聚酯圓筒內(nèi)表面阻隔DLC薄膜制備及性能研究.pdf

1、近年來(lái)隨著食品、藥品、飲料等包裝容器向輕型化、安全化、塑料化方向發(fā)展，為延長(zhǎng)產(chǎn)品的保質(zhì)期，對(duì)以聚酯(PET)瓶為代表的包裝容器的氣體阻隔性能不斷提出了新的要求。DLC薄膜由于具有良好的光學(xué)透明度、化學(xué)惰性以及高的氣體阻隔性能等特點(diǎn)，已成為了國(guó)內(nèi)外氣體阻隔功能薄膜研究的熱點(diǎn)。為了提高圓筒狀 PET材料的氣體阻隔性能，本文提出了磁場(chǎng)增強(qiáng)直流射頻復(fù)合等離子體增強(qiáng)化學(xué)氣相沉積的方法在圓筒狀 PET內(nèi)表面制備了 DLC薄膜。利用PIC/MCC等離

2、子體數(shù)值仿真的方法驗(yàn)證了直流射頻復(fù)合技術(shù)同軸筒狀布局的放電行為，并且采用實(shí)驗(yàn)的方法分析了反應(yīng)腔體等離子體放電的均勻性，提出利用磁場(chǎng)增強(qiáng)的方法來(lái)改善放電的均勻性。在此基礎(chǔ)上在 PET圓筒內(nèi)壁沉積制備了 DLC薄膜，利用掃描電鏡(SEM)、X射線光電子能譜(XPS)、傅里葉變換紅外光譜(FTIR)、光學(xué)輪廓儀等手段分析了膜層的組織和結(jié)構(gòu)；利用紫外可見(jiàn)光分光光度計(jì)、基體拉伸試驗(yàn)法、氣體透過(guò)率測(cè)試儀、接觸角分析儀與浸泡試驗(yàn)的方法系統(tǒng)研究了膜層的

3、均勻性、結(jié)合力、阻隔性能以及穩(wěn)定性。提出了小型多工位瓶體內(nèi)表面鍍膜樣機(jī)的設(shè)計(jì)與實(shí)施方案，為規(guī)模化生產(chǎn)提出了依據(jù)。
　　同軸筒狀布局等離子體放電行為的PIC/MCC數(shù)值模擬結(jié)果表明，直流基值電壓的引入可以改善外部電極鞘層厚度和鞘層兩端的電壓，實(shí)現(xiàn)了到達(dá)外部電極的離子能量的調(diào)節(jié)。通過(guò)增大射頻振蕩電壓幅值，增大離子密度，使得外部電極鞘層厚度降低，鞘層電壓增大，提高到達(dá)外部電極處離子能量。工作氣壓的變化可以增大電子密度和離子密度，降低到達(dá)

4、外部電極離子的能量。
　　通過(guò)直流電壓模塊與射頻電壓輸出模塊的有效復(fù)合，實(shí)現(xiàn)了射頻電壓幅值以及直流基值電壓的獨(dú)立調(diào)控。朗繆爾探針診斷結(jié)果表明，通過(guò)-70V直流基值電壓的復(fù)合，反應(yīng)腔體內(nèi)部的離子密度較無(wú)直流偏壓和直流偏壓為正向時(shí)高。此外，在較高的射頻功率以及工作氣壓下，也可以得到較高的離子密度。但是腔體內(nèi)部的離子密度軸向分布存在較為嚴(yán)重的不均勻現(xiàn)象，通過(guò)采用磁場(chǎng)約束的方法對(duì)離子密度較小的區(qū)域進(jìn)行增強(qiáng)離化，很好的改善離子密度分布的均勻

5、性。
　　PET圓筒內(nèi)壁 DLC膜層的沉積速率結(jié)果表明，通過(guò)負(fù)向直流偏壓的引入，選擇適當(dāng)高的射頻功率以及較高的工作氣壓，可以使得到達(dá)沉積表面乙炔基的通量增大，提高 DLC薄膜的沉積速率。DLC薄膜的組成與結(jié)構(gòu)主要受到薄膜沉積過(guò)程中離子能量的影響，可以通過(guò)控制直流基值電壓，射頻偏壓的以及工作氣壓的選擇加以調(diào)節(jié)。在較高的負(fù)向直流偏壓、在較低的工作氣壓下以及適當(dāng)?shù)纳漕l功率下可以得到較高的sp3碳含量。PET基體的DLC薄膜的沉積可以改善

6、原來(lái)基體的表面狀態(tài)，得到連續(xù)的相對(duì)光滑的薄膜。
　　利用軸向方向上 PET圓筒內(nèi)表面不同部位 DLC薄膜的光學(xué)透明度對(duì)膜層軸向均勻性進(jìn)行表征，發(fā)現(xiàn)沒(méi)有磁場(chǎng)約束時(shí)，在 PET圓筒得到的膜層分布不均勻。而磁場(chǎng)的引入有效的改善了膜層的均勻性?；w拉伸實(shí)驗(yàn)法對(duì) DLC膜層的結(jié)合力進(jìn)行了間接的表征，結(jié)果表明在較高的負(fù)向直流偏壓，適當(dāng)射頻功率以及較高的工作氣壓下可以獲得結(jié)合力良好的膜層。DLC薄膜的氣體透過(guò)率結(jié)果表明，隨著膜層等效膜層厚度的增

7、大，DLC薄膜沉積后樣品的阻隔性能大幅度提高。然而，當(dāng)?shù)刃雍穸瘸^(guò)一定程度時(shí)，膜層阻隔效果有所降低，這可能是由于厚膜更低的啟裂應(yīng)變引起的。通過(guò)表面接觸角和浸泡試驗(yàn)對(duì)膜層的穩(wěn)定性進(jìn)行研究，發(fā)現(xiàn)直流電壓為-100V，工作氣壓為15Pa和25Pa時(shí)得到膜層的接觸角較高(>90°)，經(jīng)過(guò)浸泡試驗(yàn)后表現(xiàn)出較好的穩(wěn)定性，可能同膜層中高的sp3/sp2比率有關(guān)。
　　為了驗(yàn)證瓶體內(nèi)表面鍍膜的規(guī)模化應(yīng)用，設(shè)計(jì)制造了一套15工位瓶體內(nèi)表面鍍膜樣