真空鍍鋁技術(shù)在反光布上的應(yīng)用

邱尚煌，白 梅

(1.杭州星華反光材料有限公司，浙江 杭州311116;2.浙江建安檢測(cè)研究院有限公司，浙江 杭州310021)

1 引言

人的生命是可貴的，然而除了食品醫(yī)療衛(wèi)生安全之外，一些新材料保護(hù)生命、避免危害生命的事件發(fā)生也的確功不可沒。反光、發(fā)光材料的應(yīng)用是近年來(lái)非常大的貢獻(xiàn)之一，出門甚至在房間都可見到他的作用:反光道路標(biāo)、反光路標(biāo)、多種警示板、環(huán)衛(wèi)、交警的反光服等都在維護(hù)著生命的安全。

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(duì)人眼產(chǎn)生反光的效果，根據(jù)產(chǎn)品的不同，其生產(chǎn)工藝是先在PET膜或PET/PE復(fù)合膜上用膠黏劑對(duì)玻璃微珠進(jìn)行植入，然后再進(jìn)行真空鍍鋁，即形成反射層，最后進(jìn)行復(fù)合轉(zhuǎn)移。針對(duì)真空鍍鋁機(jī)在反光布上的應(yīng)用做一個(gè)簡(jiǎn)單的綜述和實(shí)踐探索。

2 真空鍍鋁機(jī)的原理

2.1 真空系統(tǒng)

采用的真空鍍鋁機(jī)，主要由卷繞系統(tǒng)、蒸發(fā)系統(tǒng)、真空系統(tǒng)、控制系統(tǒng)組成，由于系統(tǒng)鍍鋁時(shí)鍍膜室和卷繞室都要達(dá)到一定的真空度，真空系統(tǒng)就是在蒸鍍前使鍍膜室和卷繞室達(dá)到所需真空度要求。如圖1所示是真空鍍鋁真空系統(tǒng)原理圖，為了使各真空系統(tǒng)達(dá)到最大限度的使用，先打開滑閥泵在低真空工作范圍內(nèi)進(jìn)行預(yù)抽真空，達(dá)到二級(jí)羅茨泵的中真空工作范圍，打開初抽閥，之后待真空度達(dá)到100～10－1Pa以下時(shí)，打開增壓泵的高閥和前級(jí)閥，使增壓泵繼續(xù)對(duì)真空室進(jìn)行抽真空，當(dāng)真空度達(dá)到10－1～10－2Pa以后，擴(kuò)散泵的高閥和前級(jí)閥開啟，當(dāng)真空度穩(wěn)定在10－1～10－2Pa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10－2Pa以下，采用油性膠的PET/PE復(fù)合膜，真空度可以稍微低，10－1Pa即可開啟。進(jìn)行換卷二次鍍鋁時(shí)，不關(guān)閉油增壓泵和油擴(kuò)散泵，使其保證泵內(nèi)的油蒸氣處于蒸發(fā)狀態(tài)，減少因?yàn)楸皿w預(yù)熱而耗費(fèi)的時(shí)間［1－3］。

圖1 真空鍍鋁真空系統(tǒng)原理圖

真空室內(nèi)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(zhuǎn)換(固態(tài)→液態(tài)→氣態(tài)→固態(tài))，實(shí)現(xiàn)在薄膜上涂復(fù)一層很薄而均勻的鋁層［4］。

根據(jù)實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，對(duì)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(dá)到150～200時(shí)，其與玻璃微珠的結(jié)合力較為牢固，經(jīng)測(cè)試后的反射效率大于95%。結(jié)合生產(chǎn)工藝，一般微珠型的反光材料的鍍鋁層在150～400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(duì)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(nèi)仍然存在著大量的水分子或溶劑分子，這部分是產(chǎn)生卷繞工作開始時(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(jī)溶劑沸點(diǎn)高，即使在真空下，水的沸點(diǎn)也比有機(jī)溶劑相對(duì)要高，這與經(jīng)濟(jì)學(xué)上的量本利的盈虧平衡點(diǎn)一樣，該點(diǎn)越低，對(duì)企業(yè)越有利，同樣的，沸點(diǎn)越低，對(duì)于真空泵的負(fù)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［5］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(duì)氣體的抽速和室內(nèi)容積)，真空室的抽氣曲線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(nèi)結(jié)構(gòu)圖

因此原則上真空室的容積應(yīng)越小越好。但是在卷繞室內(nèi)，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(dāng)溫度一定時(shí)，體積與壓強(qiáng)成反比，要在很短的時(shí)間內(nèi)使氣體壓強(qiáng)不至于太大，而盡快被抽走，要保證卷繞室的容積相對(duì)較大;而對(duì)于鍍膜室，夏正勛［6］測(cè)得鋁絲在蒸發(fā)舟的加熱下，其蒸汽飽和蒸汽壓為100 Pa左右［7］，其在很短的時(shí)間內(nèi)遇到冷卻輥而冷卻成固體鋁層，壓強(qiáng)的變化瞬間被平衡了，因此原則上所占真空室的總?cè)莘e的比例越小越好。本真空室內(nèi)上下兩室容積分布如圖3所示，設(shè)截面為A，深度為a，則容積，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。

