IT201900011958A1 - Metallization of plastic substrates - Google Patents

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Gianmarco Enrico Griffini
Stefano Turri
Haro Sanchez Juan Carlos De
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Milano Politecnico
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Description

Descrizione dell’invenzione dal titolo “METALLIZAZIONE DI SUBSTRATI PLASTICI” Description of the invention entitled "METALLIZATION OF PLASTIC SUBSTRATES"

La presente invenzione di riferisce a un processo di metallizzazione di substrati plastici utilizzando la tecnica della deposizione fisica da fase vapore (PVD) che comprende l’attivazione chimica del substrato, il rivestimento dello stesso con un primer e il successivo deposito di uno strato metallico. L’invenzione si riferisce anche a substrati plastici metallizzati ottenibili secondo il processo. Il processo dell’invenzione può essere applicato in diversi campi, come quello automobilistico, navale, degli elettrodomestici, dei sanitari e dell’arredo bagno, delle montature degli occhiali, dei gioielli e della bigiotteria etc. The present invention refers to a metallization process of plastic substrates using the physical vapor deposition (PVD) technique which includes the chemical activation of the substrate, the coating of the same with a primer and the subsequent deposition of a metal layer. The invention also refers to metallized plastic substrates obtainable according to the process. The process of the invention can be applied in various fields, such as automotive, naval, household appliances, sanitary ware and bathroom furnishings, eyeglass frames, jewelery and costume jewelery etc.

Più specificatamente, i summenzionati substrati plastici metallizzati possono essere usati per la produzione, tra gli altri, di componenti decorativi e strutturali per gli interni e gli esterni delle automobili, componenti decorativi e strutturali per il settore nautico, rubinetteria e raccordi, componenti di finitura per sanitari e arredo bagno, elementi di finitura per gli elettrodomestici, utensili domestici e per la cucina, montature degli occhiali, bigiotteria, ecc. More specifically, the aforementioned metallized plastic substrates can be used for the production, among others, of decorative and structural components for the interiors and exteriors of automobiles, decorative and structural components for the nautical sector, taps and fittings, finishing components for bathroom fixtures and fittings, finishing elements for household appliances, household and kitchen utensils, eyeglass frames, costume jewelery, etc.

BACKGROUND DELL’INVENZIONE BACKGROUND OF THE INVENTION

Le tecnologie attualmente in uso per la metallizzazione di substrati plastici di interesse commerciale (chiamate palting of plastic – POP) tipicamente fanno uso di bagni galvanici per ottenere rivestimenti cromati (caratterizzati da noti problemi di tipo ambientale). Il substrato tipicamente utilizzato in questi processi è il copolimero acrilonitrile-butadiene-stirene (ABS) per ragioni legate alla chimica del processo galvanico. The technologies currently in use for the metallization of plastic substrates of commercial interest (called palting of plastic - POP) typically make use of galvanic baths to obtain chrome coatings (characterized by known environmental problems). The substrate typically used in these processes is the acrylonitrile-butadiene-styrene copolymer (ABS) for reasons related to the chemistry of the galvanic process.

Industrialmente, esistono esempi di metallizzazione di substrati plastici (ABS e altri) con l’uso di tecniche di deposizione da fase vapore (PVD) che tipicamente consistono in un ciclo di pulizia/attivazione della superficie con il plasma, seguito dalla deposizione di un primer e dall’applicazione di un deposito metallico. Industrially, there are examples of metallization of plastic substrates (ABS and others) with the use of vapor deposition (PVD) techniques which typically consist of a surface cleaning / activation cycle with plasma, followed by the deposition of a primer. and the application of a metallic deposit.

Nel caso del polipropilene (PP) questo ciclo non è in grado di garantire buone prestazioni del pezzo metallizzato (nella maggior parte dei casi cromato) a causa della scarsa adesione tra il primer e il substrato (dovuta alla bassa energia superficiale del polipropilene stesso). In the case of polypropylene (PP) this cycle is not able to guarantee good performance of the metallized piece (in most cases chromed) due to the poor adhesion between the primer and the substrate (due to the low surface energy of the polypropylene itself).

In merito al campo della metallizzazione della plastica, la domanda di brevetto europea EP2230328 riguarda un metodo per formare un sottile strato metallico usando un metodo di rivestimento e la domanda di brevetto internazionale WO2009/006010 riguarda un metodo per generare un pattern metallico su un substrato. Regarding the field of plastic metallization, European patent application EP2230328 relates to a method for forming a thin metal layer using a coating method and international patent application WO2009 / 006010 relates to a method for generating a metallic pattern on a substrate.

WO2008/021500 riguarda composizioni, metodi e sistemi per la metallizzazione di substrati polimerici ottenuti per polimerizzazione radicalica controllata. WO2008 / 021500 relates to compositions, methods and systems for the metallization of polymeric substrates obtained by controlled radical polymerization.

In aggiunta, le domande di brevetto WO97/02313, WO2018/154505, JP2005231128, US2009/0269599 e CA2026999 descrivono un processo di photografing sul substrato plastico. In addition, patent applications WO97 / 02313, WO2018 / 154505, JP2005231128, US2009 / 0269599 and CA2026999 describe a process of photography on the plastic substrate.

Il brevetto US6048587 e le domande di brevetto WO2006075796 e JP2006316296 riguardano l’uso di resine polimeriche (primer) in modo da migliorare la compatibilità primer-metallo. Patent US6048587 and patent applications WO2006075796 and JP2006316296 concern the use of polymeric resins (primers) in order to improve primer-metal compatibility.

Di seguito elenchiamo alcuni documenti che descrivono i processi di funzionalizzazione del PP. Below we list some documents that describe the functionalization processes of the PP.

Il documento J. Balart et al., Materials and Design 33 (2012) 1–10, riguarda il miglioramento delle proprietà di adesione dei substrati di polipropilene mediante il trattamento superficiale di photografting UV di metil metacrilato (MMA). J. Balart et al., Materials and Design 33 (2012) 1–10, concerns the improvement of adhesion properties of polypropylene substrates by UV photografting surface treatment of methyl methacrylate (MMA).

Il documento M. Pantoja et al., Applied Surface Science 280 (2013) 850– 857, riguarda l’effetto del rivestimento di tetraetossi silano sul miglioramento dell’adesione del polipropilene trattato con plasma. The paper M. Pantoja et al., Applied Surface Science 280 (2013) 850–857, concerns the effect of the tetraethoxy silane coating on improving the adhesion of plasma treated polypropylene.

Il documento J. Balart, V et al., Journal of Applied Polymer Science 116 (2010) 3256–3264, riguarda l’ottimizzazione delle proprietà di adesione del polipropilene grazie alla modificazione della superficie con il photografting di acido acrilico. The paper J. Balart, V et al., Journal of Applied Polymer Science 116 (2010) 3256–3264, concerns the optimization of the adhesion properties of polypropylene thanks to the modification of the surface with the photografting of acrylic acid.

Il documento J. Balart et al., Journal of Materials Science 47 (2012) 2375–2383, riguarda la modifica della superficie di substrati di polipropilene con photografting UV di MMA per migliorare la bagnabilità della superficie. J. Balart et al., Journal of Materials Science 47 (2012) 2375–2383, concerns the surface modification of polypropylene substrates with UV photografting of MMA to improve surface wettability.

Comunque in nessuno di questi documenti l’attivazione della superficie del PP è stata utilizzata per aumentare l’adesione tra gli strati nei substrati metallizzati, e più specificatamente, in materiali multistrato metallizzati per PVD. However, in none of these documents has the activation of the surface of PP been used to increase the adhesion between the layers in metallized substrates, and more specifically, in multilayer metallized materials for PVD.

DEFINIZIONI DEFINITIONS

Se non diversamente definito, tutti i termini dell’arte, notazioni e altri termini scientifici qui utilizzati sono destinati ad avere i significati comunemente compresi da coloro che sono esperti nella tecnica a cui questa descrizione appartiene. In alcuni casi, termini con significati comunemente compresi sono qui definiti per chiarezza e/o per pronto riferimento; l’inserimento di tali definizioni nella presente descrizione non deve quindi essere interpretata come rappresentativa di una differenza sostanziale rispetto a quanto è generalmente compreso nell’arte. Unless otherwise defined, all the terms of the art, notations and other scientific terms used herein are intended to have the meanings commonly understood by those who are experts in the technique to which this description belongs. In some cases, terms with commonly understood meanings are defined here for clarity and / or for ready reference; the inclusion of these definitions in this description should therefore not be interpreted as representing a substantial difference with respect to what is generally understood in the art.

