PL249190B1 - Sposób wytwarzania powłoki z żywicy poliuretanowej z wypełniaczem z mikrokulek szklanych i selektywnie naniesioną warstwą miedzi - Google Patents

Abstract

Przedmiotem zgłoszenia jest sposób wytwarzania i selektywnego metalizowania powłoki z żywicy polimerowej z wypełniaczem z mikrokulek szklanych, polegający na tym, że: w naczyniu umieszcza się żywicę polimerową, po czym dodaje środek sieciujący, a następnie w powstałej mieszaninie umieszcza się mikrokulki szklane pokryte warstwami: kwasu taninowego oraz naniesioną na niej warstwą metalicznego srebra, a następnie powstałą mieszaninę miesza się, po czym rozprowadza na podłożu tworząc kompozyt. Sposób ten charakteryzuje się tym, że powierzchnię powłoki kompozytu aktywuje się przy użyciu promieniowania laserowego poprzez wytrawienie ścieżek wiązką laserową, a następnie kompozyt umieszcza się w kąpieli metalizującej.

Description

Przedmiotem wynalazku jest sposób wytwarzania powłoki z żywicy poliuretanowej z wypełniaczem z mikrokulek szklanych i selektywnie naniesioną warstwą miedzi, charakteryzujący się tym, że powłoka zawiera żywicę poliuretanową, środek sieciujący oraz mikrokulki szklane pokryte kolejno warstwami kwasu taninowego oraz metalicznego srebra, a powierzchnię powłoki kompozytowej selektywnie aktywuje się wiązką promieniowania laserowego generowaną przez laser Nd:YAG o długości fali 1064 nm, prowadząc wytrawienie ścieżek na powierzchni powłoki, a następnie podłoże z selektywnie aktywowaną powłoką kompozytową zanurza się w kąpieli do bezprądowego miedziowania zawierającej jony miedzi.

Znane są różnego rodzaju sposoby wytwarzania powłoki z żywicy polimerowej z wypełniaczem z mikrokulek szklanych, np. przedstawione w chińskim zgłoszeniu patentowym CN115011008A, w którym opisano miedziowany materiał kompozytowy z mikrokulek i gumy oraz sposób jego wytwarzania, przy czym proces wytwarzania obejmuje: czyszczenie pustych mikrokulek szklanych w celu uzyskania czystego HGM, przeprowadzenie modyfikacji dopaminy na czystym HGM, aktywacja azotanu srebra w celu otrzymania HGMAg, przeprowadzenie chemicznego miedziowania w celu otrzymania HGMCu. Jednakże, w opisanym rozwiązaniu nie zastosowano selektywnego metalizowania wspomaganego laserowo, a warstwą miedzi zostały pokryte mikrokulki szklane umieszczone następnie w matrycy kompozytu. Zastosowanie takiego sposobu miedziowania ogranicza możliwość wykorzystania powstałego kompozytu w elektronice, gdzie korzystne jest wytworzenie metalizowanych ścieżek przewodzących, a nie pokrycie całej powierzchni kompozytu warstwą metaliczną.

Z kolei w chińskim patencie CN113337178B opisano samonaprawiający się, superhydrofobowy materiał powłokowy, który zawiera hydrofobowe mikrosfery kompozytowe pokryte polidopaminą, żywicę matrycową o kącie zwilżania warstwy powłokowej większym niż 90 stopni, rozpuszczalnik, proszek i środek pomocniczy. Jednakże, w przedstawionym rozwiązaniu nie opisano wykorzystania selektywnej metalizacji wspomaganej laserowo, co może powodować brak możliwości wykorzystania kompozytu w zaawansowanych rozwiązaniach elektronicznych ze względu na brak pokrycia miedzią jedynie wybranych fragmentów jego powierzchni.

Celem wynalazku było opracowanie sposobu wytwarzania powłoki z żywicy poliuretanowej z wypełniaczem z mikrokulek szklanych i selektywnie naniesioną warstwą miedzi, umożliwiającego w prosty, powtarzalny i ekonomiczny sposób otrzymywanie na powierzchni tej powłoki selektywnie zmetalizowanych obszarów w postaci ścieżek przewodzących, złożonych wzorów i obwodów elektronicznych o wysokiej precyzji oraz optymalizację właściwości elektrycznych.

