1. 廣州南洋理工職業(yè)學院服裝與設計學院，廣東 廣州 510900；2. 五邑大學紡織服裝學院，廣東 江門 529000

磁控濺射制備導電織物的工藝優(yōu)化

禚云彬1, 2杜文琴2

1. 廣州南洋理工職業(yè)學院服裝與設計學院，廣東 廣州 510900；2. 五邑大學紡織服裝學院，廣東 江門 529000

為制得具有更小電阻即更好導電性能的織物， 利用磁控濺射技術，以銅作為靶材，在滌綸紡黏熱軋非織造布上沉積銅薄膜制備導電織物，測試其表面電阻值。分別對進氣量、濺射功率、工作氣壓、靶基距、濺射時間進行單因素試驗，探究濺射工藝參數對試樣導電性能的影響規(guī)律；然后在單因素試驗基礎上對試驗進行二次正交旋轉組合設計，對顯著因素進行參數優(yōu)化。得出：制備較低表面電阻值的導電織物的最優(yōu)參數組合為進氣量35.00 mL/min、濺射功率83.0 W、工作氣壓0.400 Pa、靶基距3.900 cm、濺射時間4.10 min，所得導電織物表面電阻值在1.000 0～100.000 0 Ω。

磁控濺射，導電織物，優(yōu)化，表面電阻，進氣量，濺射功率，工作氣壓，靶基距，濺射時間

導電織物在廣義上主要分為四類，分別是金屬系導電織物、炭黑系導電織物、導電型金屬化合物織物、高分子導電型織物[1]。導電織物涉及抗靜電[2-4]、電磁屏蔽[5-6]、抗紫外[7-10]、電致變色、電子智能、燃料電池[11-12]、吸波隱身、抗菌除臭[13]等領域，在民用和軍事方面均有廣闊的應用前景，其不僅可用在保健紡織品上，用于滿足民用市場的需要、改善人們的生活質量，還可用在軍隊裝備上，用于滿足土木、電子、軍工等高端市場的需要。

國內外科學家在導電織物方面的研究也越來越深入，很多科學家把提高織物的導電性能作為研究的重點。2002年，商思善[14]在化纖織物上化學鍍銅和電鍍鎳，解決了導電織物性能不穩(wěn)定、成本高等技術難題。2003年，周俊峰[15]采用合適的分散劑，研制出納米級鍍鎳晶粒導電織物。同年，余志成等[16]采用敏化活化一步法工藝，制得具有優(yōu)良導電效果的化學鍍鎳導電織物。2004年，王煒等[17]在化學鍍銅基礎上電鍍錫，解決了金屬鎳對環(huán)境的污染等一系列環(huán)保問題。2005年，KAZUMASA等[18]利用六氟乙酰丙酮對布面進行預處理，大大增加了布面和銅的結合牢度；同年，KUTANIS等[19]采用聚乙烯酯纖維制備了導電布。2007年，陳文興等[20]在非織造布表面采用直流磁控濺射鍍銅方法制得了導電織物。由直流磁控濺射方法制得的導電織物雖具有顏色單一、柔軟度不理想、成本高等缺點，但其薄膜層結構均勻、致密、不分解、熱穩(wěn)定性好、工藝簡單、不污染環(huán)境且導電率較高，具有很好的應用前景。

本文選用滌綸(PET)紡黏熱軋非織造布為基底、以金屬銅為靶材，利用磁控濺射法對織物表面進行濺射鍍膜，以獲得具有更小電阻即導電性能更好的磁控濺射功能織物，并對濺射工藝參數(進氣量、濺射功率、工作氣壓、靶基距、濺射時間等)和濺射后織物的導電性能進行研究和探索。

1 試驗部分

1.1主要試驗材料與設備

500型織物功能處理器、銅靶(純度99.5%)、氬氣(純度99.5%)、PET紡黏熱軋非織造布(面密度78 g/m2)、RTS-9型雙電測四探針測試儀。

1.2試驗方法

首先，在沉積前將PET紡黏熱軋非織造布基底放在丙酮溶液中，超聲波清洗30 min；然后，將基底去離子水超聲波清洗30 min；再用去離子水將基底漂洗5次， 將清洗好的基底放在烘箱中以100 ℃的溫度烘干。

接著，將準備好的基底放入500型織物功能處理器濺射室內，按不同的工藝參數制備各種試樣。

第三，將制備的各種試樣在RTS-9型雙電測四探針測試儀上進行測試，得到試樣的表面電阻值。

2 試驗安排

本試驗先分別對進氣量、濺射功率、工作氣壓、靶基距和濺射時間進行導電性能的單因素試驗，以確定各因素對試樣導電性能(即表面電阻值)的影響，以為后續(xù)的二次正交旋轉組合設計確定參數范圍。結果顯示：

