本發(fā)明屬于柔性包裝基材薄膜技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種連續(xù)生產(chǎn)高附著力鍍鋁膜的裝置及方法。
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(yīng)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(fù)合包裝。目前，鍍鋁膜在國內(nèi)外復(fù)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(yīng)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(Applied Surface Science,2008,255(5):3421-3425)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(Applied Surface Science,2010,256(12):3888-3894)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(Applied Surface Science,2016,388,539-545)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(yīng)用和發(fā)展。比如涂布粘合過程復(fù)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(dǎo)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(fù)合材料由于物理性能之間的差異導(dǎo)致的復(fù)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(yīng)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(Diamond and Related Materials,2013,34:70-75.)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(dǎo)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(yīng)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(超高分子量聚乙烯表面沉積類金剛石薄膜改善耐磨性研究[D].2009年，西南交通大學)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(dǎo)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(fù)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(yīng)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^。盡管如此，目前還未見有采用磁控濺射金屬緩沖層增強柔性基材鍍鋁膜附著性能的相關(guān)報道。
技術(shù)實現(xiàn)要素：
本發(fā)明的目的在于提供一種連續(xù)生產(chǎn)高附著力鍍鋁膜的裝置及方法，解決目前鍍鋁膜附著性能差、易脫落的問題，并且將柔性基材表面濺射緩沖層過程和鍍鋁過程耦合在同一系統(tǒng)中，實現(xiàn)連續(xù)操作，極大地提高生產(chǎn)效率。本發(fā)明的目的通過以下技術(shù)方案實現(xiàn)。
一種連續(xù)生產(chǎn)高附著力鍍鋁膜的裝置，其特征在于，該裝置由放卷輥1、張力輥2、濺射室3、鍍膜室4、收卷輥5以及輔助水路、電路、氣路系統(tǒng)和真空系統(tǒng)構(gòu)成；張力輥2a位于在放卷輥1和濺射室3之間，張力輥2b位于在鍍膜室4和收卷輥5之間；濺射室3內(nèi)包含磁控濺射靶材和用于支撐柔性基材的輥筒；鍍膜室4內(nèi)包含供鋁系統(tǒng)和鍍膜卷繞冷鼓，鍍膜方式采用懸浮或鼓式鍍膜；濺射室3和鍍膜室4采用圓形或方形真空室。
進一步地，放卷輥1、收卷輥5裝置與濺射室3和鍍膜室4位于同一個相通的系統(tǒng)中，能夠勻速、連續(xù)、穩(wěn)定的輸送鍍膜基材通過濺射室3和鍍膜室4，保證后續(xù)薄膜沉積的均勻性和穩(wěn)定性。
