磁控溅射制备导电织物的工艺优化

1. 广州南洋理工职业学院服装与设计学院，广东 广州 510900；2. 五邑大学纺织服装学院，广东 江门 529000

磁控溅射制备导电织物的工艺优化

禚云彬1, 2杜文琴2

1. 广州南洋理工职业学院服装与设计学院，广东 广州 510900；2. 五邑大学纺织服装学院，广东 江门 529000

为制得具有更小电阻即更好导电性能的织物， 利用磁控溅射技术，以铜作为靶材，在涤纶纺黏热轧非织造布上沉积铜薄膜制备导电织物，测试其表面电阻值。分别对进气量、溅射功率、工作气压、靶基距、溅射时间进行单因素试验，探究溅射工艺参数对试样导电性能的影响规律；然后在单因素试验基础上对试验进行二次正交旋转组合设计，对显著因素进行参数优化。得出：制备较低表面电阻值的导电织物的最优参数组合为进气量35.00 mL/min、溅射功率83.0 W、工作气压0.400 Pa、靶基距3.900 cm、溅射时间4.10 min，所得导电织物表面电阻值在1.000 0～100.000 0 Ω。

磁控溅射，导电织物，优化，表面电阻，进气量，溅射功率，工作气压，靶基距，溅射时间

导电织物在广义上主要分为四类，分别是金属系导电织物、炭黑系导电织物、导电型金属化合物织物、高分子导电型织物[1]。导电织物涉及抗静电[2-4]、电磁屏蔽[5-6]、抗紫外[7-10]、电致变色、电子智能、燃料电池[11-12]、吸波隐身、抗菌除臭[13]等领域，在民用和军事方面均有广阔的应用前景，其不仅可用在保健纺织品上，用于满足民用市场的需要、改善人们的生活质量，还可用在军队装备上，用于满足土木、电子、军工等高端市场的需要。

国内外科学家在导电织物方面的研究也越来越深入，很多科学家把提高织物的导电性能作为研究的重点。2002年，商思善[14]在化纤织物上化学镀铜和电镀镍，解决了导电织物性能不稳定、成本高等技术难题。2003年，周俊峰[15]采用合适的分散剂，研制出纳米级镀镍晶粒导电织物。同年，余志成等[16]采用敏化活化一步法工艺，制得具有优良导电效果的化学镀镍导电织物。2004年，王炜等[17]在化学镀铜基础上电镀锡，解决了金属镍对环境的污染等一系列环保问题。2005年，KAZUMASA等[18]利用六氟乙酰丙酮对布面进行预处理，大大增加了布面和铜的结合牢度；同年，KUTANIS等[19]采用聚乙烯酯纤维制备了导电布。2007年，陈文兴等[20]在非织造布表面采用直流磁控溅射镀铜方法制得了导电织物。由直流磁控溅射方法制得的导电织物虽具有颜色单一、柔软度不理想、成本高等缺点，但其薄膜层结构均匀、致密、不分解、热稳定性好、工艺简单、不污染环境且导电率较高，具有很好的应用前景。

本文选用涤纶(PET)纺黏热轧非织造布为基底、以金属铜为靶材，利用磁控溅射法对织物表面进行溅射镀膜，以获得具有更小电阻即导电性能更好的磁控溅射功能织物，并对溅射工艺参数(进气量、溅射功率、工作气压、靶基距、溅射时间等)和溅射后织物的导电性能进行研究和探索。

1 试验部分

1.1主要试验材料与设备

500型织物功能处理器、铜靶(纯度99.5%)、氩气(纯度99.5%)、PET纺黏热轧非织造布(面密度78 g/m2)、RTS-9型双电测四探针测试仪。

1.2试验方法

首先，在沉积前将PET纺黏热轧非织造布基底放在丙酮溶液中，超声波清洗30 min；然后，将基底去离子水超声波清洗30 min；再用去离子水将基底漂洗5次， 将清洗好的基底放在烘箱中以100 ℃的温度烘干。

接着，将准备好的基底放入500型织物功能处理器溅射室内，按不同的工艺参数制备各种试样。

第三，将制备的各种试样在RTS-9型双电测四探针测试仪上进行测试，得到试样的表面电阻值。

2 试验安排

本试验先分别对进气量、溅射功率、工作气压、靶基距和溅射时间进行导电性能的单因素试验，以确定各因素对试样导电性能(即表面电阻值)的影响，以为后续的二次正交旋转组合设计确定参数范围。结果显示：

