CN113308940A - 一种等离子体高阻隔纸及其制备方法 - Google Patents

一种等离子体高阻隔纸及其制备方法 Download PDF

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Abstract

本发明属于功能纸技术领域，涉及一种等离子体高阻隔纸，包括：纸基层，等离子体阻隔层，所述纸基层为纸张包装领域用纸基，所述等离子体阻隔层，是由等离子体发生装置产生等离子体，单体进入沉积室经等离子体电离产生反应前驱体，与离解的氧化性气体混合发生化学反应，生长成纳米薄膜，沉积于纸张表面，形成的无机杂化阻隔层。本发明还涉及一种等离子体高阻隔纸制备方法。本发明通过在纸基表面直接沉积等离子体阻隔层，不需要进行纸张的预处理工艺，所制备的等离子体阻隔层薄膜致密、均匀、阻隔性能高、附着力强、不脱落，并且实现卷‑卷生产，生产成本低、沉积速度快，可广泛用于食品、药品、香烟、茶叶、干货等阻隔要求高的商品包装。

Description

一种等离子体高阻隔纸及其制备方法
技术领域
本发明属于功能纸技术领域，特别涉及一种等离子体高阻隔纸及其制备方法。
背景技术
纸张因为结构松散、木质素纤维易吸潮，透气率高，特别是对水蒸气透过率很高。采用目前阻隔薄膜制备方法，包括覆膜、多层共挤、表面涂布、真空镀铝等方法都不能得到满意的高阻隔性能，并且这些制备方法还存在工艺复杂、成本高、材料的回收利用困难及环保不达标等问题。
氧化物(硅)阻隔膜层具有阻透（阻湿隔氧）性能外，还具有耐酸碱、耐腐蚀、防划痕及绝缘性能高等防护性能，因而在纸张包装领域有着广阔的应用前景。目前应用等离子体技术制备高阻隔薄膜的方法有蒸镀、磁控溅射、等离子增强化学气相沉积等。然而上述氧化硅阻隔层制备技术沉积速率慢、或沉积温度高、或生长的薄膜脆等问题，因而应用于阻隔纸张的制备就使得其价格高昂。
现有技术出现了一种解决方案，CN108642955A公开了一种防水纸及其制备方法：包括纸以及沉积在纸张表面的防水膜，所述防水膜为含氟的丙烯酸酯聚合物。该防水纸通过包括如下步骤得到(1 )将含氟的丙烯酸酯单体气化；(2)将气化的单体送入等离子体反应器中，单体在辉光放电下发生等离子体聚合反应，生成的聚合物沉积在纸张表面形成防水膜。与现有技术相比，本发明的防水纸具有良好的疏水性，生产操作过程简单，并减少纸张防水处理所用的化学品种类及用量。该方案的不足之处在于：1、丙烯酸酯不能和食物直接接触，极大地限制了使用范围；2、含氟聚合物属于最难被降解的一类物质，而且对危害人体健康；3、此类聚合物为有机薄膜，存在硬度低、抗划痕性差等缺点；4、含氟的丙烯酸酯聚合物和基体结合力低，容易脱落；5、有机聚合薄膜耐候性能差；6、对气体如氧气阻隔性能差。
现有技术出现了一种解决方案，CN107653744A公开了一种超疏水纸及其制备方法，所述超疏水纸的制备方法，包括以下步骤：（1）对纸张进行羟基化改性；（2）采用等离子刻蚀法对纸张进行刻蚀；（3）以Ar为气源对纸张进行等离子体预处理；（4）采用等离子体化学气相沉积法在纸张表面沉积超疏水薄膜。本发明采用等离子刻蚀法对纸张进行刻蚀能够在纸张表面上制备微结构，增加纸张的比表面积，使纸张的粗糙增加，使纸张的表面难以被水浸润，有利于提高接触角，进行氟改性, 通过等离子体化学气相沉积法在纸张表面沉积含氟的超疏水薄膜，它具有强度高、耐刮擦的优点，其疏水性能更加长效持久。该方案的不足之处在于：1、该方案工艺复杂，成本高昂，先通过纸张进行羟基化改性，再用等离子刻蚀法对纸张进行刻蚀，最后采用等离子体化学气相沉积法在纸张表面沉积超疏水薄膜；2、制备的薄膜具有防水、疏水性能，不能起到阻湿、阻气功能；3、含氟聚合物属于最难被降解的材料，而且对危害人体健康；4、沉积在表面的有机薄膜不致密。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是：提供一种等离子体高阻隔纸，能克服现有等离子体技术制备阻隔层速率慢、成本高、效率低等问题，其等离子阻隔层具有附着力强、不易脱落、结构致密、阻隔气体和水分子性能好、设备成本低、生产效率高、无二次污染等特点。
本发明提供的一种等离子体高阻隔纸，包括：纸基层，等离子体阻隔层，所述纸基层为纸张包装领域用纸基，
所述等离子体阻隔层，是由等离子体发生装置产生等离子体，单体进入沉积室经等离子体电离产生反应前驱体，与离解的氧化性气体混合发生化学反应，在高密度等离子体中通过化学反应生长成纳米薄膜，沉积于纸张表面，形成的阻隔层。
进一步的，所述等离子体发生装置为低气压或高气压等离子体发生装置，包括电极、电源、真空室腔体、沉积室、单体、放电气体和氧化性气体，所述电极同时也是卷-卷工艺的导辊，由不锈钢制成。
进一步的，所述电极和真空室腔体之间还设有绝缘介质层，防止电极和真空室之间的放电，提高放电效率；单体和放电气体、氧化气体均设有进气管，让多种气体混合均匀，提高气体在真空腔室内分布均匀性，增加沉积阻隔薄膜厚度、成分的均匀性。
进一步的，所述单体和放电气体、氧化气体的进气管均配套设为二路，防止气压对进气量的影响，进气管在放电导辊之间，气体经进气管扩散到二辊之间等离子体区，并在金属辊电极电离、离解、化学反应、沉积成膜。
