CN101153380A - 有机预涂金属板上SiOx镀层的真空制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种有机预涂金属板上SiOx镀层的真空制备方法,包括以下步骤:第一步:进入等离子环境中进行表面清洗和表面活化;第二步:通过真空密封装置,进入真空镀膜单元,在有机涂层上进行SiOx镀膜。在上述两步骤的基础上还可以包括以下步骤:第三步:进入后处理单元,使用等离子发生器,使氧气等离子化,前面步骤形成的薄膜最表层向SiO2转化,并趋于稳态;第四步:通过氮气或惰性气体环境,形成稳定的SiOx表面产品。本发明提供的制备方法提高了有机涂层的耐磨、耐划痕(耐擦伤)性能,工艺环保无污染,同时薄膜的相关参数可根据需要灵活、准确调节。
Description
技术领域
本发明涉及一种在金属板上镀层的制备方法,尤其涉及一种在有机预涂金属板上镀层的真空制备方法。
背景技术
有机涂层金属板(包括有机预涂层钢板,有机预涂铝板、彩涂板等)通常具有较好的美学性能、良好的耐蚀性等,普遍应用于家电、汽车、建筑等领域。在使用过程中,有机涂层的表面力学性能,尤其是耐磨、耐划痕性能,对其使用性能、寿命等具有较大的影响,发生刻划后进行的修补费用也很高。因此,提高有机涂层的表面耐磨、抗划痕性能,具有很重要的意义。
为了提高有机涂层的耐磨、抗划痕性能通常采用以下四种方式:1)对基板表面进行处理;2)改变有机涂层的类型,比如不同类型的树脂等;3)改变颜料中的成分,比如加入各种类型溶胶SiO颗粒或者硅酸盐等;4)在有机涂层表面涂镀附加薄膜,来提高它的耐磨、抗划痕性能。前两种方法可以提高的程度有限;第三种方法作为普遍采用的方法已经申请了很多专利,大多数都采用了SiOx相关材料作为添加剂或颜料。前三种方法都是基于现有工艺进行改进,在生产过程中产生的废水处理等环保问题不能彻底解决。第四种方法能够采用不同的镀膜材料和工艺得到最适合的耐磨、抗划痕性能;比如溶胶-凝胶法,真空镀膜法等,但是溶胶-凝胶法与辊涂、刷涂等传统有机涂层制备方法一样,还是属于湿法镀膜系统,不能彻底解决环保问题,同时镀膜的质量也不能发生革命性的改进。真空镀膜技术是一种很有潜力的技术,普遍应用于电子、玻璃等行业中。但是在带钢领域还没有得到大规模应用。
真空镀膜有如下特点:1)环保;被镀物质通过蒸发、溅射等手段形成气态,也可再通过其他方式形成等离子体,沉积到基板表面;在此过程中不涉及水等物质,不需要进行废水处理,没有废弃物。2)真空状态下沉积出来的薄膜质量高;3)可以很容易地在基板(卷)两面沉积相同或不同的物质,不同的厚度等。4)根据沉积薄膜的厚度和工艺的选择,通常可以在最高200米/分的速度下进行镀膜。
Bosch公司曾经提出在钢铁、陶瓷、玻璃、塑料上沉积SiO等类型的薄膜来提高其耐磨性能和抗紫外线性能,其采用的方法是PECVD沉积耐磨涂层,然后用PVD方法把具有特定光学性能的离子嵌入到PECVD耐磨涂层,主要采用溅射和微波照射的方法。
发明内容
本发明的目的在于提供一种在有机预涂金属板表面沉积SiO的一种真空镀膜制备方法,以提高有机涂层的耐磨、耐划痕(耐擦伤)性能。解决传统上在有机涂层中添加SiO方法不能大幅度提高耐磨、耐划痕性能和环保方面的问题,同时薄膜的相关参数可根据需要灵活、准确调节。
本发明的目的是这样实现的:
本发明有机预涂金属板上SiOx镀层的真空制备方法,包括以下步骤:第一步:进入等离子环境中进行表面清洗和表面活化;第二步:通过真空密封装置,进入真空镀膜单元,在有机涂层上进行SiOx镀膜。
真空镀膜单元可以分为三到四个子镀膜单元,其中每个单元保持不同的气体组成,每个子系统生成的薄膜的性质可以逐渐发生变化,在基板通过时形成梯度薄膜。
