[科普中国]-真空蒸镀金属薄膜

简介

真空蒸镀金属薄膜是在真空条件下，将金属蒸镀在薄膜基材的表面而形成复合薄膜的一种新工艺。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（单面或双面）镀上一层极薄的金属铝即成为镀铝薄膜，它广泛地用来代替铝箔复合材料如铝箔/塑料、铝箔/纸等使用1。

特点镀铝薄膜与铝箔复合材料相比具有以下特点：

（1）大大减少了用铝量，节省了能源和材料，降低了成本，复合用铝箔厚度多为7～9pm，而镀铝薄膜的铝层厚度约为0．05n左右，其耗铝量约为铝箔的1/140～1/180，且生产速度可高达450m/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，因此对气体、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）可采用屏蔽式进行部分镀铝，以获得任意图案或透明窗口，能看到内装物。

（5）镀铝层导电性能好，能消除静电效应；其封口性能好，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、农产品的真空包装，以及药品、化妆品、香烟的包装。另外，镀铝薄膜也大量用作印刷中的烫金材料和商标标签材料等2。

真空蒸镀金属应用真空蒸镀金属是继电镀等表面处理法之后，根据对包装和装饰材料膜类的表面处理的需要而发展起来的一种颇具生命力的、可适用于多种被蒸镀基材的表面处理工艺。最先采用的方法是将金属加热汽化后，再冷凝在基材上。工艺过程全部在抽成一定真空(例如其剩余压力为标准大气压的1/1000000)的密闭容器中进行。另外，要求其被蒸镀的基材表面必须极平整洁净，使附着面积和附着力完全符合要求，以保证所镀金属制品的表面质量。具体方法是将基材安置于真空容器中的一可调遮板的缝隙之上，加热的金属在真空中逐渐汽化为金属蒸汽后穿过此缝隙而喷镀于基材上;基材则由卷动机构使其以需要的速率卷绕。因此，蒸镀的金属扫描成蒸镀面积，使在基材上均匀蒸镀一层金属超薄层而成为镀金属薄膜。此技术最先应用于制造香烟的内包装纸，随后应用于制造糖果、茶叶的包装袋材料，后被广泛应用于包括制镜在内的各种需要镀膜的工件上，可以达到意想不到的效果和功能。

目前有多种金属可用作蒸镀金属的原材料，但是在包装技术领域中用得最广、最普遍、且最有实用经济价值的应首推铝(具有高纯度的铝材)在直接真空蒸镀法中的金属镀层厚度一般为0. 007一0. 008mm 。

最近已开发的新一代的转移法真空镀金属法中所蒸镀的金属厚度只有前者(直接法)的1/500左右(约为0. 000015mm )。过去国外以及目前国内大部采用直接法进行真空镀金属工艺，其缺点是耗金属量相对较多;对基材的平整度和光洁度的要求也特别高;特别是制造所谓“镀铝纸”时，除对作为基材的纸张要求具有极佳的平整、光洁度外，因纸含水量较多(10%左右)，在高真空和较高温度下易失水变脆，使工艺更加复杂，产品成本也相应提高。

以上两种方法目前存在的问题是均不能连续生产。只能在真空炉中逐炉进行批量生产。这是当今国外工业发达国家正在研究的课题，并且在诸如日本、美国等国家已开发了设备较为庞大的真空镀金属包装用膜的连续生产线。这无疑是包装技术和设备方面的一大突破。

镀铝纸及其复合物的包装用途真空镀铝纸及其复合物的最大用途莫过于用作香烟的内衬包装纸以取代过去的铝箔复合纸。如以我国每年生产3000大箱香烟中的80%采用镀铝纸为内衬包装计，则每年需10多亿平方米的镀铝纸，数量确是惊人。其中尚未包括诸如糖果和茶叶等包装所需的仅次于香烟包装的大量该种包装材料在内。据估计，其在包装中能被采用的范围为:

1.镀铝纸复合物:香烟内、外部包装;口香糖包装;礼品包装;花卉包装;贴墙装饰和建筑工业的隔音材料等。

2.软包装:饼干包装;巧克力包装和冰淇淋包装等。

3.折迭箱(盒):化妆品包装;液体包装;药物包装;牛奶盒式包装和糖果包装等。

4.商品标牌、贴签等:啤酒商标;各种饮料商标、贴签等。

连续生产真空镀金属薄膜开发成功过去无论是直接法或转移法生产真空镀金属薄膜，均是间隙式成批进行的。其方式是单炉生产，逐次抽成真空。亦即将卷筒状被蒸镀基材装人真空蒸镀炉中后，按规定要求抽成真空，并开始蒸镀。待该卷基材全部蒸镀完毕，打开炉门，解除真空状态，取出成品。再开始以同样工序进行第二炉生产。如此周而复始，生产速率既受影响，劳动强度亦大，动力浪费亦多，不符合近代工业大规模连续生产的要求。

据估计，间断式批量生产的真空镀金属工艺的生产率仅是连续生产式工艺的50%。更有甚者，在每炉生产后，在再行生产第二炉前要投人大量而艰辛的劳动以去除聚集于炉中的无效金属蒸汽类废料以及清除镀金属炉的内部，使之清洁干净。此种棘手问题，随着蒸镀金属工艺的发明、采用而俱来已有多年。因此.如何使蒸镀过程一直处于真空状态中.并能连续进行生产，这是国外从事表面蒸镀金属工艺和设备的科技人员们所孜孜以求企盼解决的目标。

