預(yù)處理工藝對磁控濺射鍍膜織物膜基結(jié)合力的影響

王國軒，郭興峰

（天津工業(yè)大學(xué) 紡織學(xué)院，天津 300160）

預(yù)處理工藝對磁控濺射鍍膜織物膜基結(jié)合力的影響

王國軒，郭興峰

（天津工業(yè)大學(xué) 紡織學(xué)院，天津 300160）

為研究預(yù)處理工藝對磁控濺射鍍膜織物膜基結(jié)合力的影響，采用堿減量、凈洗KOC、普通水洗3種方法對滌綸長絲織物進(jìn)行預(yù)處理，然后在相同磁控濺射工藝條件下在織物表面鍍制鈦金屬膜，然后測試鍍膜織物耐磨性，并分析不同預(yù)處理方法對鍍膜織物耐磨性及膜基結(jié)合力的影響.研究發(fā)現(xiàn)：以質(zhì)量濃度為10 g/L的NaOH溶液對織物進(jìn)行堿減量處理可有效提高鍍膜織物的耐磨性和膜基結(jié)合牢度，濃度再增加對提高鈦膜耐磨性作用不大；凈洗KOC預(yù)處理與普通水洗處理效果有限，僅對試樣表面進(jìn)行洗滌，未對試樣表面形貌及內(nèi)在性質(zhì)產(chǎn)生影響.

磁控濺射；滌綸長絲織物；預(yù)處理；膜基結(jié)合力；耐磨性

產(chǎn)業(yè)用紡織品(國際上又稱技術(shù)紡織品)是紡織工業(yè)中極具潛力和高附加值的產(chǎn)品[1]，如醫(yī)用紡織品、過濾用紡織品、土工合成材料、特殊裝飾用紡織品、高性能復(fù)合材料和農(nóng)業(yè)用紡織品等[2]，但其實(shí)際應(yīng)用對紡織材料的要求與材料自身的性能并非完全一致.為此，對紡織材料進(jìn)行改性處理就變得十分必要，尤其是改變紡織材料的表面性能.對紡織材料進(jìn)行表面改性的方法種類繁多，如等離子表面刻蝕、織物表面涂層等[3-6]，以賦予織物抗菌、吸濕、導(dǎo)電等特殊功能.近年來，磁控濺射鍍膜技術(shù)由于濺射率高、基材溫度低、膜基結(jié)合力好、裝置性能穩(wěn)定、操作控制方便等優(yōu)點(diǎn)[7-8]，在紡織材料表面改性方面的應(yīng)用越來越多，可獲得抗菌、導(dǎo)電、防紫外線、防電磁輻射等性能.隨著磁控濺射應(yīng)用的不斷增加，人們對磁控濺射鍍膜的質(zhì)量越來越關(guān)注，因其直接關(guān)系到鍍膜織物實(shí)際應(yīng)用效果，而紡織材料基材與納米薄膜間的結(jié)合力是衡量鍍膜質(zhì)量的一個(gè)重要方面.魏取福等[9-10]研究了非織造布基基材與所鍍膜層間的結(jié)合力.本文以機(jī)織滌綸長絲織物作為基材，研究不同前處理工藝對鍍膜織物膜基結(jié)合力的影響.

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 實(shí)驗(yàn)材料、藥品及儀器

實(shí)驗(yàn)材料包括：滌綸長絲織物，6.0 tex×5.4 tex，427×370根/10 cm，平紋組織，將其裁剪成20 cm×20 cm的方形試樣備用；濺射用鈦靶材，純度99.99%；真空室氬氣，純度為99.999%.

實(shí)驗(yàn)藥品包括：粒狀NaOH，含NaOH≥96.0%，天津市北方天醫(yī)化學(xué)試劑廠產(chǎn)品；凈洗KOC，天津達(dá)一琦精細(xì)化工有限公司產(chǎn)品.

