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    如何提升塑料材質的金屬感?

    金屬材料有著讓人喜愛的質感,雖然在2018年出現有陶瓷手機后蓋,但以iPhone為主的金屬手機外殼仍是主流,金屬表面處理依舊大受關注。然而金屬材料質量大成本高,限制了一些日常產品的應用。塑料質輕且機械性能能夠滿足部分產品應用,然而缺乏金屬的光澤,不夠美觀,耐候性差易老化,不導電及由此帶來的靜電作用等。
    如何讓塑料擁有金屬材料的外觀,替代金屬材料,將兩者優點結合起來,這一直是高分子研究的課題。到目前為止,研究人員已經能夠設法在塑料的表面鍍敷一層金屬來改善塑料的性能,產生了一些展現金屬質感外觀的塑料制品,這都歸功于塑料表面金屬化工藝。下面就來詳細介紹一下:
    什么是高分子材料金屬化?
    高分子材料金屬化是利用物理或化學手段在高分子材料表面鍍上一層金屬,使其表面呈現出金屬的某些性質,如導電性、磁性、導熱性等。金屬化后的高分子材料具有金屬外觀,鍍層硬度高,便于焊接,可以代替金屬制品,降低成本;同時由于高分子材料一般具有高韌性,耐熱性,耐蝕性等,使得金屬化的高分子材料比普通金屬材料性能更好。隨著技術的發展,現在在塑料樹脂中添加金屬粉等,同樣能夠制備出金屬化材料。
    塑料金屬化工藝知多少?
    塑料金屬化基本分為兩大類,一是塑料表面金屬化,另一個是塑料整體金屬化。前者又分為干法和濕法等。干法主要包括物理氣相沉積和化學氣相沉積等;濕法主要包括化學鍍、電鍍以及化學還原等。
    01 輸干法金屬化(干法鍍膜)
    ① 物理氣相沉積(PVD)
    主要包括真空蒸發和磁控濺射。要求沉積薄膜的空間要有一定的真空度,所以真空技術是物理氣相沉積法的基礎。

     

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    真空蒸發法是指在真空環境下加熱鍍膜材料,使其在極短時間內蒸發,沉積在塑料表面上形成鍍層。
    優點:此法成膜速率快、效率高,但薄膜與基體結合較差。為此,人們將等離子刻蝕和真空蒸發法結合起來以提高結合力(離子鍍)。
    缺點:只能蒸發像鋁這種低熔點的金屬。
    應用舉例  

     

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                                                                                                      ▲鍍鋁膜,復合材料包裝制品


     磁控濺射法是用高能離子轟擊靶材,使靶材表面原子獲得足夠能量脫離母材,并按相應的濺射方向飛躍出來,沉積在塑料表面的方法。
    優點:與真空蒸發法相比,磁控濺射法不需要預處理,結合力較強,且能沉積多種金屬。
    應用舉例

     

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                                         ▲汽車隔熱防爆膜,其中金屬隔熱層由在PET膜上通過真空蒸鍍或真空磁控濺射金屬鋁、銀、鎳等而成


    ② 化學氣相沉積(CVD)

     

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    化學氣相沉積(CVD)指把含有沉積元素的反應氣體引入反應室,在基體表面發生化學反應,并把固體產物沉積到基體表面的過程。有研究者用此方法在PTFE上成功沉積了銅。
    優點:化學氣相沉積膜層致密,結合力強,厚度比較均勻,膜層質量穩定。
    缺點:影響膜的組成和結構的因素很多( 如氣體運動速率、壓力分布、溫度等),必須嚴格控制才能得到理想的膜。同時,傳統的化學氣相沉積法反應溫度通常很高( 900~ 2000 ℃),容易導致基體變形和組織變化。
    應用舉例

     

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                                                                                                        ▲ABS表面鍍銅

    02 濕法鍍膜
    由于化學鍍、電鍍以及化學還原等方法都要在溶液中進行,所以被稱為濕法鍍膜。
    ① 化學鍍
    化學鍍是目前使用最廣泛的一種塑料金屬化加工方法,依據氧化還原反應原理,利用強還原劑在含有金屬離子的溶液中,將金屬離子還原成金屬而沉積在各種材料表面形成致密鍍層的方法。

     

