CN101181848A - 一种凹印版及其制作方法和真空沉积镀膜装置 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种凹印版,该凹印版由凹印版金属基材以及镀膜层构成,其特征在于,所述镀膜层包括位于所述金属基材上部的至少两层由金属层和金属碳化物或氮化物层交替构成的基础镀膜层,以及位于所述基础镀膜层上部的具有亲水性能的表面镀膜层。其中,所述基础镀膜层的金属为Cr或Ti。本发明还进一步公开了制备上述凹印版的真空沉积制备工艺,以及制造上述凹印版的镀膜装置。与传统电镀工艺相比,采用真空沉积法制备印版表面的铬层可解决电镀工艺存在的环保问题;此外,该凹印版具有多个镀膜层且光洁度很高,具有良好的耐磨性和耐印量,且能节省油墨用量。

Description

一种凹印版及其制作方法和真空沉积镀膜装置
技术领域
本发明涉及一种凹印版及其制作方法和真空沉积镀膜装置,属印刷版制作技术领域。
背景技术
凹版印刷由于可以实现普通印刷工艺所不具有的印品特有的“凹凸触感”而被广泛地用于印制钞票、有价证券和防伪产品的制作中。传统的雕刻凹印版是在凹印版基体材料(镍、铜、铁等)上雕刻图纹,之后通过电镀将铬覆于凹印版基体材料上从而形成凹印版的表面耐磨镀层。然而,目前广泛使用的电镀凹版镀铬工艺,存在着较大的环境污染处理问题。传统的雕刻凹印版、多层金属版通过电镀铬工艺获取表面镀层,电镀铬工艺本身污染环境,严重损害人体健康,含铬废气和废水是国家环境污染控制最严格的项目之一。电镀铬工艺现在普遍应用在世界各国的钞券凹版、多层金属版制作中,由于长时间的发展,形成了相对成熟的技术,工艺比较稳定,操作相对简单,但是生产中产生的含六价铬的废液和废气对于环境和人体有很大的危害。从环保的角度看,采用真空沉积镀铬技术取代传统的电镀铬工艺是一条重要的工艺改革途径。
现有技术中,国际专利文件WO20061 32085A1公开了一种具有表面加强覆盖层的凹印版雕刻辊筒,该凹印版以铜作为印刷基体,在铜基体上使用溅射法依次镀上金属层、炭化金属层以及类金刚石碳薄膜层(DLC薄膜层),从而构成上述的表面加强覆盖层。通过上述多个覆盖层的设置,尤其是具有很大硬度的最外层类金刚石碳薄膜层的设置,其在一定程度上提高了凹印版的耐磨性和耐印量;然而该凹印版在有效提高其耐磨性和耐印量的同时,受类金刚石碳薄膜层材料脆性较强这一特性的限制,该凹印版的抗冲击性和塑性较差,在后续的印刷过程中,由于其在版辊筒之间运行承受很大压力而将导致凹印版出现不同程度地镀层断裂。这些裂纹和断裂将会直接影响印刷质量,也降低了凹印版的使用寿命。这些技术瑕疵在现有凹印技术中无法有效地规避。
同时,该文献中所述凹印版的表面覆盖层--类金刚石碳薄膜层属于亲墨镀层,所以该凹印版表面覆盖层和油墨之间的结合力很强,这样不仅浪费了油墨,提高了生产造价,而且使得后续清理版面的工艺复杂化。
本发明在提出采用溅射镀膜的方法制备凹印版,以解决传统凹印版制作技术中存在的环境污染问题的同时,首次提出在较高硬度复合基础镀膜层(该复合基础镀膜层的化学成分与基本结构与WO2006132085A1专利所述镀膜层均不同)的外表面再镀制亲水性镀膜层,从而有助于降低凹印工艺的印刷油墨消耗。
发明内容
本发明在解决传统电镀工艺存在的环境污染问题的基础上,所要进一步解决的技术问题是凹印版表面镀膜层在生产和使用过程中产生裂纹和断裂的问题。进而提供一种具有良好的同时确保其耐磨性和耐印量且较传统印版可节约油墨的凹印版并进一步公开了该种凹印版的制造工艺以及制造该凹印版的真空沉积镀膜装置。
