燙印箔用真空蒸發鍍錫膜工藝參數的確定

武天海

（蘭州真空設備有限責任公司，甘肅 蘭州 730050）

1 引言

高真空連續蒸發卷繞鍍膜設備主要用于塑料、布、紙、鋼帶等帶狀材料表面真空蒸鍍薄膜，尤其是連續真空鍍鋁膜，可作為食品的金屬化包裝材料、反光材料、保溫隔熱材料、表面裝潢材料、電氣材料以及各種標識、商標、標簽等裝飾材料。產品廣泛應用于包裝、裝潢、印刷、紡織、食品、防偽、卷煙、航空航天、電子工業等領域，如卷煙行業的金銀紙盒、酒類標簽紙、食品包裝紙、其他標簽用紙、高溫作業的工作服及宇航服的絕熱隔熱層等[1]。

如果在厚度12 μm的基材滌綸薄膜（PET）上通過專用涂布機均勻涂布一層醇溶性染色樹脂層即色層、利用高真空連續蒸發卷繞鍍鋁膜機在脫離層上鍍制一層金屬鋁膜層、再在鍍鋁膜層上均勻涂布一層熱熔性膠粘劑而制成的產品叫燙印箔即俗稱電化鋁。它借助于一定的溫度和壓力，使附著在滌綸薄膜上的熱熔膠層、金屬鍍鋁層和樹脂染色層一同轉印到承印物上，統稱為燙金或燙印。燙印后由于具有強烈的金屬光澤和華貴、富麗堂皇的本色，從而使得其應用十分廣泛，并且其生產工藝和技術得以迅速發展和提高。

目前就其加工制造過程中無論是連續真空鍍鋁膜工藝，還是色層、膠粘層各層的涂布工藝，國內外生產廠家均進行過大量深入探討和研究，生產加工工藝也越來越成熟。而蘭州真空為東南亞某客戶提供的具有特殊用途的真空鍍錫燙印箔生產線，除染色樹脂層、膠粘層涂布采用與電化鋁生產加工相同的工藝外，首次采用高真空連續蒸發卷繞鍍鋁設備鍍出符合燙印箔要求的鍍錫膜層，替代原來在東南亞各國已經大量使用的用傳統壓延錫膜與紙復合再經過染色法制備工藝制作的金銀冥幣。這種鍍錫燙印膜層與鍍鋁燙印膜層最大的區別在于其燙印后不似鍍鋁層的燙金膜有極強烈的金屬光澤，其金色、銀色燙印膜轉燙印到紙上后只呈現出與金、銀金屬本身色彩相同的顏色，給人以真金真銀的真實感覺。它主要用于制作仿金仿銀品等。由于壓延錫膜受壓延工藝限制其制成品很厚約40～50 μm左右，造成原料和制造加工成本很高且生產效率很低。因此，研究和開發新的鍍錫膜（錫膜厚度只有0.25～0.40 μm）加工工藝就非常重要，用高速、低成本的真空鍍錫燙印膜替代原來用壓延錫膜與紙復合再經過染色法制成的金銀紙已成為必然。

由于高純鋁與高純錫的物理特性不同，導致兩者的真空鍍膜工藝參數存在差別。本文依據鋁和錫兩者的物理性能分析對比，利用現有的高真空連續蒸發卷繞鍍鋁設備，摸索出符合燙金使用要求的真空鍍錫的具體工藝參數。

2 高真空連續蒸發卷繞鍍鋁工藝參數

高真空連續蒸發卷繞鍍膜機上采用Φ1.5 mm的鋁絲、氮化硼蒸發舟，在厚度12 μm的PET膜上蒸發鍍鋁膜的成熟工藝參數為：

蒸發室真空度為（7～9）×10-2Pa、蒸發舟電流為 700～800 A、電壓 7～8 V，送絲速度 0.8～1.2 m/min，PET 膜卷繞速度400～450 m/min。

3 高真空連續蒸發卷繞鍍錫工藝參數的確定

3.1 鍍錫工藝的實驗

目前，在國內還沒有發現用高真空連續蒸發卷繞鍍鋁膜設備蒸鍍高純錫絲的相關報道。在實驗初期，只能比照傳統的鍍鋁工藝參數進行試鍍。實驗采用蘭州真空制造的ZZL-2200/1.35高真空連續蒸發卷繞鍍鋁膜機，使用與鍍鋁膜相同的PET薄膜、氮化硼蒸發舟、錫絲以及相同的主要工藝參數進行蒸鍍實驗。

鍍后復卷檢查時發現，鍍錫膜層非常不均勻，厚薄不一，某些部位甚至沒有鍍層，而且局部鍍膜層表面粗糙，有很多大小不等的針孔，成膜的質量非常差，說明現有的鍍鋁工藝不適合鍍錫。

3.2 鋁和錫物理性能比較

表1列出了鋁和錫的主要物理性能參數[2，3]。

表1 鋁和錫主要物理性能參數

金屬在真空中只要加熱到能使其飽和蒸氣壓達到1 Pa以上時，均能迅速蒸發以單原子進入氣相，即先達到熔點然后從液相中蒸發。

材料的蒸氣壓p與蒸發溫度T之間的近似關系可用下式表達[4]

式中 A、B分別為與材料性質有關的常數，可直接由實驗確定，或查閱資料得到；p為蒸氣壓單位（Pa）；T為絕對溫度（K）。因此，蒸發溫度可通過上式計算得出，也可通過各種元素的飽和蒸氣壓曲線來查得。表2列出了鋁和錫蒸氣壓公式中的A、B值。

