（纺织工程专业论文）钛金属化纺织品表面形貌与耐磨性的研究.pdf

学位论文的主要创新点 一、使用立体显微镜、扫描电镜、原子力显微镜下观察不同纺织品基材上钛 金属薄膜的表面形貌。发现织物表面有金属光泽，长时间放置有金属光泽消失现 象；丙纶长丝表面的金属膜有裂痕并有少许的脱落。成膜时间增加，颗粒直径尺 寸增大，粗糙度逐渐变得更为明显；压强增加，颗粒尺寸逐渐增大，粗糙度随之 增大，随压强继续增大，薄膜的颗粒减小，表面的粗糙度降低。 二、研究钛金属化织物耐磨性的评价方法，灰度法和外观次数法测试数据能 够合理反映镀膜织物的耐磨性能，色差法可以辅助说明耐磨状态。 三、以锦纶织物的耐磨次数为研究对象，进行逐步回归分析，建立耐磨次数 与镀膜时间x 。、溅射功率x 。之间的回归方程少2 4 3 2 4 缸l + 1 2 8 9 呶2 5 0 66 2 3 ， 相关系数为0 9 4 2 。 一。 ， ，。 ，一 。 “。1。 1 摘要 在织物表面镀金属膜，使织物既保留柔软、易弯曲等特性，还可以明显改变 织物的表面特性，如抗静电、抗菌等。本文采用磁控溅射技术，在纺织品表面镀 制纳米级钛金属膜，探索溅射成膜的工艺条件，观察钛金属薄膜的表面形貌，研 究镀膜织物耐磨性评价方法及其耐磨性能。 通过立体显微镜观察镀膜基材的细观结构，通过s e m 、a f m 观察基材表面 金属膜的微观结构。立体显微镜观察发现，织物表面有金属光泽，长时间放置有 金属光泽消失现象；s e m 照片上可以看出丙纶长丝表面的金属膜有裂痕并有少 许的脱落；a f m 的测试结果表明，成膜时间增加，颗粒直径尺寸增大，粗糙度 逐渐变得更为明显；压强增加，颗粒尺寸逐渐增大，粗糙度随之增大，压强继续 增大，薄膜的颗粒减小，表面的粗糙度降低。 为了合理评价金属镀膜织物的耐磨性，研究了耐磨性能的6 种评价方法，发 现试样破损法、质量法的测试误差大，透射率法不易操作，灰度法和外观次数法 操作简单，测试数据能够合理反映镀膜织物的耐磨性能，色差法有一定局限性， 但可以辅助说明耐磨状态， 镀膜织物的耐磨性能与镀膜时间、工作压强、溅射功率等镀膜工艺参数有关。 随镀膜时间增加，耐磨性能提高；溅射功率升高，耐磨性能先提高后降低；工作 压强增加，耐磨性能先提高后降低。利用剥离试验发现胶带上只有少量的点状金 属粒子，镀膜还附着在织物表面，表明钛金属膜层与织物基材之间的结合力很好， 另一角度说明镀膜织物耐磨性能好。 利用逐步回归分析的方法估算镀膜织物的耐磨性能，得到耐磨次数与镀膜时 间x l 、溅射功率x 2 之间的回归方程少24 3 2 4 6 x l + 1 2 8 9 9 x 2 5 0 6 6 2 3 ，相关系数 为0 9 4 2 ， 关键词：磁控溅射；钛金属膜；溅射参数；表面形貌；耐磨性 a b s t r a c t t h ea b i l i t yt od e p o s i tw e l l - c o n t r o l l e d c o a t i n g so nt h es u r f a c eo ff a b r i cw o u l d e x p a n dt h ea p p l i c a t i o n so ff a b r i c ，n o to n l yk e e pt h ef a b r i cs o f t n e s s ，y i e l d i n g n e s s p r o p e r t i e s ，b u ta l s os i g n i f i c a n t l yc h a n g et h es u r f a c ec h a r a c t e r i s t i c so ff 抽一c sa 1 1 d e n d o wm a n yn e wf u n c t i o n s ，s u c ha sa n t i s t a t i c ，a n t i b a c t e r i a l ，i no r d e rt oa s s e s sm e e f f e c to fm a g n e t r o n s p u t t e r i n go nt e x t i l em a t e r i a l s ，n a n o m e t e rt i t a i l i u mt h i nf i l mw a s d e p o s i t e do n t ot e x t i l eb yd cm a g n e t r o ns p u t t e r i n ga tr o o mt e m p e r a t u r e s a m p l e f a b r i c sw e r eo b t a i n e du n d e rd i f f e r e n tp a r a m e t e r so f s p u t t e r