为解决上述技术问题,本发明提供的凹印版由凹印版金属基材以及复合镀膜层构成;其中,所述凹印版金属基材为镍、镍合金、铜、铜合金等,所述镀膜层包括位于所述金属基材上部的至少两层由金属层和金属碳化物或氮化物层(CrxN1-x镀层、CrxC1-x镀层、TixN1-x镀层以及TixC1-x镀层)交替构成的高硬度基础镀膜层;以及位于所述基础镀膜层上部的至少包含TiO2层的具有亲水性能的表面镀膜层。
所述表面镀膜层进一步包括位于所述基础镀膜层上部,作为所述TiO2层底层的SiO2层。
所述表面镀膜层还包括设置于TiO2层之上的依次由SiO2层、TiO2层多层依次交替构成的镀膜层。。所述的基础镀膜层的金属为Cr(铬)或Ti(钛)。
其中,所述金属层是通过采用磁控溅射法镀制到凹印版上;所述金属碳化物或氮化物层通过采用反应溅射的方法镀制到凹印版上。所述表面镀膜层是通过采用反应溅射和射频溅射结合的方法镀制到凹印版的所述基础镀膜层上。
所述基础镀膜层为3层,每个镀层的厚度为0.01~8μm。其中,可优选基础镀膜层为2层,每个镀层的厚度为1~4μm。所述表面镀膜层中的TiO2层的厚度为0.1~1μm,SiO2层的厚度为10-100nm。
所述的凹印版可用于激光雕刻凹版制作。
一种用于制造上述凹印版的真空沉积镀膜装置,其包括一个设置有多个磁控溅射室的镀膜室,所述镀膜室与多个真空泵相连;在所述每个溅射室内设置有一个溅射靶,其特征在于,所述装置还包括一个位于所述镀膜室内的可旋转的工作辊筒,所述多个溅射靶围绕设置于所述工作辊筒的周围;所述工作辊筒的圆弧曲率与后续印刷工序中的印刷辊筒的曲率大致相同,印版在镀膜过程中沿工作辊筒弧度包覆在工作辊筒上。其中,在所述每两个溅射靶之间设置隔板,所述每两个隔板和位于其中间的溅射靶构成一个磁控溅射室。其中,所述工作辊筒的旋转为匀速旋转;所述工作辊筒为卧式放置,即工作辊筒辊轴与底面平行。与传统的电镀镀铬工艺的另一个不同之处在于,采用这种真空沉积装置镀膜时,印版的弧度与随后在印刷过程中印刷辊筒的弧度大致相当,从而有利于提高印版的耐印率。当然,还是优选印版的弧度与印刷辊筒的弧度相同。
本发明还在公开了上述凹印版以及制作所述凹印版的镀膜装置的基础上,进一步公开了制作上述凹印版的制作方法,其采用磁控溅射法,通入惰性工作气体,通过镀膜室内的金属溅射靶向设置于工作辊筒上并随所述工作辊筒一并旋转的凹印版的刻有图纹或待刻图纹的一面上镀制金属镀膜层;通过向所述镀膜室内充入反应气体氮源或碳源气体,采用反应溅射法,通过镀膜室内的金属溅射靶向所述凹印版上镀制金属碳化物或氮化物镀膜层,从而通过上述多次溅射镀膜在所述凹印版上溅射形成至少两层由金属层和金属碳化物或氮化物层交替构成的基础镀膜层;向镀膜室中充入氧气,然后使用纯Ti靶、采用反应溅射法镀制TiO2层,使用SiO2靶、采用射频溅射法制备SiO2层。其中,所述基础镀膜层的金属为Cr或Ti;所述的惰性气体为Ar气。
此外,向凹印版上镀金属碳化物或氮化物镀膜层时,镀膜室内工作气压为0.2至0.8Pa,Ar/N比或Ar/C比为4∶1至1.2∶1。其中,所述碳源气体为CH4或C2H2气体;所述氮源气体为氮气。向凹印版上镀TiO2镀膜层时,溅射时的工作气压为0.1Pa至2Pa,惰性气体和氧气的压力比为2∶1至6∶1;射频溅射SiO2层时,工作气压为0.2Pa至0.8Pa。
其中,形成镀膜层前的本底真空度为1×10-4~6×10-3Pa;形成镀膜层时的溅射功率为2~30W/cm2,
