
新型阻隔包裝膜材料—陶瓷膜的生產工藝及應用
透明阻隔膜相對傳統的鍍鋁阻隔膜最大的優勢在于消費者可以清楚地透過包裝材料看到商品本身,而且,在高速包裝過程中,透明阻隔材料不會對被包裝商品產生任何金屬污染。
由于SiO2(二氧化硅),Al2O3(三氧化二鋁),TiO2(氧化鈦)的熔點均超過1500℃,遠超過金屬鋁的熔點(約660℃),陶瓷膜的生產相比更加困難,必須采用專用的真空鍍膜設備進行生產,這也是導致陶瓷膜生產成本較高的主要原因。
一般來說,透明阻隔膜是傳統的鍍鋁阻隔膜價格的2~3倍。如何降低現有生產工藝設備的生產成本是當前的研究熱點。透明阻隔膜制備方法眾多,目前已經用于生產的工藝方法可分為以下五類:
一、采用感應熱蒸發加熱氧化硅材料制備氧化硅膜材料。
該工藝與傳統的電阻蒸發真空鍍鋁設備比較相近,主要差別在于采用了感應蒸發系統替換電阻蒸發系統,因此設備投資與鍍鋁膜相近。通過40K HZ的高頻感應線圈對坩堝進行加熱,坩堝材質一般為鉬坩堝或鎢坩堝,感應加熱方式可以使坩堝達到2000-2500℃以上,而且加熱溫度場均勻。
這樣的溫度可以比較容易的蒸發SiO(一氧化硅)材料。通過加裝質量流量系統向腔體沖入適量的氧氣,可以避免氧化硅膜層出現色差。最終形成的陶瓷膜成分為SiOx,其中2>x>1,表明膜層具有一定氧缺陷。有的方法制備氧化硅膜的基材為普通的25微米厚度的OPP材料,制備得到的氧化硅陶瓷膜阻隔率可以達到0.1克/平方米·天的水平。
此種方法最大的缺點為所采用的蒸發料為SiO(一氧化硅),該原材料成本較貴直接導致生產的氧化硅陶瓷膜單價較貴。采用SiO(一氧化硅)鍍層制備的高阻隔包裝膜也可以達到0.1克/平方米·天氧氣阻隔能力,并且具有良好的耐蒸煮性能。
二、在現有的熱蒸發鍍鋁設備上加裝質量流量計供氣系統和等離子處理系統,也可以用于生產透明的氧化鋁陶瓷阻隔膜。
該工藝的特點是利用氧氣真空等離子體對鋁金屬鍍層進行強氧化處理形成氧化鋁膜,由此可以將不透明的金屬鋁鍍層轉化為透明的氧化鋁鍍層,此種方式生產的阻隔膜可以達到0.1克/平方米·天,并且設備投資與現有的真空鍍鋁機成本略有上升;明顯的缺點在于Al2O3材料容易水解,因此此種透明阻隔膜的耐蒸煮性能較差。
三、利用電子束加熱的方式加熱待蒸發材料。
該工藝設備與熱蒸發鍍鋁設備結構類似,主要區別在于用電子束蒸發單元替換電阻蒸發單元,并且真空系統要求更高的本底真空。由于電子束加熱溫度可以高達3000℃以上,故常見的陶瓷材料均可被蒸發鍍膜,如SiO(氧化硅),Al2O3(氧化鋁),TiO2(氧化鈦)等。
最大的缺點在于電子束蒸發單元非常昂貴,這導致該工藝的設備成本和維護成本均很高。因此,由該工藝生產的陶瓷膜單位成本很高。一臺相同鍍膜幅寬的電子束蒸發設備的價格是普通電阻熱蒸發鍍鋁機的價格的三倍以上。
四、利用卷繞式化學氣相沉積的方式制備透明阻隔膜。
將成本較低的含有Si元素的有機氣體、氧氣和惰性氣體通過質量流量系統以一定的分布方式導入真空腔體中。在正常情況下,混合氣體各組分間能穩定存在,進入真空腔體后,利用中頻或者射頻等離子體將混合氣體活化,從而生成SiOx 并沉積到鍍膜基材上,反應的剩余物質以氣體形式被真空系統抽走排出。
目前含有Si元素的有機氣體主要為HMDSO(六甲基二硅氧烷)和 TMSO(四甲基二硅氧烷)等。采用此種方式制備的阻隔膜性能良好,可以達到0.1-0.01克/平方米·天,并且蒸煮耐受性好。相比普通的真空鍍鋁機來說,設備成本要高,但和電子束蒸發設備相比較低。而且其采用的含硅的原料氣相對SiO 蒸發料便宜很多。
該工藝的最大缺點是鍍膜線速度較慢,因此產品單位成本較高。通過增加鍍膜工位可以有效提高生產效率,但又會導致設備復雜并且成本提高。
五、卷繞式磁控濺射鍍膜。
通常情況下,采用中頻磁控濺射的方法進行反應濺射來制備SiOx膜,Al2O3膜或者Al:ZnO膜,該方法制備的透明阻隔膜性能優異,可以達到0.01克/平方米·天甚至更好,缺點是設備投資高昂,而且生產速度慢導致產品單價很高。
因此該種方法主要用來生產超高阻隔膜,主要用于OLED和薄膜太陽能電池的阻隔封裝,在普通包裝膜市場極少用到。
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