Il termine “trattamento al plasma” qui si riferisce a un trattamento fisico che cambia l’energia superficiale di una superficie solida grazie alla interazione di tale superficie con un gas allo stato di plasma. The term "plasma treatment" here refers to a physical treatment that changes the surface energy of a solid surface thanks to the interaction of this surface with a gas in a plasma state.

Il termine “Photografting UV” qui si riferisce a un trattamento superficiale fotochimico in cui una superficie solida viene funzionalizzata con molecole attive legate covalentemente attraverso radiazione di luce UV. The term “UV Photografting” here refers to a photochemical surface treatment in which a solid surface is functionalized with active molecules covalently bonded through UV light radiation.

Il termine “approssimativamente” e “circa” qui si riferiscono all’intervallo di errore sperimentale, che può intercorrere in una misurazione. The terms "approximately" and "approximately" here refer to the experimental error range, which can occur in a measurement.

I termini “comprendente”, “avente”, “includente” e “contenente” sono da intendersi come termini aperti (cioè il significato “comprendente, ma non limitato a”) e sono da considerarsi come un supporto anche per termini come “consistere essenzialmente di”, “consistente essenzialmente di”, “consistere di” o “consistente di”. The terms "comprising", "having", "including" and "containing" are to be understood as open terms (ie the meaning "comprising, but not limited to") and are to be considered as a support also for terms such as "essentially consist of ”,“ consisting essentially of ”,“ consisting of ”or“ consisting of ”.

I termini “consiste essenzialmente di”, “consistente essenzialmente di” sono da intendersi come termini semi-chiusi, il che significa che non è incluso nessun altro ingrediente che incide sulle nuove caratteristiche dell’invenzione (eccipienti opzionali possono quindi essere inclusi). The terms "essentially consists of", "essentially consisting of" are to be understood as semi-closed terms, which means that no other ingredients that affect the new characteristics of the invention are included (optional excipients can therefore be included).

I termini “consiste di”, “consistente di” sono da intendersi come termini chiusi. The terms "consists of", "consisting of" are to be understood as closed terms.

DESCRIZIONE DELLE FIGURE DESCRIPTION OF THE FIGURES

Figura 1. Schema del processo di photografting UV di acrilati o metacrilati sul substrato di PP. Figure 1. Outline of the UV photografting process of acrylates or methacrylates on the PP substrate.

Figura 2. Schema del processo di aggraffaggio di metacrilati su substrati di PP. Figure 2. Scheme of the seaming process of methacrylates on PP substrates.

Figura 3. a) spettri FTIR-ATR di PP pristino e attivato e b) vista ingrandita della regione da 1900 a 650 cm<-1>. Figure 3. a) FTIR-ATR spectra of pristine and activated PP and b) enlarged view of the region from 1900 to 650 cm <-1>.

Figura 4. Confronto tra gli angoli di contatto di acqua su PP_HEMA trattato al plasma. Figure 4. Comparison of water contact angles on plasma treated PP_HEMA.

Figura 5. Immagini al microscopio dello strato cromato depositato su un primer epossidico caricato con n-SiO2 sopra al 40 %wt. Figure 5. Microscope images of the chromate layer deposited on an epoxy primer loaded with n-SiO2 above 40% wt.

DESCRIZIONE DELL’INVENZIONE DESCRIPTION OF THE INVENTION

In merito alla metallizzazione della plastica, in particolare poliolefine, il Richiedente ha osservato che la metallizzazione di substrati plastici tramite l’uso di deposizione da fase vapore (PVD) che tipicamente consiste in un ciclo di pulizia/attivazione assistito dal plasma, seguito dalla deposizione di un primer e applicazione di un deposito metallico, non è applicabile ai substrati poliolefinici a causa della scarsa adesione all’interstrato substrato/primer. With regard to the metallization of plastics, in particular polyolefins, the Applicant has observed that the metallization of plastic substrates through the use of vapor phase deposition (PVD) which typically consists of a plasma-assisted cleaning / activation cycle, followed by deposition of a primer and application of a metallic deposit, is not applicable to polyolefin substrates due to poor adhesion to the substrate / primer interlayer.

Il Richiedente ha anche osservato che il processo di photografting sul substrato plastico non è stato precedentemente descritto in combinazione con il processo PVD. The Applicant has also observed that the photografting process on the plastic substrate has not been previously described in combination with the PVD process.

Il Richiedente si è quindi posto il problema di predisporre un nuovo processo di metallizzazione di substrati plastici che permetta di migliorare significativamente l’adesione substrato/primer grazie alla funzionalizzazione della poliolefina e alla selezione della resina/primer più appropriata (a seconda del tipo di funzionalizzazione precedentemente aggraffata sulla superficie della poliolefina). The Applicant therefore posed the problem of preparing a new metallization process of plastic substrates that allows to significantly improve the substrate / primer adhesion thanks to the functionalization of the polyolefin and the selection of the most appropriate resin / primer (depending on the type of functionalization previously crimped on the surface of the polyolefin).

Gli inventori hanno trovato sperimentalmente che il processo dell’invenzione permette di ottenere componenti che esibiscono eccellenti adesioni interstrato e quindi, paragonato all’approccio PVD da solo, maggiore durabilità meccanica dei componenti metallizzati. The inventors have experimentally found that the process of the invention allows to obtain components that exhibit excellent interlayer adhesions and therefore, compared to the PVD approach alone, greater mechanical durability of the metallized components.

In particolare, in accordo con un primo aspetto, la presente invenzione riguarda un processo di metallizzazione di substrati plastici comprendente le seguenti fasi: In particular, in accordance with a first aspect, the present invention relates to a metallization process of plastic substrates comprising the following steps:

a) Fornire un substrato plastico; a) Provide a plastic substrate;

b) Sottoporre tale substrato a un trattamento al plasma in modo da ottenere un substrato attivato al plasma; b) Subjecting this substrate to a plasma treatment in order to obtain a plasma activated substrate;

c) Sottoporre tale substrato attivato al plasma a un trattamento superficiale di photografting UV di monomeri vinilici, preferibilmente monomeri di acrilato o metacrilato o altri composti idrofilici, in modo da ottenere una superficie funzionalizzata; c) Subjecting this plasma-activated substrate to a UV photografting surface treatment of vinyl monomers, preferably acrylate or methacrylate monomers or other hydrophilic compounds, in order to obtain a functionalized surface;

d) Rivestire tale superficie funzionalizzata con una resina foto- o termoreticolabile in modo da ottenere un substrato rivestito; d) Coating this functionalized surface with a photo- or heat-cross-linkable resin so as to obtain a coated substrate;

e) Depositare uno strato metallico sulla superficie di tale substrato rivestito in modo da ottenere un substrato plastico metallizzato. e) Depositing a metallic layer on the surface of this coated substrate so as to obtain a metallized plastic substrate.

Alternativamente ai monomeri di acrilato o metacrilato, i monomeri vinilici idrofilici che possono essere usati nella presente invenzione possono essere selezionati tra acrilamide (AM), N-vinilpirrolidone (NVP), anidride maleica (MAn), monomero binario di NVP/Man o una combinazione degli stessi. Alternatively to the acrylate or methacrylate monomers, the hydrophilic vinyl monomers that can be used in the present invention can be selected from acrylamide (AM), N-vinylpyrrolidone (NVP), maleic anhydride (MAn), binary monomer of NVP / Man or a combination of the same.

Esempi preferiti di acrilati o metacrilati che possono essere usati nella presente invenzione sono metil metacrilato (MMA), vinil metacrilato (VMA), glicidil metacrilato (GMA), acido acrilico (AA), acido metacrilico (MAA), 2-idrossietil metacrilato (HEMA) o combinazioni di questi. Preferred examples of acrylates or methacrylates that can be used in the present invention are methyl methacrylate (MMA), vinyl methacrylate (VMA), glycidyl methacrylate (GMA), acrylic acid (AA), methacrylic acid (MAA), 2-hydroxyethyl methacrylate (HEMA) ) or combinations of these.

