Propriétés barrières des films métallisés : d’où viennent-elles ?

La source des propriétés barrières des films métallisés : une réponse directe

Les propriétés barrières des films métallisés proviennent principalement d'un fine couche métallique - généralement de l'aluminium - déposée sur un substrat polymère par dépôt sous vide . Cette couche métallique bloque physiquement la transmission de l’oxygène, de l’humidité et de la lumière. Plus la couche métallique est épaisse et uniforme, plus le taux de transmission de l'oxygène (OTR) et le taux de transmission de la vapeur d'eau (WVTR) sont faibles. En pratique, les couches d'aluminium de 30 à 100 nm peut réduire le WVTR à moins de 0,5 g/m²/jour et l'OTR à moins de 1 cm³/m²/jour, ce qui rend les films métallisés très efficaces pour les applications d'emballage flexible.

Cependant, la couche métallique à elle seule ne garantit pas les performances. La qualité de surface du film de base, l'adhésion entre le métal et le substrat et les éventuels traitements post-métallisation jouent tous un rôle tout aussi essentiel dans la détermination des performances de barrière finale.

Comment la métallisation sous vide crée la couche barrière

La barrière des films métallisés est construite lors du processus de dépôt sous vide. Le fil d'aluminium est introduit dans une chambre à vide poussé et évaporé à des températures supérieures à 1 200 °C. L'aluminium vaporisé se condense uniformément sur le film polymère en mouvement, formant une couche métallique continue.

Les paramètres clés qui influencent directement la qualité des barrières comprennent :

• Densité optique (OD) : Un proxy couramment utilisé pour l’épaisseur de la couche métallique. Une DO plus élevée (par exemple, une DO de 2,8 à 3,2) est généralement corrélée à une meilleure performance de la barrière.
• Vitesse de dépôt : Des vitesses d'enroulement plus rapides peuvent réduire l'uniformité des couches, créant des micropores qui dégradent les propriétés barrières.
• Niveau de vide : Un vide plus élevé réduit la contamination et l'oxydation pendant le dépôt, ce qui donne lieu à une couche d'aluminium plus dense et plus réfléchissante.
• Lissé de la surface du film : Les surfaces plus rugueuses provoquent un dépôt de métal irrégulier, augmentant la densité des piqûres et réduisant l'efficacité de la barrière.

Une couche d'aluminium sans trous d'épingle et sans défauts avec un diamètre extérieur élevé constitue la base des propriétés barrières supérieures du film métallisé.

Le rôle du film de base dans la performance de la barrière

Le substrat polymère n’est pas un support passif : il façonne activement le résultat final de la barrière. Les films de base les plus utilisés pour la métallisation sont :

Parmi ceux-ci, Le BOPET (PET métallisé) offre systématiquement les performances de barrière les plus élevées en raison de sa faible rugosité de surface (Ra généralement <10 nm), de sa haute stabilité thermique lors du dépôt et de son excellente uniformité dimensionnelle. Ces propriétés permettent d'obtenir des couches d'aluminium plus fines et plus uniformes avec moins de défauts.

Le prétraitement de surface du film de base, y compris le traitement corona et l'application d'un primaire, est également essentiel. Les surfaces du film non traitées repoussent les atomes d'aluminium lors du dépôt, réduisant ainsi l'adhérence et créant des vides dans la couche métallique.

Pourquoi le film métallisé à haute adhérence est important pour la rétention de la barrière

L’un des aspects les plus négligés de la performance des barrières est adhésion métal-film . Même une couche d'aluminium parfaitement déposée échouera si elle se décolle du substrat lors de la conversion, du laminage ou de la flexion.

Le film métallisé à haute adhérence fait référence à un film métallisé conçu pour maintenir une forte adhérence entre la couche d'aluminium et le substrat polymère, même sous contrainte mécanique. Les avantages pratiques sont importants :

• Intégrité de la barrière lors du laminage : Une mauvaise adhérence provoque la fissuration ou la séparation de la couche métallique lors des processus de laminage à base de solvant ou d'adhésif, créant ainsi des voies de pénétration de l'oxygène et de l'humidité.
• Résistance à la fissuration par flexion : Les films d’emballage sont pliés à plusieurs reprises pendant le remplissage, le scellage et l’expédition. Les films à forte adhérence conservent > 95 % de leurs propriétés barrières même après 1 000 cycles de flexion, alors que les films métallisés standard peuvent perdre 30 à 50 % de leurs performances barrières.
• Compatibilité avec l'impression et la conversion à grande vitesse : Une forte adhérence métallique empêche le transfert de la couche d'aluminium sur les rouleaux, les plaques d'impression ou les surfaces adhésives.

Le traitement chimique de la surface métallisée est l’un des moyens les plus efficaces pour obtenir une adhérence élevée. Film PET métallisé traité chimiquement subit un processus d'activation de surface qui modifie la couche d'oxyde d'aluminium, améliorant considérablement sa capacité à adhérer aux encres, aux revêtements et aux adhésifs, ce qui en fait le choix préféré pour les structures stratifiées exigeantes.

Technologies de traitement de surface qui améliorent la barrière et la liaison

Des traitements de surface post-métallisation sont utilisés pour améliorer à la fois les performances de la barrière et l'adhérence. Les principales technologies utilisées aujourd’hui comprennent :

Traitement Corona

Le traitement par décharge électrique oxyde la surface métallique, augmentant l'énergie de surface de ~30 mN/m à >50 mN/m. Cela améliore considérablement la mouillabilité des encres et des adhésifs. Cependant, les effets du traitement corona peuvent diminuer avec le temps (en quelques semaines), en particulier dans les environnements très humides.

