射频/偏压耦合筒状聚合物内表面DLC膜沉积及阻隔性能研究

摘要

PET(聚对苯二甲酸乙二醇酯，聚酯)啤酒瓶具有质量轻、使用安全、便于携带、运输方便等一系列优点，在饮料包装领域已经占有半壁江山。然而当它用于包装啤酒等对外界环境因素非常敏感的产品时，PET自身的阻隔能力已经不能满足产品包装的要求。本文采用偏压/射频耦合等离子体增强化学气相沉积(DC-RF-PECVD)技术在筒状PET内壁制备了类金刚石薄膜来提高材料的阻隔性能。
　　采用Raman光谱，傅立叶变换红外光谱分析了DLC薄膜的组成与结构。采用表面轮廓仪分析了DLC薄膜的表面粗糙度。采用朗缪尔探针测量了不同参数下反应容器中轴向方向上离子密度分布情况，并且采用UV-visible测试分析了DLC薄膜在轴向方向的均匀性。采用拉伸、机械弯折、浸泡的方法研究了DLC薄膜的力学性能及稳定性。采用压力差法分析了DLC涂覆PET样品的氧气，二氧化碳透气率。
　　拉曼光谱分析结果表明利用DC-RF-PECVD方法在PET聚酯瓶内壁沉积的膜层具有典型的类金刚石结构。经过高斯拟合后对Raman谱的D峰、G峰进行面积积分，通过计算得到了对应的峰强度ID/IG的值，结果表明100W时制备得到的ID/IG较大，为1.28。通过傅立叶红外分析确定了薄膜中的碳氢基团种类：结合在膜中的碳原子与氢原子之间可形成sp3C-CH2、sp3C-CH1，其含量以sp3C-CH2基为主。表面粗糙度的结果表明，DLC薄膜沉积后使得基体的表面粗糙度降低，在射频功率为50W时得到的薄膜的表面粗糙度最小。
　　朗谬尔探针检测结果表明，随着射频功率的增加，等离子体密度增加，真空反应腔体轴线方向的等离子体密度存在不均匀现象。通过提高反应气体压强，真空反应腔轴线方向上的等离子体密度分布均匀性得到改善。紫外/可见光分析结果表明不同射频功率和直流偏压对薄膜在轴向上的透光率分布影响不大，在乙炔沉积气压为25Pa时制备的薄膜轴向的透光率比较均匀，在大功率、高气压、负偏压下可以获得阻光率较高的DLC膜。
　　采用拉伸试验和机械弯折试验对薄膜的结合力进行表征，结果表明拉伸和弯折后薄膜表面会出现裂纹。沉积成膜过程中，应选择较低的气压、基板负偏压、射频功率来制备抗往复弯折的、耐失效性能优越的膜层。通过浸泡实验验证了薄膜在溶液中的稳定性，在直流偏压为-70V、射频功率为200W、沉积气压为25Pa工艺参数下制备的DLC膜经过两个月的浸泡后表面基本没有裂纹出现。
　　气体阻隔性试验结果表明采用DC-RF-PECVD方法制备的DLC膜可以提高PET的气体阻隔能力，通过对工艺参数的优化可以进一步实现膜层阻隔性能的提高。在射频功率较低，小沉积气压下制备的膜层的光学透过率较好，并且气体透过率较基体降低幅度较大。通过改变工艺参数可以得到满足不同市场需求、光学透明度不同、阻隔性能优异的阻隔改性层。

目录

射频/偏压耦合筒状聚合物内表面膜沉积及阻隔性能研究

FABRICATION AND BARRIER PROPERTIES OF

摘 要

Abstract

目 录

第1 章 绪 论

1.1 高阻隔PET 瓶研究现状

1.2 PET 瓶内表面DLC 阻隔薄膜研究现状

1.3 主要研究内容

第2 章 试验材料与方法

2.1 试验材料及设备

2.2 DLC 膜的制备

2.3 DLC 膜的表征方法

第3 章 筒状聚合物内表面DLC 薄膜的表征

3.1 激光拉曼光谱

3.2 傅立叶红外光谱

3.3 三维表面轮廓仪

3.4 本章小结

第4 章 筒状聚合物内表面DLC 薄膜均匀性研究

4.1 真空反应腔体内等离子体密度分布

4.2 筒状聚合物内表面DLC 薄膜透光率轴向分布

4.3 本章小结

第5 章 筒状聚合物内表面DLC 薄膜结合力研究

5.1 拉伸性能试验

5.2 机械弯折实验

5.3 膜层稳定性试验

5.4 本章小结

第6 章 筒状聚合物内表面DLC 薄膜的阻隔性能研究

6.1 不同参数对筒状聚合物内表面DLC 薄膜阻隔性能的影响

6.2 瓶体内表面DLC 薄膜制备

6.3 本章小结

结 论

参考文献

哈尔滨工业大学硕士学位论文原创性声明

哈尔滨工业大学硕士学位论文使用授权书

致 谢