Wie läuft die Vakuummetallisierung von Kunststoff ab?
Einführung:Durch die Metallisierung von Kunststoffoberflächen werden die Oberflächeneigenschaften von Kunststoff verbessert, sodass dieser die einzigartigen Eigenschaften von Kunststoff und Metall aufweist. Bei der Vakuumbeschichtung wird in einem Hochvakuumzustand in molekularer oder atomarer Form eine dünne Metallschicht auf der Oberfläche des Kunststoffs abgeschieden, was eine der wirksamsten Methoden zur Metallisierung der Kunststoffoberfläche ist. In diesem Artikel teilen wir die relevanten Inhalte zur Vakuumbeschichtung von Kunststoff als Referenz für unsere Freunde in der Lieferkette:
Vakuumbeschichtung ist eine Methode zur Bildung eines dünnen Films auf der Oberfläche eines plattierten Teils (Metall, Halbleiter oder Isolator) durch Erhitzen eines metallischen oder nichtmetallischen Materials im Hochvakuum und anschließendes Verdampfen und Kondensieren.
01 Vakuumbeschichtungsverfahren
Bei der Vakuumverdampfungsbeschichtung wird das Beschichtungsmaterial in einer Vakuumumgebung erhitzt, so dass es in sehr kurzer Zeit verdampft. Die verdampften Beschichtungsmaterialmoleküle lagern sich auf der Kunststoffoberfläche ab und bilden eine Beschichtungsschicht. Diese Methode ist einfach und bequem, leicht zu handhaben, hat eine hohe Filmgeschwindigkeit und Effizienz und ist die am weitesten verbreitete Technologie bei der Vakuumherstellung dünner Filme. Allerdings ist die Kombination von Film und Substrat schlecht, die Wiederholbarkeit des Prozesses ist nicht gut und es kann nur Aluminium wie Metall mit niedrigem Schmelzpunkt verdampft werden.
Beim Magnetronsputtern wird die Beschichtung in einem mit Inertgas gefüllten Vakuum aufgebracht und zwischen dem Kunststoffsubstrat und dem Metalltarget wird Hochspannungsgleichstrom angelegt. Die durch die Glimmentladung des Inertgases erzeugten Elektronen bilden ein Plasma, das die Atome des Metalltargets herausschlägt und auf dem Kunststoffsubstrat ablagert. Da die Atomenergie beim Sputtern um 1 bis 2 Größenordnungen höher ist als die Atomenergie beim Verdampfen, werden bei der Energieumwandlung hochenergetische Sputteratome auf dem Substrat abgelagert, und es kann sogar ein Injektionsphänomen auftreten. Während des Filmprozesses beim Sputtern befindet sich das Substrat immer in der Plasmazone, die gereinigt und aktiviert wird. Daher haftet die Sputterbeschichtung besser an der Oberfläche des Kunststoffs als die Verdampfungsbeschichtung, da die Schicht dicht und gleichmäßig ist. Wenn Sie beispielsweise das Werkstück richtig drehen, können Sie eine gleichmäßigere Beschichtung auf der Oberfläche eines komplizierten Ionenbeschichtungsverfahrens erzielen. Bei der Beschichtung wird gleichzeitig ein energiegeladener Ionenbeschuss auf die Oberfläche des Werkstücks und die Filmschicht verwendet, sodass die Bindungskraft zwischen der Beschichtungsschicht und dem Substrat gut ist und nicht leicht abfällt. Da die Energie der Metallatome geringer ist als die Energie der Dampfabscheidung, kann selbst bei geringer Hitzebeständigkeit des Kunststoffs eine gute Metallschicht auf der Oberfläche erzeugt werden.
02 Besondere Eigenschaften von Kunststoffen als Beschichtungsträgermaterial
Es gibt viele Kunststoffarten, von denen nicht alle im Vakuum beschichtet werden können. Manche weisen eine schlechte Bindung mit der Metallschicht auf und sind ohne praktischen Nutzen. Wieder andere weisen zu große Unterschiede in den physikalischen Eigenschaften der Metallbeschichtungsschicht auf, beispielsweise im Ausdehnungskoeffizienten, und ihre Leistungsfähigkeit in Umgebungen mit großen Temperaturunterschieden lässt sich nur schwer gewährleisten. Daher weisen Kunststoffe als Substratmaterial im Vakuumbeschichtungsverfahren einen gewissen Grad an Spezifität im Vergleich zu anorganischen Materialien wie Metall und Glas auf.
