CN101760721B - 一种塑料表面镀铬方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及有机聚合物表面镀膜技术领域，特别涉及一种塑料表面镀铬方法。本发明是通过以下技术方案得以实现的：一种塑料表面镀铬方法，它依次包括(1)预处理步骤；(2)制备底镀层步骤；(3)制备金属铬镀层步骤；(4)制备面镀层步骤；(5)检验；(6)包装。本发明适用于机械工业、透明材料等多方面。
Description
技术领域
本发明涉及有机聚合物表面镀膜技术领域，特别涉及一种塑料表面镀铬方法。
背景技术
塑料具有价廉、质轻、耐腐蚀、电气绝缘、高频屏蔽、易加工、成型周期短等特点，在各行业得到广泛的应用。塑料还可采用物理和化学的方法对其表面进行镀膜或涂膜，形成具有特定功能的表面层或覆盖层，显著提高塑料制品表面的装饰、物理和化学性能，特别是提高塑料的硬度、耐划伤、耐磨性、耐疲劳强度和化学稳定性，从而进一步扩大了应用范围。
塑料表面镀(涂)膜方法很多，主要有涂装、热喷涂、电镀、真空镀和印刷等5类。电镀是在塑料基体上通过金属化处理沉积一层薄的金属层，然后再在这层导电层的基础上进行电镀。电镀塑料广泛用于汽车、摩托车、家用电器、装饰品、包装等领域；高性能的电镀塑料制品还用于飞机、火箭、宇航及无线电通讯等重要部门。电镀铬是塑料电镀中的一项重要技术，其镀层有美丽的金属光泽、良好的物理性能和稳定的化学性能，因而受到了人们的重视。但是，电镀铬会产生六价铬，毒性很大，并且耗水、耗电、耗材多，工艺也较为复杂，使其应用受到了限制。
真空镀膜是一种清洁生产方法，它是在密闭的真空条件下，通过蒸发镀膜、溅射镀膜、离子镀膜等方法，将金属、化合物或其他镀膜材料沉积到基材表面，形成一层或多层的薄膜的加工技术。塑料表面真空镀膜的应用领域非常广泛，已在机械、电子、光学、建筑、交通、家电以及人们日常生活中发挥着越来越大的作用。作为装饰或防护兼装饰的镀层，塑料真空镀膜层前后，通常要用有机涂料进行底涂和面涂，形成“有机涂层/真空镀层/有机涂层”的复合镀层，这样可以借助有机涂料的价廉、易施工、流平及稳定的化学性能等特点来显著提高塑料制品的装饰或防护兼装饰效能。
真空镀层材料有各种金属、合金和化合物，可以根据产品用途和施工条件进行选择。大量塑料镀件要求具有银白的金属光泽，用得最多得是铝和铬。其中铝因价廉、反射率高、抗氧化以及蒸镀容易而获得了广泛的应用。但是铝质软、易磨损，对碱、CO2等不耐腐蚀，一旦面涂层发生破损或不致密，铝层就会受到破坏。
相对铝而言，铬有更美丽的银白光泽、良好的物理性能和更稳定的化学性能，因此真空镀铬层是一种更好的防护兼装饰镀层。铬的熔点为1900℃，1397℃时铬的蒸气压为1.33Pa，用蒸镀法较为困难，而采用一般的磁控溅射法，所获得的镀层色泽往往明显偏离银白色。试验表明采用成本较低的阴极电弧离子镀可以获得较好的银白光泽。但是，离子镀铬要求底涂层有较高的耐热性和耐辐射性，否则容易损伤底涂层和出现裂纹等缺陷。采用聚丁二烯、脂环族环氧树脂涂料等有机涂料，可以显著提高底涂层的耐热性和耐辐射性，然而这种提高仍是有限的，不能满足更高的要求。另一方面，有机涂层的表面硬度、耐划伤性、耐磨性以及耐老化和耐腐蚀等性能也受到了较大的限制，同样不能满足产品的更高要求。
综上所述，采用真空镀膜较电镀具有明显的优势，铬镀层较铝镀层有明显的优势，但离子镀铬的时候对底镀层的耐热性和耐辐射性要求较高，现有技术中采用有机涂料作为底镀层的方法不能满足其耐热性和耐辐射性的要求。
发明内容
本发明的目的是提供一种塑料表面镀铬方法，该方法解决了背景技术中在塑料表面镀铬时产生的问题，且该塑料表面镀铬方法节能、环保。
本发明的上述技术目的是通过以下技术方案得以实现的：一种塑料表面镀铬方法，它依次包括
(1)预处理步骤：对塑料基材表面进行清理；
