CN107428152A - 热转印的聚合物手机外壳嵌件 - Google Patents

Abstract

本发明是生产适合于在手机或平板电脑上使用的装饰性外壳嵌件的方法，它在热稳定的挤出聚合物基底上采用合成有机聚合物涂层，和将图像形式的一组分散染料扩散到通过施加热与压力而施加的聚合物涂层内。然后切割该装饰性嵌件，以匹配制造制品，例如手机或平板电脑的外壳，并固定到该外壳上，形成装饰性外壳。

Description

热转印的聚合物手机外壳嵌件

技术领域

本发明一般地涉及在合成有机聚合物和聚合物制品上染料的升华转印。更特别地，本发明涉及用于手机和平板电脑外壳的染料升华接收型聚合物嵌件的生产方法。

背景技术

在使用染料升华，于制造制品上压印设计的领域中，使用热与压力，从载体介质中转移图像，以活化印刷的染料，从而引起它们通过升华从其固态转变为气态，和随后在热与压力的影响下，扩散到软化的聚合物基质内。例如，在授予Devries的美国专利No.4,021,591中呈现了公开染料升华转移的早期专利。如授予Kramer的美国专利No.4,943,684中所公开的，在使陶瓷杯成像的方法中示出了另一升华实例。

某些纤维材料，例如聚酯织物和某些合成有机聚合物，例如醋酸纤维素，聚碳酸酯和尼龙可接受可升华或分散染料的直接扩散，且在接收图像之前不需要涂布。然而，它们接收染料扩散的自然的能力不会确保这些染料的长期持久性且图像随着时间流逝常常模糊或褪色。

由于这一原因，和为了在永久、长期的主体上提供适合于染料升华装饰的制品，典型地配制合成有机涂料并用于在转移图像之前预涂布待装饰的基底。公开了在陶瓷砖上升华图像之前所使用的这种涂料的另一专利是授予Durand的美国专利No.4,174,250。

在手机外壳领域中，设计铝板以供引入到手机和平板电脑外壳中，且备用于通过染料升华工艺，接收转移的图像。这些外壳既保护手机防止掉落并引起屏幕和手机外壳的损坏，还允许连接面板或者将面板适配到具有在其上施加的定制图像的外壳内。在一些应用中，顾客可设计并定制具有选择照片或它们选择的图像的手机。染料升华是使这些面板成像的优选方法，因为它提供保护图像避免划伤，磨损和化学进攻的亚表面装饰。备选的直接印刷方法，例如利用在成像工艺之后施加的印刷后涂层或者层压体的紫外印刷没有提供水平相当的耐久性，和因此不是手机或平板电脑外壳使用的候选物。

因此，迄今为止，选择铝作为涂布的面板用优选基底是由于容易涂布施加，容易用CNC(计算机数字控制的)或者模切设备切割金属，介质的刚性，和它耐受成像工艺温度(典型地350-400华氏度(⁰F)1-2分钟)的能力的组合导致的。然而，使用铝作为基底具有局限性。铝板要求弯曲成形或者弯曲，以便将它们插入到手机外壳内，且金属常常弯曲到超过它回弹性且不会恢复到其起始平坦形状的点。进一步地，这种铝嵌件通常仅仅0.040-0.050英寸厚和因此可容易变形。

另外，铝嵌件易于划伤且在使用下容易玷污，进而减损浸渍(infused)的图像。金属嵌件必须首先用白色涂料涂布，然后用无色涂料涂布，因为染料升华图像要求基本上无色染料接收型涂层，以接收图像，和在无色层下方的基本上白色且光反射层。在铝情况下，金属的自然的颜色和外观要求首先施加白色层，并在其上沉积无色层。通过在涂层内干扰反射光的所需的散射，对这些层的任何磨损使置于其上的图像失真变形。

