本發(fā)明屬于柔性包裝薄膜材料技術(shù)領(lǐng)域，涉及一種制備高附著力鍍鋁膜的方法，尤其涉及一種以磁控濺射技術(shù)沉積金屬緩沖層制備高附著力鍍鋁膜的方法。
背景技術(shù)：
在柔性包裝領(lǐng)域，特別是在食品包裝領(lǐng)域，聚合物薄膜由于具有價廉、質(zhì)輕、透光性好的等優(yōu)點，越來越多的被人們用于替代玻璃或金屬包裝制品。但是，聚合物薄膜對氧氣、水蒸氣等小分子物質(zhì)的阻隔性較差，嚴重地影響其在包裝領(lǐng)域的廣泛應用。在聚合物薄膜表面蒸鍍鋁膜可以提高其阻隔性能，鍍鋁膜表面致密的“鋁光澤”有較好的阻隔效果，從而既起到美化產(chǎn)品包裝，提高產(chǎn)品檔次，又可減少包裝成本。正因為鍍鋁膜產(chǎn)品具有美觀、價廉及較好的阻隔性能，所以許多廠家都采用鍍鋁膜復合包裝。目前，鍍鋁膜在國內(nèi)外復合膜市場中已經(jīng)被使用廣泛，但鍍鋁膜附著力差的問題嚴重制約著其大規(guī)模推廣和應用。當前國內(nèi)普通鍍鋁膜的市場價約為7000元/噸，而高附著力鍍鋁膜的市場價在20000元/噸以上，為普通鍍鋁膜的3倍左右，并且可以出口。如何有效增強鍍鋁膜的附著性能，成為整個印刷、包裝行業(yè)亟待解決的問題。
塑料薄膜的鍍鋁工藝一般采用直鍍法，即將鋁層直接鍍在基材薄膜表面。BOPET(雙向拉伸聚酯)、BOPA(雙向拉伸尼龍)薄膜基材鍍鋁前不需進行表面處理，可直接進行蒸鍍。而BOPP(雙向拉伸聚丙烯薄膜)、CPP(流延聚丙烯薄膜)、PE(聚乙烯)等非極性塑料薄膜，在蒸鍍前需對薄膜表面進行涂布粘合層、電暈處理或者低溫等離子體表面改性的方法，使其表面張力達到38-42達因/厘米或具有良好的粘合性，否則在其表面的蒸鍍鋁膜的附著力較差，受外力容易脫落。為此，國內(nèi)外許多研究組開展了等離子體改性聚合物薄膜表面改性的研究工作。如大連理工大學任春生等采用空氣介質(zhì)阻擋放電(DBD)等離子體改性處理聚乙烯薄膜并在改性聚乙烯薄膜表面沉積Cu薄膜。研究發(fā)現(xiàn)，等離子體處理50s可以使得聚乙烯薄膜的水接觸角從原始的93.28°降低到53.38°，表面能從27.3J/m增加到51.89J/m。聚乙烯薄膜表面沉積Cu薄膜的剝離強度從改性前僅為0.8MPa增加到1.5MPa。DBD等離子體表面改性可以顯著的提高沉積Cu膜在聚乙烯薄膜表面的附著力。中國科學院電工研究所邵濤等采用兩種不同放電模式的DBD等離子體處理聚酰亞胺薄膜，研究發(fā)現(xiàn)，經(jīng)兩種放電模式的DBD等離子體處理后，聚酰亞胺薄膜的表面形貌和化學成分都發(fā)生了變化，具體表現(xiàn)為聚酰亞胺表面親水性增強、表面O含量以及粗糙度增加。北京印刷學院張海寶等采用大氣壓roll-to-roll介質(zhì)阻擋放電等離子體前處理聚乙烯薄膜，經(jīng)過不同活性單體等離子體氣氛改性，聚乙烯薄膜表面能明顯提高，并且聚乙烯薄膜表面能可以維持3個月穩(wěn)定狀態(tài)，有利于鍍鋁膜附著力的提高和阻隔性能的穩(wěn)定。