基材清洗工藝對SiO2/PET膜基結(jié)合強(qiáng)度的影響

丁澤良，林長生，董運(yùn)超，孫敏

（湖南工業(yè)大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，湖南株洲412007）

基材清洗工藝對SiO2/PET膜基結(jié)合強(qiáng)度的影響

丁澤良，林長生，董運(yùn)超，孫敏

（湖南工業(yè)大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，湖南株洲412007）

采用磁控濺射工藝，在PET表面沉積SiO2薄膜，利用SEM觀察鍍膜的表面形貌，通過附著力測試儀檢測SiO2/PET膜基的結(jié)合強(qiáng)度，研究基材PET表面清洗工藝對SiO2/PET膜基結(jié)合強(qiáng)度的影響。結(jié)果表明：結(jié)合強(qiáng)度因PET基材表面清洗工藝的不同而不同，其中經(jīng)等離子清洗的膜基結(jié)合強(qiáng)度最大，達(dá)0.14 MPa，分別較深度清洗、一般清洗和不清洗的膜基結(jié)合強(qiáng)度高7.83%,27.27%,55.56%；等離子清洗工藝參數(shù)對膜基結(jié)合強(qiáng)度有較大影響，隨著清洗時(shí)間的增加、氬氣流量的增大和清洗功率的提高，膜基的結(jié)合強(qiáng)度均呈現(xiàn)出先增大后減小的變化趨勢。

清洗工藝；磁控濺射；SiO2/PET膜；結(jié)合強(qiáng)度

0 引言

隨著微波技術(shù)的發(fā)展，可微波加熱食品的包裝袋不僅需要有高阻隔性能，還要有良好的耐高溫性能、優(yōu)良的微波透過性和環(huán)境友好性，而傳統(tǒng)的包裝材料無法滿足這些要求，于是以氧化硅SiOx涂塑復(fù)合膜為代表的新型阻隔性復(fù)合包裝材料應(yīng)運(yùn)而生，并在食品、醫(yī)藥、日化等領(lǐng)域獲得了廣泛應(yīng)用[1-6]。

對于氧化硅復(fù)合膜來說，氧化硅與基底材料的結(jié)合強(qiáng)度會(huì)直接影響其性能與應(yīng)用的可靠性。影響膜基結(jié)合強(qiáng)度的因素主要有：材料的性能參數(shù)、基底表面的處理工藝、膜層的制備工藝及參數(shù)等[7-16]。國內(nèi)外已有較多SiOx復(fù)合包裝膜的制備工藝和性能指標(biāo)研究，但關(guān)于其結(jié)合強(qiáng)度的報(bào)道相對較少，而對于基材清洗工藝方面的研究尚未見報(bào)導(dǎo)。因此，本文擬采用磁控濺射工藝，在聚對苯二甲酸乙二醇酯（polyethylene terephthalate，PET）表面沉積SiO2薄膜，并利用光學(xué)電子顯微鏡（scanning electron microscope，SEM）觀察鍍膜的表面形貌，通過附著力測試儀檢測膜基的結(jié)合強(qiáng)度，研究基材PET表面清洗工藝對SiO2/ PET膜基結(jié)合強(qiáng)度的影響，以期為提高復(fù)合包裝材料膜基的結(jié)合強(qiáng)度提供理論指導(dǎo)。

1 實(shí)驗(yàn)

1.1 材料

SiO2靶材，規(guī)格為75 mm×4 mm，質(zhì)量分?jǐn)?shù)為99.999%，北京泰科諾科技有限公司生產(chǎn)；PET薄膜，厚度為12m，北京創(chuàng)世紀(jì)空間薄膜科技有限公司生產(chǎn)；氬氣Ar，體積分?jǐn)?shù)為99.99%，株洲九方氣體有限責(zé)任公司生產(chǎn)；丙酮，天津市富宇精細(xì)化工有限公司生產(chǎn)；無水乙醇，天津市大茂化工試劑廠生產(chǎn)；E-44環(huán)氧樹脂膠，宜春遠(yuǎn)大化工有限公司生產(chǎn)。

