UV + PVD-Vakuum-Beschichtung für Kunststoffprodukte: Ein umfassender Leitfaden zur Auswahl von Behandlungsmitteln, zur Zusammensetzung von UV-Farben und zum Sprühverfahren

In Branchen wie der Unterhaltungselektronik, Haushaltsgeräten und Automobilinnenräumen wächst die Nachfrage nach metallisierter Dekoration von Kunststoffprodukten stetig. Das kombinierte Verfahren aus UV-Beschichtung und PVD (Physical Vapor Deposition)-Vakuum-Beschichtung hat sich aufgrund seiner Vorteile wie Umweltfreundlichkeit, hoher Effizienz und starker metallischer Textur zur Mainstream-Lösung für die Metallisierung von Kunststoffoberflächen entwickelt. Der Kern dieses Verfahrens liegt in der Auswahl von Behandlungsmitteln basierend auf den Eigenschaften der Kunststoffmaterialien, der präzisen Regulierung der Zusammensetzung der UV-Metallfarbe und der strikten Einhaltung standardisierter Sprühverfahren. Nur durch das Zusammenspiel dieser drei Elemente können eine starke Haftung zwischen Beschichtung und Substrat, ein perfektes metallisches Aussehen und eine ausgezeichnete Haltbarkeit erreicht werden.

I. Behandlungsmittel und ihre chemischen Namen für verschiedene Kunststoffmaterialien

Unterschiede in der Oberflächenpolarität und Kristallinität von Kunststoffmaterialien wirken sich direkt auf die Haftung von PVD-Beschichtungen aus. Gezielte Vorbehandlungsmittel sind erforderlich, um die Oberflächeneigenschaften zu verbessern. Basierend auf der Schwierigkeit der Haftung können Kunststoffe in zwei Kategorien unterteilt werden: leicht haftende Substrate und schwer haftende Substrate. Die Auswahl der Behandlungsmittel und ihre chemischen Zusammensetzungen sind wie folgt:

(I) Leicht haftende Substrate: Keine speziellen Behandlungsmittel erforderlich

ABS, PC und ABS+PC-Legierungen sind die am häufigsten verwendeten, leicht haftenden Kunststoffe für die PVD-Beschichtung. Diese Materialien haben eine moderate Oberflächenpolarität, und die polaren Gruppen in ihren Molekülstrukturen (wie Nitrilgruppen in ABS und Carbonatgruppen in PC) können eine gute Bindung mit herkömmlichen lösemittelbasierten Beschichtungen eingehen. In der tatsächlichen Produktion ist nur Ethanol oder Isopropanol zur Oberflächenreinigung erforderlich, um Öl, Staub zu entfernen, und es sind keine zusätzlichen speziellen Behandlungsmittel erforderlich. Regelmäßige UV-Grundierungsformulierungen können eine stabile Haftung erreichen.

(II) Schwer haftende Substrate: Spezielle Behandlungsmittel und ihre chemischen Zusammensetzungen

Materialien wie PP, PET, PA (Nylon) und glasfaserverstärktes PC erfordern eine Oberflächenmodifizierung mit speziellen Behandlungsmitteln (Grundierungen), um die Haftung der PVD-Beschichtung aufgrund ihrer geringen Oberflächenspannung, hohen Kristallinität oder inerten Gruppen zu gewährleisten.

1. PP (Polypropylen): Als typischer unpolarer Kunststoff mit extrem geringer Oberflächenpolarität erfordert er die Verwendung von speziellem chloriertem PP-Polymer-Behandlungsmittel (chemischer Name: Chlorierte Polypropylenharz-Lösung). Seine chemische Zusammensetzung verwendet chloriertes Polypropylen als Kernfilmbildner, ergänzt durch gemischte Lösungsmittel wie Ethylacetat und Toluol. Es verbessert die Polarität und Rauheit der PP-Oberfläche, um eine Bindungsbrücke zwischen der Grundierung und dem Substrat aufzubauen. Dieses Behandlungsmittel erscheint als klare, transparente, leicht gelbliche Flüssigkeit mit einer Dichte von 0,87 g/cm³ und einem Flammpunkt von ca. 6,3℃, geeignet für die Vakuumvorbehandlung von Gehäusen von Haushaltsgeräten, Kunststoffteilen von IT-Produkten usw.