Schlechte Hitzebeständigkeit der Matrix
Die Abscheidungstemperatur ist also begrenzt. Kunststoffe sind polymere organische Stoffe und weisen eine schlechte Hitzebeständigkeit auf. Insbesondere optische Kunststoffe müssen im Allgemeinen bei einer Temperatur von 35 bis 45 Grad beschichtet werden. Und bei der Vakuumbeschichtung wird das Substrat, unabhängig von der verwendeten Methode, durch Hitze beeinflusst, wie etwa die Strahlungswärme der Verdampfungsquelle, die kinetische Energie hochenergetischer Sputteratome, die auf das Substrat treffen, und die Kohäsionsenergie der Atome des beschichteten Materials usw., was zu einem Temperaturanstieg des Substrats führt. Durch die Kontrolle der Substrattemperatur innerhalb des zulässigen Bereichs wird die Abscheidungstemperatur während der Vakuumbeschichtung unter Kontrolle gehalten.
Schlechte Haftung auf Metallbeschichtungen
Eine schlechte Haftung zwischen Kunststoff und Metallbeschichtung ist erstens auf die Oberflächenenergie von Kunststoff zurückzuführen, die im Allgemeinen niedrig ist und eine schlechte Oberflächenpolarität aufweist. Zweitens neigt Kunststoff zu statischer Elektrizität, die Oberfläche neigt zur Staubadsorption. Gleichzeitig sind die Kunststoffteile weich und chemisch schlecht beständig, sodass es nicht einfach ist, eine wirklich saubere Oberfläche zu erhalten. Die Sauberkeit der Kunststoffoberfläche ist ein wichtiger Faktor, der die Haftung zwischen Kunststoff und Metallbeschichtung beeinflusst. Drittens: Selbst wenn die Kunststoffoberfläche sauber gehalten wird, entsteht aufgrund des um eine Größenordnung unterschiedlichen Ausdehnungskoeffizienten zwischen Kunststoff und Metall während des Filmbildungsprozesses oder danach durch Temperaturänderungen thermische Spannungen. Zu große Spannungen führen dazu, dass die Beschichtungsschicht reißt oder sogar abfällt. Darüber hinaus entsteht aufgrund des Abscheidungsprozesses der Metallfilmstruktur und anderer Faktoren während des Prozesses eine gewisse innere Spannung. Wenn die innere Spannung sehr groß ist, wird das auf der Kunststoffoberfläche abgelagerte Filmmaterial auf die Metallbeschichtungsschicht übertragen, wodurch die Stabilität der Beschichtungsschicht verringert wird oder die Beschichtungsschicht sogar reißt und knittert. Um das Kombinationsproblem von Metallbeschichtung und Kunststoffsubstrat zu lösen und sicherzustellen, dass die Beschichtung und die Kunststoffoberfläche gut miteinander harmonieren, kann eine Vakuumbeschichtung verwendet werden, wobei die Kunststoffoberfläche mit einem Beschichtungsmetall beschichtet wird, das eine Affinität zur Grundbeschichtung hat, oder eine Koronaentladungsaktivierungsbehandlung der Kunststoffoberfläche durchgeführt wird.
Leichtes Entgasen unter Vakuum
Kunststoffe enthalten Luft, Lösungsmittelrückstände, Feuchtigkeit, Weichmacher usw. Unter Vakuumbedingungen werden eine oder mehrere der oben genannten Komponenten freigesetzt, wodurch der Vakuumgrad sinkt, die Vakuumzeit verlängert wird, die gesamte Beschichtungswirkung beeinträchtigt wird und in schweren Fällen sogar die Vakuumbeschichtung erschwert wird. Außerdem weist Kunststoffe verschiedener Hersteller einen unterschiedlichen Gasgehalt auf. Selbst bei gleicher Kunststoffart können die Ausgasungseigenschaften bei der Dampfbeschichtung jedes Mal unterschiedlich sein, was die Vakuumbeschichtung von Kunststoffen erheblich erschwert. Um eine ideale Beschichtungsschicht auf der Kunststoffoberfläche zu erhalten, werden am häufigsten Methoden angewendet, um die Kunststoffoberfläche mit einer geeigneten Beschichtung zu verschließen, die Ausgasung unter Vakuum zu verringern oder ein Doppelkammer-Vakuumgerät zu verwenden, um die Pumpleistung zu verbessern. Derzeit sind auch Ionenbeschuss und Vakuumerhitzen und -backen als zwei Arten von Entgasungsmethoden weit verbreitet.