實(shí)驗(yàn)儀器包括：JPGF-450I型磁控濺射鍍膜機(jī)，北京北儀創(chuàng)新真空技術(shù)有限責(zé)任公司產(chǎn)品，配有射頻和直流電源；HH-4型數(shù)顯恒溫水浴鍋、XMTB數(shù)顯溫控儀，天津中環(huán)實(shí)驗(yàn)電爐有限公司產(chǎn)品；YGB401型織物平磨儀，安徽省江南機(jī)械廠產(chǎn)品；XTS-30體視顯微鏡，北京泰克儀器有限公司產(chǎn)品.另需容量瓶、燒杯、玻璃棒若干.

1.2 試樣預(yù)處理

織物在生產(chǎn)過程中會(huì)接觸油劑，在運(yùn)輸、儲(chǔ)存過程中也會(huì)不可避免地接觸到雜質(zhì)、污物，為了提高鍍膜織物的膜基結(jié)合牢度，需對織物進(jìn)行預(yù)處理.

（1）堿減量處理.首先配制不同質(zhì)量濃度NaOH溶液（分別為10、20、30、40 g/L），將用清水清洗過的試樣置于NaOH溶液中在85℃水浴中加熱50 min，浴比1∶30，再用清水反復(fù)清洗試樣去除其表面殘余的NaOH溶液.

（2）凈洗KOC處理.配制質(zhì)量濃度為2 g/L的凈洗KOC溶液，將試樣置于其中在常溫下處理30 min，而后在清水中清洗去除殘留的凈洗KOC溶液.

（3）普通水洗處理.在清水中洗滌試樣，與另外兩種方法做對比.

1.3 鍍膜織物的制備

在鍍膜機(jī)真空室內(nèi)，濺射用鈦靶材安裝在基材正上方，二者相距60 mm.首先將真空室抽至本底真空度為2.0×10-3Pa，再充入氬氣，將氬氣壓強(qiáng)、濺射功率分別調(diào)節(jié)為0.9 Pa、480 W后開始鍍膜，濺射時(shí)間達(dá)180 s后完成一個(gè)樣品的制備.

1.4 耐磨性測試

鍍膜織物膜基結(jié)合力與其表面鈦膜的耐磨性密切相關(guān)，鈦膜耐磨性越好，膜基結(jié)合就越牢固.通過測試鍍膜織物耐磨性間接反映納米鈦膜與滌綸基材之間的結(jié)合力情況.

依據(jù)GB/T21196-1-2007《紡織品馬丁代爾織物耐磨性的測定馬丁代爾耐磨試驗(yàn)儀》,采用織物平磨儀測定鍍膜織物耐磨性，磨料為雜種羊毛織制的精梳平紋織物（190根/10 cm×120根/10 cm，195 g/m2）.實(shí)驗(yàn)時(shí)，對所有試樣進(jìn)行2 500次摩擦，考察在相同摩擦條件下鈦膜耐磨性的好壞，進(jìn)而反映鍍膜織物膜基結(jié)合力的大小.

為表征織物表面鈦膜的磨損，利用體視顯微鏡獲得了鍍膜織物摩擦前后圖片.由于穿過織物的光線是自下而上的，鈦膜磨損越嚴(yán)重，其透光量就越大，圖片表面對應(yīng)點(diǎn)的亮度愈大，即亮度越大，鈦膜耐磨性越差.根據(jù)相關(guān)資料，亮度[11-12]被定義來反映人類的主觀明亮感覺，指單位投影面積上的發(fā)光強(qiáng)度，單位是每平方米堪德拉（cd/m2）或稱nits.本文利用亮度的高低反映鈦膜耐磨性的好壞.

利用光影魔術(shù)手軟件采集試樣圖片亮度值.采集時(shí)，以左上角第一根完整紗線為起點(diǎn)，向右（或向下）選取第（n為偶數(shù)）或（n為奇數(shù)）經(jīng)紗（緯紗）為標(biāo)準(zhǔn)，n為圖片中完整經(jīng)紗（或緯紗）根數(shù)，依次獲取與該紗線有交織的緯紗（經(jīng)紗）處的亮度值，每個(gè)試樣沿經(jīng)、緯向分別選取7和10個(gè)點(diǎn)，每個(gè)點(diǎn)取5個(gè)數(shù)據(jù)，計(jì)算各點(diǎn)亮度值并求平均，得到試樣經(jīng)、緯向亮度值.

