真空鍍鋁技術(shù)在反光布上的應用
介紹反光布的結構及反光原理，對其中形成反射層的真空鍍鋁技術(shù)做綜述探討。介紹了真空鍍鋁機的原理，主要包括真空系統和真空室。真空系統工作時(shí)，按照滑閥泵、羅茨泵、油增壓泵、油擴散泵的順序依次運行。真空室內卷繞室與鍍膜室并聯(lián)，其中卷繞室容積與鍍膜室之比為3：1，工作時(shí)卷繞室的壓力為鍍膜室壓力的10倍以上。其次，通過(guò)分析鋁層結合力、溫度濕度來(lái)闡述其對真空鍍鋁性能的影響。一般而言，玻璃微珠型的反光材料的鍍鋁層厚度控制在150～400A之間。為了保證該結合力，蒸發(fā)舟間隙為100～150mm，其與冷卻輥的距離控制在160～240mm。當空氣濕度大于85%時(shí)，考慮到被鍍材料的放氣，選擇油性膠植珠的薄膜，否則真空度達不到要求。
1、引言
人的生命是可貴的，然而除了食品醫療衛生安全之外，一些新材料保護生命、避免危害生命的事件發(fā)生也的確功不可沒(méi)。反光、發(fā)光材料的應用是近年來(lái)非常大的貢獻之一，出門(mén)甚至在房間都可見(jiàn)到他的作用：反光道路標、反光路標、多種警示板、環(huán)衛、交警的反光服等都在維護著(zhù)生命的安全。
玻璃微珠型反光布的入射光經(jīng)過(guò)玻璃微珠的折射和反射層的反射，會(huì )沿著(zhù)原來(lái)的角度進(jìn)行反射，其反射光的角度與入射光平行，進(jìn)而對人眼產(chǎn)生反光的效果，根據產(chǎn)品的不同，其生產(chǎn)工藝是先在PET膜或PET/PE復合膜上用膠黏劑對玻璃微珠進(jìn)行植入，然后再進(jìn)行真空鍍鋁，形成反射層，最后進(jìn)行復合轉移。針對真空鍍鋁機在反光布上的應用做一個(gè)簡(jiǎn)單的綜述和實(shí)踐探索。
2、真空鍍鋁機的原理
2.1、真空系統
采用的真空鍍鋁機，主要由卷繞系統、蒸發(fā)系統、真空系統、控制系統組成，由于系統鍍鋁時(shí)鍍膜室和卷繞室都要達到一定的真空度，真空系統就是在蒸鍍前使鍍膜室和卷繞室達到所需真空度要求。如圖1所示是真空鍍鋁真空系統原理圖，為了使各真空系統達到最大限度的使用，先打開(kāi)滑閥泵在低真空工作范圍內進(jìn)行預抽真空，達到二級羅茨泵的中真空工作范圍，打開(kāi)初抽閥，之后待真空度達到100～10-1Pa以下時(shí)，打開(kāi)增壓泵的高閥和前級閥，使增壓泵繼續對真空室進(jìn)行抽真空，當真空度達到10-1～10-2 Pa以后，擴散泵的高閥和前級閥開(kāi)啟，當真空度穩定在10-1～10-2 Pa之間，按照產(chǎn)品卷繞室放氣的特點(diǎn)，采用水乳膠的PET膜，真空度要到10-2 Pa以下，采用油性膠的PET/PE復合膜，真空度可以稍微低，10-1 Pa即可開(kāi)啟。進(jìn)行換卷二次鍍鋁時(shí)，不關(guān)閉油增壓泵和油擴散泵，使其保證泵內的油蒸氣處于蒸發(fā)狀態(tài)，減少因為泵體預熱而耗費的時(shí)間。
圖1 真空鍍鋁真空系統原理圖
1.維持泵；2.擴散泵；3.粗抽閥；4.鍍膜室；5.卷繞室；6.充氣閥；7.高閥；8.增壓泵；9.前級閥；10.羅茨泵；11.維持泵；12.粗抽閥；13.前級閥；14.羅茨泵；15.滑閥泵
真空室內的基本原理是在一定高真空狀態(tài)，被加熱的鋁絲熔化成液體鋁，液體鋁在高真空下快速蒸發(fā)成鋁蒸汽，鋁蒸汽遇到急冷的薄膜而在膜上凝固成很薄的鋁層。該過(guò)程是一種物理過(guò)程，通過(guò)鋁的形態(tài)轉換(固態(tài)→液態(tài)→氣態(tài)→固態(tài))，實(shí)現在薄膜上涂復一層很薄而均勻的鋁層。根據實(shí)踐經(jīng)驗，對玻璃微珠型反光材料的粒徑以及所要求的反射效果來(lái)看，一般微珠上的鍍鋁層達到150～200A時(shí)，其與玻璃微珠的結合力較為牢固，經(jīng)測試后的反射效率大于95%。結合生產(chǎn)工藝，一般微珠型的反光材料的鍍鋁層在150～400A之間較為合理。