本发明有机预涂金属板上SiOx镀层的真空制备方法,在上述两步骤的基础上还可以包括以下步骤:第三步:进入后处理单元,使用等离子发生器,使氧气等离子化,前面步骤形成的薄膜最表层向SiO2转化,并趋于稳态;第四步:通过氮气或惰性气体环境,形成稳定的SiOx表面产品。
其中,所述步骤一中产生等离子的气体是氧气、氮气、氢气、氩气中的一种或者是这几种气体的组合,其表面活化时间为0.5秒~200秒。通过活化可以使表面粗糙度增加,提高物理结合的强度。表面活化形成的活性键使有机涂层中的C-C形成C-O,或C-O形成C=O等,在沉积时与活性Si离子发生反应形成较强的SiO键,使所镀涂层的结合为化学结合。化学结合具有比物理结合更强的结合力,活化时间越长,表面的粗糙度越大,结合力越好,同时对基体有机涂层的破坏也越大;所采用的镀膜工艺是物理气相沉积PVD或者等离子增强化学气相沉积PECVD,所述PECVD的等离子体发生方式是微波、射频、声频、空心阴极,其可以采用的材料包括六甲基二硅氧烷(Hexamethyldisoloxane,HMDSO)、六甲基二硅胺烷(Hexamethyldisilane,HMDS)、三甲基氯化硅烷(Trimethylsilyl chloride,TMS)等有机溶剂、在通过加热管道后以气体形态进入真空环境,同时通入氧气、氩气或二者,在等离子发生器的作用下形成等离子体,并发生反应。根据氧气与前驱体比的上升,薄膜的组成从SiOx(CH3)y向SiO2变化。HMDSO/氧气,HMDS/氧气、TMS/氧气的比例达到1∶10-1∶20时,可以生成完全的SiO2镀层;基板的运行速率为10~200米/分;所述PVD为蒸发、溅射、离子镀,其采用的Si的来源是Si或者玻璃、石英。所述PVD中的蒸发采用电子束加热、电阻加热、感应加热等方法实现,在蒸发的过程中同时通过反向磁控溅射、空心阴极、射频、声频等来产生等离子体。所述PVD通过改变通入氧气与Si的比例来沉积不同性能的SiOx涂层,Si/Oxygen为1/0.1~1/2;所述步骤三中的等离子发生器包括微波、射频、声频、空心阴极方式,使用等离子发生器后使氧气等离子化,前面步骤形成的薄膜最表层向SiO2转化,并趋于稳态。
上述活化、镀膜、后处理中的真空度范围为1×10-4~1×10-2Pa,通过调节PVD或PECVD的功率、电流、电压等参数来控制镀膜的厚度、组织结构。SiOx中x的变化范围0.1-2之间,通常情况下,有机涂层与SiOx的力学性能差异较大,这种大的差异使其在使用过程中,会发生剥离。所以首先要保证力学性能的过渡,本发明中镀膜单元中的子镀膜单元具有不同的参数,保证基板在通过过程中,可以形成梯度薄膜。所镀薄膜的组成从基板到最上层可以不断变化,形成梯度薄膜。最佳的是分为三层,最下层SiOx中x的值较小,厚度为涂层厚度的10%左右,最上层x接近于2,厚度为镀层厚度的10%左右。镀层的性能逐渐从有机向无机过渡,力学性能不断提高,同时保证了结合力和高的薄膜性能,最佳的总镀层厚度在20nm到600nm之间。通过调整功率、电压、电流等,可以使薄膜为透明状态,从而不改变原来有机涂层的美学性能,也可以使镀层有不同的光学性能,从而提供更好的美学性能。
本发明由于采用了上述的技术方案,使之与现有技术相比,具有以下的优点和积极效果:
1、因为本发明实现的SiOx为具有陶瓷特征的镀层,比向有机涂层中添加SiO2相关颗粒,所以能够提供更均匀、耐磨和耐划痕(抗擦伤)的表面性能;
2、本发明有机预涂金属板(卷)从空气中进入真空环境或者在真空环境中进行,在此过程中不涉及水等物质,不需要进行废水处理,没有废弃物产生,制备过程环保;
3、透明的SiO2涂层能够保持原来有机涂层的美学性能,通过调整参数,SiOx镀层的光学性能也可以发生变化,提供更好的美学性能;
4、本发明所产生的梯度薄膜能够保证力学性能的平稳过渡,保证其在使用过程中不会发生剥离等现象,提高其使用寿命。
