Способ металлизации текстильного материала Российский патент 2024 года по МПК D06M11/83 

Область применения

Настоящее изобретение относится к легкой промышленности, в частности к технологии обработки текстильных материалов, и касается способа модификации поверхностных свойств тканых и нетканых текстильных материалов методом магнетронного распыления и может быть использовано для изготовления материалов, обладающих защитным действием от электромагнитных полей и инфракрасного излучения, обладающих антистатическими, противомикробными, электропроводящими и радиопоглощающими свойствами.

Уровень техники

На сегодняшний день известно достаточно много технологий раскрывающих модификацию поверхности текстильного материала металлизацией.

Технология вакуумного напыления нашла свое применение практически во всех отраслях промышленности.

Вакуумное напыление подразумевает создание направленного потока частиц напыляемого вещества (атомов, молекул или кластеров) в вакуумной среде в виде конденсата, и последующее его осаждение на обрабатываемой поверхности.

В текстильной промышленности наибольшее распространение получила технология магнетронного распыления - высокоскоростной метод нанесения покрытий в вакууме для осаждения металлов, сплавов и соединений на поверхности различных материалов, в среде инертного газа.

К основным преимуществам данной технологии относятся: высокая скорость нанесения, легкость напыления различных металлов их сплавов и соединений, пленки высокой чистоты, возможность покрытия термочувствительных подложек, высокая автоматизации процесса, однородность покрытия, возможность покрытия больших площадей.

Еще одним важным преимуществом магнетронного распыления является отсутствие в потоке осаждаемого вещества капельной фазы и микрочастиц, например, в отличие от термического испарения с использованием вакуумно-дугового или электронно-лучевого нагрева.

Благодаря формированию металлического слоя на поверхности текстильного материала, удается получить материал или изделие из такого материала с рядом полезных свойств, таких как электропроводность, теплозащита, грязеотталкивание, антимикробность, возможность маскировки от инфракрасного излучения и защита от электромагнитного воздействия.

Так из уровня техники известен способ получения электропроводящего металлизированного текстильного материала [RU 2763379 C1, МПК C23C14/00, опубл. 28.12.2021]. Способ включает нанесение на текстильный материал перфорированной термопластичной пленки методом термопереноса, последующее вакуумирование с высокочастотной плазменной активацией поверхности материала и нанесение металлического покрытия методом магнетронного распыления.

Известен способ получения электропроводящего текстильного материала [RU 2505256 C2, МПК A41D 13/00, опубл. 27.01.2014], включающий вакуумирование и нанесение тонкого металлического слоя методом магнетронного распыления на полимерную пленку, которую затем склеивают с текстильной тканью металлическим слоем вовнутрь или наружу, а вакуумирование полимерной пленки осуществляют до давления (1-10)×10^-5 мм рт.ст.

Известные способы достаточны трудоемкие, так как требуют склеивания нескольких слоев различных материалов. Изделия из таких материалов имеют больший вес и недолговечны.

Известен способ металлизации тканей [SU 1813792 A1, МПК C23C4/12, опубл. 07.05.1993]. Способ включает изгибание ткани на угол 90-100° с одновременным ее растяжением, напыление покрытия на основе алюминия в зоне изгиба и обратное формирование ткани, после напыления на металлизированную ткань в зоне изгиба воздействуют импульсным магнитным полем.

Известен способ модификации поверхности текстильного материала [RU 2398045 C1, МПК C23C14/02, опубл. 27.08.2010], включающий обезгаживание при вакуумировании камеры с обрабатываемым материалом и последующее нанесение на его поверхность покрытия методом магнетронного распыления, в процессе вакуумирования материал обрабатывают в низкотемпературной плазме тлеющего разряда неполимеризующегося газа.

Известен способ изготовления антимикробного текстильного материала [RU 2426559 C1, МПК C23C14/35, опубл. 20.08.2011]. Технология включает нанесение на поверхность металлического покрытия при помощи магнетронного распыления, после нанесения покрытия материал обрабатывают в низкотемпературной плазме тлеющего разряда пониженного давления в неполимеризующемся газе.

К недостаткам известных способов можно отнести недостаточную адгезию образующейся металлической пленки к подложке, что снижает качество и долговечность получаемого материала.

Наиболее близким аналогом к предлагаемому техническому решению, принятым за прототип, является способ изготовления маскирующей от радаров ткани [KR 20190078961 A, МПК C23C14/20, опубл. 05.07.2019], включающий нанесение тонкого слоя металла методом магнетронного распыления.