Traitement chimique des apprêts

Une fine couche d'apprêt chimique (généralement <1 µm) est appliquée sur la surface métallisée. Cela crée une liaison chimique stable entre l’aluminium et toute couche d’adhésif ou d’encre ultérieure. Les films métallisés traités chimiquement atteignent généralement des valeurs de résistance au pelage 40 à 60 % plus élevées que leurs équivalents non traités. , offrant une liaison durable dans une gamme de conditions de laminage et d'impression.

Traitement au plasma

Utilisé dans des applications haut de gamme, le traitement au plasma permet d’obtenir une activation de surface encore plus élevée que la couronne et ses effets sont plus durables. Ceci est particulièrement utile pour les films qui seront stockés pendant de longues périodes avant d'être convertis.

Revêtements barrières d'oxyde (AlOx, SiOx)

Pour les applications les plus exigeantes — packaging médical, électronique — une couche d'oxyde inorganique (oxyde d'aluminium ou oxyde de silicium) est déposée à la place ou en complément de l'aluminium pur. Ces revêtements peuvent réaliser Valeurs OTR inférieures à 0,1 cm³/m²/jour et sont transparents, stables en cornue et passent au micro-ondes.

Facteurs qui dégradent les propriétés de la barrière après métallisation

Comprendre les sources de dégradation des barrières est aussi important que savoir ce qui crée les performances des barrières. Les causes courantes de perte de barrière dans les films métallisés comprennent :

• Contraintes mécaniques : La flexion, la tension et la pression lors du rembobinage ou du laminage peuvent fracturer la couche d'aluminium fragile, créant des microfissures.
• Exposition à la chaleur : Des températures élevées provoquent une dilatation thermique différentielle entre le métal et le polymère, conduisant au délaminage. Ceci est particulièrement pertinent pour les emballages en cornue ou remplis à chaud.
• Attaque de solvant : Certains solvants utilisés dans les adhésifs ou les encres d'imprimerie peuvent attaquer l'interface métal-polymère, réduisant ainsi l'adhérence et créant des ruptures de barrière.
• Oxydation : L'aluminium s'oxyde facilement à l'air. Bien que la couche d'oxyde natif (Al₂O₃) offre une certaine protection, une oxydation excessive lors du dépôt réduit la couverture métallique et l'efficacité de la barrière.
• Stockage inapproprié : Le stockage dans des conditions d'humidité ou de température élevées peut accélérer l'oxydation et la perte d'adhérence avant que le film ne soit utilisé en production.

Les films métallisés à haute adhérence sont spécialement conçus pour résister à ces mécanismes de dégradation, préservant ainsi les propriétés barrières tout au long de la chaîne d'approvisionnement et du cycle de vie du produit.

Mesurer la performance des barrières : normes et valeurs clés

Les performances barrières des films métallisés sont quantifiées au moyen de méthodes de test standardisées. Les métriques les plus pertinentes sont :

Pour la plupart des applications d'emballage alimentaire flexibles, un OTR inférieur à 1 cm³/m²/jour et un WVTR inférieur à 0,5 g/m²/jour sont considérées comme des valeurs minimales acceptables. Les produits sensibles tels que le café, les produits pharmaceutiques ou les produits électroniques peuvent nécessiter des valeurs d'un ordre de grandeur inférieures, généralement obtenues grâce à des structures stratifiées multicouches incorporant des films métallisés à haute barrière.

Foire aux questions

Q1 : Quel est le principal mécanisme à l’origine des propriétés barrière du film métallisé ?

Une fine couche d'aluminium (30 à 100 nm) déposée par évaporation sous vide bloque physiquement l'oxygène, l'humidité et la transmission de la lumière. La densité et la continuité de cette couche déterminent les performances de la barrière.

Q2 : Quel est le lien entre la densité optique et les performances de la barrière ?

Une densité optique plus élevée signifie généralement une couche d’aluminium plus épaisse et plus uniforme. Les valeurs de DO de 2,8 ou plus sont généralement corrélées à des OTR et WVTR significativement inférieurs par rapport aux valeurs de DO inférieures à 2,0.

Q3 : Pourquoi l’adhérence est-elle importante dans les films métallisés ?

Une mauvaise adhérence provoque la fissuration ou le pelage de la couche d'aluminium lors du laminage, de l'impression et de la flexion, brisant ainsi la barrière. Le film métallisé à haute adhérence maintient l’intégrité de la barrière tout au long de la conversion et de l’utilisation finale.

Q4 : Qu'est-ce qu'un film PET métallisé traité chimiquement et quels sont ses avantages ?

Il s'agit d'un film PET métallisé avec un apprêt chimique appliqué sur la surface métallique. Ce traitement améliore l'adhérence aux encres et aux adhésifs de 40 à 60 %, ce qui le rend idéal pour l'impression à grande vitesse et les constructions stratifiées exigeantes.

Q5 : Les propriétés barrières du film métallisé peuvent-elles être perdues après la production ?

Oui. La flexion mécanique, la chaleur, l’exposition aux solvants et un stockage inapproprié peuvent tous dégrader les performances de la barrière. La sélection de films à forte adhérence et correctement traités en surface minimise ce risque.

Q6 : Quel film de base offre les meilleures performances de barrière après métallisation ?

Le BOPET (PET biorienté) fournit systématiquement les meilleurs résultats en raison de sa faible rugosité de surface, de sa stabilité thermique et de son uniformité dimensionnelle, qui permettent toutes un dépôt d'aluminium sans défaut.