磁控濺射制備導(dǎo)電織物的工藝優(yōu)化

1. 廣州南洋理工職業(yè)學(xué)院服裝與設(shè)計(jì)學(xué)院，廣東 廣州 510900；2. 五邑大學(xué)紡織服裝學(xué)院，廣東 江門 529000

磁控濺射制備導(dǎo)電織物的工藝優(yōu)化

禚云彬1, 2杜文琴2

1. 廣州南洋理工職業(yè)學(xué)院服裝與設(shè)計(jì)學(xué)院，廣東 廣州 510900；2. 五邑大學(xué)紡織服裝學(xué)院，廣東 江門 529000

為制得具有更小電阻即更好導(dǎo)電性能的織物， 利用磁控濺射技術(shù)，以銅作為靶材，在滌綸紡黏熱軋非織造布上沉積銅薄膜制備導(dǎo)電織物，測(cè)試其表面電阻值。分別對(duì)進(jìn)氣量、濺射功率、工作氣壓、靶基距、濺射時(shí)間進(jìn)行單因素試驗(yàn)，探究濺射工藝參數(shù)對(duì)試樣導(dǎo)電性能的影響規(guī)律；然后在單因素試驗(yàn)基礎(chǔ)上對(duì)試驗(yàn)進(jìn)行二次正交旋轉(zhuǎn)組合設(shè)計(jì)，對(duì)顯著因素進(jìn)行參數(shù)優(yōu)化。得出：制備較低表面電阻值的導(dǎo)電織物的最優(yōu)參數(shù)組合為進(jìn)氣量35.00 mL/min、濺射功率83.0 W、工作氣壓0.400 Pa、靶基距3.900 cm、濺射時(shí)間4.10 min，所得導(dǎo)電織物表面電阻值在1.000 0～100.000 0 Ω。

磁控濺射，導(dǎo)電織物，優(yōu)化，表面電阻，進(jìn)氣量，濺射功率，工作氣壓，靶基距，濺射時(shí)間

導(dǎo)電織物在廣義上主要分為四類，分別是金屬系導(dǎo)電織物、炭黑系導(dǎo)電織物、導(dǎo)電型金屬化合物織物、高分子導(dǎo)電型織物[1]。導(dǎo)電織物涉及抗靜電[2-4]、電磁屏蔽[5-6]、抗紫外[7-10]、電致變色、電子智能、燃料電池[11-12]、吸波隱身、抗菌除臭[13]等領(lǐng)域，在民用和軍事方面均有廣闊的應(yīng)用前景，其不僅可用在保健紡織品上，用于滿足民用市場(chǎng)的需要、改善人們的生活質(zhì)量，還可用在軍隊(duì)裝備上，用于滿足土木、電子、軍工等高端市場(chǎng)的需要。

國(guó)內(nèi)外科學(xué)家在導(dǎo)電織物方面的研究也越來(lái)越深入，很多科學(xué)家把提高織物的導(dǎo)電性能作為研究的重點(diǎn)。2002年，商思善[14]在化纖織物上化學(xué)鍍銅和電鍍鎳，解決了導(dǎo)電織物性能不穩(wěn)定、成本高等技術(shù)難題。2003年，周俊峰[15]采用合適的分散劑，研制出納米級(jí)鍍鎳晶粒導(dǎo)電織物。同年，余志成等[16]采用敏化活化一步法工藝，制得具有優(yōu)良導(dǎo)電效果的化學(xué)鍍鎳導(dǎo)電織物。2004年，王煒等[17]在化學(xué)鍍銅基礎(chǔ)上電鍍錫，解決了金屬鎳對(duì)環(huán)境的污染等一系列環(huán)保問(wèn)題。2005年，KAZUMASA等[18]利用六氟乙酰丙酮對(duì)布面進(jìn)行預(yù)處理，大大增加了布面和銅的結(jié)合牢度；同年，KUTANIS等[19]采用聚乙烯酯纖維制備了導(dǎo)電布。2007年，陳文興等[20]在非織造布表面采用直流磁控濺射鍍銅方法制得了導(dǎo)電織物。由直流磁控濺射方法制得的導(dǎo)電織物雖具有顏色單一、柔軟度不理想、成本高等缺點(diǎn)，但其薄膜層結(jié)構(gòu)均勻、致密、不分解、熱穩(wěn)定性好、工藝簡(jiǎn)單、不污染環(huán)境且導(dǎo)電率較高，具有很好的應(yīng)用前景。