Недостатком известной технологий является невысокое качество получаемого материала, из-за низкой адгезии наносимой металлической пленки, а также недостаточная гигроскопичность материала, что снижает комфортность использования.

Раскрытие изобретения

Заявленное изобретение направлено на создание технологии металлизации текстильного материала, позволяющей получать высококачественную ткань с широким спектром защитных свойств.

Технический результат заключается в повышении качества материала для костюмов, скрывающих инфракрасное излучение и защищающих от электромагнитного воздействия, за счет повышения адгезии материала с металлической пленкой, однородного и точного нанесения металлической пленки, а также гидрофобности защитного материала.

Заявленный технически результат достигается за счет использования следующей совокупности существенных признаков, а именно: способ металлизации текстильного материала, заключающийся в том, что текстильный материл смотанный в рулон помещают в сушильную камеру, и производят сушку и нагрев материала в течение 0,3-3 часов при 40 - 45°С, высушенный и нагретый рулон крепят на ролики перемоточного механизма, находящийся в камере установки магнетронного распыления, вакуумируют камеру до остаточного давления, не превышающего 5,0×10^-5 мм рт.ст., напускают в камеру инертный газ до давления (1,2-2,4)×10^-3 мм рт.ст., подают напряжение на, по меньшей мере, один магнетрон с катодом-мишенью из пластины, выполненной из металла или сплава и производят его распыление, который конденсируется на одной и/или двух сторонах материала в ходе его перемотки из рулона в рулон, при этом толщину наносимого покрытия регулируют скоростью перемотки материала, и/или изменением расстояния межу мишенью и подложкой, и/или изменением тока, подаваемого на магнетрон, по окончании процесса распыления металла производится дефектовка и одновременная обработка полученного материала в низкотемпературной плазме тлеющего разряда пониженного давления в неполимеризующемся газе при обратной перемотке материала.

В частных вариантах исполнения пластина может быть выполнена из меди, алюминия, титана, латуни, никеля, серебра, золота, нержавеющей стали, бронзы и других металлов, их сплавов и соединений металлов, например, нитрида титана, двуокиси титана, окиси алюминия. Скорость перемотки материала из рулона в рулон при распылении металла может находится в диапазоне от 0,1 до 0,3 м/мин. Подаваемый на магнетрон ток может находится в пределах 4-10 ампер. При помощи перемоточного механизма могут осуществлять регулировку расстояния межу мишенью и материалом. Для нанесения многокомпонентных покрытий, в одной камере установлены, по крайней мере, два магнетрона с мишенями из разных материалов. Толщина наносимого покрытия может находится в диапазоне 1-3 мкм.

Осуществление технического решения

Магнетронное распыление является разновидностью ионного распыления. Основными элементами магнетронной распылительной системы являются катод-мишень, анод и магнитная система; подложки располагаются вблизи мишени параллельно ей. Анод обычно заземлен или имеет небольшой положительный потенциал, на мишень от источника питания подается отрицательное напряжение. В пространстве анод - катод создаются неоднородные электрическое и магнитное поля. Лавинный пробой разрядного промежутка начинается ионизацией газа свободными электронами. Однако в скрещенных электрическом и магнитном полях электроны двигаются по сложным циклоидальным траекториям неоднократно сталкиваясь с атомами газа, эффективность ионизации при этом высокая.

Предлагаемая технология металлизации текстильного материала может быть реализовано в системе, состоящей из сушильной камеры и установки магнетронного распыления.

Сушильная камера выполнена в виде параллелепипеда с расположенными внутри электрическими тепловентиляторами, датчиками температуры и таймером.

Установка магнетронного распыления состоит из следующих устройств и систем. Вакуумная камера, выполнена в виде цилиндра, диаметром 1600 мм, длиной 2000 мм. В камере расположен перемоточный механизм, включающий электропривод, ролики и натяжители.

Откачная система, состоит из одноступенчатого вакуумного насоса, двух диффузионных насосов, двухроторного вакуумного агрегата, соединенных с вакуумной камерой при помощи системы труб и клапанов.

Магнетронная система, включает два магнетрона с блоками питания. Магнетроны расположены в вакуумной камере.

Система напуска газов, включает баллон с инертным газом, соединенный с вакуумной камерой соединительной арматурой.

С двух сторон вакуумной камеры на одной оси установлены два электрода подключенные к источнику питания.

Для автоматизации и управления применяется блок управления, подключенный ко всем электрическим устройствам и датчикам.