具体实施方式
实施例1:用MW-PECVD在汽车用聚亚安酯预涂钢板表面镀SiOx镀层。
在本实施例中,使用MW-PECVD方法在汽车用聚亚安酯预涂钢板表面镀SiOx镀层,具体方法与步骤如下:
在活化段,通入80sccm氧气,通过微波等离子发生器,在2.46GHz,400W条件下,使氧气等离子化,压力为20Pa左右;聚亚安酯预涂板进入活化段中,以10米/分通过,对表面进行清洁和活化。表面的C=O键增加,NHCONH向NHCOO转化,同时表面的粗糙度从增大。
在镀膜段,三个子镀膜单元中HMDSO和氧气的比例分别为5/3、5/2、5/1。通过等离子发生器,在2.46GHz,300W条件下,使氧气等离子化,压力为20Pa左右;聚亚安酯预涂板进入真空环境中,以10米/分通过,进行镀膜,逐渐变为100/5,最后在底层形成SiOCH3结构,表面形成SiO1.2结构。镀膜厚度为150nm。
在后处理段,通入80sccm氧气,通过微波等离子发生器,在2.46GHz,400W条件下,使氧气等离子化,压力为20Pa左右;聚亚安酯预涂板进入真空环境中,以20米/分通过,对表面进行后处理,使表面转化为SiO2涂层。
通过纳米压痕技术分析表明,聚亚安酯预涂钢板的的表面硬度从0.3提高到0.4Gpa,表面的弹性模量没有发生变化。对耐划痕性能,在不发生破裂、剥离的条件下,在同样压入深度的条件下,需要的正向压力压力增加了100%;在同样的深度下,所需的侧向力增加了200%。
实施例2:用EB-PVD在汽车用聚亚安酯预涂钢板表面镀SiOx镀层。
本实施例采用反向磁控溅射刻蚀作为活化前处理、EB-PVD作为镀膜工艺在汽车用聚亚安酯预涂层钢板表面沉积SiOx镀层,具体方法与步骤如下:
在活化段,通入80sccm氧气和100sccm的氩气,通过反向磁控溅射产生等离子体,压力为20Pa左右;聚亚安酯预涂板进入活化段中,以10米/分通过,对表面进行清洁和活化。表面的C=O键增加,NHCONH向NHCOO转化,同时表面的粗糙度从增大。
在镀膜段,采用50kW电子束枪,加热石英,产生SiO2蒸汽,同时通入氧气,三个子镀膜单元中氧气的通入量分别为0、4m3/h、、8m3/h,压力为20Pa左右;聚亚安酯预涂板进入镀膜单元,以10米/分通过,进行镀膜,最后在底层形成SiO1.2结构,表面形成SiO2结构。镀膜厚度为75nm。
不用进行后处理。
通过纳米压痕技术分析表明,聚亚安酯预涂钢板的的表面硬度从0.3提高到0.4Gpa,表面的弹性模量从4Gpa增加到4.2GPa。对耐划痕性能,在不发生破裂、剥离的条件下,在同样压入深度的条件下,需要的正向压力压力增加了75%;在同样的深度下,所需的侧向力增加了200%。
实施例3:用等离子增强EB-PVD在环氧树脂预涂铝板镀SiOx镀层。
本实施例采用反向磁控溅射刻蚀作为活化前处理、等离子增强EB-PVD作为镀膜工艺在汽车用环氧树脂预涂铝板表面沉积SiOx镀层,具体方法与步骤如下:
在活化段,通入80sccm氧气和100sccm的氩气,通过反向磁控溅射产生等离子体,压力为20Pa左右;环氧树脂预涂板进入活化段中,以20米/分通过,对表面进行清洁和活化。表面的C=O键增加,同时表面的粗糙度从增大。
在镀膜段,采用50kW电子束枪,空心阴极等离子发生器,加热石英,产生SiO2蒸汽,同时通入氧气,使气体等离子化,三个子镀膜单元中氧气的通入量分别为0、4m3/h、、8m3/h,压力为20Pa左右;聚亚安酯预涂板进入镀膜单元,以10米/分通过,进行镀膜,最后在底层形成SiO1.2结构,表面形成SiO2结构。镀膜厚度为100nm。
不用进行后处理。
