織物基Al/TiO2納米復(fù)合膜的性能研究

王麗瑩,王 婷,馮鴻蒞,林 鵬,袁小紅

(閩江學(xué)院服裝與藝術(shù)工程學(xué)院,福建 福州 350108)

纖維染整過程需要消耗大量的化學(xué)染料和助劑,不僅污染環(huán)境,也對人體皮膚造成傷害。同時(shí),染色過程消耗大量的水和電,不利于紡織行業(yè)的節(jié)能減排。此外,傳統(tǒng)的染整工藝存在染色不均勻、易變色等問題。因此,不需要大量的化學(xué)染料和助劑,不損傷人體皮膚,同時(shí)賦予纖維其他性能,又不影響其原有的舒適性、耐變色性,現(xiàn)需要一種方法來做到這一點(diǎn)。明顯有影響力的技術(shù)取代了傳統(tǒng)的織物著色或結(jié)構(gòu)著色(物理著色)技術(shù)。結(jié)構(gòu)色是物體本身的特殊結(jié)構(gòu)由于光的衍射、干涉和散射而產(chǎn)生的一種視覺效果。

近年來,結(jié)構(gòu)色一直受到紡織染整行業(yè)的關(guān)注。磁控濺射是目前最廣泛使用的實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)色顯色的技術(shù)之一,也是提供和改善紡織品功能性的關(guān)鍵方法之一。磁控濺射鍍膜是一種利用帶電粒子在真空中撞擊靶材表面,撞擊后的粒子沉積在基板上的技術(shù)。目前,國內(nèi)外使用磁控濺射鍍膜的報(bào)道很少。孟曉[1]及其同事使用磁控濺射技術(shù)研究功能性紡織品的制備和性能。袁小紅等[2]所用磁控濺射Ag/TiO2納米復(fù)合薄膜采用注射技術(shù)在滌綸織物上制備,分析了厚度與結(jié)構(gòu)色的關(guān)系。蘇喜林等人[3]應(yīng)用磁控濺射在金屬、合金或玻璃上沉積TiO2薄膜,以獲得各種顏色結(jié)構(gòu)化顏色專利。然而,很少有關(guān)于使用磁控濺射技術(shù)來實(shí)現(xiàn)特定圖案的研究報(bào)告。在本文中,我們將研究利用磁控濺射技術(shù)在滌棉混紡經(jīng)編織物上沉積Al/TiO2納米復(fù)合薄膜的能力,考慮使用磁控濺射技術(shù)實(shí)現(xiàn)紡織品定制圖案的可能。

1 實(shí)驗(yàn)

1.1 實(shí)驗(yàn)材料與儀器

織物:白色滌棉混紡經(jīng)編面料。

靶材:金屬鋁、金屬鈦。

濺射氣體:高純氬氣(99 %)。

儀器:卷對卷高真空磁控濺射鍍膜系統(tǒng)STVCZ450B(蘇州創(chuàng)普真空技術(shù)有限公司)；日立TM4000Plus臺式掃描電子顯微鏡(日立高新技術(shù)集團(tuán))；抗紫外線性能測試儀YG912E(溫州市大榮紡織儀器有限公司)；美國Datacolor800臺式高精度分光光度計(jì)(美國Datacolor公司)；染色摩擦色牢度測試儀Y(B)571-II(溫州市大榮紡織儀器有限公司)。

1.2 膜的制備方法

1.2.1 準(zhǔn)備過程

檢查冷卻水路,確保水路密封,啟動(dòng)水箱。觀察冷卻水循環(huán)情況,是否有漏水之處,及時(shí)解決。準(zhǔn)備電離氣瓶(如氬氣等)；

檢查真空室的手動(dòng)放氣閥是否關(guān)閉,如未關(guān)閉請先關(guān)閉；

將總電源面板上的總開關(guān)扳上。這時(shí)電控柜供電。觀察面板上電源相序指示燈。如不正確,立即關(guān)機(jī)解決；

啟動(dòng)5227-Ⅱ,觀察真空度。

1.2.2 實(shí)驗(yàn)主要流程

先將儀器進(jìn)行抽真空。打開儀器總電源,將面料放入真空箱內(nèi),啟動(dòng)機(jī)械泵,同時(shí)打開真空室的CF-35角閥,當(dāng)真空度≤10 Pa時(shí),關(guān)閉真空室的CF-35角閥,啟動(dòng)前級閥,開啟真空室閘板閥,真空度≤10 Pa時(shí)開啟分子泵,等待壓強(qiáng)≤1.5×10-3則完成。

