激光前处理磁控溅射镀铜涤纶织物的制备及性能

彭灵慧，郭荣辉,*，兰建武，肖红艳，张周益，张君亮

（1.四川大学轻纺与食品学院，四川 成都 610065；2.宁波格兰家居用品有限公司，浙江 宁波 315600）

激光前处理磁控溅射镀铜涤纶织物的制备及性能

彭灵慧1，郭荣辉1,*，兰建武1，肖红艳1，张周益2，张君亮2

（1.四川大学轻纺与食品学院，四川 成都 610065；2.宁波格兰家居用品有限公司，浙江 宁波 315600）

采用激光对涤纶织物表面进行前处理，再利用磁控溅射技术在其表面镀覆纳米铜薄膜。镀铜涤纶织物采用能谱仪、X射线衍射仪和扫描电镜进行表征，且评价了其导电性、拒水性及颜色。结果表明，激光前处理加溅射镀膜所得镀铜织物表面致密地沉积了纳米铜，铜镀层具有良好的结晶性，为面心立方结构。镀铜涤纶织物对水的接触角高达128.5°，方块电阻为3.5 Ω/sq。

涤纶织物；激光前处理；磁控溅射；铜；导电性；拒水性

镀铜织物具有导电、抗静电、电磁屏蔽等性能，可应用在众多领域，如屏蔽电磁波材料、导电或抗静电面料、纤维传感器、纤维太阳能电池、抗紫外户外用品、抗菌纺织面料等[1-3]。激光前处理可使织物表面变得粗糙、粘连，有利于其上附着金属镀层，从而赋予织物导电性。磁控溅射镀膜法[4-6]是一种无水的环保镀膜工艺，其特点为效率高、对基材无选择性、镀膜稳定、操作简便、无环境污染等，可以在基材表面镀制单层或多层功能性金属膜[7]。

本研究采用无水环保的激光前处理方法对涤纶织物进行前处理，再利用磁控溅射法在涤纶织物表面制备纳米铜金属薄膜，使纺织品表面金属化，并对镀铜涤纶面料的微观结构进行表征，检测其接触角、颜色及导电性。

1 实验

1. 1 材料

100%涤纶(120根/英寸 × 115根/英寸，50 s × 50 s，其中1英寸相当于2.54 cm，s为英制支数)，99.995%高纯铜靶材(中诺新材科技有限公司)。

1. 2 激光前处理

取10 cm × 10 cm分别经乙醇和丙酮超声波清洗15 min的涤纶织物，采用TR-5030激光雕刻机(深圳大族激光设备厂)对其进行面扫描，功率为6.0 ～ 6.5 W，扫描间距为0.06 mm，扫描速率为500 mm/s，激光发生器与织物的间距为0.7 cm。

1. 3 磁控溅射镀铜涤纶织物的制备

采用高纯度的铜靶(99.995%)，通过磁控溅射在涤纶织物表面沉积纳米铜膜。铜靶直径50 mm，厚6 mm。放置样品后，抽真空，使压力保持在5 × 10-4Pa。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，溅射电流为0.2 A，沉积时间60 min。

1. 4 表征方法

用日本JEOL的JSM-5900LV型扫描电镜(SEM)观察磁控溅射镀铜涤纶纤维的微观形貌，用JEOL的JSM-6490型扫描电镜的能谱仪分析镀铜涤纶织物的元素组成，用荷兰帕纳科公司的X’Pert Pro MPO型X射线衍射仪(XRD)分析结晶结构。

用北京哈科试验仪器厂的HARKE-SPCA×1接触角测试仪来测磁控溅射镀铜涤纶织物和涤纶织物对水的接触角，取5次测量结果的平均值。

用苏州晶格电子有限公司的ST-2258A型多功能数字式四探针测试仪测量磁控溅射镀铜涤纶织物的方块电阻，取5次测量结果的平均值。

采用美国爱丽色有限公司的Color I5测色仪测定涤纶织物和镀铜涤纶织物的颜色。

2 结果与讨论

2. 1 溅射镀铜涤纶织物的元素成分

激光前处理(未注明处均为6.5 W)涤纶织物磁控溅射镀铜的EDS谱图见图1。经过激光前处理的涤纶织物在磁控溅射镀铜后测出含有碳及铜2种元素。其中C来自涤纶织物，Cu来自磁控溅射镀铜膜的沉积，其质量分数分别为9.92%和90.08%。涤纶织物中还应含有O元素，但未测出。