(1) 進氣量在5.00～50.00 mL/min范圍內調節(jié)時，隨著進氣量的增加，試樣的表面電阻值呈先減小后增大的趨勢，其中當進氣量在30.00～40.00 mL/min 時表面電阻值較??；

(2) 預試驗得出試樣可承受功率范圍為20.0～ 170.0 W，于是在20.0～170.0 W范圍內逐漸增加濺射功率，發(fā)現表面電阻值隨濺射功率呈單調遞減趨勢，即導電性能隨濺射功率單調遞增；

(3) 當工作氣壓在0.400～3.000 Pa范圍內調節(jié)時，隨著工作氣壓的增加，表面電阻值整體呈增加趨勢，且進一步探討發(fā)現，工作氣壓在0.200～0.800 Pa 時，表面電阻值總體呈先減小后增大的趨勢，且在0.200～0.600 Pa范圍內表面電阻值較??；

(4) 當靶基距在3.000～9.000 cm范圍內調節(jié)時，隨著靶基距的增加，表面電阻值呈先減小后增大的趨勢，且較小表面電阻值出現在靶基距為3.000～ 5.000 cm范圍內；

(5) 當濺射時間在2.00～6.00 min時，隨著濺射時間的增加，表面電阻值呈逐漸減小趨勢，即導電性能逐漸提高。

3 試驗設計

在單因素試驗的基礎上，采用五因素五水平二次正交旋轉組合設計。以進氣量(X1)、濺射功率(X2)、工作氣壓(X3)、靶基距(X4)、濺射時間(X5)為自變量，試樣的表面電阻值(Y)為響應值，因素和水平編碼見表1。

表1 試驗因素及水平編碼

4 結果與討論

4.1建立回歸模型

對制得試樣的表面電阻值(Y)進行測試，得出的二次正交旋轉組合設計試驗方案結果見表2。

表2 二次正交旋轉組合設計試驗方案及結果

(續(xù)表)

應用SAS軟件處理求得回歸方程：

Y= 35.745 920-3.452 158·X1-16.617 040·X2+
5.491 592·X3+9.510 342·X4-5.422 991·X5+
7.104 557·X1·X1-6.023 549·X1·X2+
5.753 237·X1·X3+5.448 549·X1·X4-
5.774 888·X1·X5+7.249 200·X2·X2-
4.711 049·X2·X3-7.171 987·X2·X4-
2.145 424·X2·X5-2.304 818·X3·X3+
16.136 050·X3·X4-2.556 138·X3·X5-
1.297 005·X4·X4-2.501 451·X4·X5+
5.223 307·X5·X5

(1)

接著，采用SAS軟件對試驗結果進行響應面分析，試驗結果的方差分析見表3。

從表3可以看出：9.631 2gt;F0.01(20,15)=3.360 0，P=0.000 100，說明回歸方程在α=0.01顯著水平上高度顯著，且擬合很好，即回歸方程(1)成立。在α=0.01顯著水平剔除不顯著項后，簡化后的回歸方程：

表3 試驗結果方差分析

Y= 33.344 700-16.617 040·X2+5.491 592·X3+
9.510 342·X4-5.422 991·X5+7.104 557·X1·
X1-6.023 549·X1·X2+7.249 200·X2·
X2-7.171 987·X2·X4+16.136 050·X3·
X4+5.223 307·X5·X5

(2)

4.2因素效應分析

4.2.1 主效應分析

對回歸方程(2)進行降維處理，得Yi(各因素表面電阻值)的主效應方程：

Y1= 33.344 700+7.104 557·X1·X1

(3)

Y2=33.344 700-16.617 040·X2+

7.249 200·X2·X2

(4)

Y3=33.344 700+5.491 592·X3

(5)

Y4=33.344 700+9.510 342·X4

(6)

Y5= 33.344 700-5.422 991·X5+

5.223 307·X5·X5

(7)

因為試驗中各因素的處理均經過了無量綱線性編碼代換，所以偏回歸系數不再受因素取值大小與單位的影響，即已標準化，偏回歸系數絕對值的大小可直接反映變量對于響應值的影響程度[21]。各因素在參數取值的范圍內對試樣表面電阻值作用的大小順序是X2(濺射功率)gt;X4(靶基距)gt;X3(工作氣壓)gt;X5(濺射時間)gt;X1(進氣量)。

圖1反映了單因素對試樣表面電阻值的影響。由圖1可知Xi在[-2, 2]水平區(qū)域內：X1、X2、X3對表面電阻的影響，都有一個臨界水平點。其中，X1在0水平處取得最小值；X2和X5在1水平處取得最小值；X3和X4在-2水平處取得最小值、在2水平處取得最大值。故，表面電阻值取得最小時的水平組合為X1= 0、X2=1、X3=-2、X4=-2、X5=1。

