磁控溅射镀膜锦纶织物结合牢度的研究

王国轩，郭兴峰，肖 惠

（天津工业大学 纺织学院，天津 300160）

磁控溅射镀膜锦纶织物结合牢度的研究

王国轩，郭兴峰，肖 惠

（天津工业大学 纺织学院，天津 300160）

采用磁控溅射技术，以钛金属为靶材，锦纶织物为基材，制备了镀钛锦纶长丝织物.通过观测镀膜织物的表面形貌发现：镀膜仅覆盖在织物表面的纤维上，呈非连续分布状态，而经纬纱线间原有的空隙依然保留；受经纬纱交织点的影响，镀膜在经纱或纬纱呈交替分布.采用胶粘带法剥离镀膜，发现当剥离强度达到3.4～4.3 N/m时，依然没有薄膜脱落，说明镀膜与织物间具有较好的结合牢度.采用摩擦法测量镀膜的耐磨性，发现随溅射时间的增加，镀膜所能承受的耐磨次数增加，当镀膜时间为220 s时，其耐磨次数可达9 200次.

磁控溅射；锦纶织物；金属化织物；表面形貌；耐磨性

在纺织材料表面沉积纳米级金属薄膜，可使其获得各种新的功能，扩大纺织品的应用范围，如用于纤维太阳能电池、屏蔽电磁波、纤维传感器和抗菌纺织面料等方面[1－2].在纺织材料表面镀膜的方法主要有化学镀层法、真空蒸镀法、磁控溅射镀法等.化学镀层法[3－5]应用广泛，但镀液的稳定性、镀膜过程中的环境污染以及织物的耐服用性和耐水洗性等还需要作较大的改善.真空蒸镀法[6]的设备和工艺简单、薄膜纯净，但薄膜与基材附着性差.磁控溅射镀膜法[6－9]是一种高效的薄膜沉积工艺，具有溅射率高、基材温度低、膜基结合力好、装置性能稳定、操作控制方便、无环境污染等优势，可以在基材表面镀制单层或多层功能性薄膜，以实现材料的表面改性和功能化.由于钛金属具有优良的生物相容性[10－12]，本文以钛金属为靶材，以锦纶长丝织物为基材，采用磁控溅射工艺制备钛金属化的锦纶织物，然后研究织物的结构及钛膜与织物的结合牢度.

1 试验部分

1.1 实验材料与仪器

实验材料：锦纶长丝织物，6.7 tex×6.7 tex，380根/10cm×280根/10cm，平纹组织，将其裁剪成20cm×20 cm的方形试样备用；溅射用钛靶材，纯度99.99%；真空室氩气，纯度为99.999%；市售医用胶布、塑料胶粘带、3M600胶带和汉高百得强力万用胶布若干.

实验仪器：JPGF-450I型磁控溅射镀膜机，配有射频和直流电源，北京北仪创新真空技术有限责任公司生产；XTS-30体视显微镜，北京泰克仪器有限公司生产；YG034/BQ3型剥离强度仪，天津纺织工学院（现天津工业大学）生产；YG（B）401型织物平磨仪，安徽省江南机械厂生产.

1.2 钛金属化锦纶织物的制备

采用的磁控溅射镀膜方法如图1所示.在真空室内，钛金属靶材固定于圆靶的下部，锦纶织物固定在工件台上，处于金属靶材的正下方，靶材与织物的间距为60 mm.靶材与织物之间的挡板，起着隔离靶材与织物的作用，以防止在溅射实验的准备和结束阶段，额外的钛原子沉积在织物上；在溅射阶段，挡板可以移开，对金属在织物上的沉积没有任何阻碍.

镀膜时，真空室内充入一定工作压力的氩气，氩气原子被高压电场电离成高能离子，然后氩离子在电场的作用下加速，与靶材表面相撞击，靶材表面的原子因吸收氩离子的动能而脱离原来的晶格束缚，逸出靶材表面飞向织物，最终沉积在织物的表面形成薄膜.通过控制溅射时间、溅射功率等工艺参数，可以控制镀膜厚度的大小.工件台在镀膜过程中旋转，以使在织物上沉积的金属膜分布均匀.

在上述的镀膜方法中，钛金属仅沉积在面向靶材的织物表面，是单面钛金属化的织物，而织物另一面没有镀膜.将该织物翻转后固定在工件台上再次镀膜，就可以获得织物两面都有镀膜的钛金属化织物.

本研究中只是制备单面钛金属化织物，并就镀膜织物性能进行测试、分析.其操作步骤如下：将织物固定于工件台上，首先抽真空，使真空室内的压力降至本底真空度2.0×10-3Pa，再充入氩气，然后调节氩气压强和溅射功率开始镀膜，直至设定的溅射时间，完成一个样品的制备.