真空鍍鋁的材料是經(jīng)過(guò)前道工序，用膠黏劑對玻璃微珠進(jìn)行植入的PET或PET/PE膜，而膠黏劑一般是水乳膠或者固含量很低的油性膠。被鍍材料雖然通過(guò)烘道收卷，其內仍然存在著(zhù)大量的水分子或溶劑分子，這部分是產(chǎn)生卷繞工作開(kāi)始時(shí)卷繞室被鍍材料放氣的主要原因。常壓下水的沸點(diǎn)比該有機溶劑沸點(diǎn)高，即使在真空下，水的沸點(diǎn)也比有機溶劑相對要高，這與經(jīng)濟學(xué)上的量本利的盈虧平衡點(diǎn)一樣，該點(diǎn)越低，對企業(yè)越有利，同樣的，沸點(diǎn)越低，對于真空泵的負載就越低，能獲得的真空度越好。這也是水乳膠要比油性膠的工作真空度差的主要原因。
2.2、真空室
真空鍍鋁一般采用的真空室為兩室并聯(lián)，如圖2所示，夏正勛指出，單位被抽空間的抽速值S/V越大，(S和V分別代表上下兩室的對氣體的抽速和室內容積)，真空室的抽氣曲線(xiàn)P-t的下降就越迅速，同時(shí)也可獲得更低一些的氣體壓力。
圖2 真空室內結構圖
1.放卷輥；2，9.張力輥；3，7.牽引輥；4，6，8.導向輥5.冷卻輥；10.收卷輥；11.視窗；12.蒸鍍源；13.擋板；14.水汽捕積盤(pán)管
因此原則上真空室的容積應越小越好。但是在卷繞室內，由于被鍍材料放氣量大，按照理想氣體方程以及玻意耳定律可知，同樣的氣體量，當溫度一定時(shí)，體積與壓強成反比，要在很短的時(shí)間內使氣體壓強不至于太大，而盡快被抽走，要保證卷繞室的容積相對較大；而對于鍍膜室，夏正勛測得鋁絲在蒸發(fā)舟的加熱下，其蒸汽飽和蒸汽壓為100Pa左右，其在很短的時(shí)間內遇到冷卻輥而冷卻成固體鋁層，壓強變化瞬間被平衡了，因此原則上所占真空室的總容積的比例越小越好。本真空室內上下兩室容積分布如圖3所示，設截面為A，深度為a，則容積V=∫2000Ada，A可通過(guò)auto-CAD創(chuàng )建面域求得，得出上下兩室的容積比為3：1。
卷繞鍍膜機采用的真空抽氣系統，下室為油擴散泵，上室為油增壓泵，油增壓泵的工作原理與油擴散泵相似，都是靠工作射流來(lái)攜帶氣體，達到抽氣目的。不同點(diǎn)是油增壓泵的射流主要是靠被抽氣體與蒸汽射流之間的黏滯摩擦來(lái)攜帶氣體進(jìn)行抽氣。油擴散泵是靠被抽氣體與蒸汽射流之間的分子擴散運動(dòng)來(lái)攜帶氣體進(jìn)行抽氣。因此理論上增壓泵油的密度和黏度要比擴散泵油稍高。為使油增壓泵能在較高的壓強區域內工作，必須增大蒸汽射流強度(密度)，所以油增壓泵的加熱功率要比同容量的油擴散泵大得多，當真空系統工作時(shí)，一般油增壓泵的數顯溫度要高于油擴散泵15～30℃。
如此設計主泵主要是因為下室能獲得高的真空度，上室能及時(shí)排走被鍍材料所放出的氣體量，因此上室應選擇工作壓力區間在較高壓力下主泵，可以減小所需主泵的抽速。由于放氣的緣故，一般上室的壓力為下室壓力的10倍以上。為了及時(shí)抽走卷繞室內被鍍材料的放氣，也為了減少有增壓泵的負載，目前正在卷繞室原有增壓泵的基礎上，并聯(lián)一臺油擴散泵。
圖3 真空室內上下兩室容積分布(單位cm)
1.卷繞室；2.鍍膜室
高效率的真空鍍鋁機的初抽泵很多已經(jīng)使用飛機的發(fā)動(dòng)機來(lái)進(jìn)行工作，這也是產(chǎn)品及工藝今后考慮的方向。
3、真空鍍鋁性能的影響因素
3.1、鋁層結合力
式中：a為被鍍材料暴露在蒸發(fā)區的金屬蒸汽中的弧長(cháng)；f為增厚系數；d為鋁絲直徑；h為蒸發(fā)舟上平面到冷卻輥筒間的距離；υ為送絲速度；w為卷繞速度。
