基于磁控溅射技术的非织造空气过滤材料的制备及性能研究*

凤 权 华 谦 武丁胜 马坤强 苏 信

(安徽工程大学纺织面料安徽省高校重点实验室，芜湖，241000)

伴随着我国工业化以及经济的快速发展，近年来我国的环境面临着巨大的挑战，尤其与人类生活息息相关的大气污染问题受到更多的关注。熔喷非织造布由于其纤维超细、孔隙率高等独特的结构特点，具备较好的过滤性能［1-6］。

银具有优异的抗菌性能，且安全无毒，近年被广泛应用于抗菌材料的开发，国内外对其研究开发也在不断深入［7-9］。由磁控溅射技术制备的薄膜具有膜层结构均匀、致密，溅射工艺可重复性好，附着牢度高，不改变基材性质，无环境污染等优点［10-11］，因此该技术在导电、抗静电、抗反射涂层、抗菌等方面的应用有着显著的优势［12］。

本文以聚丙烯(PP)熔喷非织造布为基材，利用低温磁控溅射沉积技术制备镀银抗菌薄膜。在此基础上，将PP纺黏非织造布、涤纶/黏胶水刺非织造布以及镀银的PP熔喷非织造布复合，制成抗菌空气过滤材料，并对该材料的抗菌性能、过滤性能和透气性能进行了测试。

1 实验部分

1.1 材料

PP熔喷非织造布，面密度20 g/m2;

PP纺黏非织造布，面密度25 g/m2;

涤纶/黏胶水刺非织造布，面密度30 g/m2，涤纶与黏胶纤维的质量比为55∶45，浙江金三发集团提供;

高纯金属银靶，纯度99.99%，直径60 mm，厚度2 mm。

1.2 仪器

JPG450超真空多靶磁控溅射设备，中国科学院沈阳科学仪器研制有限公司;

JP-007超声波清洗机，深圳市洁盟清洗设备有限公司;

日本日立S-4800型冷场发射扫描电子显微镜;

GK-1000自动过滤效率测试仪，厦门高科防静电装备有限公司;

YG(B)461D数字式织物透气量仪，温州大荣纺织仪器有限公司。

1.3 实验方法

1.3.1 磁控溅射

将PP熔喷非织造布放在无水乙醇(纯度大于99.7%)中，用超声波洗涤器洗涤30 min，以去除织物表面的有机溶剂和灰尘等杂质，提高薄膜与基材之间的附着力，然后用去离子水反复冲洗，放入40～45℃的烘箱中烘干，裁剪成直径为14 cm的圆形试样待用。

所有样品均在室温条件下制备。以银靶为靶材，采用基材(PP熔喷非织造布)在上、靶材在下的结构，即由下向上的溅射方式制备纳米银薄膜。同时，为控制薄膜沉积时基材的温度，避免由于高温而发生的基材变形和纳米银颗粒的扩散运动，采用水冷装置冷却基片。在溅射过程中，为保证纳米银薄膜的纯度，先将反应室抽真空至5×10－4Pa，然后充入高纯氩气(纯度99.99%)作为溅射气体。实验过程中，样品架以约50 r/min的速度旋转。溅射时，保持气体流量20 mL/min、溅射压强1 Pa，然后分别调节溅射时间和溅射功率制得12种样品，并检测不同的磁控溅射条件对材料抑菌性能的影响。各样品的磁控溅射条件见表1。

表1 各样品的磁控溅射条件

采用S-4800型冷场发射扫描电子显微镜对样品表面进行扫描，从所得的SEM照片分析磁控溅射沉积纳米银镀层前后PP熔喷非织造布表面形态变化。

1.3.2 复合过滤材料的制备

以在气体流量 20 mL/min、压强 1 Pa、时间2 min和功率70 W的溅射工艺条件下制得的溅射了纳米银的PP熔喷非织造布为中间层，以PP纺黏非织造布及涤纶/黏胶水刺非织造布分别为上下层，将三者叠合压平，用超声花边机将边缘黏合，制成直径为14 mm的圆形过滤材料。

1.3.3 抗菌性能测试

按照标准 GB/T 20944.1—2007《纺织品抗菌性能的评价第1部分:琼脂平皿扩散法》对溅射了纳米银的PP熔喷非织造布样品进行抗菌性能测试，选择大肠杆菌作为实验菌种［13］。所有样品均制备成直径为8 mm的圆片。

1.3.4 过滤性能测试

将制得的三层复合过滤材料样品用GK-1000自动过滤效率测试仪进行过滤性能测试。作为对比，还对纺黏PP非织造布和涤纶/黏胶水刺非织造布复合材料进行过滤性能测试。每种样品分别测试三组试样，取平均值。自动过滤效率测试仪参数的设置如下:

