Powłoka próżniowa UV + PVD dla produktów z tworzyw sztucznych: Kompleksowy przewodnik po doborze środków obróbczych, składzie farb UV i procesie natryskiwania

W branżach takich jak elektronika użytkowa, sprzęt AGD i wnętrza samochodowe, rośnie zapotrzebowanie na metalizowane dekoracje produktów z tworzyw sztucznych. Połączony proces powlekania UV i powlekania próżniowego PVD (Physical Vapor Deposition) stał się głównym rozwiązaniem dla metalizacji powierzchni tworzyw sztucznych ze względu na jego zalety w postaci przyjazności dla środowiska, wysokiej wydajności i mocnej metalicznej tekstury. Sednem tego procesu jest dobór środków obróbczych w oparciu o charakterystykę materiałów z tworzyw sztucznych, precyzyjne regulowanie składu metalicznej farby UV i ścisłe przestrzeganie znormalizowanych procedur natryskiwania. Tylko dzięki synergii tych trzech elementów można uzyskać silną przyczepność powłoki do podłoża, doskonały metaliczny wygląd i doskonałą trwałość.

I. Środki obróbcze i ich nazwy chemiczne dla różnych materiałów z tworzyw sztucznych

Różnice w polaryzacji powierzchni i krystaliczności materiałów z tworzyw sztucznych bezpośrednio wpływają na przyczepność powłok PVD. Wymagane są ukierunkowane środki do obróbki wstępnej w celu poprawy właściwości powierzchni. W oparciu o trudność przyczepności, tworzywa sztuczne można podzielić na dwie kategorie: podłoża łatwo przylegające i podłoża trudno przylegające. Dobór środków obróbczych i ich skład chemiczny jest następujący:

(I) Podłoża łatwo przylegające: Nie są wymagane żadne specjalne środki obróbcze

ABS, PC i stopy ABS+PC są najczęściej stosowanymi łatwo przylegającymi tworzywami sztucznymi do powlekania PVD. Materiały te mają umiarkowaną polaryzację powierzchni, a grupy polarne w ich strukturach molekularnych (takie jak grupy nitrylowe w ABS i grupy węglanowe w PC) mogą tworzyć dobre wiązania z konwencjonalnymi powłokami na bazie rozpuszczalników. W rzeczywistej produkcji do czyszczenia powierzchni wystarczy tylko etanol lub izopropanol w celu usunięcia oleju, kurzu i nie są wymagane żadne dodatkowe specjalne środki obróbcze. Regularne receptury podkładów UV mogą zapewnić stabilną przyczepność.

(II) Podłoża trudno przylegające: Specjalne środki obróbcze i ich skład chemiczny

Materiały takie jak PP, PET, PA (nylon) i PC wzmocniony włóknem szklanym wymagają modyfikacji powierzchni za pomocą specjalnych środków obróbczych (podkładów) w celu zapewnienia przyczepności powłoki PVD ze względu na ich niskie napięcie powierzchniowe, wysoką krystaliczność lub grupy obojętne.

1. PP (polipropylen): Jako typowe niepolarne tworzywo sztuczne o bardzo niskiej polaryzacji powierzchni, wymaga zastosowania specjalnego chlorowanego środka obróbczego polimeru PP (nazwa chemiczna: roztwór żywicy chlorowanego polipropylenu). Jego skład chemiczny przyjmuje chlorowany polipropylen jako podstawową substancję tworzącą film, uzupełnioną mieszanymi rozpuszczalnikami, takimi jak octan etylu i toluen. Poprawia polaryzację i chropowatość powierzchni PP, aby zbudować most wiążący między podkładem a podłożem. Ten środek obróbczy ma postać przezroczystej, przezroczystej, lekko żółtej cieczy o gęstości 0,87 g/cm³ i temperaturze zapłonu około 6,3℃, odpowiedniej do obróbki wstępnej próżniowej obudów urządzeń gospodarstwa domowego, części z tworzyw sztucznych produktów IT itp.

2. PET (tereftalan polietylenu): Z gładką powierzchnią i wysoką krystalicznością, wymaga promotora adhezji na bazie poliuretanu (nazwa chemiczna: środek obróbczy żywicy poliuretanowej modyfikowanej poliestrem). Jego głównym składnikiem jest prepolimer poliuretanowy modyfikowany poliestrem, połączony z rozpuszczalnikami ketonowymi (takimi jak aceton), który może tworzyć reaktywny film na powierzchni PET w celu zwiększenia siły adhezji kolejnego podkładu UV.

3. PA (nylon): Ze względu na obecność wiązań amidowych w jego strukturze molekularnej, jest podatny na wchłanianie wody, co prowadzi do zmniejszenia przyczepności powłoki. Wymaga epoksydowanego środka obróbczego poliamidowego (nazwa chemiczna: roztwór żywicy poliamidowej zakończonej epoksydem). Grupy epoksydowe w tym środku obróbczym mogą reagować chemicznie z grupami aminowymi na powierzchni PA, tworząc wiązania chemiczne, a także mają działanie chroniące przed wilgocią, aby zapewnić stabilność powłoki.

