激光全息透明介質鍍膜的生產技術及蒸鍍設備的研制

摘 要：本文介紹了透明激光全息介質鍍膜生產過程，JHD-1100S-2高真空連續卷繞式硫化鋅鍍膜設備的特點、構成與性能，并對設備在設計和生產過程中出現的一些問題。進行了計論分析和介紹。

關鍵詞：激光全息；硫化鋅；蒸鍍設備研制

中圖分類號：TSB5 文獻標識碼：A

激光全息防偽材料目前在我國主要以激光全息鍍鋁膜、激光全息透明膜為主。激光全息透明膜的共同特點將聚酯薄膜上的鋁層或其它金屬層做成網點狀并控制的密度，在再現光線下使有金屬的網點處有光反射，在非金屬網點處形成光的透射，并調整透射與反射之比，使薄膜覆蓋的印刷圖文可以透過全息薄膜觀察到，且不影響全息圖文的顯示。透視型全息薄膜因生產工藝不同可以分為二種類型：一是金屬網點類，它是依靠金屬網點儲存全息圖像，通過透明網墻顯示被覆蓋的圖文，典型例子是我國第一代居民身份證的護卡全息透明膜。二是非金屬真空鍍膜，將承載模壓全息圖透明樹脂薄膜的浮雕面連續蒸鍍高折射率的介質保護層，并使全息圖的再現角正好等于兩種介質構成的反射角。由于塑料膜、鐳射信息層和介質膜都是透明的，所以這是一種真正意義上的“透明”的全息膜，典型例子是我國出國護照在個人信息頁的防偽全息透明轉移膜和汽車駕駛證透明全息護卡膜。

光學介質層在透視全息膜的作用首先是阻隔作用，其次是起調節全息圖案亮度與清晰度的作用。為了保證非金屬氧化物在塑料薄膜表面蒸鍍形成阻隔優良的鍍膜，鐳射信息層與蒸鍍原料的相容性是至關重要。我們知道，在可見光波段內呈透明的光學材料有幾十種如二氧化錫、三氧化二銦、氧化鎘、氧化鋅、硫化鋅、硫化鎘等，但從透明度、涂層制備工藝簡單程度、經濟效率考慮，最終選用高折射率和寬波通道的硫化鋅化合物半導體材料作為我們激光全息透明介質的光學膜層。當硫化鋅（ZnS）被蒸鍍到被模壓柔性聚酯膜鐳射信息面上時，從某一選定的角度下進行觀察，可以清楚的看到不同顏色激光全息圖文。

真空應用技術的發展為制備硫化鋅（（ZnS）薄膜提供了保證，我們在實驗室中分別采用射頻濺射擊、電子束蒸發、電阻加熱蒸發制備硫化鋅（ZnS）薄膜，而且采用上述不同方法制備硫化鋅（ZnS）薄膜結構也不盡相同，功效也不大一樣。JHD-1100SC-2型設備是為在高真空狀態下連續快速沉積硫化鋅薄膜而研制的，也是為制作透明激光全息介質膜而特別研制的專用設備。

下面介紹激光全息透明介質膜的生產流程，蒸鍍設備的原理、特點、性能及工作過程，并在設計、調試、生產過程中出現的一些問題進行討論分析。

1激光全息透明介質鍍膜的生產

激光全息透明介質膜的制作技術，是先進行全息照相，然后制作全息母版。母版表面充滿了凹凸不平的干涉條紋，其精度可達每毫米千余條。這些浮雕狀的條紋載錄了被拍物體的光強與位相信息，實現了全息記錄。然后用真空鍍膜和化學電鍍的方法，在母版表面電鍍一層很薄的金屬膜，再電鍍上適當厚度的鎳或其他金屬，做成一塊機械性能良好的模壓金屬板。將此版裝在壓印機上，熱壓聚酯類塑料薄膜的熱塑性涂層，把浮雕型全息圖壓印在薄膜的涂層上，最后在薄膜上真空蒸鍍一層透明的介質鍍層，以提高全息涂層的反射率，即成為透激光全息透明介質膜。生產工藝流程見圖一：