本文選用滌綸(PET)紡黏熱軋非織造布為基底、以金屬銅為靶材，利用磁控濺射法對(duì)織物表面進(jìn)行濺射鍍膜，以獲得具有更小電阻即導(dǎo)電性能更好的磁控濺射功能織物，并對(duì)濺射工藝參數(shù)(進(jìn)氣量、濺射功率、工作氣壓、靶基距、濺射時(shí)間等)和濺射后織物的導(dǎo)電性能進(jìn)行研究和探索。

1 試驗(yàn)部分

1.1主要試驗(yàn)材料與設(shè)備

500型織物功能處理器、銅靶(純度99.5%)、氬氣(純度99.5%)、PET紡黏熱軋非織造布(面密度78 g/m2)、RTS-9型雙電測(cè)四探針測(cè)試儀。

1.2試驗(yàn)方法

首先，在沉積前將PET紡黏熱軋非織造布基底放在丙酮溶液中，超聲波清洗30 min；然后，將基底去離子水超聲波清洗30 min；再用去離子水將基底漂洗5次， 將清洗好的基底放在烘箱中以100 ℃的溫度烘干。

接著，將準(zhǔn)備好的基底放入500型織物功能處理器濺射室內(nèi)，按不同的工藝參數(shù)制備各種試樣。

第三，將制備的各種試樣在RTS-9型雙電測(cè)四探針測(cè)試儀上進(jìn)行測(cè)試，得到試樣的表面電阻值。

2 試驗(yàn)安排

本試驗(yàn)先分別對(duì)進(jìn)氣量、濺射功率、工作氣壓、靶基距和濺射時(shí)間進(jìn)行導(dǎo)電性能的單因素試驗(yàn)，以確定各因素對(duì)試樣導(dǎo)電性能(即表面電阻值)的影響，以為后續(xù)的二次正交旋轉(zhuǎn)組合設(shè)計(jì)確定參數(shù)范圍。結(jié)果顯示：

(1) 進(jìn)氣量在5.00～50.00 mL/min范圍內(nèi)調(diào)節(jié)時(shí)，隨著進(jìn)氣量的增加，試樣的表面電阻值呈先減小后增大的趨勢(shì)，其中當(dāng)進(jìn)氣量在30.00～40.00 mL/min 時(shí)表面電阻值較?。?/p>

(2) 預(yù)試驗(yàn)得出試樣可承受功率范圍為20.0～ 170.0 W，于是在20.0～170.0 W范圍內(nèi)逐漸增加濺射功率，發(fā)現(xiàn)表面電阻值隨濺射功率呈單調(diào)遞減趨勢(shì)，即導(dǎo)電性能隨濺射功率單調(diào)遞增；

(3) 當(dāng)工作氣壓在0.400～3.000 Pa范圍內(nèi)調(diào)節(jié)時(shí)，隨著工作氣壓的增加，表面電阻值整體呈增加趨勢(shì)，且進(jìn)一步探討發(fā)現(xiàn)，工作氣壓在0.200～0.800 Pa 時(shí)，表面電阻值總體呈先減小后增大的趨勢(shì)，且在0.200～0.600 Pa范圍內(nèi)表面電阻值較??；

(4) 當(dāng)靶基距在3.000～9.000 cm范圍內(nèi)調(diào)節(jié)時(shí)，隨著靶基距的增加，表面電阻值呈先減小后增大的趨勢(shì)，且較小表面電阻值出現(xiàn)在靶基距為3.000～ 5.000 cm范圍內(nèi)；

(5) 當(dāng)濺射時(shí)間在2.00～6.00 min時(shí)，隨著濺射時(shí)間的增加，表面電阻值呈逐漸減小趨勢(shì)，即導(dǎo)電性能逐漸提高。

3 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

在單因素試驗(yàn)的基礎(chǔ)上，采用五因素五水平二次正交旋轉(zhuǎn)組合設(shè)計(jì)。以進(jìn)氣量(X1)、濺射功率(X2)、工作氣壓(X3)、靶基距(X4)、濺射時(shí)間(X5)為自變量，試樣的表面電阻值(Y)為響應(yīng)值，因素和水平編碼見表1。

表1 試驗(yàn)因素及水平編碼

4 結(jié)果與討論

4.1建立回歸模型

對(duì)制得試樣的表面電阻值(Y)進(jìn)行測(cè)試，得出的二次正交旋轉(zhuǎn)組合設(shè)計(jì)試驗(yàn)方案結(jié)果見表2。

表2 二次正交旋轉(zhuǎn)組合設(shè)計(jì)試驗(yàn)方案及結(jié)果

(續(xù)表)