Istotą wynalazku jest sposób wytwarzania powłoki z żywicy poliuretanowej z wypełniaczem z mikrokulek szklanych i selektywnie naniesioną warstwą miedzi, polegający na tym, że obejmuje etapy, w których: w naczyniu umieszcza się żywicę poliuretanową, po czym dodaje się środek sieciujący, a następnie otrzymaną mieszaninę homogenizuje, po czym do mieszaniny dodaje się mikrokulki szklane pokryte warstwą kwasu taninowego oraz naniesioną na niej warstwą metalicznego srebra, a następnie mieszaninę ponownie homogenizuje się, po czym nanosi się na podłoże z termoplastycznego tworzywa polimerowego w celu utworzenia powłoki kompozytowej. Wynalazek ten charakteryzuje się tym, że powierzchnię powłoki kompozytowej selektywnie aktywuje się wiązką promieniowania laserowego generowaną przez laser Nd:YAG o długości fali 1064 nm, prowadząc wytrawienie ścieżek na powierzchni powłoki, a następnie podłoże z selektywnie aktywowaną powłoką kompozytową zanurza się w kąpieli do bezprądowego miedziowania zawierającej jony miedzi.

Dobrze, gdy stosunek masowy żywicy poliuretanowej do środka sieciującego wynosi 10:1.

Korzystnie jest, jeśli stężenie mikrokulek szklanych względem mieszaniny żywicy poliuretanowej i środka sieciującego wynosi 20% objętościowych.

Dobrze, jeśli jako mikrokulki szklane stosuje się mikrosfery szklane o średnicy 30-105 pm i gęstości 120 g/l.

Korzystnie jest, gdy mikrokulki szklane pokrywa się warstwą kwasu taninowego poprzez zanurzenie ich w pierwszym roztworze zawierającym 100 ml chlorowodorku tris(hydroksymetylo)aminometanu (Tris-HCI) o pH wynoszącym 6,8 i stężeniu 10 mM oraz kwas taninowy w stężeniu 0,5 mg/ml, przy temperaturze 90°C i czasie zanurzenia 15 minut, po czym mikrokulki płucze się w wodzie demineralizowanej i suszy przez 12 godzin w temperaturze 46°C.

Dobrze, gdy na warstwę kwasu taninowego nanosi się warstwę metalicznego srebra poprzez zanurzenie mikrokulek szklanych w drugim roztworze zawierającym wodę demineralizowaną i azotan srebra w stężeniu 10 mg/ml, przy temperaturze 90°C i czasie zanurzenia 15 minut, po czym mikrokulki płucze się w wodzie demineralizowanej i suszy przez 12 godzin w temperaturze 46°C.

Korzystnie jest, gdy mieszaninę żywicy poliuretanowej, środka sieciującego i powleczonych mikrokulek szklanych nanosi się na płytkę o wymiarach 60 x 60 x 2 mm wykonaną z termoplastycznego tworzywa polimerowego PC, a następnie pozostawia się do utwardzenia przez 24 godziny w temperaturze pokojowej.

Dobrze jest, gdy ścieżki na powierzchni powłoki kompozytowej wytrawia się wiązką promieniowania laserowego generowaną przez laser Nd:YAG o długości fali 1064 nm, o mocy od 4 do 20 W, przy częstotliwości 40 kHz, szybkości skanowania 500 mm/s i szerokości ścieżek wynoszącej 2 mm.

Korzystnie jest, gdy selektywnie aktywowaną powłokę kompozytową umieszcza się w stale napowietrzanej kąpieli do bezprądowego miedziowania zawierającej jony miedzi, o temperaturze około 46°C przez czas 1 godziny.

Korzystnym skutkiem sposobu wytwarzania powłoki z żywicy poliuretanowej z wypełniaczem z mikrokulek szklanych i selektywnie naniesioną warstwą miedzi jest możliwość precyzyjnej kontroli tworzenia ścieżek przewodzących, a nie pokrywania całej powierzchni kompozytu warstwą metaliczną, co jest kluczowe w zaawansowanych zastosowaniach elektronicznych. Ponadto, dzięki zastosowaniu tego sposobu możliwe jest szczegółowe dostosowanie właściwości elektrycznych powłoki, a tworzenie złożonych wzorów jest przydatne w miniaturyzacji komponentów elektronicznych. Korzystne jest również zastosowanie lekkiego wypełniacza w postaci mikrokulek szklanych, w tym mikrosfer szklanych, co pozwala na zmniejszenie gęstości pozornej powłoki, a tym samym jej masy, w porównaniu do obecnie stosowanych wypełniaczy, głównie na bazie związków metalicznych.