Осуществление предлагаемого способа

Текстильный материл, например, полиэстер, эластан, полиэфир, смотанный в рулон помещают в сушильную камеру, и производят сушку и нагрев материала в течение в течение 0,3-3 часов при 40 - 45°С. Выбранный интервал температуры обеспечивает «бережную» сушку различных текстильных материалом без повреждения их структуры и изменения свойств. А время установлено экспериментально в зависимости от материала и объема рулона. Сухой и нагретый материал обеспечивает улучшенную адгезию с наносимой металлической пленкой.

Подготовленный рулон крепят на ролики перемоточного механизма, находящегося в камере установки магнетронного распыления. Перемоточный механизм выполнен с возможностью регулировать натяжение материала, скорость его перемотки и расстояния между мишенью и материалом.

Затем при помощи системы откачки вакуумируют камеру до остаточного давления, не превышающего 5,0×10^-5 мм рт.ст.

Напускают в камеру рабочий газ (Ar) аргон до давления (1,2-2,4)×10^-3 мм рт.ст. системой напуска газов, для увеличения интенсивности ионной бомбардировки поверхности мишени, что позволяет увеличить скорость распыления и, соответственно, увеличить скорость осаждения металлической пленки на материал.

После подготовки вакуумной камеры подают напряжение на, по меньшей мере, один магнетрон с катодом-мишенью из пластины, выполненной из металла или сплава и производит его распыление. Подаваемый на магнетрон ток лежит в пределах 4-10 ампер. Ток зависит от твердости наносимого покрытия. Для нанесения покрытий с повышенной твердостью использует ток в 10 ампер, для мягких покрытий - 4 ампера.

В зависимости от заданных свойств обрабатываемого материала пластина может быть выполнена из меди, алюминия, титана, латуни, никеля, серебра, золота, нержавеющей стали, бронзы и других металлов, их сплавов и соединений металлов, например, нитрида титана, двуокиси титана, окиси алюминия. Так как в данной системе используется несколько магнетронов с мишенями из разных металлов, то возможно одновременное нанесение нескольких металлов.

Распыленный металл конденсируется на материале в ходе его перемотки из рулона в рулон. Скорость перемотки материала из рулона в рулон находится в пределах от 0,1 до 0,3 м/мин. Используемый диапазон выбран на основе проведенных опытов и экспериментов, в первую очередь в зависимости от металла, из которого выполнена мишень, так как скорость осаждения металла сильно различается. Так, например, при равных условиях скорость осаждения титана (Ti) равна 8 нм/с, а серебра (Ag) - 44 нм/с.

Толщину наносимого покрытия можно регулировать скоростью перемотки материала, или изменением расстояния межу мишенью и подложкой, или изменением тока, подаваемого на магнетрон, а также обратной перемоткой с рулона на рулон. Также возможно изменять толщину покрытия сочетанием всех приведенных параметров. Толщина наносимого покрытия находится в диапазоне 1-3 мкм, в зависимости от требуемых свойств получаемого материала.

По окончании процесса распыления металла производится обработка полученного материала в низкотемпературной плазме тлеющего разряда пониженного давления в неполимеризующемся газе при помощи плазмообразующих электродов. Перед этим происходит откачка аргона и впуск, например, атмосферного воздуха. И производят обратную перемотку материала. Одновременно с обработкой материала в низкотемпературной плазме производят дефектовку нанесенной металлической пленки, проверяя ее однородной и толщину. Дефектовка производят толщиномером и сканирующим устройством. Дефектовка позволяет исключить брак, что повышает качество получаемого материала.

Обработка материала в низкотемпературной плазме тлеющего разряда пониженного давления в неполимеризующемся газе позволяет повысить гигроскопичность изготавливаемого материала.

Технология металлизации текстильного материала раскрытая совокупностью действий и порядком их выполнения во времени обеспечивает повышение качества материала для костюмов, позволяющих скрывать инфракрасное излучение, защищающих от электромагнитного воздействия, за счет повышения адгезии материала с металлической пленкой, однородного и точного нанесения металлической пленки, а также гидрофобности защитного материала.

Пример реализации способа

Для изготовления маскировочного костюма, обеспечивающего невидимость объекта в диапазоне инфракрасного излучения используют металлизированный текстильный материал, полученный следующим способом.

Рулон материала длиной 10 м из 100% полиэстера кладут в сушильную камеру и производят его сушку в течение 1,5 часов при температуре 40°С. Высушенный и нагретый рулон крепят на ролики перемоточного механизма, находящийся в камере установки магнетронного распыления.

Откачной системой вакуумируют камеру до остаточного давления 5,0×10^-5 мм рт.ст., после чего системой напуска газов напускают в камеру аргон (Ar) до давления 1,8×10^-3 мм рт.ст.