Sorprendentemente gli inventori hanno scoperto che il processo secondo l’invenzione permette di stabilire interazioni covalenti e non covalenti tra la superficie del substrato di plastica e il primer successivamente depositato al di sopra del substrato. Come conseguenza di questa interazione, l’adesione substrato/primer risulta eccellente. Il processo termina con la deposizione di uno strato di metallo (per esempio cromo, alluminio, ecc.) al di sopra del primer per PVD, per ottenere quindi un componente plastico metallizzato con un’eccellente adesione interstrato. Surprisingly, the inventors have discovered that the process according to the invention allows to establish covalent and non-covalent interactions between the surface of the plastic substrate and the primer subsequently deposited above the substrate. As a consequence of this interaction, the substrate / primer adhesion is excellent. The process ends with the deposition of a metal layer (for example chromium, aluminum, etc.) above the primer for PVD, thus obtaining a metallized plastic component with excellent interlayer adhesion.

In una forma preferita di realizzazione dell’invenzione, il substrato plastico è una poliolefina, preferibilmente polietilene (PE), polipropilene (PP), polimetilpentene (PMP), polibutene-1 (PB-1); più preferibilmente polipropilene (PP). In a preferred embodiment of the invention, the plastic substrate is a polyolefin, preferably polyethylene (PE), polypropylene (PP), polymethylpentene (PMP), polybutene-1 (PB-1); more preferably polypropylene (PP).

Il processo dell’invenzione inoltre comprende la fase di pre-pulizia del substrato di plastica con una soluzione di lavaggio, come acqua e sapone, solventi (per esempio acetone, isopropanolo), preferibilmente seguito da una fase di asciugatura. The process of the invention also includes the step of pre-cleaning the plastic substrate with a washing solution, such as water and soap, solvents (for example acetone, isopropanol), preferably followed by a drying step.

In una forma preferita, la fase di trattamento al plasma b) avviene in atmosfera di aria, preferibilmente ad una potenza compresa tra 10 W e 300 W per un intervallo di tempo che va da 5 a 60 minuti, più preferibilmente a una potenza di circa 180 W e per circa 15 min. In a preferred form, the plasma treatment step b) takes place in an atmosphere of air, preferably at a power ranging from 10 W to 300 W for a time interval ranging from 5 to 60 minutes, more preferably at a power of about 180 W and for about 15 min.

In un’altra forma preferita, la fase di phtografting UV c) viene condotta in fase liquida, preferibilmente depositando una soluzione di monomero vinilico, preferibilmente un monomero acrilato o metacrilato, in un solvente organico insieme a un foto-iniziatore sulla superficie attivata con il plasma, seguita da una attivazione UV. In another preferred form, the UV phtografting step c) is carried out in the liquid phase, preferably by depositing a solution of vinyl monomer, preferably an acrylate or methacrylate monomer, in an organic solvent together with a photo-initiator on the surface activated with the plasma, followed by UV activation.

Preferibilmente, la fase di photografting UV avviene tramite una reazione onepot mentre la superficie attivata con il plasma viene esposta a radiazione UV in presenza di una soluzione contenente sia un monomero vinilico, preferibilmente acrilato o metacrilato, che un foto-iniziatore. Preferably, the UV photografting step takes place through an onepot reaction while the plasma activated surface is exposed to UV radiation in the presence of a solution containing both a vinyl monomer, preferably acrylate or methacrylate, and a photo-initiator.

I solventi organici più utilizzati sono acetone, metanolo, cloroformio, tetracloruro di carbonio, cicloesano, cicloesanone, acetato di etile, tetraidrofurano o una miscela degli stessi, preferibilmente acetone. The most used organic solvents are acetone, methanol, chloroform, carbon tetrachloride, cyclohexane, cyclohexanone, ethyl acetate, tetrahydrofuran or a mixture thereof, preferably acetone.

Esempi preferiti di fotoiniziatori che possono essere utilizzati nella presente invenzione sono benzofenone (BP), metilbenzoilformiato (MBF), xantone, preferibilmente benzofenone (BP). Preferred examples of photoinitiators that can be used in the present invention are benzophenone (BP), methylbenzoylformate (MBF), xanthone, preferably benzophenone (BP).

Il rapporto in volume tra il monomero vinilico, preferibilmente monomero acrilato o metacrilato, e il solvente organico va da 1:1 a 1:10, preferibilmente il rapporto in volume è circa 1:4. La quantità di foto-iniziatore nella fase liquida è compresa tra 1 wt% e 10 wt%, preferibilmente 5 wt% rispetto al peso totale del monomero vinilico, preferibilmente monomero di acrilato o metacrilato. The volume ratio between the vinyl monomer, preferably acrylate or methacrylate monomer, and the organic solvent ranges from 1: 1 to 1:10, preferably the volume ratio is about 1: 4. The quantity of photo-initiator in the liquid phase is comprised between 1 wt% and 10 wt%, preferably 5 wt% with respect to the total weight of the vinyl monomer, preferably acrylate or methacrylate monomer.

In una forma preferita, nella fase d) del processo dell’invenzione, la resina fotoo termo-reticolabile viene selezionata dal gruppo formato dalle resine acriliche, poliuretaniche, estere ed epossidiche. In a preferred form, in step d) of the process of the invention, the photoo-thermo-crosslinkable resin is selected from the group formed by acrylic, polyurethane, ester and epoxy resins.

Esempi preferiti di resine che possono essere utilizzate nella presente invenzione sono monomeri e prepolimeri appartenenti al brand Sartomer (ARKEMA), Adame (ARKEMA), Basonol (BASF), Sovermol (BASF), UNILAC UV (SIDASA), UV-LACK (Lankwitzer), Desmodur (COVESTRO), Desmophen (COVESTRO), EPON (Hexion), Cyracure (Dow), Araldite (Huntsman). Preferred examples of resins that can be used in the present invention are monomers and prepolymers belonging to the brand Sartomer (ARKEMA), Adame (ARKEMA), Basonol (BASF), Sovermol (BASF), UNILAC UV (SIDASA), UV-LACK (Lankwitzer) , Desmodur (COVESTRO), Desmophen (COVESTRO), EPON (Hexion), Cyracure (Dow), Araldite (Huntsman).

Sorprendentemente gli inventori hanno trovato che la resina foto- o termoreticolabile (primer) presenta una funzionalità affine con la superficie funzionalizzata in modo da garantire un’ottima compatibilità (adesione) attraverso interazioni covalenti e non covalenti con il substrato plastico. Surprisingly, the inventors have found that the photo- or heat-crosslinkable resin (primer) has a similar functionality with the functionalized surface in order to ensure excellent compatibility (adhesion) through covalent and non-covalent interactions with the plastic substrate.

In un’altra forma preferita, il primer comprende anche l’incorporazione di un filler inorganico di dimensioni nanometriche (n-) (per esempio n-SiO2, n-TiO2, n-Ag, n-Fe2O3). In another preferred form, the primer also includes the incorporation of an inorganic filler of nanometric dimensions (n-) (for example n-SiO2, n-TiO2, n-Ag, n-Fe2O3).

Gli inventori hanno avvantaggiosamente notato che l’incorporazione di un filler inorganico nel primer migliora le proprietà meccaniche dello strato superficiale. In una forma preferita, la fase di deposizione di uno strato metallico e) viene effettuata tramite PVD al di sopra della superficie del primer preventivamente depositato. Preferibilmente, il metallo che può essere usato nella presente invenzione è selezionato tra cromo, alluminio, zirconio, rame, nickel, titanio, nitruro di carbonio, una combinazione degli stessi, mediante deposizione reattiva. The inventors have advantageously noted that the incorporation of an inorganic filler in the primer improves the mechanical properties of the surface layer. In a preferred form, the deposition step of a metal layer e) is carried out by means of PVD above the surface of the previously deposited primer. Preferably, the metal which can be used in the present invention is selected from chromium, aluminum, zirconium, copper, nickel, titanium, carbon nitride, a combination thereof, by reactive deposition.

Preferibilmente la velocità di deposizione del sottile strato metallico è compresa tra 0.1 e 100 nm/min, più preferibilmente tra 5 e 50 nm/min, più preferibilmente circa 13 nm/min, per un periodo di tempo da 1 a 60 min, preferibilmente 30 min. Preferibilmente, lo spessore dello strato metallico è compreso tra 200 e 1000 nm, più preferibilmente circa 400 nm. Preferably the deposition rate of the thin metal layer is between 0.1 and 100 nm / min, more preferably between 5 and 50 nm / min, more preferably about 13 nm / min, for a period of time from 1 to 60 min, preferably 30 min. Preferably, the thickness of the metal layer is comprised between 200 and 1000 nm, more preferably about 400 nm.

