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真空沉积透明阻隔薄膜值得推广的绿色环保包装材料
时间:2013-05-07   来源: 包装前沿   阅读:3980次

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     随着经济发展,人们生活水平的提高,对食品、药品等产品安全以及产品包装的装饰美化效果提出了更高的要求。为了提高商品的流通周期与货架寿命,商品包装的作用日益重要。包装在提供防止内容物受外界微生物或其它物质的污染,防止或减少内容物氧化等方面有着不可替代的作用。为满足食品、药品等保质、保鲜、保香等要求,高阻隔包装材料的应用越来越普遍。高阻隔包装材料除了必须有良好的阻氧(如油脂食品)、阻湿(如干燥食品)或气味阻隔性能(如芳香食品)以外,还要有良好的化学稳定性,耐适合食品的高温消毒和低温储藏等特点。近年来,随着世界各国对环境保护的重视,提高了对包装材料的环境保护要求,出现了控制使用诸如在焚烧时有处理残滓的铝箔,在焚烧时会产生二噁英的聚偏二氯乙烯(PVDC)等有污染环境问题的包装材料。同时,为确认包装内容物安全性,从不使用铝箔后可采用金属探测仪检查包装内是否存在外来杂质金属混入物,以及从可以透过微波能够利用微波炉来加热和调理包装食品的观点出发,真空沉积透明阻隔薄膜将会愈来愈广泛地替代环保性差的聚偏二氯乙烯涂布PET薄膜。
     本文简要介绍各种真空沉积透明阻隔薄膜的主要性能、用途及其生产方法。
     一、概述
     对于透明阻隔包装,通常必须考虑五个方面的性能:
     1. 高的光学透明性
     2.卓越的水汽和氧气阻隔性能
     3.好的后道加工抗拉伸性和耐久性
     4.香味阻隔性
     5.可微波加热
     为了拓宽软包装应用领域,满足产品包装多样化需求,人们相继开发出了具有阻隔性能的透明薄膜材料如含EVOH树脂共挤薄膜、涂覆PVDC薄膜、涂布PVA薄膜等。这些薄膜各有优点,但也存在一些不足,如PVDC涂布膜的环保性、EVOH共挤膜的环境适应性等等,在一定程度上影响到它们的使用范围。
     上个世纪九十年代,欧美等一些发达国家和亚洲的日本开始对非金属(氧化物)镀膜如氧化铝或氧化硅镀膜技术进行研究开发。镀氧化铝或氧化硅的透明阻隔薄膜不但具有和镀铝膜一样的阻隔性能,还可透过可见光,具有高的微波穿透性,可直接用于微波炉加热和进行金属检测,大气环境适应性和环保性优良。可广泛应用于食品、饮料、肉制品、调味品、乳品、电子零件、精密仪器配件、微波制品、医药等多个领域的包装。
     PET和BOPP原膜(举例)的水汽和氧气阻隔性能如表1所示。各种阻隔薄膜材料的水汽和氧气阻隔性能如图1 所示。
     表1 PET和BOPP原膜的水汽和氧气阻隔性能


     注:CERAMIS是瑞士Alcan Packaging公司镀氧化硅透明阻隔薄膜的品牌。
     图1 各种阻隔薄膜材料的水汽和氧气阻隔性能
     由表1和图1可见原膜和各种透明阻隔薄膜材料的水汽和氧气阻隔性能。据有关专业公司调查统计,对各种用途阻隔包装的需求量和对水汽和氧气阻隔性能的要求如表2所示。
     表2 各种用途阻隔包装的需求量和对水汽和氧气阻隔性能的要求


     资料来源:Pira International 2006
     全球透明阻隔薄膜市场的分析和预测如图2 所示。由此可见,真空沉积透明阻隔薄膜至今仅占整个透明阻隔薄膜市场的一小部分。