使用铝作为这些手机外壳嵌件用基底的另一缺点是重量。当成批运输到消费者处时，嵌件盒的重量大于若它们由其他比较轻质的基底，例如塑料制造的重量。这一额外的重量也增加制造嵌件的成本。

最后，使用金属基底(包括铝)用于手机和消费电子外壳嵌件的最大缺点是金属导电且干扰手机信号。在能扫描条形码且用于在销售注册的零售店处支付物品的比较新的智能手机情况下，金属手机嵌件完全防止手机以打算的方式操作。

因此，需要经济地生产可包括在手机外壳内且还促进染料升华转印到基底上的非金属塑料嵌件的制造方法。

发明公开

本发明是生产适合于在手机或平板电脑上使用的装饰外壳嵌件的方法，合成的有机聚合物涂料施加到热稳定的挤出聚合物基底上，并将图像形式的一组分散染料扩散到通过热加压而施加的聚合物内。然后切割该装饰嵌件，以匹配制造的制品，例如手机或平板电脑外壳，并固定到该外壳上，形成装饰性外壳。

附图简述

在附图中描述了引入本发明特征的发明，所述附图形成公开内容的一部分，和其中：

图1是涂布的膜基底的截面示意图；

图2是手机外壳和装饰性嵌件的大概视图，其被切割和尺寸大小与手机外壳匹配且还位于手机外壳内；

图3是为在聚合物施加涂层上热转移染料升华图像而准备的位于热压机内的涂布的手机外壳嵌件的截面视图；

图4是显示染料扩散到涂层内的装饰性基底介质的截面视图；

图5是显示在其上形成了染料升华图像的转移介质产生的工艺示意图；和

图6是显示在嵌件基底上施加转移介质的图像和在手机外壳上固定的工艺示意图。

**申请人指出本文中发明描绘部分中的所有截面视图在水平方向上并没有按比例画出。

实施本发明的最佳模式

为了更好地理解本发明的功能和结构，参考附图，图1示出了基础膜基底10的截面示意图，它由0.020"热稳定的白色聚酯11,和0.005"丙烯酸类聚氨酯12的施加涂层组成。聚氨酯涂层包括平均粒度为125纳米且固体对其主体聚合物之重量比为5％的氧化铝纳米粒子13。该粒子任选地半透明和至少部分透明，且在其主体聚合物介质内能衰减可见光。这通常通过具有比任选地无色的主体聚合物的折射指数高的粒子来实现。

主体聚合物12应当是部分透明的聚合物，该合成有机聚合物通常由一种或多种下述化学组组成：丙烯酸类树脂，聚氨酯，聚酯，氟化聚合物，环氧树脂，和前述命名的化学组的混合物，例如丙烯酸-聚氨酯聚酯-聚氨酯。

涂布的基底的厚度对于本发明来说是关键的。发明人确定小于0.005"的基底厚度不具有供处理所需的机械和物理回弹性。然而，确定大于0.040"的厚度也是不满意的，因为基底会太厚，以致于无法在手机外壳内定位冲洗。因此，理想的总的嵌件厚度确定为0.025"，它由0.020"的挤出塑料基底结合0.005"的涂层组成。

白色聚酯基底的选择也是重要的。对于管理染料升华的苛刻工艺参数的手机外壳嵌件来说，它必须或者是无机的或者从有限数量的聚合物中选择，在小于0.030"的厚度下，它收缩将没有超过2％，且必须能耐受升华转移工艺的热/时间循环，正如将描述的。任何较大的收缩率可严重地干扰外壳嵌件的对齐，尤其绕照相机透镜、麦克风和其他外部手机特征切割的窗口。合适的聚合物候选物包括聚酯，聚氨酯，丙烯酸树脂，尼龙，聚酰胺，聚乙烯和其他工程聚合物。然而，适合于本文描述工艺的两种最好的聚合物或者是聚酯或者是聚碳酸酯基底，二者均具有预收缩的能力且能在收缩之后涂布。这些也以白色基层(base)获得，它避免了施加白色基础涂层的需要，而白色基础涂层是金属外壳需要的。

