CN1276120C - 高阻隔真空镀铝薄膜的生产工艺 - Google Patents
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Abstract
一种高阻隔真空镀铝薄膜的生产工艺，其特征在于：真空环境中将等离子溅射到薄膜的表面后，再对薄膜进行真空蒸镀。其阻隔性较同样工艺条件下不经过等离子体表面处理生产的真空镀铝膜提高了3～5倍。具有效果显著，成本低，无污染的优点。
Description
技术领域：
本发明所要保护的技术方案属于塑料薄膜金属化的生产工艺，具体地说是属于制造高阻隔真空镀铝薄膜技术领域。
背景技术：
高阻隔真空镀铝薄膜(HB-VMPET、HB-VMCPP)属于新材料应用领域，是一种具有高阻隔性能的包装材料，被广泛应用于食品、饮料、医药、化妆品等的复合包装上。它由柔性包装材料经过真空镀铝后加工而成，具有良好的金属光泽，电磁屏蔽效果，抗静电性和遮光性，尤其具有较好的阻气、阻湿性，其阻隔性能比镀铝前提高了几十倍甚至上百倍。同时，它加工成本低，复合适性好，除了自身可做包装材料外，还可以与多种薄膜进行加工复合成新的，性能更好的复合材料。
目前，公开的真空镀铝薄膜生产工艺是以中国专利号为CN87103355公开的流延聚丙烯真空镀铝薄膜工艺为代表，该工艺是将基材塑料薄膜送入到真空环境下进行真空蒸镀，即通过控制真空环境的真空度、温度以及铝的蒸发量来使塑料薄膜上镀上一层铝膜。按照这种方法要想提高镀铝薄膜的阻隔性，通常用提高镀铝层厚度的方法来解决。但在生产实践中阻隔性并非与镀层厚度成正比，当铝层厚度增加时，铝层的致密度、铝层附着力下降，镀层微气孔增加，导致阻隔性降低。所以一般来说以此为基础的工艺方法所生产出的产品透氧率≥2.0cc/m2.day.latm，透湿率≥1.0g/m2.day。随着社会的进步，人们生活质量的不断提高，对商品卫生、安全等非常重视，提高包装的可靠性、延长商品的保质期，成为国内外包装领域的开发重点。如果能够使高阻隔真空镀铝薄膜具备更加优异的阻隔性能，将大大延长了商品的保质期和货架期，并且将进一步拓展应用领域和市场需求。
发明内容：
本发明所要解决的技术问题是提供一种比现有技术产生出的产品具有更高阻隔性能的生产真空镀铝薄膜的生产工艺。
本发明解决技术问题的方案是：高阻隔真空镀铝薄膜的生产工艺，在真空环境中先用等离子体溅射到薄膜基材的表面后，再对薄膜进行真空蒸镀。
本发明是基于这样的思路而提出的：由于产品的阻隔性并非与镀层厚度成正比，当铝层厚度增加时，铝层的致密度铝层附着力下降，镀层微气孔增加，导致阻隔性降低。通过等离子体对基材表面进行处理后可以：(1)、清除镀铝基材表面的污染物和残留气体，有效避免在镀铝过程申发生气体释放而使铝层产生微小针孔，增强了铝层的致密性，提高镀铝薄膜的阻隔性能。(2)、可以使得塑料薄膜表面聚合物分子链上形成一定数量的极性基团，如-CO、-OH、-COOH、-NH等，能极大地改善基材表面性能。经处理后的基材表面易与以范德华力、氢键或化学键形成牢固、致密的结合力，使得铝层附着力显著提高，从而显著提高了镀铝薄膜的阻隔性能。
在薄膜镀铝过程中采用等离子体表面处理法技术，等离子体是在特定条件下，使气体部分电离而产生的非凝聚体系，它由中性的原子或分子，激发态的原子或分子、自由基、电子或负离子，正离子或光子组成。在镀铝过程中，将薄膜置于等离子体表面处理设备的高能等离子体区域，即在薄膜被处理表面的一侧，安装一组在中频交流电压作用下的阴极管，以及靠近薄膜另一面设置的磁控管。气体通过阴极产生大量的高能等离子体。由于薄膜另一方磁控管产生的磁场作用，等离子体朝向薄膜表面运动，通过溅射和冲击对薄膜的表面进行处理。
通过多次实践，制定以下适合镀铝基材的各项指标及镀铝过程中的各项工艺参数。
等离子体的电场强度在7-9V/m之间。这里的等离子体电场强度是指等离子体在两空心阴极间的磁场中所受的力的大小，它反映了等离子体的能量大小。研究结果表明，随着产生等离子体设备输入功率的增大，等离子体电场强度增加，阻隔性也随着相应提高。当输入功率增加到一定值时最终产品阻隔性反而有所降低，这是因为能量过高的等离子体处理薄膜时，会造成表面形成蚀刻，表面粗糙度增加，镀层均匀度不好，因而电场强度最佳范围在7-9V/m之间。
对非极性材料作为基材时使用空气作为等离子体气体类型进行表面处理较合适。这是因为N2是一种活泼气体，用它来处理非极性材料，可以生成-NH等活性基团，而空气中N2含量较高，原料来源广泛。这种材料以聚丙烯薄膜为代表，并且其在包装材料上使用的量也是较大的。而针对极性材料作为基材时使用O2和Ar按照体积比为1∶8-11的量混合后作为等离子体气体类型进行表面处理较合适。这种材料以聚酯薄膜为代表，并且其在包装材料上使用的量也是较大的。因为Ar只能清理基材表面的污染物、水汽和气体等，避免铝沉积时铝层产生微孔，以增强阻隔性；与真空镀铝薄膜附着力、阻隔性等密切相关的是含氧基团的生成，因此体中混合一定比例的氧作为反应气休，其等离子体与材料表面反应产生含氧基团，如-OH、-CO、-COOH等，经处理后的镀铝薄膜其阻隔性能更高。
