织物上电子束蒸发沉积镀膜的耐磨及抗紫外线性能

李凤艳，葛安香，陈 勃

(1.天津工业大学纺织学院，天津 300387;2.天津工业大学天津市先进纺织复合材料教育部重点实验室，天津 300387;3.佛山市黄氏集团有限公司，广东佛山 528247)

目前，电磁辐射(包括中波、短波、超短波、红外线、紫外线)已成为当今世界影响公众健康和破坏生态环境的隐形杀手，如何减少电磁辐射对人类生产和生活的负面影响成为全球范围内各领域一直在关注的课题。高分子纤维材料在服装、家居装饰和产业领域都有广泛的应用，是可以实现电磁屏蔽作用的最佳柔性载体，但是由于常规纤维材料对电磁波而言是透明的，无法从反射和吸收的角度控制电磁波的传播方向，因此，需要对其进行特殊的功能整理，使纤维既能保持原有的柔软、耐折叠等优良的服用性能，又具有独特的电磁特性，在日常生活、生产及军事领域里都表现出广阔的实际应用前景。

金属化处理是实现高分子纤维材料电磁防护功能的重要手段之一，可通过化学镀［1－3］、真空镀［4－6］、溅射镀［7－9］等方式实现，其中真空镀膜尤其是电子束加热方式的真空蒸发镀膜具有能量集中、蒸发温度可控可调、有效抑制二次电子发射等优点，成膜质量高［10］，是无机材料及高分子材料重要的表面处理方式，其附着牢度及性能与加工时的工艺技术条件直接相关。前期的研究工作［6］表明，棉纤维表面的导电性能因金属膜的沉积而得到明显的提高，本文将在此基础上，利用电子束蒸发沉积法在不同成形结构的纤维材料表面溅射镀膜，通过对其进行摩擦处理，基于图像处理技术分析金属薄膜在柔性纤维材料表面成膜的稳定性及抗紫外线性能的耐久性。

1 实验部分

1.1 电子束蒸发镀膜纤维的制备及表征

实验所用纤维为涤纶和棉，其中，涤纶通过纬编成形技术加工成针织物，织物密度为50横列/5 cm;棉纤维经过机织成形技术加工成平纹机织物，织物经纬向密度均为248根/10 cm。将织物裁剪成20 cm×20 cm的方形试样，用丙酮溶剂超声清洗20 min，去除表面杂质;将清洁后织物置于DM450型电子束蒸发沉积镀膜机(北仪创新真空技术有限公司，北京)的载物台上，用镍络长丝(质量比为80∶20，直径为0.1 mm)进行单面溅射镀膜。镀膜前后纤维的微观形貌采用JSM5600LV型扫描电子显微镜、能谱分析仪(SEM+EDS)和XTS-30型体式显微镜(北京泰克仪器有限公司)进行表征。

1.2 镀膜的耐磨性能测试及表征

将镀膜处理前后的织物剪成直径为4 cm的圆形试样，放置在YG401型马丁代尔织物平磨仪(温州大荣纺织仪器有限公司)上，采用(395+2)g加压重锤，磨料采用华达呢。采用体式显微镜拍摄不同摩擦处理次数后织物样品的表面形貌，并导入Photoshop CS3图像处理软件分析织物外观形态。根据其明度直方图，如图1所示(图1(a)为拍摄照片，图1(b)为对应的明度直方图)，计算所拍图片的明度平均值。明度值反映图像的色调灰度，与图像的白度成正比，样品表面越白，明度值越大，说明摩擦处理后基底纤维材料露出的越多，金属膜剥离的越多，在纤维表面的耐磨性也越差。

图1 Photoshop图像处理及分析Fig.1 Photoshop processing and analysis.(a)Morphology before friction;(b)Lightness result

1.3 织物抗紫外线性能测试

采用KHF-BP032防紫外线保护测试系统(健豪仪器股份有限公司)，根据AATCC183—1998《紫外线透过织物的透射比和阻截率试验方法》进行测试。测试对象为不同溅射镀膜工艺参数处理后的，以及摩擦不同次数的织物样品。防紫外线性能用UPF值表示，UPF值越大，防紫外线效果越好。

