真空沉积透明阻隔薄膜-值得推广的绿色环保包装材料

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

图1. 各种阻隔薄膜材料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。

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

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、很好的阻隔气体、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。这里对物理气相沉积（PVD）法作简要叙述。

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 2.镀透明阻隔薄膜用的电子束卷绕镀膜设备

图2 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3是设备打开时的照片。

图3.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 4所示，电子束卷绕镀膜设备的结构如图 5所示。

图 4.电子束卷绕镀膜设备的工作原理

图 5.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，没有产生液池而直接蒸发沉积， 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 6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 7和图 8所示。

图6. 空心阴极等离子体活化镀膜原理

图7. 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8. 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7和图8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9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9. 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

三、真空沉积透明阻隔薄膜的应用举例

（一）非蒸煮应用

1、气调包装盖膜

2、袋类包装

（二）蒸煮应用

1、盖膜类

2、袋类

（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。旨在大家对真空沉积透明阻隔薄膜的性能有所了解。

在我国，透明阻隔薄膜前几年已经得到薄膜加工企业的重视，已有多家企业从国外引进了多台用来加工氧化铝透明阻隔膜的设备。透明阻隔薄膜已在食品、医药等行业得到广泛的应用。消费市场巨大，仍然有很大的发展空间。