CN106573445A - 在表面上的弹性体涂层 - Google Patents

Abstract

由金属或多层金属基底构成的示例性复合材料，通过电泳沉积向所述基底上安置弹性体或弹性体混合物。该弹性体或弹性体混合物形成柔性的非刚性弹性体涂层，其赋予金属基础基底软接触的触感。

Description

在表面上的弹性体涂层

发明背景

金属物体可以用各种聚合物涂覆。此类聚合物可以用作例如密封件、电子器件表面等等上的保护层。但是，此类聚合物表面常常是刚性的，难以再加工，并在它们的生产中使用对环境有害的化学品。

附图概述

为了详细描述各种实例，现将参照附图，其中：

图1显示了根据各种实例的包括金属构件与非刚性弹性体涂层的复合材料的示例；

图2显示了根据各种实例的包括涂覆有阳极化涂层的金属构件和在该阳极化涂层上形成的非刚性弹性体涂层的复合材料的示例；

图3显示了根据各种实例的包括涂覆有物理气相沉积(PVD)涂层的金属构件的复合材料的示例，在所述金属构件上非刚性弹性体涂层形成在PVD涂层上；

图4显示了根据各种实例的包括涂覆有电镀涂层的金属构件和在该电镀涂层上形成的非刚性弹性体涂层的复合材料的示例；

图5显示了根据各种实例的包括涂覆有化学镀层(electroless coating)的金属构件和在该化学镀层上形成的非刚性弹性体涂层的复合材料的示例；

图6显示了根据各种实例的包括非金属芯，在所述非金属芯上包覆金属构件，并在该金属构件上形成非刚性弹性体涂层的复合材料的示例；和

图7、8和9显示了例示形成根据各种实例的复合材料的方法的流程图。

发明详述

在下面的描述中，参照附图，所述附图构成本文的一部分，并且其中通过例示的方式显示了所公开的实施方式的实例。要理解的是，在不背离本公开的范围的情况下可采取其它实施方式并可进行结构变化。

在本文中显示和描述了复合结构体的各种实例。各种复合结构体包括涂覆有非刚性弹性体涂层的物体。该非刚性弹性体涂层使该物体具有“软接触(soft touch)”的感觉。此类“软接触”涂层向表面提供触觉、柔软和美观的品质，同时提供加工便利性和灵活性，在一些实例中提供低硬度、低刚度和高抗冲击性。包括此类软接触或非刚性弹性体表面的复合结构体可以包括电子产品，如笔记本电脑、平板电脑和其它手持电子器件。图1-6提供了复合结构体的横截面的六个实例。各种实例之间的差别在于涂覆有非刚性弹性体涂层的基底的性质。将图1-6中经此涂覆的基底设计为99a-99f。

复合结构体的一个实例描述在本文中，并在图1中例示为复合结构体100a。图1的实例的复合结构体100a包括基底99a，所述基底99a包括在一个或多个其表面上部分或完全涂覆有非刚性或软接触弹性体涂层101的金属构件102。该金属构件102可以选自以下中的一种或多种：铝、镁、锂、锌、钛、铌、不锈钢、铜或其金属合金。

在一个实例中，金属构件102可以是单一金属层，而在其它实例中，金属构件102可以包括形成多层金属构件的多个金属层。

通常，金属构件102可以具有任何尺寸或形状。在图1的实例中，金属构件102可以包括两个相对的表面，包括可以通过例如电泳沉积向其上沉积非刚性弹性体涂层101的第一表面104和第二表面104’。金属构件102的表面104和104’可以具有相同的尺寸和形状(或不同的尺寸和形状)，并可以在一个涂覆处理操作中被同时涂覆。金属构件102可以具有任意数量的表面，并且任意或所有此类表面可以涂覆有非刚性弹性体涂层101。