使用聚酯或聚碳酸酯基底实现若干目的。第一，在插入或施加嵌件到手机外壳的过程中，嵌件保持足够的弯曲灵活性。第二，基底能使用常规的低瓦数CO₂激光器进行激光切割，而不要求与切割金属片材一样的重载激光器切割设备或相对缓慢的CNC切割工艺。第三，聚酯或聚碳酸酯基底的重量远小于金属嵌件，且在本文描述的工艺之前和之后均招致远远较低的运输成本。最后，这些聚合物比金属更加容易回收，这产生更好的持续模式。

如图2所示，嵌件16可使用低成本和低瓦数的CO₂激光器切割桌切割，以贴合手机外壳17。可使用手机外壳作为图案产生模板，并用于在适应于手机外壳特征的形状内形成嵌件16，和正如所示的，容易地插入并固定到外壳内。

现参考图3，可看出，排列具有若干要件的转移工艺配置(arrangement)，以实现染料升华图像合适地转移到图1中公开的涂布基底内。具有涂层12的基底16(参见上面的图1)位于比平板式压机配置22a低的典型热压机内，以提供来自下方基底16的压力，并依据在图6中所示的工艺40内的步骤47，在施加压力和热的过程中支持的分层配置20。通过转移介质17(例如为接收和释放分散染料而设计的纸张)保持的可分散染料21的层与染料一起定位，染料21面向下贴着涂层12且与它直接接触。要理解，在纸张上施加染料可形成为图像，或者取决于印刷工艺的分辨率，甚至照片的复制品。上述定位的转移介质17排列在由热压机元件22b支持的加热的平板式压机23之下。正如进一步讨论的，闭合元件22a,b和通过平板式压机23施加热量产生热和压力的环境，该环境适合于将可分散染料转移到涂层12内。

通过图3所示的配置20施加热和压力的结果导致染料扩散的基底25，如图4所示。基底16支持在其内形成了扩散染料21的涂层12，所述扩散染料21典型地在最初印刷在转移介质17上的图像内形成。紧跟在升华和扩散染料并移除热和压力之后，染料通过沉积恢复为固态，且现定位在聚合物涂层的聚合物基质内并将在涂层寿命中保持。配置25现构成适合于在手机外壳上放置的装饰介质的制品。

现参考图5，可看出，在图4的配置20中所示的具有可分散油墨21的转移介质17包括在合适的组合下实现的制备工艺30。在选择32用于印刷的图像之后，启动图像优化33的步骤，以补偿染料升华工艺。特别地，在转移介质上可看起来为优良图像的情形可能具有太弱的特征，以致于在装饰嵌件内无法导致图像，这是由于它被洗掉或者振动不足导致的。这是因为在半透明涂层内的纳米复合粒子为乳白色或者外观霜白，使得因光散射导致看起来很好地印刷的图像被洗掉。因此，额外且夸大的亮度/饱和度，和一些变暗可能需要补偿额外的光散射且在最终成像的涂层内提供吸引人的图像。

然后在转移介质(典型地纸张)34上印刷步骤33中优化的图像，然后用强制空气或对流加热干燥。转移介质和图像现备用于在插入点A 37处在工艺40中使用。

可在图6中看到形成图4中装饰性嵌件25的完整工艺。最初，选择42用于制品的涂层，以确保油墨分散和合适的光散射，以便于任何转移的图像清晰和吸引人。优选的涂层是以0.005"的厚度施加的丙烯酸聚氨酯。然而，介于0.0015"至0.005"的涂层厚度是令人满意的。优选的涂层是含化学催化的聚氨酯的聚合物(它与热活化的聚合或者UV/EB光-诱导的催化反应，或空气-基固化相反)，以赋予挠性，且能接收扩散的分散染料并进一步更好地粘附到基础基底上。多组分的化学反应是优选的方法，因为它能实施比空气固化的聚合物高的交联密度，而不具有UV/EB固化涂层的脆度且没有活化聚合的问题，热活化聚合常常要求暴露于比所需的温度高的温度下，这可引起翘曲或泛黄。可通过加热加速优选的多组分催化反应，但同时维持比安全的材料阈值低的温度。

