干式镀膜在织物表面改性中的应用

杨艳艳+丁志荣+范鸿轩

摘要：本文介绍了“绿色镀膜”技术 —— 干式镀膜技术的应用领域，着重介绍了干式镀膜中的真空蒸镀膜技术、真空溅射镀膜技术、离子镀膜技术以及等离子体化学气相沉积技术的原理及与纺织相关的研究和应用，并对其应用前景进行了展望。

关键词：干式镀膜；真空蒸镀；真空溅射镀膜；离子镀；等离子体化学气相沉积技术

中图分类号：TS156 文献标志码：A

Application of Dry Coating on Surface Modification of Fabric

Abstract： This article described the applications of the "green coating" technology - dry coating technology. The principle of vacuum evaporation coating technology， vacuum sputtering coating technology， ion plating technology and plasma chemical vapor deposition technology were mainly introduced， as well as the related research in textile field. The prospects for the dry coating technology was also discussed.

Key words： dry coating； vacuum deposition； vacuum sputtering； ion plating； plasma chemical vapor deposition

隨着社会的不断发展与进步，薄膜涂层在日常生活中的应用越来越广泛。如薄膜可以使装饰品表面呈现五彩缤纷的颜色；在刀具模具等金属表面镀上一层TiN、ZrN、TiC、TiAlN等物质，可增加金属本身的硬度，延长其使用寿命；在玻璃上镀上一层铬、镍、钛等金属可以起到反射红外线、吸收紫外线的作用；镀上TiO2薄膜则可以使玻璃具有防雾、防露、自清洁的功能；薄膜满足了各类液晶显示器透明度的要求等。除了上述几种常见的应用外，镀膜还在太阳能电池板、防伪技术、飞机涂层、光学仪器以及信息存储、传感器等诸多领域发挥着重要的作用。

随着经济的发展，传统的纺织品已无法满足人们的需求。多功能纺织品的发展为纺织开辟了新的发展方向。纺织品经过各种功能性整理，可获得不同的功能，如阻燃、防水、拒油、抗菌、抗紫外线、防辐射等。在纺织品上镀膜是实现功能整理的一种方式，适用于纺织品的镀膜技术主要有电镀、化学镀、涂层、干式镀膜等。其中，干式镀膜应用范围虽广，但在纺织领域的应用研究相对较少。本文主要介绍国内外科研人员运用干式镀膜技术对纺织品表面进行改性的研究进展。

镀膜技术的分类方法多种多样，通常按膜层的成形方法将镀膜分为湿式镀膜和干式镀膜。湿式镀膜又被称为液相沉积或溶液法，是指在电解质水溶液中通过化学或电化学法完成的镀膜方法。干式镀膜又叫真空镀或气相沉积，是将物件置于真空环境中，靶材料在物理或化学方法的作用下被汽化成分子或原子，或被电离成为离子附着在物件表面，形成具有特殊功能的薄膜。干式镀膜包括以下几种方式：真空蒸镀、溅射镀膜、离子镀、化学气相沉积。

1 物理气相沉积（PVD）镀膜技术

PVD在干式镀膜中占据重要地位，其主要包括真空蒸镀、溅射镀以及真空离子镀。该方法镀膜过程简单，不涉及化学反应，无污染，低能耗，成为目前研究纺织材料表面改性的热门手段。

Van o M等人认为在非金属织物上使用PVD镀膜技术使织物具有功能性是一种新的非常规方法，并以在天然棉纤维上镀银为例，测试了其撕破强度。结果表明，镀膜后的棉织物的撕裂强度高于未处理的棉织物。他们还论述了经PVD表面镀膜后的织物材料可成为工业用新材料，并阐述了PVD镀膜技术在纺织上的应用前景。

Sheila Shahidi等对PVD作用原理及应用领域做了相关解释，还特别强调了PVD在纺织领域的潜在用途，并同样认为PVD镀膜技术在纺织材料表面改性方面开辟了新的可能，尤其是在纺织品设计及产业用纺织品开发方面具有较好的前景。

1.1 真空蒸镀

真空蒸镀是指在真空条件下，靶材被加热蒸发出分子或原子，分子或原子在真空室中受到其他粒子的碰撞较少，因此可顺利地附着在被镀物件的表面。一般靶材加热到一定的温度后会由固态变为气态，即汽化，将其置于真空环境中则可以降低蒸发时所需的温度，提高蒸镀效率。蒸镀法是物理气相沉积中发展最早的一类镀膜方法，其工艺与设备简单，所镀膜层纯度较高，但膜基结合牢度还不够高。真空蒸镀依据加热源的不同可分为电阻加热蒸发蒸镀、电子束蒸发蒸镀以及激光束、高频感应加热蒸发蒸镀技术。其中电阻加热蒸发蒸镀适用于蒸发低熔点材料，成本低；激光束加热蒸发镀蒸发的纯度较高，不产生分馏现象。

