СПОСОБ МЕТАЛЛИЗАЦИИ ПОВЕРХНОСТИ
SURFACE METALLISATION METHOD

ОБЛАСТЬ ТЕХНИКИ
Настоящее изобретение относится к способу металлизации поверхности, то есть приданию поверхности металлического вида.
УРОВЕНЬ ТЕХНИКИ
Имеется множество случаев, когда может возникнуть необходимость по меньшей мере частично металлизировать поверхность изделия, главным образом, по эстетическим причинам. Например, можно захотеть, чтобы выбранная поверхность изделия, полученного формованием из пластмассового материала, имела зеркальное покрытие или покрытие из матового хрома, с тем чтобы создать впечатление прочности и высокого качества. Способы достижения такой цели могут быть полезными в самых разных отраслях промышленности и для обработки разных типов поверхностей наряду с пластмассовыми изделиями и могут служить для нанесения покрытий на автомобили, для архитектурных целей и металлизации предметов, таких как электрические бытовые приборы, мебель, кухонная посуда, декоративные изделия и т.п.
До настоящего времени такая металлизация осуществлялась нанесением покрытия методом химического восстановления или в некоторых случаях посредством горячего тиснения или тиснения фольгой.
РАСКРЫТИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ
Согласно настоящему изобретению предложен способ металлизации полимерной поверхности изделия, включающий нанесение на полимерную поверхность жидкого носителя, содержащего суспензию металлических или выглядящих металлическими частиц, при этом указанная полимерная поверхность и жидкий носитель таковы, что угол смачивания между жидким носителем и полимерной поверхностью составляет по существу 90° или более, причем указанные частицы и полимерная поверхность таковы, что частицы имеют большее сродство к полимерной поверхности, чем друг к другу или к жидкости, вследствие чего частицы, взвешенные в жидкости, перемещаются к границе раздела между жидкостью и полимерной поверхностью с образованием на полимерной поверхности однослойного покрытия из частиц.
Нанесение взвешенных частиц на полимерную поверхность представляет собой непосредственное нанесение. Иными словами, для облегчения нанесения покрытия не требуются смачивающие слои. В настоящем способе, в частности, не используют смачивающий слой, содержащий, состоящий или в основном состоящий из органического растворителя и особенно летучего растворителя.
Частицы могут быть выполнены из металла, такого как алюминий, медь, золото, железо, никель, олово, титан, серебро и цинк, или из сплава, такого как сталь, латунь и бронза, но альтернативно можно использовать и другие материалы, такие как полимерный или керамический материал, имеющий коэффициент отражения, как у металла, такой как соединения слюды (обычно покрытые оксидами металлов). Такие частицы можно рассматривать как металлические, если они сделаны из перечисленных материалов, или как выглядящие металлическими частицы при обеспечении внешнего вида металлических соединений (т.е. при обеспечении какого-либо визуального эффекта, который могут создавать настоящие металлы).
Частицы могут иметь любую форму, подходящую для визуального эффекта, который предполагают придать. Предпочтительные формы и/или размеры обеспечивают достаточную площадь контакта с полимерной поверхностью по меньшей мере в течение периода времени, пока требуется указанный визуальный эффект, или до нанесения верхнего покрытия.
Частицы могут быть приблизительно сферическими (например, иметь средний диаметр до 10 микрометров или даже 1 мкм и менее), но предпочтительно имеют форму плоских пластинок, то есть имеют толщину, которая значительно (например, в пять, десять, двадцать или даже сто раз) меньше, чем их типичный размер в плоскости (например, средний диаметр для почти круглых хлопьев или средний «эквивалентный диаметр» для пластинок с менее регулярной проекцией на плоскость, также характеризующихся наименьшим/наибольшим размерами). Наибольший размер неправильных пластинок обычно не превышает в среднем 100 мкм. Пластинки с соотношением геометрических размеров до 1:500 также могут быть подходящими, при этом полагают, что такие частицы даже могут быть образованы во время необязательной стадии полирования, описанной ниже.
В зависимости от визуального эффекта, который предполагают придать, в предложенном способе можно использовать частицы с толщиной до 1 мкм. Предпочтительно, чтобы частицы имели толщину только несколько нанометров или несколько десятков нанометров, с тем чтобы они могли точно следовать контуру поверхности, на которую их наносят, и тем самым сохранять по существу такую же шероховатость поверхности. Таким образом, если поверхность, подлежащую покрытию, подвергают шлифованию до получения сильного блеска, покрытие из металлических частиц образует зеркальную отделку, тогда как сатинированное покрытие получают в результате покрытия поверхности с большей шероховатостью. Металлические или выглядящие металлическими частицами с толщиной от примерно 10 нм до 600 нм являются подходящими, при этом, как правило, подходящими являются частицы с толщиной от примерно 20 нм до 500 нм или даже 400 нм.
Частицы могут, но не обязательно, подвергаться дополнительному покрытию. Покрытие частиц, которое может быть нанесено с помощью физических, но более обычно химических способов, может, помимо прочего, уменьшать или препятствовать прилипанию частиц друг к другу (например, это достижимо при применении средств против слеживания и т.п.), увеличивать отталкивание между частицами (например, это достижимо при увеличении заряда частиц), защищать частицы от нежелательной химической модификации (например, уменьшать, препятствовать или замедлять окисление металлов и сплавов или любое другое вредное старение выглядящих металлическими частиц) или дополнительно увеличивать сродство частиц к полимерной поверхности (в том числе к базовому покрытию, если требуется).