(1) 进气量在5.00～50.00 mL/min范围内调节时，随着进气量的增加，试样的表面电阻值呈先减小后增大的趋势，其中当进气量在30.00～40.00 mL/min 时表面电阻值较小；

(2) 预试验得出试样可承受功率范围为20.0～ 170.0 W，于是在20.0～170.0 W范围内逐渐增加溅射功率，发现表面电阻值随溅射功率呈单调递减趋势，即导电性能随溅射功率单调递增；

(3) 当工作气压在0.400～3.000 Pa范围内调节时，随着工作气压的增加，表面电阻值整体呈增加趋势，且进一步探讨发现，工作气压在0.200～0.800 Pa 时，表面电阻值总体呈先减小后增大的趋势，且在0.200～0.600 Pa范围内表面电阻值较小；

(4) 当靶基距在3.000～9.000 cm范围内调节时，随着靶基距的增加，表面电阻值呈先减小后增大的趋势，且较小表面电阻值出现在靶基距为3.000～ 5.000 cm范围内；

(5) 当溅射时间在2.00～6.00 min时，随着溅射时间的增加，表面电阻值呈逐渐减小趋势，即导电性能逐渐提高。

3 试验设计

在单因素试验的基础上，采用五因素五水平二次正交旋转组合设计。以进气量(X1)、溅射功率(X2)、工作气压(X3)、靶基距(X4)、溅射时间(X5)为自变量，试样的表面电阻值(Y)为响应值，因素和水平编码见表1。

表1 试验因素及水平编码

4 结果与讨论

4.1建立回归模型

对制得试样的表面电阻值(Y)进行测试，得出的二次正交旋转组合设计试验方案结果见表2。

表2 二次正交旋转组合设计试验方案及结果

(续表)

应用SAS软件处理求得回归方程：

Y= 35.745 920-3.452 158·X1-16.617 040·X2+
5.491 592·X3+9.510 342·X4-5.422 991·X5+
7.104 557·X1·X1-6.023 549·X1·X2+
5.753 237·X1·X3+5.448 549·X1·X4-
5.774 888·X1·X5+7.249 200·X2·X2-
4.711 049·X2·X3-7.171 987·X2·X4-
2.145 424·X2·X5-2.304 818·X3·X3+
16.136 050·X3·X4-2.556 138·X3·X5-
1.297 005·X4·X4-2.501 451·X4·X5+
5.223 307·X5·X5

(1)

接着，采用SAS软件对试验结果进行响应面分析，试验结果的方差分析见表3。

从表3可以看出：9.631 2gt;F0.01(20,15)=3.360 0，P=0.000 100，说明回归方程在α=0.01显著水平上高度显著，且拟合很好，即回归方程(1)成立。在α=0.01显著水平剔除不显著项后，简化后的回归方程：

表3 试验结果方差分析

Y= 33.344 700-16.617 040·X2+5.491 592·X3+
9.510 342·X4-5.422 991·X5+7.104 557·X1·
X1-6.023 549·X1·X2+7.249 200·X2·
X2-7.171 987·X2·X4+16.136 050·X3·
X4+5.223 307·X5·X5

(2)

4.2因素效应分析

4.2.1 主效应分析

对回归方程(2)进行降维处理，得Yi(各因素表面电阻值)的主效应方程：

Y1= 33.344 700+7.104 557·X1·X1

(3)

Y2=33.344 700-16.617 040·X2+

7.249 200·X2·X2

(4)

Y3=33.344 700+5.491 592·X3

(5)

Y4=33.344 700+9.510 342·X4

(6)

Y5= 33.344 700-5.422 991·X5+

5.223 307·X5·X5

(7)

因为试验中各因素的处理均经过了无量纲线性编码代换，所以偏回归系数不再受因素取值大小与单位的影响，即已标准化，偏回归系数绝对值的大小可直接反映变量对于响应值的影响程度[21]。各因素在参数取值的范围内对试样表面电阻值作用的大小顺序是X2(溅射功率)gt;X4(靶基距)gt;X3(工作气压)gt;X5(溅射时间)gt;X1(进气量)。