進(jìn)行預(yù)濺射。給真空箱中充入氣體(氬氣或氧氣),氣體流量20 L/min,調(diào)節(jié)真空閘板閥使壓強(qiáng)在0.6Pa～1 Pa之間,功率控制在60w～80 w。

開始正式濺射。打開靶材和基片擋板,開始濺射并進(jìn)行計(jì)時(shí)。濺射完成后把面料取出,真空箱抽至真空后關(guān)閉電源。

關(guān)閉設(shè)備。鍍膜完畢后,關(guān)閉氣體總閥門,停止分子泵,約6 min后(分子泵轉(zhuǎn)數(shù)為0時(shí)),關(guān)閉前級電磁閥,關(guān)停機(jī)械泵,關(guān)閉總電源開關(guān),關(guān)閉水源。

1.3 性能測試

1.2.3 織物性能表征及測試

本實(shí)驗(yàn)采用的是日立TM4000Plus臺式掃描電子顯微鏡,掃描電子顯微鏡主要由電源、成像系統(tǒng)、真空系統(tǒng)、電子束系統(tǒng)組成。掃描電鏡的主要參數(shù):加速電壓0.02 K～30 K,分辨率0.6 nm/15 KV,電流模式mode3,真空模式為M,放大倍率:12～200萬x。在織物被掃描前進(jìn)行噴金處理。本實(shí)驗(yàn)采用TM4000Plus臺式掃描電子顯微鏡表征樣品表面形貌。

1.2.4 紫外線防護(hù)系數(shù)測試

太陽輻射波包括電波、紅外、可見紫外光、x、y射線等。其中紫外區(qū)約占總量的7 %,會產(chǎn)生損害的光輻射主要為紫外線(UV),紫外線波長為10 nm～400 nm,為不可見光,其分為A(400 nm～315 nm),B(315 nm～280 nm),C(280 nm～100 nm)三 線,輻 射 能 由 低 到 高,簡 稱UVA,UVB,UVC。

本實(shí)驗(yàn)利用抗紫外線性能測試儀YG912E對實(shí)驗(yàn)磁控濺射樣本進(jìn)行抗紫外線性能測試,測試步驟如下:

準(zhǔn)備樣本并在檢測前將樣本處于20 ℃溫度下,60 %～65 %的相對濕度下平衡24小時(shí)。

將樣本置于儀器的抽屜透光孔中,打開電腦進(jìn)行測試。

收集整理數(shù)據(jù),分析數(shù)據(jù)。

1.2.5 Al/TiO2納米復(fù)合膜顏色測試

磁控濺射鍍膜是織物上色的一種方式。 與傳統(tǒng)的紡織品染色方法相比,磁控濺射對人體健康危害較小。 通過討論,可以更深入地了解磁控濺射薄膜的顏色原理。

本環(huán)節(jié)采用美國進(jìn)口的Datacolor800臺式高精度分光光度計(jì)測試Al/TiO2納米復(fù)合膜的顏色。波長范圍為350 nm～750 nm,采用沖脈氬光源,光波分辨率達(dá)到2 nm。

1.2.6 耐摩擦色牢度評級

此項(xiàng)環(huán)節(jié),使用染色摩擦色牢度測試儀Y(B)571-II進(jìn)行,使樣品的經(jīng)向與摩擦頭的運(yùn)行方向一致,摩擦次數(shù)設(shè)置為20次,平均1秒一個(gè)往復(fù)循環(huán)摩擦,到時(shí)間自動(dòng)停止。樣品的尺寸大小為49 mm×49 mm。摩擦部件的動(dòng)程為10 cm,垂直方向的壓力為8 N,電源:AC220 V、70 W。

2 結(jié)果與討論

2.1 表面形貌測試

織物原布以及濺射非金屬薄膜后樣布的SEM圖見圖1所示。

圖1 鍍薄膜前后的表面形貌

本實(shí)驗(yàn)在滌棉混紡的經(jīng)編針織物上制作了一層Al/TiO2薄膜作為基材,通過掃描電鏡分析涂層前后織物表面形貌的變化。圖1(a)為原滌棉混紡織物的表面形貌。纖維表面光滑,無其他雜質(zhì)。圖1(b)、圖1(c)和圖1(d)是磁控濺射后纖維的表面形貌。圖1(b)為TiO2濺射時(shí)間20 min,輸出功率71 w,可見纖維表面有明顯的顆粒感。 圖1(c)為TiO2的濺射時(shí)間為45 min,輸出功率為77 w,此時(shí)Al/TiO2薄膜分布均勻,在纖維表面,Al/TiO2薄膜比較平坦,但Al/TiO2薄膜有輕微的剝離。圖1(d)為 TiO2濺射時(shí)間30 min,輸出功率77 w,覆蓋在纖維表面的Al/TiO2薄膜分布更均勻,幾乎沒有顆粒感。對比圖1(b)、圖1(c)、圖1(d)可知,濺射時(shí)間越長,TiO2薄膜越厚,纖維表面分布越均勻、光滑。然而,在圖1(c)和圖1(d)中,很明顯Al/TiO2薄膜在外摩擦作用下輕微脫落?？梢钥闯?Al/TiO2薄膜與聚酯纖維的附著力較差。