Поскольку для настоящего способа гидрофобные частицы являются предпочтительными, покрытие можно наносить на частицы для придания им гидрофобности или для дополнительного увеличения присущей им гидрофобности. Материалы, подходящие для такого покрытия частиц, могут иметь гидрофильный конец со сродством к частице (например, карбоксильную функцию, аффинную к оксиду металла) и гидрофобный хвост.
Согласно настоящему изобретению, такие частицы, независимо от того являются ли они гидрофобными по природе или имеют покрытие, которое сделало их гидрофобными или более гидрофобными, считаются по существу гидрофобными.
Согласно одному из вариантов реализации частицы выполнены из алюминия и покрыты карбоновой кислотой (например, жирной кислотой), которая делает указанные частицы гидрофобными, понижает их способность к прилипанию друг к другу и уменьшает их окисление.
В некоторых случаях поверхность, подлежащая металлизации, может представлять собой поверхность изделия, полученного формованием из подходящего полимерного материала. В таком случае поверхность не должна подвергаться каким-либо специальным стадиям подготовки. Во всех случаях, в частности, когда поверхность изделия не была изготовлена из подходящего полимерного материала, полимерное базовое покрытие можно нанести на изделие перед покрытием указанной поверхности металлическими или выглядящими металлическими частицами. Базовое покрытие можно наносить любым подходящим способом, таким как распыление, нанесение щеткой, погружение и т.п. Хотя с точки зрения охраны окружающей среды и здоровья населения в большинстве отраслей промышленности для получения таких базовых покрытий предпочитают использовать водные среды, полимерное базовое покрытие может быть нанесено в любом носителе, совместимом с полимерами и необязательными добавками, которые такой носитель может содержать, и с поверхностью, подлежащей покрытию.
Жидкий носитель металлических или выглядящих металлическими частиц может, соответственно, представлять собой водный носитель (например, содержащий по меньшей мере 75% воды на общую массу композиции), и полимерную поверхность, будь то изделия или базового покрытия, можно выбрать таким образом, чтобы она была гидрофобной, так что жидкость не смачивает полимерную поверхность и только частицы приклеиваются к полимерной поверхности с образованием мозаики из отдельных частиц, достаточной для обеспечения требуемого визуального эффекта. В настоящем документе жидкий носитель и любая содержащаяся в нем добавка предпочтительно являются «инертными» в отношении полимерной поверхности, то есть они не будут оказывать вредного эффекта, который может препятствовать достижению требуемого конечного результата. Например, жидкий носитель предпочтительно не может вызвать набухание полимерной поверхности.
Для достижения относительного светового эффекта или матовости зона покрытия мозаикой из частиц может быть меньше, чем необходимо для обеспечения глянцевого или зеркального вида. Для достижения такого высокоглянцевого внешнего вида мозаика из частиц может покрывать по существу все выбранные поверхности изделий, подлежащих покрытию. Под термином «по существу» покрывающий понимают, что покрытие из частиц на соответствующей поверхности изделия не будет содержать видимых дефектов, таких как разрывы или отверстия в мозаике из частиц, которые оставят полимерную поверхность открытой. Наличие площади поверхности, подлежащей покрытию частицами, составляющей по меньшей мере 80% или по меньшей мере 85%, или по меньшей мере 90%, или по меньшей мере 95% или по меньшей мере 99% относительно площади, покрытой частицами, рассматривается как значительная степень покрытия.
Жидкий носитель металлических или выглядящих металлическими частиц может дополнительно содержать, наряду с водой, совместные растворители, стабилизаторы, диспергирующие агенты, агенты, модифицирующие показатель рН, консерванты и подобные агенты, обычно применяемые при приготовлении дисперсий. Жидкий носитель также может содержать избыток несвязанного материала, служащего в качестве покрытия из частиц. Все перечисленные добавки и их типичные концентрации известны специалистам в области техники, связанной с дисперсиями, и не требуют дополнительного подробного описания в настоящем документе. Добавки (или их смеси), не влияющие на гидрофобность частиц и полимерной поверхности, являются предпочтительными. Кроме того, любая такая добавка и ее смесь предпочтительно не влияет на общую инертность жидкого носителя по отношению к полимерной поверхности (например, избегает или уменьшает любое вредное набухание поверхности, которое будет препятствовать правильному прикреплению частиц).
Не желая быть ограниченными какой-либо конкретной теорией, полагают, что в качестве альтернативы и наряду с гидрофобно-гидрофобными взаимодействиями, относительное сродство частиц к полимерной поверхности можно усилить с помощью компонентов, имеющих противоположные заряды. Соответственно, полимерная поверхность может иметь любой заряд, который будет совместим с заданными частицами. Если указанный заряд не присущ по природе полимерам, формирующим поверхность, такой заряд можно создать с помощью подходящей поверхностной обработки (например, плазменной обработки) или путем включения в полимерную поверхность или базовое покрытие подходящих химических добавок.