图1反映了单因素对试样表面电阻值的影响。由图1可知Xi在[-2, 2]水平区域内：X1、X2、X3对表面电阻的影响，都有一个临界水平点。其中，X1在0水平处取得最小值；X2和X5在1水平处取得最小值；X3和X4在-2水平处取得最小值、在2水平处取得最大值。故，表面电阻值取得最小时的水平组合为X1= 0、X2=1、X3=-2、X4=-2、X5=1。

图1 单因素对表面电阻值的影响

4.2.2 交互作用效应分析

利用SAS软件分析得到双因素各交互作用对Y的响应面三维图和对应的等高线图(图2)。

图2 双因素交互作用对Y的响应面三维图和对应的等高线图

由图2可知：在一定范围内，X1与X2，X4与X2，X4与X3表现出了一定的交互效应。其中，X1与X2的交互作用、X4与X2的交互作用，对表面电阻值的影响都为负作用，即交互作用越大表面电阻值越小；X4与X3的交互作用对表面电阻值的影响为正作用，即交互作用越大表面电阻值越大。

4.3数学模型寻优

为制备得到导电性能良好的导电织物，根据建立的优化数学模型Y，对每个因素选取5个水平(-2、 -1、 0、 1、 2)，利用SAS软件对55=3125个方案利用统计方法寻优。在试验取值范围内得出导电织物的表面电阻值控制在低阻(1.000 0～100.000 0 Ω)范围的，有249套设计方案满足。在这249套设计方案中，统计水平的频次分布及统计结果如表4所示。

表4 导电织物表面电阻值在1.000 0～100.000 0 Ω间的各因素水平的频次分布

由表4可以看出，制备工艺参数的实际值——进气量(X1)为34.78～35.00 mL/min、溅射功率(X2)为82.4～83.5 W、工作气压(X3)为0.382～0.393 Pa、靶基距(X4)为3.855～3.910 cm、溅射时间(X5)为4.01～4.13 min时，导电织物的表面电阻值有95%的可能为1.000 0～100.000 0 Ω。

结合实际生产，确定制备较低表面电阻值的导电织物的最优化工艺参数组合为进气量35.00 mL/min、溅射功率83.0 W、工作气压0.400 Pa、靶基距3.900 cm、溅射时间4.10 min，并按照此最优条件重复3次验证试验，所得导电织物的表面电阻值在1.000 0～100.000 0 Ω内。

5 结论

本试验是在各单因素试验的基础上，选用五因素五水平的二次正交旋转组合设计方法进行的。其中，以进气量(X1)、溅射功率(X2)、工作气压(X3)、靶基距(X4)、溅射时间(X5)为自变量，导电织物的表面电阻值(Y)为响应值。与单因素分析不同，二次正交旋转组合设计中不仅考虑了单因素的影响，还考虑了各因素之间的交互作用，故较之单因素试验更全面，结果更准确：

(1) 在试验取值范围内，各因素对导电织物表面电阻值的作用大小顺序是X2gt;X4gt;X3gt;X5gt;X1；

(2) 建立了各因素与表面电阻值之间的回归方程，回归关系显著，拟合程度较高，这对制备具有良好导电性能的导电织物的分析与研究具有很好的参考价值，其回归方程为Y=33.344 700-16.617 040·X2+5.491 592·X3+9.510 342·X4-5.422 991·X5+ 7.104 557·X1·X1-6.023 549·X1·X2+7.249 200·X2·X2-7.171 987·X2·X4+16.136 050 ·X3·X4+5.223 307·X5·X5；

(3) 制备较低表面电阻值(1.000 0～100.000 0 Ω)的导电织物的最优化工艺参数组合为进气量35.00 mL/min、溅射功率83.0 W、工作气压0.400 Pa、靶基距3.900 cm、 溅射时间4.10 min。

[1] 方娜,PANI/PET及PPY/PA66复合导电织物制备及性能研究[D].上海:东华大学,2010.

[2] 马洪才,马会英.有机导电纤维抗静电织物设计及性能测试[J]．棉纺织技术,2003,31(11):16-18.