通过纳米压痕技术分析表明,聚亚安酯预涂钢板的的表面硬度从0.3提高到0.6Gpa,表面的弹性模量从4Gpa增加到4.5GPa。对耐划痕性能,在不发生破裂、剥离的条件下,在同样压入深度的条件下,需要的正向压力压力增加了150%;在同样的深度下,所需的侧向力增加了300%。
Claims (17)
1.一种有机预涂金属板上SiOx镀层的真空制备方法,其特征在于包括以下步骤:
第一步:进入等离子环境中进行表面清洗和表面活化;
第二步:通过真空密封装置,进入真空镀膜单元,在有机涂层上进行SiOx镀膜。
2.如权利要求1所述的有机预涂金属板上SiOx镀层的真空制备方法,其特征在于还包括:
第三步:进入后处理单元,使用等离子发生器,使氧气等离子化,
前面步骤形成的薄膜最表层向SiO2转化,并趋于稳态;
第四步:通过氮气或惰性气体环境,形成稳定的SiOx表面产品。
3.如权利要求1所述的有机预涂金属板上SiOx镀层的真空制备方法,其特征在于还包括:
在第二步中,镀膜单元分为三到四个子镀膜单元,其中每个单元保持不同的气体组成,每个子系统生成的薄膜的性质可以逐渐发生变化,在基板通过时形成梯度薄膜。
4.如权利要求2所述的有机预涂金属板上SiOx镀层的真空制备方法,其特征在于:所述步骤一中产生等离子的气体是氧气、氮气、氢气、氩气中的一种或者是这几种气体的组合。
5.如权利要求2所述的有机预涂金属板上SiOx镀层的真空制备方法,其特征在于:表面活化时间为0.5秒~200秒。
6.如权利要求2所述的有机预涂金属板上SiOx镀层的真空制备方法,其特征在于:所采用的镀膜工艺是物理气相沉积PVD或者等离子增强化学气相沉积PECVD。
7.如权利要求6所述的有机预涂金属板上SiOx镀层的真空制备方法,其特征在于:所述PVD为蒸发、溅射、离子镀。
8.如权利要求7所述的有机预涂金属板上SiOx镀层的真空制备方法,其特征在于:所述PVD中的蒸发采用电子束加热、电阻加热、感应加热等方法实现,在蒸发的过程中同时通过反向磁控溅射、空心阴极、射频、声频等来产生等离子体。
9.如权利要求6述的有机预涂金属板上SiOx镀层的真空制备方法,其特征在于:所述PVD采用的Si的来源是Si或者玻璃、石英。
10.如权利要求6所述的有机预涂金属板上SiOx镀层的真空制备方法,其特征在于:所述PVD通过改变通入氧气与Si的比例来沉积不同性能的SiOx涂层,Si/Oxygen为1/0.1~1/2。
11.如权利要求6所述的有机预涂金属板上SiOx镀层的真空制备方法,其特征在于:所述PECVD的等离子体发生方式是微波、射频、声频、空心阴极。
12.如权利要求6所述的有机预涂金属板上SiOx镀层的真空制备方法,其特征在于:所述PECVD采用的材料为六甲基二硅氧烷、六甲基二硅胺烷或三甲基氯化硅烷等有机溶剂,在通过加热管道后以气体形态进入真空环境,同时通入氧气、氩气或二者,在等离子发生器的作用下形成等离子体,并发生反应。
13.如权利要求12所述的有机预涂金属板上SiOx镀层的真空制备方法,其特征在于:HMDSO/氧气,HMDS/氧气、TMS/氧气的比例达到1∶10-1∶20时,生成完全的SiO2镀层。
14.如权利要求2所述的有机预涂金属板上SiOx镀层的真空制备方法,其特征在于:基板的运行速率为10~200米/分。
15.如权利要求2所述的有机预涂金属板上SiOx镀层的真空制备方法,其特征在于:所述活化、镀膜、后处理中的真空度范围为1×10-4~1×10-2Pa。
16.如权利要求2所述的有机预涂金属板上SiOx镀层的真空制备方法,其特征在于:所述步骤三中的等离子发生器包括微波、射频、声频、空心阴极方式。
17.如权利要求2所述的有机预涂金属板上SiOx镀层的真空制备方法,其特征在于:通过调节PVD或PECVD的功率、电流、电压等参数来控制镀膜的厚度、组织结构。
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