1. 引言
近年来，全息膜因其具有防伪性能和绚丽的外观表现，广泛应用在烟酒、食品、化妆品和药品等包装领域[1]。全息膜是采用计算机光刻图案–全息母版–金属模压板–PET基膜表面模压复制–真空电镀的工艺来实现[2]。全息膜可以单独使用，也可以和纸张、塑料片材复合使用，还可以采用IMD、IMR、IML等工艺加工注塑产品，应用在汽车、电子产品等装饰件上[3]-[5]。
PET柱镜光栅是由许多相同半径和间距的小圆柱透镜组成的透明塑料片材，通过印刷工艺将视差图像印刷在光栅片材的光面上，透过光栅可以看到立体、变图、变色、超景深等各种特殊效果广泛应用在酒类、食品、化妆品包装以及装饰画、防伪标贴等产品上[6]-[8]。
将全息膜复合在PET柱镜光栅上，然后再印刷制作全息光栅印刷品，可以实现防伪 + 立体的特殊效果产品，具有极大的应用价值。本研究主要在挤出机模头位置加装全息膜放卷装置，利用模头出来的熔融PET料和全息膜直接复合，并经过光栅辊压成型全息PET柱镜光栅片材。该工艺技术相比传统复合工艺方法，不需要加胶水或者间接粘接层，具有环保可回收重复利用性[9]-[11]。采用正交试验法设计试验方案，确定最佳工艺技术方案，并对全息复合PET柱镜光栅片材进行物理性能测试，确定其应用可行性。
2. 试验部分
2.1. 原料及设备仪器
柱镜光栅片材专用料，四川省宜宾普拉斯包装材料有限公司自制APET原料，牌号：86151。
全息膜，四川省宜宾普拉斯包装材料有限公司自制，全息膜生产工艺是很成熟的，这里不过多累述，考虑到全息复合PET柱镜光栅片材需要透明，故电镀层采用透明介质ZnS。
PET光栅片材挤出生产线，德国布鲁克纳机械有限公司，在挤出生产线加装全息膜放卷装置，具体加装位置结构如图1所示。
简支梁和悬臂梁摆锤冲击测定仪，承德市金建检测仪器有限公司，型号：HIT-2452。
万能拉伸试验机，深圳万测试验设备有限公司，型号：ETM104B。
Figure 1. The production line of holographic composite PET cylindrical mirror grating sheet
图1. 全息复合PET柱镜光栅片材生产线
2.2. 工艺流程
PET柱镜光栅片材的挤出生产工艺流程因原料、设备等因素的不同而有所差别，但基本工艺是相同的。全息复合PET柱镜光栅片材生产工艺是在现有挤出设备上增加全息膜放卷装置，在三辊压型位置放入全息膜，通过辊压和熔融PET料结合并冷却定型，然后收卷(切片)。具体生产工艺流程见图2。
Figure 2. Production process of holographic composite PET cylindrical mirror grating sheet
图2. 全息复合PET柱镜光栅片材生产工艺流程
2.3. 测试方法
根据柱镜光栅的使用要求和生产应用的需要，对全息复合PET柱镜光栅的测试主要是片材翘曲度、复合褶皱、全息膜拉升变形量(以下简称拉升变形)。复合褶皱是指全息膜因为材料工艺原因复合在PET柱镜光栅上出现褶皱现象，重点考虑接触面带来的影响。片材翘曲度是指复合片材因两种材料的张力不一致造成的片材翘曲问题，重点考虑全息膜厚度带来的影响。拉升变形是指全息膜复合前后的尺寸偏差，重点考虑放卷张力带来的影响。
复合褶皱：将全息复合PET柱镜光栅片材放置在标准光源下，观察有无明显全息膜褶皱纹理。
片材翘曲度：将全息复合PET柱镜光栅片材放置在标准试样台上，测试片材翘曲位置与试样台之间的距离，单位用mm表示。
拉伸变形：将全息复合PET柱镜光栅片材与全息膜进行尺寸对比测试，其差异就是拉升变形，单位用mm表示。
落球冲击测试：参照GB/T 9639.1-2008《塑料薄膜和薄片抗冲击性能试验方法自由落镖法第1部分：梯级法》进行。
拉升强度和断裂伸长率：参照测试方法ASTM D-638。
2.4. 试验方案
全息复合PET柱镜光栅生产工艺研究需要保证PET光栅材料的光学稳定性，所以对挤出温度、运行速度、冷却温度和压力不作为试验的考虑因素。重点是对全息膜厚度、全息膜与前辊接触面(以下简称接触面)、放卷张力三个工艺技术参数进行方案设计和试验。接触面积：是指全息膜与挤出设备三辊压型的前辊初始接触位置到复合位置之间的距离，按接触面与辊周长度的比例进行设定，采用百分比表示，具体示意见图3。
Figure 3. Schematic diagram of the contact surface between holographic film and front roller