2.2 紫外線防護(hù)性能

紡織品抗紫外線性能通常用防紫外線系數(shù)(UPF),紫外透過率。防紫外線系數(shù)為入射紫外線的平均輻射量與透過織物的紫外線的平均輻射量的比值。國家規(guī)定的最高防護(hù)紫外線系數(shù)等級為50+,意思是UPF值大于50。

UPF值及防護(hù)等級如表1所示:

表1 UPF值及防護(hù)等級

為探究在不同磁控濺射參數(shù)下(#1～#6),對Al/TiO2薄膜的防紫外線性能的影響,將通過分析不同磁控濺射時(shí)間下織物的防紫外線系數(shù)(UPF),紫外透過率(UVA)以及戶外紫外線透射率(UVB)的數(shù)值,進(jìn)而分析織物抗紫外線性能。

UPF值及防護(hù)等級如表2所示:

表2 不同濺射參數(shù)下樣品的紫外線防護(hù)性能

織物樣品 #1、#2 和 #3 濺射鋁膜 30 min和TiO2膜15 min、30 min和45 min。 在織物樣品#4、#5和#6上濺射Al膜20 min,濺射TiO2膜分別為20 min、25 min和30 min。 布樣#1～#6的濺射功率為65 w～80 w。

#1樣品的防護(hù)等級是好的。 #2、#3、#6的防護(hù)等級非常好。 特別是#3 樣本的UPF 級別為 35。

根據(jù)中國質(zhì)量監(jiān)督總局在《纖維抗紫外線性能評價(jià)》中發(fā)布的關(guān)于紫外線防護(hù)產(chǎn)品的規(guī)定:如果紫外線透過率滿足以下兩個(gè)條件,就可以稱為紫外線防護(hù)產(chǎn)品。 紫外線透過率小于5 %,紫外線防護(hù)系數(shù)40以上。 樣品#1-#6中的UPF值不符合規(guī)定要求,不被視為“防曬產(chǎn)品”。

2.3 Al/TiO2納米復(fù)合膜顏色

本節(jié)采用直流磁控濺射鍍膜技術(shù)濺射Al/TiO2納米復(fù)合薄膜沉積在織物上,通過改變磁控濺射工藝參數(shù)控制織物上薄膜的顏色,并與原織物進(jìn)行對比。實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖2所示。

圖2 滌棉混合織物原樣及式樣顏色照片

從圖2可以看出,Al/TiO2納米復(fù)合薄膜濺射沉積在滌棉混紡織物表面,織物表面顏色變化明顯。 使用 Datacolor 800 臺式分光光度計(jì)進(jìn)行檢測。結(jié)果如表3所示。滌棉混紡經(jīng)編針織物(樣品a)為白色。 如果濺射時(shí)間短(樣品 b),織物表面偏紅色。隨著濺射時(shí)間的增加(樣品d),根據(jù)表3的結(jié)果表明織物表面偏更綠。

不同磁控濺射參數(shù)下薄膜的顏色測試數(shù)據(jù)如表3所示:

表3 不同磁控濺射參數(shù)下薄膜的顏色

可以看出,利用磁控濺射技術(shù)在滌棉混紡織物表面濺射沉積Al/TiO2納米復(fù)合薄膜,可使針織物表面產(chǎn)生顏色,通過調(diào)整濺射時(shí)間和濺射功率?？梢垣@得不同的顏色。

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2.4 耐摩擦色牢度

耐摩擦色牢度是指染色織物在摩擦后變色的程度。 天然纖維織成的紡織品比合成纖維更容易褪色,尤其是合成紡織品。 棉、羊毛、絲綢和亞麻等紡織品比尼龍、滌綸和腈綸更容易褪色。 其中,絲綢和棉織物容易掉色。