Il processo può anche comprendere la fase opzionale f) di post-deposizione di un ulteriore strato ceramico (SiOx) sul substrato metallico grazie a una deposizione chimica da fase vapore (CVD) che permette di alterare le proprietà della superficie dello strato metallico (per esempio la bagnabilità, la pulibilità, la durezza, ecc.). The process can also include the optional step f) of post-deposition of a further ceramic layer (SiOx) on the metal substrate thanks to a chemical vapor deposition (CVD) which allows to alter the surface properties of the metal layer (for example wettability, cleanability, hardness, etc.).

Secondo un secondo aspetto, la presente invenzione riguarda substrati plastici metallizzati ottenibili secondo il processo dell’invenzione. According to a second aspect, the present invention relates to metallized plastic substrates obtainable according to the process of the invention.

In accordo con un terzo aspetto, la presente invenzione riguarda l’uso di substrati plastici metallizzati sopra descritta, per la produzione di componenti decorativi e strutturali per gli interni ed esterni delle automobili, di componenti decorativi e strutturali per il settore nautico, rubinetteria e raccordi, componenti di finitura per sanitari e arredo bagno, elementi di finitura per elettrodomestici, utensili domestici e per la cucina, montature degli occhiali, bigiotteria, ecc. In accordance with a third aspect, the present invention relates to the use of metallized plastic substrates described above, for the production of decorative and structural components for the interiors and exteriors of automobiles, of decorative and structural components for the nautical sector, taps and fittings. , finishing components for sanitary ware and bathroom furniture, finishing elements for appliances, household and kitchen utensils, eyeglass frames, costume jewelery, etc.

SEZIONE SPERIMENTALE EXPERIMENTAL SECTION

1. Materiali e metodi 1. Materials and methods

1.1 Materiali 1.1 Materials

Substrato Substrate

- Polipropilene (PP) - Polypropylene (PP)

Funzionalizzanti Functionalizing

- Metil metacrilato (MMA) - Methyl methacrylate (MMA)

- Vinil metacrilato (VMA) - Vinyl methacrylate (VMA)

- Glicidil metacrilato (GMA) - Glycidyl methacrylate (GMA)

- Acido metacrilico (MAA) - Methacrylic acid (MAA)

- 2-idrossi etile metacrilato (HEMA) - 2-hydroxy ethyl methacrylate (HEMA)

Componenti della resina acrilica Components of the acrylic resin

- Fotoiniziatore: Omnirad TPO-L Etile(2,4,6-trimetilbenzoil)-fenil-fosfinato - Monomeri: - Photoinitiator: Omnirad TPO-L Ethyl (2,4,6-trimethylbenzoyl) -phenyl-phosphinate - Monomers:

tris(2-(acrilossi)etil)isocianurato (TAEI) tris (2- (acryloxy) ethyl) isocyanurate (TAEI)

esano-1,6-diol diacrilato (HDDA) hexane-1,6-diol diacrylate (HDDA)

pentaeritritol tetraacrilato (PETA) pentaerythritol tetraacrylate (PETA)

Componenti resina epossidica Epoxy resin components

- Fotoiniziatore: Omnicat 4404,4’-dimetil-difenil iodonium esafluorofosfato - Monomero: 3,4-epossicicloesilmetil-3’,4’-epossicicloesano carbossilato (ECC) - Photoinitiator: Omnicat 4404.4-dimethyl-diphenyl iodonium hexafluorophosphate - Monomer: 3,4-epoxycyclohexylmethyl-3 ', 4'-epoxycyclohexane carboxylate (ECC)

- Filler: nano silice (n-SiO2) - Filler: nano silica (n-SiO2)

Componenti resina poliuretanica Polyurethane resin components

- Isocianato: Desmodur L 75 Toluene diisocianato (TDI), 75 wt% in acetato di etile - Isocyanate: Desmodur L 75 Toluene diisocyanate (TDI), 75 wt% in ethyl acetate

- Poliolo: poliestere poliolo Desmophen 1200 - Polyol: Desmophen 1200 polyol polyester

1.2 Procedure 1.2 Procedures

Il processo di metallizzazione del PP viene condotto in accordo con il processo dell’invenzione, che può essere riassunto come segue: The metallization process of PP is conducted in accordance with the process of the invention, which can be summarized as follows:

- Preparazione del substrato: pulizia con una soluzione di lavaggio (acqua e sapone, solventi per esempio acetone, alcool isopropilico), asciugatura e trattamento con plasma d’aria; - Preparation of the substrate: cleaning with a washing solution (water and soap, solvents such as acetone, isopropyl alcohol), drying and treatment with air plasma;

- Funzionalizzazione della superficie del PP: grafting UV di metacrilati funzionali in fase liquida (soluzione della molecola attiva in acetone fotoiniziatore) sulla superficie di PP; - Functionalization of the PP surface: UV grafting of functional methacrylates in liquid phase (solution of the active molecule in photoinitiator acetone) on the PP surface;

- Deposizione del primer: rivestimento della superficie di PP funzionalizzata con una resina foto- o termo-reticolabile (primer) che presenta una funzionalità affine con quella presentata dal metacrilato in modo da garantire un’ottima compatibilità (adesione) grazie alle interazioni covalenti e non covalenti tra primer e PP; - Primer deposition: coating of the functionalized PP surface with a photo- or thermo-crosslinkable resin (primer) which has a similar functionality to that presented by methacrylate in order to guarantee excellent compatibility (adhesion) thanks to the covalent and non-covalent interactions covalent between primer and PP;

- Metallizzazione: deposizione di uno strato metallico (preferibilmente cromo) con PVD sulla superficie del primer, depositato in precedenza. - Metallization: deposition of a metallic layer (preferably chromium) with PVD on the surface of the primer, previously deposited.

1.2.1 Trattamento al plasma 1.2.1 Plasma treatment

I substrati di PP vengono trattati con plasma d’aria per 15 minuti a una potenza di 180 W. PP substrates are treated with air plasma for 15 minutes at a power of 180 W.

1.2.2 Photografting 1.2.2 Photografting

Gli acrilati usati come funzionalizzanti (ovvero MMA, VMA, GMA, HEMA e VMA) sono stati sciolti in acetone con un rapporto di volume 1:4. Dopo l'omogeneizzazione della soluzione, è stato aggiunto un benzofenone al 5% in peso (rispetto al peso totale). The acrylates used as functionalizers (i.e. MMA, VMA, GMA, HEMA and VMA) were dissolved in acetone with a 1: 4 volume ratio. After the homogenization of the solution, a 5% by weight benzophenone was added (with respect to the total weight).

Una certa quantità di soluzione funzionalizzante contenente il fotoiniziatore è stata depositata sul substrato in PP. Al fine di creare un sottile strato di liquido, un vetro al quarzo è stato fissato sulla parte superiore del sistema sotto una pressione adeguata. Quindi l'unità assemblata è stata irradiata sotto luce UV (lampada al mercurio ad alta pressione, 1 kW) dal lato superiore a temperatura ambiente per 15 minuti (Figura 1). Dopo la radiazione UV, i campioni sono stati lavati con acetone e acqua distillata per rimuovere gli acrilati non funzionalizzati. Infine, i campioni lavati sono stati asciugati a temperatura ambiente prima della loro caratterizzazione. A certain amount of functionalizing solution containing the photoinitiator was deposited on the PP substrate. In order to create a thin layer of liquid, a quartz glass was fixed on top of the system under adequate pressure. Then the assembled unit was irradiated under UV light (high pressure mercury lamp, 1 kW) from the top side at room temperature for 15 minutes (Figure 1). After UV radiation, the samples were washed with acetone and distilled water to remove non-functionalized acrylates. Finally, the washed samples were dried at room temperature before their characterization.

1.2.3 Deposizione del cromo 1.2.3 Deposition of chromium

L’apparato Leybold LH Z400 è stato usato per depositare un sottile strato di cromo a una velocità di deposizione di 13 nm/min (potenza di 35 W) per 30 minuti. Il controllo a posteriori dello spessore desiderato di cromo (circa 400 nm) è stato garantito da misure condotte con il profilometro stilo. The Leybold LH Z400 apparatus was used to deposit a thin layer of chromium at a deposition rate of 13 nm / min (power of 35 W) for 30 minutes. The a posteriori control of the desired chromium thickness (about 400 nm) was ensured by measurements carried out with the stylus profilometer.

