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，為延長產(chǎn)品的保質(zhì)期，對以聚酯(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透明度、化學惰性以及高的氣體阻隔性能等特點，已成為了國內(nèi)外氣體阻隔功能薄膜研究的熱點。為了提高圓筒狀 PET材料的氣體阻隔性能，本文提出了磁場增強直流射頻復合等離子體增強化學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)值仿真的方法驗證了直流射頻復合技術(shù)同軸筒狀布局的放電行為，并且采用實驗的方法分析了反應腔體等離子體放電的均勻性，提出利用磁場增強的方法來改善放電的均勻性。在此基礎上在 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)；利用紫外可見光分光光度計、基體拉伸試驗法、氣體透過率測試儀、接觸角分析儀與浸泡試驗的方法系統(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)表面鍍膜樣機的設計與實施方案，為規(guī)?；a(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，實現(xiàn)了到達外部電極的離子能量的調(diào)節(jié)。通過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

4、外部電極離子的能量。
　　通過直流電壓模塊與射頻電壓輸出模塊的有效復合，實現(xiàn)了射頻電壓幅值以及直流基值電壓的獨立調(diào)控。朗繆爾探針診斷結(jié)果表明，通過-70V直流基值電壓的復合，反應腔體內(nèi)部的離子密度較無直流偏壓和直流偏壓為正向時高。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重的不均勻現(xiàn)象，通過采用磁場約束的方法對離子密度較小的區(qū)域進行增強離化，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，通過負向直流偏壓的引入，選擇適當高的射頻功率以及較高的工作氣壓，可以使得到達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程中離子能量的影響，可以通過控制直流基值電壓，射頻偏壓的以及工作氣壓的選擇加以調(diào)節(jié)。在較高的負向直流偏壓、在較低的工作氣壓下以及適當?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、原來基體的表面狀態(tài)，得到連續(xù)的相對光滑的薄膜。
　　利用軸向方向上 PET圓筒內(nèi)表面不同部位 DLC薄膜的光學透明度對膜層軸向均勻性進行表征，發(fā)現(xiàn)沒有磁場約束時，在 PET圓筒得到的膜層分布不均勻。而磁場的引入有效的改善了膜層的均勻性。基體拉伸實驗法對 DLC膜層的結(jié)合力進行了間接的表征，結(jié)果表明在較高的負向直流偏壓，適當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?shù)刃雍穸瘸^一定程度時，膜層阻隔效果有所降低，這可能是由于厚膜更低的啟裂應變引起的。通過表面接觸角和浸泡試驗對膜層的穩(wěn)定性進行研究，發(fā)現(xiàn)直流電壓為-100V，工作氣壓為15Pa和25Pa時得到膜層的接觸角較高(>90°)，經(jīng)過浸泡試驗后表現(xiàn)出較好的穩(wěn)定性，可能同膜層中高的sp3/sp2比率有關(guān)。
　　為了驗證瓶體內(nèi)表面鍍膜的規(guī)模化應用，設計制造了一套15工位瓶體內(nèi)表面鍍膜樣