一种柔性阻隔薄膜及其制备方法与流程

本发明属于柔性阻隔功能薄膜技术领域，具体涉及一种柔性阻隔薄膜及其制备方法。

背景技术：

柔性阻隔材料是可以有效阻隔环境中水汽和氧气的功能材料。最通用的阻隔材料是金属铝，一定厚度的金属铝薄膜具有阻隔性能。由于金属铝的阻隔性能一般，且金属铝与基膜结合力较差，在制作柔性阻隔产品时出现脱膜问题，可以通过金属氧化物薄膜与金属薄膜的多层膜系设计来提高阻隔产品的阻隔性能和膜基结合力。

常规柔性阻隔材料的结构仅仅包括基膜和主层，要提高阻隔材料的阻隔性能只能通过增加主层的厚度来实现，大大增加了材料成本；此外增加主层的厚度会导致膜基的结合力更差。

常规柔性阻隔材料制备工艺为：首先将基膜送入真空蒸发系统中，生长主膜铝膜，利用冷棍进行强冷却，最后完成阻隔材料的制作。

将金属铝块体放入真空系统中，铝材料的饱和蒸气压与环境真空度和环境温度有着定量关系。一般环境真空度达到10^-2pa，铝材料加热到1300℃，铝材料会在真空系统中由固态向气态转化，形成大量铝材料蒸汽，在基膜上生长铝阻隔薄膜。

采用真空蒸发铝材料的方法，可以实现在基膜上生长铝薄膜，提高基膜的阻隔性能。但真空蒸发金属铝技术的铝生长速率不易控制，且往往生长速度过快，导致在基膜上生长的铝薄膜致密性差，严重影响成品的阻隔性能。

金属铝薄膜与有机高分子基膜，在真空蒸发系统中直接结合后，一般结合力较差。铝材料在真空系统中蒸发，形成铝蒸汽，铝蒸汽与基膜之间的结合为范德瓦尔斯力，这种力的结合效果较差，且范德瓦尔斯力受铝薄膜生长参数影响很大，不易控制。

技术实现要素：

针对现有技术中存在的不足之处，本发明的目的在于提供一种提高柔性阻隔薄膜阻隔性能的方法。

为了实现上述目的，本发明采用以下技术方案：

一种柔性阻隔薄膜，包括依次制备于基层上的结合层、主层和阻隔层；其中：所述结合层用于提高基膜结合力，包括内侧第一介质层和外侧第一扩散层；所述主层为纯铝层；所述阻隔层用于提高薄膜阻隔性能，包括内侧第二扩散层和外侧第二介质层；所述第一介质层、第一扩散层、第二扩散层和第二介质层均为非晶态的氧化铝薄膜。

所述第一介质层的厚度小于3nm(优选2-3nm之间)，所述第一扩散层的厚度小于5nm(优选3-5nm)；所述主层的纯度≥99.9％，厚度15-50nm；所述第二扩散层的厚度小于5nm(优选3-5nm之间)，所述第二介质层厚度≤5nm(优选5nm)。

所述第一介质层中铝原子与氧原子的数量比例为1：(1.2-1.5)，所述第一扩散层中铝原子与氧原子的数量比例为1：(1-1.3)；所述第二扩散层中铝原子与氧原子的数量比例为1：(0.8-1.1)，所述第二介质层中铝原子与氧原子的数量比例为1：1.1。

所述第一介质层的折射率为1.7-1.75之间，所述第一扩散层的折射率为1.74-1.78之间；所述第二扩散层的折射率为1.78-1.85之间，所述第二介质层的折射率为1.8。

所述基层为的材质为bopp或bopet。

所述柔性阻隔薄膜，其水蒸气透过率低于0.85cm³/(m²·d)，氧气透过率低于0.9g/(m²·d)；膜基结合力高于2.8n/mm²。

所述柔性阻隔薄膜是利用真空蒸发镀膜(cvd)设备进行制备，蒸发源为al靶，该制备方法包括如下步骤：

(1)将基层进行电晕处理后放入真空蒸发镀膜设备中，基层在反应腔内初始温度为25～28℃；

(2)第一次镀氧化铝层：将氧气加热至85～95℃后通入真空蒸发镀膜设备中，控制通入氧气流量为7000～8000sccm，开启蒸发源，镀膜0.3h后停止通入氧气，并通入ar排除反应腔体内氧气；在基层上获得氧化铝层；