2. PET (Polyethylenterephthalat): Mit einer glatten Oberfläche und hoher Kristallinität erfordert es Polyurethan-basierter Haftvermittler (chemischer Name: Polyester-modifiziertes Polyurethanharz-Behandlungsmittel). Seine Hauptkomponente ist ein Polyester-modifiziertes Polyurethan-Präpolymer, kombiniert mit Ketonlösungsmitteln (wie Aceton), das einen reaktiven Film auf der PET-Oberfläche bilden kann, um die Haftfestigkeit der nachfolgenden UV-Grundierung zu erhöhen.

3. PA (Nylon): Aufgrund des Vorhandenseins von Amidbindungen in seiner Molekülstruktur ist es anfällig für Wasseraufnahme, was zu einer verringerten Beschichtungshaftung führt. Es erfordert epoxy-modifiziertes Polyamid-Behandlungsmittel (chemischer Name: Epoxy-terminierte Polyamidharz-Lösung). Die Epoxygruppen in diesem Behandlungsmittel können chemisch mit den Aminogruppen auf der PA-Oberfläche reagieren, um chemische Bindungen zu bilden, und haben gleichzeitig eine feuchtigkeitsbeständige Wirkung, um die Beschichtungsstabilität zu gewährleisten.

4. Glasfaserverstärktes PC: Die Zugabe von Glasfasern verringert die Oberflächenhaftung des Materials und erfordert silan-gekoppeltes, modifiziertes Acryl-Behandlungsmittel (chemischer Name: γ-Aminopropyltriethoxysilan-modifiziertes Acrylharz-Behandlungsmittel). Die Alkoxygruppen des Silankopplungsmittels hydrolysieren und binden sich an die Hydroxylgruppen auf der Glasfaseroberfläche, während das Acrylharz mit der UV-Grundierung kompatibel ist und ein stabiles "Substrat-Behandlungsmittel-Grundierungs"-Bindungssystem bildet.

II. Kernzusammensetzung der UV-Farbe für verschiedene Metallic-Farben

Der Kern der UV-Metallic-Farbe besteht darin, eine metallische Textur durch die ausgerichtete Anordnung von Metallic-Pigmenten zu erzielen, kombiniert mit einem UV-härtbaren Harzsystem, um die mechanischen Eigenschaften und die Wetterbeständigkeit der Beschichtung zu gewährleisten. Der Unterschied in der Zusammensetzung zwischen verschiedenen Metallic-Farben liegt hauptsächlich in der Art und dem Anteil der Metallic-Pigmente, während das Harzsystem hauptsächlich auf Acrylaten basiert. Die spezifischen Zusammensetzungen sind wie folgt:

(I) Silberne UV-Farbe

Silberne UV-Farbe ist die am weitesten verbreitete Metallic-Beschichtung mit Kernkomponenten aus flockenförmigem Aluminiumpulver (Pigment) und Acrylat-Oligomeren/Monomeren (Bindemittel). Das Aluminiumpulver hat eine Partikelgröße von 10-30 μm und eine flockenförmige Struktur, die 8,6 % - 12 % des Feststoffgehalts ausmacht. Es bildet einen silbernen metallischen Glanz, indem es Licht durch ausgerichtete Anordnung reflektiert. Das Harzsystem umfasst Polyurethanacrylat-Oligomere und Trimethylolpropantriacrylat (TMPTA)-Monomere, kombiniert mit Photoinitiatoren auf Acylphosphinoxid (TPO)-Basis (um die Abschirmwirkung von Metallic-Pigmenten auf kurzwelliges UV-Licht zu lösen), ergänzt durch Additive wie Verlaufsmittel und Antioxidantien. Das Lösungsmittel ist ein hochflüchtiges Keton- oder Esterlösungsmittel mit einem Feststoffgehalt von ca. 38 % und einer Viskosität von 15 mPa.s (25℃).