进一步的，在所述先进等离子体发生装置中，纸基始终在导辊上卷绕传输，实现纸张连续沉积阻隔层薄膜。
进一步的，所述放电气体为氩气或氮气中的一种，单体为硅烷，气体或液体，氧化气体为氧气、二氧化碳或一氧化二氮中的一种，均由电源驱动在电极辊之间放电，利用低温等离子体技术产生高密度等离子体。
该高阻隔纸张可有效的阻隔气体、水分子迁移，其氧气透过率低于3mL/m2﹒24h，水蒸汽的透过率小于3 g /m2﹒24h。较之其他高阻隔纸张制作工艺，该方法具有一次成型、生产成本低、易操作、速率快、阻隔性能好、安全性强、使用范围广等。此技术工艺还在材料的回收利用及环保方面有突出的优势。
本发明还包括一种等离子体高阻隔纸制备方法，包括以下步骤：
A:沉积室抽真空达到本底真空度；
B: 将纸张基材固定在设备的导辊上，启动卷-卷设备，让纸张旋转运行起来；
C:启动驱动电源，在等离子体发生装置内产生等离子体；
D:单体进入沉积室经等离子体电离产生反应前驱体；
E: 氧化性气体进入，等离子体使其离解，和单体离解产生的前驱体发生化学反应，生长成纳米薄膜；
F:在沉积室内，纸基始终在电极/卷-卷导辊上卷绕传输，实现纸张连续沉积阻隔层薄膜，形成等离子体阻隔层；
G:持续运行操作，完成纸基卷盘收卷后停机。
进一步的，所述步骤C中等离子阻隔层的厚薄由放电气压、单体比例、放电功率、纸张卷绕速率等确定。
在等离子阻隔层沉积过程中，先调节好单体和氧化性气体的比例，然后让纸基以一定的速率通过放电区，同时配合以放电功率的大小，将多个电极辊串联就可实现高速沉积，完成高效率、快卷绕的大规模工业化生产。
本发明实现的有益效果是：在纸基表面直接沉积等离子阻隔层，不需要进行纸张的预处理工艺，所制备的等离子阻隔层薄膜致密、阻隔性能高、附着力强、不脱落，并且实现卷-卷生产，生产成本低、沉积速度快，可广泛用于食品、药品、香烟、茶叶、干货等阻隔要求高的商品包装。
附图说明
图1是本发明所述等离子体高阻隔纸层间结构示意图。
其中，各部件名称为：1、纸基层；2、等离子体阻隔层。
具体实施方式
下面结合实施例对本发明进行详细说明，以便本领域的技术人员更好地理解本发明，但本发明并不局限于以下实施例。
实施例1
一种等离子体高阻隔纸，包括：纸基层，等离子阻隔层，纸基层为纸张包装领域用纸基，
等离子阻隔层，是由等离子体发生装置产生等离子体，等离子体进入沉积室经等离子体电离产生反应前驱体，与离解的氧化性气体混合发生化学反应，生长成纳米薄膜，沉积于纸张表面，形成的阻隔层。
等离子体发生装置为低气压或高气压等离子体发生装置，包括电极、电源、真空室腔体、沉积室、单体、放电气体和氧化性气体，所述电极同时也是卷-卷工艺的导辊，由不锈钢制成，在电极和真空室腔体之间还设有绝缘介质层，防止电极和真空室之间的放电，提高放电效率；单体和放电气体、氧化气体均设有进气管，让多种气体混合均匀，提高气体在真空腔室内分布均匀性，增加沉积阻隔薄膜厚度、成分的均匀性。
所述先进等离子体发生装置中，纸基始终在导辊上卷绕传输，实现纸张连续沉积阻隔层薄膜。
放电气体为氩气，单体为硅烷，氧化气体为氧气，均由电源驱动在电极辊之间放电，利用低温等离子体技术产生高密度等离子体。
实施例2
一种等离子体高阻隔纸，包括：纸基层，等离子阻隔层，纸基层为纸张包装领域用纸基，
等离子阻隔层，是由等离子体发生装置产生等离子体，等离子体进入沉积室经等离子体电离产生反应前驱体，与离解的氧化性气体混合发生化学反应，生长成纳米薄膜，沉积于纸张表面，形成的阻隔层。
等离子体发生装置为低气压或高气压等离子体发生装置，包括电极、电源、真空室腔体、沉积室、单体、放电气体和氧化性气体，所述电极同时也是卷-卷工艺的导辊，由不锈钢制成，在电极和真空室腔体之间还设有绝缘介质层，防止电极和真空室之间的放电，提高放电效率；单体和放电气体、氧化气体均设有进气管，让多种气体混合均匀，提高气体在真空腔室内分布均匀性，增加沉积阻隔薄膜厚度、成分的均匀性。
单体和放电气体、氧化气体的进气管均配套设为二路，防止气压对进气量的影响，进气管在放电导辊之间，气体经进气管扩散到二辊之间等离子体区，并在金属辊电极电离、离解、化学反应、沉积成膜。
所述先进等离子体发生装置中，纸基始终在导辊上卷绕传输，实现纸张连续沉积阻隔层薄膜。
放电气体为氮气，单体为硅烷，氧化气体为二氧化碳，均由电源驱动在电极辊之间放电，利用低温等离子体技术产生高密度等离子体。
实施例3
一种等离子体高阻隔纸制备方法，包括以下步骤：
A:启动等离子体发生装置，产生等离子体，等离子体进入沉积室经等离子体电离产生反应前驱体；
B:与离解的氧化性气体混合发生化学反应，生长成纳米薄膜；
C:将纸张基材固定在设备的导辊上，在沉积室内纸基始终在电极/卷-卷导辊上卷绕传输，实现纸张连续沉积阻隔层薄膜，形成等离子阻隔层；
D:持续运行操作，完成纸基卷盘收卷后停机。
以上所述仅为本发明的较佳实施例，并非因此限制本发明的专利范围，凡是利用本发明说明书所作的等效结构或等效流程变换，或直接或间接运用在其他相关的技术领域，均同理包括在本发明的专利保护范围内。