2 结果与讨论

2.1 镀膜形貌及成分分析

用体式显微镜观察镀膜后涤纶针织样品，结果如图2所示。

图2 镀膜前后涤纶针织物形貌(×30)Fig.2 Morphology of polyester knitted fabric before(a)and after(b)coating(×30)

通过对比可看出:镀膜前的样品表面为白色，有一定光泽;镀膜后纤维表面颜色变黑，具有金属光泽，这是镍络原子在纤维表面沉积的结果。镀膜仅覆盖在表面的纤维上，呈非均匀分布状态，针织物线圈纱线间原有的空隙依然存在。因电子束蒸发沉积法在织物表面沉积的薄膜为纳米级，所以镀膜后针织物线圈单根纤维清晰可辨，甚至纤维与纤维之间的沟痕也依然存在。由于是单面镀膜，所以基底纤维只有镀膜一面有上述变化。

用扫描电镜和EDS观察镀膜前后棉纤维的形貌并分析元素成分变化，结果如图3、4所示。棉纤维原样表面并不光滑，这可能是因为退浆等前处理不完全所致，纤维由C、O 2种元素组成;镀膜后的纤维表面出现明显的涂层结构，并且由相应的EDS分析结果可知，涂层部分含有Cr、Ni、Fe元素。由于镀膜所用的蒸发材料为NiCr长丝，所以导致镀膜后的纤维表面有Cr、Ni元素，另外，Fe元素的出现可能是由于NiCr长丝不纯引起的。

图3 镀膜前后棉纤维的SEM照片(×3000)Fig.3 SEM images of cotton fibers before(a)and after(b)coating(×3000)

图4 镀膜前后棉纤维的EDS表征结果(×3000)Fig.4 EDS of cotton fibers before(a)and after(b)coating(×3000)

2.2 摩擦处理前后形貌分析

将摩擦处理后的纤维机织物和针织物(镀膜时间为20 min，束流为200 mA)用体式显微镜进行观察，其形貌如图5、6所示。可看出，随摩擦次数的增加，纤维表面的明度增加，说明金属化织物表面的金属膜随摩擦次数的增加而脱落，显露基底纤维的颜色为白色，根据图片明度值可确定金属膜的脱落程度，为镀膜工艺对纤维表面金属膜的耐磨稳定性影响分析提供了依据。对比图5、6显见，棉纤维机织物金属膜剥离的速率远远大于涤纶针织物。这是由于2种纤维原料及其成形方式不同而引起的:棉纤维的初始模量大，且其成形方式为平纹机织结构;涤纶的初始模量小，并且为纬编针织结构。这些差异使棉织物的弹性变形远小于涤纶织物，所以在经受平磨的过程中，棉纤维受摩擦严重，而涤纶因较强的纬向变形能力对摩擦作用有缓冲，减弱了摩擦效果。

图5 镀膜棉纤维表面摩擦后的外观形貌Fig.5 Morphology of coated cotton fibers before and after friction.(a)0 times;(b)1800 times;(c)2400 times

2.3 镀膜工艺对织物性能的影响

2.3.1 镀膜时间的影响

以涤纶纤维针织成形结构为处理对象，保持镀膜束流为200 mA，镀膜时间分别为10、20、30 min，采用图像处理技术对处理后织物的明度值进行测试，分析镀膜时间对织物表面电子束蒸发沉积膜耐磨稳定性能的影响，同时测试其抗紫外线性能，结果如图7所示。未经处理的涤纶织物UPF值为12.4。

图6 镀膜涤纶纤维表面摩擦后的外观形貌Fig.6 Morphology of coated polyester fibers before and after friction.(a)0 times;(b)1800 times;(c)2400 times

图7 镀膜时间对织物性能的影响Fig.7 Effect of coating time on fabric properties.(a)Film stability;(b)Anti-UV property

