CN108822602A - 具有激光直接结构化功能的粉末喷涂材料、制备及应用 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种具有激光直接结构化功能的粉末喷涂材料，包括金属或非金属基材以及涂覆在基材上的激光直接结构化材料层；所述激光直接结构化材料包括基础树脂、激光直接成型添加剂、无机填料以及加工助剂。本发明同时公开了上述材料的制备方法和应用。本发明通过粉末喷涂将热塑性激光直接结构化材料形成表面涂层并与金属或非金属基材实现一体化，是一个开创性的技术方案。其重要意义在于以创新性的解决方案将两个技术领域有机结合，可以大幅度地提升相关产品的综合性能和设计自由度，从而扩展产品的使用范围，并开拓新的应用领域。

Description

具有激光直接结构化功能的粉末喷涂材料、制备及应用

技术领域

本发明属于功能高分子材料技术领域，具体涉及一种具有激光直接结构化功能的粉末喷涂材料、制备及应用。

背景技术

LDS(LaserDirect Structuring)技术特点：LDS即激光直接成型，是利用激光技术在特殊塑料件上直接三维打印电路板的技术。这种技术的特点在于将激光的灵活性，精密度与工程塑料的可塑性和功能性有机结合，在很大程度上简化生产流程，提供灵活多变的设计空间，同时加工分辨率高。

在诸多应用领域中，LDS方法提供了用于机械和电气性能的复杂的机电系统集成的可能性。使用激光直接成型方法，能够获得较小的导电路径宽度，同时导电路径之间的间隔也可以较小。因此，在功能性材料领域，激光直接结构化材料具有重要的应用价值，尤其在需要多重天线功能的行业中。

对于LDS材料，目前业界通常的做法是将激光直接结构化材料注塑成型，得到的塑料制件表面经激光照射改性后可被激活，激活区域通过化学镀的方法金属化，形成导电电路，最后通过组装形成器件。这一方法对于激光直接结构化改性塑料的加工成型性和机械性能要求较高，尤其是在需要更薄、更坚固和多重天线功能的使用要求条件下，LDS改性塑料的性能需要同时满足高流动性，高模量和良好的韧性等苛刻要求，导致材料制备成本较高。

从实际的应用需求来讲，上述可激光直接结构化的器件通常只有表面线路部分才真正地利用了LDS改性塑料中掺杂的金属离子。有鉴于此，本专利申请的发明人预想，如果通过粉末喷涂技术将激光直接结构化材料形成表面涂层并与金属或非金属基材实现一体化，将是一个开创性的技术解决方案。

粉末静电喷涂是利用高压静电电晕电场的原理，在喷枪头部金属导流标上接上高压负极，被喷涂工件接地形成正极，使喷枪和工件之间形成一个较强的静电电场。在高电压形成静电场的作用下，粉末涂料涂覆于工件上，再经过一定时间、温度的烘烤形成涂层的过程。粉末喷涂是目前能够达到的最干净的涂装技术，其显著优势在于环保、经济效益显著、节约能源，同时涂膜性能优异。此外，粉末喷涂涂层致密，附着力、抗冲击强度和韧性均较好，同时具有良好的外观表现。

粉末涂料具有与一般涂料完全不同的形态，它是以微细粉末的状态存在的，分为热塑性粉末涂料和热固性粉末涂料两大类。目前常用的热塑性粉末涂料包括：聚乙烯、聚丙烯、聚酯、聚氯乙烯、氯化聚醚、聚酰胺系、纤维素系、聚酯系等。

发明内容

本发明提供了一种具有激光直接结构化功能的粉末喷涂材料，其将激光直接成型结构化材料与金属或非金属基材相结合，提高了其加工成型性和机械性能以及设计自由度。

一种具有激光直接结构化功能的粉末喷涂材料，包括金属或非金属基材以及涂覆在基材上的激光直接结构化材料层；所述激光直接结构化材料包括基础树脂、激光直接成型添加剂、无机填料以及加工助剂。