(II) Goldene UV-Farbe

Das Pigment der goldenen UV-Farbe ist Kupfer-Zink-Legierungspulver (allgemein bekannt als Goldpulver), und das Bindemittel ähnelt dem der silbernen UV-Farbe. Die Farbe des Goldpulvers wird durch das Kupfer-Zink-Verhältnis bestimmt: Ein Zinkgehalt von 8 % - 12 % ergibt eine rötliche Goldfarbe, ein Zinkgehalt von 20 % - 30 % ergibt eine grünliche Goldfarbe, und das Zwischenverhältnis ergibt eine rötlich-grüne Goldfarbe. In praktischen Formulierungen hat das Goldpulver eine Partikelgröße von 800 Mesh und ist oberflächenbeschichtet mit einem Tensid, um die Verträglichkeit mit dem Harz zu verbessern, was 10 % - 15 % des Feststoffgehalts ausmacht. Das Harzsystem verwendet hochtransparentes Acryl/Polyurethanharz, um sicherzustellen, dass der metallische Glanz des Goldpulvers nicht verdeckt wird, und UV-Absorber werden hinzugefügt, um die Wetterbeständigkeit zu verbessern und Verfärbungen nach längerem Gebrauch zu vermeiden.

(III) Gunmetal-UV-Farbe

Gunmetal (dunkelgraue Metallic-Farbe) UV-Farbe verwendet Verbundpigmente aus Nickelpulver und Graphitpulver, mit einer chemischen Zusammensetzung aus Nickelpulver (Partikelgröße 20-40 μm) und Graphitpulver (Partikelgröße 5-10 μm) in einem Massenverhältnis von ca. 3:1, mit einem Gesamtgehalt von 12 % - 18 % des Feststoffgehalts. Das Harzsystem wählt Epoxyacrylat-Oligomere, die sowohl Härte als auch Haftung aufweisen. Der Photoinitiator ist ein Verbundsystem aus Acetophenon und TPO, um die tiefe Aushärtung der Beschichtung zu gewährleisten. Diese Formulierung bildet einen ruhigen Gunmetal-Effekt durch die metallische Reflexion von Nickelpulver und die Lichtabsorption von Graphitpulver, geeignet für hochwertige Dekorationsteile.

III. UV-Sprühverfahren für UV + PVD-Vakuum-Beschichtung

Das UV-Sprühen ist ein Schlüsselfaktor, der die Kunststoffvorbehandlung und die PVD-Beschichtung verbindet. Eine strenge Kontrolle der Konstruktionsparameter und Verfahrensschritte ist erforderlich, um die Beschichtungsqualität und die nachfolgenden Beschichtungseffekte zu gewährleisten. Der gesamte Prozess umfasst vier Stufen: Vorbehandlung, Sprühen, Verlauf und Aushärtung, wie im Folgenden detailliert beschrieben:

(I) Vorbehandlungsstufe

1. Substratreinigung: Ein Ultraschallreiniger wird mit Ethanol oder Isopropanol als Reinigungsmedium verwendet, um Öl, Staub und Formtrennmittelrückstände von der Kunststoffoberfläche zu entfernen. Die Reinigungszeit beträgt 3-5 Minuten, und die Temperatur wird bei etwa 40℃ gehalten.

2. Auftragen des Behandlungsmittels: Für schwer haftende Substrate wird ein spezielles Behandlungsmittel mit einer elektrostatischen Spritzpistole mit einer Beschichtungsmenge von 8-10 g/ ㎡ und einer Filmdicke von 3-5 μm aufgesprüht. Nach dem Sprühen wird eine Infrarottrocknung bei 50-60℃ für 3-5 Minuten durchgeführt, um die vollständige Verdampfung des Lösungsmittels zu gewährleisten.