進一步地，濺射室3位于鍍膜室4前面，柔性基材表面沉積金屬緩沖層后可直接送入鍍膜室4實現(xiàn)鍍膜，在操作過程中柔性基材無需取出。
一種連續(xù)生產(chǎn)高附著力鍍鋁膜的方法，其特征在于，包括以下步驟：
1)將柔性基材安放在放卷輥1并依次穿過張力輥2a、濺射室3、鍍膜室4、張力輥2b，最后固定于收卷輥5，抽系統(tǒng)真空至本底氣壓6×10-3Pa以下；
2)啟動放卷輥1和收卷輥5電源，在放卷輥1和收卷輥5的傳動作用下，柔性基材勻速卷繞通過濺射室3和鍍膜室4；卷繞速度為300-10000mm/min；
3)在濺射室3中通入濺射氣體，啟動濺射室3中濺射電源開始濺射金屬緩沖層，濺射氣體為惰性氣體，濺射靶材為金屬；
4)沉積有金屬緩沖層的柔性基材送入鍍膜室4中，在表面沉積鋁層形成鍍鋁膜。
上述技術(shù)方案中，步驟1)中所述的鍍膜基材包括常規(guī)鍍鋁基材的聚酯(PET)、聚乙烯(PE)、流延聚丙烯(CPP)、雙向拉伸聚丙烯(BOPP)；步驟3)中磁控濺射電源采用直流、中頻或高功率脈沖；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)或這些金屬的合金；步驟4)中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(yīng)蒸發(fā)或磁控濺射鍍膜。
進一步地，步驟2)中卷繞速度為300-10000mm/min。
進一步地，步驟4)鍍鋁層的厚度為10-200nm。
本發(fā)明與現(xiàn)有生產(chǎn)高附著力鍍鋁膜的方法相比具有以下優(yōu)點：
①由于采用磁控濺射沉積緩沖層屬于物理氣相沉積工藝，與常規(guī)液相法黏膠涂布工藝相比，工藝過程簡單、清潔，不涉及多步操作，具有高效、快速、清潔的特點。
②采用磁控濺射沉積緩沖層與電暈或低溫等離子體表面改性工藝相比，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，表面性能衰減嚴重，而磁控濺射工藝獲得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，有助于獲得高附著性能的鍍鋁膜。
③本發(fā)明與傳統(tǒng)的實驗室涂布或放電處理過程相比，傳統(tǒng)工藝均是分步進行，先采用涂布或放電工藝進行柔性基材的表面改性，然后將改性后的基材放入鍍膜室進行鍍膜，二者分別進行，而在本發(fā)明中，柔性基材表面改性和真空鍍膜過程是耦合在同一系統(tǒng)中，在柔性基材表面沉積金屬緩沖層后直接送入鍍膜室實現(xiàn)鍍膜，在操作過程中柔性基材無需取出，極大地提高了生產(chǎn)效率。
④本發(fā)明與傳統(tǒng)的工業(yè)卷繞鍍膜設(shè)備及方法相比，傳統(tǒng)卷繞鍍膜設(shè)備只是用來生產(chǎn)常規(guī)的普通鍍鋁膜，卷繞鍍膜機中沒有預(yù)處理系統(tǒng)。如要制備高附著力鍍鋁膜，往往是在鍍膜前采用單獨的電暈機對薄膜進行電暈處理，或者在鍍膜前增加預(yù)涂覆系統(tǒng)對薄膜表面進行預(yù)涂膠處理，處理后再放入鍍膜機進行鍍膜，兩個過程往往不能連續(xù)、同步。本發(fā)明公開的裝置和方法能夠連續(xù)操作，濺射緩沖層和鍍鋁過程在同一個系統(tǒng)中完成，在操作過程中柔性基材無需取出，有利于工業(yè)化連續(xù)生產(chǎn)，大幅提高生產(chǎn)效率。
附圖說明
圖1為本發(fā)明生產(chǎn)高附著力鍍鋁膜的裝置示意圖；
附圖標記：1-放卷輥、2a-張力輥、2b-張力輥、3-濺射室、4-鍍膜室、5-收卷輥。
具體實施方式
本發(fā)明提供一種連續(xù)生產(chǎn)高附著力鍍鋁膜的裝置及方法，本發(fā)明的裝置包括卷繞系統(tǒng)磁控濺射系統(tǒng)以及鍍膜系統(tǒng)，本發(fā)明的方法包括柔性基材經(jīng)放卷輥1和收卷輥5裝置驅(qū)動勻速走膜、柔性基材在經(jīng)過濺射室3時濺射沉積緩沖層和沉積有緩沖層的柔性基材經(jīng)過鍍膜室4時沉積鋁膜三個主要步驟。放卷輥1和收卷輥5裝置不僅能夠?qū)崿F(xiàn)放卷、收卷操作，而且能夠勻速、連續(xù)、穩(wěn)定的輸送鍍膜基材通過濺射室3和鍍膜室4，保證后續(xù)薄膜沉積的均勻性和穩(wěn)定性；濺射室3位于鍍膜室4前面，可實現(xiàn)在柔性基材表面鍍膜前沉積金屬緩沖層；沉積有金屬緩沖層的柔性基材送入鍍膜室4實現(xiàn)鍍膜。本發(fā)明公開的裝置和方法能夠連續(xù)操作，濺射緩沖層和鍍鋁過程在同一個系統(tǒng)中完成，在操作過程中柔性基材無需取出，有利于工業(yè)化連續(xù)生產(chǎn)，大幅提高生產(chǎn)效率。