作为优选，所述激光直接结构化材料层的厚度在30-300μm之间。

本发明同时提供了一种具有激光直接结构化功能的粉末喷涂材料的制备方法，包括：

(1)制备激光直接成型结构化共混物组合物；

(2)将得到的激光直接成型结构化共混物组合物进行粉碎处理，得到激光直接成型结构化共混物组合物粉末；

(3)采用粉末喷涂将激光直接结构化共混物组合物粉末吸附在所述基材上，得到所述的粉末喷涂材料。

步骤(1)和步骤(2)中，按照计量比，将基础树脂，激光直接成型添加剂，无机填料和加工助剂预混均匀，通过双螺杆挤出机熔融共混挤出造粒，然后进行粉碎得到粒度分布为10-100μm的粉末。

本发明包括激光直接结构化材料的制备，以及采用粉末喷涂将激光直接结构化材料粉末吸附在金属或非金属型材上，经过高温烘烤后形成涂层；激光直接结构化功能性材料涂层在用激光激活后能够被镀覆，从而快速、高效地制造三维立体电路。例如，可以利用粉末喷涂在不同基材上均匀地涂布具有激光直接成型结构化功能的材料点，等间隔距离(距离大小不同，形成不同标准产品)，制成通用产品，类似实验电路板，供客户设计生产产品。此方案可以形成大规模量产，甚至可以替代一部分覆铜板的市场。

本发明涉及包含基础树脂，激光直接成型添加剂，无机填料和其他加工助剂共混的热塑性功能材料。所述基础树脂为热塑性树脂。在各种实施方式中，共混的热塑性复合物的基础树脂为聚碳酸酯(PC)及聚碳酸酯共混物(PC/ABS，PC/PBT等)、聚(亚芳基醚)、聚酰胺类(聚酰胺6，聚酰胺66，聚酰胺1010，聚酰胺46，聚酰胺11，聚酰胺12，聚酰胺610，聚酰胺612等)、聚酯类(PET，PBT等)、聚甲醛(POM)、聚苯硫醚(PPS)、聚苯乙烯(PS)、聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)，或包括前述树脂中至少一种的组合。与本发明也涉及制造这些组合物的方法或包含这些组合物的制品。

在各种进一步实施方式中，激光直接成型添加剂为金属氧化物、铜盐、金属氧化物尖晶石、或者金属氧化物尖晶石的混合物、或者它们的组合。例如，所述金属氧化物可以为锌的氧化物、铜的氧化物、钴的氧化物、镁的氧化物、锡的氧化物、钛的氧化物、铁的氧化物、铝的氧化物、镍的氧化物、锰的氧化物、铬的氧化物中的一种或至少两种的混合物，优选铜的氧化物、锡的氧化物中的一种或至少两种的混合物。

在各种进一步实施方式中，激光直接结构化共混物组合物包含无机填料，所述无机填料包含碳酸钙，碳酸镁，滑石，云母，高岭土，蒙脱土，凹凸棒石，硅灰石，二氧化硅，二氧化钛，或者它们的组合。无机填料的具体组成可以改变，其取决于填料与聚合物组合物基础树脂的相容性。

除基体树脂，激光直接成型添加剂和无机填料外，本发明的激光直接结构化功能性材料可以包含在这种类型的树脂组合物中通常包含的各种添加剂(即加工助剂)。可以在本发明中包含的添加剂的实例包含，但是不局限于，热稳定剂，抗氧化剂，润滑剂，偶联剂，光稳定剂，增塑剂，冲击改性剂，抗静电剂，脱模剂，流动促进剂或一种或多种上述添加剂的组合。

