真空镀铝薄膜介绍

gds · 发表于 2010-4-6 03:55:48

真空镀铝薄膜介绍

一、概述
真空蒸镀金属薄膜是在高真空（10－4mba以上）条件下，以电阻、高频或电子束加热使金属熔融气化，在薄膜基材的表面附着而形成复合薄膜的一种工艺。被镀金属材料可以是金、银、铜、锌、铬、铝等，其中用的最多的是铝。在塑料薄膜或纸张表面镀上一层极薄的金属铝即成为镀铝薄膜或镀铝纸。
用于包装上的真空镀铝薄膜具有以下特点：
（1）和铝箔相比大大减少了铝的用量，节省了能源和材料，降低了成本。复合用铝箔厚度多为7～9um，而镀铝薄膜的铝层厚度约为400Å（0.04um）左右，其耗铝量约为铝箔的1/200，且生产速度可高达700m／min。
（2）具有优良的耐折性和良好的韧性，很少出现针孔和裂口，无揉曲龟裂现象，对气体、水蒸汽、气味、光线等的阻隔性提高。
（3）具有极佳的金属光泽，光反射率可达97％；且可以通过涂料处理形成彩色膜，其装潢效果是铝箔所不及的。
（4）可采用屏蔽或洗脱进行部分镀铝，以获得任意图案或透明窗口，能看到包装的内容物。
（5）镀铝层导电性能好，能消除静电效应，尤其包装粉末状产品时，不会污染封口部分，保证了包装的密封性能。
（6）对印刷、复合等后加工具有良好的适应性。
由于以上特点，使镀铝薄膜成为一种性能优良、经济美观的新型复合薄膜，在许多方面已取代了铝箔复合材料。主要用于风味食品、日用品、农产品、药品、化妆品以及香烟的包装。
黄山永新股份有限公司生产真空镀铝薄膜已有10多年的历史，主要产品有VMPET、VMCPP、VMBOPP、VMBOPA、VMPE、VMPVC以及彩虹膜、激光防伪膜、网布等。2002年公司与英国REXAM公司进行技术合作，将其CAMPLUS技术运用在镀铝工艺中，大幅度提高了真空镀铝薄膜的铝层牢度、阻隔性能，现已大量替代铝箔应用在奶粉、药品等包装领域。
二、真空蒸镀原理
将卷筒状的待镀薄膜基材装在真空蒸镀机的放卷站上，将薄膜穿过冷却辊（蒸镀辊）卷绕在收卷站上，用真空泵抽真空，使蒸镀室中的真空度达到4×10－4mba以上，加热蒸发舟使高纯度的铝丝在1300℃～1400℃的温度下融化并蒸发成气态铝。启动薄膜卷绕系统，当薄膜运行速度达到一定数值后，打开挡板使气态铝微粒在移动的薄膜基材表面沉积、冷却即形成一层连续而光亮的金属铝层。真空镀铝示意图见图1。通过控制金属铝的蒸发速度、基材薄膜的移动速度以及蒸镀室内的真空度等来控制镀铝层的厚度，一般镀铝层厚度在250～500 Å。
图1 真空镀铝示意图
1-真空泵 2-放卷 3-冷却辊筒 4-隔热挡板 5-蒸发源 6-收卷三、镀膜基材
由于真空蒸镀工艺的特殊性，它对被镀薄膜基材有以下几点要求：
1、耐热性好，基材必须能耐受蒸发源的辐射热和蒸发物的冷凝潜热。
2、从薄膜基材上产生的挥发性物质要少；对吸湿性大的基材，在蒸镀前要进行干燥处理。
3、基材应具有一定的强度。
4、对蒸镀层的粘接性良好；对于PP、PE等非极性材料，蒸镀前应进行表面处理、以提高镀层的附着牢度。
常用的镀铝基材有：BOPET、BOPA、BOPP、CPP、PE、PVC等塑料薄膜和纸张类。塑料薄膜基材中BOPET、BOPA、BOPP三种基材生产的镀铝薄膜，具有极好的光泽和附着力，是性能优良的镀铝薄膜，大量用作包装材料和烫金材料。镀铝PE薄膜的光泽度较差，但成本较低，使用也较广。以纸基材形成的镀铝纸，比铝箔/纸的复合材料更薄而价廉；其加工性能好，印刷中不易产生卷曲，不留下折痕等，主要用作香烟、食品等内包装材料以及商标材料等。
各种基材镀铝前后的水蒸汽透过率变化情况