本發(fā)明的具體工藝步驟如下：
1)將柔性基材安放在放卷輥1并依次穿過張力輥2a、濺射室3、鍍膜室4、張力輥2b，最后固定于收卷輥5，抽系統(tǒng)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)。
2)啟動放卷輥1和收卷輥5電源，在放卷輥1和收卷輥5的傳動作用下，柔性基材勻速卷繞通過濺射室3和鍍膜室4。
3)在濺射室3中通入濺射氣體，啟動濺射室3中濺射電源開始濺射金屬緩沖層，濺射氣體為惰性氣體，濺射靶材為金屬；磁控濺射電源采用直流、中頻或高功率脈沖；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)或這些金屬的合金；卷繞速度為300-10000mm/min。
4)沉積有金屬緩沖層的柔性基材送入鍍膜室4中，在表面沉積鋁層形成鍍鋁膜；所述的鍍膜室4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(yīng)蒸發(fā)或磁控濺射鍍膜；鍍鋁層的厚度為10-200nm。
下面結(jié)合附圖和具體實施例對本發(fā)明做進一步說明：
以下實施例采用如圖1所示連續(xù)生產(chǎn)高附著力鍍鋁膜的裝置，該裝置由放卷輥1、張力輥2a、濺射室3、鍍膜室4、張力輥2b、收卷輥5以及其他輔助的水路、電路、氣路系統(tǒng)和真空系統(tǒng)構(gòu)成；張力輥2a設(shè)置在放卷輥1和濺射室3之間，張力輥2b設(shè)置在鍍膜室4和收卷輥5之間；濺射室內(nèi)設(shè)置磁控濺射靶材和冷鼓；鍍膜室內(nèi)設(shè)置供鋁系統(tǒng)和鍍膜卷繞輥，鍍膜方式采用懸浮或鼓式鍍膜；濺射室和鍍膜室采用圓形或方形真空室。
實施例1
以PET為鍍膜基材，固定在基材放卷輥1，然后抽真空至本底氣壓5×10-3Pa；啟動放卷輥1和收卷輥5電源，設(shè)置卷繞速度為1000mm/min，在濺射室3中通入濺射氣體氬氣，氣壓為8.4×10-1Pa，以Al靶為濺射靶材，濺射電壓380V，濺射電流6.2A，形成金屬Al緩沖層；通過鍍膜室4中鋁絲熱蒸發(fā)系統(tǒng)蒸鍍鋁膜，鋁膜厚度115nm，獲得附著力為6.45N/15mm的鍍鋁膜。
實施例2
以PE為鍍膜基材，固定在基材放卷輥1，然后抽真空至本底氣壓6×10-3Pa；啟動放卷輥1和收卷輥5電源，設(shè)置卷繞速度為2000mm/min，在濺射室3中通入濺射氣體氬氣，氣壓為7.8×10-1Pa，以Cr靶為濺射靶材，濺射電壓385V，濺射電流6.2A，形成金屬Cr緩沖層；通過鍍膜室4中鋁絲熱蒸發(fā)系統(tǒng)蒸鍍鋁膜，鋁膜厚度86nm，獲得附著力為5.33N/15mm的鍍鋁膜。
實施例3
以PET為鍍膜基材，固定在基材放卷輥1，然后抽真空至本底氣壓6×10-3Pa；啟動放卷輥1和收卷輥5電源，設(shè)置卷繞速度為300mm/min，在濺射室3中通入濺射氣體氬氣和氦氣，氣壓為8.2×10-1Pa，以Fe靶為濺射靶材，濺射電壓380V，濺射電流7.1A，形成金屬Fe緩沖層；通過鍍膜室4中鋁靶濺射系統(tǒng)沉積鋁膜，鋁膜厚度40nm，獲得附著力為6.87N/15mm的鍍鋁膜。
實施例4
以CPP為鍍膜基材，固定在基材放卷輥1，然后抽真空至本底氣壓5×10-3Pa；啟動放卷輥1和收卷輥5電源，設(shè)置卷繞速度為5000mm/min，在濺射室3中通入濺射氣體氬氣，氣壓為5.0×10-1Pa，以Ti靶為濺射靶材，高功率脈沖電壓900V，頻率200Hz，脈寬100us，形成金屬Ti緩沖層；通過鍍膜室4中鋁絲熱蒸發(fā)系統(tǒng)蒸鍍鋁膜，鋁膜厚度95nm，獲得附著力為2.94N/15mm的鍍鋁膜。
實施例5
以PET為鍍膜基材，固定在基材放卷輥1，然后抽真空至本底氣壓6×10-3Pa；啟動放卷輥1和收卷輥5電源，設(shè)置卷繞速度為10000mm/min，在濺射室3中通入濺射氣體氬氣，氣壓為8.2×10-1Pa，以Ti-Cr合金靶為濺射靶材，磁控濺射電源為中頻電源，電源功率11kW，形成金屬Ti緩沖層；通過鍍膜室4中高頻感應(yīng)蒸發(fā)鍍膜室蒸鍍鋁膜，鋁膜厚度150nm，獲得附著力5.33N/15mm的鍍鋁膜。