卷绕式真空镀膜工艺对真空系统的要求及应用

卷绕真空镀膜技术，从上世纪70年代末开始问世，至今已发展成为应用面非常广的一种加工技术。它直接对卷状物（如塑料薄膜卷材或金属箔卷材）进行真空镀膜加工，因此具有较高的生产效率。

 卷绕式真空镀膜简介 

卷绕真空镀膜技术可以分为热蒸发真空镀膜技术和磁控溅射真空镀膜技术两大类，以热蒸发真空镀膜为主。该技术主要用于在PET/CPP/OPP/PVC/PE等卷状塑料薄膜表面镀金属铝，适用于服装、包装、印刷、防伪、电子工业等领域。

常用于食品工业的软包装：饼干及烘培类产品，糖果，咖啡，茶叶，巧克力块，汤料，高阻隔膜等。以及装饰：礼品包装，商标，热烫印箔，全息等。多种技术上的日用品：纺织工业的镀铝丝线，建筑和汽车业的防晒膜，安全及防伪（全息），电容膜，静电屏蔽（电缆及电子）。另外，近些年比较火热的太阳能电池薄膜和新能源复合集流体镀膜也离不开卷绕式真空镀膜。

▲ 用于锂电池负极集流体材料的真空磁控溅射镀膜设备

卷绕式真空镀膜设备集真空、制冷、液压、气动、光电、机械技术于一体，具有性能稳定、质量可靠、生产效率高等特点。

一套完整的卷绕式真空镀膜系统主要由收放卷装置、镀膜室和真空腔体组成。基材放置在放卷装置中，经放卷辊将物料送到镀膜室中。镀膜室设置有与驱动电机输出轴连接的镀膜辊，镀膜后的物料经过张力辊，传送至收卷装置。整个过程中物料表面张力恒定，从而使膜层覆盖均匀，保证镀膜效果。

▲ 卷绕真空镀膜设备的基本结构

 卷绕式真空镀膜对真空的要求 

❶ 饱和蒸气压与温度

我们都知道，在真空条件下，金属或非金属材料的气化要比大气压条件下容易的多，这主要体现在材料气化所需的温度。我们以铝为例，铝在大气压下（1×105pa）达到饱和蒸气压所需温度为2327℃；而在1.3×10-2pa的真空环境下，铝的饱和蒸气压仅为847℃。

▲ 部分材料饱和蒸气压与温度之间的关系

也就是说，镀膜设备内真空度越高，材料越容易气化，所需温度也就越低。如果基材是塑料材质，大气压条件下蒸镀的高温会让基材变形受损，高真空可以在较低温度的条件下完成膜材蒸发，保护基材本身，提升产品性能。

❷ 平均自由程

平均自由程是真空行业常用的物理概念，指在一定的条件下，一个气体分子在连续两次碰撞之间可能通过的各段自由程的平均值。

为避免与气体分子碰撞造成的能量损失与方向改变，膜材蒸发或者溅射出来的原子或分子的平均自由程要大于膜材和基材之间的距离。

如上表所示，在10-3mbar（即0.1pa）的真空条件下，气体分子的平均自由程为5.1cm左右。显然在此真空度下，膜材与基材之间的距离太近了。卷绕式真空镀膜工艺的真空度为0.01pa~0.001pa，其目的是让膜材与基材之间的距离可以在51cm~510cm之间。

❸ 巨大放气量

适合卷绕真空镀膜的柔性基材一般为纸张、布、塑料等等，这些成卷的基材表面积很大，其放气量也比较巨大。并且卷内部的基材吸附的气体很难通过两层基材之间的狭缝被抽走，在放卷时就会大量放气。

为了处理该问题，卷绕式真空镀膜机一般会采用双室结构。将真空室分隔开，成为上下两室。上室为卷绕室，下室为镀膜室。放卷时基材放出的大量气体在卷绕室被抽走，减小基材的放气量，然后进入镀膜室。这样有利于镀膜室获得更高的真空度。

综上所述，低气化温度和大平均自由程要求卷绕式真空镀膜工艺中的真空系统须有较高真空度，放气量大则要求真空系统具有较大的抽速。另外在工业生产中，为了提升薄膜的均匀性，需真空泵的压力稳定，可靠性强。部分蒸镀工艺会产生大量的粉尘，耐用也是在此工艺中衡量真空泵的重要指标。