在上述过程中,可在对所述凹印版进行溅射镀膜之前使用反溅射法对凹印版金属基材进行清洗。
本发明具有如下所述的优点:
(1)采用真空沉积镀膜的方法制备凹印版,避免了Cr6+的生成,从而避免了传统电镀工艺存在的环境污染问题。
(2)该凹印版利用基础镀膜层和表面镀膜层结合构成所述金属基材上的表面硬度增强层,由于其多层镀膜层结构的设计,在很大程度上加强了凹印版表面的耐磨性;另一方面,基础镀膜层中的金属碳化物镀层或者金属氮化物镀层(诸如CrxN1-x镀层、CrxC1-x镀层、TixN1-x镀层以及TixC1-x镀层)都具有较大的硬度,从而使本发明所述凹印版有较好的耐磨性;
(3)该凹印版的基础镀膜层中采用了金属(诸如Cr或Ti)镀膜层,并分别与金属碳化物镀层或者金属氮化物镀层(诸如CrxN1-x镀层、CrxC1-x镀层、TixN1-x镀层以及TixC1-x镀层)复合,在确保印版表面较高硬度的同时,该复合结构使得镀膜层具有一定的抗冲击性,有利于提高印版的耐印率;
(4)该凹印版表面镀膜层具有一定的亲水性,可起到节省无效油墨消耗的作用,并有利于降低凹印废液的处理量;
(5)本发明所述的凹印版的专用溅射装置中,设置了一个可匀速旋转的工作辊筒,该工作辊筒的匀速旋转有助于提高印版表面镀膜层的均匀度;且所述工作辊筒的圆弧曲率和镀膜过程中固定于所述工作辊筒表面上的凹印版的曲率以及后续印刷工序中的印刷辊筒的曲率相同,这就保证了经镀膜后的凹印版在后续印刷过程中,不会因为其曲率与印刷辊筒的曲率不一致,要调整其曲率而导致表面的镀层因发生表面张力的变化出现微裂纹;从而有利于降低印版在印刷前的安装调整量,并可提高印版的耐印率;
(6)制备本发明所述的凹印版时,在制备基础镀膜层时交替采用了反应溅射法,其在真空氩气环境下,充入微量的碳源气体或者氮气,这些反应气体的充入,可以吸收真空镀膜室中的残氧,从而可以阻止金属镀膜层的氧化,提高镀膜层的光亮度。
附图说明
图1是本发明所述凹印版的两个实施例的结构剖视图。
图2是制作本发明所述凹印版的专用真空沉积装置剖视图。
附图中各标号分别表示为:金属基材-1;基础镀膜层-2;表面镀膜层-3;镀膜室-4;真空泵-5;工作辊筒-6;溅射靶-7;隔板-8;溅射室-9;凹印版-10。
具体实施方式
图1显示的是本发明所述的凹印版的结构剖视图,从该图中可以看到该凹印版包括金属基材1和位于金属基材1上的镀膜层。其中,常用的凹印版金属基材1为镍、镍合金、铜和铜合金。所述镀膜层包括基础镀膜层2和表面镀膜层3,基础镀膜层2位于所述金属基材1的上部,其至少为两层,由塑性金属层和塑性金属碳化物或氮化物层交替构成;其中所述的金属为Cr和Ti;所述的金属碳化物或氮化物为CrxN1-x、CrxC1-x、TixN1-x和TixC1-x;所述表面镀膜层3位于所述基础镀膜层2的上部,是由TiO2层或者以SiO2层作为底层和位于所述SiO2层上部的TiO2层构成的具有亲水性能的表面镀膜层,作为另一可以选择的实施例,所述表面镀膜层还可以设置为以SiO2层作为底层和位于SiO2层上部的TiO2层、以及位于TiO2层上部的依次由SiO2层、TiO2层多层依次交替构成的镀膜层。图1(a)的印版尚未制作印版图纹,其基础镀膜层2包括4层镀膜层,由内向外依次由Cr镀膜层、CrxC1-x镀膜层、Cr镀膜层和CrxC1-x镀膜层组成;其表面镀膜层为TiO2镀膜层。图1(b)的印版已制作有印版图纹,基础镀膜层2则包括2层镀膜层,由内向外依次由Ti镀膜层和TixC1-x镀膜层组成;其表面镀膜层3则为SiO2作为底层和位于所述SiO2层上部的依次由TiO2膜层、SiO2层构成的具有亲水性能的复合表面镀膜层。