表2 鋁和錫的A、B值

表3列出了鋁和錫在不同的蒸氣壓時的溫度及該溫度下的蒸發速率W/（g/cm2·s）。

表3 鋁和錫在不同蒸氣壓下的蒸發速率[5]

另外，膜材在真空中的蒸發速率W或N（即單位時間從單位面積蒸發的質量或分子數）的計算公式為[5，6]

式中 W或N為膜材在真空中在單位時間內從單位面積上的蒸發質量（kg/m2·s）或分子數（個/cm2·s）；p為膜材在溫度為T時的飽和蒸氣壓力（Pa）；T為 蒸發的絕對溫度（K）；M或u為膜材的摩爾質量或分子量、原子量。

從表和公式可以看出：鋁和錫2種膜材的蒸氣壓均隨溫度的增高而增加；在相同真空度、相同溫度時，鋁的蒸氣壓要比錫的蒸氣壓高；鋁和錫的蒸發溫度均隨著真空度的增加而顯著降低，尤其錫的降低值比鋁快，真空度越高其溫度差越大，也就是在高真空下錫比鋁的蒸發溫度低、容易蒸發。

在相同蒸發溫度、真空度及送絲速度、絲的直徑和薄膜卷繞速度的情況下，盡管錫比鋁容易蒸發，但由于錫的原子量比鋁的原子量大很多（約是4.39倍），錫在單位時間從單位面積上蒸發的原子數遠沒有鋁蒸發的原子數多，所以在同等條件下基材薄膜上沉積的錫的數量就較鋁的少很多[7，8]。

這樣，就可以解釋為什么按照鍍鋁的工藝參數鍍出的錫膜層很不均勻，有的地方甚至沒有沉積上錫。由此就為我們確定真空鍍錫的基本工藝參數提供了理論依據。

3.3 鍍錫工藝參數的確定

經過初期試鍍和理論分析計算知道，為了要得到厚度均勻一致、適合燙金要求的真空鍍錫膜層，必須在鍍鋁工藝參數的基礎上進行調整，從理論上講，就是要增加蒸發速率亦即增加錫的蒸發量。

根據以上分析，采取提高真空度和蒸發溫度、增大送絲量、降低薄膜卷繞速度等均可顯著增加錫的蒸發量，即在基材上的沉積量。

考慮到工藝的可行性以及生產成本、鍍膜成品的熱變形等因素，除了提高蒸發室真空度（是由鍍鋁時的（7～9）×10-2Pa提高到（5～7）×10-3Pa）外，增加錫絲直徑到 Φ2.0 mm，適當降低薄膜的卷繞速度、增加送絲速度和適當降低蒸發舟的溫度來增加錫的蒸發量。

盡管提高蒸發溫度即增加蒸發舟的電流和電壓能增加蒸發量，但由于工藝上已經降低了薄膜卷繞速度、提高了蒸發室真空度，另外高溫易引起PET薄膜受熱變形，綜合考慮各種因素，適當降低蒸發舟的電流和電壓對錫的蒸發影響不會很大。

經過在不同工藝參數下反復試鍍，最終確定出了滿足實際使用要求的合理鍍錫工藝參數如下：蒸發舟電流 500～600 A、電壓 5～7 V，送絲速度 1.8～2.2 m/min，卷繞速度 250～300 m/min，蒸發室真空度（5～7）×10-3Pa。

采用該工藝參數為用戶在實際生產中進行真空鍍錫，制備的成品膜層完全滿足用戶對燙金錫膜的要求。

4 結論

實驗所得到的真空鍍錫工藝參數與理論分析的結果基本一致：

1）在相同的真空條件下，由于錫比鋁容易蒸發，即錫的蒸發溫度比鋁稍低，另外考慮到薄膜卷繞速度及其易受熱變形等因素，因此蒸發舟的電流電壓要較鍍鋁時的電流電壓小一些。

2）在相同的條件下，由于錫的蒸發原子數量遠沒有鋁的蒸發原子數量多，因此需要采用增加送絲量（增加錫絲直徑，增加送絲速度）、降低薄膜卷繞速度來增加錫蒸發量以達到基材上沉積錫數量的要求。

3）適當提高蒸發室的真空度非常有利于錫的蒸發。

4）利用現有的高真空連續蒸發卷繞鍍鋁膜機在不進行結構改造的情況下只改變相應鍍膜參數就可以實現由鍍鋁膜到鍍錫膜的轉變，可以實現一機多用，為今后研究開發該類型設備的更新更多的用途提供了有用的借鑒。

[1]張以忱.真空鍍膜技術[M].北京：冶金工業出版社，2009，9。

[2]沈曉輝張秋實，揚義.覆膜上光燙金模壓[M].北京：印刷工業出版社，1996，12。

[3]大連工學院無機化學教研室.無機化學[M].北京：人民教育出版社，1978，3。

[4]高本輝，崔素言.真空物理[M].北京：科學出版社，1983，12。

[5]楊乃恒，幕墻玻璃真空鍍膜技術[M].沈陽：東北大學出版社，1994，12。

[6]李云奇，真空鍍膜技術與設備[M].沈陽：東北工學院出版社，1989，10。

[7]趙印中，李林，何延春，等.磁控濺射法制備高反射鋁膜[J].真空與低溫，2008，（3）：164～166。

[8]范文賓，李河琴，邵林飛.奧氏體不銹鋼表面硬質薄膜制備與性能研究[J].真空與低溫，2009，（4）：227～232。