基材
厚度
μm
未镀铝时透过率g/（m2.24h）40℃
镀铝后的透过率
g/（m2.24h）40℃
PET
12
40～45
0.3～0.5
CPP
25
10～15
1.0～1.5
OPP
20
5～7
0.8～1.2
LDPE
25
15～25
0.6
HDPE
25
10～20
0.9
OPA
15
250～290
0.5～0.8
EVAL
17
24～25
2～3
KOP
20
4～5
1～1.5
MST
#300
800～1000
3～4
四、工艺
塑料薄膜的镀铝工艺一般采用直镀法，即将铝层直接镀在基材薄膜表面。BOPET、BOPA薄膜基材镀铝前不需进行表面处理，可直接进行蒸镀。而BOPP、CPP、PE等非极性塑料薄膜，在蒸镀前需对薄膜表面进行电晕处理或涂布粘合层，使其表面张力达到38-42达因/厘米或具有良好的粘合性。蒸镀时，将卷筒薄膜置放于真空室内，关闭真空室抽真空。当真空度达到一定（4×10－4mba以上）时，将蒸发舟升温至1300℃～1400℃，然后再把纯度为99．9％的铝丝连续送至蒸发舟上。调节好放卷速度、收卷速度、送丝速度和蒸发量，开通冷却源，使铝丝在蒸发舟上连续地熔化、蒸发，从而在移动的薄膜表面冷却后形成一层光亮的铝层即为镀铝薄膜。
镀铝薄膜生产工艺流程：
基材放卷→抽真空→加热蒸发舟→送铝丝→蒸镀→冷却→测厚→展平→收卷
五、蒸镀设备：
现在市场上用于塑料薄膜的真空镀铝设备主要有缠绕式和悬浮式两种类型，但无论是缠绕式还是悬浮式，一般都是由真空系统、蒸发系统、薄膜卷绕系统、冷却系统、控制系统等主要部分组成。
真空系统是由机械泵、罗茨泵、扩散泵组成，抽真空过程分为三级，先是由机械泵进行初抽，达到一定真空度后罗茨泵工作，当真空室内的达到一定的真空度（10－2mbar）扩散泵才打开，由扩散泵来进一步提高并维持真空室内的高真空度（10－4mbar）以满足蒸镀生产的需要。
蒸发系统由蒸发舟夹座（电极）、蒸发舟变压器、蒸发舟、铝线盘支架、铝线输送电机等组成。蒸镀时蒸发舟被固定在夹座上进行加热，正常生产时蒸发舟的温度在1300－1400℃，高纯度的铝线由输送电机将其连续送到蒸发舟上并被气化。
薄膜卷绕系统主要由放卷部、收卷部、展平辊等部件组成，它的作用是按照一定的速度和张力将基材薄膜输送到蒸镀区进行蒸镀后，再将镀有铝层的薄膜收卷成筒状卷膜。通过控制薄膜卷绕的速度、张力、以及展平辊的角度等工艺参数，可以避免产生皱纹而得到收卷整齐的膜卷。
冷却系统主要由冷井、冷却液、冷却辊等部件组成，主要作用是提供薄膜蒸镀时（或蒸镀后）所需要的冷却温度（－20—－15℃），以防止薄膜受热变形。冷却系统所使用的冷却液为水/乙二醇混合物或盐水混合物，蒸镀时由冷井将冷却液冷却至所需要的温度，通过管道输送至冷却辊内，再由冷却辊对镀铝后的薄膜进行冷却。
控制系统包括张力控制、速度控制、蒸发量控制、铝层厚度控制等子系统组成，在蒸镀生产过程通过控制系统可以对薄膜的张力、运行速度、蒸发舟的状态和蒸发量、镀铝层的厚度等进行自动调整和控制。
六、检验与检测
镀铝薄膜通常应用于具有阻隔性或遮光性要求的包装上使用，因此，镀铝层的厚度和表面状况以及附着牢度的大小将直接影响其上述性能。镀铝膜的检验主要体现在厚度、镀铝层牢度和镀铝层的表面状况等方面。
1、 镀铝层厚度测量
由于真空镀铝薄膜上的镀铝层非常薄，因此不能用常规的测厚仪器检测其厚度，常用的检测方法有：
电阻法
电阻法是利用欧姆定律来对镀铝层的厚度进行测量，根据欧姆定律
R＝ρ×L/S
单位面积镀铝薄膜的电阻值越小，其镀铝层的厚度越厚，反之则越薄。