2. Risultati e discussione 2. Results and discussion

2.1. Attivazione del PP 2.1. Activation of the PP

Come successivo processo di attivazione alla attivazione tradizionale del PP con il trattamento al plasma, viene proposto un passaggio di ancoraggio radicalico foto-attivato. Questo processo consiste nell’instaurazione di un legame covalente di metacrilati alla superficie di PP preventivamente attivata al plasma. Figura 2 mostra uno schema del processo di ancoraggio dei metacrilati sulla superficie del PP. In questo esempio è stata testata la fattibilità tecnica dell’uso di differenti monomeri funzionali di ancoraggio, quali MMA, VMA, GMA, MAA e HEMA. Il campione così prodotto è stato chiamato PP_X dove X si riferisce all’acronimo del metacrilato utilizzato. As a subsequent activation process to the traditional activation of PP with plasma treatment, a photo-activated radical anchoring step is proposed. This process consists in the establishment of a covalent bond of methacrylates to the PP surface previously activated by plasma. Figure 2 shows a diagram of the anchoring process of the methacrylates on the surface of the PP. In this example, the technical feasibility of using different functional anchoring monomers, such as MMA, VMA, GMA, MAA and HEMA, was tested. The sample thus produced was called PP_X where X refers to the acronym of the methacrylate used.

Sono state condotte analisi con FTIR-ATR (Figura 3) del PP funzionalizzato e sono state confrontate con il PP pristino per verificare se i metacrilati si siano legati alla superficie. Come si può osservare, il PP pristino presenta solo i segnali caratteristici della vibrazione del C-H stretching nell’intervallo 3000-2800 cm<-1>, la vibrazione della deformazione simmetrica del –CH2 a 1455 cm<-1 >e la vibrazione della deformazione simmetrica del –CH3 a 1377 cm<-1>. Questi segnali si possono osservare in tutte le superfici di PP attivate. FTIR-ATR analyzes (Figure 3) of functionalized PP were conducted and compared with pristine PP to verify whether the methacrylates bonded to the surface. As can be seen, the pristine PP shows only the characteristic signals of the vibration of the C-H stretching in the range 3000-2800 cm <-1>, the vibration of the symmetrical deformation of the –CH2 at 1455 cm <-1> and the vibration of the deformation symmetrical of –CH3 at 1377 cm <-1>. These signals can be observed in all activated PP surfaces.

Dopo il processo di funzionalizzazione tutti gli spettri mostrano i segnali relativi alla vibrazione dello stretching del gruppo C=O. Nel caso degli esteri di alchili (per esempio PP_MMA, PP_GMA e PP_HEMA), il segnale del carbonile è centrato a 1730 cm<-1>. Comunque nel caso di esteri di vinile (PP_VMA) e di acido carbossilico (PP_MAA), questi segnali sono spostato rispettivamente a 1740 e 1700 cm<-1>. Inoltre, la vibrazione del C-O stretching dei gruppi esteri può essere osservata a 1275 cm<-1 >per esteri saturi e a 1260 cm<-1 >per PP_VMA. Inoltre, l’intensità della regione associata alla vibrazione dello scheletro dei gruppi CH3 e CH2 (1200-1130 cm<-1>) aumenta in tutte le superfici di PP attivato, con minime differenze tra di loro dovute alla presenza di diversi gruppi funzionali vicini. Infine, sono stati registrati alcuni altri segnali relativi all’incorporazione di specifici gruppi, come la vibrazione dello stretching simmetrico dell’anello epossidico a 910 cm<-1 >per PP_GMA, la vibrazione dello stretching generico dei gruppi O-H nella regione 3700-3550 cm<-1 >per PP_MAA e PP_HEMA, lo stretching del C-O negli alcoli primari a 1080 cm<-1 >per PP_HEMA e la vibrazione dello stretching del legame C=C negli esteri vinilici a 1645 cm<-1 >per PP_VMA. Quindi, si può confermare che tutti i metacrilati sono stati efficacemente legati sulla superficie del PP trattato al plasma. After the functionalization process all the spectra show the signals related to the stretching vibration of the C = O group. In the case of alkyl esters (e.g. PP_MMA, PP_GMA and PP_HEMA), the carbonyl signal is centered at 1730 cm <-1>. However in the case of vinyl esters (PP_VMA) and carboxylic acid (PP_MAA), these signals are shifted to 1740 and 1700 cm <-1> respectively. Furthermore, the vibration of the C-O stretching of the ester groups can be observed at 1275 cm <-1> for saturated esters and at 1260 cm <-1> for PP_VMA. Furthermore, the intensity of the region associated with the vibration of the skeleton of the CH3 and CH2 groups (1200-1130 cm <-1>) increases in all surfaces of activated PP, with minimal differences between them due to the presence of different functional groups nearby. . Finally, some other signals related to the incorporation of specific groups were recorded, such as the symmetrical stretching vibration of the epoxy ring at 910 cm <-1> for PP_GMA, the generic stretching vibration of the O-H groups in the 3700-3550 cm region <-1> for PP_MAA and PP_HEMA, the C-O stretching in primary alcohols at 1080 cm <-1> for PP_HEMA and the vibration of the C = C bond stretching in vinyl esters at 1645 cm <-1> for PP_VMA. Hence, it can be confirmed that all methacrylates were effectively bonded to the surface of the plasma treated PP.

Le proprietà di bagnabilità delle superfici di PP attivate sono state investigate utilizzando le misure dell’angolo di contatto con acqua (H2O) e diiodometano (DIM) come liquido. Inoltre, è possibile calcolare dagli angoli di contato l’energia superficiale delle superfici di PP trattate usando il metodo OWRK (Owens, Wendt, Rabel and Kaeble). Nella Tabella 1 sono riportati gli angoli di contatto dell’acqua (θH2O) e diiodometano (θDIM) e i risultati della tensione superficiale (γ) e delle relative componenti dispersiva (γ<d>) e polare (γ<p>). I valori iniziali dell’angolo di contatto per il PP pristino usando H2O e DIM erano di 95.5° e 57.1°, rispettivamente, che indicano un chiaro comportamento idrofobico e una energia superficiale totale bassa con una maggiore componente dispersiva. Nel caso di PP_MMA e PP_VMA, gli angoli di contatto leggermente inferiori possono essere attribuiti a un piccolo aumento nella polarità della superficie di PP dovuta dal gruppo estere, siccome il gruppo funzionale terminale (-CH3 per PP_MMA e CH2= CH2) non si differenzia significativamente da quello mostrato da PP (-CH3). Al contrario, l’idrofilia di PP_GMA, PP_MMA, e PP_HEMA aumenta significativamente a causa della presenza di un numero maggiore di gruppi pendenti polari. Inoltre, la tensione superficiale totale di tutte le superfici attivate di PP si è visto essere maggiore di quella riportata dal PP non trattato. The wettability properties of the activated PP surfaces were investigated using the measurements of the contact angle with water (H2O) and diiodomethane (DIM) as liquid. Furthermore, it is possible to calculate the surface energy of the treated PP surfaces from the contact angles using the OWRK method (Owens, Wendt, Rabel and Kaeble). Table 1 shows the contact angles of water (θH2O) and diiodomethane (θDIM) and the results of the surface tension (γ) and the relative dispersive (γ <d>) and polar (γ <p>) components. The initial values of the contact angle for the pristine PP using H2O and DIM were 95.5 ° and 57.1 °, respectively, which indicate a clear hydrophobic behavior and a low total surface energy with a greater dispersive component. In the case of PP_MMA and PP_VMA, the slightly lower contact angles can be attributed to a small increase in the polarity of the PP surface due to the ester group, as the terminal functional group (-CH3 for PP_MMA and CH2 = CH2) does not differ significantly from that shown by PP (-CH3). On the contrary, the hydrophilicity of PP_GMA, PP_MMA, and PP_HEMA significantly increases due to the presence of a greater number of polar hanging groups. Furthermore, the total surface tension of all activated PP surfaces was found to be greater than that reported by untreated PP.

Tabella 1. Angoli di contatto di acqua (H2O) e diiodometano (DIM), tensione superficiale totale (γ<tot>) e corrispondenti componenti polare (γ<p>) e dispersiva (γ<d>). Table 1. Contact angles of water (H2O) and diiodomethane (DIM), total surface tension (γ <tot>) and corresponding polar (γ <p>) and dispersive (γ <d>) components.

