真空蒸镀阻隔包装薄膜的主要制备方法和应用

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       近年来,迅速发展的微波加热技术给微波食品的包装及需经微波杀菌消毒的一类商品的包装提出更高的要求,即包装材料不仅要有优良的阻隔性能,而且还要耐高温、微波透过性良好等性能,传统的包装薄膜很难全面具备这些特点。因而日本、意大利、德国、英国、美国、加拿大等工业发达国家投入大量的人力物力研究开发新型的高阻隔性包装材料:SiOX和其他非金属氧化物镀膜包装材料,争取在未来这一技术、材料市场上占据有利地位。这类材料除了阻隔性能可以与铝塑复合材料相媲美外,同时还具有微波透过性好、耐高温、透明、受环境温度影响小等特点,特别在商品保香方面,效果如同玻璃瓶包装一样,长期储存或经高温处理后,不会产生异味。能广泛应用于食品、药品、化妆品、医疗器械等包装安全卫生性能要求高、货架寿命较长的一类商品的包装,尤其适合作为微波加热技术应用的一类商品包装材料。

        真空蒸镀阻隔包装薄膜的主要制备方法主要可分为物理气相沉积和等离子体增强化学气相沉积。

 一、物理气相沉积

        物理气相沉积法可分为蒸镀法和溅射法。其中电阻式蒸发源以电阻丝方式加热,温度可达1700℃;电子束加热能量较高,达20kW/cm2 ,温度更可达3000~6000℃;而溅射沉积具有沉积温度低,沉积速率高,靶材不受限制,镀膜质量好的优点。

 (一)电阻丝蒸镀和电子束蒸镀沉积SiOx薄膜

        电阻丝蒸发镀法是在真空室中,用电阻丝加热SiO2 ,使其原子或分子从表面气化逸出,形成蒸气流,在基材表面沉积SiOx薄膜的方法。电子束蒸发镀膜法是将SiO2放入水冷铜坩锅中,直接利用电子束加热,使蒸发材料气化蒸发后凝结在基板表面形成SiOx薄膜。电子束轰击热源的束流密度高,能获得远比电阻加热源更大的能量密度,蒸发温度高,特别适合制作高熔点薄膜材料和高纯薄膜材料,并且能有较高的蒸发速度,热量可直接加到蒸镀材料的表面,因而热效率高,热传导和热辐射的损失少,所沉积的SiOx薄膜阻隔性有显著提高。

(二)磁控溅射沉积SiOx薄膜

        磁控溅射法又叫高速低温溅射法,已在电学膜、光学膜和塑料金属化等领域得到广泛应用。磁控溅射法与蒸发法相比,具有镀膜层与基材的结合力强,镀膜层致密、均匀等优点。磁控溅射还有其它优点,如设备简单,操作方便,控制也不太难。在溅射镀膜过程中,只要保持工作气压和溅射功率恒定,基本上即可获得稳定的沉积速率,沉积速率相对较低是其最大缺点。用单元素靶材溅射并倒入反应气体,进行的反应称为反应溅射,反应磁控溅射中调节沉积工艺参数,可以制备化学配比或非化学配比的化合物薄膜,从而达到通过调节薄膜的组成来调控薄膜特性的目的。但是反应磁控溅射在上世纪90年代前,通常使用直流溅射电源,因此带来了一些问题,主要是靶中毒引起的打火和溅射过程不稳定,膜的缺陷密度较高,这些都限制了它的应用发展。

二、 等离子体增强化学气相沉积

        PVDC是利用等离子体手段产生电子、离子、活性基团,在气态或基体表面进行化学反应,以薄膜或粉末的形式沉积于基材表面,是等离子体化学的一个重要研究方向。其应用范围日益扩大,如纺织、纳米材料的制备、医用高分子材料、功能薄膜等。采用有机硅化合物作为单体,用等离子体手段先进行离解,然后聚合沉积在基材表面,是一种新的SiOx薄膜制备手段。

        SiOx包装阻隔薄膜具有明显的优异性能,逐渐成为新一代的包装阻隔材料。

三、SiOx镀膜包装材料的应用与发展趋势

        SiOx镀膜包装材料以优良的阻隔性能、微波加工适应性能被广泛应用于各种商品包装,尤其对芳香型商品包装如食品、药品、化妆品等更具优势。日本用来包装食品、调味品、酒类、饮料、果汁、洗涤剂及作为软管、盖膜(快餐食品、微波食品容器)、蒸煮袋等使用。欧洲广泛应用于饼干、巧克力、脱水汤料、药品、肉制品等包装。德国市场上销售的Buss牌带有汤和熟食的可蒸煮、微波加热的快餐是用PET/SiOx/PET封盖包装的,瑞士某公司用镀膜材料制成立式袋包装巴氏消毒处理后的冷冻肉制品,另外在欧洲市场上有大量的用PE/SiOx-PET/Paper/PE制成的利乐包装盒,用于果汁、饮料、牛奶等包装,获得玻璃瓶一样的保鲜、保香效果。美国主要用SiOx-PE/PE/Paper/PE制成屋脊形包装盒包装柠檬汁、混合果汁等饮料和用作快餐盒型材、包装药品。

四、结语

        SiOx镀膜包装材料的应用领域十分广阔,随着新产品(如微波食品、微波杀菌消毒技术的应用)不断开发,包装功能的不断强化,这种既具有高阻隔性能、耐高温、透明、微波透过性能良好,又有类似玻璃容器的保鲜保香作用的包装材料,将在与传统的高阻隔性复合材料、多层共挤材料、铝塑复合材料竞争中占有独特的优势,获得较大的市场份额。目前我国在SiOx镀膜包装材料的生产开发应用上与发达国家相比还存在一定的差距。可以预测,这种新型产业技术的开发和推广,将对我国包装材料工业的发展和产品升级换代起到巨大的推动作用,尤其对于满足逐渐发展的微波食品包装及商品微波杀菌消毒技术处理要求,意义更为重大。

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