基于磁控濺射技術的功能性紡織品的制備和性能

孟 曉，王永寬，陳韶娟，苗大剛

（青島大學紡織服裝學院，山東青島 266000）

傳統紡織品表面成膜一般有涂層法、化學沉積法[1]、溶膠-凝膠法等。真空磁控濺射技術作為一種紡織品表面改性的新方法，具有鍍膜工藝低溫、高速，對薄膜破壞小，薄膜與基片結合性好，不易掉落，能精確實現鍍膜厚度的控制等特點，在紡織品功能性整理中具有重要意義，并且廣泛應用于社會的各領域。

洪劍寒等[2]研究了氬氣壓強對磁控濺射鍍銀膜導電性能的影響。孟靈靈等[3]研究了磁控濺射工藝參數對滌綸織物表面沉積銅膜性能的影響。鳳權等[4]利用低溫磁控濺射技術制備了鍍銀抗菌薄膜復合材料，并探討了復合材料的抗菌性和過濾性能。以往，紡織領域對磁控濺射的研究主要集中在濺射工藝參數（如濺射功率、進氣量、工作氣壓、靶基距）、靶材組織和基材結構對鍍膜產品力學性能、抗菌性能等的影響[5-10]上。從目前研究的發展狀況來看，紡織品鍍膜厚度對電磁屏蔽性能、防紫外線性能、透濕性以及導電性的影響的研究比較少，功能性紡織品的研究缺乏必要的理論基礎。

本研究主要是針對滌綸布進行改造，在其表面鍍不同厚度的膜，研究鍍膜厚度與紡織品導電性、透濕性、紫外防護以及電磁屏蔽之間的關系，為以后研究功能性紡織品提供一定的實驗依據。

1 實驗

1.1 材料和儀器

1.1.1 材料

基材：2種滌綸布，滌綸貼膜布，單位面積質量75 g/m2；滌綸涂層布，單位面積質量35 g/m2。

靶材：選擇導電性能良好的金屬銀作為鍍層材料，純度99.99%，直徑50.8mm，厚度5mm。

1.1.2 儀器

JCP350真空磁控濺射鍍膜機（北京泰科諾科技有限公司），HZY-A220電子天平（福州華志科學儀器有限公司），掃描電子顯微鏡（復納科學儀器有限公司），ST-2258C多功能數字式四探針測試儀（蘇州晶格電子有限公司），YG(B)216Ⅲ型織物透濕量儀（溫州際高檢測儀器有限公司），YG(B)912E型紡織品防紫外性能測試儀、DR-913G防電磁輻射性能測試儀（溫州大榮紡織儀器有限公司）。

1.2 磁控濺射

以金屬銀為靶材，2種滌綸布為基材，采用真空磁控濺射鍍膜機制備納米銀薄膜。

1.3 測試

1.3.1 SEM

分別將2種滌綸布裁剪成直徑為12 cm的圓形樣品，用膠帶固定在基片上。反應腔室抽真空，真空度達到3×10-3Pa，然后充入氬氣，濺射功率為100W，預濺2min；打開鍍膜厚度儀，控制鍍膜的厚度，獲得薄膜厚度分別為20、30、40、50、60 nm的樣品，然后用掃描電子顯微鏡表征樣品的表面形態。

1.3.2 導電性能

采用多功能數字式四探針測試儀測量樣品表面的方塊電阻。因樣品表面有細微凹凸不平的地方，為了盡可能減少測量誤差，選取樣品鍍膜的不同位置重復測量10次，取平均值。

1.3.3 透濕性

透濕性反映樣品透汽、排汗的能力，是檢驗紡織品舒適性的指標之一。織物的透濕量是指在織物的兩面存在恒定蒸汽壓的情況下，在規定時間內通過單位面積織物的水蒸氣的量[11]。

本實驗采用蒸發法測量試樣的透濕量。首先在透濕杯中裝入35mL蒸餾水，然后把剪好的試樣安裝在透濕杯上。將透濕杯放入透濕箱體內（箱內設定溫度23℃，相對濕度50%），關閉箱門保持封閉環境，機器運行0.5 h后，取出透濕杯在電子天平上進行稱重，此時質量記為m1；然后把透濕杯重新放入箱內，運行3 h后，取出稱重，此時質量記為m2；最后計算出鍍膜樣品的透濕量。透濕量計算公式如下：

其中，WVT為樣品的透濕量，g/(m2·24 h)；S為樣品測試面積，m2，實驗中透濕杯測量面積為28.26 cm2；t為試樣放置時間，h；m1-m2為水分的減少量，g。

1.3.4 電磁屏蔽性能

采用防電磁輻射性能測試儀檢測鍍膜樣品的電磁屏蔽效能。電磁屏蔽的原理就是通過阻斷電磁波的傳遞，抑制電磁干擾，織物的屏蔽效果通常用屏蔽效能（SE）來評價[12]：

其中，E0、H0、W0分別為空間中某點未加屏蔽時的電場強度、磁場強度和功率；E1、H1、W1分別為加屏蔽后的電場強度、磁場強度和功率。屏蔽效能SE越大，織物的電磁屏蔽效果越好[13]。

2 結果與討論

2.1 表面形態

從圖1可以清晰地看出，經過磁控濺射處理，滌綸布表面覆蓋了一層均勻的納米銀薄膜，薄膜的均勻性較好，并且基本連續，呈現出較好的表面形態。

圖1 滌綸布的SEM照片

2.2 導電性能

鍍膜樣品的導電性用方塊電阻表示（見表1）。樣品表面未鍍銀膜時，表面方塊電阻大，不能體現出導電性能。

表1 方塊電阻測量數據

由表1可以看出，隨著鍍膜厚度的增加，2種鍍膜樣品的表面方塊電阻都呈減小的趨勢，當鍍膜厚度達到40 nm時，表面方塊電阻迅速下降。說明通過磁控濺射在樣品表面鍍的納米銀薄膜可以增加樣品的導電性，并且隨著鍍膜厚度的增加，導電性能增強。這主要是因為隨著鍍膜厚度增加，顆粒密度變大，薄膜的連續性、致密性和均勻性提高[14]，此時電子更容易移動，薄膜展現出較好的導電性。

2.3 透濕量

由表2可知，原樣透濕量較低，鍍膜樣品的透濕量均高于原樣；忽略實驗過程中的誤差影響，透濕量基本隨著鍍膜厚度的增加而變大，表明紡織品透濕排汗性能有所改善。

表2 透濕量測試數據

2.4 電磁屏蔽性能

由圖2、表3可知，隨著樣品鍍銀薄膜厚度的增加，織物的電磁屏蔽效能不斷提高，屏蔽率達到99%以上，并且在絕大多數頻率下，屏蔽率超過99.99%。這是由于薄膜厚度越厚，薄膜連續性越好，對電磁波的反射和吸收效果越好[15]，預防電磁輻射的效果越好。

圖2 不同鍍膜厚度樣品的電磁屏蔽效果圖

表3 各典型頻率處的屏蔽率

3 結論

（1）通過磁控濺射技術在樣品表面鍍一層納米銀膜，可以有效提高樣品的導電性，并且導電性隨著薄膜厚度的增加而增強。

（2）經過磁控濺射處理樣品的透濕性高于未處理樣品，透濕量隨著鍍膜厚度的增加而變大，表明處理樣品的透濕排汗性能有所改善。

（3）隨著樣品上所鍍納米銀薄膜厚度的增加，織物的電磁屏蔽能力不斷提升。