磁控溅射法制备防水透湿织物初探 yd9304
王东 青岛出入境检验检疫局 青岛266002
齐宏进 青岛大学化学工程系 青岛266071
原载：2001功能性纺织品及纳米技术应用研讨会论文集；200-202
【摘要】利用自制磁控溅射设备在 PET织物上以聚四氟乙烯为靶材，制备了防水透湿织物。溅射后PET织物的抗湿性明显提高，透湿性几乎没有改变，接触角显著增大，说明此种方法制备防水透湿织物是可行的。溅射后织物表面生成一种不同于聚氟乙烯和聚四氟乙烯结构的薄膜，薄膜呈多层贯通蜂窝状结构。
【关键词】防水织物 透湿织物 磁控溅射 PTFE PET
0 前言
防水透湿织物是国内外纺织界几十年来竟相开发具有特殊功能的高档面料[1-2]，综合目前国内外防水透湿织物的制备方法有以下三种[3]:
(1)利用织物本身紧密结构制备；
(2)涂层法制备；
(3)层压薄膜法制备。
上述三种方法各有其优缺点[3]，如利用织物本身紧密结构制备的防水透湿织物耐水压太低；涂层法制备的防水透湿织物悬垂性和柔软性差，透湿性相对较低，附着牢度差；而层压薄膜法制备的防水透湿织物则由于薄膜二维拉伸工艺复杂，成本高，柔软性和悬垂性不令人满意限制了其推广和应用。
磁控溅射法是一种已工业化多年的技术，具有沉积速度快、易于溅射任何物质、膜与基底粘附性好、成膜均匀性好和不改变基底性质的特点[4]。因此，本文利用对磁控溅射法制备防水透湿织物进行了新的尝试，并对其应用性和微观结构进行了初步探讨。
1 实验仪器及材料
1·1 实验材料
涤纶织物(圆片直径2Ocm)潍坊京春纤维有限公同生产；PTFE(厚lmm，圆片直径1Ocm)，北京塑料一厂产品；丙酮，分析纯，齐鲁石化试剂厂；
2 实验设备及仪器
1·2·1 省重点差别化纤维实验室自制多功能表面改性设备；
1·2·2 青岛大学医学院引进的JEOL出品的JSM-840型扫描电镜；
1·2·3 静态接触角测试仪(JY-82)，承德试验机厂出品；
1·2·4 北京大学物化研究所VG ESCA LAB5型光电子能谱仪。
2 防水透湿织物的制备
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图1磁控溅射原理图 |
防水透湿织物是通过省重点差别化纤维实验室自制的多功能表面改性设备制备而成，溅射原理如图l。
设备电源为RF-2000-1型晶粒高能电源，其频率为13.56MHz，输出功率在0-20OOW范围可调。靶材为圆形PTFE，厚度为lmm，直径为1Ocm。基底为圆形PET织物，直径为2Ocm。
制备前，首先将PET织物及PTFE丙酮超声波清洗l5min，干燥后放入真空室，而后开启设备，利用机械泵和油扩散泵二级抽真空系统将真空室抽至3×10-3Pa然后通入纯度为 99.9%的氩气调节工作压力为5×lO-1Pa，而后开始溅射，溅射功率为800W，靶距为5Omm。溅射12Omin后将织物取出，置于干燥器中用于测试。
3 结果与讨论
3·1 抗湿性测定(沾水试验法)
参照GB4745-84纺织织物表面抗湿性测定方法，对未溅射和溅射后的织物进行测定，测定温度为20.5℃，湿度为68%。测试数据见表l。
表1 溅射前后织物性能对比表
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防水性 |
透湿性[g/(m2·d)] |
静态接触角 |
表面能（103N/m） |
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H2O |
CH2I2 |
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溅射前织物 |
1级* |
438.615 |
△ |
△ |
43[5] |
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溅射后织物 |
5级* |
438.050 |
166.5 |
99.4 |
26.97**[6] |
注：*指的是沾水等级(共5级；1级表示受淋表面全部淋湿，防性最差；5级表示受淋表面没有润湿，在表面上也未沾有小水珠，防水性最好。
**据文献8调和方程计算得出。
△表示液滴滴在织物表面立即铺展。
从表1可以看出，未溅射织物的沾水等级为1级(表面全部润湿)，溅射后的织物为5级 (表面没有润湿，敲打后未沾有水珠)，防水性明显改善。这主要是因为以PTFE为靶进行溅射后使织物表面附着了一层含有大量氟元素的氟碳膜，这一点可以从其XPS宽谱图中得到证实(图2)。它也同时表明通过溅射PTFE可以制成防水织物。
3.2 透湿性测定