图3. 全息膜与前辊接触面示意图
研究试验采用水平正交试验法，考虑到因素之间存在互相影响，需采用全面正交试验法，故选用L27(33)正交试验表。因素水平设计见表1。
Table 1. Experimental values of influencing factors
表1. 正交试验的因素水平
实验次数 |
因素 |
A (全息膜厚度)/μm |
B (接触面)/% |
C (放卷张力)/N |
水平1 |
12 |
0 |
10 |
水平2 |
20 |
25 |
15 |
水平3 |
30 |
50 |
20 |
3. 结果与讨论
按照三因素三水平全面正交试验表的参数进行试验，得到不同因素组合下的试验样品，并分别对试验样品按照测试方法进行测试。由于复合褶皱是外观性能，为方便计算，按照褶皱的严重程度用0~10表示，无褶皱为0，整张片材褶皱为10。正交试验测试结果见表2。
Table 2. The test results of orthogonal experimental
表2. 正交试验测试结果
项目 |
A |
B |
C |
复合褶皱 |
翘曲度(mm) |
拉升变形(mm) |
试验1 |
12 |
0 |
10 |
10 |
0 |
3 |
试验2 |
20 |
0 |
10 |
9 |
1 |
1 |
试验3 |
30 |
0 |
10 |
6 |
2 |
0 |
试验4 |
12 |
25 |
10 |
7 |
0 |
2 |
试验5 |
20 |
25 |
10 |
3 |
1 |
0 |
试验6 |
30 |
25 |
10 |
2 |
2 |
0 |
试验7 |
12 |
50 |
10 |
3 |
0 |
0 |
试验8 |
20 |
50 |
10 |
2 |
1 |
0 |
试验9 |
30 |
50 |
10 |
1 |
2 |
0 |
试验10 |
12 |
0 |
15 |
9 |
0 |
5 |
试验11 |
20 |
0 |
15 |
7 |
1 |
2 |
续表
试验12 |
30 |
0 |
15 |
4 |
3 |
0 |
试验13 |
12 |
25 |
15 |
6 |
0 |
4 |
试验14 |
20 |
25 |
15 |
2 |
1 |
1 |
试验15 |
30 |
25 |
15 |
1 |
3 |
0 |
试验16 |
12 |
50 |
15 |
1 |
0 |
3 |
试验17 |
20 |
50 |
15 |
0 |
1 |
0 |
试验18 |
30 |
50 |
15 |
0 |
3 |
0 |
试验19 |
12 |
0 |
20 |
8 |
1 |
8 |
试验20 |
20 |
0 |
20 |
7 |
2 |
5 |
试验21 |
30 |
0 |
20 |
4 |
5 |
1 |
试验22 |
12 |
25 |
20 |
2 |
1 |
5 |
试验23 |
20 |
25 |
20 |
2 |
2 |
3 |
试验24 |
30 |
25 |
20 |
1 |
5 |
0 |
试验25 |
12 |
50 |
20 |
1 |
1 |
3 |
试验26 |
20 |
50 |
20 |
0 |
2 |
1 |
试验27 |
30 |
50 |
20 |
0 |
5 |
0 |
3.1. 三因素对复合褶皱的影响
三因素对复合褶皱方差分析结果见表3。可知，全息复合PET柱镜光栅生产过程中，三因素中对复合褶皱的影响大小分别为B > A > C，且三者对复合褶皱都有明显影响。结合表2的测试结果，对复合褶皱来说，B的最优选择需为50、A的最优选择需为20 μm或30 μm、C的最优选择需为15 N或20 N。这是由于接触面大，前辊对全息膜有运行方向并向外的扩张力，使得全息膜在复合时褶皱减小，同时材料厚度和放卷张力也是为了使得全息膜的横向平整度更好，进一步减小复合褶皱。
Table 3. The influence of three factors on composite wrinkles
表3. 三因素对复合褶皱的影响
项目(复合褶皱) |
A |
B |
C |
合计 |
水平1之和 |
47 |
64 |
43 |
154 |
水平2之和 |
32 |
26 |
30 |
88 |
水平3之和 |
19 |
8 |
25 |
52 |
水平1平均值 |
5.22 |
7.11 |
4.78 |
17.11 |
水平2平均值 |
