磁控溅射镀铜芳纶织物的制备及其性能研究

磁控溅射镀铜芳纶织物的制备及其性能研究
彭灵慧;郭荣辉;兰建武;肖红艳
【摘要】Kevlar fibers possess very good mechanical properties and processing property,good thermostability,chemicals resistance,dimensional stability,durability and corrosion resistance.Magnetron sputtering is a highefficiency coating process with many advantages of stable performance,convenient operation,no pollution to the
environment.Copper nanoparticle films were coated on the surface of Kevlar textiles by magnetron sputtering.Copper coated Kevlar fabrics were characterized by XRD and SEM.Contact angle,antistatic property and conductivity of copper coated Kevlar fabric were tested.The results show that the copper coated Kevlar fibers are evenly covered with copper nanoparticles.The copper coated Kelvar fibers possess hydrophobicity and conductive properties.%芳纶纤维具有优异的力学性能和加工性能,还具有极好的耐热和耐化学药品性能、尺寸稳定性、耐疲劳性及耐腐蚀性等.磁控溅射镀膜法是一种高效的薄膜沉积工艺,具有装置性能稳定、操作控制方便、无环境污染等优势.采用磁控溅射法在芳纶织物表面镀覆纳米铜薄膜,使纺织品表面金属化.镀铜芳纶织物采用XRD与扫描电镜进行表征,且评价镀铜织物的抗静电性、导电性及拒水性.结果表明,溅射镀膜50 min的镀铜纤维表面致密地沉积纳米铜;XRD图显示铜的结晶存在.溅射镀膜50 min的镀铜芳纶织物接触角高达132.5°,表面电阻为129Ω/sq,抗静电半衰期为0.4s.表明其具有良好的拒水、导电及抗静电性.
【期刊名称】《科学技术与工程》
【年(卷),期】2017(017)011
【总页数】5页(P89-93)
【关键词】芳纶;磁控溅射;铜;抗静电性;导电性;拒水性
【作者】彭灵慧;郭荣辉;兰建武;肖红艳
【作者单位】四川大学轻纺与食品学院,成都610065;四川大学轻纺与食品学院,成
都610065;高技术有机纤维四川省重点实验室,成都610072;四川大学轻纺与食品
学院,成都610065;四川大学轻纺与食品学院,成都610065
【正文语种】中文
【中图分类】TS102.527
在纺织材料表面沉积金属薄膜，可使其获得特殊的功能，扩大纺织品应用范围及领域，如用于屏蔽电磁波、导电或抗静电、纤维传感器、纤维太阳能电池、抗紫外户外用品和抗菌纺织面料等方面[1—3]。

在纺织材料表面镀膜的方法主要有化学镀层法、真空蒸镀法、磁控溅射镀法等。

化学镀层法应用广泛，但镀液的稳定性、镀膜过程中的环境污染及织物耐服用性和耐水洗性等还需改善[4，5]。

真空蒸镀法的设备和工艺简单、薄膜纯净，但薄膜与基材附着性差[6]。

磁控溅射镀膜法[7—9]是
一种高效的薄膜沉积工艺，具有溅射率高、基材温度低、装置性能稳定、操作控制方便、无环境污染等优势，可以在基材表面镀制单层或多层功能性金属膜[10]。

根据当前世界环保的大趋势，人们越来越重视采用环保方法减轻污染，在生产源头用新技术控制污染。

磁控溅射镀膜无水，不产生废液、废渣、废气，不产生环境污染、且生产效率高，易于控制工艺条件。

由于磁控溅射技术这些显著优点，使其在织物整理上的应用日益受到关注。

Wei[11]等用直流磁控溅射法分别在涤纶机织布、针
织布、纺粘非织造布表面制备铜薄膜。

Huang[12]用磁控溅射法在丙烯酸树脂上
沉积不同厚度的氧化铟锡薄膜。

Charton和 Fahland[13]用磁控溅射法在PET膜
基材上沉积厚度为2～20 nm的银薄膜。

芳纶纤维是芳香族聚酰胺纤维，兼有无机纤维的力学性能和有机纤维的加工性能，其密度与聚酯纤维接近，强度高，模量远大于玻璃纤维和钢丝；此外，芳纶还具有极好耐热和耐化学药品性能，尺寸稳定性、耐疲劳性及耐腐蚀性等。