(2)制备底镀层步骤：采用中频磁控溅射方法，将预处理后的塑料基材放置在中频磁控溅射镀膜机的工件架上，控制工作室内靶与工件架的距离位于140mm至160mm之间，后将工作室内抽真空至真空度位于5×10-3Pa至7×10-3Pa之间，开启节流阀，使工件架以2r/min至5r/min的转速转动，然后充入氩气与氧气，氩气与氧气的比例位于1∶4.5至1∶8.5之间，使真空度下降至4×10-1Pa至5.3×10-1Pa之间，然后开启中频溅射电源，调节溅射电流为28A至32A，溅射电压为625V至640V，占空比为76％至82％，频率为36KHz至42KHz，镀膜时间为4.5min至5.5min，从而制得底镀层，底镀层为钛氧化合物底镀层；
(3)制备金属铬镀层步骤：采用阴极电弧离子镀和离子轰击方法，将经过步骤(2)处理的塑料基材放置在阴极电弧离子镀膜机内，将工作室抽真空至真空度位于5×10-3Pa至7×10-3Pa之间，节流阀开启，使工件架以2r/min至5r/min的转速转动，充入氩气至真空度位于1.3×10-1Pa至1.6×10-1Pa之间，然后开启靶电源，调节电流为65A至75A，镀膜时间为2min至4min，然后关闭氩气源，在高真空下用离子轰击镀铬1.3min至1.8min，从而制得金属铬镀层；
(4)制备面镀层步骤：将经过步骤(3)处理的塑料基材放置在中频磁控溅射镀膜机内，重复步骤(2)，从而制得钛氧化合物面镀层；
(5)检验；
(6)包装。
作为本发明的优选，所述步骤(2)制备底镀层步骤是：采用中频磁控溅射方法，将预处理后的塑料基材放置在中频磁控溅射镀膜机的工件架上，控制工作室内靶与工件架的距离为150mm，后将工作室内抽真空至真空度至6×10-3Pa，开启节流阀，使工件架以3r/min的转速转动，然后充入氩气与氧气，氩气与氧气的比例为1∶6.5，使真空度下降至5×10-1Pa，然后开启中频溅射电源，调节溅射电流为30A，溅射电压为630V，占空比为78％，频率为40KHz，镀膜时间为5min，从而制得底镀层，底镀层为钛氧化合物底镀层。
作为本发明的优选，所述步骤(3)制备金属铬镀层步骤是：采用阴极电弧离子镀和离子轰击方法，将经过步骤(2)处理的塑料基材放置在阴极电弧离子镀膜机内，将工作室抽真空至真空度位于6×10-3Pa之间，节流阀开启，使工件架以3r/min的转速转动，充入氩气至真空度为1.5×10-1Pa，然后开启靶电源，调节电流为70A，镀膜时间为3min，然后关闭氩气源，在高真空下用离子轰击镀铬1.5min，从而制得金属铬镀层。
作为本发明的优选，采用该方法制得的镀膜塑料分为塑料基材层及镀膜层，镀膜层分为三层，由内至外依次为钛氧化合物底镀层、金属铬镀层及钛氧化合物面渡层；钛氧化合物底镀层与钛氧化合物面镀层的厚度都在12纳米至15纳米之间，金属铬镀层的厚度位于1.5微米至2微米之间。
作为本发明的优选，采用该方法获得的钛氧化合物的底镀层为14纳米，钛氧化合物面镀层为13纳米，金属铬镀层为1.6微米。
作为本发明的进一步优选，采用该方法制得的镀铬塑料表面光泽呈银白色，铅笔硬度达1H至2H。
综上所述，本发明具有以下有益效果：
1、实验表明，采用上述塑料表面镀铬方法能显著提高塑料表面的硬度、耐划伤、耐磨性和耐蚀性等性能，并且使该塑料具有持久的金属光泽；
2、实验表明，用中频磁控溅射法镀覆的钛氧化物底镀层与塑料基材表面结合牢固、沉积速度快、结构致密、表面光滑；且该镀层耐热、耐辐照，对基材有隔热与防辐照作用，可以在较大范围内承受离子镀铬过程中的离子轰击，不出现裂纹等缺陷且该镀层还可抑制随后镀膜过程中基材某些组分的挥发，有利于镀膜性能的稳定，另外，采用钛氧化物底镀层作为过渡层，可以增强铬镀层的结合力；
3、采用本发明获得的铬镀层在大气中有很强的钝化性能，呈银白色，能长时间保持，并且在碱、硝酸、硫化物、碳酸盐、有机酸等腐蚀介质中稳定，铬镀层还有较高的硬度、良好的耐磨性和耐热性，如上所述，由于整个镀铬过程是在密闭的真空室内进行和完成的，离子镀过程中，工件表面沉积的铬离子很快与真空室内的电子复合，转变为无毒的铬原子，所以不会产生六价铬等危害，因而该种塑料表面镀铬方法与电镀等技术相比较，不仅产品性能优良、环保，且电能消耗和材料消耗少、成本低；