1.3 膜基结合性能测试

膜层与基材的结合牢度（或者称膜层对基材的附着性），是衡量镀膜织物质量的一个关键因素，它影响镀膜织物的使用寿命.由于目前还没有评价镀膜与织物结合牢度的标准，下面通过剥离和摩擦2种方法，探讨钛金属镀膜与锦纶织物的结合性能.

1.3.1 剥离性能测试

依据FZ/T 01010-1991《涂层织物涂层粘附强度测定方法》，利用YG034/BQ3型剥离强度仪测试镀膜织物的剥离性能.

测试时，设定剥离速度为（100±10）mm/min，回程速度为270 mm/min，剥离长度100 mm，当剥离到溅射中心区域时记录强度的数值，每个试样记录40个数值，然后求平均.

1.3.2 摩擦性能测试

依据国家标准GB/T21196-1-2007《纺织品马丁代尔织物耐磨性的测定》，采用平纹组织的纯毛织物（190根/10 cm×120根/10 cm，195 g/m2）做磨料，在 YG（B）401型织物平磨仪上对镀膜织物进行摩擦实验.

2 结果与讨论

2.1 钛金属化织物的结构

图 2（a）、（b）分别是镀膜前、后织物的显微镜观测照片.

从图2中可以发现，镀膜前的织物为白色，有一定光泽；镀膜后表面颜色变暗，具有金属光泽.镀膜仅覆盖在织物表面的纤维上，呈非均匀分布状态，经纬纱线间原有的空隙依然存在.因磁控溅射镀膜在织物表面沉积的镀膜很薄，为纳米级，所以镀膜后经、纬纱束丝中的单丝清晰可辨，甚至丝与丝之间的沟痕也依然存在.

钛金属为银白色，而镀膜织物的表面呈暗黑色，这是由于镀膜的织物从真空室取出后与空气接触，部分钛膜粒子发生了氧化反应.根据有关资料报道[13－14]，二氧化钛的抗菌性能优良，因此钛金属镀膜织物具有天然的抗菌性能，有利于其在医疗卫生领域的应用.

图3是从镀膜织物中拆出的纬纱显微照片，经纱也有类似的外观.

图3中黑色的区域是被钛金属膜覆盖的结果，而白色的区域没有被镀膜覆盖.造成这种镀膜段与非镀膜段交替出现的原因在于，磁控溅射只能在织物表面沉积金属膜，在经、纬纱的交织点，镀膜仅能覆盖在表层的纱线上，而底层的纱线没有被镀膜覆盖.这种未被镀膜区域的存在，必将影响织物改性的效果.

2.2 镀膜与织物的剥离性能

实验时，将胶粘带牢固地粘贴在镀膜织物的表面，然后再将胶粘带从织物上剥离，实验方法如图4所示.测量将两者分离所需剥离强力F的大小，并观察织物上镀膜脱落的情况.

设锦纶织物与钛金属膜之间的结合力为T，胶粘带与镀膜之间的结合力为T1，根据T与T1间大小的关系，可分为3种情况：①当T远大于T1时，胶粘带并不能把镀膜从织物上剥离；②当T远小于T1时，则镀膜可以完全与织物分离，转移到胶粘带上；③而当T与T1接近时，则镀膜部分转移到胶粘带上，部分还保留在织物上.只有在后2种情况下，测量的镀膜与织物的剥离载荷F，才反映了镀膜与织物的结合牢度；而第一种情况，测试的是镀膜与胶粘带之间的剥离载荷，而镀膜与织物的实际剥离载荷，要比测试的结果要大.可见，在选择胶粘带时，其与镀膜的结合力应尽量大.

采用上述方法测试了医用胶布、塑料胶粘带、3M600胶带和汉高百得强力万用胶布4种胶带与镀钛膜锦纶织物的剥离强力.首先将胶带粘贴在镀膜织物表面，再施加147 N压力达12 h，以使胶带与镀膜织物充分粘贴，然后在YG034/BQ3型剥离强度仪上以（100±10）mm/min的剥离速度，测试剥离力的大小.在这4种胶粘带中，汉高胶粘带的剥离强度最大，在3.4～4.3 N/cm之间.再观察织物上的镀膜，并没有镀膜从织物分离转移到胶粘带上，说明测试结果仅反映了镀膜与胶粘带之间的结合力，而镀膜与织物间的结合力比镀膜与胶粘带间的更大.

2.3 镀膜与织物的摩擦性能

测试6种锦纶镀膜织物在镀膜被磨损时的摩擦次数，结果如表1所示.制备6种镀钛织物的溅射功率、工作压强均分别为400 W、0.5 Pa，但镀膜时间不同.