电阻法检测镀铝层的厚度用表面电阻来表示，单位是Ω/□，数值越大说明镀铝层厚度越薄，一般真空镀铝薄膜的表面电阻值为1.0－2.5Ω/□，国家标准GB/T 15717-1995《真空金属镀层厚度测试方法电阻法》对这一方法进行了详细的规定。
光密度法
光密度（OD）定义为材料遮光能力的表征。它用透光镜测量。光密度没有量纲单位，是一个对数值，通常仅对镀铝薄膜和珠光膜进行光密度测量。
光密度是入射光与透射光比值的对数或者说是光线透过率倒数的对数。计算公式为
OD=log10（入射光/透射光）或OD=log10（1/透光率）通常镀铝膜的光密度值为1－3（即光线透过率为10％－0.1％），数值越大镀铝层越厚，美国国家标准局的ANSI/NAPM IT2.19对试验条件做了详细规定。
OD值、方阻值和铝层厚度对照表
OPITICAL DENSITY/光密度
OD值
RESISTIVITY/电阻值
Ohm/Square 方阻值
AL THICKNESS/铝层厚度
Å 埃
1.6
3
320
1.8
2.7
360
2.0
2.35
400
2.2
2.05
440
2.4
1.8
480
2.6
1.55
520
2.8
1.3
560
3.0
1.0
600

gds · 发表于 2010-4-6 03:56:54

2、镀铝层附着牢度的检测
镀铝层牢度通常的检测方法是胶带检测法，即将长15－20cm ，宽0.5-1 inch的3M Scotch胶带贴合在镀铝薄膜的镀铝层上并将其压平，然后以均匀的速度将胶带剥离，观察并估计镀铝层被剥离的面积，面积小于10％为一级、小于30％为二级、大于30％为三级。
胶带检测法只是一种定性的检测方法，只适合于一般的定性比较，如果镀铝层的附着牢度超过胶带的粘结力，则分别不出镀铝层附着牢度的差别。现在常用的定量检测方法是在一定的温度、压力和时间下，用EAA薄膜（厚度20－50um，AA含量一般在9％左右）与镀铝膜的镀铝层进行热封，将热封后的样品裁成15mm宽，在拉力试验机上进行剥离试验，观察并记录剥离力的大小以及镀铝层被剥离的面积。
3、 外观检验
镀铝薄膜的外观检验主要包括如下方面的内容：
（1）针孔（溅射点）
镀铝时如蒸发舟的温度控制不良或送丝点的位置不好等情况会造成铝液发生溅射，如溅射的铝液达到薄膜上会在薄膜上形成小的针孔，镀铝薄膜上的针孔过多会造成薄膜阻隔性能的下降。一般情况下允许镀铝薄膜的针孔数量为2－3个/m2。
（2）镀空线（轨道线）用缠绕式真空镀铝机生产镀铝薄膜时，如基材薄膜在蒸镀区有皱折，则折叠在里面的薄膜就不会有铝层附着，从而在镀铝薄膜上形成线状的铝层较浅的区域被称为镀空线。镀空线主要在CPP、PE等性质较软的基材薄膜上产生。
（3）镀铝面刮伤（划痕）这种现象主要是由于镀铝薄膜在运转过程中，镀铝层被导辊上的异物损伤造成。
七、镀铝薄膜使用中的常见问题
真空镀铝薄膜由于既具有塑料薄膜的特性，又具有金属的特性，是一种价廉美观、性能优良、实用性强的包装材料，因此，镀铝膜已经被广泛地应用于食品、医药、化工等产品的包装，比如快餐食品、茶叶、咖啡和化妆品的包装。
镀铝薄膜干式复合应用中的常见问题及解决办法：
1、复合后镀铝膜的镀铝层发生迁移现象
问题原因：
（1）镀铝层与基膜之间的结合牢固度比较差。
（2）所选用的胶粘剂不合适。
（3）复合膜的固化时间过长。
（4）涂胶量过大，胶粘剂干燥不充分，残留的溶剂逐步渗透到镀铝层，造成镀铝层的迁移。
（5）张力控制不当，镀铝膜的基膜在较大张力下发生弹性形变，从而影响到镀铝层的附着力，这也是促使镀铝膜的镀铝层发生迁移的因素之一。