图2例示了包括在金属构件202的一个或多个表面上形成的阳极化涂层205的另一种复合结构体100b。金属构件202与阳极化涂层205的组合代表向其上沉积非刚性弹性体涂层201的基底99b。阳极化涂层205可以因下方的金属构件202的几何结构而包括多个表面。例如，阳极化涂层105可以包括所示的第一表面204和第二表面204’，可以通过例如电泳沉积向其上沉积非刚性弹性体涂层201。阳极化涂层可以在25℃至100℃下形成，并可以为5-150微米厚。

图3例示了包括基底99c的复合结构体100c的再一实例。基底99c包括金属构件302和物理气相沉积(PVD)涂层303。PVD涂层303被涂覆到金属构件302的一个或多个或全部表面上。如图3的实例中所示，PVD涂层303形成第一表面304，非刚性弹性体涂层301可以通过例如电泳沉积沉积于其上。金属构件302包括第二表面304’，非刚性弹性体涂层也通过例如电泳沉积沉积于其上。

PVD涂层可以包括薄沉积膜，如：氮化钛、氮化锆、氮化铬、氮化铝钛、钛合金、铝、铬、镍、不锈钢和类金刚石碳(diamond like carbon)。此类膜可以具有下列特性中的一种或全部：坚硬和耐腐蚀，在高温下稳定，高冲击强度，优异的耐磨性，以及足够耐久和保护性。任何或所有这些品质也可以赋予本文中所述的复合材料。PVD涂层303可以在130℃至300℃下形成，并可以为小于300微米厚。

图4例示了包括基底99d的复合结构体100d的另一实例。基底99d包括金属构件402和电镀涂层403，其通过电镀金属构件402的一个或多个或全部表面来形成。电镀涂层403具有其自身的表面，其尺寸和形状通常由下方的金属构件402的尺寸和形状来限定。合适的电镀涂层可以包括铜(Cu)、镍(Ni)和铬(Cr)，可以在25℃至80℃下形成，且可以为5-150微米厚。在一个实例中，该电镀涂层403包括第一表面404和大致相对的第二表面404’，非刚性弹性体涂层401可以通过例如电泳沉积沉积于其上。

复合结构体100e的另一实例例示在图5中。在该实例中，基底99e包括部分或完全涂覆有化学镀层503的金属构件502。化学镀层503在金属构件502的表面上形成，并在一些实例中形成第一表面504和第二表面504’，非刚性弹性体涂层501可以通过例如电泳沉积沉积于其上。在一些实例中，化学镀层503可以包括化学品，所述化学品包括镍和锌涂层。化学镀层503可以在25℃至75℃下形成，并可以为小于30微米厚。

在图6中所例示的复合结构体100f的另一实例中，基底99f可以包括包含在金属构件603中的芯602。芯602可以由纤维。塑料、多层纤维、混杂复合材料或其它类型的非金属材料形成。金属构件603可以包括第一表面604和相对的第二表面604’。非刚性弹性体涂层601可以沉积(例如通过电泳沉积)在基底99f的金属构件603的表面604和604’上。

可以通过图7中所例示的方法形成复合结构体的任何或全部上述实例。在操作701中，将包括金属构件和表面的基底放置在如下所说明的包含聚合物的电解溶液的涂浴(coating bath)中。在702，第一弹性体、第二弹性体和水混合以形成混合物，其中聚合物的混合物包含如下所述的热固性聚合物和热塑性聚合物。在703，混合物通过电泳沉积沉积在表面上。在704，将混合物固化以形成非刚性弹性体涂层。

复合结构体的任何或全部上述实例还可以通过图7中所例示的方法形成。在操作801中，可以预处理金属构件(如上文描述的那些)。预处理金属构件可以包括诸如以下操作：脱脂、化学抛光、超声清洁或此类工艺的组合。