圖1 單因素對表面電阻值的影響

4.2.2 交互作用效應分析

利用SAS軟件分析得到雙因素各交互作用對Y的響應面三維圖和對應的等高線圖(圖2)。

圖2 雙因素交互作用對Y的響應面三維圖和對應的等高線圖

由圖2可知：在一定范圍內，X1與X2，X4與X2，X4與X3表現出了一定的交互效應。其中，X1與X2的交互作用、X4與X2的交互作用，對表面電阻值的影響都為負作用，即交互作用越大表面電阻值越小；X4與X3的交互作用對表面電阻值的影響為正作用，即交互作用越大表面電阻值越大。

4.3數學模型尋優(yōu)

為制備得到導電性能良好的導電織物，根據建立的優(yōu)化數學模型Y，對每個因素選取5個水平(-2、 -1、 0、 1、 2)，利用SAS軟件對55=3125個方案利用統(tǒng)計方法尋優(yōu)。在試驗取值范圍內得出導電織物的表面電阻值控制在低阻(1.000 0～100.000 0 Ω)范圍的，有249套設計方案滿足。在這249套設計方案中，統(tǒng)計水平的頻次分布及統(tǒng)計結果如表4所示。

表4 導電織物表面電阻值在1.000 0～100.000 0 Ω間的各因素水平的頻次分布

由表4可以看出，制備工藝參數的實際值——進氣量(X1)為34.78～35.00 mL/min、濺射功率(X2)為82.4～83.5 W、工作氣壓(X3)為0.382～0.393 Pa、靶基距(X4)為3.855～3.910 cm、濺射時間(X5)為4.01～4.13 min時，導電織物的表面電阻值有95%的可能為1.000 0～100.000 0 Ω。

結合實際生產，確定制備較低表面電阻值的導電織物的最優(yōu)化工藝參數組合為進氣量35.00 mL/min、濺射功率83.0 W、工作氣壓0.400 Pa、靶基距3.900 cm、濺射時間4.10 min，并按照此最優(yōu)條件重復3次驗證試驗，所得導電織物的表面電阻值在1.000 0～100.000 0 Ω內。

5 結論

本試驗是在各單因素試驗的基礎上，選用五因素五水平的二次正交旋轉組合設計方法進行的。其中，以進氣量(X1)、濺射功率(X2)、工作氣壓(X3)、靶基距(X4)、濺射時間(X5)為自變量，導電織物的表面電阻值(Y)為響應值。與單因素分析不同，二次正交旋轉組合設計中不僅考慮了單因素的影響，還考慮了各因素之間的交互作用，故較之單因素試驗更全面，結果更準確：

(1) 在試驗取值范圍內，各因素對導電織物表面電阻值的作用大小順序是X2gt;X4gt;X3gt;X5gt;X1；

(2) 建立了各因素與表面電阻值之間的回歸方程，回歸關系顯著，擬合程度較高，這對制備具有良好導電性能的導電織物的分析與研究具有很好的參考價值，其回歸方程為Y=33.344 700-16.617 040·X2+5.491 592·X3+9.510 342·X4-5.422 991·X5+ 7.104 557·X1·X1-6.023 549·X1·X2+7.249 200·X2·X2-7.171 987·X2·X4+16.136 050 ·X3·X4+5.223 307·X5·X5；

(3) 制備較低表面電阻值(1.000 0～100.000 0 Ω)的導電織物的最優(yōu)化工藝參數組合為進氣量35.00 mL/min、濺射功率83.0 W、工作氣壓0.400 Pa、靶基距3.900 cm、 濺射時間4.10 min。

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Process optimization of conductive fabrics prepared by magnetron sputtering

ZhouYunbin1, 2,DuWenqin2

1. School of Clothing and Design, Guangzhou Nanyang Polytechnic, Guangzhou 510900, China;2. School of Textile and Clothing, Wuyi University, Jiangmen 529000,China

In order to prepare fabrics that possessed better conductivity, with Cu as target materials, the conductive fabrics were obtained through using magnetron sputtering technique to deposited Cu on the polyester spun-bonded hot rolled nonwovens. And their surface resistance was tested. The air input, the sputtering power, the working pressure, the target-substrate distance and the sputtering time were researched respectively by the single factor experiments, in order to explore the relationship between the sputtering process parameters and the conductive performance of the samples. Then, the optimum conditions were obtained by the design of quadratic general rotation combination based on single factor experiment. The optimum combination of preparing conductive fabric with a lower surface resistance was that the air input was 35.00 mL/min, the sputtering power was 83.0 W, the working pressure was 0.400 Pa, the target-substrate distance was 3.900 cm and the sputtering time was 4.10 min. And the resistance range of the conductive fabrics was 1.000 0～100.000 0 Ω.

magnetron sputtering, conductive fabric, optimize, surface resistance, air input, sputtering power, working pressure, target substrate distance, sputtering time

TM242,TS176+.2

A

1004-7093(2017)09-0039-06

2017- 06-11

禚云彬，男，1984年生，講師，主要研究方向為紡織材料、檢測及功能紡織品的研發(fā)與設計

杜文琴，wyudwq@163.com