i n gt i m e ，s p u t t e r i n gp o w e r a n d w o r k i n gp r e s s u r e t h es u r f a c em o r p h o l o g yo fs p u t t e rc o a t e df a b r i cw e r eo b s e r v e d e v a l u a t i o nm e t h o do fw e a rr e s i s t a n c ea n dw e a rr e s i s t a n c ew e r es t u d i e di nt h ep a p e r , m a c r o s t r u c t u r eo ff i l m sw e r eo b s e r v e db ys t e r e om i c r o s c o p e , m i c r o s t r u c t u r eo f f i l m sw a so b s e r v e db y s c a n n i n ge 1e e t r o nm i c r o s c o p y ( s e m ) a n da t o m i c 触 m i c r o s c o p y ( a f m ) b ym e a n so fs t e r e om i c r o s c o p e ，i ti sf o u n dt h a tt h es u r f a c eo f f a b r i c sw i t hm e t a l l i cl u s t e r , a n dt h e 1 u s t e rw i l lb ed i s a p p e a r e da l i t t l ea f t e ra1 0 n gt i m e f r o mt h ep h o t oo fs e m ，w ef o u n dt h a tt h e r ei sp i n h o l e o nt h es u r f a c eo ff a b r i c s ，f i l m s p pf i b e rs i l k f i l m sw i t hc r a c k sa n d p a r to ft h e mf a l lo f f t h et e s to fa f mi n d i c a t e st h ei n f l u e n c eo fd i f f e r e n tp a r a m e t e r s o ns u r f a c e m o r p h o l o g y w i t hi n c r e a s i n gs p u t t e r i n gt i m e ，t h ep a r t i c l ed i a m e t e ri n c r e a s i n ga n d r o u g h n e s sb e c o m i n gm o r eo b v i o u s ；w i t hi n c r e a s i n g w o r k i n gp r e s s u r e , p a r t i c l e d i a m e t e ri n c r e a s i n gr e g u l a r l ya n dr o u g h n e s si n c r e a s i n gw h e nt h ew o r k i n g p r e s s u r e i n c r e a s e dc o n t i n u o u s l y , t h ef i l mp a r t i c l es i z ea n ds u r f a c er o u g h n e s sd e c r e a s e d t h ee v a l u a t i o nm e t h o d so fc o a t e df a b r i cw e a rr e s i s t a n c ew e r es t u d i e d i nt h e p a p e r , s a m p l e - b r e a k a g em e t h o da n dq u a l i t ym e t h o dh a v eg r e a te r r o r , i ti sh a sd i f f i c u l t t oo p e r a t et r a n s m i t t a n c em e t h o d ，c o l o rd i f f e r e n c em e t h o d h a sv e r yg r e a tl i m i t a t i o n ，s o i to n l yp l a ya l