然后结合聚氨酯涂层与光衰减的纳米材料43，以实现满意的反射涂层性能。平均粒度为125纳米且固体对聚氨酯介质的重量比为5％的氧化铝提供合适的混合物。白色金属氧化物的纳米粒子被确定为最好的总执行者(performer)，除了赋予物理改进以外，它们还使得涂层在热图像转移循环过程中能抗黄变。具体地，氧化铝，二氧化钛，氧化锆和氧化铈的纳米粒子是最好的总执行者，且所有以相对经济的价格可商购。当使用50-150nm的平均粒度时，这些纳米粒子整体在5％-15％的负载水平下是最有效的。

然后将涂料混合物施加到合适的膜基底44上。在施加涂料到基底上之前，重要的是基底“预收缩”，以便在染料施加过程中，一旦从热压机中释放，嵌件没有失真变形。这被称为基底稳定，且可或者通过将基础基底暴露于350-400华氏度的温度下1-2分钟，预处理基础基底，或者通过调节其起始尺寸到略微较大，以补偿收缩来实现。

典型地预收缩热稳定的聚酯和其他膜，以允许随后将膜暴露于不超过200华氏度的温度下。在染料升华情况下，要求通过某一工艺装饰的制品耐受超过350-400度的温度1-2分钟，和在一些基底情况下，甚至更长。因此，对于本发明的目的来说，需要具有额外的预收缩步骤，以确保基底膜在染料升华工艺过程中没有收缩。同样需要在施加任何涂层之前预收缩该膜，因为之后这样做会对涂层造成损坏。一些聚合物片材热稳定，但它们典型地没有“预收缩”到在染料升华工艺过程中防止显著收缩所需的程度。因此，术语“预收缩”同样指代在热挤压工艺之后恰好配合手机外壳的预先-尺寸调节(pre-sized)的部件，以便可在施加涂层之前或者之后，可采用第二稳定工艺。优选的是调节从该部件中CAD切割，以提供收缩。设计CAD切割尺寸大于打算的最终部件，以提供成像工艺过程中的收缩。例如，若一部分装饰基底在成像之后打算为40x50mm，则在成像之前将其设计为42x53mm，以确保该外壳满足手机外壳。

因此，尽管预收缩基底是在热挤压循环过程中防止手机嵌件收缩的一种方式，但它增加生产工艺的成本。因此，在切割之前，调节嵌件尺寸的备选方法满意地起作用，且比使用热预收缩步骤便宜。因此，最初切割手机嵌件比打算的最终尺寸略大，以适应热挤压图像转移循环。

不相关地，重要的是在预收缩之后，基底继续显示出“打湿”的流体接触行为。“打湿”是指其中与待涂布的表面的表面张力/能量相比，该液体涂层的表面张力/能量不会引起涂层起水珠(beading)的表面特征。若该液体的表面能大于基底涂层，则它将“形成水珠(bead-up)”，就好像例如当水施加到Teflon^TM涂布的表面上一样。若表面具有较高的能量，则涂层“打湿”，且施加涂层将均匀地覆盖基底且很好地粘结到其上。