3.56 |
2.89 |
3.33 |
9.78 |
水平3平均值 |
2.11 |
0.89 |
2.78 |
5.78 |
极差 |
3.11 |
6.22 |
2 |
|
3.2. 三因素对翘曲度的影响
三因素对翘曲度方差分析结果见表4。可知，全息复合PET柱镜光栅生产过程中，三因素中对翘曲度的影响大小分别为A > C，且只有A和C对翘曲度有影响。结合表2的测试结果，对翘曲度来说，A的最优选择需为10 μm或20 μm、C的最优选择需为10 N或15 N。这是因为全息膜的基膜是双向拉升PET，而PET柱镜光栅片材是单向拉升，两者复合会存在张力不一致的问题，太厚的全息膜会使得全息复合柱镜光栅片材出现张力翘曲，同样放卷张力过大也会使全息膜变形，出现张力扩大而发生复合张力翘曲。
Table 4. The influence of three factors on warpage results
表4. 三因素对翘曲度的影响
项目(翘曲度) |
A |
B |
C |
合计 |
水平1之和 |
3 |
15 |
9 |
27 |
水平2之和 |
12 |
15 |
12 |
39 |
水平3之和 |
30 |
15 |
24 |
69 |
水平1平均值 |
0.33 |
1.67 |
1 |
2 |
水平2平均值 |
1.33 |
1.67 |
1.33 |
4.33 |
水平3平均值 |
3.33 |
1.67 |
2.67 |
7.67 |
极差 |
3 |
0 |
1.67 |
|
3.3. 三因素对拉升变形的影响
三因素对拉升变形方差分析结果见表5。可知，全息复合PET柱镜光栅生产过程中，三因素中对拉升变形的影响大小分别为A > C > B，且对复合褶皱都有明显影响。结合表2的测试结果，对于拉升变形来说，三因素之间的互相影响最为明显，不能单独提取出最优参数，需结合复合褶皱、翘曲度综合考虑。
Table 5. The influence of three factors on tensile deformation
表5. 三因素对拉升变形的影响
项目(翘曲度) |
A |
B |
C |
合计 |
水平1之和 |
33 |
25 |
6 |
27 |
水平2之和 |
13 |
15 |
15 |
39 |
水平3之和 |
1 |
7 |
26 |
69 |
水平1平均值 |
3.67 |
2.78 |
0.67 |
2 |
水平2平均值 |
1.44 |
1.67 |
1.67 |
4.33 |
水平3平均值 |
0.11 |
0.78 |
2.89 |
7.67 |
极差 |
3.56 |
2 |
2.22 |
|
3.4. 最佳生产工艺条件的选取
综合前面的分析，结合表2的测试结果，试验17 (A2B3C2)具有最佳的试验结果，该工艺试验下无复合褶皱、有轻微翘曲度1 mm，无拉升变形。最佳生产工艺为全息膜厚度20 μm，接触面50%，放卷张力15 N。
3.5. 物理性能测试
为充分考虑全息复合PET柱镜光栅片材应用的可行性，对全息复合PET柱镜光栅片材和纯PET原料柱镜光栅片材进行物理性能测试，测试结果见表6。从测试结果可以看出，全息复合PET柱镜光栅片材除纵向拉升强度略低外，其他性能都是超过或相近于纯PET原料柱镜光栅片材的，表明其应用到产品上是具备可行性的。
Table 6. Physical performance test results
表6. 物理性能测试结果
产品 |
落球冲击(g) |
拉升强度(MPa) |
断裂伸长率(%) |
横向 |
纵向 |
横向 |
纵向 |
PET光栅片材 |
>2010 |
53.66 |
72.85 |
584.67 |
813.57 |
复合PET光栅片材 |
>2010 |
56.99 |
57.82 |
777.78 |
858.23 |
4. 结论
1) 全息复合PET柱镜光栅片材生产加工时，全息膜厚度、放卷张力对表观性能均有较大影响；接触面对翘曲度没有影响，但对复合褶皱和拉升变形均有较大影响；同时，三个因素之间互相影响很深，生产过程需要着重考虑因素之间的互相影响。
2) 通过试验得出全息复合PET柱镜光栅片材的优选生产工艺是：全息膜厚度20 μm，接触面50%，放卷张力15 N。该工艺下片材无复合褶皱、有轻微翘曲度1 mm，无拉升变形。
3) 全息复合PET柱镜光栅片材除纵向拉升强度略低外，其他性能都是超过或相近于纯PET原料柱镜光栅片材的，表明其应用到产品上是具备可行性的。