la u x i l i a r yr o l ei nd e s c r i b ew e a r s t a t e ，g r a yl e v e lm e t h o da n da p p e a r a n c e t i m e sm e t h o dw e r ee a s yt oo p e r a t e ，d a t ar e a s o n a b l ea c c o r dw i t ht h ee x p e r i m e n tt e s t r e q u i r e m e n t s u s i n gg r a yv a l u em e t h o da p p e a r a n c et i m e sm e t h o da n dc o l o rd i f f e r e n c em e t h o d t or e s e a r c hc o a t e df a b r i cw e a rr e s i s t a n c e t h el o n g e rs p u t t e r i n gt i m e ，t h eh i g h e rw e a r r e s i s t a n c e ；w i t ht h es p u t t e r i n gp o w e rr i s i n g ，t h ew e a rr e s i s t a n c er i s ea tf i r s ta n dt h e l l d e c r e a s e d ；w i t ht h eh i g h e l w o r k i n gp r e s s u r e ，t h ew e a rr e s i s t a n c er i s ea tf i r s ta i l dt h e n d e c r e a s e d t h ef r i c t i o nt a p ew a sf o u n da d h e r e n taf e wp o i n tm e t a lp a r t i c l e so nt h e s u r f a c eb yu s i n gp e e lt e s t ，t h ef a b r i cs u r f a c eh a sm e t a l l i cl u s t e r a - ，t h eb i n d i n g f o r e e b e t w e e nn a n o m e t e rt i t a n i u mt h i nf i l ma n df a b r i cs u b s t r a t e ，w h i c hi l l u s t r a t et h eg o o d w e a l r e s i s t a n c eo fc o a t e df a b r i c t h ef r i c t i o nt i m e sw e r es e l e c t e da so b j e c t ，t h es t e p w i s er e g r e s s i o nw a se m p l o y e d t oe s t i m a t et h ew e a rr e s i s t a n c eo ft h ec o a t e df a b r i c t h er e g r e s s i v ee q u a t i o no b t a i n e d w a s y 2 4 3 2 4 6 x l + 1 2 8 9 9 x 2 5 0 6 6 2 3 ，a n di t sr e l a t i v ec 0 e f f i c i e n tw a s0 9 4 2 目录 第一章绪论l 1 1 医用纺织品的发展及趋势1 1 2 医用纺织品常用的纤维材料2 1 3 钛金属化织物的研究3 1 3 1 钛金属化织物在医疗上的出现3 1 3 2 钛金属化织物的制备方法3 1 3 2 1 磁控溅射法的工作原理4 1 3 2 2 磁控溅射法的应用4 1 4 本课题研究目的和内容5 第二章钛金属纺织品的制备7 2 1 试验材料与设备7 2 2 实验步骤7 2 2 1 样品前处理7 2 2 2 靶材清洗7 2 2 3 钛金属膜的制备8 2 2 4 实验方案的制定9 2 2 4 1 参数的选定9 2 2 4 2 方案的制定1 0 第三章钛金属薄膜表面形貌研究15 3 1 实验部分15 3 1 1 实验仪器1 5 3 1 2 实验步骤15 3 2 结果和讨论1 6 3 2 1 立体显微镜下镀膜织物的表面形貌1 6 3 2 1 1 镀膜后织物表面形貌的变化。