2.2 Adesione del primer sui substrati di PP 2.2 Adhesion of the primer on PP substrates

Nel campo della metallizzazione della plastica per PVD, i primer (strati polimerici tra il substrato e il metallo) sono generalmente necessari per poter creare una superficie omogenea e priva di cricche su cui depositare il metallo. Nella presente invenzione, sono stati selezionati tre tipi diversi di primer (ovvero acrilico, epossidico e uretanico), depositati sia su substrati di PP non attivati che attivati. Tra questi primer, quello acrilico e quello epossidico sono reticolabili con UV (rispettivamente tramite processo radicalico e tramite processo cationico) mentre il sistema basato sull’uretano richiede una reticolazione termica. In the field of plastic metallization for PVD, primers (polymer layers between the substrate and the metal) are generally required in order to create a homogeneous, crack-free surface on which to deposit the metal. In the present invention, three different types of primers have been selected (i.e. acrylic, epoxy and urethane), deposited on both non-activated and activated PP substrates. Among these primers, the acrylic and epoxy primers are crosslinkable with UV (respectively through the radical process and through the cationic process) while the urethane-based system requires thermal crosslinking.

Misure di adesione Accession measures

L’adesione tra gli strati è di grande interesse nei materiali multi strato. A questo proposito, la forza di adesione dei primer ai diversi substrati di PP è stata valutata attraverso test di pull-off. In un primo passaggio, è stata misurata la capacità di adesione della resina acrilica sul PP non trattato, ed è stata trovata una forza di adesione di 0.68 MPa e un completo distaccamento del primer dal substrato nella regione testata. Questo valore è stato lievemente aumentato a 1.05 MPa quando è stato utilizzato come substrato il PP_plasma. Comunque, è stato visto anche in questo caso un completo distaccamento del primer. Lo stesso comportamento è stato anche osservato quando sono stati usati i primer epossidico ed uretanico invece di quello acrilico. Il leggero aumento nella adesione tra il plasma e il PP quando viene applicato il trattamento al plasma potrebbe essere legato alla formazione di interazioni non covalenti tra il primer e il substrato. E’ stata poi testata l’adesione della resina acrilica su due substrati trattati con il processo descritto nella presente invenzione (PP_MMA e PP_VMA), causando in entrambi i casi una frattura meccanica nell’arie testata (tabella 2). The adhesion between the layers is of great interest in multi-layer materials. In this regard, the adhesion strength of the primers to the different PP substrates was evaluated through pull-off tests. In a first step, the adhesion capacity of the acrylic resin on the untreated PP was measured, and an adhesion strength of 0.68 MPa and complete detachment of the primer from the substrate in the tested region was found. This value was slightly increased to 1.05 MPa when PP_plasma was used as a substrate. However, a complete detachment of the primer was also seen in this case. The same behavior was also observed when epoxy and urethane primers were used instead of acrylic. The slight increase in adhesion between plasma and PP when plasma treatment is applied could be related to the formation of non-covalent interactions between the primer and the substrate. The adhesion of the acrylic resin on two substrates treated with the process described in the present invention (PP_MMA and PP_VMA) was then tested, causing in both cases a mechanical fracture in the tested area (table 2).

Gli stessi risultati sono stati osservati per l’adesione della resina epossidica con PP_GMA, PP_MAA e PP_HEMA, e il primer uretanico con PP_MAA e PP_HEMA. Il significativo aumento delle proprietà di adesione del primer legato al PP possono indicare la formazione di legami covalenti più forti rispetto alle forze di coesione del PP. The same results were observed for the adhesion of the epoxy resin with PP_GMA, PP_MAA and PP_HEMA, and the urethane primer with PP_MAA and PP_HEMA. The significant increase in the adhesion properties of the PP bonded primer may indicate the formation of stronger covalent bonds than the cohesive forces of PP.

Tabella 2. Analisi visiva di substrati di a) PP non trattato, b) PP_plasma, c) PP_MMA e d9 PP_VMA ricoperti con la resina acrilica dopo il test pull-off. Table 2. Visual analysis of substrates of a) untreated PP, b) PP_plasma, c) PP_MMA and d9 PP_VMA coated with the acrylic resin after the pull-off test.

Stabilità dell’attivazione superficiale nel tempo Stability of surface activation over time

La buona adesione tra il PP funzionalizzato e i primer dovrebbe essere dovuta alla buona stabilità delle molecole organiche legate alla superficie rispetto a quella riscontrata su substrati trattati unicamente con plasma d’aria (PP_plasma). Per confrontare la stabilità dell’attivazione del PP usando entrambe le procedure (solo trattamento con plasma d’aria, trattamento con plasma d’aria seguito da trattamento di UV photografting come descritto nella presente invenzione), sono stati confrontati gli angoli di contatto dell’acqua su PP_HEMA con quelli esibiti dal PP trattato unicamente con plasma d’aria, monitorando il loro andamento per diverse ore. Come si può vedere dalla Figura 4, il PP_plasma presenta un angolo di contatto minore di quello di PP_HEMA durante le prime 3 ore, ma la deattivazione della sua superficie appare già significativa dopo meno di 24 ore e quasi completa dopo 80 ore. Al contrario, l’angolo di contatto di PP_HEMA non varia significativamente durante lo stesso periodo di tempo, confermando la stabilità nel tempo della superficie attivata con trattamenti fotochimici dei substrati di PP. The good adhesion between the functionalized PP and the primers should be due to the good stability of the organic molecules bound to the surface compared to that found on substrates treated only with air plasma (PP_plasma). To compare the stability of PP activation using both procedures (air plasma treatment only, air plasma treatment followed by UV photografting treatment as described in the present invention), the contact angles of the PP were compared. water on PP_HEMA with those exhibited by PP treated only with air plasma, monitoring their progress for several hours. As can be seen from Figure 4, PP_plasma has a contact angle smaller than that of PP_HEMA during the first 3 hours, but the deactivation of its surface appears already significant after less than 24 hours and almost complete after 80 hours. On the contrary, the contact angle of PP_HEMA does not vary significantly during the same period of time, confirming the stability over time of the surface activated with photochemical treatments of the PP substrates.

Quindi, si può concludere che l’incorporazione dei monomeri funzionali aggraffati alla superficie dei substrati in PP tramite processo di UV photographting è una strategia semplice per garantire ottima stabilità nel tempo della funzionalizzazione superficiale del substrato, migliorando la capacità di adesione di molti primer diversi. Therefore, it can be concluded that the incorporation of functional monomers grafted to the surface of PP substrates through the UV photographting process is a simple strategy to ensure excellent stability over time of the surface functionalization of the substrate, improving the adhesion capacity of many different primers.

2.3 deposizione del cromo 2.3 deposition of chromium

Il cromo è stato depositato per PVD sui substrati di PP rivestiti con primer diversi (per esempio resine acriliche, epossidiche e uretaniche) e l’aspetto finale di questi materiali è regolare e ugualmente brillante su tutte le superfici. Le misure al profilometro hanno confermato che in tutti i casi lo spessore dello strato di cromo è di circa 400 nm. Chromium was deposited by PVD on PP substrates coated with different primers (for example acrylic, epoxy and urethane resins) and the final appearance of these materials is regular and equally bright on all surfaces. Profilometer measurements confirmed that in all cases the thickness of the chromium layer is about 400 nm.

Per poter determinare la presenza di cricche sullo strato di cromo, i campioni ottenuti sono stati osservati al microscopio ottico. Nessuno dei campioni presenta cricche o imperfezioni, indipendentemente dal primer utilizzato. In order to determine the presence of cracks on the chromium layer, the samples obtained were observed under an optical microscope. None of the samples show cracks or imperfections, regardless of the primer used.

Per poter studiare la capacità di adesione del Cr sui primer, sono stati condotti test di pull-off sui materiali cromati. Inizialmente è stata determinata l’adesione del Cr sui primer (per esempio acrilico, epossidico ed uretanico) depositato e reticolato su PP_plasma, osservando il completo distaccamento del primer dal substrato. Lo stesso test è stato ripetuto su tutti i primer reticolati sui substrati di PP appropriatamente funzionalizzati. In questi casi è stata osservata la frattura meccanica del PP, così come è stato osservato nei test di adesione condotti senza strato di Cr. Si può concludere che l’adesione del Cr sia eccellente su tutti i primer studiati. In order to study the adhesion capacity of Cr on primers, pull-off tests were conducted on chromed materials. Initially, the adhesion of Cr on the primers (for example acrylic, epoxy and urethane) deposited and cross-linked on PP_plasma was determined, observing the complete detachment of the primer from the substrate. The same test was repeated on all crosslinked primers on the appropriately functionalized PP substrates. In these cases the mechanical fracture of the PP was observed, as it was observed in the adhesion tests conducted without a Cr layer. It can be concluded that the adhesion of Cr is excellent on all the primers studied.