4、采用本发明获得的钛氧化合物面镀层虽薄，但镀层致密，并且能与铬镀层牢固结合，且钛氧化合物面镀层的可见光透过率高，物理性能与化学性能稳定，因此可以起着良好的防护作用；
5、采用本发明制得的镀铬塑料既保持塑料密度小、质量轻的特点，又具有金属铬的银白色光泽以及导电、导热、耐磨、耐划伤等性能，且实验表明该种镀铬塑料化学稳定性能得到了很大的提高；
6、该种塑料表面镀铬方法工艺简单、易于实施；
7、实验表明，采用该种塑料表面镀铬方法成品率高，可达99.8％。
附图说明
图1是镀铬塑料结构示意图；
图中，1、塑料基材层，2、钛氧化物底镀层，3、金属铬镀层，4、钛氧化物面镀层。
具体实施方式
以下结合附图对本发明作进一步详细说明。
本具体实施例仅仅是对本发明的解释，其并不是对本发明的限制，本领域技术人员在阅读完本说明书后可以根据需要对本实施例做出没有创造性贡献的修改，但只要在本发明的权利要求范围内都受到专利法的保护。
一种塑料表面镀铬方法，它依次包括
1、预处理步骤：
清除聚碳酸酯基材表面的油污、残留的脱模剂、静电及粉尘；硬质酸锌、硅油等脱模剂的残存容易引起底镀层附着力不良等缺陷，所以要清除掉，采用有机溶剂清除油污，用静电除尘器清除聚碳酸酯基材表面聚集的静电及吸附的粉尘；
2、制备底镀层步骤：
采用中频磁控溅射方法，将预处理后的塑料基材放置在中频磁控溅射镀膜机的工件架上，控制工作室内靶与工件架的距离为150mm，后将工作室内抽真空至真空度至6×10-3Pa，开启节流阀，使工件架以3r/min的转速转动，然后充入氩气与氧气，氩气与氧气的比例为1∶6.5，使真空度下降至5×10-1Pa，然后开启中频溅射电源，调节溅射电流为30A，溅射电压为630V，占空比为78％，频率为40KHz，镀膜时间为5min，从而制得底镀层，底镀层为钛氧化合物底镀层；
3、制备金属铬镀层步骤：
采用阴极电弧离子镀和离子轰击方法，将经过步骤(2)处理的塑料基材放置在阴极电弧离子镀膜机内，将工作室抽真空至真空度位于6×10-3Pa之间，节流阀开启，使工件架以3r/min的转速转动，充入氩气至真空度为1.5×10-1Pa，然后开启靶电源，调节电流为70A，镀膜时间为3min，然后关闭氩气源，在高真空下用离子轰击镀铬1.5min，从而制得金属铬镀层；
4、制备面镀层步骤：
将经过步骤(3)处理的塑料基材放置在中频磁控溅射镀膜机内，重复步骤(2)，从而制得钛氧化合物面镀层；
5、检验：
检验产品是否合格；
6、包装：
将合格产品进行包装。
由于整个镀膜过程是在密闭的真空室内进行和完成的，离子镀过程中，工件表面沉积的铬离子很快与真空室内的电子复合，转变为无毒的铬原子，所以不会产生六价铬等危害，因而该种塑料表面镀铬方法与电镀等技术相比较，不仅产品性能优良、环保，且电能消耗和材料消耗少、成本低；
实施上述塑料表面镀铬方法所制得的镀铬塑料，如图1所示，分为塑料基材层1及镀膜层，镀膜层分为三层，由内至外依次为钛氧化合物底镀层2、金属铬镀层3及钛氧化合物面渡层4；钛氧化合物满足镀铬时底镀层需耐热、耐辐射的要求，作为底镀层，对塑料基材1有良好的隔热和防辐射作用，并且可以在较大范围内承受离子镀铬过程中的离子轰击，不出现裂纹等缺陷，同时钛氧化物底镀层2与塑料基材1表面结合良好，对塑料表面有良好的防护作用，钛氧化物底镀层2的厚度为14纳米；在钛氧化物底镀层2上镀铬，金属铬镀层3的厚度为1.6微米，在金属铬镀层3表面镀覆13纳米的钛氧化物面镀层4，且钛氧化物面镀层4为二氧化钛与其它钛氧化物的混合体，该种面镀层致密，与金属铬镀层3牢固结合，可见光透过率高，物理性能与化学性能稳定，具有良好的防护作用。
取上述镀铬塑料样品10块，尺寸均为：140mm×110mm×4mm，对上述样品检测表面色泽、镀层的附着力、镀层硬度和CASS及盐雾试验寿命，结果如下：
1、色泽：银白色；