陈莉娜等人利用真空蒸发镀膜技术分别在未经表面处理和经熨烫、烘干以及表面电净和去油脂等表面预处理的 4 块毛织物上镀上铝和钛，测试织物镀上金属膜后对电磁波的屏蔽效果。结果镀上金属膜的毛织物具有一定的电磁屏蔽效果，但是效果不太理想；经过表面预处理的毛织物对电磁波的屏蔽效果优于未经表面处理的毛织物；两种金属中，镀铝的毛织物对电磁波的屏蔽效果比镀钛的好。

Liu Yang等利用真空热蒸发技术将铝沉积在圆形单丝PET表面，制备可穿戴导电纤维，并对其进行UV、丙烯酸及PVP表面改性，测试经表面改性处理后对导电纤维导电性能的影响。研究结果表明：经UV表面改性后的圆柱形镀铝单丝PET导电纤维导电性能不受影响；但经PVP浸涂表面改性后的导电纤维导电性能最佳。他们认为这是因为PET粗糙的表面平滑化的结果。通过AFM观察分析在镀铝过程中PET表面形成小丘的原因，认为蒸发时基膜之间的热膨胀差异及压缩应变是致使小丘生长的原因，且小丘成纵向增长。

1.2 溅射镀膜

溅射镀膜是指在通入一定量氩气的真空环境下，氩气在辉光放电的作用下被电离成氩离子（Ar+），Ar+在高能电场的作用下加速轰击靶材表面产生溅射现象，靶材表面溅射出的粒子沉积到基材表面形成溅射薄膜。在溅射镀膜中，作为镀膜靶材的种类较多，除了各种金属外，还可以是绝缘体、半导体以及各类化合物。此外，溅射与蒸发镀膜相比，膜-基结合牢度较好，膜厚可控，纯度高，因此在干式镀膜中溅射镀膜备受关注。

溅射镀膜根据电极结构可分为：直流二级溅射、直流三级溅射、直流四级溅射、磁控溅射、对向靶向以及ECR溅射等几种溅射方式。此外，射频溅射、偏压溅射、离子束溅射等都是在基础的溅射镀膜方式上发展而来。在以上溅射镀膜技术中，磁控溅射因其在低温、低损伤的条件下能实现高效率镀膜，成为目前干式镀膜工业化生产的主要手段。

Miao Dagang等人借助磁控溅射镀膜技术在聚酯PET表面沉积AZO/Ag/AZO多层薄膜，制备光控纺织品。测试结果表明，AZO（30 nm）/Ag（13 nm）/AZO（30 nm）多层膜沉积的聚酯织物呈现95%的高红外反射率，UPF值为35.01，具有较好的红外反射性能。

王国轩等以金属钛为镀膜中的靶材料，锦纶织物为基材，利用磁控溅射技术制备出鍍钛锦纶织物，通过对其进行摩擦和剥离试验，重点研究了膜-基之间的结合牢度。结果表明，镀钛膜锦纶织物在 4 种不同胶带的粘合作用下，表现出较好的膜-基结合牢度；在220 s内摩擦次数达到9 200次，足以证明所镀钛膜沉积较好，具有一定的膜厚，摩擦时不易脱落。

高秋瑾等人利用磁控溅射技术在丝织物的表面镀上一层纳米银。研究发现，随着时间的延长，所镀薄膜致密均匀，颗粒粒径均匀，颗粒间隙减小，薄膜厚度随之增加，延长沉积时间有利于提高膜-基结合牢度。

陈长文等人利用磁控溅射技术对PET表面分别镀上铜和镍两种金属膜，制备防电磁辐射织物，研究了金属增重率对防电磁辐射效果以及穿着舒适性的影响。综合考虑穿着舒适性和防电磁辐射效果，得出最佳增重率为0.77%，此时透气率达166.28 mm/s，电磁屏蔽达72.7 dB。

倪新亮等利用测控溅射对等离子体处理前后的碳纤维增强树脂基复合材料镀上一层铝膜，探究磁控溅射各工艺参数对铝膜表面结构的影响，以及等离子体处理后对膜-基结合牢度的影响。结果表明：磁控溅射镀的电流增大，会使铝的结晶度增加；气压增大，则会使铝的生长方向发生变化；经等离子体处理后的膜-基结合牢度较高。