La presenza di link legati covalentemente tra il PP e il primer migliora dunque in maniera significativa le proprietà di adesione del materiale multistrato, che in questi casi presenta una forza di adesione persino maggiore delle forze di coesione del PP. The presence of covalently bonded links between the PP and the primer therefore significantly improves the adhesion properties of the multilayer material, which in these cases has an even greater adhesion force than the cohesive forces of PP.

Miglioramento delle proprietà meccaniche Improvement of mechanical properties

Per poter migliorare le proprietà meccaniche dello strato più superficiale, è stato incorporato nel primer un filler inorganico (per esempio n-SiO2). È stato selezionato il primer epossidico e è stato disperso n-SiO2 nella resina prima della reticolazione con una concentrazione fino al 40 wt%. Il primer così ottenuto è stato chiamato Epoxy_X%, in cui X si riferisce alla concentrazione di n-SiO2 espressa in wt%. Sono stati condotti test di microindentazione sulle resine epossidiche caricate con n-SiO2 per studiare la durezza della superficie dei materiali basandosi sulla durezza di indentazione Vickers (HIT), il modulo di indentazione (EIT) e la profondità di indentazione massima (hmax). L’incorporazione del filler inorganico mostra un chiaro miglioramento della forza del primer, aumentando HIT e EIT fino a circa 160 N/mm<2 >e a 2.4 GPa rispettivamente, da confrontarsi con la resina epossidica non caricata e quella contenente un tenore del 40 wt% di n-SiO2. I risultati sono riportati nella Tabella 3. In order to improve the mechanical properties of the outermost layer, an inorganic filler (for example n-SiO2) was incorporated into the primer. The epoxy primer was selected and n-SiO2 was dispersed into the resin before crosslinking with a concentration of up to 40 wt%. The primer thus obtained was called Epoxy_X%, in which X refers to the concentration of n-SiO2 expressed in wt%. Microindentation tests were conducted on epoxy resins loaded with n-SiO2 to study the surface hardness of the materials based on the Vickers indentation hardness (HIT), the indentation modulus (EIT) and the maximum indentation depth (hmax). The incorporation of the inorganic filler shows a clear improvement in the strength of the primer, increasing HIT and EIT up to about 160 N / mm <2> and 2.4 GPa respectively, when compared with the unfilled epoxy resin and the one containing a content of 40 wt % of n-SiO2. The results are shown in Table 3.

Tabella 3. Risultati di microindentazione ottenuti su primer epossidici caricati con n-SiO2. Table 3. Microindentation results obtained on epoxy primers loaded with n-SiO2.

L’influenza dell’incorporazione di n-SiO2 sulla presenza di cricche o difetti sul PP cromato è stata studiata al microscopio ottico. Come si può vedere da Figura 5, solamente la resina epossidica caricata con 40 wt% di n-SiO2 presenta difetti apprezzabili sullo strato di Cr. Quindi, nonostante l’incremento delle proprietà meccaniche della resina , l’incorporazione di cariche di n-SiO2 sopra il 30 wt% non è raccomandata. The influence of the incorporation of n-SiO2 on the presence of cracks or defects on the chromated PP was studied under an optical microscope. As can be seen from Figure 5, only the epoxy resin loaded with 40 wt% of n-SiO2 has appreciable defects on the Cr layer. Therefore, despite the increase in the mechanical properties of the resin, the incorporation of n-SiO2 fillers above 30 wt% is not recommended.

3. Conclusioni 3. Conclusions

L’attivazione delle superfici di PP tramite funzionalizzazione con diversi metacrilati per mezzo di radiazione UV è confermata da FTIR e dai test sugli angoli di contatto. L’effetto del processo di photografting sull’adesione tra PP e i primer è stato constatato con i test di pull-off. Nei casi di PP attivato al plasma, l’adesione tra il substrato e il primer è relativamente bassa indipendentemente dal primer utilizzato e si osserva un completo distacco del primer dal PP. Comunque è stato osservato un novevole miglioramento della forza di adesione quando il PP è stato attivato per photografting, evidenza che potrebbe essere causata dalla formazione di legami covalenti tra PP-primer e dalla stabilità a lungo temine di questo processo paragonata a quella del trattamento al plasma. Infine i substrati di PP sono stati cromati tramite PVD, ottenendo una superficie di Cr brillante e omogenea in cui, in nessun caso, sono presenti cricche. La forza di adesione del materiale multistrato PP-Primer-Cr è stata determinata con test di pull-off, trovando un andamento simile a quello osservato per i substrati non cromati. Inoltre il miglioramento delle proprietà meccaniche con l’aggiunta di una dispersione di filler inorganici (e.g., n-SiO2) nel primer è stato dimostrato grazie a test di microindentazione. The activation of PP surfaces through functionalization with different methacrylates by means of UV radiation is confirmed by FTIR and by tests on contact angles. The effect of the photografting process on the adhesion between PP and the primers was found with pull-off tests. In cases of plasma activated PP, the adhesion between the substrate and the primer is relatively low regardless of the primer used and a complete detachment of the primer from the PP is observed. However, a marked improvement in adhesion strength was observed when PP was activated by photografting, evidence that could be caused by the formation of covalent bonds between PP-primers and the long-term stability of this process compared to that of plasma treatment. . Finally, the PP substrates were chromed by PVD, obtaining a bright and homogeneous Cr surface in which, in no case, are cracks present. The adhesion strength of the PP-Primer-Cr multilayer material was determined with pull-off tests, finding a trend similar to that observed for non-chromed substrates. Furthermore, the improvement of mechanical properties with the addition of a dispersion of inorganic fillers (e.g., n-SiO2) in the primer has been demonstrated thanks to microindentation tests.

In conclusione, i risultati dimostrano chiaramente che il processo per la metallizzazione del PP della presente invenzione, basato sulla attivazione chimica del substrato con un processo di photografting e un’ulteriore deposizione di un primer, è più efficiente dei metodi già esistenti grazie al miglioramento dell’adesione PP-primer. Inoltre, tale processo consente di migliorare la stabilità a lungo termine dell’attivazione superficiale e permette di selezionare il primer in maniera arbitraria in funzione della tipologia di monomero funzionale utilizzato durante il processo di photografting in modo da massimizzarne l’adesione al substrato. In conclusion, the results clearly demonstrate that the process for the metallization of PP of the present invention, based on the chemical activation of the substrate with a process of photografting and a further deposition of a primer, is more efficient than the already existing methods thanks to the improvement of the PP-primer adhesion. Furthermore, this process allows to improve the long-term stability of the surface activation and allows to select the primer in an arbitrary manner according to the type of functional monomer used during the photografting process in order to maximize its adhesion to the substrate.

Claims (19)