在適當(dāng)?shù)墓庠聪卤３痔囟ǖ臏囟群蜐穸?目測評估樣品的耐變色性,并使用標(biāo)準(zhǔn)的灰色樣品卡進(jìn)行比較和評估。 我國色度分級灰卡標(biāo)準(zhǔn)代號為GB251-2019《紡織品耐摩擦色牢度試驗(yàn)和染色評價(jià)灰樣卡》。 樣卡分為5個(gè)等級,等級1～5。 等級越高,色牢度越高,褪色的可能性越小。 摩擦色牢度的評價(jià)標(biāo)準(zhǔn)分為9個(gè)等級(1～5級,每兩級之間補(bǔ)充半個(gè)級別,是比較準(zhǔn)確的評價(jià)等級)。 使用灰色樣卡進(jìn)行分級時(shí),觀察方向大致垂直于紡織品表面,以避免環(huán)境顏色的影響。

實(shí)驗(yàn)結(jié)果如下所示:

圖3 適宜光源下不同濺射參數(shù)樣品的摩擦沾色

由以上實(shí)驗(yàn)結(jié)果可知,不同磁控濺射樣品的干濕摩擦牢度等級相似,褪色效果相似。可以得出結(jié)論,濕度對各種磁控濺射織物的耐變色性影響不大。隨著濺射時(shí)間的增加,樣品的抗變色等級降低,沾色明顯,褪色明顯,耐摩擦色牢度較差。

表4 耐摩擦色牢度主觀評級

綜上所述,薄膜泛指光學(xué)薄膜,是通過物理方法涂覆在金屬基材表面的介電薄膜。需要進(jìn)一步調(diào)查以確定是否有其他因素影響薄膜的耐變色性,例如外部環(huán)境的濕度和溫度。

3 結(jié)論

本實(shí)驗(yàn)采用白色滌棉混紡經(jīng)編織物作為磁控濺射基底,采用磁控濺射技術(shù)將99%的AL和Ti濺射到基布上。

用掃描電鏡觀察濺射前后布面形貌,從圖像圖中可以看出,經(jīng)編布表面的非金屬氧化膜形成了良好的膜層。濺射時(shí)間越長,薄膜越光滑。薄膜受外力摩擦底部有一小部分脫落,但大部分覆蓋在織物表面。之所以會出現(xiàn)這樣的結(jié)果,是因?yàn)閷?shí)驗(yàn)中使用的是滌棉混紡的經(jīng)編面料,而棉和絲有很強(qiáng)的吸濕性和溶脹性。皂洗過程中的水分子的侵入減弱了纖維與納米顆粒之間的作用力,使磁控濺射薄膜容易脫落。因此,有可能布樣吸收了空氣中的水分子而導(dǎo)致薄膜脫落,降低了Al/TiO2薄膜與布樣之間的附著力。通過UV防護(hù)性能的測量,我們考察了Al/TiO2薄膜的防護(hù)性能,比較了濺射前后織物的UPF值和UVA值。雖然這六個(gè)樣品沒有達(dá)到國家規(guī)定的最高紫外線防護(hù)系數(shù)水平,但與原織物樣品相比,濺射后的樣品的紫外線防護(hù)性能有所提高。因此,當(dāng)濺射時(shí)間和濺射功率達(dá)到一定值時(shí),Al/TiO2薄膜表現(xiàn)出優(yōu)異的紫外線防護(hù)性能。 可以看出,布面薄膜形成的顏色是濺射時(shí)間和濺射功率共同作用的結(jié)果。 使用Datacolor 800臺式精密分光光度計(jì)檢測Al/TiO2納米復(fù)合薄膜的顏色。 通過調(diào)節(jié)磁控管的濺射時(shí)間和濺射功率,可以調(diào)節(jié)薄膜的厚度,織物根據(jù)薄膜的厚度呈現(xiàn)不同的顏色。以我國代號GB251-2019《紡織品耐摩擦色牢度試驗(yàn)和染色評價(jià)灰樣卡》為標(biāo)準(zhǔn)樣卡,在合適的光源下比較,不同磁控濺射的樣品的干濕摩擦色牢度等級相近,褪色效果相近,干濕度對各種磁控濺射織物的耐變色性影響不大。此外,隨著濺射時(shí)間的增加和樣品的耐變色等級降低,沾色明顯,褪色明顯,并且耐摩擦變色度下降。使用磁控濺射在織物上放置Al/TiO2薄膜在一定程度上提高了織物的功能。

綜上所述,利用磁控濺射技術(shù)在織物上沉積Al/TiO2薄膜,并合理調(diào)整實(shí)驗(yàn)參數(shù),可以實(shí)現(xiàn)定制紡織品圖案的可能性。