W przykładzie realizacji wytwarzania powłoki z żywicy poliuretanowej z wypełniaczem z mikrokulek szklanych i selektywnie naniesioną warstwą miedzi, polega na tym, że:

• w naczyniu umieszczono żywicę poliuretanową, po czym dodano do niej środek sieciujący w stosunku 10:1 mas., po czym • w powstałej mieszaninie umieszczono mikrokulki szklane o średnicy 1 mm, pokryte warstwami w zanurzeniowym procesie chemicznym: styczną z mikrokulkami szklanymi warstwą kwasu taninowego oraz naniesioną na niej warstwą metalicznego srebra, przy czym stężenie mikrokulek szklanych względem mieszaniny żywicy poliuretanowej i środka sieciującego wynosi 20% obj. Proces nanoszenia warstw na mikrokulki szklane, w którym wykorzystano dwa roztwory, z których pierwszy przeznaczony jest do pokrycia mikrokulek szklanych warstwą kwasu taninowego, a drugi przeznaczony jest do pokrycia na naniesioną warstwę warstwy metalicznego srebra, jest następujący:

o w naczyniu umieszczono ciekły roztwór buforowy w postaci 100 ml chlorowodorku tris(hydroksymetylo)aminometanu (Tris-HCI) o pH wynoszącym 6,8 i stężeniu 10 mM oraz kwas taninowy w stężeniu 0,5 mg/ml - 50 mg proszku kwasu taninowego (odczynnik C76H52O46 ACS) (masa molowa 1701,20 g/mol, temperatura topnienia 218°C), a następnie powstały pierwszy roztwór mieszano na mieszadle magnetycznym do rozpuszczenia związku i jednocześnie podgrzewano do temperatury wynoszącej 90°C, po czym w powstałym pierwszym roztworze umieszczono mikrokulki szklane na 15 minut. Powlekane mikrokulki szklane po wynurzeniu z pierwszego roztworu płukano w wodzie demineralizowanej, po czym suszono przez 12 godzin w suszarce z elektronicznym regulatorem temperatury i grawitacyjnym obiegiem powietrza w temperaturze 46°C. W ten sposób utworzono na powierzchni mikrokulek szklanych warstwę kwasu taninowego.

o Następnie, w naczyniu umieszczono wodę demineralizowaną po czym dodano do niej wybrany nieorganiczny związek na bazie srebra, w przykładzie realizacji w postaci granulatu azotanu srebra (czystość min. 99%, masa cząsteczkowa 169,87 g/mol), w stężeniu 10 mg/ml, po czym powstały drugi roztwór podgrzewano do temperatury wynoszącej 90°C i umieszczono w nim mikrokulki szklane na 15 minut, jednocześnie mieszając. Mikrokulki szklane po wynurzeniu z drugiego roztworu płukano w wodzie demineralizowanej, po czym suszono przez 12 godzin w suszarce z elektronicznym regulatorem temperatury i grawitacyjnym obiegiem powietrza w temperaturze 46°C. W innym przykładzie realizacji zamiast mikrokulek szklanych zastosowano mikrosfery szklane, których średnica wynosiła 30-105 ąm, a gęstość 120 g/l.

• Powstałą mieszaninę w postaci żywicy poliuretanowej, środka sieciującego i powleczonych warstwą srebra mikrokulek szklanych mieszano do uzyskania homogenicznej struktury, po czym • aplikowano równomiernie na płytkę o wymiarach 60 x 60 x 2 mm wykonaną z termoplastycznego tworzywa polimerowego PC, poprzez rozprowadzanie szpatułką, tworząc w ten sposób kompozyt, który następnie pozostawiono na 24 godziny do wyschnięcia w temperaturze pokojowej, a następnie • celem selektywnego odsłonięcia powleczonych mikrokulek szklanych spod warstwy mieszaniny żywicy poliuretanowej i środka sieciującego, powierzchnię powłoki kompozytu aktywowano przy użyciu promieniowania laserowego generowanego przez laser Nd:YAG o długości fali 1064 nm, poprzez wytrawienie ścieżek o szerokości 2 mm wiązką laserową o mocy 4 W. W innym przykładzie realizacji zastosowano moc wiązki laserowej wynoszącą 20 W. Częstotliwość wiązki wynosiła 40 kHz, a jej szybkość 500 mm/s. Następnie, • kompozyt umieszczono w stale napowietrzanej kąpieli do bezprądowego miedziowania o temperaturze wynoszącej 46°C, w przykładzie realizacji w pięcioskładnikowej kąpieli do miedziowania zawierającej jony miedzi, o następującym składzie: Woda demineralizowana - 81,2% obj., Circuposit 3350 M1 - 15,0% obj., Circuposit 3350 A-1 - 1,0% obj., Cuposit Z- 1 - 1,1% obj., Cupostit Y -1,5% obj. na 1 godzinę, po czym • kompozyt z selektywnie naniesioną warstwą miedzi wyjęto z kąpieli do bezprądowego miedziowania i suszono w temperaturze 60°C przez 1 godzinę.