雖然上述薄膜改性方面在改善薄膜表面性能方面取得了一定的效果，但是在實際的實施過程中仍然存在一定的局限性，阻礙了長期的應用和發(fā)展。比如涂布粘合過程復雜、工藝影響因素較多，而電暈處理以及低溫等離子體表面改性的方法由于作用粒子能量較低，薄膜表面改性往往只是集中在納米級表層，能夠承受的磨損時間很短，隨著放置時間的延長，由于薄膜內(nèi)部非極性基團的遷移，薄膜表面張力下降很快，嚴重影響鍍鋁膜質(zhì)量的穩(wěn)定性。
非極性聚合物薄膜，如聚乙烯薄膜等質(zhì)軟且韌，而阻隔層材料如Al、Al2O3、SiO2等材料屬于金屬或者陶瓷，質(zhì)地較硬，所以二者在物理性能特別是力學性能上存在很大的差異，正是由于這種差異的存在，導致膜基結(jié)合力較差，承載過程中膜層容易脫落。為了解決復合材料由于物理性能之間的差異導致的復合結(jié)合力較差的問題，在硬質(zhì)合金研究領(lǐng)域，常常采用引入一種物理性質(zhì)介于基膜二者之間的過渡層，以緩減由于基膜晶格常數(shù)、熱膨脹系數(shù)等物理性質(zhì)的突變，緩減應力集中的問題，從而提高膜層附著力。南京航空航天大學的徐峰等采用物理氣相沉積(PVD)方法，在YG10硬質(zhì)合金基體上制備了Cr、Nb、Ta等純金屬過渡層，并采用壓痕試驗來檢測金剛石涂層的附著力。試驗表明Nb過渡層改善金剛石涂層附著力的效果最好，而Ta過渡層由于與硬質(zhì)合金基體附著力不足，導致其改善效果不明顯。此外，一些研究人員還制備了Cu、Pt、Ni、Mo等純金屬過渡層，并且研究了這些過渡層與金剛石薄膜間的結(jié)合力，為擴大純金屬過渡層在金剛石刀具上的應用做出了啟示性的工作。盡管如此，將金屬過渡層用于增強高分子薄膜基材與無機涂層之間的附著力的研究較少。為增強超高分子量聚乙烯(UHWMPE)薄膜基體與表面無定型碳(DLC)薄膜之間的膜基結(jié)合力，裴亞楠等在UHWMPE薄膜表面引入金屬Ti過渡層，因為Ti具有良好的生物相容性，Ti金屬膜不僅可以使表面導電，解決膜沉積時的電荷累積問題，而且Ti的彈性模量介于UHWMPE與DLC之間，可以降低與膜的力學不匹配度，有利于提高DLC膜與UHWMPE基體間的膜基結(jié)合力。
磁控濺射鍍膜是在近十幾年來發(fā)展迅速的一種表面薄膜技術(shù)，它是利用磁場控制輝光放電產(chǎn)生的等離子體來轟擊出靶材表面的粒子并使其沉積到基體表面的一種技術(shù)。磁控濺射具有諸多優(yōu)點：(1)濺射出來的粒子能量為幾十電子伏特，粒子能量較大，因而薄膜/基體結(jié)合力較好，薄膜致密度較高；(2)濺射沉積速率高，基體溫升小；(3)可以沉積高熔點金屬、合金及化合物材料，濺射范圍廣；(4)能夠?qū)崿F(xiàn)大面積靶材的濺射沉積，且沉積面積大、均勻性好；(5)操作簡單，工藝重復性好，易于實現(xiàn)工藝控制自動化。