 卷绕式真空镀膜工艺与扩散泵 

通常镀膜室的真空度会比卷绕室高一个数量级，且真空系统需要具备较大的抽速。如下图，一般用罗茨泵作为上室真空系统的主泵，扩散泵作为下室真空系统的主泵。两套真空系统的前级泵可共用。

扩散泵是一种蒸气射流泵，泵油被加热后产生油蒸汽，油蒸汽从伞形喷嘴高速喷出，射流上方的气体扩散到射流内并被高速的大分子油蒸汽携带到泵壁。由于泵壁温度较低，油蒸汽接触到泵壁后会迅速液化，被携带的气体继续向下一级射流扩散并被携带至更下一级，直至最后被前级真空泵抽走。

一般的扩散泵有3到5级伞形喷嘴，有的扩散泵还会增加一级侧向的喷射喷嘴，喷射喷嘴可以提高扩散泵在较高压力下工作的能力（抽速和前级耐压）。

▲ 扩散泵的工作区间：扩散泵运行时需有前级泵创造粗真空条件

扩散泵的优势：

● 具有的抽速/价格比；

● 抽速大、可以处理巨大的气体流量；

● 没有活动部件，高可靠、维护少，寿命长；

● 单泵抽速大，同样的腔体可以使用更少的泵。

扩散泵的不足：

● 扩散泵需要垂直安装，这对系统设计提出了挑战；

● 返油问题是扩散泵的固有短板，可以采取措施减少返油；

● 扩散泵能耗较高，不仅需要电加热，还需要大量的冷却水以保持适宜的工作温度。

● 由于需要加油，扩散泵工作时将也会产生废油，需要妥善处理。

 安捷伦扩散泵 

针对扩散泵的不足，部分真空系统供应商创新相关技术，以应对卷绕式真空镀膜工艺带来的挑战。其中安捷伦扩散泵以其优异的性能，在卷绕镀膜领域受到了客户广泛的青睐和使用。

安捷伦扩散泵的优势主要体现在以下几个方面：

丨抽气快（压力下的快）

丨返油少

丨用冷却水少，对冷却水温度要求不高

丨维护简单，皮实耐用不爱坏

❶ 抽气快：安捷伦扩散泵独特的喷塔设计使其可以开始抽气的压力和到达满抽速的压力都比较高，能够在抽速开始下降的关键时刻——即当前级泵的抽速不足时——迅速介入并以更大的抽速开始工作。这一能力能够加快整个抽气过程，还能减少返油现象。

❷ 返油少：扩散泵的返油主要发生在高压力段，即刚刚开始工作的时候。要降低返油率，需要尽可能的缩短在此时间段停留的时间，安捷伦的扩散泵抽速快是降低返油率的一个原因。

第二个原因是独特的分馏喷塔的设计。一般的扩散泵喷塔各级喷嘴之间是互相联通的，而安捷伦扩散泵的喷塔各级喷嘴彼此独立，特别是级喷塔，只有沸点的大分子油蒸汽才会从这里喷出，这一特点不仅扩散泵极限真空很好，而且由于高沸点的泵油更不容易二次挥发，使得泵的返油率很低。另外，受热均匀的加热器设计（泵油不易裂解）和标配的水冷帽（挡油效率高）等，也是安捷伦扩散泵低返油率的重要因素。

❸ 用冷却水少，对冷却水温度要求不高：与普通的扩散泵相比，同样规格的泵安捷伦扩散泵仅需要50%甚至更低的冷却水流量。而且，安捷伦扩散泵对冷却水的温度要求不高，只要保证排放温度不高于54℃即可，当水压较低或排水温度高于54℃时，还可以采用将冷却水管并联的方式扩展使用区间。

❹ 维护简单，皮实耐用不爱坏：扩散泵内部没有活动部件，与机械式真空泵的磨损失效不同，其工作失效的原因主要有泵油劣化、加热器损坏、喷塔被油垢污染等等。安捷伦扩散泵的管状加热器和压紧结构设计，该加热器位于泵的外侧，便于维护和保养。即便在不拆卸泵的情况下，也可以在不破坏真空的状态下更换加热器。

并且，这种加热器传热均匀，不易损坏，使用寿命长。原因在于其管状设计以及通过压紧装置与泵底紧密接触，增大了接触面积，从而实现了更均匀的温度分布。同时，加热器下方还铺设了隔热材料，这样确保了大部分热量传递给了油，减少了对外部环境的热量散发。