RIVENDICAZIONI 1. Un processo di metallizzazione di substrati comprendente le seguenti fasi: a) Fornire un substrato plastico; b) Sottoporre tale substrato a un trattamento con plasma di aria in modo da ottenere un substrato attivato al plasma; c) Sottoporre tale substrato attivato al plasma a un trattamento superficiale di photografting UV con monomeri vinilici, preferibilmente monomeri di acrilato o metacrilato o altri composti idrofilici, in modo da ottenere una superficie funzionalizzata; d) Rivestire tale superficie funzionalizzata con una resina foto- o termoreticolabile in modo da ottenere un substrato rivestito; e) Depositare uno strato metallico sulla superficie di tale substrato rivestito in modo da ottenere un substrato plastico metallizzato. CLAIMS 1. A substrate metallization process comprising the following steps: a) Provide a plastic substrate; b) Subjecting this substrate to an air plasma treatment in order to obtain a plasma activated substrate; c) Subjecting this plasma-activated substrate to a UV photografting surface treatment with vinyl monomers, preferably acrylate or methacrylate monomers or other hydrophilic compounds, in order to obtain a functionalized surface; d) Coating this functionalized surface with a photo- or heat-cross-linkable resin so as to obtain a coated substrate; e) Depositing a metallic layer on the surface of this coated substrate so as to obtain a metallized plastic substrate. 2. Il processo secondo la rivendicazione 1, in cui il substrato plastico è una poliolefina, preferibilmente polietilene (PE), polipropilene (PP), polimetilpentene (PMP), polibutene-1 (PB-1), più preferibilmente polipropilene (PP). The process according to claim 1, wherein the plastic substrate is a polyolefin, preferably polyethylene (PE), polypropylene (PP), polymethylpentene (PMP), polybutene-1 (PB-1), more preferably polypropylene (PP). 3. Il processo secondo la rivendicazione 1 e 2, comprendente inoltre la fase di pre-lavaggio del substrato plastico con una soluzione lavante, preferibilmente seguita da una fase di asciugatura. The process according to claims 1 and 2, further comprising the step of pre-washing the plastic substrate with a washing solution, preferably followed by a drying step. 4. Il processo secondo una qualsiasi delle rivendicazioni dalla 1 alla 3, il cui la fase b) viene condotta con plasma d’aria, preferibilmente a una potenza compresa tra 10 W e 300 W per un periodo di tempo da 5 a 60 min, più preferibilmente a una potenza di circa 180 W per circa 15 min. The process according to any one of claims 1 to 3, wherein step b) is carried out with air plasma, preferably at a power of between 10 W and 300 W for a period of time from 5 to 60 min, more preferably at a power of about 180 W for about 15 min. 5. Il processo secondo una qualsiasi delle rivendicazioni dalla 1 alla 4, in cui la fase di photografting UV c) avviene in fase liquida, preferibilmente depositando una soluzione di un monomero vinilico, preferibilmente un monomero di acrilato o metacrilato, in un solvente organico insieme a un fotoiniziatore sulla superficie del substrato plasma-attivato. The process according to any one of claims 1 to 4, in which the UV photografting step c) takes place in the liquid phase, preferably by depositing a solution of a vinyl monomer, preferably an acrylate or methacrylate monomer, in an organic solvent together to a photoinitiator on the surface of the plasma-activated substrate. 6. Il processo secondo la rivendicazione 5, in cui il monomero vinilico idrofilico è selezionato tra acrilamide (AM), N-vinilpirrolidone (NVP), anidride maleica (MAn), monomeri binari NVP/MAn, metil metacrilato (MMA) vinilmetacrilato (VMA), glicidil metacrilato (GMA), acido acrilico (AA), acido metacrilico (MAA), 2-idrossietil metacrilato (HEMA) e combinazioni degli stessi. The process according to claim 5, wherein the hydrophilic vinyl monomer is selected from acrylamide (AM), N-vinylpyrrolidone (NVP), maleic anhydride (MAn), binary monomers NVP / MAn, methyl methacrylate (MMA) vinyl methacrylate (VMA ), glycidyl methacrylate (GMA), acrylic acid (AA), methacrylic acid (MAA), 2-hydroxyethyl methacrylate (HEMA) and combinations thereof. 7. Il processo secondo la rivendicazione 5 o 6, in cui il solvente organico viene selezionato tra il gruppo comprendente acetone, metanolo, cloroformio, tetracloruro di carbonio, cicloesano, cicloesanone, acetato di etile, tetraidrofurano, e una miscela di questi, preferibilmente acetone. The process according to claim 5 or 6, wherein the organic solvent is selected from the group comprising acetone, methanol, chloroform, carbon tetrachloride, cyclohexane, cyclohexanone, ethyl acetate, tetrahydrofuran, and a mixture thereof, preferably acetone . 8. Il processo secondo una qualsiasi delle rivendicazioni dalla 5 alla 7, in cui il rapporto volumetrico tra il monomero vinilico, preferibilmente monomero acrilato o metacrilato, e il solvente organico è da 1:1 a 1:10, più preferibilmente il rapporto volumetrico è di circa 1:4. The process according to any one of claims 5 to 7, wherein the volume ratio between the vinyl monomer, preferably acrylate or methacrylate monomer, and the organic solvent is from 1: 1 to 1:10, more preferably the volume ratio is approximately 1: 4. 9. Il processo secondo una qualsiasi delle rivendicazioni dalla 5 alla 8, in cui il fotoiniziatore è selezionato dal gruppo comprendente benzofenone (BP), metilbenzoilformiato (MBF) e xantone, preferibilmente benzofenone. The process according to any one of claims 5 to 8, wherein the photoinitiator is selected from the group comprising benzophenone (BP), methylbenzoyl formate (MBF) and xanthone, preferably benzophenone. 10. Il processo secondo una qualsiasi delle rivendicazioni dalla 5 alla 9, in cui il quantitativo di fotoiniziatore nella fase liquida è compreso tra 1 wt% e 10 wt%, preferibilmente 5 wt% rispetto al peso totale del monomero vinilico, preferibilmente monomero acrilato o metacrilato. The process according to any one of claims 5 to 9, wherein the amount of photoinitiator in the liquid phase is comprised between 1 wt% and 10 wt%, preferably 5 wt% with respect to the total weight of the vinyl monomer, preferably acrylate monomer or methacrylate. 11. Il processo secondo una qualsiasi delle rivendicazioni dalla 1 alla 10, in cui la resina foto- o termo-reticolabile della fase d) è selezionata dal gruppo comprendente resina acrilica, poliuretanica, esterica e epossidica. The process according to any one of claims 1 to 10, wherein the photo- or thermo-crosslinkable resin of step d) is selected from the group comprising acrylic, polyurethane, ester and epoxy resin. 12. Il processo secondo una qualsiasi delle rivendicazioni dalla 1 alla 11, in cui la fase di rivestimento d) comprende inoltre l’incorporazione di un filler inorganico, preferibilmente n-SiO2, n-TiO2, n-Ag o n-Fe2O3. 12. The process according to any one of claims from 1 to 11, in which the coating step d) further comprises the incorporation of an inorganic filler, preferably n-SiO2, n-TiO2, n-Ag or n-Fe2O3. 13. Il processo secondo una qualsiasi delle rivendicazioni dalla 1 alla 12, in cui la fase e) avviene per PVD. 13. The process according to any one of claims from 1 to 12, in which step e) takes place for PVD. 14. Il processo secondo una qualsiasi delle rivendicazioni dalla 1 alla 13, in cui lo strato metallico è di cromo, alluminio, zirconio, rame, nickel, titanio, nitride di carbonio o combinazioni di questi. The process according to any one of claims 1 to 13, wherein the metal layer is of chromium, aluminum, zirconium, copper, nickel, titanium, carbon nitride or combinations thereof. 15. Il processo secondo una qualsiasi delle rivendicazioni dalla 1 alla 14, in cui la velocità di deposizione dello strato metallico è compresa tra 0.1 e 100 nm/min, preferibilmente tra 5 e 50 nm/min, più preferibilmente circa 13 nm/min, per un periodo di tempo da 1 a 60 min, preferibilmente 30 min. The process according to any one of claims 1 to 14, wherein the deposition rate of the metal layer is between 0.1 and 100 nm / min, preferably between 5 and 50 nm / min, more preferably about 13 nm / min, for a period of time from 1 to 60 min, preferably 30 min. 16. Il processo secondo una qualsiasi delle rivendicazioni dalla 1 alla 15, in cui lo spessore dello strato metallico è compreso tra 200 e 1000 nm, preferibilmente circa 400 nm. The process according to any one of claims 1 to 15, wherein the thickness of the metal layer is between 200 and 1000 nm, preferably about 400 nm. 17. Il processo secondo una qualsiasi delle rivendicazioni dalla 1 alla 16, comprendente inoltre una fase di post-trattamento f) ottenuta depositando uno strato ceramico sul suddetto substrato metallizzato. The process according to any one of claims 1 to 16, further comprising a post-treatment step f) obtained by depositing a ceramic layer on the aforementioned metallized substrate. 18. Un substrato plastico metallizzato ottenibile secondo il processo di una qualsiasi delle rivendicazioni dalla 1 alla 17. 18. A metallized plastic substrate obtainable according to the process of any one of claims 1 to 17. 19. Uso del substrato plastico metallizzato secondo la rivendicazione 18, per la produzione di componenti decorativi e strutturali per interni ed esterni delle automobili, componenti decorativi e strutturali per il settore nautico, rubinetti e raccordi, componenti di finitura per sanitari e arredo bagno, elementi di finitura per elettrodomestici, utensili domestici e per la cucina, montature degli occhiali o bigiotteria. 19. Use of the metallized plastic substrate according to claim 18, for the production of decorative and structural components for interior and exterior of automobiles, decorative and structural components for the nautical sector, taps and fittings, finishing components for sanitary ware and bathroom furniture, elements finishing for appliances, household and kitchen utensils, eyeglass frames or costume jewelery.
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