我们确定薄膜运行速度为200-500m/min时，等离子体的气体流量在250-300ml/min；真空度在2.0×10-4～4.0×10-4Torr之间。该工艺参数可保证等离子体对薄膜基材的表面处理不会对后续真空镀铝不良的作用，真空镀铝层的厚度控制在合适的范围内，使生产具有最大的经济性和产品具有最大的阻隔性。
本发明运用了等离子体对镀铝薄膜基材的表面进行处理，有效提高了真空镀铝膜的阻隔性能，其阻隔性较同样工艺条件下不经过等离子体表面处理生产的真空镀铝膜提高3～5倍。具有效果显著，成本低，无污染的优点。
具体实施方式：
各实施例选用以下原材料：
A组：基材PET薄膜，厚度12μm；等离子体物质：O2(纯度≥99.9％)和Ar(纯度≥99.99％)，O2和Ar体积比为1∶9
B组：基材CPP薄膜，厚度25μm；等离子体物质：空气。
各实施例均在大力科士登DYDP-5040F型连续式真空镀铝机设备上生产。在基材送往蒸发源之前的2-3米处上方安装一组朝向基材表面的频率为50Hz，电压为380V中频交流电压作用下的空心阴极，薄膜另一面上方设置有接地磁控管，磁控管的参数：操作频率：20-25KHZ，最大电流：7A，电压：10-15KV，磁场强度为50-1000高斯。
测试方法和测试条件按照GB2918-82标准进行，水蒸气透过量：温度38℃，湿度90％；氧气透过量：温度23℃，湿度0％。拉伸强度、断裂伸长率、热收缩率、附着力按照QY/HNDP31-2001标准测试。
水蒸气透过量测试仪：美国Mocon 3/61型。氧气透过量测试仪：美国Mocon 2/61型。
表一为薄膜运行速度300m/min、真空度为3.0×10-4Torr时，电场强度为8V/m，等离子体的气体流量不同情况下生产出的高阻隔真空镀铝薄膜的阻隔性。
| 试验组 | 气体流量ml/min； | 镀铝层厚度μm | 拉伸强度MPa≥ | 断裂伸长率％≥ | 热收缩率％≤ | 附着力 | 水蒸气透过量(g/m2.24h)≤ | 氧气透过量(cc/m2.24h.0.1MPa)≤ |
| A | 200 | 0.04 | 195 | 100％ | 1.5 | 一级 | 0.46 | 0.55 |
| 250 | 0.04 | 190 | 100％ | 1.5 | 一级 | 0.23 | 0.40 | |
| 300 | 0.04 | 200 | 100％ | 1.5 | 一级 | 0.26 | 0.43 | |
| 350 | 0.04 | 190 | 100％ | 1.5 | 一级 | 0.52 | 0.58 | |
| a | / | 0.04 | 190 | 100％ | 1.5 | 二级 | 1.5 | 2.5 |
| B | 200 | 0.04 | 40 | 600％ | / | 一级 | 1.6 | 1.1 |
| 250 | 0.04 | 45 | 600％ | / | 一级 | 0.82 | 0.62 | |
| 300 | 0.04 | 45 | 600％ | / | 一级 | 0.76 | 0.58 | |
| 350 | 0.04 | 40 | 600％ | / | 一级 | 1.4 | 0.86 | |
| b | / | 0.04 | 40 | 100％ | / | 二级 | 3.2 | 2.8 |
上表中a、b均为同样工艺条件下未经过等离子体表面处理的对照实验。上表表明，经过等离子体处理后的产品阻隔性要大大超过对照样的指标。同时说明等离子体气流量对产品镀铝层的厚度以及最终阻隔性是有影响的。在薄膜运行速度确定的条件下等离子体气流量应该控制在合理范围内。
表二为薄膜运行速度300m/min、等离子体的气体流量为250ml/min；在不同真空度条件下生产出的高阻隔真空镀铝薄膜的阻隔性。
| 试验组 | 真空度×10-4Tor | 水蒸气透过量(g/m2.24h)≤ | 氧气透过量(cc/m2.24h.0.1MPa)≤ | |
| A | 1 | 4.5 | 0.20 | 0.34 |
| 2 | 3.5 | 0.26 | 0.45 | |
| 3 | 2.5 | 0.21 | 0.35 | |
| 4 | 1.8 | 1.2 | 2.3 | |
| B | 1 | 4.5 | 0.52 | 0.42 |
| 2 | 4.0 | 0.67 | 0.56 | |
| 3 | 2.0 | 0.55 | 0.52 | |