本发明另一方面提供一种制备上述可用于激光直接成型的功能性材料的方法。其制备方法包括以下步骤：将热塑性基础树脂，激光直接成型添加剂，无机填料和其它添加剂按一定质量比例和加料顺序预混均匀，通过双螺杆挤出机挤出熔融共混挤出造粒，得到可用于激光直接成型的塑料共混物组合物，然后在低温下进行粉碎得到具有一定粒度分布(10-100μm)的粉末。

本发明涉及采用粉末喷涂将激光直接结构化材料粉末吸附在金属或非金属型材上，经过高温烘烤后形成涂层；激光直接结构化功能性材料涂层在用激光激活后能够被镀覆。

本发明中，激光直接结构化材料可选用现有的材料，其中基础树脂、激光直接成型添加剂、无机填料以及加工助剂的加入量和加入比例，均可采用现有的比例。作为优选，本发明的激光直接成型结构化共混物组合物的重量百分比组成为：

所述基础树脂优选为聚碳酸酯或聚碳酸酯与ABS的共混物。其中聚碳酸酯与ABS的比例为(10～20):1。

在各种进一步实施方式中，通过粉末喷涂得到的激光直接结构化改性材料与金属或非金属基体一体化产品可用于电子电气、机电、射频(RF)技术、电信、汽车、航空、医疗、传感器、军事和安全等领域。

本发明是通过激光直接结构化改性材料与粉末喷涂技术的结合实现金属或非金属基体与功能性塑料一体化的新技术，其中激光直接结构化功能性材料涂层在用激光激活后能够被镀覆，从而快速、高效地制造三维立体电路。其应用领域包括但不局限于印刷电路、计算机装置、家用电器、电磁干扰装置、Wi-Fi装置、蓝牙装置、GPS装置、蜂窝式天线装置、智能手机装置、汽车装置、军用装置、航天装置、医疗装置、助听器、传感器装置、安全装置、屏蔽装置、RF天线装置、或者RFID装置等方面。

本发明的优点和有益效果：本发明通过粉末喷涂将热塑性激光直接结构化材料形成表面涂层并与金属或非金属基材实现一体化，是一个开创性的技术方案。其重要意义在于以创新性的解决方案将两个技术领域有机结合，可以大幅度地提升相关产品的综合性能和设计自由度，从而扩展产品的使用范围，并开拓新的应用领域。

附图说明

图1为采用本发明制备方法制备得到的样品3进行激光活化和镀覆后的照片，其中基材为铝板。

图2为图1局部的放大图。

具体实施方式

下面通过具体实施例，对本发明的技术方案作进一步的具体说明。

本发明中，除非特别指出，所采用的原料和设备等均是本领域常用的。下述实施例中的方法，若无特别说明，均为本领域的常规方法。

按质量计，将聚碳酸酯、ABS、碱式磷酸铜(LDS添加剂)、滑石粉(滑石)、抗氧剂1010和168(即表格中的稳定剂，两者的质量比1:1)在高速混合机中预混均匀。将预混物进料至双螺杆挤出机中通过熔融挤出制备所有样品,使用约260℃至约280℃的温度,螺杆速度保持在约300转/分钟以及扭矩值保持为约50％至约60％，并且在本领域技术人员熟知的标准加工条件下进行操作。将粒料挤出后，于液氮环境下进行粉碎，得到粒度为10-100μm的粉末。

将粉末装入通用粉末喷涂机或者专用带模头的粉末喷涂机中，调整好流化气压和送粉与回粉气压，使粉末喷出后无泄漏，调整静电电压在1kv-3kv之间；

将待涂物体(本实施例中为铝板)表面清理干净，确定接地良好，调整电压，使喷出的粉末均匀涂布在表面，厚度达到要求；置入烘箱，烘箱温度设置在280℃左右，并根据实际熔化情况和表面成膜平整度调整烘烤时间。