在802，预处理过的金属构件可以用阳极化涂层(如在图2中)、PVD涂层(如在图3中)、电镀涂层(如在图4中)、化学镀层(如在图5中)或其它合适的涂层来涂覆。

在803，可以将弹性体混合物电泳沉积到金属构件的表面上或通过操作802提供的涂层的表面上。电泳沉积(EPD)可以包括将基底(金属构件)浸没到含有涂覆溶液(coatingsolution)(电解质的)的涂浴中，并用电极施加直流电通过该浴。适于该目的的电压可以为大约30至大约300伏特DC，且该涂浴的温度可以保持在大约20℃至大约30℃。在一个实例中，待涂覆的金属构件为阳极，一组“对电极”或阴极用于完成回路以引起EPD发生。

在EPD工艺过程中，可以向涂覆溶液施加直流电，所述涂覆溶液在一些实例中是聚合物、弹性体或弹性体混合物的水溶液或分散体，其各自可以包含生成带正电或带负电的自由基的一个或多个可电离基团。该涂覆溶液还可以包含诸如颜料和填料的材料，如炭黑、二氧化钛、粘土、云母、滑石、硫酸钡、碳酸钙、合成颜料、金属粉末、氧化铝、石墨烯、石墨、有机粉末、无机粉末或其组合。

当施加电流时，带电物质迁移至具有相反电荷的相应电极。例如在阳极沉积中，沉积的材料将具有酸的盐作为带电荷基团。这些带负电荷的阴离子与通过电解水在阳极处产生的带正电荷的氢离子(质子)反应以便重新形成原始的酸。完全质子化的酸不携带电荷，较难溶于水，并且从水溶液中沉淀出来以涂覆阳极。类似地，带负电荷的自由基在阳极处与氢离子反应，并随后在阳极处沉积，即在基底的第一表面上电泳沉积弹性体的混合物(803)。

沉积在第一表面上的弹性体涂层的厚度可以通过沉积速率(微米弹性体/秒)或涂覆金属层的次数来控制。例如，可以在第一EPD涂覆周期中施加薄涂层。该EPD涂层可以固化，并随后可通过相同的工艺施加第二EPD涂层。在图1-6中例示的实例中获得的典型的非刚性弹性体涂层厚度在一些实施方式中为大约1微米至大约1000微米厚，在另外其它实施方式中为大约100微米至大约600微米厚；且在其它实施方式中为大约10微米至大约60微米厚。本文中公开的涂覆周期为1至1000秒、10至500秒、和20至120秒。该沉积速率为每秒大约0.01微米至10微米、每秒0.1至5微米和每秒0.1微米至2微米。电解溶液中带电物质的浓度为5重量％至50重量％；5重量％至25重量％；和8重量％至20重量％。此外，非刚性弹性体层的厚度可以通过提高循环时间、电解物质的浓度或电压中的任一项来提高。

相反，在一些实例中，金属构件可以是阴极(如果基底的第一表面包含带负电荷的物质)。在该实例中，可以采用阴极沉积，其中沉积的聚合物/弹性体可以具有碱的盐作为带电荷基团。质子化的碱将与通过电解水形成的羟基离子反应以产生中性的碱和水。不带电荷的聚合物与其带电荷时相比较难溶于水，并可以随后发生至阴极上的沉淀。类似地，在一些实例中，带正电荷的自由基与羟基离子在阴极处反应，并随后在阴极处沉积。

本文中描述的电泳涂覆溶液的实例可以包括热固性和热塑性弹性体，如聚氨酯弹性体和聚丙烯酸系弹性体的水性分散体，所述聚丙烯酸系弹性体是包含基于丙烯酸和甲基丙烯酸的单体的自由基引发的弹性体的实例。

仍参照图8，在沉积操作803之后，可以在804冲洗经涂覆的基底以便在固化前除去未沉积的涂覆溶液。

随后可进行固化过程805，该过程交联弹性体或弹性体混合物的聚合物亚单元以形成非刚性的弹性体表面。在本文中描述的实例中，将涂覆到基底上的沉积的弹性体在大约120℃至大约180℃的固化温度下加热大约30分钟至大约60分钟。