参照GB/T 12704-91织物透湿量测定方法——透湿杯法，对未溅射织物和溅射织物进行测定，测定结果见表I。
从表l看出，对于未溅射织物和溅射织物，其透湿量分别为438.615[g/(m2·d)]，438.050[g/(m2·d)]，其透湿
量基本没有改变，这是由于溅射后织物表面形成了一种多层贯通蜂窝状结构的薄膜，这一点可以从下面讨论的SEM照片中看出。
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图2溅射后织物的XPS宽谱图 |
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(a)×3000 |
(b)×20000 |
(c)×40000 |
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图3溅射后织物不同放大倍数下SEM照片 |
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3.3 静态接触角的测定
利用静态接触角测试仪(JY-82)，分别用二次蒸馏水和二碘甲烷对未溅射织物和溅射织物测量。实验温度为20.5℃，湿度为68%。
实验过程：在静态接触角测试仪上夹上织物后，用微量进样器在布上滴一滴液体，先用二次蒸馏水，再用二碘甲烷(为了计算表面能)，每滴为2.OµL，滴液l0秒后，对滴液拍照，测得接触角，并计算表面能，数据见表l。
从表l中可以看出，未溅射织物滴液滴上后立即铺展，而溅射织物的接触角明显增大，分别为116.5°(H2O)和99.4°(CH2I2)。并且其表面能由4.3×1O-2N/m降至2.697×1O-2N/m，明显减小，说明织物拒水性增强。这从另一个侧面说明了此方法对制备防水透湿织物是可行的。另外，溅射后织物的表面能低于聚氟乙烯(2.8×lO-2N/m)而高于聚四氟乙烯[5](1.85×lO-2N/m)，结合其XPS宽谱中含有C、F元素，可以初步认为织物表面形成了不同于聚氟乙烯和聚四氟乙烯的CF膜，其具体结构另文研究。
3.4 微观形态的研究
利用SEM对防水透湿织物表面微观形态进行了观察，如图3。
从不同放大倍数的扫描电镜照片a、b、c可以看出薄膜呈多层蜂窝状结构，其孔的大小约为1-5µm，而一般雨滴的直径为 1OOµm左右[7]，水汽分子直径为4×10-3µm左右[8]。因此，我们可以认为，正是由于此薄膜具有如此的微观结构，使得此法制备的织物具有防水透湿的能力。
4 结论
(1)溅射织物比未溅射织物的防水性能好，而其透湿性几乎没有改变。
(2)溅射后PET织物表面能明显减小。
(3)通过SEM发现在PET织物上的薄膜呈多层贯通蜂窝状结构。
(4)溅射后织物的表面形成了不同与聚氟乙烯和聚四氟乙烯的CF膜。
(5)综合其防水性能、透湿性能、接触角的测定和表面能的计算与对比结果，认为利用磁控溅射法制备防水透湿织物是可行的，为防水透湿织物的制备开辟了一条新途径。
参考文献
[1]
Mic Van Roey, Journal of coated fabrics, Vol.21，July 1991,20-31.
[2]
Sundaram Krishnan, Journal of coated fabrics. Vol.22，July 1992,71-74.
[3]
Chris J. Painter, Journal of coatedfabrics, Vol.26，October 1996,107-130.
[4]
S. Swan., Magnetron Sputtering. PhysicsTechnology, 1988,19(2), 67-75.
[5] 吴人洁等著，高聚物的表面与界面,北京，科学出版社
1998年2月.
[6]
Souheng Wu.,Polymer Interface and Adhesion, New York: MARCEL DEKKER,
Inc.,1982,168.
[7]
G. R. Lomax, The Design of Waterproof,Water Vapour@permeable fabrics. Journal
ofcoated fabrics, 1985, Vol. 45, 40-46
[8]Tsunekatsu Furute and Shigeyuyci Yagihara.Excel tech:A polyaminoAcid-Derivative, Highly Moisture Permeable,Waterproof Material.Journal of coated fabrics,1990,vol.20;11-23.