基于磁控溅射技术的功能性纺织品的制备和性能

孟 晓，王永宽，陈韶娟，苗大刚

（青岛大学纺织服装学院，山东青岛 266000）

传统纺织品表面成膜一般有涂层法、化学沉积法[1]、溶胶-凝胶法等。真空磁控溅射技术作为一种纺织品表面改性的新方法，具有镀膜工艺低温、高速，对薄膜破坏小，薄膜与基片结合性好，不易掉落，能精确实现镀膜厚度的控制等特点，在纺织品功能性整理中具有重要意义，并且广泛应用于社会的各领域。

洪剑寒等[2]研究了氩气压强对磁控溅射镀银膜导电性能的影响。孟灵灵等[3]研究了磁控溅射工艺参数对涤纶织物表面沉积铜膜性能的影响。凤权等[4]利用低温磁控溅射技术制备了镀银抗菌薄膜复合材料，并探讨了复合材料的抗菌性和过滤性能。以往，纺织领域对磁控溅射的研究主要集中在溅射工艺参数（如溅射功率、进气量、工作气压、靶基距）、靶材组织和基材结构对镀膜产品力学性能、抗菌性能等的影响[5-10]上。从目前研究的发展状况来看，纺织品镀膜厚度对电磁屏蔽性能、防紫外线性能、透湿性以及导电性的影响的研究比较少，功能性纺织品的研究缺乏必要的理论基础。

本研究主要是针对涤纶布进行改造，在其表面镀不同厚度的膜，研究镀膜厚度与纺织品导电性、透湿性、紫外防护以及电磁屏蔽之间的关系，为以后研究功能性纺织品提供一定的实验依据。

1 实验

1.1 材料和仪器

1.1.1 材料

基材：2种涤纶布，涤纶贴膜布，单位面积质量75 g/m2；涤纶涂层布，单位面积质量35 g/m2。

靶材：选择导电性能良好的金属银作为镀层材料，纯度99.99%，直径50.8mm，厚度5mm。

1.1.2 仪器

JCP350真空磁控溅射镀膜机（北京泰科诺科技有限公司），HZY-A220电子天平（福州华志科学仪器有限公司），扫描电子显微镜（复纳科学仪器有限公司），ST-2258C多功能数字式四探针测试仪（苏州晶格电子有限公司），YG(B)216Ⅲ型织物透湿量仪（温州际高检测仪器有限公司），YG(B)912E型纺织品防紫外性能测试仪、DR-913G防电磁辐射性能测试仪（温州大荣纺织仪器有限公司）。

1.2 磁控溅射

以金属银为靶材，2种涤纶布为基材，采用真空磁控溅射镀膜机制备纳米银薄膜。

1.3 测试

1.3.1 SEM

分别将2种涤纶布裁剪成直径为12 cm的圆形样品，用胶带固定在基片上。反应腔室抽真空，真空度达到3×10-3Pa，然后充入氩气，溅射功率为100W，预溅2min；打开镀膜厚度仪，控制镀膜的厚度，获得薄膜厚度分别为20、30、40、50、60 nm的样品，然后用扫描电子显微镜表征样品的表面形态。

1.3.2 导电性能

采用多功能数字式四探针测试仪测量样品表面的方块电阻。因样品表面有细微凹凸不平的地方，为了尽可能减少测量误差，选取样品镀膜的不同位置重复测量10次，取平均值。

1.3.3 透湿性

透湿性反映样品透汽、排汗的能力，是检验纺织品舒适性的指标之一。织物的透湿量是指在织物的两面存在恒定蒸汽压的情况下，在规定时间内通过单位面积织物的水蒸气的量[11]。

本实验采用蒸发法测量试样的透湿量。首先在透湿杯中装入35mL蒸馏水，然后把剪好的试样安装在透湿杯上。将透湿杯放入透湿箱体内（箱内设定温度23℃，相对湿度50%），关闭箱门保持封闭环境，机器运行0.5 h后，取出透湿杯在电子天平上进行称重，此时质量记为m1；然后把透湿杯重新放入箱内，运行3 h后，取出称重，此时质量记为m2；最后计算出镀膜样品的透湿量。透湿量计算公式如下：

其中，WVT为样品的透湿量，g/(m2·24 h)；S为样品测试面积，m2，实验中透湿杯测量面积为28.26 cm2；t为试样放置时间，h；m1-m2为水分的减少量，g。

1.3.4 电磁屏蔽性能

采用防电磁辐射性能测试仪检测镀膜样品的电磁屏蔽效能。电磁屏蔽的原理就是通过阻断电磁波的传递，抑制电磁干扰，织物的屏蔽效果通常用屏蔽效能（SE）来评价[12]：

其中，E0、H0、W0分别为空间中某点未加屏蔽时的电场强度、磁场强度和功率；E1、H1、W1分别为加屏蔽后的电场强度、磁场强度和功率。屏蔽效能SE越大，织物的电磁屏蔽效果越好[13]。

2 结果与讨论

2.1 表面形态

从图1可以清晰地看出，经过磁控溅射处理，涤纶布表面覆盖了一层均匀的纳米银薄膜，薄膜的均匀性较好，并且基本连续，呈现出较好的表面形态。

图1 涤纶布的SEM照片

2.2 导电性能

镀膜样品的导电性用方块电阻表示（见表1）。样品表面未镀银膜时，表面方块电阻大，不能体现出导电性能。

表1 方块电阻测量数据

由表1可以看出，随着镀膜厚度的增加，2种镀膜样品的表面方块电阻都呈减小的趋势，当镀膜厚度达到40 nm时，表面方块电阻迅速下降。说明通过磁控溅射在样品表面镀的纳米银薄膜可以增加样品的导电性，并且随着镀膜厚度的增加，导电性能增强。这主要是因为随着镀膜厚度增加，颗粒密度变大，薄膜的连续性、致密性和均匀性提高[14]，此时电子更容易移动，薄膜展现出较好的导电性。

2.3 透湿量

由表2可知，原样透湿量较低，镀膜样品的透湿量均高于原样；忽略实验过程中的误差影响，透湿量基本随着镀膜厚度的增加而变大，表明纺织品透湿排汗性能有所改善。

表2 透湿量测试数据

2.4 电磁屏蔽性能

由图2、表3可知，随着样品镀银薄膜厚度的增加，织物的电磁屏蔽效能不断提高，屏蔽率达到99%以上，并且在绝大多数频率下，屏蔽率超过99.99%。这是由于薄膜厚度越厚，薄膜连续性越好，对电磁波的反射和吸收效果越好[15]，预防电磁辐射的效果越好。

图2 不同镀膜厚度样品的电磁屏蔽效果图

表3 各典型频率处的屏蔽率

3 结论

（1）通过磁控溅射技术在样品表面镀一层纳米银膜，可以有效提高样品的导电性，并且导电性随着薄膜厚度的增加而增强。

（2）经过磁控溅射处理样品的透湿性高于未处理样品，透湿量随着镀膜厚度的增加而变大，表明处理样品的透湿排汗性能有所改善。

（3）随着样品上所镀纳米银薄膜厚度的增加，织物的电磁屏蔽能力不断提升。