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    優點:
    1)鍍覆過程不需外電源驅動,設備簡單;
    2)均鍍能力好,形狀復雜,有內孔、內腔的鍍件均可獲得均勻的鍍層;
    3)鍍層致密,孔隙率低;
    4)適用的基體材料范圍廣,可在金屬、非金屬以及有機物上沉積鍍層;
    5)容易制取非晶態合金和某些持殊功能薄膜,如磁學、光學、電學等功能鍍層。
    缺點:鍍液壽命短、穩定性差,鍍覆速度較慢。
    應用舉例

     

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                                                                                                        ▲尼龍表面化學鍍銅,使尼龍布具有良好的防電磁輻射性能


    ② 電鍍
    電鍍是一利用電解原理在某些金屬表面上鍍上一薄層其它金屬或合金的過程,是利用電解作用使金屬或其它材料制件的表面附著一層金屬膜的工藝。

     

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                                                                                                      ▲電鍍銅示意圖


    優點:電鍍能增強金屬的抗腐蝕性(鍍層金屬多采用耐腐蝕的金屬)、增加硬度、防止磨耗、提高導電性、光滑性、耐熱性和表面美觀。
    缺點:需要使用對環境有害的鉻金屬衍生物和鎳,危害環境
    應用舉例

     

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                                                                                                   ▲塑料電鍍標牌


    目前用于電鍍最多的塑料是ABS,其次是PP。另外PSF、PC、PTFE等也有成功電鍍的方法,但難度較大。
    ③ 化學還原法
    化學還原法制備聚合物金屬化表面主要步驟:
    1)將含有極性基團的聚合物和能與其形成絡合物的金屬鹽共同溶解在溶劑中制成均勻的溶液
    2)將溶液通過蒸發成型得到樣品
    3)將樣品置于還原溶液中,通過化學還原反應在樣品表面上形成導電金屬層。
    優點:化學還原法一定程度上解決了表面結合力差,耐久性不佳,鍍膜設備造價高,工藝復雜等問題,具有很大的發展空間。
    03
    其他金屬化鍍膜方法
    ① 金屬涂料涂裝
    采用以銀、銅、鎳、鋁等金屬粉末符合的涂料,涂裝于塑料上使塑料金屬化。這種方法除了使塑料表面具有金屬質感的裝飾作用外,還可以利用圖層的導電性,作為使塑料手機殼具有屏蔽性能的方法。
    應用舉例

     

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                                                                                                  ▲小米3采用的是金屬漆塑料后蓋


    ② 金屬噴涂
    金屬噴涂是用熔融金屬的高速粒子流噴在基體表面,以產生覆層的材料保護技術。包括電弧噴涂,等離子噴涂、火焰噴涂和高速氧燃料噴涂。
    優點:
    1)顏色豐富;
    2)液體環境中加工,可實現復雜結構的表面處理;
    3)工藝成熟、可量產;
    4)有獨特的透明度,光澤度高。
    缺點:
    1)成本過高
    2)熔融狀態下的金屬顆粒和高溫焰流會對聚合物基體材料表面產生破壞,由于熱噴涂的加熱溫度較高,所制得得金屬涂層由于氧化和較大孔隙率很難滿足使用要求。
    因此,在聚合物基材料表面一般采用冷噴涂的方法進行金屬層涂覆,冷噴涂技術僅需要很少量的熱量輸入,加熱溫度低,顆粒飛行速度高,有效防止了熱噴涂時的熱影響,減少了基體表面三維畸變、涂層氧化、相變等問題。
    應用舉例

     

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                                                                                                 ▲各色手機外殼


    ③ 金屬粉復合法
    此方法是在塑料成型過程中添加特殊的金屬顏料,例如金屬粉、色母、造粒料等,使塑料制品實現珠光、金屬光澤等效果。這種方法可以避免一些噴涂過程,是塑料整體金屬化的方法。
    目前有些塑料企業在開發這類產品,所生產的塑料顆粒能直接應用成型,工藝簡單,降低成本。
    應用舉例

     

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    金屬化工藝可以實現塑料外觀金屬質感,與此同時金屬化工藝得到的塑料制品在導電性、磁性、導熱性等方面展現優勢。就目前現狀而言,金屬化的塑料種類還是很少的,最多的是ABS,其次是PP,再者是PSF、PC、PTFE等。所以,塑料金屬化的發展還需要繼續努力。


    文章摘選自:尋材問料


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