1 6 3 2 1 2 镀膜后织物中纱线表面形貌的变化1 8 3 2 2 s e m 扫面电镜观察2 0 3 2 2 1 表面形貌的观察2 0 3 2 2 2 织物中纱线的横截面观察2 2 3 2 3 a f m 原子力显微镜观察2 2 3 2 3 1 镀膜时间对纳米结构钛金属薄膜表面形貌影响2 3 3 2 3 2 工作压强对纳米结构钛金属薄膜表面形貌影响2 5 3 3 本章小结2 8 第四章镀膜织物耐磨性的评价方法2 9 4 1 织物磨损实验2 9 4 1 1 实验材料与仪器2 9 4 1 2 耐磨实验过程j 2 9 4 2 试样破损法表征镀膜织物的耐磨性3 0 4 3 质量损失法表征镀膜织物的耐磨性3 l 4 4 透射率法表征镀膜织物的耐磨性3 3 4 4 1 镀膜涤纶膜透射率观察3 3 4 4 1 1 透射光波长的选择。3 3 4 4 1 2 镀膜时间、压强对透射率的影响3 3 4 4 2 镀膜织物透射率观察3 5 4 4 3 透射光法测量金属化涤纶膜、织物存在的问题3 5 4 5 灰度法表征镀膜织物的耐磨性3 5 4 6 外观变化次数评定法表征镀膜织物的耐磨性：3 7 4 7 色差分析耐磨状态3 8 4 8 本章小结3 9 第五章镀膜织物耐磨性能的研究4 1 5 1 镀膜工艺参数对镀膜织物耐磨性能的影响4 1 5 1 1 镀膜时间对镀膜织物耐磨性能的影响4 1 5 1 2 溅射功率对镀膜织物耐磨性能的影响4 3 5 1 3 工作压强对镀膜织物耐磨性能的影响4 4 5 1 4 图像处理法和外观变化次数评定法对比结果4 6 5 2 金属膜层与织物的剥离强度4 6 t + 5 3 镀膜织物均匀设计方案逐步回归分析4 8 5 4 增加金属薄膜与织物基材之间结合力的方法5 0 5 5 本章小结5 0 第六章结论5l 参考文献 发表论文和参加科研情况。 附录。 致谢。 第一章绪论 第一章绪论 纺织品已有数千年的生产和使用历史，从最初的服用面料，发展到现在的服 用、装饰用和产业用三大类型，成为国民经济建设和发展的基础材料。西方发达 国家由于劳动力成本的考虑，传统的服用、装饰用纺织品己逐渐转移到发展中国 家生产，但产业用纺织品的研发和生产却蒸蒸日上，到上世纪后期，人们逐渐抛 弃了纺织已成“夕阳”工业的观念，看到了纺织工业的“黎明，而2 1 世纪被认 为是产业用纺织品的“鼎盛”时期。 1 1 医用纺织品的发展及趋势 医用纺织品是应用于医疗卫生领域的一类产业用纺织品，已成为一种集纺 织、医学、生物、高分子等多学科相互交叉并与高科技相融合的高附加值产品， 成为纺织领域最新的研究与发展方向之一n 1 。医用纺织品分为四类啦3 3 ：( 1 ) 保健 类( 例如：具有杀菌、防臭功能的服装、鞋帽等) ，( 2 ) 治疗类( 例如：止血、消痒 纺织品，舒适功能纺织品，抗病毒用纺织品) ，( 3 ) 仿器类( 例如：人造血管、气 管、食道、皮肤，人工肺、肝，血管补片、腹壁补片、肾透析膜等) ，( 4 ) 防护类 ( 如各种防辐射服装) 。图1 - 1 为纺织品的双支人造血管。_ 医用纺织品已成为产业用纺织品产业中最具活力的产业，在整个纺织材料中 所占的比例越来越大，据统计，1 9 9 5 , - - , 2 0 0 5 年间，医用纺织品在世界范围内的 年增长率为3 4 ，并有进一步增长的趋势h 1 。英国纺织业协会日前发表的( ( 2 0 1 0 年世界纺织业前景陌1 提到，全球2 0 0 0 年医用纺织品总产量约为1 5 0 万吨，总 价值达5 4 亿美元，2 0 1 0 年全球医用纺织品的销量将达2 4 0 万吨，总价值达8 2 亿美元，其增长速度大大超过其他产业纺织品的年增长率。我国医用纺织品的开 发与应用虽然起步较晚，但2 0 0 1 年消费量已达2 2 5 万吨，约占我国各类产业用 纺织品消费总量的1 7 1 ，1 9 9 3 , - - - 2 0 0 1 年问总的增长率为2 5 ，2 0 0 4 年消费量 达2 8 万吨旧1 ，预计到2 0 1 0 年医用纺织品的需求量将达到3 4 万吨h 1 。 天津工业大学硕士学位论文 图1 - 1 双支人造血管 医用纺织品得以迅速发展的动力主要来自人口老龄化、中青年创伤的增多、 疑难疾病患者的增加和高新技术的发展。人口老龄化进程的加速和人类对健康和 长寿的追求，激发了对医用材料的需求。例如：在上世纪8 0 年代，6 0 岁以上老 人只占欧洲总人口的2 2 ，而2 0 0 6 年，欧洲老人比例已占总人口的4 0 。换言之， 全欧洲约有8 0 0 0 多万人为老人1 。作为世界人口最多的国家，中国已进人老龄 化国家行列，生物医用材料的市场潜力更加巨大。 我国近年来医用纺织品发展虽然迅速，但技术含量不高，还停留在初级产品 的高数量，低价格竞争上，仿器类、防护类产品基本被国外垄断，如医用人造血 管，我国每年的需求量在数亿条，但实际使用在1 亿多条，其中8 0 需要进口。 1 2 医用纺织品常用的纤维材料 作为植入体内的医用纺织材料，应该具有良好的生物相容性和一定的机械性 能盯一1 。