(3)主层纯铝层的制备：开启al靶电源，在ar气氛下镀纯al膜，镀膜时间1.5h；在步骤(2)制备的氧化铝层上获得纯铝层；

(4)第二次镀氧化铝层：在反应腔内通入85～95℃氧气，氧气流量5000～6000sccm，开启al靶电源后镀阻隔层，镀膜0.5h后停止通入氧气，在纯铝层上获得氧化铝层；

(5)取出反应腔内样品，在25～28℃进行冷却处理后，即获得所述柔性阻隔薄膜。

上述制备方法中，镀膜过程中本底真空度为8×10^-3pa，镀膜温度为75℃。

上述步骤(5)中，样品经冷却处理后，第一次所镀氧化铝膜向纯铝层内自然扩散形成内侧第一介质层和外侧第一扩散层；第二次所镀氧化铝膜向纯铝层内自然扩散形成内侧第二扩散层和外侧第二介质层。

本发明设计机理如下：

本发明在铝蒸汽与基膜结合之前，在两者之间生成一定厚度的氧化铝薄膜可以大大提高铝蒸汽与基膜之间的结合力。氧化铝中的氧元素，既可以与基膜形成化学键结构，同时也可以与铝原子形成化学键结构。因此氧化铝薄膜起到了加强基膜与铝薄膜相互结合的作用。当将与基膜及纯铝直接接触的氧化铝膜分别调控到一定的厚度及折射率范围内时，氧化铝薄膜与基膜及纯铝能达到最优结合力，本发明通过控制镀膜参数，将第一介质层折射率控制为1.7-1.75之间(2-3nm厚)，将第一扩散层的折射率控制为1.74-1.78之间(3-5nm厚)；实现基膜与纯铝层的最优结合。

介质薄膜的致密性要大于同类的纯金属薄膜，氧化铝薄膜一般为面心立方结构，氧原子占据面心立方的阵点位置，而铝原子占据四面体间隙位置，形成了紧密结构。因此采用氧化铝薄膜来替代部分铝薄膜的阻隔材料，这样材料的阻隔性能会大大提升。本发明在纯铝膜上进一步制备了阻隔层，该阻隔层向纯铝层内扩散后，形成内侧第二扩散层和外侧第二介质层；通过控制工艺参数使第二扩散层的折射率为1.78-1.85之间，第二介质层的折射率为1.8，使第二扩散层兼顾与纯铝膜的结合力及阻隔性能。

本发明的优点及有益效果是：

1.本发明利用真空蒸发反应技术，以氧气作为前驱气体，在基膜上沉积了氧化铝/铝/氧化铝的复合膜系，经过自然扩散后形成具有高阻隔性能的5层膜结构。

2.本发明利用真空蒸发反应cvd技术，制备及优化各层氧化铝薄膜的性能，实现了高阻隔材料的制备，且膜基结合力提高一倍以上。

附图说明

图1是本发明柔性阻隔薄膜结构示意图。

图中：1-基层；2-第一介质层；3-第一扩散层；4-主层；5-第二扩散层；6-第二介质层。

具体实施方式

为了进一步理解本发明，以下结合实施例对本发明进行描述，但实例仅为对本发明的特点和优点做进一步阐述，而不是对本发明权利要求的限制。

柔性阻隔材料是可以有效阻隔环境中的水汽和氧气的功能材料。最通用的阻隔材料是金属铝，由于金属铝的阻隔性能一般，且金属铝与基膜结合力较差，在制作柔性阻隔产品时出现脱膜问题，可以通过金属氧化物薄膜与金属薄膜的多层膜系设计来提高阻隔产品的阻隔性能和膜基结合力。

本发明设计的柔性阻隔薄膜如图1所示，包含基层1、第一介质层2、第一扩散层3、主层4、第二扩散层5、第二介质层6，其中第一介质层位于基底和第一扩散层之间，第一介质层和第一扩散层共同作为提高基膜结合力的结合层，所述第二扩散层位于主层与第二介质层之间，第二扩散层和第二介质层共同作为提高薄膜阻隔性能的阻隔层。

