SiOx/PET复合薄膜的力学性能及阻隔性能分析

SiOx/PET复合薄膜的力学性能及阻隔性能分析

刘斌、陈小常、杨秀莲

（温州强润新材料科技有限公司   温州，325000）

摘要：PET薄膜是食品行业中较为常见的热塑性工程薄膜，具有良好的耐化学性特征，在食品包装领域有着广泛应用。因为受到微波加热技术的影响，行业对于薄膜使用也提出了新的要求，强调薄膜需要具备高组个（高阻隔）性以及微波透过性等各项性能。在此背景下，行业加大了对SiOx/PET复合薄膜的开发和研究力度。文章将通过对SiOx/PET复合薄膜基本情况的介绍，以实验的方式对薄膜力学性能和阻隔性性能展开深度探讨，期望能够为复合薄膜应用和生产提供一些参考。

关键词：SiOx/PET复合薄膜；PET薄膜；阻隔性能；力学性能；红外光谱分析

为更好地明确SiOx/PET复合薄膜特性，确定力学性能以及阻隔性能相关情况，掌握不同厚度SiOx层对于复合薄膜所产生的影响，需要按照氧化硅镀层优异性能特点，通过自制聚对苯二甲酸乙二醇酯薄膜的方式，利用等离子体增强化学气相沉积方法，完成不同厚度SiOx层的沉淀，并利用傅里叶变换红外线光谱分析方法，科学展开阻隔性能以及力学性能测试，对薄膜表面形貌进行充分分析，以便完成性能研究，为相关薄膜生产以及研究提供有利支撑。

1.SiOx/PET复合薄膜

以往食品行业所使用的塑料包装材料，存在阻隔性不足以及强度相对较低的问题，会因为新型加热模式或者粗暴搬运等状况，而导致食品和薄膜之间传质问题，会使塑料包装材料无法对内装食品形成有效保护作用，甚至会引发内装食品变质问题。需要对塑料薄膜强度进行改善，有效提升其阻隔性能，确保薄膜能够在食品行业中得到更好的应用。

传统塑料基阻隔性材料阻隔层，具有较强的气体阻隔性能，但存在明显不可微波加工以及不透明等方面的特征，因为SiOx层材料本身具有阻隔性高以及硬度较大的特点，所以需要通过对其透明度良好和可微波透过性等特征的合理使用，确保塑料薄膜的整体应用效果，保证食品加工行业包装应用能够得到有效完善。现代对于SiOx层的研究主要以包装材料阻隔性能研究为主，也会通过对生产工艺和生产参数进行优化处理的方式，保证复合薄膜光电性能或者力学性能能够得到有效强化，但对于SiOx/PET复合薄膜性能改善方面的研究数量相对较少。在对镀层厚度对薄膜性能产生影响的研究过程中，会将PET薄膜作为基础性材料，通过采用离子体增强化学气相沉积等处理方法，进行镀层的沉积处理，进而完成对复合薄膜阻隔性能以及力学性能的研究，确定不同厚度度成（镀层）对于复合薄膜性能所产生的具体影响，以便能够研发出更加优质的复合薄膜材料，确保能够为SiOx/PET复合薄膜应用提供有效理论依据，实现对我国产品行业包装薄膜发展的有效促进。

2.实验研究方式方法

2.1试剂和仪器

在进行实验之前，需要根据本次实验的具体目标以及实验需要进行的操作，确定试剂以及仪器。本次实验主要会对食品级PET纯树脂进行使用，并会选用增速剂邻苯二甲酸二辛酯以及亚磷酸苯酯等，会根据实际需求对材料进行选择和使用，并会在使用之前对材料进行检查，确定是否符合实验要求，会及时剔除不符合实验要求部分的材料。

在对实验仪器进行选择时，会根据实验操作需要使用工艺，对小型流延试验机以及等离子增强化学气象沉积装置等进行选择。会通过对规格型号的分析以及对于机械设备精准度的要求，对水蒸气透过率测试仪器和氧气透过率测试仪器等进行选择，确保后续实验操作能够顺利实施。

