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微层薄膜的技术进展及最新应用

早期的微层薄膜能使装饰性包装产生彩虹效果。现在, 有数百层、甚至上千层的薄膜还具有气体阻透性、UV 阻隔性, 而且还能够用作展示产品和高强度窗薄膜层合材料。随着其应用的增加, 越来越多的加工厂商想加入这一生产行列。

微层薄膜是共挤流延法生产的, 层数在30～1000 层, 每层厚在0.02～5μm。这不是未来派的幻想, 而是真正商业化的薄膜。将所有层组合在一起这看似不可思议的壮举是将流入供料块中的两、三股熔体分层、叠加在共挤出供料块中实现的。

过去30 多年来, 微层薄膜一直由一家公司商业化生产镜状薄膜或彩虹膜, 用于礼品包装、彩带以及其他装饰性材料。但是在最近3～5 年, 有6 家公司商业化生产了多种微层薄膜, 开拓了广阔的应用市场, 包括玻璃窗复合层、计算机屏幕、鞋等产品。至少还有三家公司在开发其他应用, 只不过还没有商业化。

微层膜广义上分为光学膜和阻透膜, 光学膜有选择地过滤或反射特定波长的光, 而阻透膜有优异的强度和柔性。有些微层膜既有光控性能, 又有高的强度。光学薄膜一般所用的树脂较少, 层数多, 且薄, 100~1000 层。阻透薄膜层数少且厚, 用的树脂多, 一般采用7～11 台挤出机。微层阻透膜也可以与其他基材复合, 如TPU 等。

1 关键技术———供料块

微层膜有两种最基本的商用供料块。第一种是道化学公司在上世纪60 年代发明的,第二种是机头制造商Cloeren 公司于上世纪90 年代制造的。最近, Black Clawson 公司(现为Davis- Standard 公司的分公司) 和挤出模具公司(EDI) 也已经研制出其自己的微层供料块, 但是到目前为止还仅用于研发。

此外, Clemson 大学熔体叠层新技术———无序对流技术能在一种称为Smart Blend数显电子拉力实验机的性能特点及该装备平常保护有哪些你知道吗?下面本公司技术人员就来为大家介绍介绍吧er 的类供料块中产生一种可重复性的叠加, 得到层数可以达到1000 层的半连续微层。这也是Case Western Reserve 大学和明尼苏达大学正在进行的微层研究。

道化学的供料块技术———中间层产生器或层增加器将微层分层并叠加, 层的增加是顺序产生的, 这样就能将给定层几乎可以无限放大。据说道化学的新式供料块通过流道平衡技术能生产更为均匀的层。

Cloeren 的微层供料块是先将熔体流分层, 然后再将料流打成小包, 一般每个小包包了17 层或者是34 层连续层。之后再将这些包叠加在一起。现在Cloeren 采用这种方法已经可以做到452 层。

道化学最早的微层技术是Walter Schrenk和他的同事们发明的, 他们为道化学申请了大量的专利, 但是道化学没有直接将这些专利商业化, 而是将其卖成技术许可———微层流延膜技术, 一个在1976 年卖给了Mearl 公司(现在的美国纽约Engelhard 公司的分公司), 一个在1995 年卖给了3M公司。Walter Schrenk 等人还申请了数百层的吹塑薄膜技术, 但是据信还没有商业化。

道化学在微层供料块研究领域仍然很活跃, 它与EDI 公司达成了一项新的许可协议,为道化学提供第三代微层包装技术。EDI 称公司已经签署了一项许可。

EDI 公司建了一条试验用能生产多达48层的微层薄膜试验生产线, 生产线由二台挤出机组成, 目前已经进行了32 层微层膜试验。EDI 正在尝试着用使用性能与昂贵材料一样的便宜材料开发降低材料成本的体系, 例如用不同特性黏度的PET。

Cloeren 所开发的方法不同于道化学的层叠加技术。最近Cloeren 的专利申请(2005 年2月, 美国2005 / )描刻录机述了一种熔体流分层技术, 在供料块中产看看他们给出的评价生微层结构。每股熔体能被分成很多股, 然后在垂直方向将多层熔体流顺流, 在供料块的末端将厚的表面层一起带到微层复合中心。最后将所有材料一起通过传统的流延薄膜机头挤出。

Cloeren 已经卖了6 套以上的微层膜供料块, 用于生产2.5～3.5m 宽的薄膜。有三套设备被一些公司用来生产EVOH 树脂基薄膜, 据说其阻透性能是尼龙或EVOH 基9 层阻透吹塑薄膜的两倍多。除了阻透性能大大提高外,其强度和柔韧性也大大增加。

Cloeren 已经对现有生产线进行了改造,用于生产微层薄膜。但是改造并不是总能成,因为这些生产线常常是通过垂直供料块向下挤出的。由于微层膜供料块比传统的长, 因此一般要将挤出机放在中间楼层上, 以达到要求的“下垂高度”。

2001 年Black Clawson 展示了其最新开发的微层供料块, 而且已经将其一套14 层的供料块(Cloeren 生产的)卖给了一家未公开的客户。

2 微层光学膜

现在有二家公司生产装饰用彩虹微层膜。彩虹膜在很长一段时间内是这种多样化技术的唯一应用。自1976 年以来, Engelhard(该公司收购了Mearl 公司) 已经生产了113层、226 层一系列装饰性微层膜, 用于礼品包装、标签、彩带、纺织品、壁纸等。2001 年, 日本Teijin DuPont 公司就开始生产层数达200的装饰性薄膜。台湾Rain 包装工业公司也生产彩虹微层膜。

