新型高阻隔性包装材料GT薄膜下转速表

新型高阻隔性包装材料—GT薄膜(下)

3 影响SiOx镀膜材料阻隔性能的因素

阻隔性能是食品、药品等包装材料最重要的技术指标之一，它直接影响商品的品质、质量与货架寿命。因此，在生产中必须采取各种措施来提高SiOx镀膜材料的阻隔性能。影响SiOx镀膜材料阻隔性能的因素主要有镀膜基材及其表面性能、基材与膜层之间的连接方式和工艺条件等。

3.1塑料基材及其表面性能

①基材。不同的塑料自身阻隔性能差距很大，如果镀膜过程中基材未受到破坏的话，它仍能影响到产品的最终质量。目前所采用的材料大多数为PET、PA、BOPP、LDPE等。

②表面性能。塑料表面性能决定着SiOx镀膜材料的粘接强度、阻隔性能。塑料薄膜表面能是很小的，表面张力只有31~46mN/cm，要想达到较强的粘接强度，这种表面能是不够的。而表面极性对粘接强度的影响也很大，一般而言，不同极性材料与SiOx薄层之间的剥离强度有下列规律：BOPP/SiOx＜PET/SiOx与PVC/SiOx，通常极性较强的PET、PVC与SiOx薄层的粘接强度超过了塑料薄层本身的强度。

SiOx镀膜材料的阻隔性能除了受膜层厚度的影响外，更大程度上取决于膜层的均一性。据国外研究报道，SiOx镀膜材料的阻隔性下降主要是由于薄层中的缺陷所造成的。这些缺陷包括裂痕、针孔等结构性缺陷，气体主要是通过这些缺陷渗透而造成阻隔性能的下降。这种结构的缺陷除了是由薄层在形成条件的不均一和薄层本身化学成分、结构造成以外，基材表面的平滑度也是一个主要原因，基材表面粗糙度越大，薄层越不均匀，越容易造成缺陷。

③表面活性原子的含量。基材与SiOx膜层之间的化学作用，通常是在膜层与基材的界面处形成—Si—O—C—与—Si—N—C—，从而形成稳定的化学结合。故塑料基材表面的活性原子氧、氮的含量决定了这种化学键形成的密度，影响到基材与SiOx膜层材料之间的粘接强度，改变了材料的阻隔性能。

④塑料薄膜基材表面的预处理。SiOx镀膜材料阻隔性能的提高有赖于基材表面性能的改善，所以薄膜在蒸镀生产前必须进行预处理，即对高分子材料表面改性。在生产中一般采用电晕放电、火花放电、低压直流辉光放电、微波等离子气体等。电晕放电中的电子能量可达到10eV,在不到0.1s的时间内，在薄膜表面会形成一层极薄的氧化层，即经交联、臭氧化、羟基化、羧基化、硝基化等多种复杂的反应，将氧、氮原子及其官能团引入薄膜表面。表面的化学成分和结构的改变会使膜层与基材之间的结合力大大增强。

预处理时需掌握恰当的时间，处理时间过长或过短都达不到预期的效果。过短表面的改性不够充分，过长则引起了较深层次的界面弱化，导致基材本身产生弱界面层，从而引起材料整体的结合力下降，降低阻隔性能。

3.2基材与膜层之间的连接方式

基材与SiOx膜层之间一般以两种方式粘接，即吸附作用和化学结合作用。

吸附作用源于物体表面能，两种物体的表面相互粘接，其趋势是减小二者的总表面能，从而产生吸附作用。吸附作用有两种，即物理吸附和化学吸附。物理吸附是不可逆的，在一定条件下会脱附，即解吸附作用；化学吸附是不可逆的，其吸附强度较大。化学结合作用是通过分子、原子之间发生化学反应而产生强大的结合强度。

SiOx镀膜材料与塑料薄膜基材之间的粘接包含有上述两种结合作用，但随着工艺条件、基材表面性能的不同，其主要粘接方式也随之发生变化。对于同一种材料来说，在物理蒸镀法中一般物理吸附作用占主导地位，随着材料的表面性能的差异，化学结合作用也有不同程度的变化。对于等离子气体强化化学蒸镀法，配之以适当的表面处理，可以使化学结合作用占主导地位，从而大大提高其粘接强度和阻隔性能。

3.3工艺条件

在生产中选定了生产工艺、基材、预处理方法以后，生产过程中的具体控制条件参数对产品性能也有着直接的影响。

在物理蒸镀工艺中真空度的高低、基材的温度、电子枪的功率、原材料（SiO）的形状、真空室中氧气通入速率、蒸镀时间与功率所控制的膜层度都会影响最终产品的性能。电子枪工作需要尽可能的真空度，真空度越高越利于电子枪工作；基材的温度控制越高，越利于蒸发沉积成致密的膜，提高粘接强度；电子枪轰击时宜采用块状SiO材料，粉末状的材料可应用于电阻丝蒸镀工艺，因为电子枪的轰击将会使粉末材料溅射；氧气的通入速率可控制 SiOx膜层中的氧元素的含量，通常SiOx中x的值控制在1.5~1.8，阻隔性能随着x值的增大而减小，同时膜层的颜色随着x的增大而变得更加无色透明，当x值达到2时阻隔性能最差，但膜层完全无色。蒸镀膜层的厚度低于50nm时，随着厚度的增加，镀膜材料的阻隔性能显著增加，超过50nm后薄膜的阻隔性能基本保持不变。

在化学蒸镀中，高频电磁波或微波频率的选择是根据等离子气体中粒子能量与蒸镀材料离子化所需要的能量匹配原理，高频电磁波一般为13.56MHz，微波的频率为2.45GHz，真空度在2Pa左右，即可获得优良效果。

4 产品复合过程中需注意的问题

由于经过SiOx处理的膜，表面具有极好的润湿性，因此在制取GT薄膜过程中要仔细处理表面层，不使镀层受到损伤是非常重要的。一般而言，同普通PET膜40~45dym/cm相比较，它可达70~72dyn/cm。因此，在油墨或胶黏剂的选择上也比较广，几乎同任何油墨或胶黏剂都能亲和。其中胶黏剂以聚氨酯类胶黏剂最可取，而油墨可按用途任意选择。

然而，镀SiOx膜不像镀铝膜那样容易同聚乙烯挤出复合，因为以PET膜作为基材的这种膜，当其SiOx表面直接用聚乙烯高温涂布或复合时，易趋向于伸长，从而破坏SiOx表面层，导致阻隔性能下降。同时，在目前的条件下，由于技术工艺上的问题，PET膜在镀SiOx过程中有时会发生蜷曲，从而影响该膜的质量。但是PECVD技术制造SiOx涂覆包装材料技术的先进性是显而易见的。如涂覆厚度为40nm的SiOx/PET复合膜的阻氧性能比未涂SiOx的PET膜高100倍，阻湿性能高40~50倍，而且可以根据客户要求任意选择材料的阻隔性能；由于可以连续涂覆，其线速度可以在90~300m/min的范围内变化；低温、低真空操作等因素使涂覆成本大大下降，因而有很强的市场竞争力；同时，镀层非常薄，且与PET材料结合得非常牢固，有利于进一步加工复合；使用的原料及副产物均无毒无害，包装废气物易于挥发，因而符合节能、环保的可持续发展的目标，值得大力推广应用。

作者：刘国信

信息来源:中外食品和包装机械

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