武天海

（兰州真空设备有限责任公司，甘肃 兰州 730050）

1 引言

高真空连续蒸发卷绕镀膜设备主要用于塑料、布、纸、钢带等带状材料表面真空蒸镀薄膜，尤其是连续真空镀铝膜，可作为食品的金属化包装材料、反光材料、保温隔热材料、表面装潢材料、电气材料以及各种标识、商标、标签等装饰材料。产品广泛应用于包装、装潢、印刷、纺织、食品、防伪、卷烟、航空航天、电子工业等领域，如卷烟行业的金银纸盒、酒类标签纸、食品包装纸、其他标签用纸、高温作业的工作服及宇航服的绝热隔热层等[1]。

如果在厚度12 μm的基材涤纶薄膜（PET）上通过专用涂布机均匀涂布一层醇溶性染色树脂层即色层、利用高真空连续蒸发卷绕镀铝膜机在脱离层上镀制一层金属铝膜层、再在镀铝膜层上均匀涂布一层热熔性胶粘剂而制成的产品叫烫印箔即俗称电化铝。它借助于一定的温度和压力，使附着在涤纶薄膜上的热熔胶层、金属镀铝层和树脂染色层一同转印到承印物上，统称为烫金或烫印。烫印后由于具有强烈的金属光泽和华贵、富丽堂皇的本色，从而使得其应用十分广泛，并且其生产工艺和技术得以迅速发展和提高。

目前就其加工制造过程中无论是连续真空镀铝膜工艺，还是色层、胶粘层各层的涂布工艺，国内外生产厂家均进行过大量深入探讨和研究，生产加工工艺也越来越成熟。而兰州真空为东南亚某客户提供的具有特殊用途的真空镀锡烫印箔生产线，除染色树脂层、胶粘层涂布采用与电化铝生产加工相同的工艺外，首次采用高真空连续蒸发卷绕镀铝设备镀出符合烫印箔要求的镀锡膜层，替代原来在东南亚各国已经大量使用的用传统压延锡膜与纸复合再经过染色法制备工艺制作的金银冥币。这种镀锡烫印膜层与镀铝烫印膜层最大的区别在于其烫印后不似镀铝层的烫金膜有极强烈的金属光泽，其金色、银色烫印膜转烫印到纸上后只呈现出与金、银金属本身色彩相同的颜色，给人以真金真银的真实感觉。它主要用于制作仿金仿银品等。由于压延锡膜受压延工艺限制其制成品很厚约40～50 μm左右，造成原料和制造加工成本很高且生产效率很低。因此，研究和开发新的镀锡膜（锡膜厚度只有0.25～0.40 μm）加工工艺就非常重要，用高速、低成本的真空镀锡烫印膜替代原来用压延锡膜与纸复合再经过染色法制成的金银纸已成为必然。

由于高纯铝与高纯锡的物理特性不同，导致两者的真空镀膜工艺参数存在差别。本文依据铝和锡两者的物理性能分析对比，利用现有的高真空连续蒸发卷绕镀铝设备，摸索出符合烫金使用要求的真空镀锡的具体工艺参数。

2 高真空连续蒸发卷绕镀铝工艺参数

高真空连续蒸发卷绕镀膜机上采用Φ1.5 mm的铝丝、氮化硼蒸发舟，在厚度12 μm的PET膜上蒸发镀铝膜的成熟工艺参数为：

蒸发室真空度为（7～9）×10-2Pa、蒸发舟电流为 700～800 A、电压 7～8 V，送丝速度 0.8～1.2 m/min，PET 膜卷绕速度400～450 m/min。

3 高真空连续蒸发卷绕镀锡工艺参数的确定

3.1 镀锡工艺的实验

目前，在国内还没有发现用高真空连续蒸发卷绕镀铝膜设备蒸镀高纯锡丝的相关报道。在实验初期，只能比照传统的镀铝工艺参数进行试镀。实验采用兰州真空制造的ZZL-2200/1.35高真空连续蒸发卷绕镀铝膜机，使用与镀铝膜相同的PET薄膜、氮化硼蒸发舟、锡丝以及相同的主要工艺参数进行蒸镀实验。

镀后复卷检查时发现，镀锡膜层非常不均匀，厚薄不一，某些部位甚至没有镀层，而且局部镀膜层表面粗糙，有很多大小不等的针孔，成膜的质量非常差，说明现有的镀铝工艺不适合镀锡。

3.2 铝和锡物理性能比较

表1列出了铝和锡的主要物理性能参数[2，3]。

表1 铝和锡主要物理性能参数

金属在真空中只要加热到能使其饱和蒸气压达到1 Pa以上时，均能迅速蒸发以单原子进入气相，即先达到熔点然后从液相中蒸发。

材料的蒸气压p与蒸发温度T之间的近似关系可用下式表达[4]

式中 A、B分别为与材料性质有关的常数，可直接由实验确定，或查阅资料得到；p为蒸气压单位（Pa）；T为绝对温度（K）。因此，蒸发温度可通过上式计算得出，也可通过各种元素的饱和蒸气压曲线来查得。表2列出了铝和锡蒸气压公式中的A、B值。

