

（1.四川大學(xué)輕紡與食品學(xué)院，四川 成都 610065；2.寧波格蘭家居用品有限公司，浙江 寧波 315600）

采用激光對滌綸織物表面進行前處理，再利用磁控濺射技術(shù)在其表面鍍覆納米銅薄膜。鍍銅滌綸織物采用能譜儀、X射線衍射儀和掃描電鏡進行表征，且評價了其導(dǎo)電性、拒水性及顏色。結(jié)果表明，激光前處理加濺射鍍膜所得鍍銅織物表面致密地沉積了納米銅，銅鍍層具有良好的結(jié)晶性，為面心立方結(jié)構(gòu)。鍍銅滌綸織物對水的接觸角高達128.5°，方塊電阻為3.5 Ω/sq。

滌綸織物；激光前處理；磁控濺射；銅；導(dǎo)電性；拒水性

鍍銅織物具有導(dǎo)電、抗靜電、電磁屏蔽等性能，可應(yīng)用在眾多領(lǐng)域，如屏蔽電磁波材料、導(dǎo)電或抗靜電面料、纖維傳感器、纖維太陽能電池、抗紫外戶外用品、抗菌紡織面料等[1-3]。激光前處理可使織物表面變得粗糙、粘連，有利于其上附著金屬鍍層，從而賦予織物導(dǎo)電性。磁控濺射鍍膜法[4-6]是一種無水的環(huán)保鍍膜工藝，其特點為效率高、對基材無選擇性、鍍膜穩(wěn)定、操作簡便、無環(huán)境污染等，可以在基材表面鍍制單層或多層功能性金屬膜[7]。

本研究采用無水環(huán)保的激光前處理方法對滌綸織物進行前處理，再利用磁控濺射法在滌綸織物表面制備納米銅金屬薄膜，使紡織品表面金屬化，并對鍍銅滌綸面料的微觀結(jié)構(gòu)進行表征，檢測其接觸角、顏色及導(dǎo)電性。

1 實驗

1. 1 材料

100%滌綸(120根/英寸 × 115根/英寸，50 s × 50 s，其中1英寸相當(dāng)于2.54 cm，s為英制支數(shù))，99.995%高純銅靶材(中諾新材科技有限公司)。

1. 2 激光前處理

取10 cm × 10 cm分別經(jīng)乙醇和丙酮超聲波清洗15 min的滌綸織物，采用TR-5030激光雕刻機(深圳大族激光設(shè)備廠)對其進行面掃描，功率為6.0 ～ 6.5 W，掃描間距為0.06 mm，掃描速率為500 mm/s，激光發(fā)生器與織物的間距為0.7 cm。

1. 3 磁控濺射鍍銅滌綸織物的制備

采用高純度的銅靶(99.995%)，通過磁控濺射在滌綸織物表面沉積納米銅膜。銅靶直徑50 mm，厚6 mm。放置樣品后，抽真空，使壓力保持在5 × 10-4Pa。在磁控濺射銅膜沉積過程中，通入高純氬氣作為轟擊氣體，壓力保持在2.4 × 10-1Pa，濺射電流為0.2 A，沉積時間60 min。

1. 4 表征方法

用日本JEOL的JSM-5900LV型掃描電鏡(SEM)觀察磁控濺射鍍銅滌綸纖維的微觀形貌，用JEOL的JSM-6490型掃描電鏡的能譜儀分析鍍銅滌綸織物的元素組成，用荷蘭帕納科公司的X’Pert Pro MPO型X射線衍射儀(XRD)分析結(jié)晶結(jié)構(gòu)。

用北京哈科試驗儀器廠的HARKE-SPCA×1接觸角測試儀來測磁控濺射鍍銅滌綸織物和滌綸織物對水的接觸角，取5次測量結(jié)果的平均值。

用蘇州晶格電子有限公司的ST-2258A型多功能數(shù)字式四探針測試儀測量磁控濺射鍍銅滌綸織物的方塊電阻，取5次測量結(jié)果的平均值。

采用美國愛麗色有限公司的Color I5測色儀測定滌綸織物和鍍銅滌綸織物的顏色。

2 結(jié)果與討論

2. 1 濺射鍍銅滌綸織物的元素成分

激光前處理(未注明處均為6.5 W)滌綸織物磁控濺射鍍銅的EDS譜圖見圖1。經(jīng)過激光前處理的滌綸織物在磁控濺射鍍銅后測出含有碳及銅2種元素。其中C來自滌綸織物，Cu來自磁控濺射鍍銅膜的沉積，其質(zhì)量分?jǐn)?shù)分別為9.92%和90.08%。滌綸織物中還應(yīng)含有O元素，但未測出。

圖1 激光前處理磁控濺射鍍銅滌綸織物的能譜圖Figure 1 Energy-dispersive spectrum of copper-coated polyester fabric prepared by magnetron sputtering with laser pretreatment