在该图中,只是给出了本发明所述凹印版的两个实施例,作为可以变换的实施例,该凹印版的基础镀膜层2和表面镀膜层3可以根据需要分别设置为两层或多层和一层或多层,选择设置多层基础镀膜层2时,上述镀膜材料的交替构成的顺序也是可以变换的。但是作为最优选的实施例,优选基础镀膜层为2层,每个镀层的厚度为1~4μm。在上述基础镀膜层2的材料中,金属Cr和Ti镀膜层具有较高的硬度,金属Cr和Ti的碳化物(TixC1-x、CrxC1-x)和氮化物(CrxN1-x、TixN1-x)硬度更高,耐磨性更优良。上述材料交替构成复合结构的多层基础镀膜层,使得该基础镀膜层2既保证了较高的表面硬度又使其具有一定的韧性,即在具备良好耐磨性的同时也具备良好抗冲击性,适宜凹版印刷。
本发明中用于制备上述凹印版的装置如图2所示。该装置包括一个镀膜室4,所述镀膜室4与多个真空泵5相连;在该镀膜室4的中央设置有可旋转的工作辊筒6,该辊筒6可以沿其轴心旋转,为了提高溅射的均匀度也可以选择设置工作辊筒6的旋转为匀速旋转。此外,在所述镀膜室4内且靠近其边沿位置处还设置有多个溅射靶7,所述多个溅射靶7围绕分散设置于所述工作辊筒6的周围;在每两个溅射靶7之间还设置有隔板8,所述每两个隔板8和位于其中间的溅射靶7构成一个溅射室9,每个溅射室9都连接有一个真空泵5;在制作本发明所述的凹印版10时,需要将所述凹印版10固定设置于所述工作辊筒6上,所述凹印版10的曲率与所述工作辊筒6的曲率相当,优选曲率相同;本发明所述制作凹印版10的装置的最大创新点在于将所述工作辊筒6的曲率设置为与所述后续印刷辊筒的曲率相同。该设置使得制作的凹印版10不需调整曲率即可以直接将其固定设置于后续印刷辊筒上,一方面提高了生产效率,另一方面避免了由于调整凹印版10的曲率而使所述凹印版10上的镀膜层出现损坏,从而可以提高耐印率。从图2中还可以看到,所述工作辊筒6的设置为卧式放置。
使用本发明所述的上述装置制作本发明所述的凹印版10的工艺如下:
(1)将上述溅射靶7设置为Cr靶或者Ti靶,其中一个靶位为SiO2靶。
(2)将凹印版10固定设置于工作辊筒6上,固定设置印版时需要将凹印版待刻图纹或刻有图纹的一面朝向外表面;并利用与镀膜室4相连接的真空泵5对镀膜室4进行抽真空处理,直到镀膜室4内的真空度达到1×10-4~6×10-3Pa。
(3)设置工作辊筒6的旋转为匀速旋转;向达到上述真空度的镀膜室4内充入工作气体氩气(约0.5Pa),以溅射靶为阴极,工作辊筒接地作为阳极,在两极间加2KV直流电压,使工作惰性气体氩气产生异常辉光放电,电离成Ar+和电子,此时溅射靶7上具有一定的负高压,从靶极发出的电子受磁场作用与工作气体的电离几率增大,在阴极附近形成高密度的等离子体,Ar+则在洛伦兹力的作用下加速飞向溅射靶7的靶面,以很高的速度轰击靶面,使溅射靶7上被溅射出来的原子以较高的动能脱离溅射靶7的靶面而飞向凹印版10的基材沉积成膜;从而利用上述磁控溅射的方法,在凹印版10上镀制形成一层Cr或Ti镀膜层。
(4)然后向所述镀膜室4内充入反应气体氮气或碳源气体,碳源气体在高温下裂解生成C原子,氮气则分解为N原子,从而与脱离溅射靶7飞出的Cr或Ti原子结合,生成CrxN1-x、CrxC1-x、TixN1-x或TixC1-x并溅射到所述凹印版10上,形成CrxN1-x、CrxC1-x、TixN1-x或TixC1-x材料的镀膜层。该过程即为反应溅射过程,其是在磁控溅射的基础上,充入一定量的反应气体,反应气体在高温下分解成原子,从而与溅射靶上溅射出的原子发生反应生成化合物镀层。使用上述磁控溅射和反应溅射结合的方法制备基础镀膜层2,制备得到的该镀膜层具有表面均匀且光洁、与基材结合力好的优点,且通过反应溅射,充入的反应气体降低了镀膜室4中残氧的浓度,可以在很大程度避免镀膜层的氧化。