Wei Qufu等利用溅射镀膜技术在PP纤维基底镀上一层金属铜薄膜，通过等离子体预处理和加热改善膜-基结合牢度。借助AFM观察PP表面及界面结构，通过剥离及摩擦试验检验经等离子处理后的膜 - 基界面结合牢度。结果在AFM下可观察到PP纤维表面附着一层铜薄膜，等离子体预处理和加热对改善膜-基结合牢度具有显著效果，这是由于等离子体的粗糙化和加热的扩散作用引起的。

黄美林等利用磁控溅射在聚酯织物上镀上一层聚四氟乙烯（PTFE）薄膜，制备抗紫外线织物，探究磁控溅射的各工艺参数对抗紫外线性能的影响。通过正交试验分析得出：在各类工艺参数中，织物品种对抗紫外线效果的影响最大，而基底温度对其影响最小。

1.3 离子镀

离子镀全称为真空离子镀膜技术，顾名思义离子镀的发生场所也是在真空下，其利用各种气体放电，产生等离子体，等离子体不断碰撞轰击靶材表面，使靶材表面部分粒子被电离，靶材离子在高压电场的作用下定向地沉积到被镀工件表面。离子镀是由美国Sandin公司在蒸发蒸镀以及溅射镀膜基础上开发而来。在离子镀中，为给离子提供更大的能量，加速其在电场中的运动，故在基体上施加一定的负偏压，这是离子镀与其他两种镀膜方式的主要区别。离子镀除了能加速镀膜效率外，还能改善膜层品质和性能，进一步提高膜-基结合牢度。由于以上优点，离子镀得到了较多的关注，在机械模具加工、包装膜领域得到较多应用，而与纺织相结合的应用与研究目前相对较少。

2 化学气相沉积（CVD）镀膜技术

CVD镀膜技术主要包括以下几种：等离子体化学气相沉积、低压化学气相沉积、金属有机物化学气相沉积、光化学气相沉积以及热激发化学气相沉积。其中等离子体化学气相沉积镀膜技术在纺织上的应用已较为普遍，较为成熟。

等离子化学气相沉积（PCVD）是在较低的温度下，由等离子体作为能量源激发气体产生带电粒子，带电粒子的动能激发化学气相沉积反应的进行，以此在工件表面形成一层薄膜。其优点在于通常需要在高温下完成的化学沉积，用此方法可使化学沉积反应较低温度下进行，通常温度不高于600 ℃。

Yu Anton等人借助等离子体辅助技术在非织造布表面沉积银、铜及氧化锌等 3 种纳米颗粒，制备抗菌材料，对其进行抗菌测试。结果在沉积了银和铜的样品中，细菌减少97%，而沉积了氧化锌的样品中，金黄色葡萄球菌减少了86%，说明经等离子体化学沉积后的非织造材料抗菌效果明显。

沈丽等人以全氟庚烷作为反应气氛，利用等离子体技术对纯棉织物进行表面功能处理，以获得拒水拒油棉织物。通过不断改变工作时间、功率以及压力等工艺参数，研究全经氟庚烷沉积后的棉织物的拒水拒油等级，以及时效性。经全氟庚烷处理后的棉织物拒水接触角可达150°，拒油接触角可达120°，具有较明显的拒水拒油效果。放置45天后，其拒水拒油性能基本不变。

陈杰瑢运用 6 种不同的气体（O2、N2、He、Ar、H2和CH4）等离子体分别对聚酯PET进行表面改性处理，探究经等离子处理后织物表面润湿性能的变化情况。结果表明，经O2、N2、Ar、H2等离子体在 3 min内处理织物表面，织物表面张力增大，织物表面呈现出较好的润湿性能；表面润湿性能的提高是织物表面含氮或含氧极性基团的增加所致。

朱友水等利用低温等离子体对丙纶非织造布进行金属化处理，讨论了各工艺参数的变化对试样电阻的影响，得出经H2等离子处理后的样品具有一定的导电性。

3 展望

与传统的电镀、化学镀等湿式镀膜技术相比，干式镀膜工艺过程简单，所镀膜层品质较好，膜基结合牢度较高，可镀物质种类多，生产过程无污染，低能耗。将其与纺织品结合，在纺织基材表面镀上不同物质的薄膜，可获得多功能的纺织品，其应用前景广阔，但目前用干式镀膜技术在纺织品表面镀膜较少。实现纺织品表面镀膜大规模生产的手段还是以传统的涂层及化学镀为主，会引起较多的环境污染，因此若能继续完善干式镀膜技术在纺织领域的应用理论，寻找可以加大工业化生产的方法，将会解决镀膜技术在环境污染这一方面的难题，同时将会拓宽纺织品的应用领域。

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