應(yīng)用SAS軟件處理求得回歸方程：

Y= 35.745 920-3.452 158·X1-16.617 040·X2+
5.491 592·X3+9.510 342·X4-5.422 991·X5+
7.104 557·X1·X1-6.023 549·X1·X2+
5.753 237·X1·X3+5.448 549·X1·X4-
5.774 888·X1·X5+7.249 200·X2·X2-
4.711 049·X2·X3-7.171 987·X2·X4-
2.145 424·X2·X5-2.304 818·X3·X3+
16.136 050·X3·X4-2.556 138·X3·X5-
1.297 005·X4·X4-2.501 451·X4·X5+
5.223 307·X5·X5

(1)

接著，采用SAS軟件對(duì)試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行響應(yīng)面分析，試驗(yàn)結(jié)果的方差分析見表3。

從表3可以看出：9.631 2gt;F0.01(20,15)=3.360 0，P=0.000 100，說(shuō)明回歸方程在α=0.01顯著水平上高度顯著，且擬合很好，即回歸方程(1)成立。在α=0.01顯著水平剔除不顯著項(xiàng)后，簡(jiǎn)化后的回歸方程：

表3 試驗(yàn)結(jié)果方差分析

Y= 33.344 700-16.617 040·X2+5.491 592·X3+
9.510 342·X4-5.422 991·X5+7.104 557·X1·
X1-6.023 549·X1·X2+7.249 200·X2·
X2-7.171 987·X2·X4+16.136 050·X3·
X4+5.223 307·X5·X5

(2)

4.2因素效應(yīng)分析

4.2.1 主效應(yīng)分析

對(duì)回歸方程(2)進(jìn)行降維處理，得Yi(各因素表面電阻值)的主效應(yīng)方程：

Y1= 33.344 700+7.104 557·X1·X1

(3)

Y2=33.344 700-16.617 040·X2+

7.249 200·X2·X2

(4)

Y3=33.344 700+5.491 592·X3

(5)

Y4=33.344 700+9.510 342·X4

(6)

Y5= 33.344 700-5.422 991·X5+

5.223 307·X5·X5

(7)

因?yàn)樵囼?yàn)中各因素的處理均經(jīng)過(guò)了無(wú)量綱線性編碼代換，所以偏回歸系數(shù)不再受因素取值大小與單位的影響，即已標(biāo)準(zhǔn)化，偏回歸系數(shù)絕對(duì)值的大小可直接反映變量對(duì)于響應(yīng)值的影響程度[21]。各因素在參數(shù)取值的范圍內(nèi)對(duì)試樣表面電阻值作用的大小順序是X2(濺射功率)gt;X4(靶基距)gt;X3(工作氣壓)gt;X5(濺射時(shí)間)gt;X1(進(jìn)氣量)。

圖1反映了單因素對(duì)試樣表面電阻值的影響。由圖1可知Xi在[-2, 2]水平區(qū)域內(nèi)：X1、X2、X3對(duì)表面電阻的影響，都有一個(gè)臨界水平點(diǎn)。其中，X1在0水平處取得最小值；X2和X5在1水平處取得最小值；X3和X4在-2水平處取得最小值、在2水平處取得最大值。故，表面電阻值取得最小時(shí)的水平組合為X1= 0、X2=1、X3=-2、X4=-2、X5=1。

圖1 單因素對(duì)表面電阻值的影響

4.2.2 交互作用效應(yīng)分析

利用SAS軟件分析得到雙因素各交互作用對(duì)Y的響應(yīng)面三維圖和對(duì)應(yīng)的等高線圖(圖2)。

圖2 雙因素交互作用對(duì)Y的響應(yīng)面三維圖和對(duì)應(yīng)的等高線圖

由圖2可知：在一定范圍內(nèi)，X1與X2，X4與X2，X4與X3表現(xiàn)出了一定的交互效應(yīng)。其中，X1與X2的交互作用、X4與X2的交互作用，對(duì)表面電阻值的影響都為負(fù)作用，即交互作用越大表面電阻值越?。籜4與X3的交互作用對(duì)表面電阻值的影響為正作用，即交互作用越大表面電阻值越大。

4.3數(shù)學(xué)模型尋優(yōu)

為制備得到導(dǎo)電性能良好的導(dǎo)電織物，根據(jù)建立的優(yōu)化數(shù)學(xué)模型Y，對(duì)每個(gè)因素選取5個(gè)水平(-2、 -1、 0、 1、 2)，利用SAS軟件對(duì)55=3125個(gè)方案利用統(tǒng)計(jì)方法尋優(yōu)。在試驗(yàn)取值范圍內(nèi)得出導(dǎo)電織物的表面電阻值控制在低阻(1.000 0～100.000 0 Ω)范圍的，有249套設(shè)計(jì)方案滿足。在這249套設(shè)計(jì)方案中，統(tǒng)計(jì)水平的頻次分布及統(tǒng)計(jì)結(jié)果如表4所示。