在实际的印刷版加工过程中,可以根据需要来调节凹印版10上的基础镀膜层2的层数以及镀膜层顺序,总之要形成的基础镀膜层2要满足其是由Cr镀膜层和CrxN1-x镀膜层或CrxC1-x镀膜层交替构成、或由Ti镀膜层和TixN1-x镀膜层或TixC1-x镀膜层交替构成即可。
其中,需要说明的是,①所述的碳源气体即是可以通过裂解提供碳原子的气体,通常可选择CH4或C2H2气体。②在上述过程中,若在溅射完CrxN1-x、CrxC1-x、TixN1-x或TixC1-x材料的镀膜层后,需要溅射Cr或Ti镀膜层,则必须待镀膜室4内的反应气体耗尽之后才可以在凹印版10上溅射Cr或Ti镀膜层。③在上述过程中优选控制所述镀膜工作气压为0.2~0.8Pa,溅射功率为2~30W/cm2;镀膜室内惰性气体和碳源气体或氮源气体的压力比满足Ar/N比或Ar/C比为4∶1至1.2∶1。
(5)待预定基础镀膜层2镀膜结束后,使用纯Ti靶、采用反应溅射法镀制TiO2层;使用SiO2靶、采用射频溅射法制备SiO2层。向所述镀膜室4中充入微量氧气,氧气在高温下分解为氧原子,氧原子和经Ar+轰击溅射靶7而从所述靶面上飞溅出的Ti原子结合,生成TiO2化合物,从而在镀有基础镀膜层2的凹印版10上镀制TiO2镀膜层。其中,对于镀膜室4中充入的氧气的量优选其满足镀膜室4内惰性气体和氧气的压力比为2∶1至6∶1。
需要说明的是,①在该步骤中采用射频溅射方法是为了避免使用原磁控溅射方法导致在靶表面形成绝缘化合物,从而有效地消除了“靶中毒”。②生成的TiO2镀膜层或者以SiO2层作为TiO2层的底层和位于顶层的TiO2层构成的复合表面镀膜层具有较好的亲水性,若先行水溶液润版,则该部分表面与油墨之间的结合力较弱,故而在凹版印刷时可以减少被擦掉的油墨。
上述凹印版10可以是先刻图纹再溅射,也可以是经过上述溅射过程之后再进行雕刻图纹;其中,对于本发明的凹印版10优选经过溅射后再采用激光雕刻制版技术制作图纹。此外,为了进一步加强镀膜层和凹印版金属基材之间的结合力,优选在对所述凹印版10进行溅射镀膜之前使用反溅射法,利用经过电场加速的Ar+轰击基材表面,以物理溅射的方式去除污物,实现对凹印版金属基材的清洗。
虽然本发明已经通过具体实施方式对其进行了详细阐述,但是,本专业普通技术人员应该明白,在此基础上所做出的未超出权利要求保护范围的任何形式和细节的变化,均属于本发明所要保护的范围。

Claims (22)

1.一种凹印版,由凹印版金属基材以及镀膜层构成,其特征在于,所述镀膜层包括位于所述金属基材上部的至少两层由金属层和金属碳化物或氮化物层交替构成的基础镀膜层,以及位于所述基础镀膜层上部的至少包含TiO2层的具有亲水性能的表面镀膜层。
2.根据权利要求1所述的凹印版,其特征在于,所述表面镀膜层进一步包括位于所述基础镀膜层上部,作为所述TiO2层底层的SiO2层。
3.根据权利要求2所述的凹印版,其特征在于,所述表面镀膜层还包括设置于TiO2层之上的依次由SiO2层、TiO2层多层依次交替构成的镀膜层。
4.根据权利要求1或2所述的凹印版,其特征在于,所述基础镀膜层的金属为Cr或Ti。