03 Kunststoffbeschichtungsanwendungen
Anwendung dekorativer Funktionen
Die typische Anwendung von Dekorfolien ist Gold- und Silberdraht, der durch die Verwendung von Polyesterfolie, die nach der Aluminiumbeschichtung verarbeitet wird, zu einem unverzichtbaren Dekorationsmaterial für Textilien geworden ist und in verschiedenen Bereichen wie Alltagsgegenständen, Kunsthandwerk und Bühnenkunstbedarf sehr beliebt ist. Darüber hinaus wird dekorative Kunststoffbeschichtung auch häufig in Instrumenten, Maschinen, Autos, Spielzeugen, Lampen und Haushaltsgeräten usw. verwendet. Sie hat einen hohen wirtschaftlichen Wert und ist praktisch.
Anwendung der Barrierefunktion
Um den Umlaufzyklus von Waren und die Haltbarkeit zu verbessern, wird die Verpackung von Waren immer wichtiger. Insbesondere bei Lebensmitteln, Medikamenten, Kosmetika, Reinigungsmitteln und anderen Waren mit hohen Qualitätsanforderungen ist die Verwendung von Verpackungsmaterialien mit hoher Barriereleistung oft das effektivste Mittel. Häufig verwendete Verpackungsfolien mit hoher Barriereleistung sind Kunststofffolien, die im Vakuumverdampfungs- oder Vakuumzerstäubungsverfahren mit einer Aluminiumschicht beschichtet werden.
In letzter Zeit wird nicht nur hitzebeständige Verpackungsfolie mit hohen Barriereeigenschaften verlangt, sondern auch gute Transparenz und ausgezeichnete Mikrowellentauglichkeit. Eine Methode zur Herstellung von transparenten Folien mit hoher Barriere ist die Vakuumbeschichtung von Kunststofffolien mit SiOx, wobei eine anorganische Schicht aus Siliziumoxid beschichtet wird. Die Folie hat hohe Barriereeigenschaften, ist hochtemperaturbeständig, transparent und mikrowellentauglich, hat aber auch eine ähnliche Funktion wie Glasbehälter, um die Frische des Aromas zu bewahren. Neben SiOx können zur Dampfabscheidung auch Al2O3, MgO, TiO2, Gd2O3, Y2O3 usw. verwendet werden.
Anwendung der elektromagnetischen Funktion
Heutzutage werden elektronische Instrumente in Richtung „leicht, dünn, kurz, klein“ und multifunktional, leistungsstark und kostengünstig geschaltet. In elektronischen Instrumenten werden häufig Kunststoffgehäuse, Kunststoffteile oder -platten verwendet. Die elektromagnetischen Wellen der Außenwelt können leicht in das Gehäuse oder die Platte eindringen und den normalen Betrieb des Instruments stören. Die von dem Instrument erzeugten elektromagnetischen Wellen können auch sehr leicht in die Umgebung abgestrahlt werden und den normalen Betrieb anderer elektronischer Instrumente beeinträchtigen. Damit dieses elektronische Instrument die Anforderungen an die elektromagnetische Verträglichkeit erfüllt, wird die Oberfläche des Kunststoffs im Vakuum mit einer Metallfolie beschichtet. Nach der Oberflächenmetallisierung wird die vollständig isolierte Kunststoffoberfläche mit den Eigenschaften der Reflexion, Absorption, Leitung und Dämpfung elektromagnetischer Wellen wie bei Metall versehen, was eine Rolle bei der Abschirmung elektromagnetischer Wellenstörungen spielen kann. Die Vakuumbeschichtung von Kunststoff mit elektromagnetischer Funktion wird auch bei der Herstellung von Kondensatoren, elektromagnetisch abschirmenden Verpackungsfolien, transparenten leitfähigen Folien mit hoher Leitfähigkeit, Magnetfolien, kupferbeschichteten flexiblen Leiterplatten, Selengleichrichtern usw. verwendet. In der Energieindustrie ist beispielsweise die durch Vakuummetallisierung gewickelte Kunststofffolie ein wichtiger Bestandteil eines Folienkondensators. Nach der Vakuumbeschichtung können Polyester, biaxial orientiertes Polypropylen und andere Kunststofffolien als Elektroden des Kondensators verwendet werden. Transparente, leitfähige Kunststofffolien mit transparenter Leitfähigkeit werden bei der Herstellung von Solarzellen und elektrochromen Geräten mit transparenten Elektroden verwendet. Magnetfolien werden häufig in der magnetischen Aufzeichnungs- und magnetooptischen Speichertechnologie verwendet.
