磁控溅射工艺参数对涤纶织物结构色出色效果的影响

叶丽华，杜文琴



磁控溅射工艺参数对涤纶织物结构色出色效果的影响

叶丽华，杜文琴

(五邑大学 广东省高校功能性纺织品研究中心，广东 江门 529020)

采用射频磁控溅射法，在涤纶平纹白坯布上溅射、周期薄膜成功制备出了织物结构色. 利用场发射扫描电镜和超景深三维显微镜对织物结构色的表面形貌和出色效果进行表征，并用分光光度计测量镀膜前后织物的色度差，同时，应用宏观角分辨光谱仪R1测得织物的多角度反射和散射光谱图，以精确量化描述织物结构色. 通过改变溅射工艺，探究了靶基距、溅射周期、气体流量、工作气压和溅射功率等5个不同的溅射工艺参数对织物结构色出色效果的影响，结果发现：当靶基距，工作气压，气体流量，溅射周期3个周期以上，溅射功率以上时，织物表面已出色明显，且小范围内调整溅射功率和测射周期对出色效果的影响不大. 靶基距和工作气压对出色效果的影响比较明显，在实验设置的溅射气氛中，工作气压为，靶基距为时出色效果最好.

射频磁控溅射；涤纶织物；结构色

生物结构色最早发现于17世纪，存在于自然界中的结构色是由于入射的可见光在生物表面的韧带层、壳质层、脊等精细微观结构处发生了干涉、透射、衍射和散射等作用而产生的色彩效果[1-2]. 结构色的产生无毒、环保且需求能源少，其有望成为一种新型无水染色技术，以解决目前印染业的环境污染问题，并产生染色无法实现的多彩颜色. 目前结构色在纺织行业的应用主要是制备结构色纤维和结构色织物两方面，结构色纤维主要通过电泳沉积法、重力沉降法、毛细管中胶体微球自组装、溶胶凝胶法[3-5]等方法制备. 虽然这些制备方法简单、快速，但其力学强度不够，且在纺纱织造工序中，有色结构可能会被破坏，因此结构色纤维要真正具有应用价值还需改进. 而关于结构色织物的研究报道较少.

磁控溅射镀膜具有靶材沉积速率高、成膜质量好、适宜大面积生产等优点，在镀膜行业中得到了广泛应用，如手机屏幕、高档门把手、汽车防紫外膜、水龙头外层金属膜等，而运用磁控溅射镀膜法在织物上制备多层干涉膜使其呈现结构色的研究还鲜有报道. 本文采用磁控溅射的方法在涤纶白坯布上交替溅射高折射率的灰色靶材和低折射率的无色透明的靶材制备了周期性薄膜，成功获得了靓丽的且具有虹彩效应的结构色，并探究了改变不同的单因子溅射条件，涤纶织物结构色出色效果的变化情况.

1 试验部分

1.1 试验材料及仪器

试验仪器：500型织物功能处理机（沈阳科学仪器研制中心有限公司）；SEM扫描电镜；coloreye700A分光光度计（美国爱色丽公司）；VHX-1000C型超景深三维显微镜（日本基恩士公司）；宏观角分辨光谱仪R1（上海复享仪器有限公司）.

1.2 试验方法

1.2.1 织物洗涤

1.2.2 溅射加工

采用500型功能处理机射频溅射：将织物放入真空腔中，正面朝向靶材. 样品转换台上装有靶材挡板，当溅射某种靶材时要打开挡板，溅射完毕要关闭挡板以防止其他靶材原子沉积影响试验效果；调节靶基距为，溅射时的本底真空为，工作气压为，气体流量为（表示1标准毫升/分钟），设置溅射时电压为，电流，溅射功率为，先溅射靶材，再溅射SiO2靶材，此为一周期，再重复溅射3个周期. 为了方便下文描述，将此样品命名为样a.

1.2.3 出色效果表征

样a表面形貌和色彩的观察：用场发射扫描电子显微镜分别观察镀膜后样品放大倍和倍后的表面形貌；用超景深三维显微镜，观察镀膜后样品放大500倍和倍的颜色效果.

样a的多角度宏观角分辨光谱测试：将溅射后的样品正面朝上铺平放在宏观角分辨光谱仪的样品台上，分别调节光谱仪进入反射和散射模式，光线入射角度变化范围从到，每测一次，取5次测量的平均值，以获得样品的多角度反射光谱图和散射光谱图，并分析结构色随入射光角度变化的影响情况.

1.2.4 不同的溅射工艺加工

为了探究磁控溅射工艺对织物结构色出色效果的影响，分别改变溅射的靶基距、溅射周期、气体流量、工作气压和功率进行溅射加工，将上述因素溅射后的样品分别命名为A、B、C、D、E等5个系列. 溅射工艺参数选择如表1所示.