圖3 真空室內(nèi)上下兩室容積分布(單位cm)

卷繞鍍膜機(jī)采用的真空抽氣系統(tǒng)，下室為油擴(kuò)散泵，上室為油增壓泵，油增壓泵的工作原理與油擴(kuò)散泵相似，都是靠工作射流來(lái)攜帶氣體，達(dá)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(kuò)散泵是靠被抽氣體與蒸汽射流之間的分子擴(kuò)散運(yùn)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(kuò)散泵油稍高。為使油增壓泵能在較高的壓強(qiáng)區(qū)域內(nèi)工作，必須增大蒸汽射流強(qiáng)度(密度)，所以油增壓泵的加熱功率要比同容量的油擴(kuò)散泵大得多，當(dāng)真空系統(tǒng)工作時(shí)，一般油增壓泵的數(shù)顯溫度要高于油擴(kuò)散泵15～30℃。

如此設(shè)計(jì)主泵主要是因?yàn)橄率夷塬@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(yīng)選擇工作壓力區(qū)間在較高壓力下的主泵，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［8］。為了及時(shí)抽走卷繞室內(nèi)被鍍材料的放氣，也為了減少有增壓泵的負(fù)載，目前正在卷繞室原有增壓泵的基礎(chǔ)上，并聯(lián)一臺(tái)油擴(kuò)散泵。

高效率的真空鍍鋁機(jī)的初抽泵很多已經(jīng)使用飛機(jī)的發(fā)動(dòng)機(jī)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(jié)合力

根據(jù)文獻(xiàn)［6］提出鍍鋁厚度為ta，

式中:a為被鍍材料暴露在蒸發(fā)區(qū)的金屬蒸汽中的弧長(zhǎng);f為增厚系數(shù);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(hào)左邊是一常數(shù)，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)舟的溫度沒有直接的關(guān)系，但溫度不能太低，否則沒有完全蒸發(fā)的鋁塊將會(huì)被帶到PET膜上，影響后期與反光布的復(fù)合轉(zhuǎn)移工藝，甚至?xí)链㏄ET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(jié)合力，進(jìn)而影響后續(xù)與反光布復(fù)合轉(zhuǎn)移出來(lái)的表觀質(zhì)量和逆反射亮度。由于所使用的真空卷繞鍍膜機(jī)每組送絲都有獨(dú)立的電機(jī)驅(qū)動(dòng)，當(dāng)電壓或電流不穩(wěn)定時(shí)，會(huì)對(duì)單獨(dú)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150～400之間，而對(duì)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(yīng)，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(dāng)重要，據(jù)實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，一般來(lái)說(shuō)蒸發(fā)舟的間隔為100～150 mm左右布置一個(gè)，而h一般控制在160～240 mm，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(jié)合力。目前市場(chǎng)上h最小可達(dá)80 mm，但相應(yīng)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(dá)到的極限真空度和抽速，二是整個(gè)系統(tǒng)的泄漏量。由于任何物質(zhì)由固態(tài)或液態(tài)轉(zhuǎn)化為氣態(tài)都需要能量，所以氣溫越高，分子運(yùn)動(dòng)越活躍，越容易將其抽出。對(duì)于真空室抽真空，是抽真空元件內(nèi)部的氣體，所以與元件內(nèi)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(fù)合膜，當(dāng)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［9］，而根據(jù)空氣濕度動(dòng)力學(xué)可知，水汽會(huì)時(shí)時(shí)被補(bǔ)充到收卷材料四周，使得材料自收卷開始到收卷結(jié)束，水汽一直在材料表面積聚，當(dāng)被鍍材料在真空室內(nèi)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(yán)重影響卷繞室內(nèi)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(dá)不到真空工作范圍，使得材料被鍍鋁后產(chǎn)生泛黃的現(xiàn)象，當(dāng)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(zhǎng)，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(dāng)然在鍍鋁過(guò)程中隨著真空度的下降，也會(huì)影響鋁層與薄膜之間的結(jié)合力。

4 結(jié)束語(yǔ)

隨著國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)GB/T28468－2012《中小學(xué)生交通安全反光校服》的出臺(tái)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(yīng)用前景勢(shì)必會(huì)更加廣闊，市場(chǎng)需求會(huì)越來(lái)越大，對(duì)反光布的制作工藝和質(zhì)量要求會(huì)越來(lái)越嚴(yán)格，這其中就包括對(duì)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(jì)發(fā)展的必然。

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