Полимерная поверхность, подлежащая покрытию, может содержать полимер или сополимер (или их смесь), гидрофобный от природы или дополненный для придания гидрофобности (или большей гидрофобности) «придающей гидрофобность добавкой», которая будет рассмотрена ниже. Согласно некоторым вариантам реализации полимерный материал может представлять собой полиуретан, сополимер полиуретана и силикона, сложный полиэфир или акриловый полимер. Добавки, которые могут способствовать гидрофобности полимерной композиции могут представлять собой, например, масла (например, синтетические, природные, растительные или минеральные масла), воски, пластификаторы и силиконовые добавки. Такие придающие гидрофобность добавки могут быть совместимы с любым полимерным материалом при условии, что их соответствующая химическая природа или количества не препятствуют правильному формированию базового покрытия, и, например, не будут ухудшать надлежащее отверждение полимерного материала. Подходящее базовое покрытие обычно образует непрерывную пленку на поверхности, подлежащей покрытию частицами, при этом изделие и базовое покрытие имеют соответствующие поверхностные энергии, подходящие для такого равномерного смачивания. Однако для обеспечения некоторых визуальных эффектов, не требующих максимального сходства внешнего вида с зеркальной поверхностью, могут подходить и покрытия в виде «апельсиновой корки». Наряду с совместимостью с подложкой базовое покрытие должно быть пригодным для заданных частиц. Когда полимерную поверхность получают путем нанесения базового покрытия, указанная полимерная композиция предпочтительно должна быть таковой, чтобы полученное базовое покрытие с одной стороны было достаточно «мягким» для обеспечения достаточного контакта с частицами. С другой стороны, базовое покрытие должно быть предпочтительно достаточно «твердым», чтобы быть устойчивым к полированию, если такая стадия необходима для обеспечения требуемого визуального эффекта.
Следует понимать, что в некоторых случаях относительная мягкость или твердость полимерной поверхности также может влиять на возникающий визуальный эффект. Полагают, что частицы, нанесенные на более твердую поверхность, обычно проявляют повышенную склонность к ориентации параллельно поверхности, чем частицы, нанесенные на более мягкую поверхность. Таким образом, более твердые поверхности позволяют обеспечить эффекты, придающие больше глянцевости, чем относительно более мягкие поверхности, которые в крайних случаях могут обеспечить только эффект, придающий матовость.
Композиция базового покрытия при необходимости нанесения ее на поверхность изделия предпочтительно не препятствует получению требуемого визуального эффекта (например, высушенное покрытие может быть светлым, прозрачным и/или бесцветным). Базовое покрытие может представлять собой отверждаемую композицию, необязательно частично отвержденную для обеспечения требуемых совместимостей и взаимодействий с изделием и с частицами. После нанесения частиц базовое покрытие можно подвергнуть отверждению для обеспечения прикрепления к нему частиц. Такое отверждение можно осуществить под действием тепла или излучения в зависимости от типа отверждаемого состава. Кроме того, такая стадия отверждения, при необходимости, может либо предшествовать, либо следовать за стадией полирования, если последняя имеется. Как упоминалось, на полученный слой частиц можно дополнительно нанести покрытие, при необходимости.
В случае необходимости применения базового покрытия его можно нанести на изделие согласно требуемому рисунку. В таком случае в предварительно определенных местах на поверхности изделия можно создать металлизированный рисунок(рисунки), обеспечивая частичное покрытие.
Жидкий носитель, содержащий частицы (например, в форме сфер или многослойных пластинок и покрытых или непокрытых гидрофобных элементов) можно наносить на базовое покрытие любым подходящим способом, таким как распыление, погружение, нанесение щеткой, протирание или прокатывание роликом. Такие способы нанесения частиц обычно приводят к тому, что частицы суспендируются в жидком носителе при сравнительно турбулентном режиме. Кроме того, временное окно между нанесением частиц и образованием однослойного покрытия обычно является коротким. Поэтому очень маловероятно, что в процессе реализации настоящего способа частицы будут подвергаться какому-либо отслаиванию (т.е. перемещению к границе раздела между жидкостью и окружающим воздухом), особенно принимая во внимание их предпочтительное сродство к полимерной поверхности. С учетом указанных соображений частицы, нанесенные согласно настоящему изобретению, рассматриваются как мигрирующие к границе раздела между полимерной поверхностью и жидкостью.
Предпочтительно, чтобы нанесение приводило к равномерному распределению и/или выравниванию частиц по всей поверхности, подлежащей покрытию, а также к полированию поверхности при одновременном удалении пластинок, которые не приклеены непосредственно к полимерной поверхности или не находятся в непосредственном контакте с ней.
Поскольку частицы не проявляют склонность к прилипанию друг к другу (по природе или в результате покрытия частиц) и только приклеиваются к полимерной поверхности, они будут формировать только однослойное покрытие, хотя могут быть участки, на которых край одной частицы налегает на край соседней частицы. Если покрытие подвергается полированию во время или после нанесения, то на любых таких участках, где частицы расположены друг на друге, полирующее действие будет стремиться отрывать части частиц, не приклеенных непосредственно к полимерной подложке, и также будет выравнивать частицы по всей поверхности, что приведет к воспроизводству такой же шероховатости или отделки, поверхности, как и шероховатость или отделка подстилающей полимерной поверхности. Как упоминалось, такое разрушение частиц в результате процесса полирования может привести к некоторым модификациям их размеров и преимущественно их соотношения геометрических размеров. Например, пластинка с толщиной 20 нм и типичным размером в плоскости 10 мкм (соотношение геометрических размеров 1:500) может быть разрушена во время нанесения или дополнительного выравнивания с образованием фрагментов пластинки аналогичной толщины, но с размером в плоскости только 2 мкм или менее (соотношение геометрических размеров ≤1:100). Предполагается, что полирование облегчает параллельную ориентацию хлопьеобразных частиц относительно подложки. Кроме того, оно может обеспечить равномерное покрытие заданной поверхности, что позволяет уменьшить вероятность появления промежутков или их площади, при этом такие пустоты заполняются непрочно прикрепленными частицами или их фрагментами, которые смещаются во время указанной стадии.
После нанесения способом, описанным выше, покрытие из частиц, также называемое в настоящем документе слоем частиц, может образовывать мозаику из частиц, которые, будучи в форме пластинок, могут составлять плоскость, ориентированную по существу параллельно полимерной поверхности.