     图 2  全球透明阻隔薄膜市场的分析和预测
     二、真空沉积透明阻隔薄膜的制备
     (一)真空沉积透明阻隔薄膜的性能特点
     1、高透明
     2、极好的阻隔气体、水汽和香味性能,并且不受温湿度影响。
     3、可用于微波炉加热。
     4、适用于气调,防腐,热灌充,巴氏消毒,蒸煮和杀菌等包装。
     5、无蒸煮冲击。
     6、允许金属检测。
     7、高的抗折曲开裂性。
     8、镀层和基膜间高的结合力。
     9、可用常规的印刷工艺印刷。
     10、可适用于各种加工设备。
     (二)真空沉积透明阻隔薄膜的制备方法
     真空沉积透明阻隔薄膜的制备方法可以分为物理气相沉积(PVD)法和化学气相沉积(CVD)法两大类。物理气相沉积透明阻隔薄膜主要有镀氧化铝和镀氧化硅透明阻隔薄膜,化学气相沉积透明阻隔薄膜主要是氧化硅透明阻隔薄膜。这里对它们作简要叙述。
     1、物理气相沉积(PVD)法
     (1)用电子束卷绕镀膜设备镀氧化铝和氧化硅透明阻隔薄膜
     图3  镀透明阻隔薄膜用的电子束卷绕镀膜设备


     图3展示了一台镀透明阻隔薄膜用的电子束卷绕镀膜设备,这是一种万能镀膜设备,能镀金属、介质及金属氧化物等多种薄膜。图4是设备打开时的照片。
     图4  电子束卷绕镀膜设备打开时的照片 


     电子束卷绕镀膜设备的工作原理如图5所示,电子束卷绕镀膜设备的结构如图6所示。 
   
      图6  电子束卷绕镀膜设备的结构
     1-卷绕室  2-预处理室  3-镀膜室  4-放卷器  5-预处理辊  6-带冷却的镀膜鼓 7-收卷器  8-第一级预处理器  9-第二级预处理器  10-镀膜窗口  11-坩埚 12-电子束枪  13-冷阱  14-后处理  15-镀层检测系统  16-扩散泵
     电子束卷绕镀膜设备的电子束枪由电子束发生器和电子束引导系统组成。由阴极表面发射电子并朝阳极方向加速,接着由磁场聚焦电子束并把电子束向坩埚引导。在运行过程中电子束枪发射的高能电子束功率密度超过20KW/cm2。在沉积氧化铝薄膜时,电子束在装有铝材料的坩埚上扫描直至铝完全熔化。通过进一步加热在熔化的铝材料液池上进行铝的蒸发,同时注入一定量的氧气。在此过程中一个微波强等离子体和蒸汽云团反应,铝和氧气在薄膜基材表面反应并形成氧化铝镀层,并确保镀氧化铝薄膜工艺过程的稳定性和薄膜特性。采用闭环控制系统控制电子束的扫描路径,以确保薄膜基材上纵向和横向均匀的镀层。
     在镀氧化硅过程中电子束沿着坩埚里的氧化硅材料扫描,没有产生液池直接蒸发沉积,在薄膜基材表面形成一个均匀的氧化硅(SiOx, X=1.4至1.7)镀层,薄膜基材以每分钟几百米的速度运动经过蒸发区域。
     (2)用空心阴极等离子体活化反应蒸发铝沉积氧化铝薄膜
     除了可以用电子束卷绕镀膜设备镀制氧化铝薄膜以外,用空心阴极等离子体活化反应蒸发铝沉积氧化铝薄膜也是国外多年来一直研究开发的一种镀膜技术。现在已可以用此技术进行工业化生产,并已有商用设备供应。空心阴极等离子体活化镀膜的原理如图7所示。用空心阴极等离子体活化反应蒸发铝沉积氧化铝薄膜的工艺过程如图8和图9所示。