目前磁控濺射已經(jīng)較大范圍的應用于大規(guī)模集成電路、磁盤、光盤等高新技術(shù)產(chǎn)品的連續(xù)生產(chǎn)，以及大面積高質(zhì)量鍍膜玻璃等產(chǎn)品的連續(xù)生產(chǎn)中，其發(fā)展前景非?？捎^。從濺射粒子的能量角度考慮，真空蒸鍍中到達基片的粒子能量只有約0.2eV，而磁控濺射粒子的平均能量分布在10eV左右，相比之下，即使考慮到在低壓氣體中濺射粒子的碰撞能量損失，磁控濺射粒子也還是比真空蒸發(fā)粒子的能量大得多，這也為采用磁控濺射的方式增強濺射鍍膜在基片上的優(yōu)良附著性能提供了有力的理論依據(jù)。盡管如此，目前還未見有采用磁控濺射金屬緩沖層增強鍍鋁膜附著性能的相關(guān)研究和報道。
技術(shù)實現(xiàn)要素：
本發(fā)明的目的在于提供一種采用磁控濺射法制備高附著力鍍鋁膜的方法，以克服傳統(tǒng)鍍鋁膜附著性能差、易脫落的問題。
為實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明的技術(shù)方案如下：
一種采用磁控濺射法制備高附著力鍍鋁膜的方法，其特征在于該方法包括以下步驟：
1)將鍍膜基材放入磁控濺射裝置，然后抽真空至本底氣壓6×10-3Pa以下；
2)采用磁控濺射工藝濺射金屬緩沖層，濺射氣體為惰性氣體，濺射靶材為金屬；
3)將沉積有緩沖層的鍍膜基材送入鍍膜室鍍鋁。
在一些具體實施方案中，所述步驟1)中的鍍膜基材包括常規(guī)鍍鋁基材的聚酯(PET)、聚乙烯(PE)、聚丙烯(PP)、雙向拉伸聚丙烯(BOPP)；磁控濺射裝置電源采用直流、中頻或高功率脈沖；步驟2)中的濺射氣體惰性氣體采用氬氣或氦氣；濺射金屬靶材包括：鋁(Al)、銅(Cu)、鉻(Cr)、鈦(Ti)、鐵(Fe)或這些金屬的合金；步驟3)中的鍍膜室鍍鋁采用的鍍膜方法包括電阻法蒸發(fā)、電子束法蒸發(fā)、高頻感應蒸發(fā)或磁控濺射鍍膜。
在一些具體實施方案中，所述步驟2)中金屬緩沖層的厚度為5-50nm；所述步驟3)中鍍鋁層的厚度為10-200nm。
在一些具體實施方案中，所述步驟3)中的鍍膜室鍍鋁采用磁控濺射鍍膜，可以與步驟2)在同一套裝置中完成。
本發(fā)明通過磁控濺射的工藝可以極大地增強鍍鋁膜的附著性能，可獲得附著力在10N/15mm以上的高附著性能鍍鋁膜，濺射過程清潔環(huán)保，產(chǎn)品附加值高，工藝簡單，容易產(chǎn)業(yè)化。
附圖說明
圖1為本發(fā)明所制備的高附著力鍍鋁膜剖視結(jié)構(gòu)示意圖。
附圖標記：1表示鍍鋁層，2表示緩沖層，3表示柔性基材。
具體實施方式
本發(fā)明提供的一種采用磁控濺射法制備高附著力鍍鋁膜的方法，是以磁控濺射法在聚合物薄膜表面沉積金屬緩沖層，然后經(jīng)鍍膜工藝沉積鋁膜，獲得高附著力鍍鋁膜，以克服傳統(tǒng)鍍鋁膜附著性能差、易脫落的問題。
本發(fā)明的具體工藝步驟如下：
1)首先將鍍膜基材放入磁控濺射裝置，然后抽真空至本底氣壓6×10-3Pa以下；所述的鍍膜基材包括常規(guī)鍍鋁基材的聚酯(PET)、聚乙烯(PE)、聚丙烯(PP)、雙向拉伸聚丙烯(BOPP)；磁控濺射裝置電源采用直流、中頻或高功率脈沖；磁控濺射電源的具體功率根據(jù)實際濺射過程來確定。