温度 25℃

相对湿度 45%

测试阻力 80 Pa

测试流量 25 L/min

测试面积 100 cm2

气溶胶由2%NaCl产生，粒子直径约为0.3 μm;阻力由压力传感器测量夹具内样品上、下游的压力差得到。

过滤效率的计算公式:

1.3.5 透气性能测试

利用YG(B)461D数字式织物透气量仪对所制备的材料进行透气性能的测试。作为对比，同时对单层熔喷非织造布进行透气性能测试。同一样品重复测定10次，取平均值。

2 结果与讨论

2.1 溅射时间和溅射功率对抗菌性能的影响

不同溅射功率和不同溅射时间对样品抗菌性能的影响见表2。

从表2可以看出，随着溅射时间和溅射功率的增加，表面沉积纳米银的PP熔喷非织造布的抗菌效果愈加明显。这是由于纳米银薄膜的抗菌性能主要由银离子的活性和银离子溶出的总量决定，溶出的银离子直接作用于细胞壁，部分地切断蛋白质的结合，以抑止细胞的增殖而达到抗菌的效果［14］。根据GB/T 20944.1—2007的抗菌评价标准，抑菌带宽度达到1 mm即属于“抑菌效果好”［13］。本研究中，在保持气体流量20 mL/min、溅射压强1 Pa的情况下，在溅射时间2 min、溅射功率70 W，或者溅射时间3 min、溅射功率50 W时抑菌带宽已经超过2 mm，具有显著的抑菌效果。这说明经过磁控溅射而使其表面沉积纳米银的PP熔喷非织造布具有优良的抑菌性能。

表2 溅射功率和溅射时间对抗菌性能的影响

2.2 薄膜的表面形态分析

图1(a)为未经磁控溅射镀银处理的PP熔喷非织造布的SEM照片，图1(b)为经过磁控溅射处理的6号样品的SEM照片。

由图1可以看出:未经溅射的PP熔喷非织造布其纤维表面光滑，无任何颗粒;经过磁控溅射镀银处理后的6号样品其纤维表面覆盖一层纳米银颗粒，纳米银薄膜是由直径大多数在300～500 nm之间的粒子组成，粒子的均匀性相对较好，并基本呈连续覆盖的状态。

2.3 材料过滤效果的分析

纺黏/熔喷/水刺三层结构过滤材料和纺黏/水刺两层结构过滤材料两组实验样品的过滤性能测试结果见表3。

图1 磁控溅射处理前后的PP熔喷非织造布纤维表面的SEM照片

表3 两组样品空气过滤性能的测试结果

从表3数据可以看出，两层结构过滤材料的空气过滤效果很差，而三层结构过滤材料的过滤效率大幅提高。这是因为PP纺黏非织造布和涤纶/黏胶水刺非织造布两层结构复合过滤材料有较大的空隙，因此空气过滤效果很差;而当纺黏非织造布和水刺非织造布之间加入一层经磁控溅射镀银处理后的熔喷非织造布时，由于熔喷非织造布具有纤维细、比表面积大的特点，加之纤维的表面附上一层致密均匀的银膜，使得材料的孔径进一步变小，样品的过滤效率得到大幅提高。

由表3可知，纺粘/熔喷/水刺复合过滤材料过滤效率为66.02%。值得注意的是，测试所用的2%NaCl气溶胶颗粒的直径仅为 0.3 μm，而通常所说的 PM 2.5 的直径为 2.5 μm［15-16］。由此可以判定，该过滤材料具有良好的过滤性能。

2.4 材料透气性的分析

三层复合的抗菌过滤材料及单层熔喷非织造布透气性的测试结果见表4。

从表4数据可以看出，制备的抗菌空气过滤材料的平均透气率达到1 048.7 mm/s，虽稍低于单层熔喷非织造布的1 330.9 mm/s，但总体上仍体现出良好的透气性能。

3 结论

(1)以PP熔喷非织造布为基材，利用低温磁控溅射沉积技术可制备镀银抗菌薄膜。抗菌实验结果表明，随着溅射时间和溅射功率的增加，银离子溶出的总量增大，抗菌效果逐渐增强。

(2)以溅射纳米银的PP熔喷非织造布为中间层，PP纺粘非织造布、涤纶/黏胶水刺非织造布分别放置在上、下两侧构建的三层复合的非织造空气过滤材料，对粒径为0.3 μm的NaCl气溶胶的过滤效率为 66.02%，透气率为 1 048.7 mm/s。

(3)本研究构建的三层复合的非织造空气过滤材料体现出良好的抗菌、过滤和透气性能，在高效、高精度空气过滤方面将有良好的应用前景。

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