表1 不同溅射工艺参数的设计

1.2.5 样品色差测试

用分光光度计测试各样品镀膜前后的CIELAB色差值. 选取涤纶白坯布为标准样，溅射后的各涤纶织物为对比样，在D65光源下进行测试，每个测试样布取4个不同测试点测试并取平均值，得到DL值、Da值、Db值和DE值（各色差值的单位是绝对值“1”，也称1个DBS色差单位），分别表示织物溅射前后的明度差异、红/绿色差异、黄/蓝色差异及总色差值，分析A、B、C、D、E系列样品各自的色差值变化规律. 亮度差DL（-）表示比样与标样相比偏黑，反之偏白；红绿色度指数Da（+）表示比样与标样相比偏红，值越大表示偏红程度越大，反之偏绿；黄蓝色度指数Db（+）表示比样与标样相比偏黄，数值越大表示偏黄程度越大，反之偏蓝；DE表示总色差，值越大表示色彩总偏差越大，若色差值大于4则人眼极易区分.

2 结果与讨论

2.1 样a的表面微观形貌与光学性能

图1为样a的不同放大倍数的SEM图，从图中可以看出：靶材分子在涤纶纤维表面分布比较均匀，在纤维间隙分布不匀且有裂纹，直观上看不出两种材料的分界与层数，在纤维表面局部会出现靶材粒子团聚的现象.

图1 样a表面不同放大倍数的SEM图

图2为样a镀膜前后的超景深三维显微图，由图可见，镀膜后的织物表面出现了靓丽的黄色，局部区域出现了蓝紫色，在织物上展现了不同色彩自然混合过渡的效果，这也与织物表面的凹凸不平有关.

图2 样a的超景深三维显微图

图3为镀膜后样a的多角度反射光谱和散射光谱. 从图3-a可以看出：1）当光线的入射角度为时，反射峰位在处，薄膜对应的颜色为黄色；2）当入射角度是时，反射率最大，反射曲线中出现两个峰，峰位分别在和，但因在红外光波长区域内，对样品颜色无影响，故此时样品对应颜色为蓝色. 谱图中明显可见随着入射角度从增大到，谱图峰位发生了蓝移，这反映了结构色的虹彩效应. 从图3-b可以看出：1）光从不同角度入射，散射曲线上均出现两个峰，可见薄膜颜色为多种颜色的混合色；2）当入射角度是时，反射率最大，峰位分别出现在和处，对应的颜色为绿色和橙色的混合颜色. 入射角度从到变化时，峰位没有发生移动，这也符合“光的散射作用产生的结构色不具有虹彩效应的特性”的结论.

图3 镀膜后样a的多角度反射光谱和散射光谱

2.2 溅射工艺参数对涤纶织物结构色出色效果的影响

图4～8为溅射后各系列样品的DL、Da、Db、DE值的变化趋势图，从这些图中可看出分别改变靶基距等5个溅射参数后，各样品的DL值始终小于0，即镀膜后的样品都比白坯布色彩偏黑，表明样品均有出色.

图4 靶基距对结构色各色差值的影响

图5 溅射周期对结构色各色差值的影响

图6 气体流量对结构色各色差值的影响

图7 工作气压对结构色各色差值的影响

图8 溅射功率对结构色各色差值的影响

2.2.1 靶基距对织物出色效果的影响

2.2.2 溅射周期对织物出色效果的影响

试验表明溅射周期小于2时，织物上无法生色，而溅射周期大于7时织物呈黑色. 由图5可以看出：1）在2～5个溅射周期内，织物各色差值变化不大；2）当溅射周期为6时，与涤纶白坯布相比，样品总色差最大，样品颜色偏红. 这是因为溅射周期越多沉积到织物表面的靶材粒子越多，对粗糙基材表面的覆盖程度也越好，膜层局部的平整性越好，成膜的连续性和致密性越好. 另外，膜层越厚，光线入射时的透过率变小、反射率变大. 故当溅射周期达到足够多时，织物结构色的出色效果越好.

2.2.3 气体流量对织物出色效果的影响

2.2.4 工作气压对织物出色效果的影响

原因是：在分子运动平均速率一定的情况下，溅射出的靶材粒子和气体分子之间的碰撞次数与分子碰撞时的平均自由程成反比. 在试验设定的工艺条件下，当工作气压小于时，能电离出的高能氩离子数较少，导致被轰击出的靶材粒子变少，因而织物表面的靶材沉积量也小. 气压增大时，氩气分子密度增大，那么可供电离的氩气分子数也增多，电离量增大，造成在靶表面被轰击出的靶材粒子数增加，沉积到织物上的靶材粒子数也变多，织物出色效果变明显直至达到一个最好状态. 但当工作气压增大到最优值以后，气压增大带来了分子平均自由程的缩短，导致氩气分子与靶材粒子间的碰撞增多，靶材粒子因为碰撞损失了动能而不能沉积到织物上，因此膜层较薄，进而各色差值与最优工作气压时的色差值相比呈下降趋势[8].