如上所述，本文中使用的弹性体是热固性或热塑性弹性体。热固性(或热固性的)弹性体的实例包括但不限于：丙烯酸烷基酯共聚物、丁二烯、氯化聚乙烯(CPE)、异丁烯-异戊二烯共聚物、乙烯-丙烯(EPM/EPDM)、表氯醇(CO/ECO)、含氟聚合物、氢化丁腈橡胶(hydrogenated nitrile)、异戊二烯、氯丁二烯、多硫化物、腈、聚氨酯(HNBR)、聚硅氧烷、苯乙烯-丁二烯、四氟乙烯-丙烯、聚丙烯酸酯弹性体或其组合。

本文中使用的热塑性弹性体的实例可以包括聚氨酯弹性体、苯乙烯类嵌段共聚物、共聚醚酯弹性体、聚酯酰胺弹性体或其组合。

热塑性弹性体是在加热时反复软化/熔融并在冷却时硬化的材料。软化/熔融温度随聚合物类型和等级而不同。当热塑性分子链被加热时，单个聚合物链滑动，导致塑性流动。在冷却时，原子和分子的链被牢固地固定，该弹性体可以被模塑，但是在随后加热时，该链将再次滑动。在另一方面，热固性弹性体在加热处理过程中发生化学变化以变成永久不溶和不熔性的。这种化学交联是热固性与热塑性体系之间的主要差别。因此，在本文中描述的实例中选择热固性对热塑性弹性体的比率以赋予非刚性弹性体涂层此类性质，并由此控制表面的柔软度或非刚性度。

该弹性体混合物中热塑性弹性体的量越大，非刚性弹性体涂层中热塑性弹性体的量就越大，且该涂层越柔软。涂层的柔软度、软接触或非刚性度可以通过弹性体涂层的静摩擦系数来量化。摩擦系数(COF)μ描述了两个主体之间的摩擦力与将它们压在一起的力的比率。摩擦系数取决于所用的材料；对于相对于彼此静止的表面，μ＝μ_s，其中μ_s是静摩擦系数。涂层中热塑性弹性体的量越大，该涂层越柔软或刚性越低(非刚性)。因此调节弹性体涂层中热塑性弹性体的量以制备非刚性涂层，其中静摩擦系数在一些实施方式中为3至5，在其它实施方式中为2至3，在另外其它实施方式中为1至2，并在其它实施方式中小于1。在一些实例中，静摩擦系数为1.6，而在其它实例中，静摩擦系数为0.01至1.6。

本文中用于获得具有此类静摩擦系数的此类非刚性弹性体涂层的弹性体混合物的实例包括99.9∶0.01至0.01∶99.1的热固性弹性体对热塑性弹性体的比率。在一些实例中，热固性对热塑性弹性体的比率可以是50∶50；45∶55；40∶60；35∶65；30∶70；25∶75；20∶80；15∶85；10∶90；5∶95；2.5∶97.5；1∶99和0.1∶99.9中的任一种。

在一个实例中，小于30％的聚氨酯与余量的聚丙烯酰胺混合以制备通过EPD在金属基底的第一表面上沉积以形成具有0.01至1.6的静摩擦系数的非刚性弹性体涂层的弹性体混合物。在另外的实例中，弹性体的混合物可以包含一种弹性体、两种弹性体或超过两种的弹性体。

本文中描述的非刚性弹性体涂层可以被再加工。例如，如果发现弹性体涂层具有任何表面缺陷，此类缺陷可以容易地用溶剂如异丙醇擦除或洗去以暴露基底层。该基底层可以如上所述被再清洗，并通过EPD施加新的弹性体涂层。本文中描述的制造复合材料的方法也是环境清洁的方法，由此所用的弹性体分散在水中以形成电解溶剂，或分散在聚丙烯酸酯聚合物和水性溶剂中，而不是使用更具毒性的溶剂。此类非刚性弹性体涂层可以涂覆有功能涂层(操作806)，其包括抗指纹涂层、抗菌涂层、抗污迹涂层或提供功能益处的其它涂层，并且也适于施加产生金属光泽的金属饰面。