為更好表征鈦膜耐磨性，引入相對亮度的概念，指材料經(jīng)一定摩擦后亮度的相對變化量，反映材料的相對磨損量，計(jì)算公式為：

Dr=Ds-D1D0-D1×100%式中：Dr為相對亮度值；D0為材料鍍膜前的亮度值；D1為材料鍍膜后、摩擦前的亮度值；Ds為材料摩擦后亮度值.

2 結(jié)果與討論

2.1 試樣表面形貌

鍍膜前后滌綸織物的表面形貌如圖1所示.

由圖1可以看出，鍍膜前，試樣表面經(jīng)組織點(diǎn)處光澤不顯著，緯組織點(diǎn)顯白色，有明顯光澤，單層紗部位呈透明狀，如圖1（a）所示；鍍膜后，試樣表面顏色變暗，如圖1（b）所示.這是鈦膜粒子在大氣環(huán)境中發(fā)生部分氧化的結(jié)果；經(jīng)、緯紗間縫隙未被填充，可以分辨出紗內(nèi)單絲，說明鈦膜粒子為納米級(jí)顆粒.以上均說明采用磁控濺射工藝，可在試樣表面沉積一層致密、均勻的金屬膜.觀察圖1（a）、（b）可以發(fā)現(xiàn)，試樣中所有緯組織點(diǎn)的左部光澤明顯，這并非試樣自身差異，而與采用體視顯微鏡獲取圖片時(shí)光線的射入角度及織物中長絲的取向有關(guān).

經(jīng)2 500次摩擦后，試樣表面鈦膜出現(xiàn)一定程度磨損，摩擦后試樣形貌如圖2所示.

由圖2可見，經(jīng)組織點(diǎn)處鈦膜的磨損明顯多于緯組織點(diǎn)，說明經(jīng)紗摩損大于緯紗，這與經(jīng)、緯紗性質(zhì)及織物結(jié)構(gòu)有關(guān).試樣中經(jīng)、緯紗細(xì)度相差不大，但經(jīng)密明顯大于緯密，造成經(jīng)紗屈曲波高（ht）大于緯紗屈曲波高（hw），故而試樣表面經(jīng)組織點(diǎn)比緯組織點(diǎn)更突出[13].對鍍膜試樣進(jìn)行平磨時(shí)，經(jīng)組織點(diǎn)與磨料的接觸比緯組織點(diǎn)充分，使得經(jīng)組織點(diǎn)處鈦膜磨損更嚴(yán)重.

2.2 堿減量處理效果

堿減量預(yù)處理對試樣相對亮度值的影響如圖3所示.

從圖3可以看出，堿減量預(yù)處理之后鍍膜，試樣經(jīng)、緯紗相對亮度值范圍分別為34.0%～42.9%、6.2%～11.8%，均低于普通水洗試樣的51.7%、21.8%，說明堿減量處理對改善鈦膜耐磨性和提高膜基結(jié)合牢度有利.鈦膜耐磨性隨NaOH溶液濃度變化有所不同，且經(jīng)、緯紗變化趨勢基本一致.由圖3可知，隨NaOH溶液質(zhì)量濃度提高，試樣相對亮度先緩慢上升，在30 g/L后又有所下降，即鈦膜耐磨性先減小、后增加.

根據(jù)有關(guān)資料[14-15]，將滌綸放置于熱堿液中，利用堿對酯鍵的水解作用，將滌綸大分子逐步打斷，并逐漸向纖維內(nèi)部滲透，纖維表面出現(xiàn)坑穴，同時(shí)纖維表面腐蝕組織松弛、重量減少，織物彎曲及剪切特性發(fā)生明顯變化.對滌綸長絲織物進(jìn)行堿減量處理使其剛度下降，可在一定程度緩解摩擦作用；酯鍵水解使得纖維表面變得粗糙，在膜基間形成更多機(jī)械鎖合，因而提高了膜基結(jié)合牢度.

