预处理工艺对磁控溅射镀膜织物膜基结合力的影响
发布时间：2019-08-13
产业用纺织品(国际上又称技术纺织品)是纺织工业中极具潜力和高附加值的产品，如医用纺织品、过滤用纺织品、土工合成材料、特殊装饰用纺织品、高性能复合材料和农业用纺织品等，但其实际应用对纺织材料的要求与材料自身的性能并非完全一致。为此，对纺织材料进行改性处理就变得十分必要，尤其是改变纺织材料的表面性能。对纺织材料进行表面改性的方法种类繁多，如等离子表面刻蚀、织物表面涂层等，以赋予织物抗菌、吸湿、导电等特殊功能。近年来，磁控溅射镀膜技术由于溅射率高、基材温度低、膜基结合力好、装置性能稳定、操作控制方便等优点，在纺织材料表面改性方面的应用越来越多，可获得抗菌、导电、防紫外线、防电磁辐射等性能。随着磁控溅射应用的不断增加，人们对磁控溅射镀膜的质量越来越关注，因其直接关系到镀膜织物实际应用效果，而纺织材料基材与纳米薄膜间的结合力是衡量镀膜质量的一个重要方面。魏取福等研究了非织造布基基材与所镀膜层间的结合力。本文以机织涤纶长丝织物作为基材，研究不同前处理工艺对镀膜织物膜基结合力的影响。
1、实验部分
1.1 实验材料、药品及仪器
实验材料包括：涤纶长丝织物，6.0tex×5.4tex，427×370根/10cm，平纹组织，将其裁剪成20cm×20cm的方形试样备用；溅射用钛靶材，纯度99.99％；真空室氩气，纯度为99.999％。
实验药品包括：粒状NaOH，含NaOH≥96.0％；净洗KOC。
实验仪器包括：磁控溅射镀膜机，配有射频和直流电源；HH-4型数显恒温水浴锅、XMTB数显温控仪；YGB401型织物平磨仪；XTS-30体视显微镜。另需容量瓶、烧杯、玻璃棒若干。
1.2 试样预处理
织物在生产过程中会接触油剂，在运输、储存过程中也会不可避免地接触到杂质、污物，为了提高镀膜织物的膜基结合牢度，需对织物进行预处理。
(1)碱减量处理。首先配制不同质量浓度NaOH溶液(分别为10、20、30、40g/L)，将用清水清洗过的试样置于NaOH溶液中在85℃水浴中加热50min，浴比1:30，再用清水反复清洗试样去除其表面残余的NaOH溶液。
(2)净洗KOC处理。配制质量浓度为2g/L的净洗KOC溶液，将试样置于其中在常温下处理30min。而后在清水中清洗去除残留的净洗KOC溶液。
(3)普通水洗处理。在清水中洗涤试样，与另外两种方法做对比。
1.3 镀膜织物的制备
在镀膜机真空室内，溅射用钛靶材安装在基材正上方，二者相距60mm。首先将真空室抽至本底真空度为2.0×10-3Pa，再充入氩气，将氩气压强、溅射功率分别调节为0.9Pa、480W后开始镀膜，溅射时间达180s后完成一个样品的制备。
1.4 耐磨性测试
镀膜织物膜基结合力与其表面钛膜的耐磨性密切相关，钛膜耐磨性越好，膜基结合就越牢固。通过测试镀膜织物耐磨性间接反映纳米钛膜与涤纶基材之间的结合力情况。依据GB/T21196-1-2007《纺织品马丁代尔织物耐磨性的测定马丁代尔耐磨试验仪》，采用织物平磨仪测定镀膜织物耐磨性，磨料为杂种羊毛织制的精梳平纹织物(190根/10cm×120根/10cm，195g/㎡)。实验时，对所有试样进行2500次摩擦，考察在相同摩擦条件下钛膜耐磨性的好坏，进而反映镀膜织物膜基结合力的大小。
为表征织物表面钛膜的磨损，利用体视显微镜获得了镀膜织物摩擦前后图片。由于穿过织物的光线是自下而上的，钛膜磨损越严重，其透光量就越大，图片表面对应点的亮度愈大，即亮度越大，钛膜耐磨性越差。根据相关资料，亮度被定义来反映人类的主观明亮感觉，指单位投影面积上的发光强度，单位是每平方米堪德拉(cd/㎡)或称nits。本文利用亮度的高低反映钛膜耐磨性的好坏。利用光影魔术手软件采集试样图片亮度值。采集时，以左上角第一根完整纱线为起点，向右(或向下)选取n/2(n为偶数)或(n+1)/2(n为奇数)经纱(纬纱)为标准，n为图片中完整经纱(或纬纱)根数，依次获取与该纱线有交织的纬纱(经纱)处的亮度值，每个试样沿经、纬向分别选取7和10个点，每个点取5个数据，计算各点亮度值并求平均，得到试样经、纬向亮度值。