Zastosowane metody pozwoliły na precyzyjne osadzenie miedzi, tworząc równomierne ścieżki przewodzące w obszarze selektywnie aktywowanym laserowo. W procesie oceny właściwości elektrycznych wytworzonych ścieżek stwierdzono, że metalizowane ścieżki kompozytu charakteryzują się rezystancją wynoszącą od około 0,5 Ω do 1 Ω. Tak niskie wartości rezystancji wskazują na skuteczność zastosowanych ustawień laserowych, które sprzyjały formowaniu ścieżek przewodzących o wysokiej integralności strukturalnej i ciągłości metalicznej. Jest to wynik szczególnie istotny w kontekście aplikacji elektronicznych, gdzie niska rezystancja jest kluczowa dla efektywnego przenoszenia sygnałów elektrycznych.

Claims (9)

1. Sposób wytwarzania powłoki z żywicy poliuretanowej z wypełniaczem z mikrokulek szklanych i selektywnie naniesioną warstwą miedzi, polegający na tym, że obejmuje etapy, w których:

• w naczyniu umieszcza się żywicę poliuretanową, po czym • dodaje się środek sieciujący, a następnie • otrzymaną mieszaninę homogenizuje, po czym • do mieszaniny dodaje się mikrokulki szklane pokryte warstwą kwasu taninowego oraz naniesioną na niej warstwą metalicznego srebra, a następnie • mieszaninę ponownie homogenizuje się, po czym • nanosi się na podłoże z termoplastycznego tworzywa polimerowego w celu utworzenia powłoki kompozytowej, znamienny tym, że powierzchnię powłoki kompozytowej selektywnie aktywuje się wiązką promieniowania laserowego generowaną przez laser Nd:YAG o długości fali 1064 nm, prowadząc wytrawienie ścieżek na powierzchni powłoki, a następnie podłoże z selektywnie aktywowaną powłoką kompozytową zanurza się w kąpieli do bezprądowego miedziowania zawierającej jony miedzi.

2. Sposób według zastrz. 1, znamienny tym, że stosunek masowy żywicy poliuretanowej do środka sieciującego wynosi 10:1.

3. Sposób według zastrz. 1 lub 2, znamienny tym, że stężenie mikrokulek szklanych względem mieszaniny żywicy poliuretanowej i środka sieciującego wynosi 20% objętościowych.

4. Sposób według któregokolwiek z zastrz. od 1 do 3, znamienny tym, że jako mikrokulki szklane stosuje się mikrosfery szklane o średnicy 30-105 μm i gęstości 120 g/l.

5. Sposób według któregokolwiek z zastrz. od 1 do 4, znamienny tym, że mikrokulki szklane pokrywa się warstwą kwasu taninowego poprzez zanurzenie ich w pierwszym roztworze zawierającym 100 ml chlorowodorku tris(hydroksymetylo)aminometanu (Tris-HCI) o pH wynoszącym 6,8 i stężeniu 10 mM oraz kwas taninowy w stężeniu 0,5 mg/ml, przy temperaturze 90°C i czasie zanurzenia 15 minut, po czym mikrokulki płucze się w wodzie demineralizowanej i suszy przez 12 godzin w temperaturze 46°C.

6. Sposób według któregokolwiek z zastrz. od 1 do 5, znamienny tym, że na warstwę kwasu taninowego nanosi się warstwę metalicznego srebra poprzez zanurzenie mikrokulek szklanych w drugim roztworze zawierającym wodę demineralizowaną i azotan srebra w stężeniu 10 mg/ml, przy temperaturze 90°C i czasie zanurzenia 15 minut, po czym mikrokulki płucze się w wodzie demineralizowanej i suszy przez 12 godzin w temperaturze 46°C.

7. Sposób według któregokolwiek z zastrz. od 1 do 6, znamienny tym, że mieszaninę żywicy poliuretanowej, środka sieciującego i powleczonych mikrokulek szklanych nanosi się na płytkę o wymiarach 60 x 60 x 2 mm wykonaną z termoplastycznego tworzywa polimerowego PC, a następnie pozostawia się do utwardzenia przez 24 godziny w temperaturze pokojowej.

8. Sposób według któregokolwiek z zastrz. od 1 do 7, znamienny tym, że ścieżki na powierzchni powłoki kompozytowej wytrawia się wiązką promieniowania laserowego generowaną przez laser Nd:YAG o długości fali 1064 nm, o mocy od 4 do 20 W, przy częstotliwości 40 kHz, szybkości skanowania 500 mm/s i szerokości ścieżek wynoszącej 2 mm.

9. Sposób według któregokolwiek z zastrz. od 1 do 8, znamienny tym, że selektywnie aktywowaną powłokę kompozytową umieszcza się w stale napowietrzanej kąpieli do bezprądowego miedziowania zawierającej jony miedzi, o temperaturze około 46°C przez czas 1 godziny.