表4 導(dǎo)電織物表面電阻值在1.000 0～100.000 0 Ω間的各因素水平的頻次分布

由表4可以看出，制備工藝參數(shù)的實(shí)際值——進(jìn)氣量(X1)為34.78～35.00 mL/min、濺射功率(X2)為82.4～83.5 W、工作氣壓(X3)為0.382～0.393 Pa、靶基距(X4)為3.855～3.910 cm、濺射時(shí)間(X5)為4.01～4.13 min時(shí)，導(dǎo)電織物的表面電阻值有95%的可能為1.000 0～100.000 0 Ω。

結(jié)合實(shí)際生產(chǎn)，確定制備較低表面電阻值的導(dǎo)電織物的最優(yōu)化工藝參數(shù)組合為進(jìn)氣量35.00 mL/min、濺射功率83.0 W、工作氣壓0.400 Pa、靶基距3.900 cm、濺射時(shí)間4.10 min，并按照此最優(yōu)條件重復(fù)3次驗(yàn)證試驗(yàn)，所得導(dǎo)電織物的表面電阻值在1.000 0～100.000 0 Ω內(nèi)。

5 結(jié)論

本試驗(yàn)是在各單因素試驗(yàn)的基礎(chǔ)上，選用五因素五水平的二次正交旋轉(zhuǎn)組合設(shè)計(jì)方法進(jìn)行的。其中，以進(jìn)氣量(X1)、濺射功率(X2)、工作氣壓(X3)、靶基距(X4)、濺射時(shí)間(X5)為自變量，導(dǎo)電織物的表面電阻值(Y)為響應(yīng)值。與單因素分析不同，二次正交旋轉(zhuǎn)組合設(shè)計(jì)中不僅考慮了單因素的影響，還考慮了各因素之間的交互作用，故較之單因素試驗(yàn)更全面，結(jié)果更準(zhǔn)確：

(1) 在試驗(yàn)取值范圍內(nèi)，各因素對(duì)導(dǎo)電織物表面電阻值的作用大小順序是X2gt;X4gt;X3gt;X5gt;X1；

(2) 建立了各因素與表面電阻值之間的回歸方程，回歸關(guān)系顯著，擬合程度較高，這對(duì)制備具有良好導(dǎo)電性能的導(dǎo)電織物的分析與研究具有很好的參考價(jià)值，其回歸方程為Y=33.344 700-16.617 040·X2+5.491 592·X3+9.510 342·X4-5.422 991·X5+ 7.104 557·X1·X1-6.023 549·X1·X2+7.249 200·X2·X2-7.171 987·X2·X4+16.136 050 ·X3·X4+5.223 307·X5·X5；

(3) 制備較低表面電阻值(1.000 0～100.000 0 Ω)的導(dǎo)電織物的最優(yōu)化工藝參數(shù)組合為進(jìn)氣量35.00 mL/min、濺射功率83.0 W、工作氣壓0.400 Pa、靶基距3.900 cm、 濺射時(shí)間4.10 min。

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Process optimization of conductive fabrics prepared by magnetron sputtering

ZhouYunbin1, 2,DuWenqin2

1. School of Clothing and Design, Guangzhou Nanyang Polytechnic, Guangzhou 510900, China;2. School of Textile and Clothing, Wuyi University, Jiangmen 529000,China

In order to prepare fabrics that possessed better conductivity, with Cu as target materials, the conductive fabrics were obtained through using magnetron sputtering technique to deposited Cu on the polyester spun-bonded hot rolled nonwovens. And their surface resistance was tested. The air input, the sputtering power, the working pressure, the target-substrate distance and the sputtering time were researched respectively by the single factor experiments, in order to explore the relationship between the sputtering process parameters and the conductive performance of the samples. Then, the optimum conditions were obtained by the design of quadratic general rotation combination based on single factor experiment. The optimum combination of preparing conductive fabric with a lower surface resistance was that the air input was 35.00 mL/min, the sputtering power was 83.0 W, the working pressure was 0.400 Pa, the target-substrate distance was 3.900 cm and the sputtering time was 4.10 min. And the resistance range of the conductive fabrics was 1.000 0～100.000 0 Ω.

magnetron sputtering, conductive fabric, optimize, surface resistance, air input, sputtering power, working pressure, target substrate distance, sputtering time

TM242,TS176+.2

A

1004-7093(2017)09-0039-06

2017- 06-11

禚云彬，男，1984年生，講師，主要研究方向?yàn)榧徔棽牧稀z測(cè)及功能紡織品的研發(fā)與設(shè)計(jì)

杜文琴，wyudwq@163.com