实际操作中，工作气压过低时，氩气分子密度过低会导致不起辉，甚至引起息辉. 当刚打开仪器无法起辉时，也常先调大工作气压令其起辉后再将工作气压调到设定值.

2.2.5 溅射功率对织物出色效果的影响

每个高能氩离子撞击靶材表面时，能溅射出的靶材粒子数就叫做溅射产额，它会对薄膜的制备、膜结构等产生直接的影响. 溅射产额的多少与轰击靶材的氩离子的入射能量息息相关，即与溅射功率关联. 当入射的氩离子能量足以溅射到靶材时，随着溅射功率的增大，靶材的溅射率随之先呈现非线性关系的增大，之后呈线性关系增大，当达到一个最优值时，又逐渐降低. 可见，溅射功率的变大会使溅射出的靶材粒子数先变多后变少，因此结构色的出色效果的变化也从明显到不明显.

从图8可以看出，结构色的色差值随着溅射功率的增大呈现缓慢增大的趋势，肉眼观察的织物结构色在功率为时色彩效果非常不明显，能看到轻微的浅绿色，时织物的出色就很靓丽了，时织物的色彩偏黑褐色. 实验中选择溅射功率范围也较小，这主要与基底是涤纶织物有关，涤纶的玻璃化温度在，熔点在，若功率太大，就会导致织物表面升温很快，进而改变织物的状态影响成膜及出色效果，且因为使用的是导热性能低的陶瓷靶材，若功率过大，会导致靶材表面的热量无法及时疏散而使靶材出现裂纹.

3 结论

本文利用射频磁控溅射法成功地在涤纶白坯布上制备了靓丽的结构色，并探讨了靶基距、溅射周期、气体流量、工作气压和溅射功率对织物结构色出色效果的影响. 溅射功率和溅射周期对于以织物为基底的结构色的制备可调节的范围并不是太大；当其他工艺参数是：靶基距，工作气压，气体流量时，小范围内调整溅射功率和溅射周期对织物出色效果的影响不大；溅射周期为3周期以上、溅射功率为以上时，织物表面的出色效果已经可以明显看出. 靶基距和工作气压对织物结构色的出色效果的影响是比较敏锐和明显的，并且都存在一个最优值，在实验设置的溅射气氛中，工作气压为、靶基距为时出色效果最好. 该结果对织物结构色的实际制备具有一定的参考价值，如可以通过实验找到这个最优值，再与其他的最佳工作条件配合，以达到最快的镀膜效率和最好的成膜质量，得到最优的织物结构色. 本文虽然只是在涤纶织物上制备出结构色，探讨了不同的5个工艺参数对出色效果的影响，但结果对其他纤维面料织物结构色的制备也具有一定的参考意义.

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[8] 蔡珣，石玉龙，周建. 现代薄膜材料与技术[M]. 1版. 上海：华东理工大学出版社，2007.

[责任编辑：熊玉涛]

Effect of Magnetron Sputtering Process Parameters on Polyester Fabric Structural Color

YELi-hua, DUWen-qin

(Guangdong Higher Education Institutes Engineering Technology Research Center for Functional Textiles, Wuyi University, Jiangmen 529020, China)

Structural colors were fabricated on polyester fabric substrates with periodic filmsandby the magnetron sputtering RF method. The morphology of the structural colors on the fabric and surface color effect were characterized by Scanning Electron Microscopy and Ultra-depth 3Dmicroscope. The color differences of the fabric before and after coating were measured with a spectrophotometer. Also the multi-angle reflection and scattered light spectrums were measured by R1 macroscopic angle resolution meters, the fabric structural colors were characterized by precise quantification, and the influence of the five different process parameters (target-substrate distance, sputtering period, gas flow, working gas pressure, and sputtering power) were explored by changing the sputtering technology. The results show that when the target-substrate distance was, working gas pressure, the gas flow, the sputtering cycle above 3, and the sputtering power over, the fabric structural color was already obvious, small adjustment of sputtering power and sputtering cycle was of slight influence to the structural color, but the target-substrate distance and working gas pressure had obvious influence on the structural colors, and when the work pressure was set atand the target distance atin the sputtering atmosphere set at the lab, the structural color was the best.

magnetron sputtering; polyester fabrics; structural colors

1006-7302（2015）03-0016-07

TS19

A

2015-03-26

叶丽华（1989—），女，福建三明人，在读硕士生，主要从事功能纺织材料的研究；杜文琴，教授，硕士生导师，通信作者，主要从事纺织功能材料及新技术研究.