图1 激光前处理磁控溅射镀铜涤纶织物的能谱图Figure 1 Energy-dispersive spectrum of copper-coated polyester fabric prepared by magnetron sputtering with laser pretreatment

2. 2 溅射镀铜涤纶纤维的表面形貌

从图2a与2b可看出，原始涤纶纤维表面较为光滑，存在少量颗粒杂质。从图2c所示的低倍SEM照片可以看出，激光使涤纶织物表面形成局部熔融，纤维粘连在一起。从图2d所示的高倍SEM照片可以看出，激光处理后纤维表面仍平整、干净。经过溅射镀铜后，低倍SEM照片(图2e)中仍能观察到纤维表面有粘结，纤维紧密连在一起，而高倍SEM照片(图2f)显示铜纳米颗粒非常致密地排列在纤维表面，形成光滑、致密的镀层。可见铜纳米颗粒被成功沉积在激光前处理后的涤纶织物表面，并未形成大的团聚体。

2. 3 溅射镀铜涤纶织物的X射线衍射分析

由图3可知，原始涤纶纤维的XRD谱图中有2个凸出但较为平缓的衍射峰，其衍射角2θ分别在22.7°和25.7°，后者还出现衍射强度最大值。这表明原始涤纶纤维具有明显的结晶特征，晶体结构较完善。未经激光前处理的溅射镀铜涤纶织物在2θ为43.2°、50.0°和74.0°处分别出现铜(111)、(200)及(220)晶面的衍射峰，表明铜镀层具有较好的结晶性，为面心立方晶体结构。在激光前处理溅射镀铜涤纶织物的XRD谱图中，能同时观察到铜镀层和涤纶织物的衍射峰，但是2θ = 22.7°处的衍射峰略有增强，表明经过激光前处理后，涤纶织物的结晶结构有所改善。

图2 不同工艺处理后涤纶纤维的扫描电镜照片Figure 2 SEM images of polyester fibers treated by different processes

图3 不同工艺处理后涤纶织物的X射线衍射谱图Figure 3 X-ray diffraction patterns of polyester fabrics treated by different processes

2. 4 溅射镀铜涤纶织物的水接触角

从图4a可见，原始涤纶的水接触角为114.1°，表明它具有一定的拒水效果。直接磁控溅射镀铜的涤纶织物的水接触角大于原始涤纶，为128.0°(见图4b)。当涤纶织物表面沉积金属铜后，铜不仅存在于纤维表面，而且存在于纤维与纤维之间的空隙中，阻碍了水的渗透、吸收及毛细作用，因此涤纶织物直接溅射镀铜后的拒水效果有所提高。如图4c所示，涤纶织物经激光处理后，其水接触角下降至95.7°。这是由于涤纶织物表面被激光刻蚀出较多孔隙(见图2c)，有利于水分的渗透。然而，激光前处理后再溅射镀铜的涤纶织物表面对水的接触角增大至128.5°，表现出优异的拒水效果。由于铜镀层较厚(约600 nm)，因此经过激光前处理与未经过激光前处理后溅射镀铜涤纶织物的水接触角相差不大。

图4 不同工艺处理后涤纶对水的接触角Figure 4 Water contact angles of polyester fabrics treated by different processes

2. 5 溅射镀铜涤纶织物的导电性能

原始涤纶的方块电阻无穷大，不导电。直接磁控溅射镀铜的涤纶织物也不导电，这是由于纤维与纤维之间存在空隙与起伏，铜镀层不能将纤维表面完全连接导通。经过功率为6.0 W的激光处理后磁控溅射镀铜涤纶织物的方块电阻仍是无穷大，而6.5 W功率激光前处理的磁控溅射镀铜涤纶织物的方块电阻仅为3.5 Ω/sq。显然，当功率仅为6.0 W时，激光对涤纶织物的刻蚀作用不佳，纤维与纤维之间未能形成交联，铜镀层不能导通；当功率为6.5 W时，激光对涤纶织物表面产生了足够的刻蚀作用，使纤维与纤维之间形成桥接，因而铜镀层能连接成整体并导通，此时的涤纶织物具有优异的导电性。