芳纶应用十分广泛，主要应用于高新技术和新材料为主导的新产业，如国防、航空航天、橡胶工业、电子与通信、汽车工业、油气田的勘探和生产、体育休闲用品等产业。

在芳纶织物上采用磁控溅射的方法镀铜，可以使芳纶获得拒水性、抗紫外、电磁屏蔽、导电等性能，应用于防弹衣、头盔，航空航天材料，民用的孕妇服，医用病号服，军用的电磁屏蔽服等方面。

本文研究采用无水环保磁控溅射法在芳纶纺织品表面制备纳米铜金属薄膜，使纺织品表面金属化。

镀铜芳纶面料用XRD及扫描电镜进行表征，并且测试其接触角，考察不同镀膜时间对膜形成、抗静电性及拒水效果的影响。

1.1 材料
100%芳纶，99.995%高纯铜靶材(中诺新材科技有限公司)。

1.2 磁控溅射镀铜芳纶织物的制备
取1块10 cm×10 cm分别经乙醇和丙酮超声波清洗15 min的芳纶织物，用高纯度的铜靶(99.995%)，通过磁控溅射方法在芳纶织物表面沉积纳米铜膜。

铜靶直径50 mm，厚6 mm。

样品放置完毕后，真空溅射室抽真空压力控制在5×10-4 Pa。

在磁控溅射铜膜沉积过程中，通入高纯氩气作为轰击气体，压力保持在2.4×10-
1Pa，溅射电流电压分别为0.15 A和115 V，沉积时间10～50 min。

溅射镀膜原理如图1所示，电子在电场的作用下，加速飞向基底材料的过程中，
与氩原子发生碰撞，电离出大量的氩离子和电子。

氩离子在电场作用下加速轰击靶
材，溅射出大量的靶材原子，呈中性的靶原子(或分子) 沉积在基底材料上成膜。

1.3 表征方法
磁控溅射镀铜芳纶纤维用SEM (JSM—5900LV)观察磁控溅射镀铜芳纶纤维的微观形貌，XRD(X′Pert Pro MPO)测试磁控溅射镀铜芳纶纤维的结晶结构。

用HARKE-SPCA×1接触角测试仪测试磁控溅射镀铜芳纶织物和芳纶织物的接触角，采用基线圆环法测量5次取平均。

用ST—2258A型多功能数字式四探针(苏州晶格电子有限公司)测试仪测试磁控溅
射镀铜芳纶织物表面电阻，测量5次取平均值。

2.1 磁控溅射镀铜芳纶纤维表面形貌
磁控溅射镀铜芳纶纤维表面形貌见图2。

图2(a)与图2(b)为原始芳纶扫描电镜图，从图中可以看出，原始芳纶表面非常光滑，在高倍数下看到芳纶纤维表面平整没有杂质。

磁控溅射镀铜10 min芳纶纤维[图2(c)及图(d)]在低倍数时表面较为光滑平整，然而在高倍数时，可以看到纤维表面均匀致密地沉积金属铜膜，极少有铜原子聚集形成颗粒，形成铜膜完整致密。

