真空鍍鋁技術(shù)在反光布上的應(yīng)用
介紹反光布的結(jié)構(gòu)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(tǒng)和真空室。真空系統(tǒng)工作時，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(nèi)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，工作時卷繞室的壓力為鍍膜室壓力的10倍以上。其次，通過分析鋁層結(jié)合力、溫度濕度來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(jié)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，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(yī)療衛(wèi)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。反光、發(fā)光材料的應(yīng)用是近年來非常大的貢獻之一，出門甚至在房間都可見到他的作用：反光道路標、反光路標、多種警示板、環(huán)衛(wèi)、交警的反光服等都在維護著生命的安全。
玻璃微珠型反光布的入射光經(jīng)過玻璃微珠的折射和反射層的反射，會沿著原來的角度進行反射，其反射光的角度與入射光平行，進而對人眼產(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)合膜上用膠黏劑對玻璃微珠進行植入，然后再進行真空鍍鋁，形成反射層，最后進行復(fù)合轉(zhuǎn)移。針對真空鍍鋁機在反光布上的應(yīng)用做一個簡單的綜述和實踐探索。
2、真空鍍鋁機的原理
2.1、真空系統(tǒng)
采用的真空鍍鋁機，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)鍍鋁時鍍膜室和卷繞室都要達到一定的真空度，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)進行預(yù)抽真空，達到二級羅茨泵的中真空工作范圍，打開初抽閥，之后待真空度達到100～10-1Pa以下時，打開增壓泵的高閥和前級閥，使增壓泵繼續(xù)對真空室進行抽真空，當真空度達到10-1～10-2 Pa以后，擴散泵的高閥和前級閥開啟，當真空度穩(wěn)定在10-1～10-2 Pa之間，按照產(chǎn)品卷繞室放氣的特點，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(fù)合膜，真空度可以稍微低，10-1 Pa即可開啟。進行換卷二次鍍鋁時，不關(guān)閉油增壓泵和油擴散泵，使其保證泵內(nèi)的油蒸氣處于蒸發(fā)狀態(tài)，減少因為泵體預(yù)熱而耗費的時間。
圖1 真空鍍鋁真空系統(tǒng)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(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。該過程是一種物理過程，通過鋁的形態(tài)轉(zhuǎn)換(固態(tài)→液態(tài)→氣態(tài)→固態(tài))，實現(xiàn)在薄膜上涂復(fù)一層很薄而均勻的鋁層。根據(jù)實踐經(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看，一般微珠上的鍍鋁層達到150～200A時，其與玻璃微珠的結(jié)合力較為牢固，經(jīng)測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150～400A之間較為合理。
真空鍍鋁的材料是經(jīng)過前道工序，用膠黏劑對玻璃微珠進行植入的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)生卷繞工作開始時卷繞室被鍍材料放氣的主要原因。常壓下水的沸點比該有機溶劑沸點高，即使在真空下，水的沸點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一樣，該點越低，對企業(yè)越有利，同樣的，沸點越低，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(nèi)容積)，真空室的抽氣曲線P-t的下降就越迅速，同時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
1.放卷輥；2，9.張力輥；3，7.牽引輥；4，6，8.導(dǎo)向輥5.冷卻輥；10.收卷輥；11.視窗；12.蒸鍍源；13.擋板；14.水汽捕積盤管
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，當溫度一定時，體積與壓強成反比，要在很短的時間內(nèi)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，其在很短的時間內(nèi)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?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V=∫2000Ada，A可通過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(tǒng)，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，都是靠工作射流來攜帶氣體，達到抽氣目的。不同點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攜帶氣體進行抽氣。油擴散泵是靠被抽氣體與蒸汽射流之間的分子擴散運動來攜帶氣體進行抽氣。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(qū)域內(nèi)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(tǒng)工作時，一般油增壓泵的數(shù)顯溫度要高于油擴散泵15～30℃。
如此設(shè)計主泵主要是因為下室能獲得高的真空度，上室能及時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載，目前正在卷繞室原有增壓泵的基礎(chǔ)上，并聯(lián)一臺油擴散泵。
圖3 真空室內(nèi)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)動機來進行工作，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
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；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，進而影響后續(xù)與反光布復(fù)合轉(zhuǎn)移出來的表觀質(zhì)量和逆反射亮度。由于所使用的真空卷繞鍍膜機每組送絲都有獨立的電機驅(qū)動，當電壓或電流不穩(wěn)定時，會對單的送絲速度產(chǎn)生影響，映射到產(chǎn)品上會產(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是單個蒸發(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也相當重要，據(jù)實踐經(jīng)驗，一般來說蒸發(fā)舟的間隔為100～150mm左右布置一個，而h一般控制在160～240mm，h太小則薄膜受熱輻射太高，可能會損壞薄膜；h太大則鋁蒸汽降溫過快，進而影響其與被鍍薄膜的結(jié)合力。目前市場上h最小可達80mm，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，分子運動越活躍，越容易將其抽出。對于真空室抽真空，是抽真空元件內(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)過膠黏劑將玻璃微珠進行固定的PET或PET/PE復(fù)合膜，當被鍍材料自身的植珠工藝從烘道出來到收卷，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(jù)空氣濕度動力學(xué)可知，水汽會時時被補充到收卷材料四周，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，當被鍍材料在真空室內(nèi)放卷時，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刻在釋放，嚴重影響卷繞室內(nèi)的真空度，這種影響在下雨天，尤其是在空氣濕度≥85%時，由于水汽釋放的速度大于真空泵的抽速，會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(xiàn)象，當植珠收卷后的被鍍材料在鍍鋁前暴露于空氣中的時間越長，這種影響會更大，一般遇到這種高濕度天氣時，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，抽真空效果會比較好。當然在鍍鋁過程中隨著真空度的下降，也會影響鋁層與薄膜之間的結(jié)合力。
4、結(jié)束語
隨著國家標準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)用前景勢必會更加廣闊，市場需求會越來越大，對反光布的制作工藝和質(zhì)量要求會越來越嚴格，這其中就包括對真空鍍鋁提高功能、技術(shù)、生產(chǎn)的要求，這也是市場經(jīng)濟發(fā)展的必然。