Слой частиц может быть защищен путем нанесения прозрачного лака, который может сам по себе содержать краситель. Таким образом, прозрачный окрашенный лак, нанесенный на покрытие из алюминиевых частиц, может придать, например, внешний вид золотого или медного покрытия.
КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ
Некоторые варианты реализации настоящего изобретения будут теперь описаны дополнительно, например, со ссылкой на прилагаемые фигуры. Такое описание вместе с фигурами делает очевидным для обычного специалиста в данной области техники, как можно осуществить на практике некоторые варианты реализации изобретения. Приведенные фигуры предназначены для цели иллюстрации, при этом авторы не пытаются более подробно показать структурные детали варианта реализации, чем это необходимо для фундаментального понимания настоящего изобретения. Ради ясности и удобства представления некоторые объекты, приведенные на фигурах, необязательно показаны в масштабе.
На фигурах:
Фигура 1 представляет собой поперечное сечение поверхности, которая была металлизована согласно настоящему изобретению;
Фигура 2 представляет собой схематический, сильно увеличенный вид сверху слоя частиц, показанного на фигуре 1;
Фигура 3 представляет собой схему, на которой показаны стадии способа, применяемого при получении поверхности, показанной на фигурах 1 и 2; и
На фигурах 4А и 4В схематично показано поперечное сечение полимерной подложки, которая может быть покрыта согласно настоящему изобретению.
ОСУЩЕСТВЛЕНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ
На фигуре 1 показано поперечное сечение изделия, имеющего поверхность 10, которая была металлизирована. Поверхность 10, если она сама не изготовлена из подходящего полимера, покрыта полимерным базовым покрытием 12. Слой 14 частиц, образованный из мозаики из металлических или выглядящих металлическими частиц 20, как показано на горизонтальной проекции на фигуре 2, наносят на базовое покрытие 12, при этом поверх слоя 14 частиц можно нанести защитный лак 16.
Увеличенные изображения таких разрезов схематично показаны на фигурах 4A и 4В. Хотя частицы 20, как показано, имеют удлиненную форму, это не должно рассматриваться как ограничение. На рассматриваемом рисунке частицы 20 расположены поверх базового покрытия 12, которое само выборочно нанесено на подложку 50 изделия, имеющую наружную поверхность 10. Такое расположение частиц, которое, как упоминалось, может быть сформировано непосредственно на поверхности 10, если это подходящая полимерная поверхность, приводит к образованию монослоя 14 частиц 20. Как было объяснено ранее, наружные поверхности 22 частиц 20 могут быть гидрофобными.
Как показано на фигуре 4А, несколько частиц частично накладываются друг на друга, см. участок А, такое наложение создает общую толщину слоя частиц, обозначенную как Т. На участке В показано, что частицы соприкасаются, тогда как на участке С показан промежуток между соседними частицами. На участке D показано, что частица 20' не имеет контакта с базовым покрытием, как можно видеть в настоящем х-у-поперечном разрезе. Однако такая налегающая частица может быть расположена поверх частиц, находящихся в контакте с нижним слоем, так что она предположительно может вступать в контакт с базовым покрытием (или с поверхностью изделия, в зависимости от ситуации) в другой точке (не показано) вдоль z-направления. На участке Е показано, что на частицу 20'' накладывается более чем одна прилегающая частица, при этом все указанные частицы находятся в непосредственном контакте с нижним слоем. На фигуре 4В показан альтернативный вариант реализации, в котором, как показано, на монослой 14 частиц дополнительно нанесено верхнее покрытие 16, как ранее было показано на фигуре 1.
Стадии способа, применяемые для изготовления указанной поверхности, показаны на фигуре 3 и будут теперь рассмотрены по отдельности.
На стадии S1 обеспечивают, чтобы поверхность, подлежащая металлизации, была получена из полимера, подходящего для применения в указанном способе, такого как полиуретан, сополимер полиуретана и силикона, сложный полиэфир или акриловый полимер. Если поверхность уже изготовлена из такого полимера, такая стадия может и не потребоваться, но в более общем случае базовое покрытие 12 будет необходимо. Базовое покрытие (которое можно рассматривать как полимерный грунтовочный слой) можно наносить тем же способом, что и обычные краски, например, путем распыления (влажного или сухого), применения щетки или валика или путем погружения. Базовое покрытие можно наносить в любой подходящей среде.
Не желая быть связанными конкретной теорией, полагают, что твердость полимерной поверхности 10, необязательно возникающая в результате нанесения базового покрытия 12, ниже, чем твердость частиц 20, так что полимерная поверхность изделия, подлежащего покрытию, может иметь достаточный контакт с частицами для их удержания. Значения поверхностной энергии частиц и полимерной поверхности также можно выбрать таким образом, чтобы гарантировать, что частицы и поверхность будут иметь сродство друг к другу.
Полимер должен быть гидрофобным, то есть угол смачивания с водным носителем частиц должен составлять по существу 90° или более. Угол смачивания представляет собой угол, образованный мениском на границе раздела жидкость/воздух/твердое вещество, при этом считается общепринятым, что, если указанный угол превышает 90°, жидкий носитель (например, на основе воды) проявляет склонность скапливаться в виде капель и не смачивает поверхность, и, следовательно, не прилипает к ней. Такой нижний предел обычно принимается для идеальных теоретических условий (например, в случае поверхности твердого вещества, являющейся химически однородной, топографически гладкой и точно горизонтальной, в случае жидкости, не содержащей никакого загрязняющего вещества, и других подобных факторов). Однако авторы изобретения обнаружили, что системы, фактические контактные углы которых несколько ниже 90°, также могут проявлять несмачивающее поведение при разных практических условиях, применяемых для нанесения на полимерную поверхность носителя в виде текучей среды и содержащихся в нем частиц. Таким образом, в настоящем описании и прилагаемой формуле изобретения подразумевают, что «угол смачивания по существу 90°» и т.п. включает фактические контактные углы, составляющие по меньшей мере 75°, по меньшей мере 80°, по меньшей мере 85° и в идеале по меньшей мере 90°, измеренные на полимерной поверхности. Согласно одному из вариантов реализации измеренный фактический контактный угол представляет собой наступающий контактный угол.