一般情況下，乘號左邊是一常數，所以鍍鋁厚度ta與送絲速度υ成正比，與卷繞速度w成反比，而與蒸發(fā)舟的溫度沒(méi)有直接的關(guān)系，但溫度不能太低，否則沒(méi)有完全蒸發(fā)的鋁塊將會(huì )被帶到PET膜上，影響后期與反光布的復合轉移工藝，甚至會(huì )戳穿PET膜。
實(shí)踐證明，鍍鋁厚度ta太薄，則PET膜面狀態(tài)發(fā)青，鍍鋁厚度ta太厚，面狀態(tài)發(fā)黑，這將影響其與玻璃微珠的結合力，進(jìn)而影響后續與反光布復合轉移出來(lái)的表觀(guān)質(zhì)量和逆反射亮度。由于所使用的真空卷繞鍍膜機每組送絲都有獨立的電機驅動(dòng)，當電壓或電流不穩定時(shí)，會(huì )對單的送絲速度產(chǎn)生影響，映射到產(chǎn)品上會(huì )產(chǎn)生一條條發(fā)青或發(fā)黑的條紋，同樣影響質(zhì)量。
一般微珠型的反光材料的鍍鋁層厚度控制在150～400A之間，而對于寬幅鍍鋁效果其實(shí)是單個(gè)蒸發(fā)舟的蒸發(fā)鋁蒸汽的疊加效應，所以為了保證鋁層的一致性和均勻性，蒸發(fā)舟的排布量及蒸發(fā)舟與被鍍材料之間的距離，即h也相當重要，據實(shí)踐經(jīng)驗，一般來(lái)說(shuō)蒸發(fā)舟的間隔為100～150mm左右布置一個(gè)，而h一般控制在160～240mm，h太小則薄膜受熱輻射太高，可能會(huì )損壞薄膜；h太大則鋁蒸汽降溫過(guò)快，進(jìn)而影響其與被鍍薄膜的結合力。目前市場(chǎng)上h最小可達80mm，但相應的蒸發(fā)舟的間隔要更加緊密。
3.2、溫度和濕度
決定真空度大小有兩個(gè)因素：一是真空泵本身能達到的極限真空度和抽速，二是整個(gè)系統的泄漏量。由于任何物質(zhì)由固態(tài)或液態(tài)轉化為氣態(tài)都需要能量，所以氣溫越高，分子運動(dòng)越活躍，越容易將其抽出。對于真空室抽真空，是抽真空元件內部的氣體，所以與元件內部的溫濕度關(guān)系大，理論上與大氣的溫濕度關(guān)系小。由于采用的被鍍材料是經(jīng)過(guò)膠黏劑將玻璃微珠進(jìn)行固定的PET或PET/PE復合膜，當被鍍材料自身的植珠工藝從烘道出來(lái)到收卷，這一段距離足夠使空氣中的水汽被吸附在材料表面，而根據空氣濕度動(dòng)力學(xué)可知，水汽會(huì )時(shí)時(shí)被補充到收卷材料四周，使得材料自收卷開(kāi)始到收卷結束，水汽一直在材料表面積聚，當被鍍材料在真空室內放卷時(shí)，除了材料自身水乳膠的水分子外，吸附在材料表面的水汽也時(shí)刻在釋放，嚴重影響卷繞室內的真空度，這種影響在下雨天，尤其是在空氣濕度≥85%時(shí)，由于水汽釋放的速度大于真空泵的抽速，會(huì )使真空度達不到真空工作范圍，使得材料被鍍鋁后產(chǎn)生泛黃的現象，當植珠收卷后的被鍍材料在鍍鋁前暴露于空氣中的時(shí)間越長(cháng)，這種影響會(huì )更大，一般遇到這種高濕度天氣時(shí)，需要選擇做油性膠植珠的薄膜。相反，如果大氣的溫度較高濕度較低時(shí)，抽真空效果會(huì )比較好。當然在鍍鋁過(guò)程中隨著(zhù)真空度的下降，也會(huì )影響鋁層與薄膜之間的結合力。
4、結束語(yǔ)
隨著(zhù)國家標準GB/T28468-2012《中小學(xué)生交通安全反光校服》的出臺和實(shí)施，中小學(xué)生出行安全被重視程度的提高，反光布的應用前景勢必會(huì )更加廣闊，市場(chǎng)需求會(huì )越來(lái)越大，對反光布的制作工藝和質(zhì)量要求會(huì )越來(lái)越嚴格，這其中就包括對真空鍍鋁提高功能、技術(shù)、生產(chǎn)的要求，這也是市場(chǎng)經(jīng)濟發(fā)展的必然。
