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預(yù)處理工藝對磁控濺射鍍膜織物膜基結(jié)合力的影響
發(fā)布時(shí)間：2019-08-13
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，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，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，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)，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)量的一個重要方面。魏取福等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，6.0tex×5.4tex，427×370根/10cm，平紋組織，將其裁剪成20cm×20cm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％；凈洗KOC。
實(shí)驗(yàn)儀器包括：磁控濺射鍍膜機(jī)，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；YGB401型織物平磨儀；XTS-30體視顯微鏡。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)過程中會接觸油劑，在運(yùn)輸、儲存過程中也會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、40g/L)，將用清水清洗過的試樣置于NaOH溶液中在85℃水浴中加熱50min，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2g/L的凈洗KOC溶液，將試樣置于其中在常溫下處理30min。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60mm。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0.9Pa、480W后開始鍍膜，濺射時(shí)間達(dá)180s后完成一個樣品的制備。
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/10cm×120根/10cm，195g/㎡)。實(shí)驗(yàn)時(shí)，對所有試樣進(jìn)行2500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/㎡)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n/2(n為偶數(shù))或(n+1)/2(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，每個試樣沿經(jīng)、緯向分別選取7和10個點(diǎn)，每個點(diǎn)取5個數(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：
式中：D，為相對亮度值；Do為材料鍍膜前的亮度值；D。為材料鍍膜后、摩擦前的亮度值；現(xiàn)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顆粒。以上均說明采用磁控濺射T藝，可在試樣表面沉積一層致密、均勻的金屬膜。觀察陶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)2500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(h1)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。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30g/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，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。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10g/L為宜。
2.3 凈洗KOC處理效果
采用質(zhì)量濃度為2g/L的凈洗KOC溶液處理試樣，其相對亮度值變化如表1所示。
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10g/LNaOH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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