1.2 儀器

超聲波清洗機(jī)，KQ2200DE型，昆山市超聲儀器有限公司生產(chǎn)；真空干燥箱，DZF-6050型，上海和呈儀器制造有限公司生產(chǎn)；磁控濺射鍍膜機(jī)，JCP-450型，北京泰科諾科技有限公司生產(chǎn)；附著力測試儀，AT-M型，美國Defelsko公司生產(chǎn)；場發(fā)射掃描電鏡，QUANTA FEG 250型，美國FEI公司生產(chǎn)。

1.3 實(shí)驗(yàn)方法

1.3.1 PET表面預(yù)處理

PET鍍膜前需要進(jìn)行表面清洗和真空烘干等處理。本研究為了探討清洗方式對PET膜結(jié)合強(qiáng)度的影響，擬采用如下3種清洗方法：一般清洗、深度清洗和等離子清洗。

1）一般清洗。采用該清洗方式的具體操作如下：首先，將裁剪好的PET放入盛滿蒸餾水的容器中，用鑷子夾住PET薄膜來回沖洗5 min；然后，用鑷子將沖洗好的PET薄膜放入另一個(gè)盛有無水乙醇的容器內(nèi)，浸泡5 min。

2）深度清洗。該方法在一般清洗方法的基礎(chǔ)上，再將PET放入盛有丙酮的超聲波清洗機(jī)內(nèi)清洗15 min，然后將PET放入盛有無水乙醇的超聲波清洗機(jī)內(nèi)清洗30 min。

3）等離子清洗。該方法的作用機(jī)理是利用高能粒子活化作用清除PET薄膜表面的污染物，其具體操作步驟為：將經(jīng)深度清洗、真空烘干后的PET薄膜固定在磁控濺射鍍膜機(jī)內(nèi)的基片臺(tái)上，濺射腔抽真空到1.0×10-3Pa，調(diào)節(jié)氬氣流量為25 mL/min，待鍍膜機(jī)內(nèi)部氣壓穩(wěn)定后開啟射頻電源，然后調(diào)節(jié)射頻功率為200 W，進(jìn)行等離子清洗，清洗時(shí)間為300 s。

1.3.2 PET表面沉積SiO2薄膜

采用JCP-450型高真空磁控濺射鍍膜機(jī)在PET薄膜表面沉積SiO2薄膜，其工藝參數(shù)設(shè)定如下：本底真空度為1.0×10-3Pa，氬氣流量為10 mL/min，濺射時(shí)間為45 min，濺射功率為200 W。

1.3.3 SiO2/PET復(fù)合膜的檢測

采用掃描電鏡觀察SiO2/PET復(fù)合膜表面的微觀形貌。使用附著力測試儀檢測復(fù)合膜的結(jié)合強(qiáng)度，檢測時(shí)，先將制備好的SiO2/PET復(fù)合膜黏結(jié)在50 mm的試柱上，再根據(jù)拉脫法原理測量SiO2與基底PET之間的結(jié)合強(qiáng)度。

2 結(jié)果與討論

2.1 清洗工藝對SiO2/PET膜基結(jié)合強(qiáng)度的影響

圖1所示為不同清洗工藝下SiO2/PET膜基結(jié)合強(qiáng)度的對比圖。

圖 1不同清洗工藝下的SiO2/PET膜基結(jié)合強(qiáng)度Fig. 1The adhesion strength of SiO2/PET coating-substrate system by different cleaning processes

由圖1可見，相較于不清洗的樣品，PET基材經(jīng)不同方式清洗處理后，膜基的結(jié)合強(qiáng)度均明顯提高，其中經(jīng)等離子清洗的SiO2/PET膜基的結(jié)合強(qiáng)度最高，達(dá)0.14 MPa，分別較深度清洗、一般清洗和不清洗方式的提高了7.83%，27.27%和55.56%。這是因?yàn)?，?jīng)過一般清洗和深度清洗的基材，在放入濺射鍍膜機(jī)的過程中或在真空室抽真空時(shí)，基材有可能被二次污染。而等離子清洗是在基材固定于基臺(tái)且抽真空之后進(jìn)行的，排除了二次污染，保持了鍍膜前基材表面的高度清潔。再者，等離子清洗能增加基材表面的極性，提高基材表面的潤濕性能，為鍍層原子與基材間鍵合提供一定的能量[9]。故后續(xù)單因素分析實(shí)驗(yàn)中，膜基的清洗方式均采用等離子清洗。