对涂层厚度和附着力进行测定。

进行激光活化、化镀。

表1

组成	#1	#2	#3	#4	#5
						聚碳酸酯(wt％)	94.8	92.8	91.8	90.8	86.8
ABS(wt％)	/	/	/	/	5
						碱式磷酸铜(wt％)	/	2	3	4	3
滑石(wt％)	5	5	5	5	5
						稳定剂(wt％)	0.2	0.2	0.2	0.2	0.2
涂层厚度(μm)	80	78	84	72	76
						附着力(百格测试)	4B	4B	4B	4B	5B
化镀性能	/	9	10	10	10

其中，附着力采用百格测试的方法，使用放大镜检查百格上涂层的脱落情况，对照附着力标准判定产品的喷涂层附着力等级。通常认为4B-5B为合格。关于镀覆性能，数据设定值在1-10之间，其中10对应镀覆性能最佳的情况。通常认为该项指标大于或等于9才可以满足实用要求。

从表1可以看出，在实验条件下样品#2-#5喷涂后的涂层与基材均有很好的附着力，同时样品具有优良的化镀性能。图1为样品3进行激光活化和镀覆后的照片，其中基材为铝板，图2为图1导电线路部分的局部放大图。从图中可以看出，粉末喷涂后的产品具有非常好的外观，同时在激光化镀后形成的导电线路在线间距很窄的设计条件下依然非常清晰和完整，能够很好地满足使用要求。

Claims (10)

1.一种具有激光直接结构化功能的粉末喷涂材料，其特征在于，包括金属或非金属基材以及涂覆在基材上的激光直接结构化材料层；所述激光直接结构化材料包括基础树脂、激光直接成型添加剂、无机填料以及加工助剂。

2.根据权利要求1所述的具有激光直接结构化功能的粉末喷涂材料，其特征在于，所述基础树脂为热塑性树脂。

3.根据权利要求1所述的具有激光直接结构化功能的粉末喷涂材料，其特征在于，所述激光直接结构化材料层的厚度在30-300μm之间。

4.根据权利要求1所述的具有激光直接结构化功能的粉末喷涂材料，其特征在于，所述基础树脂选自聚碳酸酯、聚碳酸酯共混物、聚(亚芳基醚)、聚酰胺类树脂、聚酯类树脂、聚甲醛、聚苯硫醚、聚苯乙烯、聚甲基丙烯酸甲酯，或包括前述树脂中至少一种的组合。

5.根据权利要求1所述的具有激光直接结构化功能的粉末喷涂材料，其特征在于，所述直接成型添加剂包括金属氧化物、铜盐、金属氧化物尖晶石、或者金属氧化物尖晶石的混合物、或者它们的组合。

6.根据权利要求1所述的具有激光直接结构化功能的粉末喷涂材料，其特征在于，所述填料包含碳酸钙，碳酸镁，滑石，云母，高岭土，蒙脱土，凹凸棒石，硅灰石，二氧化硅，二氧化钛，或者它们的组合。

7.根据权利要求1所述的具有激光直接结构化功能的粉末喷涂材料，其特征在于，所述助剂选自抗氧剂、润滑剂、热稳定剂、偶联剂中的一种或多种。

8.一种如权利要求1～7任一项所述的具有激光直接结构化功能的粉末喷涂材料的制备方法，其特征在于，包括：

(1)制备激光直接成型结构化共混物组合物；

(2)将得到的激光直接成型结构化共混物组合物进行粉碎处理，得到激光直接成型结构化共混物组合物粉末；

(3)采用粉末喷涂将激光直接结构化共混物组合物粉末吸附在所述基材上，得到所述的粉末喷涂材料。

9.据权利要求8述的具有激光直接结构化功能的粉末喷涂材料的制备方法，其特征在于，步骤(1)和步骤(2)中，按照计量比，将基础树脂，激光直接成型添加剂，无机填料和加工助剂预混均匀，通过双螺杆挤出机熔融共混挤出造粒，然后进行粉碎得到粒度分布为10-100μm的粉末。

10.一种包含权利要求1～7任一项所述的具有激光直接结构化功能的粉末喷涂材料的制品。