(II) UV-Grundierungssprühen

1. Beschichtungsparameter: Eine spezielle PVD-UV-Grundierung wird mit einem Feststoffgehalt von 40 % - 55 %, einer Viskosität von 10-12 s (NK-2# Becher, 25℃) und Lösungsmitteln, die hauptsächlich aus Ketonen und Estern bestehen, ausgewählt.

2. Sprühvorgang: Eine Hin- und Her-Spritzpistole wird mit einem Sprühdruck von 0,3-0,5 MPa und einem Abstand von 15-20 cm vom Werkstück verwendet. Gleichmäßig 1-2 Schichten mit einer Beschichtungsmenge von 40-50 g/ ㎡ und einer Zielfilmdicke von 15-25 μm auftragen.

3. Verlaufbehandlung: Nach dem Sprühen das Werkstück 5-8 Minuten bei Raumtemperatur oder Infrarotverlauf bei 60℃ für 3 Minuten in einem Verlaufraum platzieren, um Spritzspuren zu beseitigen und eine glatte Beschichtung zu gewährleisten.

4. UV-Aushärtung: Eine Quecksilberlampen-Aushärtungsmaschine wird mit einer Aushärtungsenergie von 400-800 mJ/cm² verwendet. Nach dem Aushärten erreicht die Beschichtungshärte über 2H ohne Kleben.

(III) UV-Mittelschichtsprühen (Optional)

Für Produkte, die eine hohe Oberflächenrauheit erfordern, ist ein zusätzlicher UV-Mittelschichtprozess erforderlich. Die Mittelschicht hat einen Feststoffgehalt von 15 % - 30 % und verwendet hochflüchtige Lösungsmittel. Nach dem Sprühen beträgt die Filmdicke 5-8 μm. Nach der Infrarottrocknung bei 50-70℃ für 3-5 Minuten wird die UV-Aushärtung bei einer Energie von 300-500 mJ/cm² durchgeführt, um kleine Defekte zu füllen und die Oberflächenebenheit zu verbessern.

(IV) UV-Metallic-Farbsprühen

1. Beschichtungsvorbereitung: Die UV-Metallic-Farbe vor Gebrauch gründlich verrühren, um eine gleichmäßige Verteilung der Metallic-Pigmente zu gewährleisten. Eine kleine Menge an Absetzmittel kann hinzugefügt werden, um die Pigmentablagerung zu verhindern.

2. Sprühparameter: Es wird ein Niederdrucksprühen mit einem Druck von 0,2-0,3 MPa und einer Beschichtungsmenge von 15-20 g/ ㎡ angewendet. 2-3 dünne Schichten auftragen, um ein Durchhängen zu vermeiden.

3. Verlauf und Aushärtung: Nach dem Sprühen 3-5 Minuten verlaufen lassen, dann die UV-Aushärtung mit einer Energie von 500-800 mJ/cm² durchführen, um die vollständige Aushärtung der Beschichtung und eine gute ausgerichtete Anordnung der Metallic-Pigmente zu gewährleisten.

(V) UV-Deckschichtsprühen (Schutzbeschichtung)

Als abschließende Schutzbeschichtung muss die UV-Deckschicht Verschleißfestigkeit, Chemikalienbeständigkeit und Glanz aufweisen. Eine hochtransparente UV-Klarlackbeschichtung wird mit einem Feststoffgehalt von 45 % - 60 % und einer Filmdicke von 15-40 μm ausgewählt. Nach dem Sprühen wird eine Infrarotverlaufung bei 60℃ für 5-8 Minuten durchgeführt, gefolgt von einer UV-Aushärtung bei einer Energie von 600-1200 mJ/cm². Die ausgehärtete Deckschicht kann den RCA-Verschleißtest für mehr als 300 Zyklen bestehen und die Anforderungen des Kochwasserbeständigkeitstests (80℃, 60 Minuten) und des Feuchtigkeitsbeständigkeitstests (80℃, 96 Stunden, 95 % relative Luftfeuchtigkeit) erfüllen.