2. 2 濺射鍍銅滌綸纖維的表面形貌

從圖2a與2b可看出，原始滌綸纖維表面較為光滑，存在少量顆粒雜質(zhì)。從圖2c所示的低倍SEM照片可以看出，激光使滌綸織物表面形成局部熔融，纖維粘連在一起。從圖2d所示的高倍SEM照片可以看出，激光處理后纖維表面仍平整、干凈。經(jīng)過濺射鍍銅后，低倍SEM照片(圖2e)中仍能觀察到纖維表面有粘結(jié)，纖維緊密連在一起，而高倍SEM照片(圖2f)顯示銅納米顆粒非常致密地排列在纖維表面，形成光滑、致密的鍍層?？梢娿~納米顆粒被成功沉積在激光前處理后的滌綸織物表面，并未形成大的團聚體。

2. 3 濺射鍍銅滌綸織物的X射線衍射分析

由圖3可知，原始滌綸纖維的XRD譜圖中有2個凸出但較為平緩的衍射峰，其衍射角2θ分別在22.7°和25.7°，后者還出現(xiàn)衍射強度最大值。這表明原始滌綸纖維具有明顯的結(jié)晶特征，晶體結(jié)構(gòu)較完善。未經(jīng)激光前處理的濺射鍍銅滌綸織物在2θ為43.2°、50.0°和74.0°處分別出現(xiàn)銅(111)、(200)及(220)晶面的衍射峰，表明銅鍍層具有較好的結(jié)晶性，為面心立方晶體結(jié)構(gòu)。在激光前處理濺射鍍銅滌綸織物的XRD譜圖中，能同時觀察到銅鍍層和滌綸織物的衍射峰，但是2θ = 22.7°處的衍射峰略有增強，表明經(jīng)過激光前處理后，滌綸織物的結(jié)晶結(jié)構(gòu)有所改善。

圖2 不同工藝處理后滌綸纖維的掃描電鏡照片F(xiàn)igure 2 SEM images of polyester fibers treated by different processes

圖3 不同工藝處理后滌綸織物的X射線衍射譜圖Figure 3 X-ray diffraction patterns of polyester fabrics treated by different processes

2. 4 濺射鍍銅滌綸織物的水接觸角

從圖4a可見，原始滌綸的水接觸角為114.1°，表明它具有一定的拒水效果。直接磁控濺射鍍銅的滌綸織物的水接觸角大于原始滌綸，為128.0°(見圖4b)。當(dāng)滌綸織物表面沉積金屬銅后，銅不僅存在于纖維表面，而且存在于纖維與纖維之間的空隙中，阻礙了水的滲透、吸收及毛細作用，因此滌綸織物直接濺射鍍銅后的拒水效果有所提高。如圖4c所示，滌綸織物經(jīng)激光處理后，其水接觸角下降至95.7°。這是由于滌綸織物表面被激光刻蝕出較多孔隙(見圖2c)，有利于水分的滲透。然而，激光前處理后再濺射鍍銅的滌綸織物表面對水的接觸角增大至128.5°，表現(xiàn)出優(yōu)異的拒水效果。由于銅鍍層較厚(約600 nm)，因此經(jīng)過激光前處理與未經(jīng)過激光前處理后濺射鍍銅滌綸織物的水接觸角相差不大。

圖4 不同工藝處理后滌綸對水的接觸角Figure 4 Water contact angles of polyester fabrics treated by different processes

2. 5 濺射鍍銅滌綸織物的導(dǎo)電性能

原始滌綸的方塊電阻無窮大，不導(dǎo)電。直接磁控濺射鍍銅的滌綸織物也不導(dǎo)電，這是由于纖維與纖維之間存在空隙與起伏，銅鍍層不能將纖維表面完全連接導(dǎo)通。經(jīng)過功率為6.0 W的激光處理后磁控濺射鍍銅滌綸織物的方塊電阻仍是無窮大，而6.5 W功率激光前處理的磁控濺射鍍銅滌綸織物的方塊電阻僅為3.5 Ω/sq。顯然，當(dāng)功率僅為6.0 W時，激光對滌綸織物的刻蝕作用不佳，纖維與纖維之間未能形成交聯(lián)，銅鍍層不能導(dǎo)通；當(dāng)功率為6.5 W時，激光對滌綸織物表面產(chǎn)生了足夠的刻蝕作用，使纖維與纖維之間形成橋接，因而銅鍍層能連接成整體并導(dǎo)通，此時的滌綸織物具有優(yōu)異的導(dǎo)電性。