2. 6 溅射镀铜涤纶织物的颜色

从表1可知，空白涤纶及激光处理涤纶均有较高的L*值(表示明度)，且a*及b*值(前者表示红绿，后者表示黄蓝)均较为接近，两者的色差ΔE仅为2.20，表明经过激光处理后，涤纶织物的颜色并未发生明显的变化。然而激光处理后的涤纶经过磁控溅射镀铜后，其颜色发生了较大变化：L*值明显减小，说明溅射镀铜涤纶织物表面亮度降低；a*及b*值明显增大，且均为正值，说明溅射镀铜后涤纶织物表面显示红色及黄色，这是单质铜的颜色(红色偏黄，见图5)。

表1 不同工艺处理后涤纶的L*, a*、b*和ΔETable 1 L*, a*, b* and ΔE values of polyester fabrics treated by different processes

图5 原始涤纶(左)及激光前处理溅射镀铜涤纶(右)的照片Figure 5 Photos of original polyester fabric (left) and the Cu-coated one prepared by magnetron sputtering with laser pretreatment (right)

3 结论

经合适的激光前处理后磁控溅射镀铜60 min所得涤纶织物表面的铜膜沉积均匀、致密，具有良好的结晶结构，对水的接触角高达128.5°，方块电阻为3.5 Ω/sq。

激光前处理对提高磁控溅射镀铜涤纶织物的导电性和拒水性具有良好的效果。激光前处理磁控溅射镀铜涤纶织物在可穿戴智能织物及家用拒水等方面具有潜在应用。

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[ 编辑：温靖邦 ]

《电镀与涂饰》持续被Inspec数据库收录

英国工程技术学会IET（The Institution of Engineering and Technology）的网站（www.theiet.org）公布了截至2017年4月Inspec（Information Service in Physics, Electro-Technology, Computer and Control）数据库的索引期刊目录，《电镀与涂饰》（Electroplating & Finishing, ISSN 1004-227X）位列其中。

Inspec的纸本是“科学文摘”（Science Abstract，简称SA，始于1898年），由IET（前身IEE，1871年成立）出版，是理工学科最重要、使用最为频繁的数据库之一，也是全球在理工科领域最权威的二次文献数据库之一。Inspec中的每一种期刊都是通过客观评价，且按照高标准的要求而选择出来的，有效地杜绝了混乱和繁杂的信息，可确保提供准确、有意义和及时的数据。Inspec的专业面覆盖物理、电子与电气工程、计算机与控制工程、信息技术、生产和制造工程等领域，并覆盖材料科学、海洋学、核工程、天文地理、生物医学工程、生物物理学等领域的内容，为物理学学家、工程师、信息专家、研究人与科学家提供了不可或缺的信息服务。

据统计，目前Inspec总共收录4 339种期刊（比2016年12月公布的数据多了124种），其中中国大陆期刊有逐渐减少的趋势，目前只有220种（约占5.1%）。《电镀与涂饰》是国内表面处理及涂料涂装领域唯一被收录的专业性期刊。

Preparation of copper-coated polyester fabric by magnetron sputtering with laser pretreatment and its properties

PENG Ling-hui, GUO Rong-hui*, LAN Jian-wu, XIAO Hong-yan, ZHANG Zhou-yi, ZHANG Jun-liang

A thin film composed of copper nanoparticles were prepared on the surface of polyester fabric by magnetron sputtering with laser pretreatment. The copper-coated polyester fabric was characterized by energy-dispersive spectrometer, X-ray diffractometer and scanning electron microscope, and its electrical conductivity, hydrophobicity and color were examined. The results showed that a compact and well-crystallized copper coating with a nanometer grain size and a face-centered cubic structure was deposited on the polyester fabric after laser pretreatment followed by magnetron sputtering of copper. The water contact angle and sheet resistance of the copper-coated polyester fabric are 128.5° and 3.5 Ω/sq, respectively.

polyester fabric; laser pretreatment; magnetron sputtering; copper; electrical conductivity; hydrophobicity

College of Light Industry, Textile and Food Engineering, Sichuan University, Chengdu 610065, China

10.19289/j.1004-227x.2017.13.004

F407.81

：A

：1004 - 227X (2017) 13 - 0684 - 05

2017-02-27

2017-06-07

宁波市科技局重大科技专项基金（2015B11059）。

彭灵慧（1991-）女，广西人，在读硕士研究生，研究方向为纺织化学与染整。

郭荣辉，副教授，(E-mail) ronghuiguo214@126.com。