UV + PVD вакуумное напыление для изделий из пластика: всеобъемлющее руководство по выбору агента обработки, составу УФ-краски и процессу распыления

В таких отраслях, как потребительская электроника, бытовая техника и автомобильные интерьеры, спрос на металлизированную декорацию пластиковых изделий постоянно растет. Комбинированный процесс УФ-покрытия и PVD (Physical Vapor Deposition) вакуумного напыления стал основным решением для металлизации поверхности пластика благодаря своим преимуществам: экологичности, высокой эффективности и выраженной металлической текстуре. Суть этого процесса заключается в выборе агентов обработки на основе характеристик пластиковых материалов, точной регулировке состава УФ-металлической краски и строгом соблюдении стандартизированных процедур распыления. Только благодаря синергии этих трех элементов можно добиться прочного сцепления покрытия с подложкой, идеального металлического вида и превосходной долговечности.

I. Агенты обработки и их химические названия для различных пластиковых материалов

Различия в полярности поверхности и кристалличности пластиковых материалов напрямую влияют на адгезию PVD-покрытий. Для улучшения свойств поверхности требуются целевые агенты предварительной обработки. По сложности адгезии пластики можно разделить на две категории: легко адгезирующие подложки и трудно адгезирующие подложки. Выбор агентов обработки и их химические составы следующие:

(I) Легко адгезирующие подложки: специальные агенты обработки не требуются

ABS, PC и сплавы ABS+PC являются наиболее часто используемыми легко адгезирующими пластиками для PVD-покрытия. Эти материалы обладают умеренной полярностью поверхности, а полярные группы в их молекулярных структурах (например, нитрильные группы в ABS и карбонатные группы в PC) могут образовывать хорошее соединение с обычными покрытиями на основе растворителей. В фактическом производстве для очистки поверхности от масла, пыли и не требуется никаких дополнительных специальных агентов обработки, достаточно только этанола или изопропанола. Стандартные составы УФ-грунтовки могут обеспечить стабильную адгезию.

(II) Трудно адгезирующие подложки: специальные агенты обработки и их химические составы

Материалы, такие как PP, PET, PA (нейлон) и армированный стекловолокном PC, требуют модификации поверхности специальными агентами обработки (грунтовками) для обеспечения адгезии PVD-покрытия из-за их низкого поверхностного натяжения, высокой кристалличности или инертных групп.

1. PP (полипропилен): Как типичный неполярный пластик с чрезвычайно низкой полярностью поверхности, он требует использования специального хлорированного полимерного агента обработки PP (химическое название: раствор хлорированной полипропиленовой смолы). Его химический состав включает хлорированный полипропилен в качестве основного пленкообразующего вещества, дополненного смешанными растворителями, такими как этилацетат и толуол. Он улучшает полярность и шероховатость поверхности PP для создания связующего моста между грунтовкой и подложкой. Этот агент обработки выглядит как прозрачная, слегка желтоватая жидкость с плотностью 0,87 г/см³ и температурой вспышки около 6,3℃, подходит для предварительной вакуумной обработки корпусов бытовой техники, пластиковых деталей ИТ-продуктов и т. д.

2. PET (полиэтилентерефталат): С гладкой поверхностью и высокой кристалличностью он требует полиуретанового промотора адгезии (химическое название: модифицированный полиэфиром полиуретановый смоляной агент обработки). Его основным компонентом является модифицированный полиэфиром полиуретановый преполимер в сочетании с кетоновыми растворителями (такими как ацетон), который может образовывать реактивную пленку на поверхности PET для повышения прочности сцепления последующей УФ-грунтовки.

3. PA (нейлон): Из-за наличия амидных связей в его молекулярной структуре он подвержен поглощению воды, что приводит к снижению адгезии покрытия. Он требует эпоксидно-модифицированного полиамидного агента обработки (химическое название: раствор эпоксидно-терминированной полиамидной смолы). Эпоксидные группы в этом агенте обработки могут химически реагировать с аминогруппами на поверхности PA с образованием химических связей, а также обладают влагозащитным эффектом для обеспечения стабильности покрытия.