Engelhard 和Teijin DuPont 用的都是Cloeren 供料块。据说Rain 用的技术类似于道化学的第一代微层专利技术, 该技术已过专利保护期。

最早的装饰性薄膜是将两种材料变成等厚度的叠加层, 第三台挤出机挤出保护性的表面层。所有的微层膜都要求保护性涂层通过机头时不使精致的微层受到剪切破坏。

3M公司也曾生产了一段时间的装饰性薄膜, 但是很快就退出了这一市场, 以支持微层光控薄膜的生产。在3M购买了道化学的大量微层薄膜专利技术后, 3M公司的研究人员Andrew Ouderkirk 取得了惊人的发现, 即相邻两层微层薄膜的不同厚度影响光在相邻两层膜之间的表面的反射方式。事实上, 3M最重要的微层膜专利技术是用于控制层厚的, 进而控制光的特定波长。这为开发一系列全新的微层薄膜结构铺平了道路。3M现在生产十多种不同的光学薄膜, 传统的商标为VikuitiFilms, 其中有些是双向拉伸的, 以增强其韧性。

上述产品还包括反射偏光膜, 即亮度增强过滤膜, 用于手提电脑、移动、便携式摄像机等的电子屏, 使LCDs 更亮, 发光更均匀, 识别更容易。

其中一个例子是900 层的增光膜用于Palm 手持计算机的显示屏。另外一个事例是Mirror Film VM2000 用于“太阳光管”将屋顶的可见光长距离输送到下面的屋子, 以节省能源。

本机采取PC微机控制玻璃窗是3M微层光学膜的另一个巨大的商业市场。Scotchshield Ultra 超安全窗用膜使窗户几乎不破, 而且在建筑上和汽车上还能阻挡近乎99%的紫外光, 节省能源, 防止老化。3M称, 这种Scotchshield UItra 超安全膜为“世界上强度最大的薄膜”, 能够防止盗窃。Scotchshield弹簧 UItra 薄膜的层数是12 层的倍数, 而且还进行了双向拉伸。按冲击强度分为三种, 即12 层、24 层和36 层, 分别通过了150 英尺- 磅(1 英尺- 磅=1.355818N·m)、400英尺- 磅和600 英尺- 磅的冲击试验。

3 物理折射原理

在光波通过千层层间面或者从其上反弹时光波的控制是由相邻聚合物的折射指数决定的。相邻树脂层的折射指数差别越大, 从其界面的反射越明亮。而且,纺织助剂 叠加块中的层数越多, 反射越明亮。

装饰性薄膜是将两种聚合物交叠, 一般是聚酯, 如折射指数为1.8 的PET 和丙烯酸酯,如折射指数为1.5 的聚甲基丙烯酸甲酯。反射的颜色效果从薄膜表面不同角度看效果不同。

双折射是从不同角度看聚合物间折射指数不同所致。微层薄膜中双折射聚合物对一般在其倾斜时漏光, 仅在一定的观察角度内反射。从所有其他角度看, 界面都是透明的。3M发现, 叠加块中不同的层厚会产生非常复杂的反射模式, 能够使一些光波通过而阻止其他波长的光, 产生任何角度反射程度都一样的结构。

3M开发的材料对在不同相邻层厚都能产生几乎完美的镜面从所有角度反射。3M还发现, 如果层1 在水平方向的折射指数等于层2 在垂直方向的折射指数(反之亦然), 那么, 薄膜在所有观察角度的折射率都恒定。

4 微层阻透薄膜

3M公锤子司并不是唯一续写道化学专利技术奇迹的公司。道化学前任研究人员将微层技术推向了新的市场。例如, Nike 公司开发了运动鞋用气垫弹性体材料的微层阻透薄膜,而且设计时其中包裹了压缩氮气, 并申请了专利(美国专利, 2000)。Nike 最新一款鞋Air Max 360 是第一种全充气鞋底, 如果没有新型的微层气垫, 这完全不可能。

Nike 微层气垫将EVOH 和一种TPE 或者是TPEs 混合物层交叠。Nike 的专利描述了层数达1000 层的微层气垫, 而且层厚薄至0.01μm。Nike 在其三条流延薄膜生产线上生产了十多种不同的流延微层阻透薄膜, 每条生产线都有5 台挤出机。所生产的薄膜大都在30~100 层, 提高了气垫的力学强度、柔性和阻透性。其中的一种微层膜宽2m, 有75层, 其中有一半是EVOH。

Nike 的微层膜最早是1998 年在美国密苏里州切斯特菲尔德的Tetra 塑料分公司开发的, 现在在密苏里州Nike 的圣查尔斯工厂厂内加工, 既为Nike 生产微层膜, 也为外面的客户生产。圣查尔斯工厂也生产非鞋用微层膜, 而且Nike 也申请了有关专利。

与阻透薄膜相比, 微层薄膜具有优异的性能。一是阻透性提高了, 因为从物理上讲,微层增加了渗透物饱和所需的时间。二是大量微层使薄膜力学强度更高, 柔性更大。相邻层的相互增强作用提高了EVOH 的耐开裂性和耐穿透性。

此外, 有消息认为微层还能提高层间粘接力, 因此, 在一些结构中,

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