类似地，任何或全部上述复合结构体的实例可以通过图9中例示的方法来形成，其中的一些操作类似于上文描述的那些。在操作901中，预处理(如上所述)包括表面、金属构件和非金属芯的基底。在902，将基底放置在电镀浴中。在903，将弹性体混合物电泳沉积在该表面上。在904，该混合物固化以形成具有0.01至1.6的摩擦系数的非刚性弹性体涂层，在905，用功能涂层涂覆该非刚性弹性体涂层。

上面的讨论意在例示本公开的原理和各种实施方案。一旦充分理解上述公开内容，许多变化和修改将对本领域技术人员变得明确。下列权利要求意在解释为涵盖所有此类变化和修改。

Claims (15)

1.复合材料，包括：

包括金属构件和表面的基底；和

通过电泳沉积沉积在所述表面上的非刚性弹性体涂层；

其中所述非刚性弹性体涂层具有0.01至1.6的静摩擦系数。

2.权利要求1的组合物，其中所述表面是以下中的一种：

金属构件的表面；

在金属构件上的阳极化涂层的表面；

在金属构件上的物理气相沉积(PVD)涂层的表面；

在金属构件上的电镀涂层的表面；和

在金属构件上的化学镀层的表面。

3.权利要求1的复合材料，其中所述非刚性弹性体涂层包含第一弹性体和第二弹性体的混合物。

4.权利要求3的复合材料，其中所述第一弹性体是热固性弹性体，所述第二弹性体是热塑性弹性体。

5.权利要求4的复合材料，其中所述热固性弹性体对所述热塑性弹性体的比率为大约3∶7。

6.权利要求4的复合材料，其中所述热固性弹性体选自丙烯酸烷基酯共聚物、丁二烯、氯化聚乙烯(CPE)、异丁烯-异戊二烯共聚物、乙烯-丙烯(EPM/EPDM)、表氯醇(CO/ECO)、含氟聚合物、氢化丁腈橡胶、异戊二烯、氯丁二烯、多硫化物、腈、聚氨酯(HNBR)、聚硅氧烷、苯乙烯-丁二烯、四氟乙烯-丙烯、聚丙烯酸酯弹性体及其组合。

7.权利要求4的复合材料，其中所述热塑性弹性体选自聚氨酯弹性体、聚氨酯、苯乙烯类嵌段共聚物、共聚醚酯弹性体、聚酯酰胺弹性体及其组合。

8.权利要求1的复合材料，其中所述非刚性弹性体涂层为在水性溶剂中可溶或可分散的至少一种。

9.制备复合结构体的方法，包括：

将包括金属构件并具有表面的基底放置在涂浴中；

混合第一弹性体、第二弹性体和水以形成混合物；

通过电泳沉积在所述表面上沉积所述混合物；和

固化所述混合物以由此形成非刚性弹性体涂层。

10.权利要求9的方法，进一步包括将所述涂浴加热到20℃至30℃的温度。

11.权利要求9的方法，其中固化包括在大约120℃至大约180℃下加热30至60分钟。

12.权利要求9的方法，其中沉积所述混合物包括以每秒0.1微米至2微米的速率沉积所述混合物。

13.权利要求9的方法，进一步包括用功能涂层涂覆所述非刚性弹性体涂层。

14.制备复合材料的方法，包括：

预处理包括含有非金属芯的金属构件的基底的表面；

将所述基底放置在电镀浴中；

通过电泳沉积在所述表面上沉积弹性体的混合物；

固化所述弹性体的混合物，以由此形成具有0.01至1.6的静摩擦系数的非刚性弹性体涂层；和

用功能涂层涂覆所述非刚性弹性体涂层。

15.权利要求14的方法，其中沉积所述混合物包括以每秒0.1微米至2微米的速率沉积所述混合物以获得10微米至大约60微米厚的非弹性体涂层。