4. PC, армированный стекловолокном: Добавление стекловолокна снижает адгезию материала к поверхности, требуя силан-связующего агента, модифицированного акриловым агентом обработки (химическое название: γ-аминопропилтриэтоксисилан-модифицированный акриловый смоляной агент обработки). Алкоксигруппы силан-связующего агента гидролизуются и связываются с гидроксильными группами на поверхности стекловолокна, в то время как акриловая смола совместима с УФ-грунтовкой, образуя стабильную систему связывания «подложка-агент обработки-грунтовка».

II. Основной состав УФ-краски для различных металлических цветов

Суть УФ-металлической краски заключается в достижении металлической текстуры за счет ориентированного расположения металлических пигментов в сочетании с УФ-отверждаемой смоляной системой для обеспечения механических свойств и атмосферостойкости покрытия. Разница в составе между различными металлическими цветами в основном заключается в типе и пропорции металлических пигментов, в то время как смоляная система в основном основана на акрилатах. Конкретные составы следующие:

(I) Серебряная УФ-краска

Серебряная УФ-краска является наиболее широко используемым металлическим покрытием, с основными компонентами чешуйчатый алюминиевый порошок (пигмент) и акрилатные олигомеры/мономеры (связующее). Алюминиевый порошок имеет размер частиц 10-30 мкм и чешуйчатую структуру, составляя 8,6%-12% от содержания твердых веществ. Он образует серебряный металлический блеск, отражая свет за счет ориентированного расположения. Смоляная система включает олигомеры полиуретанакрилата и мономеры триметилолпропантриакрилата (TMPTA) в сочетании с фотоинициаторами на основе ацилфосфиноксида (TPO) (для решения эффекта экранирования металлических пигментов на коротковолновом УФ-излучении), дополненные добавками, такими как выравнивающие агенты и антиоксиданты. Растворителем является высоколетучий кетоновый или эфирный растворитель, с содержанием твердых веществ при нанесении около 38% и вязкостью 15 мПа.с (25℃).

(II) Золотая УФ-краска

Пигментом золотой УФ-краски является порошок медно-цинкового сплава (обычно известный как золотой порошок), а связующее вещество аналогично серебряной УФ-краске. Цвет золотого порошка определяется соотношением меди и цинка: содержание цинка 8%-12% приводит к красновато-золотистому цвету, содержание цинка 20%-30% приводит к зеленовато-золотистому цвету, а промежуточное соотношение дает красновато-зеленовато-золотистый цвет. В практических составах золотой порошок имеет размер частиц 800 меш и покрыт поверхностно-активным веществом для улучшения совместимости со смолой, составляя 10%-15% от содержания твердых веществ. Смоляная система использует высокопрозрачную акриловую/полиуретановую смолу, чтобы металлический блеск золотого порошка не был затенен, а также добавляются УФ-абсорберы для улучшения атмосферостойкости и предотвращения обесцвечивания после длительного использования.

(III) УФ-краска цвета вороненой стали

УФ-краска цвета вороненой стали (темно-серый металлический цвет) использует композитные пигменты из никелевого порошка и графитового порошка, с химическим составом никелевого порошка (размер частиц 20-40 мкм) и графитового порошка (размер частиц 5-10 мкм) в массовом соотношении примерно 3:1, с общим содержанием 12%-18% от содержания твердых веществ. Смоляная система выбирает эпоксиакрилатные олигомеры, которые обладают как твердостью, так и адгезией. Фотоинициатор представляет собой композитную систему ацетофенона и TPO для обеспечения глубокого отверждения покрытия. Эта рецептура формирует спокойный эффект вороненой стали за счет металлического отражения никелевого порошка и поглощения света графитовым порошком, подходящую для высококачественных декоративных деталей.