2 蒸鍍硫化鋅設備的特點

蒸鍍硫化鋅透明介質層工作原理：將塊狀硫化鋅置于真空室內，在一定的真空度下，通過對鉬舟加熱使其連續蒸發為硫化鋅蒸氣分子，這些氣化硫化鋅分子飛射到被冷卻的溫度較低的已模壓鐳射全息涂層表面，凝固后形成致密的透明介質層，

設備的主要特點：（1）本設備配備有一套快速可靠的組合式高真空抽氣系統，具有抽氣速度快，排氣量大，真空度高等優良性能。（2）本設備配備了能低度溫冷卻基體材料的鍍復主輥，以充分冷卻被鍍的基體材料，防止鍍制產品過熱起皺或粘連等現象。（3）本設備配備了既可安裝大功率導電氮化硼坩堝的金屬鋁鍍，也可安裝用于加熱硫化鋅鉬舟裝置。（4）本設備在基體材料的收卷部位，配備了可根據卷繞輥直徑的變化而自動調整位置來保持等距間隙的卷繞跟蹤裝置，此裝置可使被收卷基材不易起皺。（5）本設備在真空工作室配備有低溫冷凍盤管和深冷裝置。以提高設備的真空抽氣能力。

3 設備性能參數

（1）極限壓力：

上室≤1.3x10-1 Pa；下室≤5x10-3 Pa；

（2）恢復真空抽氣時間 8min達下室 7.0x10-2 Pa

（3）基材寬度：1100mm

（4）最大卷徑：Φ700mm

（5）卷繞速度： 0-400m/min

（6）跑偏量：≤±2mm

（7）蒸發量： 鋁絲（Φ1.5）0-3m/min

硫化鋅（每米幅度） 100-250g/min

4 設備的構成及功能

該設備主要由以下幾個部分構成：（一）真空抽氣系統。（二）真空工作室。（三）傳動卷繞系統及移動車。（四）硫化鋅、鋁絲蒸系統。（五）硫化鋅蒸發與鋁蒸發系統兩用平臺。（六）水冷卻系統。設備結構示意圖（圖2）如下：

4.1真空抽氣系統

真空抽氣系統是二組相對獨立又相互聯系的抽氣組組合而成的一套可同時對上、下二室進行快速排氣的裝置，上室抽氣機采用油增壓泵做為排氣主泵以保證在達到10-1 Pa的工作壓強下有較大的抽氣速率；下室抽氣組采用二臺油擴散泵做為排氣主泵，保證金屬鋁蒸鍍所需的10-2 Pa的真空狀態。真空主要有二臺K-900B油擴散泵、一臺Z-630油增壓泵、二臺ZJ-1200羅茨泵、四臺H-150滑閥式真空泵組成。其中二臺K-900B油擴散泵、一臺Z-630擴散噴射泵作為上下真空室的主泵，二臺ZJ-1200羅茨泵分別作為兩套主泵的前級泵，四臺H-150臺滑閥式真空泵分別作為兩主泵的機械泵。整個真空抽氣系統的閥門均為電磁換向氣動控制閥門，系統的油加熱主泵的預熱、工作抽氣、換工件停車以及冷泵等工作過程均采用PLC程序控制器進行自動控制，系統簡易流程如圖（圖3）

4.2真空工作室

真空工作室是整臺真空鍍膜設備的中心部件，其內部空間用于在真空狀態中卷繞種鍍制產品。真空室的結構為一臥式圓柱形筒子體，真空室中間隔板與鍍復主輥和防護隔板緊密配合把它隔離為上、下兩個相對獨立的工作室。上室為基體材料的卷繞工作室，下室為蒸發鍍膜工作室。

4.3卷繞系統

它是由基體材料卷繞裝置和動力小車組成。基體材料卷繞裝置劃分為放卷輥系、低溫鍍復主輥和收卷輥系共3個區域。基體材料的收卷轉軸、放卷轉軸均采用變頻調速電機作為旋轉驅動動力，并且采用矢量變頻控制器控制基體材料的收卷、放卷張力；低溫鍍復主輥及副輥作為卷繞工作速度的控制單元，也采用變頻調速電機作為驅動動力。