解决办法：
（1）更换质量较好的镀铝膜。
（2）更换合适的胶粘剂，最好是镀铝膜专用胶粘剂。
（3）适当提高固化温度并缩短固化时间，加快胶粘剂的固化反应速度，防止胶粘剂逐渐渗透到镀铝膜的镀铝层，并削弱镀铝膜基膜与镀铝层之间的附着力。
（4）控制涂胶量，或者调整干式复合工艺的干燥温度、通风量及复合线速度等，保证胶粘剂充分干燥，将残留溶剂量控制在最低限度之内，减少其对镀铝层的影响。
（5）调整张力设置，注意张力适当小一些，防止镀铝膜发生较大的弹性形变。
2、复合膜出现斑点
问题原因：
（1）胶粘剂选用不当，普通胶粘剂对镀铝层亲和力较差，涂布性能差，如果涂布不均匀，就会出现斑点现象。
（2）胶液中的残留溶剂较多，印刷膜复合后，墨层被胶液中的残留溶剂所浸润，从而有可能产生斑点现象。
（3）油墨的遮盖力不足，尤其是浅色油墨，光线穿过油墨层而被铝层反射回来，产生斑点。
（4）涂胶量不足或者涂胶不均匀，复合膜中夹杂有气泡。
解决办法：
（1）选择适当的胶粘剂，如镀铝膜专用胶粘剂。
（2）适当提高烘道的干燥温度，或者适当降低复合线速度，保证胶粘剂能够充分干燥。
（3）选择遮盖力强的油墨或加厚油墨墨层。
（4）适当提高胶粘剂的涂胶量，并检查橡胶压辊的状态，以保证涂胶均匀。
3、复合膜层间剥离强度差
问题原因：
（1）镀铝层的牢固度差，容易脱落。
（2）胶粘剂类型、质量不当。
（3）胶粘剂干燥不够充分，残留的乙酸乙酯渗透到油墨层中，使印刷油墨软化、松动，乃至脱层，从而造成复合膜的剥离牢度比较差。
（4）涂胶量不足，影响复合膜的粘结强度。
（5）稀释剂乙酯乙酯的纯度不高，其中水分或醇等活性物质的含量偏高，消耗掉了一部分固化剂，造成胶粘剂中主剂与固化剂的实际比例不适当，从而使复合强度下降。
（6）复合钢辊表面的温度偏低，或者复合压力太小，也会造成复合强度差。
（7）复合膜固化不完全，从而影响复合强度。
解决办法：
（1）更换高质量的镀铝膜。
（2）更换高质量的镀铝膜专用胶粘剂，提高复合强度。
（3）调整复合工艺，提高烘道的干燥温度，或者适当降低复合线速度，保证胶粘剂能够充分干燥。
（4）适当提高涂胶量。
（5）更换质量合格的稀释剂，而且要严格控制对稀释剂的检测工作。
（6）适当提高复合钢辊的表面温度，或者适当加大复合压力。
（7）适当提高固化温度，保证复合膜能够充分固化。
八、真空镀铝薄膜的发展
随着真空蒸镀技术以及后处理工艺的发展，真空镀铝薄膜的品种及用途不断扩大，广泛应用于包装、装饰等领域，其中典型的应用有电化铝烫印材料、镀铝纸和透明镀膜等。
1、为了增强印刷品的装饰效果，在印后加工中有采用烫金的办法。用铜锌凸版在烫印机上，通过加热把金箔或银箔烫印在印刷品上，使其看起来光彩夺目富丽堂皇。电化铝烫金材料是在经过处理的PET薄膜上真空镀铝以后，再涂布一层胶粘层而制作成的，一般由5层构成。
（1）基体层。它是承托电化铝材料的基体，一般由PET薄膜加工而成，厚度12～25微米。
（2）剥离层。在基体层上涂布一层剥离，电化铝烫印后，镀铝层和染色层就能顺利地脱离基体层，粘附到印刷品表面。
（3）染色层。选择透光性、成膜性、粘附性都较好的树脂，经染色以后涂布在剥离层上而成。染色层染上什么颜色，电化铝就呈现什么颜色，有金黄、橙、绿、青、蓝、品红等各种颜色。
（4）镀铝层。采用真空蒸镀的方法，将金属铝蒸镀到基体的染色层上。蒸镀的铝层具有很高的金属光泽，通过烫印转移后，能把染色层的颜色像镜面一样反射出来，大大提高了印刷品华贵富丽的装饰效果。