     图8. 用空心阴极等离子体活化反应蒸发铝沉积氧化铝薄膜的工艺过程示意图


     图9. 空心阴极等离子体活化反应蒸发铝沉积氧化铝薄膜工艺过程说明
     从图8和图9可见,从蒸发舟蒸发出来的铝蒸汽被空心阴极枪的等离子体激活,送入真空室的氧气同时被激活,两者反应生成氧化铝并沉积在薄膜基材上。
     图10是一台空心阴极等离子体活化反应蒸发铝沉积氧化铝薄膜设备的局部。


     图10. 空心阴极等离子体活化反应蒸发铝沉积氧化铝薄膜设备局部
     2、化学气相沉积法—等离子体化学气相沉积(PECVD)镀氧化硅透明阻隔薄膜
     用PECVD制备SiOx的原理如图11所示。PECVD沉积的实验模型如图12所示。

 
     图11  PECVD的原理


     图12  PECVD沉积的实验模型
     PECVD是一个由低压强(3-8×10-2mbar)等离子体驱动,采用六甲基二硅醚(HMDSO)作为前体,和工艺气体氧和氦反应形成SiOx镀层的CVD工艺。其工艺过程如图13所示。

 
     图13  PECVD工艺过程示意图
     电容耦合的中频(如40kHz)电源连接在镀膜鼓电极和对电极之间,并在镀膜鼓电极和对电极之间产生等离子体。聚合物膜卷(如PET)在镀膜鼓上卷绕过去时被邻近的磁场增强等离子体镀膜。PECVD镀氧化硅透明阻隔薄膜用卷绕镀膜设备的外形如图14所示,由3个连接的真空室组成:放卷和预处理室,工艺室以及后处理和收卷室。PECVD卷绕镀膜设备的工艺室如图15所示,展示了镀膜鼓和关联的工艺气体注入口,内装式磁场增强组件和对电极系统。图16展示了PECVD卷绕镀膜设备的镀膜组件。


     图14  PECVD镀氧化硅透明阻隔薄膜用卷绕镀膜设备 


     图16  PECVD卷绕镀膜设备的镀膜组件

     PECVD工艺本质上要比PVD工艺慢。为了提高镀膜速度,可以增加镀膜鼓组件的数量。图17展示了一台具有三个镀膜鼓的PECVD卷绕镀膜设备。


     图17  一台具有三个镀膜鼓的PECVD卷绕镀膜设备
     (三)国外真空沉积透明阻隔薄膜的生产厂家
     据不完全了解,目前国外真空沉积透明阻隔薄膜的生产厂家及其产品如表3所示。
     表3 真空沉积透明阻隔薄膜主要生产厂家及其产品


     三、真空沉积透明阻隔薄膜的应用举例
     (一)非蒸煮应用


     (三)生物降解薄膜类应用—热成形或硬质浅盘用盖箔


     四、结束语
     本文对各种真空沉积透明阻隔薄膜的阻隔性能,制备方法及其应用做了简单叙述。旨在引起大家对真空沉积透明阻隔薄膜的关注。
     近年来,在日本、欧美透明阻隔薄膜的消费量迅速增长。尽管在我国透明阻隔薄膜只是近几年才引起薄膜生产企业的重视,但早已在食品、医药等行业得到广泛的应用,消费市场巨大,有很大的发展空间。
     综观我国透明阻隔材料的开发及其包装薄膜生产工艺技术的发展状况,笔者认为,近年来,随着世界各国对环境保护的重视,提高了对包装材料的环境保护要求,出现了控制使用诸如在焚烧时有处理残滓的铝箔,在焚烧时会产生二噁英的聚偏二氯乙烯(PVDC)等有污染环境问题的包装材料。目前国内所需的氧化硅或氧化铝透明阻隔薄膜全部依赖进口,对于氧化硅或氧化铝透明阻隔薄膜这类绿色环保包装材料的生产设备和相关工艺技术,国内企业缺乏自主研发能力。国内外技术的实质性差距在继续扩大。国家行业发展规划机构应当出台相关法规,积极鼓励和引导国内企业提高自主研发创新的能力。

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