0
R
A
R
A
Угол смачивания или равновесный контактный угол Θ, который находится в диапазоне между отступающим (минимальным) контактным углом Θ и наступающим (максимальным) контактным углом Θ и который можно рассчитать на основе указанных контактных углов Θ и Θ, можно оценить при заданной температуре и давлении, соответствующих рабочим условиям указанного процесса. Такой угол обычно измеряют с помощью гониометра или анализатора формы капель с применением капли жидкости объемом 5 мкл, при этом поверхность раздела жидкость - пар соответствует твердой полимерной поверхности при температуре (примерно 23°С) и давлении (примерно 1000 кПа) окружающей среды. Измерения контактного угла можно, например, осуществить с помощью анализатора контактного угла -«Easy Drop» FM40Mk2.
Такая гидрофобность может быть внутренним свойством полимера или может быть усилена путем включения в полимерную композицию добавок, придающих гидрофобность.
На металлизированной поверхности будет воспроизводиться шероховатость или отделка полимерной поверхности или базового покрытия. Поэтому, если требуется зеркальная отделка, полимерная поверхность или базовое покрытие необходимо отшлифовать до достижения высокоглянцевой отделки, тогда как для получения сатинированной отделки полимерная поверхность или поверхность базового покрытия не требует шлифования или может быть отшлифована по меньшей мере до такой же степени гладкости.
На стадии S2 мозаику из металлических или выглядящих металлическими частиц, то есть частиц, имеющих визуальный эффект подобный металлу (например, имеющих отражательную способность), наносят на полимерную поверхность. Частицы обычно имеют размеры в низкомикронном диапазоне или субмикронном диапазоне, предпочтительно являясь «наночастицами», при этом подразумевают, что в случае частиц в форме пластинок их толщина в среднем составляет менее одного микрометра (например, не более 1 мкм, не более 800 нм, не более 600 нм, не более 500 нм, не более 400 нм, не более 350 нм, не более 300 нм, не более 250 нм, не более 200 нм, не более 175 нм, не более 150 нм, не более 125 нм, не более 100 нм или не более 80 нм) и необязательно по меньшей мере 5 нм, по меньшей мере 7 нм, по меньшей мере 10 нм, по меньшей мере 15 нм, по меньшей мере 20 нм, по меньшей мере 25 нм, по меньшей мере 30 нм, по меньшей мере 40 нм или по меньшей мере 50 нм. Толщина подходящих частиц согласно измерениям обычно составляет не более десятков нанометров (например, от 10 нм до 600 нм или от 20 нм до 500 нм). В частности, если требуется зеркальная отделка, частицы должны представлять собой плоские пластинки, при этом подразумевают, что их глубина или толщина должна быть относительно небольшой по сравнению со средним диаметром участка поверхности, который они покрывают, при этом соотношение геометрических размеров составляет пять, десять, двадцать, тридцать, сорок, пятьдесят или даже более, причем соотношение геометрических размеров редко превышает тысячу. Таким образом, частица в форме пластинки с толщиной в низконанометровом диапазоне (например, 100 нм или менее) может благодаря высокому соотношению геометрических размеров (например, 1:100 или более) иметь типичный размер в плоскости в микронном диапазоне (например, от 10 до 100 мкм).
Поскольку, как упоминалось, частичное наложение частиц может привести к образованию слоя частиц с толщиной, до трех раз превышающей толщину частиц, формирующих указанный слой, толщина монослоя может составлять не более 3 микрометров, не более 2,5 мкм, не более 2 мкм, не более 1,5 мкм, не более 1 мкм, не более 500 нм, не более 250 нм, не более 200 нм, не более 150 нм, не более 100 нм или не более 50 нм. Как правило, толщина монослоя составляет от 10 нм до 1 мкм или от 10 нм до 500 нм.
Наряду с такими частичными наложениями расположенных рядом частиц, каждая из которых по меньшей мере частично находится в непосредственном контакте с полимерной подложкой, могут присутствовать частицы, которые, видимо, не имеют такого непосредственного контакта. Однако следует напомнить, что такие наблюдения, сделанные при рассмотрении конкретного поперечного сечения монослоя, не обязательно могут применяться к другим поперечным сечениям частицы, которая, как считается, не имеет контакта в другой проекции. Полагают, что слой частиц, покрытых согласно настоящему изобретению, содержит, по количеству, не более 35%, не более 30%, не более 25%, не более 20%, не более 15%, не более 10%, не более 7%, не более 5%, не более 3%, или не более 2% частиц, не приклеенных или не прикрепленных к полимерной поверхности, из общего количества частиц, покрывающих указанную поверхность (или ее типичный образец).
Частицы могут быть взвешены в водном носителе, который наносят на полимерную поверхность способом, аналогичным нанесению обычной краски, например, путем распыления, протирания или применения щетки или валика. Во время нанесения жидкий носитель не приклеивается к полимеру вследствие его гидрофобности. Тем не менее, поверхностную энергию материала частиц и поверхностную энергию полимерной поверхности, подвергаемой металлизации, выбирают таким образом, чтобы частицы действительно крепко приклеивались к полимерной поверхности, покрывая ее мозаикой из частиц. С другой стороны частицы обычно не прилипают друг к другу и поэтому только частицы, находящиеся в непосредственном контакте с полимерной поверхностью, проявляют склонность к приклеиванию к указанной поверхности, при этом другие частицы удаляют, захватывают и смывают под действием силы распыленной струи или физически перемещают с помощью ткани, щетки или валика (или последующего распыления воды или любой водной жидкости, не содержащей частицы). Такая процедура позволит оставить только монослой отдельных частиц, за исключением, возможно, участков, на которых края прилегающих частиц, находящихся в контакте с полимерной поверхностью, накладываются друг на друга.