（5）胶粘层。将热熔性胶粘物质熔化以后，均匀地涂布到电化铝材料的表面。烫印时在金属版加热、加压条件下，胶粘物质熔化，离开烫印版之后，胶粘层树脂立即冷却固着，并将铝箔层和染色层紧紧粘结到印刷品表面上。电化铝材料的生产工艺流程：
基材薄膜检验→涂布剥离层→涂布染色层→真空镀铝→涂布胶粘剂→成品
2、镀铝纸主要由原纸、铝层和涂层组成，因光泽度和平滑度好，柔韧性好，铝层牢度高，美观环保，同时有良好的印刷性能和机械加工性能，因此可广泛用于烟、酒、瓶贴、茶叶、食品、化妆品、日化、百货、礼品、工艺品等产品的精美包装，也可用于建筑装潢材料。
镀铝纸按其生产工艺分为直接蒸镀法和转移法两种：直接法是将纸直接置于真空镀铝机进行镀铝的方法；转移法是将涂有剥离剂和保护层的BOPP或PET膜镀铝后，涂胶与纸复合，再将基膜剥离，铝层通过胶粘作用转移到纸板表面上去。两者比较，直镀法适合生产较低克重（50g/m2）的镀铝纸，转移法适合生产较高克重（100g/ m2）的镀铝纸。镀铝纸的生产工艺流程图如下：
4、非金属镀膜
九十年代以来，迅速发展微波加热技术给微波食品包装及需经微波杀菌消毒的一类商品的包装提出了新的要求，即包装材料不仅要具有优良的阻隔性能，而且还要耐高温、微波透过性好等特性，传统的包装材料很难全面具备这些特点。因此近年来日本、德国、英国、意大利、加拿大、美国等工业发达国家投入大量的人力物力研究开发新型的高阻隔性包装材料——SiO X和其它金属氧化物镀膜复合包装材料。这类材料除了阻隔性能可以与铝塑复合材料相媲美外，同时还具有微波透过性好、耐高温、透明、受环境温度湿度影响小等优点，特别在商品保香方面，效果如同玻璃瓶包装一样，长期储存或经高温处理后，不会产生异味，因此，也称之为透明镀膜。它能广泛应用于食品、药品、化妆品、医疗器械等包装安全卫生性能要求高、货架寿命较长的一类商品的包装；尤其适合作为微波加热技术应用的一类商品包装材料。下表是国外非金属镀膜包装材料的阻隔性能（基材：PET）
国家
蒸镀膜
阻隔性
透氧性(ml/m2.d)
透湿性(g/m2.d)
日本Toyoink
SiOx
2.0
3.0
意大利Ce. Te. V
SiOx
1~3
1~2
瑞士Plex Products
SiOx
3.0
2.0
德国Leybold
SiOx
1.5
/
加拿大
SiOx
1.0
0.2
IncAirco CoatingTechnolog
SiO2/ Al2O3
1~2.5
2.17
非金属镀膜可采用蒸镀原料可采用Si、SiOX、SiO 2或其它氧化物，也可以采用共它氧化物如Al2O3、 MgO、Y 2O 3、TiO2、Gd 2O 3等，其中最常用的是SiOX、Al2O3。氧化物镀膜的蒸发源有电阻式和电子束两种，电阻式蒸发源以电阻通过发热的原理来加热蒸镀原料，最高加热温度可达1700℃。电子束蒸发源利用加速电子碰撞蒸镀原料而使其蒸发，蒸发源配有电子枪，用磁场或电场加速并聚集电子束，使电子束集中在蒸发材料的局部位置上而形成加热束斑，束斑温度可达3000～6000℃，能量密度最高可达20KW/cm2。
非金属镀膜时，蒸镀原料较高的气化温度和蒸发能导致在蒸发过程中蒸镀区温度较高，大量的辐射热使得基材吸收过量的热能而温度升高；同时，气化分子、离子和其它微粒在基材表面凝结成膜时放出的热量致使基材温度过高而发生严重的热变形。热变形后基材起皱，造成镀膜不均匀或破裂，达不到提高阻隔性能的效果，因此，软化点和熔点较低的塑料薄膜蒸镀效果较差。实验表明只有PP、PET、PA等材料才能较适合氧化物镀膜加工。

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