2.2薄膜制备

2.2.1PET薄膜基材制备

将PET纯树脂材料放入到140℃环境之中，实施2小时不间断烘烤，并将烘干之后的树脂放置在烘箱之中进行保温。按照一定比例，将烘烤过后的树脂和抗氧剂以及碳化二亚胺等进行混合。对螺杆前后端、流延机加料口段（端）等部分温度进行控制，再加入混合料之后进行熔融处理，并挤出，经由纵向拉伸和冷却等一系列操作，获得厚度均匀PET薄膜。需要合理对薄膜厚度进行控制，保证后续实验精准度。

2.2.2SiOx/PET薄膜制备

运用等离子体增强化学气象沉积装置，对制备获得PET薄膜进行处理，完成SiOx/PET薄膜材料制备。将压气作为稀释气体进行应用，通过对薄膜进行预处理的方式，在真空室气压稳定的状态下，对其进行五分钟的预处理。将六甲基二硅氧烷作为单体，氧气作为氧化剂，按照2:1的比例进行压强比控制，确保真空式气压能够控制在30Pa，将占空比控制在20%左右，通过控制沉积时间的方式，将时间作为变量，实施不同厚度薄膜的制备。

2.2.3红外光谱分析与性能测试

在进行SiOx层红外光谱分析过程中，会使用傅里叶变换红外线光谱分析仪器，对试样实施红外光谱测试，按照一定范围进行扫描。在进行薄膜力学性能的测试过程中，会通过对电子万能材料试验机的运用，对薄膜断裂拉伸率以及拉伸强度进行测试。在测试过程中，需要做好标距以及尺寸的控制，保证能够将拉伸速率控制在标准要求范围内。在进行薄膜阻隔性能的测试过程中，需要通过对氧气透过率测试仪器的应用，完成薄膜氧气透过率测试，并会通过对水蒸气透过率测试仪器的应用，进行薄膜水蒸气透过率的检测。需要运用扫描电子显微镜对薄膜表面形貌进行检测和观察，根据薄膜脆断处理情况，做好断面形貌观察操作，完成各项数据的收集，以便更好的完成后续分析。

2.3结果与讨论

2.3.1SiOx层结构成分分析

在完成基本操作之后，需要对所制备不同厚度SiOx层结构成分进行分析，运用FTIR实时分析研究，确定不同厚度，膜层结构的具体成分。根据分析结果，在400-3000cm-1波段，存在较强Si-O-Si特征峰和较弱Si-O-Si指纹峰，可以判定存在SiOx成分。在443cm-1波段出现波峰，主要是因为Si-O-Si摇摆振动造成的，而在1520cm-1处出现吸收峰，是因为Si-H伸缩振动造成的，可以判定此时SiOx层存在少量杂质。据研究发现，SiOx主要有三种结构，即笼状结构、线性或环性结构以及网状结构，根据本次薄膜制备特征峰值所处位置的情况分析可以发现，本次薄膜属于网状结构。SiOx层厚度出现增加状态时，指纹峰以及特征峰等强度也会出现随之增加的情况，但位置并没有出现明显变化，可以判定其在参数以及沉积工艺不变的情况下，不同厚度结构成分也处于几乎不变的状态。

2.3.2薄膜力学性能

在对薄膜力学性能进行分析过程中，需要重点对薄膜断裂伸长率以及拉伸强度进行测试和判断，而不同厚度薄膜的断裂拉伸率（伸长率）以及拉伸强度等影响如表1所示。当SiOx层厚度处于零状态时，其表示未沉积PET薄膜，当厚度超过零时，则代表SiOx/PET复合薄膜。

表1 各种沉积厚度复合薄膜力学性能

根据表1所显示的各项数据进行深度分析可以发现，SiOx层能够达到增强SiOx/PET复合薄膜断裂伸长率和拉伸强度的效果。在PET薄膜拉伸强度为32.6MPa时，其断裂伸长率为3%，在SiOx层厚度达到40 nm时，断裂伸长率和拉伸强度均出现明显增加的情况。在厚度达到150 nm，此时拉伸强度已经达到最大数值，比原有数值提高近25%。随着结构厚度的不断增加，复合薄膜拉伸强度也开始出现下降趋势，但整体断裂伸长率仍然处于不断上升的状态。当结构厚度达到一定数值之后，断裂伸长率和拉伸强度均会有所提升，会始终高于PET材料。通过分析发现，产生该种现象的原因，主要是因为强SiOx和PET材料之间结合力相对较高，能够达到切实强化薄膜的目标，可以最大限度提升薄膜拉伸强度。PET基材表面存在孔洞等缺陷问题，在氧化硅沉积初期阶段，成膜粒子会形成原子团，对材料表面缺陷和孔洞问题进行修复，可以在两者之间形成机械互锁状结构，将两者有效结合在一起。在对复合薄膜进行拉伸处理过程中，在PET分子链间隙之间分散的强SiOx粒子会出现移动问题，能够实现对材料拉应力的重新分配，进而确保材料流延性性能，可以达到有效提高薄膜韧性的目标，确保薄膜断裂伸长率能够得到有效提升。