为更好表征钛膜耐磨性，引入相对亮度的概念，指材料经一定摩擦后亮度的相对变化量，反映材料的相对磨损量，计算公式为：
式中：D，为相对亮度值；Do为材料镀膜前的亮度值；D。为材料镀膜后、摩擦前的亮度值；现为材料摩擦后亮度值。
2、结果与讨论
2.1 试样表面形貌
镀膜前后涤纶织物的表面形貌如图1所示。
由图1可以看出，镀膜前，试样表面经组织点处光泽不显著，纬组织点显白色，有明显光泽，单层纱部位呈透明状，如图1(a)所示；镀膜后，试样表面颜色变暗，如图1(b)所示。这是钛膜粒子在大气环境中发生部分氧化的结果；经、纬纱间缝隙未被填充，可以分辨出纱内单丝，说明钛膜粒子为纳米级颗粒。以上均说明采用磁控溅射T艺，可在试样表面沉积一层致密、均匀的金属膜。观察陶1(a)、(b)可以发现，试样中所有纬组织点的左部光泽明显，这并非试样自身差异，而与采用体视显微镜获取图片时光线的射入角度及织物中长丝的取向有关。
经2500次摩擦后，试样表面钛膜出现一定程度磨损，摩擦后试样形貌如图2所示。
由图2可见，经组织点处钛膜的磨损明显多于纬组织点，说明经纱摩损大于纬纱，这与经、纬纱性质及织物结构有关。试样中经、纬纱细度相差不大，但经密明显大于纬密，造成经纱屈曲波高(h1)大于纬纱屈曲波高(hw)，故而试样表面经组织点比纬组织点更突出。对镀膜试样进行平磨时，经组织点与磨料的接触比纬组织点充分，使得经组织点处钛膜磨损更严重。
2.2 碱减量处理效果
碱减量预处理对试样相对亮度值的影响如图3所示。
从图3可以看出，碱减量预处理之后镀膜，试样经、纬纱相对亮度值范围分别为34.0％～42.9％、6.2％～11.8％，均低于普通水洗试样的51.7％、21.8％，说明碱减量处理对改善钛膜耐磨性和提高膜基结合牢度有利。钛膜耐磨性随NaOH溶液浓度变化有所不同，且经、纬纱变化趋势基本一致。由图3可知，随NaOH溶液质量浓度提高，试样相对亮度先缓慢上升，在30g/L后又有所下降，即钛膜耐磨性先减小、后增加。
根据有关资料，将涤纶放置于热碱液中，利用碱对酯键的水解作用，将涤纶大分子逐步打断，并逐渐向纤维内部渗透，纤维表面出现坑穴，同时纤维表面腐蚀组织松弛、重量减少，织物弯曲及剪切特性发生明显变化。对涤纶长丝织物进行碱减量处理使其刚度下降，可在一定程度缓解摩擦作用；酯键水解使得纤维表面变得粗糙，在膜基间形成更多机械锁合，因而提高了膜基结合牢度。
NaOH溶液质量浓度变化对钛膜耐磨性影响不大，浓度增加对提高钛膜耐磨性作用有限。此外，碱减量过重，会导致织物强力损失过大。通常减量率增加1％，织物强力就下降2％，减量率大于20％，织物强力损伤明显加大。若基材力学性质损伤过大，对钛膜耐磨性有害无益，故溶液质量浓度应偏小掌握，以10g/L为宜。
2.3 净洗KOC处理效果
采用质量浓度为2g/L的净洗KOC溶液处理试样，其相对亮度值变化如表1所示。
由表1可知，普通水洗的经纱相对亮度大于净洗KOC；普通水洗的纬纱相对亮度略小于净洗KOC，说明在常温下采用净洗KOC溶液处理对改善钛膜耐磨性作用有限。净洗KOC溶液对试样进行洗涤，可去除水洗处理无法除去的一些有机杂质，提高试样的清洁度，但未对试样表面结构及内在性质产生影响。当试样表面清洁度达到一定程度后，对提高镀膜织物膜基结合牢度作用有限。这也说明水洗处理已将试样表面多数杂质去除。
3、结论
(1)采用磁控溅射工艺，可在涤纶长丝织物表面沉积一层均匀、致密的金属膜。
(2)与普通水洗处理相比，碱减量处理可有效提高镀膜织物膜基结合牢度，净洗KOC处理作用有限。
(3)试样经、纬纱钛膜耐磨性随NaOH溶液质量浓度提高变化趋势基本一致。质量浓度为10g/LNaOH溶液处理可显著提高钛膜耐磨性，溶液质量浓度增加对提高钛膜耐磨性作用不大。
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