Для данного костюма применяется металлизированный алюминием полиэстер, поэтому в магнетронной установке используют мишень из алюминия.

Толщина напыляемой алюминиевой пленки равна 2 мкм. Для достижения заданной толщины выставляют расстояние 0,3 м между мишенью и тканью, задают скорость 0,15 м/мин перемотки материала и ток, подаваемый на магнетрон 5 ампер.

Подают напряжение на магнетрон и запускают систему перемотки материала из рулона в рулон и, происходит напыление алюминия на полиэстер.

После окончания процесса напыления производят откачку аргона, и напускают воздуха. На электроды системы плазмообразования подают напряжение и зажигают плазму. Запускают обратную перемотку материала из рулона в рулон со скоростью 0,1 м/мин и одновременно с обработкой в низкотемпературной плазме тлеющего разряда производят дефектовку нанесенной алюминиевой пленки.

Если дефектов не обнаружено, полученный материал раскраивают для изготовления защитных костюмов.

Получаемые костюмы износостойкие, долговечные благодаря адгезии алюминиевой пленки к полиэстеру, удобные и комфортные за счет гигроскопичности материала, а также способны отражать инфракрасный поток.

Изобретение относится к технологии обработки текстильных материалов. Текстильный материл, смотанный в рулон, помещают в сушильную камеру. Производят сушку и нагрев материала в течение 0,3-3 ч при 40-45°С. Высушенный и нагретый рулон крепят на ролики перемоточного механизма, находящегося в камере установки магнетронного распыления. Вакуумируют камеру до остаточного давления, не превышающего 5,0×10^-5 мм рт. ст., напускают в камеру инертный газ до давления (1,2-2,4)×10^-3 мм рт. ст. Подают напряжение на по меньшей мере один магнетрон с катодом-мишенью из пластины, выполненной из металла или сплава. Производят распыление металла или сплава, который конденсируется на одной и/или двух сторонах материала в ходе его перемотки из рулона в рулон. Толщину наносимого покрытия регулируют скоростью перемотки материала, изменением расстояния межу мишенью и подложкой, а также изменением тока, подаваемого на магнетрон. По окончании процесса распыления металла производят дефектовку и одновременную обработку полученного материала в низкотемпературной плазме тлеющего разряда пониженного давления в неполимеризующемся газе при обратной перемотке материала. Обеспечивается повышение качества материала для костюмов, скрывающих инфракрасное излучение и защищающих от электромагнитного воздействия. 6 з.п. ф-лы.

1. Способ металлизации текстильного материала, заключающийся в том, что текстильный материл, смотанный в рулон, помещают в сушильную камеру, производят сушку и нагрев материала в течение 0,3-3 ч при 40-45°С, высушенный и нагретый рулон крепят на ролики перемоточного механизма, находящегося в камере установки магнетронного распыления, вакуумируют камеру до остаточного давления, не превышающего 5,0×10^-5 мм рт. ст., напускают в камеру инертный газ до давления (1,2-2,4)×10^-3 мм рт. ст., подают напряжение на по меньшей мере один магнетрон с катодом-мишенью из пластины, выполненной из металла или сплава, и производят его распыление с конденсированием на одной и/или двух сторонах материала в ходе его перемотки из рулона в рулон, при этом толщину наносимого покрытия регулируют скоростью перемотки материала, изменением расстояния межу мишенью и подложкой, а также изменением тока, подаваемого на магнетрон, по окончании процесса распыления металла производят дефектовку и одновременную обработку полученного материала в низкотемпературной плазме тлеющего разряда пониженного давления в неполимеризующемся газе при обратной перемотке материала.

2. Способ по п. 1, отличающийся тем, что пластина выполнена из меди, или алюминия, или титана, или никеля, или латуни, или серебра, или золота, или нержавеющей стали, или бронзы, или других металлов, их сплавов и соединений металлов, например нитрида титана, двуокиси титана, окиси алюминия.

3. Способ по п. 1, отличающийся тем, что скорость перемотки материала из рулона в рулон при распылении металла лежит в диапазоне от 0,1 до 0,3 м/мин.

4. Способ по п. 1, отличающийся тем, что подаваемый на магнетрон ток лежит в пределах 4-10 А.

5. Способ по п. 1, отличающийся тем, что при помощи перемоточного механизма осуществляют регулировку расстояния межу мишенью и материалом.

6. Способ по п. 1, отличающийся тем, что для нанесения многокомпонентных покрытий в одной камере установлены по крайней мере два магнетрона с мишенями из разных материалов.

7. Способ по п. 1, отличающийся тем, что толщина наносимого покрытия находится в диапазоне 1-3 мкм.