[3] 董俊霞,杨志捧.抗静电织物的设计与开发[J]．棉纺织技术,2007,35(5):57-59．

[4] 黄晓梅,唐虹.织物抗静电性能影响因素的探讨[J]．棉纺织技术,2009,37(7):18-21．

[5] 叶鼎铨.导电针织物及其用途[J].玻璃纤维,2003(1):45．

[6] 张辉,刘荣立.涤纶织物铜-银双层化学镀研究[J]．表面技术,2008,37(2):21-39.

[7] 梁浩祥,胡翠莉,张族,等.竹炭涤纶纤维织物的防紫外线性能研究[J].棉纺织技术,2009,37(9):22-24.

[8] 万震，李克让.防紫外线织物的最新研究进展[J].印染,2001，27(1):42-44.

[9] BS INSTITUTION. Textiles-solar UV protective properties-Method of text for apparel fabrics：BS EN 13758[S]. Brussels:European Committee For Standardization,1999.

[10] 陆艳,陈志蕾，张红霞，等.抗紫外线涤纶织物的抗紫外线性能研究[J].丝绸,2010(8):11-14.

[11] 邹利.碳纤维机织物在燃料电池扩散电极中的应用研究[D].无锡:江南大学,2007.

[12] 潘峰，周芸，储清梅，等.五氧化二磷升华制备太阳能电池P-N结[J].科教导刊,2009(3):145-146.

[13] R-Stat:新型导电纤维[J].沈云,译.国际纺织导报,2001,29(4):57.

[14] 商思善.化学镀铜-镍复合镀层织物[J].产业用纺织品,2002,20(8):44-45.

[15] 周俊峰.纳米级镀镍晶粒屏蔽织物的研究[D].西安：西安工程科技学院,2003.

[16] 余志成,汪澜,陈海相,等.胶体钯的制备及在屏蔽织物上的应用[J].纺织学报,2003,24(4):7-9.

[17] 王炜,朱美芳,李成新，等.一种配位自组装技术高分子负载型钯活化膜的制备方法：101205687 B[P].2008-06-25.

[18] ZHAO X, HIROGAKI K, TABATA I, et al. A new method of producing conductive aramid fibers using supercritical carbon dioxide[J].Surface amp; Coatings Technology,2006,201(3-4):628-636.

[19] KUTANIS S, KARAKISLA M, AKBULUT U, et al.The conductive polyaniline/poly(ethylene terephthalate) composite fabrics[J].Composites Part A: Applied Science and Manufacturing, 2007,38(2):609-614.

[20] 陈文兴,杜莉娟,姚玉元,等.磁控溅射法制备电磁屏蔽织物的研究[J].真空科学与技术学报,2007,27(3):264-268.

[21] ATOBE M, CHOWDHURY A N, FUCHIGAMI T, et al. Preparation of conducting polyaniline colloids under ultrasonication [J]. Ultrasonics Sonochemistry, 2003,10(2):77-80.

Process optimization of conductive fabrics prepared by magnetron sputtering

ZhouYunbin1, 2,DuWenqin2

1. School of Clothing and Design, Guangzhou Nanyang Polytechnic, Guangzhou 510900, China;2. School of Textile and Clothing, Wuyi University, Jiangmen 529000,China

In order to prepare fabrics that possessed better conductivity, with Cu as target materials, the conductive fabrics were obtained through using magnetron sputtering technique to deposited Cu on the polyester spun-bonded hot rolled nonwovens. And their surface resistance was tested. The air input, the sputtering power, the working pressure, the target-substrate distance and the sputtering time were researched respectively by the single factor experiments, in order to explore the relationship between the sputtering process parameters and the conductive performance of the samples. Then, the optimum conditions were obtained by the design of quadratic general rotation combination based on single factor experiment. The optimum combination of preparing conductive fabric with a lower surface resistance was that the air input was 35.00 mL/min, the sputtering power was 83.0 W, the working pressure was 0.400 Pa, the target-substrate distance was 3.900 cm and the sputtering time was 4.10 min. And the resistance range of the conductive fabrics was 1.000 0～100.000 0 Ω.

magnetron sputtering, conductive fabric, optimize, surface resistance, air input, sputtering power, working pressure, target substrate distance, sputtering time

TM242,TS176+.2

A

1004-7093(2017)09-0039-06

2017- 06-11

禚云彬，男，1984年生，讲师，主要研究方向为纺织材料、检测及功能纺织品的研发与设计

杜文琴，wyudwq@163.com