可以理解，其他添加剂也可引入到涂层内。例如，可添加抗微生物剂，自-清洁剂(银，光反应性化学品或氧化钛)或硬化强化剂，例如氧化铝或氧化锆。

在施加涂层到膜基底上之后，固化45涂布的基底。通过添加催化剂诱导化学固化将导致最佳的性能。热固化要求基底膜温度升高太长的持续时间，从而引起基底内成波浪形，和光引发的固化与电子束固化导致发脆的涂层。这二者因此不是令人满意的。另外，UV和EB固化的涂层没有充分好地粘结，和这与UV或EB固化的涂层的脆度组合将引起脱层和龟裂，当弯曲嵌件或者嵌件置于显著的物理力下时。单一组件的空干涂层也不拥有染料升华所需的交联密度，且在转移工艺过程中太大地软化。因此，优选化学催化剂作为本文描述的塑料手机外壳嵌件用的固化机理。

在合适地固化之后，成型涂布的基底，以匹配手机外壳的尺寸和外部特征46。这可使用各种切割和成形机器来实现，但较低功率的激光切割桌最经济地起作用。省去关于使用激光切割桌或类似工业切割工艺的进一步的描述，因为这种信息在工业中很好理解，且对于完整地理解本文描述的工艺不是必要的。

然后在热挤压构造47中，结合来自工艺30的具有染料图像的转移介质与来自A 37的涂布的基底。具体地，组装如图3所示的配置20，且借助热压机施加热与压力，直到染料已经转移到基底涂层内。当施加30-70PSI的压力结合350-400华氏度1-2分钟时，典型地发生满意的染料转移。350华氏度的压力2分钟，或者400华氏度1分钟适合于转移。热与压力的组合还引起染料活化，以扩散到基底涂层内，进而在涂层内产生强力粘结并得到永久的长期图像。

在从热压机中取出之后，以自然的速率发生冷却48，但优选的是可在扩散的基底上放置称重的散热片，例如玻璃或金属面板，直到冷却。这有助于在优选和均匀的速率下自然冷却，同时在基底上维持一点点的压力。然后将装饰的嵌件固定到手机外壳49上，这是工业中可以理解的。

尽管我已经以一种形式显示了我的发明，但对于本领域技术人员来说显而易见的是它并不如此受到限制，而是在没有脱离本发明的精神情况下易于进行各种变化和改性。

Claims (21)

1.一种制造装饰外壳嵌件的方法，该方法包括下述步骤：

a.在热稳定的挤出聚合物基底上施加有机聚合物涂层；

b.在所述聚合物涂层上定位具有可分散染料层的转移介质，其中所述染料与所述涂层接触；

c.通过加热加压，使所述染料扩散到所述聚合物涂层内围绕所述聚合物基底；

d.使扩散的基底冷却；和

e.将所述聚合物基底切割成适合于个人电子器件用外壳嵌件的形状。

2.权利要求1的制造装饰外壳嵌件的方法，进一步包括在所述聚合物涂层上定位转移介质的所述步骤之前的下述额外的步骤：

a.借助所述转移介质，选择用于转移的图像；

b.优化用于染料升华转移的所述图像的外观；

c.一旦随后在转移工艺中加热，在所述转移介质上用适合于从所述转移介质中升华转移的染料，印刷所述优化的图像；和

d.干燥在所述转移介质上的所述染料。

3.权利要求2的制造装饰外壳嵌件的方法，其中在所述涂布步骤中所述稳定的挤出聚合物基底包括至少0.020英寸的厚度。

4.权利要求3的制造装饰外壳嵌件的方法，其中在热稳定的挤出聚合物基底上施加有机聚合物涂层的所述步骤包括施加选自氧化铝，二氧化钛，氧化锆和氧化铈中的纳米尺寸的粒子。

5.权利要求4的制造装饰外壳嵌件的方法，其中施加有机聚合物涂层的所述步骤包括使用选自丙烯酸树脂、聚氨酯、聚酯、氟化聚合物和环氧树脂中的基础聚合物混合物。

6.权利要求1的制造装饰外壳嵌件的方法，其中施加有机聚合物涂层的所述步骤导致至少0.005英寸的涂层厚度。

7.权利要求6的制造装饰外壳嵌件的方法，其中在所述聚合物涂层内扩散所述染料的所述步骤包括施加30至70PSI的压力和施加热量，以升高涂层温度到350至400华氏度。

