磁控濺射鍍膜真絲織物的性能

李建鄴，王祥榮

（蘇州大學紡織與服裝工程學院，江蘇蘇州 215021）

在紡織材料表面沉積金屬或氧化物薄膜可賦予其導電、抗靜電、電磁屏蔽、防紫外線、抗菌、疏水等性能［1］。鍍膜織物可制成柔性電子傳感器、電磁屏蔽防護服、醫用抗菌紡織品等。在紡織材料表面鍍膜的方法主要有化學氣相沉積技術（CVD）和物理氣相沉積技術（PVD）。PVD 相對于CVD 具有高效、節能、環境友好等特點，被認為是環保的紡織材料改性和功能化技術［2］。PVD 包括真空蒸鍍、離子鍍鍍膜和磁控濺射鍍膜，真空蒸鍍與離子鍍鍍膜的膜層離子主要源于熱蒸發，磁控濺射鍍膜的膜層離子由陰極濺射獲得。雖然有學者研究真空蒸鍍和離子鍍鍍膜在紡織材料上的應用，但大多數紡織材料不耐高溫，而磁控濺射因為具有能在低溫或常溫下鍍膜等優點被廣泛應用于紡織材料的表面改性和功能性整理［3］。磁控濺射鍍膜能賦予織物多功能性，如鍍銅織物有導電、抗靜電、電磁屏蔽等性能［4-6］，鍍二氧化鈦織物有光催化、抗菌、防紫外、抗靜電、親水等性能［7］。鍍膜還能在織物表面形成顏色，開發彩色織物［8-10］。

本研究采用磁控濺射技術在真絲織物表面制備銅/鈦膜，通過SEM、EDS、XPS 進行微觀表征，并對鍍膜真絲織物的顏色特征和防紫外線性能進行分析。

1 實驗

1.1 材料與儀器

材料：標準蠶絲貼襯織物（剪成15 cm×15 cm 的方形試樣備用，上海市紡織工業技術監督所），銅靶材（99.99%），二氧化鈦靶材（99.99%），真空室氬氣（99.99%），丙酮、無水乙醇（分析純，國藥集團化學試劑有限公司）。

儀器：磁控濺射鍍膜機（沈陽奇匯真空技術有限公司），超聲波清洗機（寧波新芝生物科技股份有限公司），TM3030 型臺式掃描電子顯微鏡、SwiftED3000型能譜儀（日本日立公司），Axis Ultra HAS 型X 射線光電子能譜儀（日本島津公司），UV-1000F 紫外線透射分析儀（美國Labsphere 公司），Ultra Scan XE 型分光測色儀（美國Hunter Lab 公司）。

1.2 實驗方法

織物預處理：將真絲織物依次浸漬在20%的丙酮溶液、20%的乙醇溶液和去離子水中進行超聲清洗10 min，取出，晾干。

鍍銅鈦織物的制備：在磁控濺射鍍膜機真空室內，將銅靶連接直流電源，二氧化鈦靶連接射頻電源。為了防止雜質沉積在基材表面，采取靶材在下、基材在上的濺射方式，并調節靶基距為60 mm。打開系統控制面板，先將真空室抽至本底真空8×10-4Pa，再通入氬氣，控制濺射壓強為0.8 Pa，然后調節直流電源濺射功率為75 W，為了制備不同厚度的納米銅單層膜，濺射時間分別為5、7、10、15 min，分別標記為樣品a、b、c、d。在樣品c 的實驗步驟基礎上，調節射頻電源濺射功率為120 W，為了制備不同厚度的納米銅/鈦層狀膜，濺射時間分別為5、7、10 min，分別標記為樣品e、f、g。

1.3 測試

表面形貌：采用臺式掃描電子顯微鏡分析。

表面元素：采用能譜儀分析。

化學價態：采用X 射線光電子能譜儀分析。

防紫外性：按照GB/T 18830—2009，在紫外線透射分析儀上測定280～400 nm 的光線透過率和紫外線防護系數UPF 值。

顏色特征：將織物折疊4 層，在D65光源下用分光測色儀測定K/S值和顏色特征值（L*、a*、b*、C*、h），每個樣品測定4次，取平均值。

2 結果與討論

2.1 表面形貌

由圖1a 可知，纖維表面光滑，無其他雜質；從圖1b 中可以看到纖維表面致密且均勻的納米膜，即銅膜；從圖1c、圖1d 中也可以看到纖維表面致密且均勻的納米膜，即銅/鈦層狀膜，而且薄膜無脫落或開裂等情況。說明磁控濺射在真絲織物表面制備了致密且均勻的納米膜。