2)采用磁控濺射工藝濺射金屬緩沖層，濺射氣體為惰性氣體，濺射靶材為金屬；所述的濺射氣體采用氬氣或氦氣；濺射金屬靶材包括鋁(Al)、銅(Cu)、鉻(Cr)、鈦(Ti)、鐵(Fe)或金屬合金；所濺射的金屬緩沖層的厚度為5-50nm。
3)將沉積有緩沖層的聚合物基材送入鍍膜室鍍鋁，所述的鍍膜室鍍膜采用的鍍膜方法包括電阻法蒸發(fā)、電子束法蒸發(fā)、高頻感應蒸發(fā)或磁控濺射鍍膜，采用磁控濺射鍍膜時可以和步驟2)在同一套裝置中完成。
下面舉出幾個具體實施例以進一步理解本發(fā)明：
實施例1
以PET為鍍膜基材，放入直流磁控濺射裝置樣品臺固定，然后抽真空至本底氣壓5×10-3Pa；通入濺射氣體氬氣，氣壓為0.8Pa，以Al靶為濺射靶材，濺射電壓380V，濺射電流6.0A時，維持穩(wěn)定的濺射狀態(tài)3s，形成金屬Al緩沖層。將鍍有Al緩沖層的PET薄膜送入鎢絲蒸發(fā)鍍膜室蒸鍍鋁膜，鋁膜厚度95nm，獲得附著力為12.15N/15mm的鍍鋁膜。
實施例2
以PE為鍍膜基材，放入直流磁控濺射裝置樣品臺固定，然后抽真空至本底氣壓6×10-3Pa；通入濺射氣體氬氣，氣壓為0.6Pa，以Cr靶為濺射靶材，濺射電壓385V，濺射電流6.2A時，維持穩(wěn)定的濺射狀態(tài)5s，形成金屬Cr緩沖層。將鍍有Cr緩沖層的PE薄膜送入電子束蒸發(fā)鍍膜室蒸鍍鋁膜，鋁膜厚度120nm，獲得附著力為15.37N/15mm的鍍鋁膜。
實施例3
以PET為鍍膜基材，放入高功率脈沖磁控濺射裝置樣品臺固定，然后抽真空至本底氣壓5×10-3Pa；通入濺射氣體氬氣，氣壓為0.5Pa，以Cr靶為濺射靶材，高功率脈沖電壓1000V，頻率200Hz，脈寬：50us，維持穩(wěn)定的濺射狀態(tài)30s，形成金屬Cr緩沖層。將鍍有Cr緩沖層的PET薄膜送入鎢絲蒸發(fā)鍍膜室蒸鍍鋁膜，鋁膜厚度100nm，獲得附著力為16.58N/15mm的鍍鋁膜。
實施例4
以BOPP為鍍膜基材，放入高功率脈沖磁控濺射裝置樣品臺固定，然后抽真空至本底氣壓5×10-3Pa；通入濺射氣體氬氣，氣壓為0.5Pa，以Ti靶為濺射靶材，高功率脈沖電壓900V，頻率200Hz，脈寬：100us，維持穩(wěn)定的濺射狀態(tài)60s，形成金屬Ti緩沖層。將鍍有Ti緩沖層的BOPP薄膜送入鎢絲蒸發(fā)鍍膜室蒸鍍鋁膜，鋁膜厚度90nm，獲得附著力為11.62N/15mm的鍍鋁膜。
實施例5
以PET為鍍膜基材，放入中頻磁控濺射裝置中，然后抽真空至本底氣壓6×10-3Pa；通入濺射氣體氬氣，氣壓為0.8Pa，以Al靶為濺射靶材，中頻濺射功率11kW，維持穩(wěn)定的濺射狀態(tài)10s，形成金屬Al緩沖層。將鍍有Al緩沖層的PET薄膜送入高頻感應蒸發(fā)鍍膜室蒸鍍鋁膜，鋁膜厚度150nm，獲得附著力為10.25N/15mm的鍍鋁膜。