然而，磁控溅射镀铜15 min芳纶纤维[图2(e)及图2(f)]在低倍数时表面也完全包覆，但表面颗粒团聚，颗粒明显比溅射10 min 时更大。

当沉积时间增大到50 min时，从图2(g)及图2(h)可以看出纤维表面形
成光滑完整的铜膜。

这是由于随着镀膜时间的增加，更多的铜沉积到纤维表面，形成致密完整的铜膜。

2.2 磁控溅射镀铜芳纶织物的X射线衍射
图3为磁控溅射镀铜芳纶织物的X射线衍射图。

从图3中的原始芳纶可以看出，
其纤维有两个突出的尖锐的结晶衍射峰，分别在2θ=20.3°和22.5°，在2θ =28.7°存在一个弱峰。

其中2θ为22.5° 处出现衍射强度最大值，这表明其具有明显的结晶存在，晶体结构较完善。

图3中溅射镀铜50 min芳纶，在2θ = 43.2°时为铜(111) 晶面，表明芳纶纤维上有铜镀层的存在，但由于镀铜量较少，故观察不到其
他晶面。

2.3 磁控溅射镀铜芳纶织物的接触角
原始芳纶及磁控溅射镀铜芳纶织物见图4。

原始芳纶接触角为100.2°[图4(a)]，表明原始芳纶拒水。

而经过磁控溅射镀铜芳纶织物的接触角均大于原始芳纶，且随着镀膜时间增加而增加。

当溅射镀铜时间为10 min时，溅射镀铜织物的接触角为114.1°[图4(b)]，当镀膜时间增加至15 min时，接触角增加至116°[图4(c)]。

而当镀膜时间增加至50 min时，接触角增大至132.5°[图4(d)]，表明镀铜芳纶具有优异的拒水效果。

结果表明，当芳纶纤维表面沉积金属铜后，疏水性提高。

这是因为铜沉积在芳纶纤维表面及纤维和纤维之间空隙中，阻碍了水的渗透、吸收及毛细作用，因此，提高了芳纶纤维的拒水效果。

当磁控溅射镀铜时间延长，更多的铜原子沉积在芳纶纤维的表面及空隙中，更好地阻碍水分渗透，因此，接触角升高。

2.4 磁控溅射镀铜芳纶织物的导电性能
表1为原始芳纶及磁控溅射镀铜芳纶的表面电阻，原始芳纶表面电阻无穷大，不导电。

而经过磁控溅射镀铜5～15 min的芳纶织物也均不导电，而经过磁控溅射镀铜50 min的芳纶织物表面电阻为129.2 Ω/sq。

这是因为，磁控溅射镀铜时间在5～15 min时，由于铜原子沉积时间较短，未能在织物表面形成连续的铜膜，纤维与纤维之间未导通，因而不导电。

然而，经过磁控溅射镀铜50 min后，芳纶织物表面沉积大量铜原子，铜导电性极佳，且沉积铜原子将纤维与纤维之间空隙填满，织物表面连通，从而大大提高了芳纶织物导电性。

2.5 磁控溅射镀铜芳纶织物的抗静电性能
表2为原始芳纶及磁控溅射镀铜芳纶的半衰期，原始芳纶半衰期高达42.7 s，表明其抗静电性能极差。

而经过磁控溅射镀铜10～50 min的芳纶织物随着镀膜时间的增加，半衰期明显缩短。

经过磁控溅射镀铜50 min的芳纶织物半衰期低至0.4 s。

这是因为，磁控溅射镀铜时间在10～15 min时，由于铜原子沉积，提高了单
根纤维的导电性，从而提高了纤维的抗静电效果，纤维的半衰期降低，然而由于镀膜时间较短，未能在织物表面形成连续的铜膜，纤维与纤维之间未导通，因而半衰期仍较长。

然而，经过磁控溅射镀铜50 min后，芳纶织物表面沉积大量铜原子，铜导电性极佳，且沉积铜原子将纤维与纤维之间空隙填满，织物表面连通，静电能通过连续的铜膜导出，因而半衰期极短。

(1) 磁控溅射镀铜50 min芳纶表面铜膜沉积均匀、致密，形成的铜膜具有良好结
晶结构，并且提高了芳纶织物拒水与导电效果。

(2) 溅射镀膜50 min的镀铜芳纶织物接触角高达132.5°，表面电阻为129 Ω/sq，抗静电半衰期为0.4 s。

(3)结果表明磁控溅射镀铜50 min芳纶具有良好的拒水、导电及抗静电性。

磁控
溅射镀铜芳纶织物在导电织物、拒水织物方面具有潜在应用。

*通信作者简介：郭荣辉，副教授。

E-mail:*********************。

Peng Linghui,Guo Ronghui,Lan Jianwu,et al. Preparationand properteis of copper coated kevlar fabric by magnetron sputtering[J]. Science Technology and Engineering,2017,17(11): 89—93
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