Как упоминалось, для усиления преимущественного сродства частиц к покрываемой полимерной поверхности и облегчения любой стадии настоящего способа частицы предпочтительно являются гидрофобными. Гидрофобность частиц может представлять собой известное свойство, присущее их химическому составу. При необходимости, степень гидрофобности или гидрофильности можно оценить путем измерения контактного угла капли контрольной жидкости (обычно деионизированной воды) на значительного размера поверхности объемного материала, образующего частицы, или их покрытия, в зависимости от конкретного случая, при этом такой способ описан в связи с полимерной подложкой. Кроме того, гидрофобность можно грубо оценить в масштабе частиц путем введения в деионизированную воду предварительно определенного количества частиц. Гидрофобные частицы, если они мелкие, будут проявлять способность к отслаиванию, перемещаясь по направлению к поверхности раздела с воздухом, тогда как гидрофильные частицы будут демонстрировать неотслаивающуюся структуру, что позволит им сохранять довольно случайное распределение в водном носителе. Такому фазовому разделению или его отсутствию можно способствовать путем добавления несмешивающейся с водой масляной фазы, в этом случае гидрофобные частицы перемещаются по направлению к масляной фазе, тогда как гидрофильные частицы обычно остаются в водной фазе. Можно использовать дополнительные способы, такие как исследования поверхностной адсорбции, в которых используют известную долю красителя бенгальский розовый на количество частиц, подвергаемых исследованию. Краситель адсорбируется на гидрофобной поверхности частиц как функция площади их поверхности. Несвязанный краситель, оставшийся в водной фазе, можно измерить с помощью спектрофотометрии, позволяющей оценить степень связывания, соразмерную гидрофобности частиц. Относительную гидрофобность можно определить путем расчета коэффициента распределения красителя между абсорбированным количеством и несвязанным количеством. Аналогичным образом, краситель нильский голубой можно использовать для определения гидрофильности поверхности частиц. Известны дополнительные способы, которые также могут быть подходящими. В настоящем документе термин «гидрофобный» и т.п.используют для частиц и материалов, которые проявляют гидрофобность согласно по меньшей мере одному (и предпочтительно по меньшей мере двум или трем) из описанных выше способов исследования.
Для обеспечения зеркальной отделки слой 14 частиц, полученный на стадии S2, должен обеспечивать достаточную степень покрытия поверхности и может подвергаться полированию на стадии S3. Такую операцию можно выполнить вручную или с применением двигателя, приводящего в действие полировальный круг, при этом результат указанной стадии заключается в улучшении равномерного распределения и/или выравнивания слоя 14 частиц, находящихся в тесном контакте с поверхностью базового покрытия 12 или поверхностью 10 изделия, если последнее является полимерным. Трение, обычно участвующее в таком случае, также будет стремиться оторвать перекрывающиеся участки расположенных рядом пластинок, оставляя слой, составляющий только одну толщину частиц, покрывающих по меньшей мере 80%, по меньшей мере 85%, по меньшей мере 90%, или более предпочтительно 95%, 97% или 99% площади его поверхности. Как упоминалось, в зависимости от искомого визуального эффекта подходящей также может быть меньшая степень покрытия полимерной поверхности частицами и/или отсутствие стадии полирования.
Слой 14 частиц, независимо от того, подвергался он полированию или нет, в конечном счете может быть покрыт защитным прозрачным лаком для улучшения его срока службы и стойкости к образованию царапин, как показано на стадии S4. Лак приклеивается к частицам и удерживает их в определенном положении относительно друг друга и/или относительно нижней полимерной поверхности. Слой лака может сам по себе, при необходимости, быть окрашен за счет добавления красителя для изменения внешнего вида металлизированной поверхности, что позволяет указанной поверхности стать похожей на золотое или медное покрытие, а также хромовое или серебряное покрытие.
Как описано выше, на полимерную поверхность наносят одно покрытие из частиц, но путем повторения такого процесса можно получить дополнительные эффекты. В таком случае можно осадить первое покрытие из частиц и нанести на него бесцветное покрытие из полимерного материала, способного принять второе покрытие из таких же или других частиц. Второе покрытие можно наносить таким образом, чтобы через него намеренно проступали части первого покрытия из частиц, или при применении одних и тех же частиц для обоих покрытий мозаичная структура готовой отделки будет менее заметной.
Следует также упомянуть, что в любом одном покрытии из частиц, все частицы необязательно должны быть выполнены из одного и того же материала и, действительно, не все из указанных частиц должны быть металлическими или выглядящими металлическими. Покрытие может дополнительно содержать частицы, которые имеют физические свойства, схожие с металлическими частицами, и, следовательно, будут составлять часть одного и того же монослоя, но которые содержат полимерное связующее вещество и пигмент. Используя такую смесь частиц, можно добавить блеск и перламутровый эффект к неметаллической отделке.