4. PC wzmocniony włóknem szklanym: Dodanie włókna szklanego zmniejsza przyczepność powierzchni materiału, wymagając modyfikowanego silanem środka obróbczego akrylowego (nazwa chemiczna: środek obróbczy żywicy akrylowej modyfikowanej γ-aminopropylotrietoksysilanem). Grupy alkoksylowe środka sprzęgającego silan hydrolizują i wiążą się z grupami hydroksylowymi na powierzchni włókna szklanego, podczas gdy żywica akrylowa jest kompatybilna z podkładem UV, tworząc stabilny system wiązania „podłoże-środek obróbczy-podkład”.

II. Podstawowy skład farby UV dla różnych metalicznych kolorów

Sednem metalicznej farby UV jest uzyskanie metalicznej tekstury poprzez zorientowane rozmieszczenie pigmentów metalicznych, w połączeniu z utwardzalnym UV systemem żywicznym w celu zapewnienia właściwości mechanicznych i odporności powłoki na warunki atmosferyczne. Różnica w składzie między różnymi metalicznymi kolorami polega głównie na rodzaju i proporcji pigmentów metalicznych, podczas gdy system żywiczny opiera się głównie na akrylanach. Konkretne kompozycje są następujące:

(I) Srebrna farba UV

Srebrna farba UV jest najczęściej stosowaną powłoką metaliczną, z podstawowymi składnikami płatkowym proszkiem aluminiowym (pigment) i oligomerami/monomerami akrylanowymi (spoiwo). Proszek aluminiowy ma wielkość cząstek 10-30μm i strukturę płatkową, stanowiąc 8,6%-12% zawartości ciał stałych. Tworzy srebrzysty metaliczny połysk, odbijając światło poprzez zorientowane rozmieszczenie. System żywiczny obejmuje oligomery akrylanu poliuretanu i monomery trimetylolopropanu triakrylanu (TMPTA), w połączeniu z fotoinicjatorami na bazie tlenku acylofosfiny (TPO) (w celu rozwiązania efektu ekranowania pigmentów metalicznych na krótkofalowym świetle UV), uzupełnione dodatkami, takimi jak środki poziomujące i przeciwutleniacze. Rozpuszczalnikiem jest wysokowrzący rozpuszczalnik ketonowy lub estrowy, o zawartości ciał stałych w konstrukcji wynoszącej około 38% i lepkości 15 mPa.s (25℃).

(II) Złota farba UV

Pigmentem złotej farby UV jest proszek ze stopu miedzi i cynku (powszechnie znany jako proszek złoty), a spoiwo jest podobne do spoiwa srebrnej farby UV. Kolor proszku złotego jest określany przez stosunek miedzi do cynku: zawartość cynku 8%-12% daje czerwonawy złoty kolor, zawartość cynku 20%-30% daje zielonkawy złoty kolor, a pośredni stosunek daje czerwonozielony złoty kolor. W praktycznych formulacjach proszek złoty ma wielkość cząstek 800 mesh i jest pokryty powierzchniowo środkiem powierzchniowo czynnym w celu poprawy kompatybilności z żywicą, stanowiąc 10%-15% zawartości ciał stałych. System żywiczny wykorzystuje wysoce przezroczystą żywicę akrylową/poliuretanową, aby zapewnić, że metaliczny połysk proszku złotego nie jest zaciemniony, a absorbenty UV są dodawane w celu poprawy odporności na warunki atmosferyczne i uniknięcia przebarwień po długotrwałym użytkowaniu.

(III) Farba UV w kolorze metalu armatniego

Farba UV w kolorze metalu armatniego (ciemnoszary metaliczny kolor) wykorzystuje pigmenty kompozytowe z proszku niklowego i proszku grafitowego, o składzie chemicznym proszku niklowego (wielkość cząstek 20-40μm) i proszku grafitowego (wielkość cząstek 5-10μm) w stosunku masowym około 3:1, o łącznej zawartości 12%-18% zawartości ciał stałych. System żywiczny wybiera oligomery akrylanu epoksydowego, które mają zarówno twardość, jak i przyczepność. Fotoinicjatorem jest system kompozytowy acetofenonu i TPO, aby zapewnić głębokie utwardzanie powłoki. Ta formulacja tworzy spokojny efekt metalu armatniego poprzez metaliczne odbicie proszku niklowego i absorpcję światła przez proszek grafitowy, odpowiedni do wysokiej klasy części dekoracyjnych.