| 4 | 1.8 | 3.4 | 2.8 | |
上表表明，真空度影响到镀铝层的厚度以及产品的阻隔性。因此需要对真空腔的真空度进行控制以求得合理经济的参数。
表三为表二中A3和B3其它条件相同而在不同电场强度下生产出的高阻隔真空镀铝薄膜的阻隔性。
| 试验组 | 电场强度V/m | 水蒸气透过量(g/m2.24h)≤ | 氧气透过量(cc/m2.24h.0.1Mpa)≤ | |
| A | 5 | 10 | 0.62 | 0.85 |
| 6 | 9 | 0.23 | 0.43 | |
| 7 | 8 | 0.12 | 0.35 | |
| 8 | 7 | 0.58 | 0.74 | |
| B | 5 | 10 | 1.01 | 1.32 |
| 6 | 9 | 0.54 | 0.56 | |
| 7 | 8 | 0.51 | 0.52 | |
| 8 | 7 | 1.34 | 0.98 | |
上表表明，电场强度过高或过低都会降低等离子体对基材表面处理的效果。
表四为与表二中A2其它条件相同而选用不同类型等离子体生产出的高阻隔真空镀铝薄膜的阻隔性。
| 气体类型 | 水蒸气透过量(g/m2.24h)≤ | 氧气透过量(cc/m2.24h.0.1Mpa)≤ |
| 空气 | 0.35 | 0.62 |
| 氧气+氩气 | 0.38 | 0.54 |
| 氩气 | 0.45 | 0.74 |
上表表明，单一类型的等离子体对基材表面处理的结果效果没有A2处理效果好。
表五为与表二中A2其它条件相同而选用O2和Ar按照不同体积比混合后生产出的高阻隔真空镀铝薄膜的阻隔性。
| O2∶Ar(体积比) | 水蒸气透过量(g/m2.24h)≤ | 氧气透过量(cc/m2.24h.0.1Mpa)≤ |
| 1∶7 | 0.23 | 0.38 |
| 1∶8 | 0.18 | 0.34 |
| 1∶10 | 0.21 | 0.44 |
| 1∶11 | 0.23 | 0.46 |
| 1∶12 | 0.35 | 0.56 |
上表表明，O2和Ar按照1∶8-11的不同体积比混合后生产出的高阻隔真空镀铝薄膜的阻隔性较好。
Claims (2)
1、高阻隔真空镀铝薄膜的生产工艺，为在真空环境中先用等离子体溅射到极性薄膜基材的表面后，再对薄膜进行真空蒸镀，其特征在于：在表面处理过程中，使用O2和Ar混合气体作为等离子体气体，O2和Ar的体积比为1∶8-11；在镀铝过程中，将薄膜置于等离子体表面处理设备的高能等离子体区域，即在薄膜被处理表面的一侧，安装一组在中频交流电压作用下的阴极管，以及靠近薄膜另一面设置的磁控管，等离子体的电场强度在7-9V/m之间，薄膜运行速度为200-500m/min，等离子体的气体流量在250-300ml/min之间；真空度在2.0×10-4-4.0×10-4Torr之间。
2、根据权利要求1所述的高阻隔真空镀铝薄膜的生产工艺，其特征在于：所述的高阻隔镀铝薄膜的基材为聚酯材料。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| C06 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| C10 | Entry into substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| C14 | Grant of patent or utility model | ||
| GR01 | Patent grant | ||
| EE01 | Entry into force of recordation of patent licensing contract |
Assignee: GUANGZHOU NOVEL PACKAGING CO.,LTD. Assignor: Huangshan Novel Co.,Ltd. Contract record no.: 2010440000937 Denomination of invention: Producing process for high-separation vacuum aluminium-plating thin film Granted publication date: 20060920 License type: Exclusive License Open date: 20041208 Record date: 20100708 |
|
| CX01 | Expiry of patent term | ||
| CX01 | Expiry of patent term |
Granted publication date: 20060920 |