2.3.3阻隔性能

SiOx层是复合塑料包装材料功能层，主要用于包装材料和内装食品之间阻隔，需要通过增强薄膜阻隔性能的方式，保证后续使用质量。不同厚度对于薄膜水蒸气透过率和氧气透过率的影响，如表2所示。

表2 不同厚度复合薄膜阻隔性能

按照气体分子渗透理论内容，在材料表面镀氧化硅层，能够对其表面缺陷进行有效修复，阻断气体分子渗透通道，会因为膜厚度的不断增加而延长渗透距离，使得气体分子渗透受到阻碍，进而达到有效强化薄膜阻隔性能的目标。当SiOx层厚度已经超过150时，会在其表面形成质地均匀且密度较高的膜，能够实现对PET材料表面的全面性覆盖，可以达到对气体分子渗透通道形成有效阻隔的效果，进而保证其阻隔性能能够达到理想状态，阻断作用也会逐渐趋于平稳，不会再发生较大改变。因此，在厚度处于持续增加的状态时，复合薄膜阻隔性能并不会再发生明显改变，可以利用这一点合理控制薄膜厚度，确保能够筛选出阻隔性能最佳的材料进行应用。

2.4总结分析

本次实验将PET材料作为基材，运用PECVD法进行SiOx层沉积处理，并通过对FTIR分析法的应用，对不同厚度下的力学性能以及阻隔性能进行了深度分析。按照分析结果，在结构厚度不断增加的状态下，指纹峰以及特征峰强度也开始出现增大趋势，但位置始终处于没有较大改变的情况，可以判断，在不同厚度状态下，SiOx层成分以及结构处于几乎不变的状态。

通过和PET薄膜性能进行对比分析发现，SiOx层存在结构越大，复合薄膜断裂伸长率以及拉伸强度表现为先增大后减小的状况，水汽透过率和氧气透过率有着明显衰减，之后趋于逐渐平稳的状态，整体性能优势更加突出，会比原有薄膜材料更加适合食品包装等各项应用。当薄膜处于一定厚度时，其表现出的阻隔性能和力学性能优势也凸显出来，水汽透过率和氧气透过率均出现下降状况。通过研究表明可以发现，薄膜的厚度并不是数值越大性能越为理想，需要根据自己实际情况确定厚度及相应性能，以便制定出最优材料，供产品包装进行应用。

结束语：

在对SiOx/PET复合薄膜进行研究过程中，需要按照食品行业包装使用的具体要求以及各种新型加热方式的实际应用情况，对现有薄膜存在的问题进行分析，确定复合薄膜需要具备的性能，并以此为目标对复合薄膜进行研究和生产。在具体进行实验过程中，需要按照科学严谨原则进行各项实验操作和数据整理，需要明确不同厚度的具体性能，确定最佳厚度，并以此为依据进行产品生产。需要注意的是，并不是厚度越厚，整体材料的性能就会更加理想，需要根据产品实际需求对厚度进行选择，以便确保薄膜阻隔性能和力学性能等可以符合材料使用需求，能够更好的完成对复合薄膜的使用，胜任食品包装任务。

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作者简介：

第一作者刘斌（1988-），男，浙江温州人，专科，助理工程师，主要聚酯薄膜生产技术的研究；

第二作者陈小常（1987-），女，浙江温州人，专科，助理工程师，主要聚酯薄膜生产技术的研究；

第三作者杨秀莲（1985-），女，安徽人，专科，助理工程师，主要聚酯薄膜生产技术的研究；