2. 6 濺射鍍銅滌綸織物的顏色

從表1可知，空白滌綸及激光處理滌綸均有較高的L*值(表示明度)，且a*及b*值(前者表示紅綠，后者表示黃藍)均較為接近，兩者的色差ΔE僅為2.20，表明經(jīng)過激光處理后，滌綸織物的顏色并未發(fā)生明顯的變化。然而激光處理后的滌綸經(jīng)過磁控濺射鍍銅后，其顏色發(fā)生了較大變化：L*值明顯減小，說明濺射鍍銅滌綸織物表面亮度降低；a*及b*值明顯增大，且均為正值，說明濺射鍍銅后滌綸織物表面顯示紅色及黃色，這是單質(zhì)銅的顏色(紅色偏黃，見圖5)。

表1 不同工藝處理后滌綸的L*, a*、b*和ΔETable 1 L*, a*, b* and ΔE values of polyester fabrics treated by different processes

圖5 原始滌綸(左)及激光前處理濺射鍍銅滌綸(右)的照片F(xiàn)igure 5 Photos of original polyester fabric (left) and the Cu-coated one prepared by magnetron sputtering with laser pretreatment (right)

3 結(jié)論

經(jīng)合適的激光前處理后磁控濺射鍍銅60 min所得滌綸織物表面的銅膜沉積均勻、致密，具有良好的結(jié)晶結(jié)構(gòu)，對水的接觸角高達128.5°，方塊電阻為3.5 Ω/sq。

激光前處理對提高磁控濺射鍍銅滌綸織物的導(dǎo)電性和拒水性具有良好的效果。激光前處理磁控濺射鍍銅滌綸織物在可穿戴智能織物及家用拒水等方面具有潛在應(yīng)用。

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[ 編輯：溫靖邦 ]

《電鍍與涂飾》持續(xù)被Inspec數(shù)據(jù)庫收錄

英國工程技術(shù)學(xué)會IET（The Institution of Engineering and Technology）的網(wǎng)站（www.theiet.org）公布了截至2017年4月Inspec（Information Service in Physics, Electro-Technology, Computer and Control）數(shù)據(jù)庫的索引期刊目錄，《電鍍與涂飾》（Electroplating & Finishing, ISSN 1004-227X）位列其中。

Inspec的紙本是“科學(xué)文摘”（Science Abstract，簡稱SA，始于1898年），由IET（前身IEE，1871年成立）出版，是理工學(xué)科最重要、使用最為頻繁的數(shù)據(jù)庫之一，也是全球在理工科領(lǐng)域最權(quán)威的二次文獻數(shù)據(jù)庫之一。Inspec中的每一種期刊都是通過客觀評價，且按照高標(biāo)準(zhǔn)的要求而選擇出來的，有效地杜絕了混亂和繁雜的信息，可確保提供準(zhǔn)確、有意義和及時的數(shù)據(jù)。Inspec的專業(yè)面覆蓋物理、電子與電氣工程、計算機與控制工程、信息技術(shù)、生產(chǎn)和制造工程等領(lǐng)域，并覆蓋材料科學(xué)、海洋學(xué)、核工程、天文地理、生物醫(yī)學(xué)工程、生物物理學(xué)等領(lǐng)域的內(nèi)容，為物理學(xué)學(xué)家、工程師、信息專家、研究人與科學(xué)家提供了不可或缺的信息服務(wù)。

據(jù)統(tǒng)計，目前Inspec總共收錄4 339種期刊（比2016年12月公布的數(shù)據(jù)多了124種），其中中國大陸期刊有逐漸減少的趨勢，目前只有220種（約占5.1%）。《電鍍與涂飾》是國內(nèi)表面處理及涂料涂裝領(lǐng)域唯一被收錄的專業(yè)性期刊。

Preparation of copper-coated polyester fabric by magnetron sputtering with laser pretreatment and its properties

PENG Ling-hui, GUO Rong-hui*, LAN Jian-wu, XIAO Hong-yan, ZHANG Zhou-yi, ZHANG Jun-liang

A thin film composed of copper nanoparticles were prepared on the surface of polyester fabric by magnetron sputtering with laser pretreatment. The copper-coated polyester fabric was characterized by energy-dispersive spectrometer, X-ray diffractometer and scanning electron microscope, and its electrical conductivity, hydrophobicity and color were examined. The results showed that a compact and well-crystallized copper coating with a nanometer grain size and a face-centered cubic structure was deposited on the polyester fabric after laser pretreatment followed by magnetron sputtering of copper. The water contact angle and sheet resistance of the copper-coated polyester fabric are 128.5° and 3.5 Ω/sq, respectively.

polyester fabric; laser pretreatment; magnetron sputtering; copper; electrical conductivity; hydrophobicity

College of Light Industry, Textile and Food Engineering, Sichuan University, Chengdu 610065, China

10.19289/j.1004-227x.2017.13.004

F407.81

：A

：1004 - 227X (2017) 13 - 0684 - 05

2017-02-27

2017-06-07

寧波市科技局重大科技專項基金（2015B11059）。

彭靈慧（1991-）女，廣西人，在讀碩士研究生，研究方向為紡織化學(xué)與染整。

郭榮輝，副教授，(E-mail) ronghuiguo214@126.com。