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碳氢化合物阻隔性包装材料涂层

2021-08-18 来源:淄博机械信息网

碳氢化合物阻隔性包装材料涂层

在包装材料领域,广泛使用铝箔及铝塑复合材料作阻隔功能包装材料,解决了单层塑料薄膜的气体渗透性问题,满足了包装工业的需求。然而,铝箔包装材料存在生产过程耗能大,不透明,不能用微波加热,尤其是铝塑复合材料不易回收再生等缺点。所以,自上世纪起,人们一直在寻找新的性能更好的阻隔性包装材料,企图替代铝箔及铝塑复合材料。90年代,已经报道了在聚酯(PET)、尼龙(Nylon)等塑料薄膜上涂覆一层氧化硅(或者氧化铝、其他金属氧化物)涂层,使其成为具有阻隔功能的包装材料。例如,SiOx/PET就是在聚酯薄膜上用物理或化学气相沉积的方法涂覆一层氧化硅,不但克服了铝塑复合材料的上述缺点,而且改进了塑料膜对水蒸气、氧气和其他气体的阻隔性。这种新型的材料已经在日本、欧洲、美国等发达国家广泛用作食品药品包装。

最近,国外又报道了一种新的阻隔性包装材料涂层,即碳氢化合物涂层,有的文献称为“氢化无定型碳” (a-C:H)或“类金刚石碳薄膜” (Diamond-Like Carbon,DLC),它的化学组成为: C1H0.2-0.5。与氧化硅及其他金属氧化物涂层相比,这种新的碳氢化合物涂层不但有光学透明性、低磨损、低摩擦、优良的气体阻隔性,并有非常好的柔韧性,便于再生回收,没有环境污染,而且有更高的力学强度。解决了氧化硅及其他金属氧化物涂层因为延伸性不好引起的气体渗透问题。这一新型材料已经引起了包装材料科学领域科研工作者的浓厚兴趣。预期这种新的阻隔性包装材料涂层在包装领域会有更广泛地应用。

瑞士材料测试和研究联合实验室用直流磁控溅射系统,在双极脉冲调制和无脉冲调制两种模式下产生等离子体,通过Ar离子溅射或反应气体溅射提供高纯碳氢化合物,在塑料薄膜样品上化学气相沉积了a-C: H涂层,研究了功率、工作气体、真空度、脉冲调制频率、偏置电压等参数对涂层性能的影响。下面简要介绍他们的研究工作及实验结果。

1、直流磁控溅射系统参数及化学气相沉积技术条件

圆形磁控管直径:20.3cm(8英寸);样品直径:15cm;脉冲调制频率:1-50kHz(实际使用 25kHz);输入功率:100w;反向偏置电压力直流工作电压的15%;恢复时间:2μs;靶电极材质:高纯碳。

起始真空度:10-6mbar;工作气体流速:(1)氩气(Ar离子溅射,无反应气体); 6 cm3 min-1(sccm);(2)氩气和反应气体(如乙炔)混合物的总流速: 60sccm ;溅射沉积时的真空度:(1)纯氩气:2.0×10-3mbar;(2)氩气和反应气体的混合物:8.6×10-3mbar;沉积时间:2min。

样品基材为 DuPont-MYLAR A 型聚酯膜(PET),厚度12μm,接地偏置或者通过电容器另一个射频电源耦合(rf=13.56MHz,Vb=-90V)。样品温度在大多数情况下接近室温,最大为33℃(功率 500W),用与样品架表面接触的热电偶测量。

2.碳氢化合物涂层性能测试

氧气渗透性按照ASTM D3985- 81标准进行测量,所用的仪器为MO CON OX-TRAN2/20。样品有效面积 50 cm2,相对湿度(RH):0%,温度: 23℃。涂层厚度由剖面仪(Tencor P10)测量放置于样品附近的[100]单晶硅陪片上同时沉积的涂层厚度来确定。 C:H的化学计量比用卢瑟福背散射 (RBS)方法和弹性反冲检测分析技术(ERDA)综合测量确定。在可见光(400-700nm)范围内的光透过率用综合透射光谱仪测量。碳氢化合物涂层的结构和形貌分别用扫描电子显微镜(SEM)、透射电子显微镜(TEM)、原子力显微镜(AFM)等仪器进行了研究,并用扫描电子显微镜和干涉仪研究了在延伸过程中涂层材料产生的微裂纹。

3、研究结果及讨论

瑞士材料测试和研究联合实验室化学气相沉积的碳氢化合物涂层性能测试实验结果列于表1。

表1 无定型碳氢化合物涂层的性能

样品编号操作模式偏置方式工作气体涂层厚度a透氧率b阻隔性提高c延伸率d涂层密度e氢含量f透光率g1无脉冲接地Ar19±224±0.152 2.1±0.21.3521672无脉冲接地混合50±360.5±0.224.9±0.2793无脉冲接rf混合73±32.3±0.15426±0.21.3838734脉冲接地Ar20±22.2±0.15625±0.2775脉冲接地混合46±314.2±0.294.9±0.21.2231816脉冲接rf混合76±31.1±0.11122.8±0.21.463173参考样品SiOx36±42.7±0.1461.7±0.285

a厚度um,b透

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