Термин «монослой» используют в настоящем документе для описания слоя, в котором - в идеале - каждая частица имеет по меньшей мере одну часть, находящуюся в непосредственном контакте с полимерной поверхностью. Хотя может иметь место некоторое наложение между частицами, указанный слой может иметь глубину только в одну частицу на большей части площади поверхности. Это происходит по той же причине, по которой адгезивная лента, при использовании для поднятия порошка с поверхности, поднимет только один слой частиц порошка. Когда адгезивная лента все еще свежая, порошок прилипает к адгезиву до тех пор, пока не покроет всю поверхность ленты. Однако после покрытия адгезива порошком ленту нельзя использовать для отделения большего количества порошка, поскольку частицы порошка не прилипнут надежно друг к другу и могут быть просто счищены или сдуты с ленты. Аналогичным образом монослой, описанный в настоящем документе, сформирован из частиц, находящихся в достаточном контакте с полимерной поверхностью и, таким образом, обычно имеет толщину в одну частицу.
Рассмотрим, например, частицу в форме пластинки, находящуюся в контакте с полимерной поверхностью на большей части ее плоской лицевой стороны (например, расположенную по существу параллельно), при этом полученная толщина монослоя (в направлении, перпендикулярном к поверхности) будет приблизительно соответствовать толщине частицы, следовательно, средняя толщина монослоя может быть приблизительно равна средней толщине отдельных частиц, формирующих указанный монослой. Однако, поскольку могут иметь место частичные наложения расположенных рядом частиц друг на друга, толщина монослоя также может быть равна меньшему кратному размера составляющих частиц в зависимости от типа наложения, например, от относительных углов, которые частицы могут образовывать друг с другом и/или с полимерной поверхностью, и/или от степени наложения и т.п. Таким образом, монослой может иметь максимальную толщину (Т), соответствующую толщине, которая примерно равна или примерно в два раза или примерно в три раза или в любое промежуточное число раз больше наименьшего характеристического размера приклеенных частиц. Для хлопьев, пластинок и т.п., наименьшим размером является толщина частиц, тогда как для в целом сферических частиц «наименьший» размер по существу представляет собой диаметр частиц. Указанные размеры обычно предоставляются поставщиками таких частиц и могут оцениваться по количеству типичных частиц способами, известными в данной области техники, такими как микроскопия, в том числе, в частности, сканирующая электронная микроскопия SEM (предпочтительно для определения размеров в плоскости), и фокусированный ионный пучок FIB (предпочтительно для определения таких размеров как толщина и длина (в случае длинных частиц)). Указанные характеристические размеры можно количественно определить для каждой частицы или для всего поля обзора изображения, зафиксированного при соответствующем увеличении.
Хотя толщина одной частицы, как правило, относится к ее средней толщине, частицы в форме пластинок обычно имеют относительно однородные толщины по всем их размерам в плоскости, так что максимальная толщина частицы может, соответственно, быть приблизительно равной такому характеристическому размеру. Когда речь идет о популяции частиц, толщину частицы можно оценить с помощью среднего арифметического значения максимальных толщин частиц, образующих популяцию, при этом такие значения обычно измеряют только на репрезентативной выборке из популяции.
Для достижения относительного светового эффекта или матовости зона покрытия мозаикой из частиц, может быть меньше (например, ниже 50%), чем в случае глянцевого или зеркального внешнего вида. Для обеспечения такого высокоглянцевого внешнего вида мозаика из частиц может покрывать заданную поверхность в достаточной степени, так что отражение, создаваемое частицами, нанесенными на полимерную подложку, может подходить для достижения требуемого визуального эффекта. Для обеспечения такого же эффекта и при условии, что все другие параметры являются эквивалентными, частицы, имеющие относительно более высокий коэффициент отражения и/или более параллельную ориентацию с подложкой, могут потребовать покрытия только более маленькой относительной площади заданной поверхности, чем частицы, имеющие относительно более низкий коэффициент отражения и/или более беспорядочную/менее параллельную ориентацию относительно подложки. Отражательная способность относится к свойствам соответствующих частиц и также может зависеть от характеристик подложки и любых таких особенностей, которые легко поймут специалисты в области техники, связанной с нанесением металлических покрытий. Под покрытием «в достаточной степени» понимают, что указанное покрытие из частиц на соответствующих участках подложки не будет содержать дефектов, заметных невооруженным глазом, таких как разрывы или отверстия в мозаике из частиц, которые будут оставлять поверхность подложки открытой в той степени, которая позволит это визуально обнаружить и которая является вредной для предполагаемого визуального эффекта. Наличие площади поверхности выбранного участка(ов) подложки, подлежащего покрытию, составляющей по меньшей мере 50% или по меньшей мере 60%, или по меньшей мере 70% относительно такой площади, покрытой частицами, может соответствовать достаточной степени покрытия (т.е. обеспечивать достаточно сплошной слой частиц).
Для обеспечения высококачественного зеркального внешнего вида может потребоваться нанести покрытие на по существу все выбранные поверхности подложки, подлежащие покрытию. Под покрытием «по существу» понимают, что для нанесения достаточного покрытия, покрытие из частиц на соответствующих участках подложки не будет содержать видимых дефектов, таких как разрывы или отверстия в мозаике из частиц, которые будут оставлять поверхность подложки открытой в той степени, которая позволит это визуально обнаружить невооруженным глазом. Наличие площади поверхности выбранного участка(ов) подложки, подлежащего покрытию частицами, составляющей по меньшей мере 80%, или по меньшей мере 85%, или по меньшей мере 90% или по меньшей мере 95% относительно площади, покрытой частицами, рассматривается как значительная степень покрытия (т.е. обеспечивающая по существу сплошной слой частиц). Это приводит к получению визуального эффекта, придающего глянец или блеск.