为此，诸如美国和日本等最先采用镀金属工艺以制造镀铝纸和镀铝薄膜的国家近年来开发成一种设备较复杂、庞大的具有涂覆粘结剂(在直接法中用之)和脱离层和(或)着色层(在转移法中用之)的增粘涂布机或预处理装置;镀金属装置;开卷装置和收卷装置等部分所组成的生产线。其中主要特点为开卷、收卷装置设置于镀金属炉之外，原料卷筒材料(纸或塑料薄膜)的更换、增添以及成品收卷后的取下等均在真空镀金属炉的在大气压下进行。无论生产多少卷成品材料，并不影响作为主要设备的真空镀金属炉在恒定真空中的连续生 产。供蒸发、蒸镀用的金属丝〔一般为铝丝)亦是根据与蒸镀厚度所需的消耗量相平衡而自己进给。 此外，此种技术和设备除上述 以外的诸多优点为:

1.从开、收卷装置处的大气压环境至真空镀金属炉中的高真空状态，其间共经6个阶段，是逐渐提高其真空度的，每一阶段中的某种程序的真空度差异并不影响最后的真空度。因此，采用此种设备能使被蒸镀条状材在镀金属室中作连续运行。其运行速率可以调节。

2.由于该种设备采用了迥异于批量式镀金属法中常采用的多个分开的短形金属蒸发舟皿式柑祸的长型整体式增祸;因此蒸镀在被镀条状材的金属膜层上和前者相比在相同蒸发条件下所镀积的厚度较均匀。

3.在间断式(或称批量式)蒸镀金属法中，众所周知其所镀金属的浪费很大，约75%是浪费的。这不但将有用金属，形同废料;而且如前所述在清除一炉生产后剩留于炉中和真空室中的残留物亦颇费周折。与此相反，由于该种设备将在条状材和柑祸之间的金属蒸汽通道设计、制造成有罩式的，可将未蒸镀完的金属蒸汽再循环至柑祸处（不使流散于别处）重复回收使用。因此铝的蒸发得率可达92%以上的高效。

4.此种设备能使金属蒸镀层表面质量上乘，所镀覆的金属层无针孔和溅泼痕迹等疵病。这是由于电磁功率的增加以及氧化膜和碳质被塔祸壁本身清除干净，使熔融铝的表面清洁无瑕所致。

5.如前所述，由于将在该种设备组成单机中的开卷和收卷装置设置于普通大气氛围中，因此，使条状材的张力控制易于掌握，亦易于保证镀金属薄膜的质量。

6.另外，使用该种设备时，能自动在大气压力下转接各种型式的材料和不同宽度的膜材，并能连续不断地送进至供蒸镀金属的真空室中3。

真空蒸镀技术中的蒸发系统和喷镀系统真空蒸镀金属设备中的关键部分除要保持高真空及其稳定性的真空抽除系统外，用以将金属丝恒定加热使之适度蒸发的热源亦是至关重要的。目前国外已开发了诸如真空镀金属分子束蒸发，离子镀等多种加热方法。这些统称之为物理镀金属法。目前亦正在研究开发除此以外的所谓“化学镀金属法”。今分别阐明于下:

物理镀金属法1.蒸发系统

①真空镀金属。是一种将蒸发物质加热的方法。其中包括常用的电阻加热法，电子束加热法，高频感应加热法以及激光光束加热法等。

②分子束蒸发法。在极高真空中分析其镀膜的增长，并以单位原子层能级控制其镀金属膜的形成的方法。

③离子镀。将待蒸发物质置于等离子状态中.并将其产生的离子供镀金属之用的方法。

④离子束蒸发法。将由离子源激发蒸发物质所产生的离子蒸镀于薄膜上以形成镀金属膜材的方法。

2.溅(喷)镀系统

①常规喷镀。常采用直流和高频放电法以喷镀的方法。

②磁控管喷镀。喷镀对象物在磁场中作高速移动时，使在对象物的表面上形成高密度等离子区的方法。

③离子束喷镀。采用将由离子源发生的气体离子加速以喷镀对象物的方法。

④ECR喷镀。采用在由磁场和微波所发生的高密度等离子体电流中的离子以喷镀对象物的方法。

化学镀金属法①加热法。采用由电阻高频感应，红外线灯照射和激光光束等产生的热源分解原料气体以形成镀金属膜的方法。

②等离子法。在低温时，藉将原料气体分解，使呈等离子体状以形成镀金属膜的方法。

③有机金属法。采用有机金属化合物。作为原料气体，并可采用多种方法之一使其分解以形成镀金属膜的方法。

④光激法。由光能产生的激光或各种灯光源励激产生光化学反应以分解原料气体，使之形成镀金属膜的方法1。

总结真空金属蒸镀技术的采用已有多年历史。从最初的直接法真空镀金属到转移法真空镀金属，这无论在产品质量、原材料节省和工艺路线的先进合理等方面均是令人瞩目的飞跃。直至将间隙性批量生产的方式改进为连续式生产线生产的方式，那更是一个更高层次的飞跃。真空蒸镀金属技术的跃进式的发展动态，应引起我国包装界的充分关注1。