5.根据权利要求1所述的凹印版,其特征在于,所述金属层是通过采用磁控溅射法镀制到凹印版上;所述金属碳化物或氮化物层是通过采用反应溅射的方法镀制到凹印版上。
6.根据权利要求1所述的凹印版,其特征在于,所述表面镀膜层是通过采用反应溅射和射频溅射结合的方法镀制到凹印版的所述基础镀膜层上。
7.根据权利要求1所述的凹印版,其特征在于,所述基础镀膜层为3层,每个镀层的厚度为0.01~8μm。
8.根据权利要求2所述的凹印版,其特征在于,所述表面镀膜层中的TiO2层的厚度为0.1~1μm,SiO2层的厚度为10-100nm。
9.根据权利要求1所述的凹印版,其特征在于,所述凹印版基材为镍、镍合金、铜或铜合金。
10.权利要求1~9任一所述凹印版的用途,其特征在于,可用于激光雕刻凹版制作。
11.一种用于制造权利要求1~9任一所述凹印版的镀膜装置,其包括一个设置有多个磁控溅射室的镀膜室,所述镀膜室与多个真空泵相连;在所述每个溅射室内设置有一个溅射靶,其特征在于,所述装置还包括一个位于所述镀膜室内的可旋转的工作辊筒,所述多个溅射靶围绕设置于所述工作辊筒的周围;所述工作辊筒的圆弧曲率与后续印刷工序中的印刷辊筒的曲率大致相同,印版在镀膜过程中沿工作辊筒弧度包覆在工作辊筒上。
12.根据权利要求11所述的镀膜装置,其特征在于,在所述每两个溅射靶之间设置隔板,所述每两个隔板和位于其中间的溅射靶构成一个磁控溅射室。
13.根据权利要求11所述的镀膜装置,其特征在于,所述工作辊筒的旋转为匀速旋转,以保证镀膜层的均匀性。
14.根据权利要求11所述的镀膜装置,其特征在于,所述工作辊筒卧式放置,即工作辊筒辊轴与地面平行。
15.一种凹印版的制作方法,其特征在于,包括如下步骤:
(1)采用磁控溅射法,通入惰性工作气体,通过设置于镀膜室内的金属溅射靶向设置于工作辊筒上并随所述工作辊筒一并旋转的凹印版的刻有图纹或待刻图纹的一面上镀制金属镀膜层;
(2)通过向所述镀膜室内充入碳源或氮源反应气体,采用反应溅射法,通过设置于镀膜室内的金属溅射靶向所述凹印版上镀制金属碳化物或氮化物镀膜层,从而通过上述多次溅射镀膜在所述凹印版上镀制形成至少两层由金属层和金属碳化物或氮化物层交替构成的基础镀膜层;
(3)向镀膜室中充入氧气,使用纯Ti靶、采用反应溅射法镀制TiO2层;使用SiO2靶、采用射频溅射法制备SiO2层。
16.根据权利要求15所述的制作方法,其特征在于,所述金属为Cr或Ti。
17.根据权利要求15所述的制作方法,其特征在于,所述惰性气体为Ar气。
18.根据权利要求15所述的制作方法,其特征在于,向凹印版上镀金属碳化物或氮化物镀膜层时,镀膜室内工作气压为0.2至0.8Pa,Ar/N比或Ar/C比为4∶1至1.2∶1。
19.根据权利要求15所述的制作方法,其特征在于,所述碳源气体为CH4或C2H2气体;所述氮源气体为氮气。
20.根据权利要求15-19任一所述的制作方法,其特征在于,向凹印版上镀TiO2镀膜层时,溅射时的工作气压为0.1Pa至2Pa,惰性气体和氧气的压力比为2∶1至6∶1;射频溅射制备SiO2层时,工作气压为0.2Pa至0.8Pa。
21.根据权利要求15所述的制作方法,其特征在于,形成镀膜层前的本底真空度为1×10-4~6×10-3Pa;溅射功率为2~30W/cm2
22.根据权利要求15-17任一所述的制作方法,其特征在于,在对所述凹印版进行镀膜之前使用反溅射法对凹印版金属基材表面进行清洗,以提高镀膜层与印版基体的结合力。
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