圖2所示為PET薄膜經(jīng)兩種不同表面處理方式沉積后SiO2的復(fù)合薄膜SEM照片。

圖2 不同表面處理工藝下的SiO2/PET表面SEM照片F(xiàn)ig. 2The SEM morphology of SiO2/PET surface bydifferent surface treatment processes

觀察圖2可知，未經(jīng)清洗的PET鍍膜后，SiO2薄膜表面結(jié)構(gòu)疏松，組織不嚴(yán)密，薄膜較薄且覆蓋不完全。而經(jīng)過等離子清洗的PET鍍膜后，其表面沉積的SiO2薄膜組織致密，晶體大小分布均勻?？梢?，對PET基材采用等離子清洗工藝，有利于提高SiO2/ PET膜基的表面質(zhì)量和膜基的結(jié)合強(qiáng)度。

2.2 清洗時(shí)間對SiO2/PET膜基結(jié)合強(qiáng)度的影響

設(shè)定清洗功率為200 W，氬氣流量為25 mL/min，本底真空度為1.0×10-3Pa，改變清洗時(shí)間，得圖3所示清洗時(shí)間對SiO2/PET膜基結(jié)合強(qiáng)度的影響曲線。

圖3 清洗時(shí)間對SiO2/PET膜基結(jié)合強(qiáng)度的影響Fig. 3The effect of cleaning time on adhesion strength of SiO2/PET coating-substrate system

由圖3可知，當(dāng)清洗時(shí)間由150 s增加到750 s的過程中，SiO2/PET膜基的結(jié)合強(qiáng)度呈現(xiàn)出先增大后減小的變化趨勢。其中清洗時(shí)間為300 s時(shí)，結(jié)合強(qiáng)度達(dá)最大值，為0.14MPa。造成這一結(jié)果的原因，可能是適宜的清洗時(shí)間保證了轟擊靶材表面的等離子體數(shù)量，有利于去除PET表面的雜質(zhì)或污垢等；但清洗時(shí)間過長時(shí)，會(huì)導(dǎo)致靶材發(fā)生能量較低的濺射現(xiàn)象，使得清洗中的基材表面沉積靶材原子，造成二次污染，從而降低了膜基的結(jié)合強(qiáng)度。

2.3 清洗功率對SiO2/PET膜基結(jié)合強(qiáng)度的影響

設(shè)定清洗時(shí)間為450 s，氬氣流量為25 mL/min，本底真空度為1.0×10-3Pa，改變清洗功率，得圖4所示清洗功率對SiO2/PET膜基結(jié)合強(qiáng)度的影響曲線。

圖4 清洗功率對SiO2/PET膜基結(jié)合強(qiáng)度的影響Fig. 4The effect of cleaning power on adhesion strength ofSiO2/PET coating-substrate system

由圖4可知，隨著清洗功率的升高，膜基結(jié)合強(qiáng)度逐漸增大，當(dāng)清洗功率為250 W時(shí)，結(jié)合強(qiáng)度達(dá)最大值，為0.16 MPa；之后，膜基結(jié)合強(qiáng)度隨著清洗功率的增大而迅速減小。這是因?yàn)楣β噬邥?huì)增加Ar+轟擊基材PET表面的能量，當(dāng)該能量大于基材原子之間相互作用的結(jié)合能時(shí)，會(huì)使得基材原子脫離束縛，產(chǎn)生表面刻蝕現(xiàn)象，從而使得基材表面活性下降，影響膜基的結(jié)合強(qiáng)度。