生物相容性主要表现在：对人体无毒性，无致癌性，不引起异常的排异、 过敏反应，不干扰人体的免疫功能。机械性能方面的要求主要有：具有良好的强 度、模量、弹性和缝接强度；结构和几何形状不易发生明显改变；表面具有一定 的粗糙度，以利于周围细胞的成长。 在生物医用材料当中，涤纶、丙纶、锦纶是应用很广泛的材料。 涤纶( p e t ) 是一种惰性材料，它具有良好的机械性能，低的吸水性，对人体 的体液具有高抗渗透性，可以采用传统的杀菌技术对其进行杀菌而不改变材料的 本体性质，因此，在生物医学具有良好的应用前景归1 。p e t 纤维已应用于血管修 复术，外科用手术线n0 1 ，人工心脏瓣膜缝合环，人工血管等生物医用领域。从 1 9 9 9 年8 月开始，孟庆忠，黄波等人将国产涤纶毡型补片应用于无张力疝修补 术中，利用其良好的柔韧度，组织相容性及抗拉强度，获得良好的临床效果2 l 。 丙纶纤维的机械性能优良，强度、伸长、初始模量、耐磨性均较高。丙纶大 第一章绪论 分子结构为碳氢化合物，使其耐腐蚀性优良。丙纶对高浓度酸、碱及常用化学剂 有很好的稳定性，回潮率低，近似于0 ，所以不易细菌和霉菌的生存，同时丙纶 具有很好的组织相容性n “副。商丘市第一人民医院在腹股沟疝病例中应用的美国 b a r d 公司生产的聚丙烯网片及网塞，组织相容性好，中性细胞可自由出入，且 具有较好的抗感染能力n 引。 医用锦纶单丝在人体面部有较好的生物相容性，是“埋线法重睑术”中重要 的“线 元素n 钉。 1 3 钛金属化织物的研究 1 3 1 钛金属化织物在医疗上的出现 植入人体的生物材料，一直面临着一个很重要的问题：即以生物医用材料为 中心的感染( b i o m a t c r i a lc e n t e r e di n f e c t i o n ，b c i ) 。随着植入生物材料应用的增加， 目前，b c i 已成为常见且令人棘手的植入材料临床感染问题n 引。占医院感染的 4 5 。 解决植入材料感染的方法是：( 1 ) 在材料表面接枝高分子物质或进行蛋白涂 层等u 引，( 2 ) 采用具有生物兼容性的材料。 钛金属具有质轻、弹性模量低、无磁性、无毒性等特点，其生物兼容性好已 被生物医学界所公认，在人体血液的浸泡环境中具有优异的耐腐蚀性能，与血液 及细胞的组织相容性好，抗菌性能好，作为植入物不会产生人体污染，不会发生 过敏反应u 引，钛金属作为植入材料在骨外伤修复中广泛应用就是证明。 很多医用材料要求柔软、轻质，如修补病灶的膜片、人工皮肤等，纺织品是 一种极好的选择，如果通过技术手段将钛金属牢固地涂镀在纤维表面，就有可能 解决生物体对传统医用纺织品的排异问题，同时也解决了医用纺织品的抗菌性问 题。钛金属化纤维和织物国际上已有相关产品出售，但是其生产技术处于保密状 态，相关研究在我国尚未有报道。 1 3 2 钛金属化织物的制备方法 在织物表面镀金属膜，使织物既保留柔软、易弯曲等特性，还可以明显改变 织物的表面特性，赋予其各种新的功能，例如抗静电、抗菌、防紫外线、防水、 阻燃等n 螂3 。在织物表面镀金属膜的方法有磁控溅射法、化学镀，真空沉积法等 乜，采用真空沉积法制得的金属化织物，基布与金属之间结合力弱，金属层易剥 离脱落心刳。化学镀层在反应液中进行，但会产生加工污染啪_ 4 1 。磁控溅射法具有 天津工业大学硕士学位论文 沉积速度快、向基材入射能量低、成膜均匀性好、污染小、易于工业化生产等优 点口耵，所以，本课题选用磁控溅射法在纺织材料表面沉积金属层。 1 3 2 1 磁控溅射法的工作原理 磁控溅射法在真空条件下由粒子辐射产生的金属粒子射向织物表面，形成的 金属膜啪3 。溅射是在氩( a r ) 离子与物质表面原子碰撞过程中发生能量与动量转 移、最终将物质表面原子激发出来的复杂过程。溅射过程中a r + 以几十电子伏以 上的能量直接轰击材料表面，使其表面原子获得足够的能量克服表面束缚能、进 入真空室中并沉积到基材表面。受轰击的固体通常称为靶材，溅射出的物质都呈 原子状态，也可能有原子团，常称为溅射原子。 磁控溅射是在靶表面上方形成一个正交电磁场，如图1 2 所示，靶材为阴极， 基材为阳极，当溅射产生的二次电子在阴极位区被加速为高能电子后，并不直接 飞向阳极，而是在正交电磁场作用下做来回振荡近似摆线的运动。在运动中高能 电子不断的与氩气原子发生碰撞，并向后者转移能量，使之电离而本身变为低能 电子。这些低能电子沿磁力线漂移，经过上百米的飞行，最终落在基材、真空室 内壁及靶材上，从而避免了高能电子对基材的强烈轰击，而氩离子在高压电场加 速作用下，与靶材撞击并释放出能量，导致靶材表面的原子吸收氩离子的动能而 脱离原晶格束缚。呈中性的靶原子逸出靶材的表面飞向基材，并在基材上沉积形 成薄膜旧引。 