圖1 不同濺射工藝條件下樣品的SEM 圖

2.2 能譜分析

由圖2 可知，鍍膜后真絲織物表面沉積了一定量的Cu 和Ti 元素。樣品a 表面無Cu、Ti 原子，樣品c 表面C、O、Cu、Ti 原子百分比為73.574∶21.645∶4.781∶0，樣品f 表面C、O、Cu、Ti 原子百分比為74.000∶20.347∶5.637∶0.016。

圖2 濺射前后真絲樣品的EDS 譜圖

2.3 化學價態分析

XPS 是一項分析物質表面化學性質的技術，可以測量材料中元素組成、元素化合態和游離態等。圖3a為鍍銅真絲織物的全譜圖，再一次證明鍍銅織物表面沉積了Cu 元素；由圖3b 可以看出，鍍銅真絲織物在結合能為952.15、932.35 eV 處出現了兩個強峰，分別對應Cu 2p 1/2 和Cu 2p 3/2，峰差為19.8 eV，查閱美國NIST 的X 射線光電子能譜數據庫可知，這是單質銅的特征峰［11］；由圖3c 可以看出，鍍銅真絲織物在結合能為532.05 eV 處的峰對應O 1s，為吸附或溶解氧。綜上所述，薄膜表面的銅元素為零價的單質銅而不是氧化銅或氧化亞銅。

圖3 樣品c 的XPS 譜圖

圖4 為銅/鈦真絲織物的XPS 全譜圖，說明真絲織物表面沉積了Cu 和Ti 元素，這與EDS 的分析結果一致。

圖4 樣品f的XPS 全譜圖

2.4 防紫外性

不同濺射工藝條件下樣品的防紫外性見表1。

表1 不同濺射工藝條件下樣品的防紫外性

由表1 可以看出，真絲織物的紫外防護性能很差，T(UVA)高達33.92%、UPF 值僅為5.35；隨著濺射時間的延長，鍍銅真絲織物的光線透過率減小，UPF值增加；銅鈦真絲織物的光線透過率和UPF 值隨濺射時間的變化規律與鍍銅真絲織物相同，且當濺射時間為10 min 時，樣品的T（UVA）只有5.84%，UPF 值達到27.85，體現出一定的防紫外線效果。銅/鈦膜大幅提高了織物的紫外防護性能，因為薄膜中的納米粒子具有小尺寸效應和量子尺寸效應，能吸收和散射紫外線。但由于真絲織物屬于稀薄織物，單憑納米薄膜難以獲得防紫外線產品，如果要達到要求，可以適當延長濺射時間或選擇厚密織物作為基材。

2.5 顏色特征

由圖5 可知，鍍膜織物的光譜曲線隨濺射時間的變化呈階梯形分布，且濺射時間越短，光譜曲線越低；濺射時間越長，光譜曲線越高。因為隨著濺射時間的延長，織物表面沉積的納米粒子越多，薄膜厚度增加，K/S值增大，顏色越來越深。銅鈦真絲織物的光譜曲線明顯高于鍍銅織物，因為層狀膜相對于單層膜增加了光學反射率，使光的干涉效果更明顯，從而顏色更深。

圖5 不同濺射工藝條件下樣品的可見光譜曲線

由表2 可知，鍍膜織物的各項色度學指標均隨濺射時間的變化而變化，說明濺射時間對鍍膜織物的出色效果有顯著影響。L*隨著濺射時間的延長而減小，從53.75 減小到38.19，說明織物的顏色隨薄膜厚度的增加而變暗；a*隨著濺射時間的變化波動不大（-0.02～4.89），且隨著鍍銅時間的延長而增加，說明織物的顏色隨著鍍銅時間的延長而偏紅；b*隨著濺射時間的變化波動較大（2.11～13.37），且隨著鍍二氧化鈦時間的延長而顯著增加，說明織物的顏色隨著鍍二氧化鈦時間的延長而顯著偏黃；h隨著濺射時間的變化波動較小（52.08～70.74），說明織物顏色變化較小，基本在同一色調上，樣品a 可能是由于濺射時間太短導致色調偏差。

表2 不同濺射工藝條件下樣品的顏色特征值

3 結論

（1）磁控濺射在真絲織物表面成功制備了銅和銅/鈦層狀膜。銅/鈦層狀膜可提高真絲織物的紫外防護性能。

（2）鍍膜在織物表面產生了顏色，隨著濺射時間的延長，織物的K/S值增大。