2.4 氬氣流量對SiO2/PET膜基結(jié)合強(qiáng)度的影響

在等離子清洗工藝中，氬氣為清洗提供轟擊靶材所需的等離子。設(shè)定清洗功率為200 W，清洗時(shí)間為450 s，本底真空度為1.0×10-3Pa，改變氬氣流量，得到氬氣流量對SiO2/PET膜基結(jié)合強(qiáng)度的影響曲線，如圖5所示。

圖5 氬氣流量對SiO2/PET膜基結(jié)合強(qiáng)度的影響Fig. 5The effect of argon flow on adhesion strength of SiO2/ PET coating-substrate system

由圖5可知，隨著氬氣流量的增大，膜基的結(jié)合強(qiáng)度呈現(xiàn)出先增大后減小的變化趨勢；當(dāng)氬氣流量為35 mL/min時(shí)，SiO2/PET膜基的結(jié)合強(qiáng)度達(dá)最大值，為0.16 MPa。這是由于氬氣流量的增加，等離子體數(shù)量增多，但在濺射功率一定的情況下，等離子體轟擊基材的平均能量下降，從而影響了清洗效果。當(dāng)氬氣流量較小時(shí)，氬離子密度較小，轟擊基材的等離子體數(shù)量變少，導(dǎo)致基材清洗不徹底。

3 結(jié)論

1）PET表面清洗工藝對SiO2/PET膜基的結(jié)合強(qiáng)度有著重要影響。在不清洗、一般清洗、深度清洗和等離子清洗4種清洗工藝中，經(jīng)等離子清洗處理膜基的結(jié)合強(qiáng)度最大，為0.14 MPa，相較深度清洗、一般清洗和不清洗處理膜基的結(jié)合強(qiáng)度，分別提高了7.83%，27.27%，55.56%。

2）在等離子清洗工藝參數(shù)中，隨著清洗時(shí)間的增加、清洗功率的提高和氬氣流量的增大，SiO2/PET復(fù)合膜結(jié)合強(qiáng)度均表現(xiàn)為先增大后減小的變化趨勢。

3）單因素分析實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：清洗時(shí)間為300 s時(shí)，SiO2/PET膜基的結(jié)合強(qiáng)度達(dá)最大值，為0.14 MPa；清洗功率為250 W時(shí)，SiO2/PET膜基的結(jié)合強(qiáng)度達(dá)最大值，為0.16 MPa；氬氣流量為35 mL/min時(shí)，SiO2/PET膜基的結(jié)合強(qiáng)度達(dá)最大值，為0.16 MPa。

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（責(zé)任編輯：廖友媛）

Effect of the Substrate Cleaning Process on the Adhesion Strength of SiO2/PET Coating-Substrate System

Ding Zeliang，Lin Changsheng，Dong Yunchao，Sun Min
（School of Mechanical Engineering，Hunan University of Technology，Zhuzhou Hunan 412007，China）

The SiO2thin film was deposited on the PET surface through magnetron sputtering technology,the coating surface morphology was observed by scanning electron microscope (SEM),and the adhesion strength of SiO2/PET coating-substrate system was detected by adhesion strength tester. The effect of PET substrate cleaning process on the adhesion strength of SiO2/PET coating-substrate system was investigated. The results showed that the adhesion strength of coating-substrate system after plasma cleaning was maximum,up to 0.14 MPa,and increased by 7.83%,27.27% and 55.56% comparing with that of the deep cleaning,general cleaning and no cleaning,respectively. The plasma cleaning process parameters played an important role in the adhesion strength of coating-substrate system,and the adhesion strength firstly ncreases and then decreases with the increase of cleaning time,cleaning power and argon flow.

cleaning process；magnetron sputtering；SiO2/PET；adhesion strength

TU411.7

A

1673-9833(2015)01-0044-04

2014-12-25

湖南省自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目（2015JJ5019）

丁澤良（1966-），男，湖南攸縣人，湖南工業(yè)大學(xué)教授，博士，主要從事陶瓷材料方面的教學(xué)與研究，E-mail：xmcdzl@163.com

10.3969/j.issn.1673-9833.2015.01.008