第一介质层作为提高膜基结合力的功能层，材料是氧化铝，结构为不定型非晶薄膜，薄膜内铝原子与氧原子数量比例为1:1.2～1:1.5。所述第一介质氧化铝层的薄膜厚度在3nm以内，一般为2～3nm。第一介质氧化铝层的折射率为1.7～1.75之间。第一扩散层的材料为氧化铝薄膜，薄膜内铝原子与氧原子数量比例为1:1～1:1.3。第一扩散氧化铝层的薄膜厚度在5nm以内，一般为3～5nm。第一扩散氧化铝层的折射率为1.74～1.78之间。主层为铝薄膜，纯度为99.9％，厚度在15～50nm之间。第二扩散层的材料为氧化铝薄膜，薄膜内铝原子与氧原子数量比例为1:0.8～1:1.1。第二扩散氧化铝层的薄膜厚度在5nm以内，一般为3～5nm。第二扩散氧化铝层的折射率为1.78～1.85之间。第二介质层材料为氧化铝，结构为不定型非晶薄膜，薄膜内铝原子与氧原子数量比例为1:1.2～1:1.5。第二介质氧化铝层的薄膜厚度为5nm，折射率为1.8。

实施例1：

本实施例为制备柔性阻隔薄膜的方法，蒸发源为铝块，蒸发源电源功率均为4500瓦，镀膜过程中本底真空度为8×10^-3pa，镀膜温度为75℃。

该方法具体包括如下步骤：

(1)将基层进行电晕处理后放入真空蒸发镀膜设备中，基层在反应腔内初始温度为25℃；

(2)第一次镀氧化铝层：将氧气加热至85～95℃后通入真空蒸发镀膜设备中，控制通入氧气流量为7000～8000sccm，开启蒸发源，镀膜0.3h后停止通入氧气，并通入ar排除反应腔体内氧气；在基层上获得氧化铝层；

(3)主层纯铝层的制备：开启al靶电源，在ar气氛下镀纯al膜，镀膜时间1.5h；在步骤(2)制备的氧化铝层上获得纯铝层；

(4)第二次镀氧化铝层：在反应腔内通入85～95℃氧气，氧气流量5000～6000sccm，开启al靶电源后镀阻隔层，镀膜0.5h后停止通入氧气，在纯铝层上获得氧化铝层；

(5)取出反应腔内样品，在25～28℃进行冷却处理后，即获得所述柔性阻隔薄膜。

上述步骤(5)中，样品经冷却处理后，第一次所镀氧化铝膜向纯铝层内自然扩散形成内侧第一介质层和外侧第一扩散层；第二次所镀氧化铝膜向纯铝层内自然扩散形成内侧第二扩散层和外侧第二介质层。

本实施例制备的柔性阻隔薄膜经测试，第一介质层氧化铝，xrd测试显示其为非晶薄膜，薄膜内铝原子与氧原子数量比例为1:1.2～1:1.5，第一介质厚度2.5nm、第一介质折射率为1.72。第一扩散层为非晶氧化铝薄膜，薄膜内铝原子与氧原子数量比例为1:1～1:1.3，第一扩散层的厚度3nm，第一扩散层的折射率为1.74～1.78之间。主层为铝薄膜，纯度为99.9％，厚度30nm。第二扩散层为非晶氧化铝薄膜，薄膜内铝原子与氧原子数量比例为1:0.8～1:1.1，第二扩散层厚度为3nm，第二扩散层的折射率为1.78～1.85之间。第二介质层为非晶氧化铝薄膜，薄膜内铝原子与氧原子数量比例为1:1.2～1:1.5，第二介质氧化铝层的薄膜厚度为5nm，折射率为1.8。

对本实施例制备的柔性阻隔薄膜进一步测试，其水蒸气透过率低于0.85cm³/(m²·d)，氧气透过率低于0.9g/(m²·d)；本方法制备的阻隔产品，其膜基结合力高于2.8n/mm²。