Для получения эффектов более низкого качества или таких визуальных эффектов, как блестки, блики и перламутровый эффект, удовлетворительной может быть зона покрытия, составляющая менее 50%. Таким образом, в зависимости от требуемого визуального эффекта и задействованных частиц согласно настоящему изобретению можно использовать монослой с зоной покрытия до 50%.
Процент площади, покрытой частицами вне конкретной заданной поверхности, можно оценить с помощью многочисленных способов, известных специалистам в данной области, в том числе, путем определения оптической плотности, возможно, в сочетании с построением калибровочной кривой из известных точек покрытия путем измерения проходящего света, если частицы или подложка являются достаточно прозрачными, или наоборот, путем измерения отраженного света, например, если частицы являются отражающими. Определение в процентах площади подложки, покрытой частицами, можно осуществить с помощью микроскопии и анализа изображений соответствующих полей обзора исследуемой поверхности. В зависимости от частиц и подложки указанные изображения можно зафиксировать в режиме отражения или пропускания, отображая изображение в серой шкале (например, 8-битовой), что позволяет различать частицы и промежутки в соответствии с пороговым значением, определение которого (обычно, как рекомендуют, с помощью программы анализа изображений) позволяет рассчитать относительную площадь покрытия, которую также можно выразить в виде соотношения.
Для получения визуальных эффектов, придающих матовость, частицы можно выбрать таким образом, чтобы обеспечить соответствующий внешний вид (например, частицы могут иметь матовую наружную поверхность или форму, не относящуюся к пластинке), или указанные частицы можно ориентировать на полимерной подложке таким образом, чтобы обеспечить такой эффект. Как легко можно понять, частицы, расположенные не параллельно относительно поверхности подложки, даже будучи отражающими, могут рассеивать свет способом, вызывающим суммарный эффект, придающий матовость. Соответственно, эффект, придающий матовость, может быть достигнут путем применения подложки со сравнительно шероховатой поверхностью. При необходимости, базовое покрытие с шероховатой поверхностью можно наносить таким образом, чтобы помешать параллельной ориентации частиц относительно подложки, что облегчает обеспечение матовости. Как обсуждалось ранее, полимерная поверхность со сравнительно низкой твердостью может способствовать такому придающему матовость эффекту.
Дополнительные визуальные эффекты могут включать эффект, придающий металлический вид, перламутровый эффект, эффект, придающий радужный вид, эффект, придающий блеск, эффект, придающий сияние, и подобные «оптические эффекты», которые могут возникать при любом типе отражения, дифракции и интерференции света, в зависимости от ситуации. Все перечисленные визуальные эффекты могут проистекать, помимо других факторов, из самой природы применяемых частиц (например, способности их поверхности отражать свет), их формы, их размеров, их распределения частиц по размерам, их содержания в применяемой для покрытия текучей среде, их ориентации на подложке и/или их плотности на указанной подложке. Перечисленные факторы известны специалисту в данной области техники и нуждаются в дополнительном подробном рассмотрении.
Хотя предложенный способ был описан со ссылкой на конкретный вариант реализации, следует понимать, что специалист в данной области техники может сделать разные модификации, не отклоняясь, тем не менее, от объема прилагаемой формулы изобретения.
Например, хотя полимерный материал был описан как гидрофобный, а жидкий носитель частиц как водный, вместо этого можно использовать любую комбинацию полимера и жидкости в качестве носителя при условии, что угол смачивания между ними превышает 90°.
В описании и формуле настоящего изобретения каждый из глаголов «содержит», «включает» и «имеет» и их производные, используется для указания того, что объект или объекты, к которым относится указанный глагол, не обязательно представляют собой полный перечень особенностей, компонентов, стадий, деталей, элементов или частей субъекта или субъектов данного глагола. Указанные термины также включают термины «состоящий из» и «по существу состоящий из».
В настоящем описании существительные в единственном числе также включают и множественное число и означают «по меньшей мере один» или «один или более», если контекст явным образом не указывает на иное.
Термины, относящиеся к положению, такие как «верхний», «нижний», «правый», «левый», «нижняя часть», «ниже», «внизу», «под», «пониженный», «низ», «верх», «над», «поднятый», «высокий», «вертикальный», «горизонтальный», а также их грамматические варианты, могут использоваться в настоящем документе только в описательных целях для иллюстрации относительного положения или размещения конкретных компонентов, для обозначения первого и второго компонента на текущей иллюстрации или для того и другого. Такие термины не обязательно указывают на то, что, например, «нижний» компонент находится под «верхним» компонентом, сами по себе направления, компоненты или и то, и другое могут быть поменяны местами, повернуты, перемещены в пространстве, размещены диагонально, горизонтально или вертикально, или модифицированы аналогичным образом, например, в зависимости от формы изделия, подлежащего покрытию, и от ориентации в пространстве полимерных поверхностей, к которым может быть применен текущий способ.
Если не указано иное, применение выражения «и/или» между последними двумя элементами из списка возможных вариантов для выбора указывает на то, что выбор одного или более из перечисленных вариантов является подходящим и может быть сделан.
В настоящем описании, если не указано иное, подразумевают, что такие термины, как «по существу» и «приблизительно», которые модифицируют условие или характеристику взаимоотношений признака или признаков варианта реализации настоящей технологии, означают, что указанное условие или характеристика определена в пределах допустимых значений, которые являются приемлемыми с точки зрения функционирования варианта реализации в области применения, для который он предназначен, или находится в пределах вариаций, ожидаемых от выполняемого измерения и/или от применяемого измерительного прибора. В настоящем документе когда числовому значению предшествует термин «примерно», подразумевают, что такой термин «примерно» указывает на +/-10% или даже только +/-5%, и в некоторых случаях соответствует точному значению.