表1 摩擦次数与镀膜时间的关系Tab.1 Relationship between abrasion cycles and deposition time

与毛织物的硬度相比，显然钛金属要大得多，因此毛织物与钛金属摩擦，受磨损的主要是毛织物.但将毛织物与镀钛织物相摩擦，并使镀膜产生磨损，主要反映的是镀膜与织物的结合性能.这是由于镀膜很薄，仅为纳米级，在毛织物反复摩擦、揉搓等机械作用下，镀膜会从织物上破裂、脱落.因此，测试的摩擦次数反映了镀膜与织物的结合牢度，摩擦次数越多，镀膜与织物的结合牢度越大.

从表1可见，随着镀膜时间的增加，摩擦次数越大，这是因为镀膜时间影响镀膜的厚度，镀膜时间越长，在织物上沉积的钛金属膜厚度越大，摩擦破坏时镀膜越不容易产生破裂、脱落.

3 结论

（1）通过分析镀钛织物的细观结构，发现钛金属膜很薄且仅覆盖在织物表面，纱线间的空隙依然存在，钛膜在经（纬）纱线上呈交替分布状态.

（2）钛金属膜与织物间的结合牢度较大，采用胶粘带法剥离镀膜，当剥离强度达3.4～4.3 N/cm时，没有镀膜被剥离下来；随镀膜时间延长，镀膜的耐磨次数增多，镀膜时间延长至220 s时，耐磨次数9 200次.

[1]JIANG S Q，NEWTON E，YUEN C W M，et a1.Chemical silver plating and its application to textile fabric design[J].Journal of Applied Polymer Science，2005，96（3）：919－926.

[2]王鸿博，魏取福，高卫东.PET基纳米Ag薄膜导电性能及AFM 分析[J].材料导报，2007，21（11）：92－93，98.

[3]方小强，柴东朗，钟 辉.玻璃纤维的表面金属化[J].广东微量元素科学，2009，16（5）：64－67.

[4]罗天骄，姚广春，张晓明，等.连续碳纤维表面金属化[J].东北大学学报：自然科学版，2005，26（9）：882－885.

[5]成 洪.金属镀膜织物的发展和应用[J].济南纺织化纤科技，2009（2）：41－46.

[6]徐成海.真空工程技术 [M].北京：化学工业出版社，2006：561－562，585－586.

[7]余 平，任雪勇，肖清泉，等.磁控溅射真空制膜技术[J].贵州大学学报：自然科学版，2007，24（1）：68－70，86.

[8]余东海，王成勇，成晓玲，等.磁控溅射镀膜技术的发展[J].真空，2009，46（2）：19－25.

[9]王国轩，郭兴峰.预处理工艺对磁控溅射镀膜织物膜基结合力的影响[J].天津工业大学学报，2010，29（4）：57－60.

[10]王 明，宋西平.医用钛合金腐蚀、力学相容性和生物相容性研究现状[J].钛工业进展，2008，25（2）：13－18.

[11]陈寰贝，高 伟.医用多孔钛及钛合金的研究进展[J].南方金属，2009（4）：26－28.

[12]吴义舟，郭爱红.生物医用钛合金的发展及研究现状[J].材料开发与应用，2010，25（2）：81－85.

[13]吴 峰，蔡继业.壳聚糖／纳米TiO2杂化材料的制备及抗菌性能表征[J].高分子材料科学与工程，2008，24（3）：148－151.

[14]王海云，李双燕，张幼珠.载银纳米二氧化钛对棉织物的抗菌性能研究[J].印染助剂，2009，26（10）：23－26.

Study on film-substrate bonding fastness of Ti-metallic nylon fabrics prepared by magnetron sputtering technology

WANG Guo－xuan，GUO Xing－feng，XIAO Hui
（School of Textiles，Tianjin Polytechnic University，Tianjin 300160，China）

Because of the specific practical function of surface metallic fabrics，Ti－metallic nylon fabrics were prepared by magnetron sputtering technology.The surface morphology of film－deposited fabrics was observed，and the results show that Ti film is only deposited on fabrics′surface fibers in a discontionuous state，and blanks between yarns are remained.Under the influence of weaving points of warp and weft yarns，Ti film distribute alternately on yarns′surface.Ti film and fabrics have good bonding fastness as proved by adhesive tape peel－off method and when the peel－off intensity was up to 3.4－4.3 N/m，there was still no film apart from substrates.Ti film′s abrasion resistance was tested by rubbing method，and it is found that Ti film abrasion resistance improves with the increase of the sputtering time，when the sputtering time is 220 s，the abrasion cycles are up to 9 200.

magnetron sputtering；nylon fabrics；metallic fabrics；surface morphology；abrasion resistance

TS156；TQ153.3

A

1671－024X（2010）05－0046－03

2010－06－11 基金项目：天津市科技发展计划项目（06YFJZJC14800）

王国轩（1985—），男，硕士研究生.

郭兴峰（1964—），男，博士，教授，硕士生导师.E－mail：xfguo@tjpu.edu.cn