图1 - 2 磁控溅射工作原理图 溅射靶 1 3 2 2 磁控溅射法的应用 目前磁控溅射技术己在科研和生产中实际应用，主要用于电子工业、磁性材 料及记录介质、光学及光导通讯等，已成为制备高质量薄膜不可或缺的手段。用 第一章绪论 其制备的薄膜结构均匀致密，薄膜与基底材料附着牢靠。 国内外利用磁控溅射技术制备金属薄膜已有大量报道，但主要选择金属、陶 瓷、玻璃作为基材2 3 射，而以纺织材料为基材的研究已有报道b 矧。路建军，齐 宏进等人口7 3 利用磁控溅射法成功的在p e t 织物上制备碳氟高分子膜，获得了拒水 和抗紫外线较好的聚酯织物；朱友水等应用低温射频等离子体对丙纶非织造织物 进行金属化处理，获得具有适当导电性的柔软织物，所得镀银金属化织物还具有 很好的杀菌作用嘞1 ；朱若英等采用真空蒸镀法对涤纶纺织品进行金属整理，金属 银以原子形式自由沉积在织物表面，获得耐洗性能和抗紫外线性能较好的产品 啪1 ；徐翠等人利用磁控溅射法在涤纶织物上沉积p t f e 膜，制得憎水性能较好的 镀膜织物m 1 ；毕松梅，鲍进跃，赵华俊等人，用直流反应磁控溅射法在纯p e t 织物表面沉积纳米t i 0 2 薄膜，制得抗菌性能持久的功能性纺织品h 。 1 4 本课题研究目的和内容 对涤纶、锦纶、丙纶等医用纺织材料进行钛金属化，改变其表面性能，提高 生物相容性，为高性能医用纺织材料的应用提供基础。由于医用纺织材料的用途 很多，如作为伤口修补织物、人造皮肤、人工心瓣膜、心脑血管修复材料等，因 而钛金属化纤维、织物具有广阔的应用前景。 本课题的主要研究内容： ( 1 ) 采用磁控溅射技术，以钛金属为靶材，锦纶、涤纶织物等纺织材料为基 体，制备镀膜样品，探索镀膜工艺和技术； ( 2 ) 利用立体显微镜、扫描电镜( s e m ) 、原子力显微镜( a f m ) 研究镀膜后织 物的表面形貌结构； ( 3 ) 结合织物耐磨性国家标准，研究镀膜织物耐磨性能的评价方法； ( 4 ) 利用耐磨试验、剥离试验评价镀膜织物的耐磨性，分析镀膜时间、溅射 功率、工作气体( 氩气) 压强等工艺参数对镀膜织物耐磨性的影响，并对锦纶织 物耐磨次数进行回归分析，建立镀膜时间、溅射功率、工作气体( 氩气) 压强与 耐磨次数之间的数学模型。 天津工业大学硕士学位论文 第二章钛金属纺织品的制备 第二章钛金属纺织品的制备 采用磁控溅射技术，以钛金属为靶材，真空条件下，在锦纶机织物、涤纶机 织物等7 种基材上聚合沉积成钛金属膜。 2 1 试验材料与设备 基材：( 1 ) 平纹组织的涤纶长丝织物( 市售) ：经纱特数6 0 t e x ，纬纱特数 5 4 t e x ，经纬纱密度，4 2 7 x 3 7 0 根1 0 c m 样品尺寸1 5 e m x l 5 c m ；( 2 ) 平纹组织的 锦纶长丝织物( 市售) ，经纬纱特数均为6 7 0 r e x ，经纬纱密度3 8 0 x 2 8 0 根1 0 c m ， 样品尺寸1 5 c m x l 5 c r n ；( 3 ) 涤纶薄膜( 0 0 8 m m ) ( 4 ) 医用聚丙烯单丝编织物： 单位面积质量6 5 9 m 2 ，厚度0 5 4 4 m m ，纱线线密度1 8 1 4 d t e x ；( 5 ) 丙纶单丝 ( 3 8 2 t e x ) 及其织造的平纹机织物( 经纬纱密度8 0 根1 0 c m ) ；( 6 ) 平纹组织的 丙纶束丝织物，单丝特数9 1 t e x ，经纬纱密度为1 6 0 根1 0 c m 。 靶材：9 9 9 9 的钛金属，直径1 0 0 m m 。 工作气体：氩气( 纯度9 9 9 9 ) 。 镀膜设备：j p g 卜4 5 0 i 型磁控溅射镀膜仪( 北京北仪创新真空技术有限公 司) ；溅射电源( 珠海盛普公司) ；s 4 9 - - 3 3 m m t 型质量流量器( 北京汇博隆仪 器有限公司) ；z d f 7i i 型复合真空计( 北京北仪优成真空技术有限公司) ； h y 9 9 4 0 c 型复合压强控制仪( 清华大学阳光能源开发有限责任公司) 。 2 2 实验步骤 2 2 1 样品前处理 基体的表面状态会影响金属薄膜生长初期的成核和生长，保持基体表面洁净 和平滑，有助于形成表面状态较好的膜层n 引，所以实验样品进入真空室前进行了 水洗，防止制备的薄膜可能会含有杂质，造成薄膜与基材的附着力下降。 2 2 2 靶材清洗 靶材表面的杂质和氧化物会引起金属薄膜的污染，在每次溅射前或换靶后先 对靶进行预溅射2 3 分钟，以清洗靶材表面。 天津工业大学硕士学位论文 2 2 3 钛金属膜的制备 镀膜的工艺流程如图2 1 所示，在室温下，将处理好的样品固定在水冷旋转 工件盘上，然后关闭真空室，将真空室内的气体抽到本底真空度，然后充入高纯 度氩气，起辉后调节氩气气压到工作压强，为了防止电子漂移带来的电压不稳定， 首先在小功率下进行预溅射，待电压稳定后调节到所需的功率，控制镀膜时间， 最终得到不同条件下的镀膜样品。