Claims (8)

1.一种等离子体高阻隔纸，其特征在于：包括：纸基层，等离子阻隔层，所述纸基层为纸张包装领域用纸基，
所述等离子阻隔层，是由等离子体发生装置产生等离子体，等离子体进入沉积室经等离子体电离产生反应前驱体，与离解的氧化性气体混合发生化学反应，生长成纳米薄膜，沉积于纸张表面，形成的阻隔层。
2.如权利要求1所述的等离子体高阻隔纸，其特征在于：所述等离子体发生装置为低气压或高气压等离子体发生装置，包括电极、电源、真空室腔体、沉积室、单体、放电气体和氧化性气体，所述电极同时也是卷-卷导辊。
3.如权利要求2所述的等离子体高阻隔纸，其特征在于：在所述等离子体发生装置中，纸基始终在导辊上卷绕传输，实现纸张连续沉积阻隔层薄膜。
4.如权利要求2所述的等离子体高阻隔纸，其特征在于：所述电极和真空室腔体之间还设有有绝缘介质层，单体和放电气体、氧化气体均设有进气管。
5.如权利要求4所述的等离子体高阻隔纸，其特征在于：所述单体和放电气体、氧化气体的进气管均配套设为二路，进气管在放电导辊之间，气体经进气管扩散到二辊之间等离子体区，并在金属辊电极电离、离解、化学反应、沉积成膜。
6.如权利要求4或5所述的等离子体高阻隔纸，其特征在于：所述放电气体为氩气或氮气中的一种，单体为硅烷，氧化气体为氧气、二氧化碳或一氧化二氮中的一种，均由电源驱动在电极辊之间放电，利用低温等离子体技术产生高密度等离子体。
7.一种等离子体高阻隔纸制备方法，其特征在于：包括以下步骤：
A:启动等离子体发生装置，产生等离子体，等离子体进入沉积室经等离子体电离产生反应前驱体；
B:与离解的氧化性气体混合发生化学反应，生长成纳米薄膜；
C:将纸张基材固定在设备的导辊上，在沉积室内纸基始终在电极/卷-卷导辊上卷绕传输，实现纸张连续沉积阻隔层薄膜，形成等离子阻隔层；
D:持续运行操作，完成纸基卷盘收卷后停机。
8.如权利要求7所述的等离子体高阻隔纸制备方法，其特征在于：所述步骤C中等离子阻隔层的厚薄由放电气压、单体比例、放电功率、纸张卷绕速率等确定。
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