III. Процесс УФ-распыления для УФ + PVD вакуумного напыления

УФ-распыление является ключевым звеном, соединяющим предварительную обработку пластика и PVD-покрытие. Требуется строгий контроль параметров нанесения и технологических этапов для обеспечения качества покрытия и последующих эффектов покрытия. Полный процесс включает четыре этапа: предварительная обработка, распыление, выравнивание и отверждение, как подробно описано ниже:

(I) Этап предварительной обработки

1. Очистка подложки: Для удаления масла, пыли и остатков разделительного агента с поверхности пластика используется ультразвуковой очиститель с этанолом или изопропанолом в качестве очищающей среды. Время очистки составляет 3-5 минут, а температура контролируется на уровне около 40℃.

2. Нанесение агента обработки: Для трудно адгезирующих подложек специальный агент обработки распыляется с помощью электростатического распылителя с количеством покрытия 8-10 г/㎡ и толщиной пленки 3-5 мкм. После распыления проводится инфракрасная сушка при 50-60℃ в течение 3-5 минут для обеспечения полного испарения растворителя.

(II) УФ-грунтование

1. Параметры нанесения: Выбирается специальная PVD УФ-грунтовка с содержанием твердых веществ 40%-55%, вязкостью 10-12 с (чашка NK-2#, 25℃) и растворителями, в основном состоящими из кетонов и эфиров.

2. Операция распыления: Используется возвратно-поступательный распылитель с давлением распыления 0,3-0,5 МПа и расстоянием 15-20 см от заготовки. Равномерно нанесите 1-2 слоя с количеством покрытия 40-50 г/㎡ и целевой толщиной пленки 15-25 мкм.

3. Обработка выравниванием: После распыления поместите заготовку в комнату для выравнивания на 5-8 минут при комнатной температуре или инфракрасное выравнивание при 60℃ в течение 3 минут, чтобы устранить следы распыления и обеспечить гладкое покрытие.

4. УФ-отверждение: Используется машина для отверждения ртутной лампой с энергией отверждения 400-800 мДж/см². После отверждения твердость покрытия достигает выше 2H без прилипания.

(III) УФ-нанесение среднего слоя (опционально)

Для изделий, требующих высокой шероховатости поверхности, необходим дополнительный процесс нанесения УФ-среднего слоя. Средний слой имеет содержание твердых веществ 15%-30% и использует высоколетучие растворители. После распыления толщина пленки составляет 5-8 мкм. После инфракрасной сушки при 50-70℃ в течение 3-5 минут проводится УФ-отверждение с энергией 300-500 мДж/см² для заполнения небольших дефектов и улучшения плоскостности поверхности.

(IV) УФ-распыление металлической краски

1. Подготовка покрытия: Тщательно перемешайте УФ-металлическую краску перед использованием, чтобы обеспечить равномерное распределение металлических пигментов. Можно добавить небольшое количество антиосаждающего агента для предотвращения осаждения пигмента.

2. Параметры распыления: Применяется распыление низкого давления с давлением 0,2-0,3 МПа и количеством покрытия 15-20 г/㎡. Нанесите 2-3 тонких слоя, чтобы избежать провисания.

3. Выравнивание и отверждение: После распыления выровняйте в течение 3-5 минут, затем выполните УФ-отверждение с энергией 500-800 мДж/см² для обеспечения полного отверждения покрытия и хорошего ориентированного расположения металлических пигментов.

(V) УФ-нанесение верхнего слоя (защитное покрытие)

В качестве окончательного защитного покрытия УФ-верхний слой должен обладать износостойкостью, химической стойкостью и глянцем. Выбирается высокопрозрачное УФ-прозрачное покрытие с содержанием твердых веществ 45%-60% и толщиной пленки 15-40 мкм. После распыления проводится инфракрасное выравнивание при 60℃ в течение 5-8 минут, а затем УФ-отверждение с энергией 600-1200 мДж/см². Отвержденный верхний слой может пройти тест на износ RCA более 300 циклов и соответствовать требованиям теста на водостойкость (80℃, 60 минут) и теста на влагостойкость (80℃, 96 часов, относительная влажность 95%).