镀膜结束后关闭溅射源，由于入射离子以热量 方式传递给靶表面，导致靶的温度升高，即使靶是直接冷却，靶的温度也可能逐 渐升高，所以继续在溅射室充入氩气，使靶材在保护环境中冷却1 0 分钟左右。 冷却后立即关闭氩气，停止抽真空并向溅射室内充入干燥的空气，使溅射室的压 力达到室外压力，然后开启真空室取出试样。 高司一区固 _l开复合计电离管，开压强仪电离管lp 0 x 1 0p a l 关复合计电离管l 广- 3 0 0 0 l o ( 2 0 ) 2 0 ( - - 一3 0 ) 5 0 ( 1 0 0 ) 1 0 0 ( 2 0 0 ) 5 0 0 ( 1 0 0 0 ) 1 0 0 0 4 2 试样破损法表征镀膜织物的耐磨性 试样破损法评价涂层织物的耐磨性时，是以涂层被破坏至露出基布或有片状 涂层脱落，试样破损为试验终点。试样破损前累积的摩擦次数即为耐磨次数，根 据试样破损的总摩擦次数，确定织物的耐磨性能。 采用n o 6 0 0 水砂纸作为磨料，观察试样在不同摩擦次数下钛金属膜被破坏 的情况。图4 1 为镀膜条件4 0 0 w ，0 8 p a ，2 0 0 s 下锦纶织物磨2 0 次的图像，可 见，组织点处薄膜已经脱落了一部分，但未见纤维被磨断现象。继续增加摩擦到 4 0 次，如图4 2 所示，可见很多纤维磨断，纱线之间间隔发生改变，即纱线发生 了滑移，织物经纬纱结节处膜层还有留有一部分，磨断的部分纤维上也带有金属 ，膜。 第四章镀膜织物耐磨性的评价方法 图4 1 摩擦2 0 次后锦纶镀膜织物( 4 0 倍)图4 2 摩擦4 0 次后锦纶镀膜织物( 1 0 倍) 从2 0 次到4 0 次，织物表面的形貌发生了巨大的变化，很难准确记录镀膜被 磨透时的次数。同时，由于镀膜厚度很小，不同镀膜条件下织物的摩擦次数差距 不大。 将水砂纸分别换成n o 8 0 0 ，n o 1 0 0 0 ，n o 1 2 0 0 ，以增大镀膜被破坏时的摩 擦次数，但所得实验结果与使用n o 6 0 0 砂纸时出现的状况相似，同种织物耐磨 次数难确定，不同种织物耐磨次数不好对比。根据纺织行业标准f z t 6 0 0 1 2 9 3 金属化纺织品镀层耐磨牢度测定，将磨料改为平纹毛织物，由于毛织物与金 属镀膜摩擦时，钛金属膜很难被破坏，试样出现破损时的耐磨次数达到了上万次， 时间过长，试验效率低，所以试样破损法不适合金属镀膜织物耐磨性能的评价。 4 3 质量损失法表征镀膜织物的耐磨性 质量损失法是实验研究中最常见应用最广泛的测试耐磨性能的方法。 i s 0 1 2 9 4 7 3 1 9 9 8 纺织品织物耐磨性马丁代尔法的测定第3 部分质量损失的测 定指出质量损失法几乎适合所有纺织品耐磨性能的测试，它与试样破损法不同 的，根据试样的质量损失确定织物的耐磨性能。 采用平纹毛织物作为磨料为了测量试样的质量损失，小心地从仪器上取下试 样夹具，将试样静置1 小时后用软刷除去两面的磨损材料( 纤维碎屑，金属膜颗 粒) ，不要直接用手触摸试样。试验中将织物的摩擦次数定为1 0 0 0 次，次数太少， 织物的表面变化太小，次数太多，试验量加大，效率太低。图4 3 ，4 4 为摩擦 1 0 0 0 次后在立体显微镜下放大4 0 倍后4 0 0 w 、0 5 p a 、1 2 0 s 镀膜锦纶，涤纶织物 的图片，从透射光照射的角度来看镀膜织物的表面与镀膜原织物相比，部分薄膜 已经脱落。 天津工业大学硕士学位论文 第四章镀膜织物耐磨性的评价方法 由于试样磨前后质量变化微小，而且受外界条件影响严重，所以用称重的方 法来检测不同条件下钛金属膜的耐磨能存在较大的误差，质量损失法与试样破损 法一样不适合本实验中镀膜织物的耐磨性能的评价。 4 4 透射率法表征镀膜织物的耐磨性 金属薄膜粘附在织物的表面，不同的制备条件，薄膜的表面结构不同，通过 相同次数的摩擦后，表面都有部分的磨脱落，光线透过每种镀膜织物的透射率有 所不同，透射率越好，则可间接的反映这种镀膜织物的耐磨性能较差，反之亦然。 4 4 1 镀膜涤纶膜透射率观察 利用镀膜涤纶膜透射光波长的选择最大的透射波长，观察镀膜时间、压强对 透射率的影响，检测涤纶薄膜的透射率数据是否稳定。 4 4 1 1 透射光波长的选择 元素含量不同的薄膜的最大透射波长不同，测试透射率前首先确定最大透射 波长，图4 - 6 为4 5 0 w ，0 5 p a ，2 0 0 秒涤纶膜在波长为1 9 0 , - - - 8 0 0n l i l 范围的垂直入 射光测量薄膜的透射率，可以看到随波长的增加，涤纶膜的透射率增加，即最大 的透射波长为8 0 0 n m 。 鋈 料 杂 蝌 波长n m 图4 - 6 波长对透射率的影响 4 4 1 2 镀膜时间、压强对透射率的影响 在波长8 0 0 n t o 下测定不同镀膜时间，工作压强下的涤纶膜的透射率，每个 天津工业大学硕士学位论文 试样测试1 0 次，试验中数据很稳定，未出现数据波动现象，取平均数为试样的 透射率，如图4 7 ，4 8 所示。 