NaOH溶液質(zhì)量濃度變化對鈦膜耐磨性影響不大，濃度增加對提高鈦膜耐磨性作用有限.此外，堿減量過重，會(huì)導(dǎo)致織物強(qiáng)力損失過大.通常減量率增加1%，織物強(qiáng)力就下降2%，減量率大于20%，織物強(qiáng)力損傷明顯加大[16].若基材力學(xué)性質(zhì)損傷過大，對鈦膜耐磨性有害無益，故溶液質(zhì)量濃度應(yīng)偏小掌握，以10 g/L為宜.

2.3 凈洗KOC處理效果

采用質(zhì)量濃度為2 g/L的凈洗KOC溶液處理試樣，其相對亮度值變化如表1所示.

表1 普通水洗處理與凈洗KOC處理試樣耐磨性對比Tab.1 Comparison of abrasion resistance between KOC and water washing samples

由表1可知，普通水洗的經(jīng)紗相對亮度大于凈洗KOC；普通水洗的緯紗相對亮度略小于凈洗KOC，說明在常溫下采用凈洗KOC溶液處理對改善鈦膜耐磨性作用有限.

凈洗KOC溶液對試樣進(jìn)行洗滌，可去除水洗處理無法除去的一些有機(jī)雜質(zhì)，提高試樣的清潔度，但未對試樣表面結(jié)構(gòu)及內(nèi)在性質(zhì)產(chǎn)生影響.當(dāng)試樣表面清潔度達(dá)到一定程度后，對提高鍍膜織物膜基結(jié)合牢度作用有限.這也說明水洗處理已將試樣表面多數(shù)雜質(zhì)去除.

3 結(jié)論

（1）采用磁控濺射工藝，可在滌綸長絲織物表面沉積一層均勻、致密的金屬膜.

（2）與普通水洗處理相比，堿減量處理可有效提高鍍膜織物膜基結(jié)合牢度，凈洗KOC處理作用有限.

（3）試樣經(jīng)、緯紗鈦膜耐磨性隨NaOH溶液質(zhì)量濃度提高變化趨勢基本一致.質(zhì)量濃度為 10 g/L NaOH溶液處理可顯著提高鈦膜耐磨性，溶液質(zhì)量濃度增加對提高鈦膜耐磨性作用不大.

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Effect of pretreatment processes on film-substrate bonding force of magnetron sputter-coated fabrics

WANG Guo-xuan，GUO Xing-feng
（School of Textiles，Tianjin Polytechnic University，Tianjin 300160，China）

In order to study the effects of pretreatment processes on the film-substrate bonding force and abrasion resistance of magnetron sputter-coated fabrics，alkali decrement，KOC and water washing are used to treat PET filament fabrics which would be sputtered subsequently.And then，the specimens are treated at the same conditions by magnetron sputtering technology and the abrasion resistance of them are tested as a function of different pretreatment processes.The results show that alkali decrement pretreatment could improve the interfacial bonding and abrasion resistance effectively when the quality concentration of NaOH solution is 10 g/L，however，the abrasion resistance of them is hardly changed with the increasing of NaOH solution concentration.On the other hand,the effect of KOC and water washing treatments is limited.

magnetron sputtering；PET filament fabric；pretreatment；film-substrate bonding force；abrasion resistance

book=4,ebook=155

TS156

A

1671－024X（2010）04－0057－04

2010-07-01 基金項(xiàng)目：天津市科技發(fā)展計(jì)劃項(xiàng)目（06YFJZJC14800）

王國軒（1985—），男，碩士研究生.

郭興峰（1964—），男，教授，博士，碩士生導(dǎo)師.E-mail:xfguo@tjpu.edu.cn