表2 铝和锡的A、B值

表3列出了铝和锡在不同的蒸气压时的温度及该温度下的蒸发速率W/（g/cm2·s）。

表3 铝和锡在不同蒸气压下的蒸发速率[5]

另外，膜材在真空中的蒸发速率W或N（即单位时间从单位面积蒸发的质量或分子数）的计算公式为[5，6]

式中 W或N为膜材在真空中在单位时间内从单位面积上的蒸发质量（kg/m2·s）或分子数（个/cm2·s）；p为膜材在温度为T时的饱和蒸气压力（Pa）；T为 蒸发的绝对温度（K）；M或u为膜材的摩尔质量或分子量、原子量。

从表和公式可以看出：铝和锡2种膜材的蒸气压均随温度的增高而增加；在相同真空度、相同温度时，铝的蒸气压要比锡的蒸气压高；铝和锡的蒸发温度均随着真空度的增加而显著降低，尤其锡的降低值比铝快，真空度越高其温度差越大，也就是在高真空下锡比铝的蒸发温度低、容易蒸发。

在相同蒸发温度、真空度及送丝速度、丝的直径和薄膜卷绕速度的情况下，尽管锡比铝容易蒸发，但由于锡的原子量比铝的原子量大很多（约是4.39倍），锡在单位时间从单位面积上蒸发的原子数远没有铝蒸发的原子数多，所以在同等条件下基材薄膜上沉积的锡的数量就较铝的少很多[7，8]。

这样，就可以解释为什么按照镀铝的工艺参数镀出的锡膜层很不均匀，有的地方甚至没有沉积上锡。由此就为我们确定真空镀锡的基本工艺参数提供了理论依据。

3.3 镀锡工艺参数的确定

经过初期试镀和理论分析计算知道，为了要得到厚度均匀一致、适合烫金要求的真空镀锡膜层，必须在镀铝工艺参数的基础上进行调整，从理论上讲，就是要增加蒸发速率亦即增加锡的蒸发量。

根据以上分析，采取提高真空度和蒸发温度、增大送丝量、降低薄膜卷绕速度等均可显著增加锡的蒸发量，即在基材上的沉积量。

考虑到工艺的可行性以及生产成本、镀膜成品的热变形等因素，除了提高蒸发室真空度（是由镀铝时的（7～9）×10-2Pa提高到（5～7）×10-3Pa）外，增加锡丝直径到 Φ2.0 mm，适当降低薄膜的卷绕速度、增加送丝速度和适当降低蒸发舟的温度来增加锡的蒸发量。

尽管提高蒸发温度即增加蒸发舟的电流和电压能增加蒸发量，但由于工艺上已经降低了薄膜卷绕速度、提高了蒸发室真空度，另外高温易引起PET薄膜受热变形，综合考虑各种因素，适当降低蒸发舟的电流和电压对锡的蒸发影响不会很大。

经过在不同工艺参数下反复试镀，最终确定出了满足实际使用要求的合理镀锡工艺参数如下：蒸发舟电流 500～600 A、电压 5～7 V，送丝速度 1.8～2.2 m/min，卷绕速度 250～300 m/min，蒸发室真空度（5～7）×10-3Pa。

采用该工艺参数为用户在实际生产中进行真空镀锡，制备的成品膜层完全满足用户对烫金锡膜的要求。

4 结论

实验所得到的真空镀锡工艺参数与理论分析的结果基本一致：

1）在相同的真空条件下，由于锡比铝容易蒸发，即锡的蒸发温度比铝稍低，另外考虑到薄膜卷绕速度及其易受热变形等因素，因此蒸发舟的电流电压要较镀铝时的电流电压小一些。

2）在相同的条件下，由于锡的蒸发原子数量远没有铝的蒸发原子数量多，因此需要采用增加送丝量（增加锡丝直径，增加送丝速度）、降低薄膜卷绕速度来增加锡蒸发量以达到基材上沉积锡数量的要求。

3）适当提高蒸发室的真空度非常有利于锡的蒸发。

4）利用现有的高真空连续蒸发卷绕镀铝膜机在不进行结构改造的情况下只改变相应镀膜参数就可以实现由镀铝膜到镀锡膜的转变，可以实现一机多用，为今后研究开发该类型设备的更新更多的用途提供了有用的借鉴。

[1]张以忱.真空镀膜技术[M].北京：冶金工业出版社，2009，9。

[2]沈晓辉张秋实，扬义.覆膜上光烫金模压[M].北京：印刷工业出版社，1996，12。

[3]大连工学院无机化学教研室.无机化学[M].北京：人民教育出版社，1978，3。

[4]高本辉，崔素言.真空物理[M].北京：科学出版社，1983，12。

[5]杨乃恒，幕墙玻璃真空镀膜技术[M].沈阳：东北大学出版社，1994，12。

[6]李云奇，真空镀膜技术与设备[M].沈阳：东北工学院出版社，1989，10。

[7]赵印中，李林，何延春，等.磁控溅射法制备高反射铝膜[J].真空与低温，2008，（3）：164～166。

[8]范文宾，李河琴，邵林飞.奥氏体不锈钢表面硬质薄膜制备与性能研究[J].真空与低温，2009，（4）：227～232。