由图7可知，镍铬金属膜的沉积很大程度上提高了织物的抗紫外线性能。根据式(1)计算镍铬合金的折射率，其值为3.77。

式中:neff为等效折射率;fi为i物质的填充率(镍为0.8，铬为0.2);ni为i物质的折射率(镍为3.95，铬为2.97)。

根据式(2)可计算镍铬合金的反射率为34%。

式中:R为反射率;n为折射率。

由于折射率常随波长的减小而增大，因此，可推测镍铬合金对于紫外线有较高的折射率和反射率，使织物具有了优良的防紫外线性能。

此外，由图还可看出:1)镀膜时间为20 min时，织物表面的明度值最大，说明在织物表面形成的金属膜最平整，对光线的反射量最大，并且光滑平整的镜面反射作用也使得UPF值最高(图7(b))。2)随着摩擦次数的增加，所有镀膜处理后织物的明度值均呈现逐渐增大的趋势，当摩擦处理1000次时，镀膜30 min样品的变化率高达27.8%，表明金属膜在摩擦力作用下与基底纤维材料发生剥离。但是这种剥离作用也使织物表面变得粗糙，对紫外线的反射由镜面反射转变为漫反射，同时织物经加压状态下的摩擦力作用后，纱线压扁，织物的充满系数增加，降低了紫外线的透过。二者的综合作用使织物的UPF值没有因为金属膜的剥离而降低，反而呈现逐步上升的趋势。3)随着摩擦力的继续作用，镀膜10 min和30 min样品的明度和UPF值的变化均趋于稳定，并且UPF值高于未经电子束蒸发镀膜处理的样品，而镀膜20 min的样品其UPF值仍呈现明显上升趋势。这表明在电子束蒸发镀膜过程中，金属原子除了通过机械咬合作用沉积在基底纤维材料表面外［11］，仍有部分微细颗粒进入纤维内部或者通过范德华力与纤维材料相结合［12］，提高了金属薄膜与纤维的结合力，从而在多次的摩擦后也可获得比较持久的抗紫外线性能。

2.3.2 镀膜束流的影响

保持镀膜时间为20 min，改变镀膜束流分别为150、200、280 mA，分析镀膜束流对织物表面电子束蒸发沉积膜的成膜性能及抗紫外线性能的影响，结果如图8所示。

镀膜束流影响电子束的能量和能量密度，其值越大，镍铬长丝内电子获得的逸出表面能量越大，发射出更多的热电子，在基底材料表面蒸发沉积的金属膜生长速度越快，因此，随着镀膜束流的增加，纤维表面的明度值下降，抗紫外线性能提高，在镀膜束流达到280 mA时，纤维样品的UPF值高达26。另外，由图8(a)还可看出，随着镀膜束流的增加，当摩擦接近500次时，纤维表面的明度值下降缓慢，表现为斜率较小。这是由于高电子束流的轰击作用使膜层材料迅速升高，并以相对较高的温度在基底表面形成金属膜，导致膜的延展性提高［13］，与柔性纤维基底材料在外力作用下的形变可达到良好的匹配，一定程度上避免了金属膜从衬底上的剥离和脱离。镀膜束流对织物抗紫外线性能的影响与时间一致。

图8 镀膜束流对织物性能的影响Fig.8 Effect of electron beam currency on fabric properties.(a)Film stability;(b)Anti-UV property

3 结论

以柔性的纤维材料为基底，利用电子束蒸发沉积法制备金属膜，基底材料及成形方式、镀膜工艺对纤维表面成膜的耐磨稳定性及抗紫外线性能均有影响。棉纤维机织结构材料上沉积的金属膜在摩擦力作用下易剥离。对于涤纶针织结构的基底材料，在溅射时间为20 min、溅射电子束流为280 mA时，金属薄膜与基底的结合牢度好，UPF值高达26，当摩擦超过2500次时，其UPF值超过40，具有较优异的持久功能性。

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