2、硬度：最低1H，最高达2H，平均1.8H；
3、附着力(百格)：100％；
4、CASS实验：经CASS试验98小时后取出制品，观察其表面，没有看到明显变化；
由上述可以看出，该种镀膜聚碳酸酯其镀层性能良好。
本文所述塑料包括PC聚碳酸酯塑料、ABS丙烯腈-丁二烯-苯乙烯共聚物塑料及上述两者相结合的塑料。
Claims (6)
1.一种塑料表面镀铬方法，其特征在于：它依次包括
(1)预处理步骤：对塑料基材表面进行清理；
(2)制备底镀层步骤：采用中频磁控溅射方法，将预处理后的塑料基材放置在中频磁控溅射镀膜机的工件架上，控制工作室内靶与工件架的距离位于140mm至160mm之间，后将工作室内抽真空至真空度位于5×10-3Pa至7×10-3Pa之间，开启节流阀，使工件架以2r/min至5r/min的转速转动，然后充入氩气与氧气，氩气与氧气的比例位于1∶4.5至1∶8.5之间，使真空度下降至4×10-1Pa至5.3×10-1Pa之间，然后开启中频溅射电源，调节溅射电流为28A至32A，溅射电压为625V至640V，占空比为76％至82％，频率为36KHz至42KHz，镀膜时间为4.5min至5.5min，从而制得底镀层，底镀层为钛氧化合物底镀层；
(3)制备金属铬镀层步骤：采用阴极电弧离子镀和离子轰击方法，将经过步骤(2)处理的塑料基材放置在阴极电弧离子镀膜机内，将工作室抽真空至真空度位于5×10-3Pa至7×10-3Pa之间，节流阀开启，使工件架以2r/min至5r/min的转速转动，充入氩气至真空度位于1.3×10-1Pa至1.6×10-1Pa之间，然后开启靶电源，调节电流为65A至75A，镀膜时间为2min至4min，然后关闭氩气源，在高真空下用离子轰击镀铬1.3min至1.8min，从而制得金属铬镀层；
(4)制备面镀层步骤：将经过步骤(3)处理的塑料基材放置在中频磁控溅射镀膜机内，重复步骤(2)，从而制得钛氧化合物面镀层；
(5)检验；
(6)包装。
2.根据权利要求1所述的一种塑料表面镀铬方法，其特征在于：所述步骤(2)制备底镀层步骤是：采用中频磁控溅射方法，将预处理后的塑料基材放置在中频磁控溅射镀膜机的工件架上，控制工作室内靶与工件架的距离为150mm，后将工作室内抽真空至真空度至6×10-3Pa，开启节流阀，使工件架以3r/min的转速转动，然后充入氩气与氧气，氩气与氧气的比例为1∶6.5，使真空度下降至5×10-1Pa，然后开启中频溅射电源，调节溅射电流为30A，溅射电压为630V，占空比为78％，频率为40KHz，镀膜时间为5min，从而制得底镀层，底镀层为钛氧化合物底镀层。
3.根据权利要求1所述的一种塑料表面镀铬方法，其特征在于：所述步骤(3)制备金属铬镀层步骤是：采用阴极电弧离子镀和离子轰击方法，将经过步骤(2)处理的塑料基材放置在阴极电弧离子镀膜机内，将工作室抽真空至真空度位于6×10-3Pa之间，节流阀开启，使工件架以3r/min的转速转动，充入氩气至真空度为1.5×10-1Pa，然后开启靶电源，调节电流为70A，镀膜时间为3min，然后关闭氩气源，在高真空下用离子轰击镀铬1.5min，从而制得金属铬镀层。
4.根据权利要求1所述的一种塑料表面镀铬方法，其特征在于：采用该方法制得的镀膜塑料分为塑料基材层及镀膜层，镀膜层分为三层，由内至外依次为钛氧化合物底镀层、金属铬镀层及钛氧化合物面镀层；钛氧化合物底镀层与钛氧化合物面镀层的厚度都在12纳米至15纳米之间，金属铬镀层的厚度位于1.5微米至2微米之间。
5.根据权利要求4所述的一种塑料表面镀铬方法，其特征在于：采用该方法获得的钛氧化合物的底镀层为14纳米，钛氧化合物面镀层为13纳米，金属铬镀层为1.6微米。
6.根据权利要求5所述的一种塑料表面镀铬方法，其特征在于：采用该方法制得的镀铬塑料表面光泽呈银白色，铅笔硬度达1H至2H。
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