動力小車是用于安裝固定和運送基體材料卷繞裝的動力系統，它可以將基體材料卷繞裝置送入或移出真空工作室，以便于分別進行鍍鋁操作和進行裝卸收、放卷軸的操作。動力學小車由電機驅動在導軌上運行。

4.4硫化鋅、鋁蒸發系統

蒸發系統由蒸鍍裝置和運載小車等組成。蒸鍍裝置包括12組水冷蒸發電極以及安裝上面的12只導電氮化硼坩堝或12只鉬舟組成，鍍鋁時用氮化硼，蒸鍍硫化鋅安裝鉬舟。

蒸鍍裝置的運載小車用于將整個蒸鍍裝置送入或移出真空工作室，以便于進行更換坩堝或鉬舟等操作，以及對蒸鍍裝置作清潔處理。

4.5水路系統組件

水路系統供設備真空抽氣系統和卷繞裝置冷卻供水之用，水路系統組件內裝有冷卻水流量報警器，作為冷卻水流量提供不足時報警之用。

5 蒸鍍硫化鋅工藝技術關鍵及解決辦法

5.1因基材表面有鐳射信息涂層，蒸發材料本身易吸濕，真空狀態下基材和蒸發材料的放氣量都比較大，為保證工作狀態真空度的穩定性，配備了超低溫冷凝捕集裝置，主要捕集基材涂層釋放的水分；

5.2設備要求即能鍍鋁又能鍍硫化鋅膜，在鍍硫化鋅時，在每對電極上配以鉬舟的壓塊，就穩定可靠地對硫化鋅加熱，在 1.0—4.0 Pa 的粗真空狀態下，就可滿足硫化鋅的蒸鍍要求。

5.3塊狀鋅化鋅的規格為長x寬x厚=80x30x20mm長方形塊狀硫化鋅，在厚度方向上下兩塊疊加，這樣保證了硫化鋅材料的連續蒸發的量，連續鍍膜長度達到16000米；真空蒸鍍硫化鋅時，用鉬舟作蒸發源，底下墊上相應數量的Φ8石英玻璃管，用于襯托鉬舟，支承硫化鋅的重量。

5.4鍍制硫化鋅膜要求均勻性要求，鉬舟布局采用在膜寬方向上交錯直線分布設計，做到蒸發源在鍍膜輥軸線方向上全幅寬覆蓋，實現膜層的均勻一致性要求。

5.5鍍鋁膜的工作卷繞速度在60-400米/分，鍍硫化鋅膜時工作卷繞速度在50-350米/分，低溫鍍復主輥內部采用夾層多路水循環冷卻結構。滾筒的表面均經過精磨合之能與基體材料保持良好的接觸，以充分冷卻被鍍的基體材料。工作溫度保持在零下15℃到零下25℃，保證鍍膜速度較慢時對薄膜的受熱起保護作用。

5.6硫化鋅蒸鍍膜層附著強度要求高（相對鍍鋁要求更高），在基材的全息信息面在蒸鍍前進行電暈處理，要求表面張力在52達因以上。

5.7基體材料的收卷轉軸、放卷轉軸均采用變頻調速電機作為旋轉驅動動力，并且采用矢量變頻控制器控制基體材料的收卷、放卷張力。收卷、放卷變頻調整電機和配有一套全自動張力監測控制系統，從而確保了工作時收卷張力和放卷張力的穩定。

5.8為保證鍍膜前、收卷后薄膜平面的平整度，對薄膜在鍍膜收卷前分別用橡膠弧形輥進行展平，保證收卷后薄膜的展平效果。

結語

經過近三年來的反復實驗和調試，現已大批量用于實際生產。該設備生產加工的硫化鋅透明介質膜，已成功應用于高檔的煙、酒包裝和中國護照、中國警察證等透明全息介質防偽專用膜的公共安全領域；該設備運行良好，一次性連續蒸鍍硫化鋅達16000米以上，拓展了真空連續鍍膜設備的應用領域；設備的整機性能在蒸鍍硫化鋅技術方面達到了國內領先水平，在國內包裝、防偽全息領域有很好的市場前景。

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