8.权利要求7的制造装饰外壳嵌件的方法，其中所述外壳嵌件被应用到手机外壳。

9.权利要求8的制造装饰外壳嵌件的方法，其中切割所述装饰基底以适配个人电子器件外壳的所述步骤包括使用低功率的CO₂激光器用于所述切割。

10.一种适合于插入到手机外壳内的装饰塑料片材的制造方法，该方法包括下述步骤：

a.以重量计，以至少5％固体的比例混合化学催化的聚氨酯聚合物与平均粒度为50至150纳米的白色金属氧化物粒子的颗粒；

b.施加所述金属氧化物混合物到预收缩的热稳定的聚酯基底膜上，形成染料接收型涂层；

c.在所述膜上固化所述混合物，形成反射涂层；

d.贴着所述涂层，与施加有所述染料的所述涂层相邻地定位染料升华转移介质；

e.在热压机内放置所述转移介质的材料层和所述基底膜，并在350至400华氏度下施加30至70PSI到所述材料层上，直到所述染料扩散到所述反射涂层内；

f.冷却所述基底膜；和

g.固定所述装饰基底膜到个人电子器件的外壳上。

11.权利要求10的装饰塑料片材的制造方法，其中施加金属氧化物混合物到所述膜上的所述步骤包括施加选自氧化铝、二氧化钛、氧化锆和氧化铈中的所述纳米尺寸的粒子。

12.权利要求11的装饰塑料片材的制造方法，其中将所述染料扩散到所述聚合物涂层内的所述步骤包括施加30至70PSI的压力和施加热量，升高涂层温度到350至400华氏度。

13.权利要求12的装饰塑料片材的制造方法，其中改变待施加到手机外壳上的所述外壳嵌件的尺寸大小，和其中使用低功率CO₂激光器，将所述装饰基底膜切割成匹配所述嵌件到手机外壳中的形式。

14.权利要求10的装饰塑料片材的制造方法，其中施加有机聚合物涂层的所述步骤包括利用选自丙烯酸树脂、聚氨酯、聚酯、氟化聚合物和环氧树脂中的基础聚合物混合物。

15.权利要求14的装饰塑料片材的制造方法，其中在所述涂布步骤中所述稳定的挤出聚合物基底膜包括至少0.020英寸的厚度。

16.一种用于装饰个人电器件的个人电子器件外壳嵌件，它包括：

a.以重量计，用至少5％固体比例的具有平均粒度为50至150纳米的白色金属氧化物颗粒的化学催化的聚氨酯聚合物涂布的预收缩的热稳定的聚酯膜；

b.其中所述聚合物涂层包括在所述聚酯膜上的半透明和反射表面；

c.在人类可识别的图像内形成且扩散到所述涂层内的分散染料；和

d.其中成型所述装饰膜，以适配用于个人电子器件的外壳，并在其上施加所述装饰膜，以装饰所述器件。

17.权利要求16的个人电子器件外壳嵌件，其中所述膜包括至少0.020英寸的厚度。

18.权利要求17的个人电子器件外壳嵌件，其中所述有机聚合物涂层包括选自氧化铝、二氧化钛、氧化锆和氧化铈中的所述纳米尺寸的粒子。

19.权利要求18的个人电子器件外壳嵌件，其中所述有机聚合物涂层包括利用选自丙烯酸树脂、聚氨酯、聚酯、氟化聚合物和环氧树脂中的基础聚合物混合物。

20.权利要求18的个人电子器件外壳嵌件，其中所述有机聚合物涂层包括利用选自丙烯酸树脂、聚氨酯、聚酯、氟化聚合物和环氧树脂中的基础聚合物混合物。

21.权利要求18的个人电子器件外壳嵌件，其中所述有机聚合物涂层包括至少0.005英寸的涂层厚度。