鋈 料 杂 熠 鋈 槲 杂 蝌 镀膜时间s 图4 7 镀膜时间对透射率的影响 工作压强p a 图4 8 工作压强对透射率的影响 4 由图4 7 可知，随着镀膜时问的增加，涤纶膜的透射率降低，当时间小于3 0 0 s 时，涤纶膜的透射率随时间的增加而快速减小，当时间增加到6 0 0 s 后，涤纶膜 的透射率已接近于零，此时试验中定义6 0 0 s 为涤纶膜透射率的临界时间。 镀膜时问较短时，基底粒子沉积少，随时间的增加沉积粒子增多，所以初期 透射率的变化比较急速，继续沉积，薄膜厚度增加，裸露空间变小，形成均匀的 连续膜，透射率的变化逐渐变缓，并趋于零，即不随薄膜时间的增加而变化。 第四章镀膜织物耐磨性的评价方法 图4 8 中，随工作压强的增加，在0 5 p a 1 p a 之间，涤纶膜的透射率有一个 缓慢的降低，工作压强继续增加，透射率急剧上升。这是由于压强增大溅射速率 先增加后减小的原因造成，压强太大，镀在涤纶膜上的金属层厚度小，基地的裸 露空间相对于较小压强下的面积要大。 4 4 2 镀膜织物透射率观察 由于织物中纱线之间有缝隙，固镀膜织物试验中的狭缝宽度设置到最大，将 不同镀膜时间下的镀膜锦纶、涤纶织物通过波长为8 0 0 n m 的垂直入射光测量织 物的透射率。同种织物将镀膜时间最短的镀膜织物定为参比试样，每种试样测试 1 0 次，测试过程中发现每个试样的透射率不稳定，并且波动很大，虽然狭缝宽 度已经设置到最大，但是对于织物来说纱线问的缝隙太大，以至于每次测量光线 可能通过纱线间隙，可能直接照射在纱线本身，所以造成所测数据不可用。 4 4 3 透射光法测量金属化涤纶膜、织物存在的问题 透射率法的原理简单，容易操作，但织物纱线间缝隙太大，使得所测数据不 可用；虽然不同镀膜条件下镀膜织物的透射率可以很清晰的用涤纶膜的透射率来 反映，实验数据也相对于可靠，但是由于涂在涤纶膜表面的钛金属层制成耐磨实 验所需的试样进行测试，试样太硬，在试样夹上固定时由于挤压，表面的金属膜 层出现裂痕，对膜层造成损伤造成涤纶膜进行耐磨试验不易实现。最终透射率法 评定镀膜织物的耐磨性能不能实现。 但通过透射率试验我们可以间接的反应不同镀膜时间，工作压强下的膜层厚 度，图4 7 中透射率的曲线与a f m 图像研究中颗粒大小，厚度的变化一致，从 另一个方面为实验节约了成本，也提高了工作效率。 4 5 灰度法表征镀膜织物的耐磨性 在服装褶皱研究中，人们以前都是通过经验来控制，陈伟伟等人提出利用图 像灰度值的方法评价服装褶皱效果，使褶皱的形态和特征进行了数字化的表达， 并取得了一定的成果n 引。镀膜织物的耐磨次数在记录时虽有标准对比，工作人员 也有一定的经验，但是主观性还是很强，利用图像信息，可以提取图像信息指标 对镀膜织物进行耐磨性能的评价。 镀膜织物经过耐磨性试验后，获得图像最简单的方法是将试样在扫描仪下进 行扫描，获得试样的图片，图4 - 9 ( a ) ( b ) 分别为4 0 0 w 、0 5 p a 、8 0 s 与4 0 0 w 、0 5 p a 、 2 0 0 s 镀膜条件下锦纶织物耐磨试验摩擦10 0 0 次后的扫描图片。 天津工业大学硕士学位论文 ( a )( b ) 图4 - 9 扫描仪下摩擦1 0 0 0 次镀膜锦纶织物图像 由图4 9 可以清楚的看到，两种试样经过1 0 0 0 次摩擦后获得的图像表面的 颜色差异很大，在扫描过程中，同一试样放置经纬纱线位置不同，可移动光源照 射在试样表面产生的反射光线不同，不同试样亦然，最终使得获得的扫描图像制 备条件不统一。 在相同条件下，将试样放在立体显微镜下进行观察，仅使用透射光进行照射， 由于制备条件不同，镀膜织物经过摩擦后，透过的光线多少不同，视觉上所得图 像的表面颜色有一定的差距。日照光源不同时间光强不同，为了避免日照强度产 生的误差，立体显微镜上方用透射率低的布料盖住遮住日照光源。 经纬纱交织的突出组织点浮现在织物的表面，耐磨试验时这些突出组织点首 先受到摩擦，经纬纱摩擦状态不同，摩擦后突出组织点的灰度不同，试验中只取 经纱上点的灰度值作为实验数据使用。在计算机上，使用“光影魔术手”软件记 录各工艺参数下摩擦图片的突出组织点的灰度值，每个试样测定一根经纱方向上 连续6 个经组织点的灰度值，每个经组织点测试1 0 个灰度值，取其平均数作为 该组织点的灰度值，然后计算其平均值作为该试样的灰度值。 7 0 6 5 董6 0 趟 5 5 5 0 4 5 1 0 0 01 5 0 02 0 0 02 5 0 0 3 0 0 0 摩擦次数 7 图4 1 0 摩擦次数对灰度值的影响 第四章镀膜织物耐磨性的评价方法 图4 1 0 为4 0 0 w ，0 5 p a ，8 0 s 镀膜条件锦纶镀膜织物随摩擦次数灰度值的变 化趋向，随摩擦次数的增加，镀膜织物表面的灰度值减小，