III. Proces natryskiwania UV dla powłoki próżniowej UV + PVD

Natryskiwanie UV jest kluczowym ogniwem łączącym obróbkę wstępną tworzyw sztucznych i powlekanie PVD. Wymagana jest ścisła kontrola parametrów konstrukcyjnych i etapów procesu w celu zapewnienia jakości powłoki i późniejszych efektów powlekania. Kompletny proces obejmuje cztery etapy: obróbkę wstępną, natryskiwanie, poziomowanie i utwardzanie, jak wyszczególniono poniżej:

(I) Etap obróbki wstępnej

1. Czyszczenie podłoża: Myjka ultradźwiękowa jest używana z etanolem lub izopropanolem jako medium czyszczącym w celu usunięcia oleju, kurzu i pozostałości środka antyadhezyjnego z powierzchni tworzywa sztucznego. Czas czyszczenia wynosi 3-5 minut, a temperatura jest kontrolowana w okolicach 40℃.

2. Powlekanie środkiem obróbczym: W przypadku podłoży trudno przylegających specjalny środek obróbczy jest natryskiwany za pomocą elektrostatycznego pistoletu natryskowego z ilością powłoki 8-10 g/㎡ i grubością filmu 3-5μm. Po natryskiwaniu przeprowadza się suszenie w podczerwieni w temperaturze 50-60℃ przez 3-5 minut, aby zapewnić całkowite odparowanie rozpuszczalnika.

(II) Natryskiwanie podkładu UV

1. Parametry powlekania: Wybrany jest specjalny podkład UV PVD o zawartości ciał stałych 40%-55%, lepkości 10-12 s (kubek NK-2#, 25℃) i rozpuszczalnikach składających się głównie z ketonów i estrów.

2. Operacja natryskiwania: Używany jest pistolet natryskowy posuwisto-zwrotny z ciśnieniem natrysku 0,3-0,5 MPa i odległością 15-20 cm od przedmiotu obrabianego. Równomiernie nałożyć 1-2 warstwy z ilością powłoki 40-50 g/㎡ i docelową grubością filmu 15-25μm.

3. Obróbka poziomująca: Po natryskiwaniu umieścić przedmiot obrabiany w pomieszczeniu poziomującym na 5-8 minut w temperaturze pokojowej lub poziomowanie w podczerwieni w temperaturze 60℃ przez 3 minuty, aby wyeliminować ślady natryskiwania i zapewnić gładką powłokę.

4. Utwardzanie UV: Używana jest maszyna do utwardzania lampą rtęciową o energii utwardzania 400-800mj/cm². Po utwardzeniu twardość powłoki osiąga powyżej 2H bez sklejania.

(III) Natryskiwanie warstwy środkowej UV (opcjonalne)

W przypadku produktów wymagających wysokiej chropowatości powierzchni, wymagany jest dodatkowy proces warstwy środkowej UV. Warstwa środkowa ma zawartość ciał stałych 15%-30% i wykorzystuje rozpuszczalniki o wysokiej lotności. Po natryskiwaniu grubość filmu wynosi 5-8μm. Po suszeniu w podczerwieni w temperaturze 50-70℃ przez 3-5 minut, utwardzanie UV jest wykonywane przy energii 300-500mj/cm² w celu wypełnienia małych defektów i poprawy płaskości powierzchni.

(IV) Natryskiwanie metalicznej farby UV

1. Przygotowanie powłoki: Dokładnie wymieszać metaliczną farbę UV przed użyciem, aby zapewnić równomierne rozproszenie pigmentów metalicznych. Można dodać niewielką ilość środka zapobiegającego osadzaniu się, aby zapobiec osadzaniu się pigmentu.

2. Parametry natryskiwania: Zastosowano natryskiwanie niskociśnieniowe z ciśnieniem 0,2-0,3 MPa i ilością powłoki 15-20 g/㎡. Nałożyć 2-3 cienkie warstwy, aby uniknąć zwisania.

3. Poziomowanie i utwardzanie: Po natryskiwaniu, poziomować przez 3-5 minut, a następnie przeprowadzić utwardzanie UV z energią 500-800mj/cm², aby zapewnić całkowite utwardzenie powłoki i dobre zorientowane rozmieszczenie pigmentów metalicznych.

(V) Natryskiwanie warstwy wierzchniej UV (powłoka ochronna)

Jako ostateczna powłoka ochronna, warstwa wierzchnia UV musi mieć odporność na zużycie, odporność chemiczną i połysk. Wybrana jest wysoce przezroczysta powłoka bezbarwna UV o zawartości ciał stałych 45%-60% i grubości filmu 15-40μm. Po natryskiwaniu, poziomowanie w podczerwieni jest wykonywane w temperaturze 60℃ przez 5-8 minut, a następnie utwardzanie UV przy energii 600-1200mj/cm². Utwardzona warstwa wierzchnia może przejść test zużycia RCA przez ponad 300 cykli i spełniać wymagania testu odporności na wrzącą wodę (80℃, 60 minut) i testu odporności na wilgoć (80℃, 96 godzin, 95% wilgotności względnej).