Anwendung von Licht- und Wärmefunktionen
Metallisierter Spiegelkunststoff hat nicht nur ein präzises und leichtes Gefühl im Vergleich zu Basiskunststoffen, sondern ist auch in Bezug auf mechanische Festigkeit, Hitzebeständigkeit, Dimensionsstabilität und Wasseraufnahme überlegen. Durch die Verwendung einer Vakuumbeschichtung aus Kunststoff mit Licht- und Wärmefunktion können Zivilspiegel, Scheinwerfer, Taschenlampenreflektoren, Verkehrsschilder, Brillen, Linsen, Astroteleskope, Interferenzfilter und Sonnenschutzfolien hergestellt werden. Wenn die Oberfläche von Kunststofflinsen mit einer Schicht aus Silber und Chrom beschichtet wird, kann diese starkes und schädliches Licht reflektieren. Wenn die Sonnenlichtregulierungsfolie auf das Polyestersubstrat mit einer dünnen Schicht aus Aluminium beschichtet wird, kann sie das Tageslicht filtern und im Sommer Kosten für die Raumkühlung sparen. In der Landwirtschaft kann die Vakuumbeschichtung aus Kunststoff mit Licht- und Wärmefunktion auch verwendet werden, um lichtdurchlässige, energiesparende Sonnenschutzfolien herzustellen, die beispielsweise in Obstgärten, auf Bauernhöfen, als Isolierung oder als Kältedämmung verwendet werden. Derzeit werden im Vakuumbeschichtungsverfahren neben der Beschichtung optischer Filme, elektrischer Filme, magnetischer Filme sowie einer Vielzahl neuartiger, farbenfroher Dekorfilme noch weitere Zusatzfunktionen entwickelt!
04 Farbbildung
Im Hochvakuum- und Hochtemperaturofen können durch Zugabe verschiedener Gase in Kombination mit den emittierten Ionen unterschiedliche Farben entstehen, und dann lagern sich die veränderten Ionen auf der Oberfläche des Produkts ab und bilden einen dichten Film. Wenn N2 hinzugefügt wird, ist die Plattierungsfarbe Gold; wenn C₂H₂ hinzugefügt wird, ist die Farbe Schwarz; wenn O2 hinzugefügt wird, sind die Farben mehrfarbig und blau; wenn N2 und C₂H₂ hinzugefügt werden, ist die Farbe Roségold usw., also ist die Farbe das Ergebnis der Kreuzung verschiedener Gase und Ionen.
Derzeit kann die Farbe der Filmschicht durch PVD-Beschichtung in den Farben Dunkelgold, Hellgold, Kaffeebraun, Bronze, Grau, Schwarz, Grauschwarz, sieben Farben usw. hergestellt werden. Durch die Steuerung der relevanten Parameter im Beschichtungsprozess kann die plattierte Farbe gesteuert werden. Nachdem die Beschichtung abgeschlossen ist, kann die Farbe mit dem entsprechenden Instrument gemessen werden, sodass die Farbe quantifiziert werden kann, um festzustellen, ob die plattierte Farbe den Anforderungen entspricht.