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新型阻隔包装膜材料—陶瓷膜的生产工艺及应用

日期: 2018-11-20
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陶瓷膜是近年来新出现的新型阻隔包装膜材料,陶瓷膜的生产工艺与镀铝膜生产相似,也是采用真空镀膜的方法。目前用于包装领域的陶瓷膜主要有SiO2(氧化硅),Al2O3(氧化铝),TiO2(氧化钛)等。


透明阻隔膜相对传统的镀铝阻隔膜最大的优势在于消费者可以清楚地透过包装材料看到商品本身,而且,在高速包装过程中,透明阻隔材料不会对被包装商品产生任何金属污染。


由于SiO2(二氧化硅),Al2O3(三氧化二铝),TiO2(氧化钛)的熔点均超过1500℃,远超过金属铝的熔点(约660℃),陶瓷膜的生产相比更加困难,必须采用专用的真空镀膜设备进行生产,这也是导致陶瓷膜生产成本较高的主要原因。

一般来说,透明阻隔膜是传统的镀铝阻隔膜价格的2~3倍。如何降低现有生产工艺设备的生产成本是当前的研究热点。透明阻隔膜制备方法众多,目前已经用于生产的工艺方法可分为以下五类:


一、采用感应热蒸发加热氧化硅材料制备氧化硅膜材料。


该工艺与传统的电阻蒸发真空镀铝设备比较相近,主要差别在于采用了感应蒸发系统替换电阻蒸发系统,因此设备投资与镀铝膜相近。通过40K HZ的高频感应线圈对坩埚进行加热,坩埚材质一般为钼坩埚或钨坩埚,感应加热方式可以使坩埚达到2000-2500℃以上,而且加热温度场均匀。


这样的温度可以比较容易的蒸发SiO(一氧化硅)材料。通过加装质量流量系统向腔体冲入适量的氧气,可以避免氧化硅膜层出现色差。最终形成的陶瓷膜成分为SiOx,其中2>x>1,表明膜层具有一定氧缺陷。有的方法制备氧化硅膜的基材为普通的25微米厚度的OPP材料,制备得到的氧化硅陶瓷膜阻隔率可以达到0.1克/平方米·天的水平。


此种方法最大的缺点为所采用的蒸发料为SiO(一氧化硅),该原材料成本较贵直接导致生产的氧化硅陶瓷膜单价较贵。采用SiO(一氧化硅)镀层制备的高阻隔包装膜也可以达到0.1克/平方米·天氧气阻隔能力,并且具有良好的耐蒸煮性能。


二、在现有的热蒸发镀铝设备上加装质量流量计供气系统和等离子处理系统,也可以用于生产透明的氧化铝陶瓷阻隔膜。


该工艺的特点是利用氧气真空等离子体对铝金属镀层进行强氧化处理形成氧化铝膜,由此可以将不透明的金属铝镀层转化为透明的氧化铝镀层,此种方式生产的阻隔膜可以达到0.1克/平方米·天,并且设备投资与现有的真空镀铝机成本略有上升;明显的缺点在于Al2O3材料容易水解,因此此种透明阻隔膜的耐蒸煮性能较差。


三、利用电子束加热的方式加热待蒸发材料。


该工艺设备与热蒸发镀铝设备结构类似,主要区别在于用电子束蒸发单元替换电阻蒸发单元,并且真空系统要求更高的本底真空。由于电子束加热温度可以高达3000℃以上,故常见的陶瓷材料均可被蒸发镀膜,如SiO(氧化硅),Al2O3(氧化铝),TiO2(氧化钛)等。


最大的缺点在于电子束蒸发单元非常昂贵,这导致该工艺的设备成本和维护成本均很高。因此,由该工艺生产的陶瓷膜单位成本很高。一台相同镀膜幅宽的电子束蒸发设备的价格是普通电阻热蒸发镀铝机的价格的三倍以上。


四、利用卷绕式化学气相沉积的方式制备透明阻隔膜。


将成本较低的含有Si元素的有机气体、氧气和惰性气体通过质量流量系统以一定的分布方式导入真空腔体中。在正常情况下,混合气体各组分间能稳定存在,进入真空腔体后,利用中频或者射频等离子体将混合气体活化,从而生成SiOx 并沉积到镀膜基材上,反应的剩余物质以气体形式被真空系统抽走排出。


目前含有Si元素的有机气体主要为HMDSO(六甲基二硅氧烷)和 TMSO(四甲基二硅氧烷)等。采用此种方式制备的阻隔膜性能良好,可以达到0.1-0.01克/平方米·天,并且蒸煮耐受性好。相比普通的真空镀铝机来说,设备成本要高,但和电子束蒸发设备相比较低。而且其采用的含硅的原料气相对SiO 蒸发料便宜很多。


该工艺的最大缺点是镀膜线速度较慢,因此产品单位成本较高。通过增加镀膜工位可以有效提高生产效率,但又会导致设备复杂并且成本提高。


五、卷绕式磁控溅射镀膜。


通常情况下,采用中频磁控溅射的方法进行反应溅射来制备SiOx膜,Al2O3膜或者Al:ZnO膜,该方法制备的透明阻隔膜性能优异,可以达到0.01克/平方米·天甚至更好,缺点是设备投资高昂,而且生产速度慢导致产品单价很高。


因此该种方法主要用来生产超高阻隔膜,主要用于OLED和薄膜太阳能电池的阻隔封装,在普通包装膜市场极少用到。



新型阻隔包装膜材料—陶瓷膜的生产工艺及应用

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