光固化与真空镀膜的跨界开发 - 热点透视

      “物理气相沉积（PVD）”，又称“真空镀膜”或者“真空金属化(VM)”，在物理气相沉积（PVD）的基础上，“真空镀膜”进一步采用了一种所谓“三明治”膜层结构——即在基体表面上实施“底漆+镀膜+面漆”结构，从而大大地改善了物理气相沉积（PVD）的工艺性能，为“真空镀膜”的工业推进开辟了广阔的应用市场。
       “真空镀膜”除了大规模应用于塑料基材的金属化以外，目前还可以应用于商品（特别是食品和药品）包装、各种电子元器件的制备，以及防止静电积累等方面。特别是“真空镀膜”，通过采用各种颜色实现基体金属化表面彩镀，为“物理气相沉积（PVD）”增添了丰富的技术内容。
       随着UV光固化涂料的进展，“UV光固化-真空镀膜（UV/ PVD）”的跨界技术集成，早已超越了单纯“物理气相沉积（PVD）”的加工模式，而可能为基材金属化镀膜提供一个全新的技术平台，两种技术（UV /PVD）的跨界集成，特别是在功能/设计能力方面表现出的技术优势，有可能为确立“看似像电镀金属铬一样”的“替代”方案铺平道路，并且还可能从过去关注的焦点——加工成本与环境保护，向提升技术功能高度的方向转移。　

　
真空镀膜中UV光固化的应用开发

　　“UV光固化-真空镀膜（UV/ PVD）”的跨界技术集成，早期在汽车照明领域的成功开发，为塑料基材金属化进入全球装饰加工市场铺平了道路。事实上，欧美在20世纪80年代中期，就采用UV固化底漆加上金属真空沉积(PVD)，表面再涂装UV固化清漆（“三明治”膜层结构），已在各种刚性塑料基材或柔性塑料基材获得高光反射涂层。选择不同的金属，通过真空沉积（PVD）中可取得不同色彩的金属高光效果，可为取代“电镀金属铬（Cr）”提供一种优选的解决方案。进入本世纪，UV /PVD技术集成，又成功地进入包括汽车内外装饰、家用电器、化妆品包装等市场。
　亚洲和欧洲的市场，虽然在开展汽车内外装饰件的物理气相沉积（PVD）镀膜时，目前看来仍然主要采用传统的热固化“底漆”和热固化“面漆”，然而采用传统的热固化涂料，整个物理气相沉积（PVD）过程的加工时间（cycle times）一般需要几个小时，才能保证涂层的充分固化，因而应用受到限制。为此，UV光固化涂料可以提供一种解决方案，因为UV光化学过程本身具有更好的表面耐划伤、耐磨与耐化学品的潜在能力，并且还具有几乎瞬时固化的优点。专门用于物理气相沉积（PVD）的UV光固化涂料体系，部分由于其几乎瞬时固化的特点，因此可以建立在线的生产系统，而且占地面积（footprints）更小。这一切都有助于改善物理气相沉积（PVD）镀膜的整个成本模式。
    （1）真空镀膜中UV光固化的加工过程
      在真空金属镀膜的物理气相沉积（PVD）中，UV光固化过程最主要的加工内容是：在需要加工的表面上实施底漆与面漆的涂布与固化。UV光固化底漆与面漆可根据不同的基材的形态与具体应用要求，采用不同的涂装作业方式。从表1中可以看出，UV光固化过程众多的优势，有可能为真空金属镀膜的物理气相沉积（PVD）加工提供更为理想的解决方案。
　（2）UV/ PVD早期开发的启示——在汽车照明市场的突破
      “UV光固化-真空镀膜（UV/ PVD）”的跨界技术集成，在全球汽车照明（汽车前灯聚光透镜与反射灯罩）市场中的应用，已经有30年的历史，目前已成为欧美国家的生产规范标准。汽车照明市场，除了照明灯泡之外还包括反射灯罩与聚光透镜。UV光固化在汽车反射罩真空镀膜中的应用，不仅缩短生产周期，而且在外观、附着力和耐热性等方面改善了产品性能。较之传统热固化工艺，UV光固化无论从环保角度和生产效率，还是在节约能源消除火灾隐患等方面都向前推进了一大步，目前已成为欧美国家的生产规范标准。
　 UV光固化在的聚光透镜的成功应用为汽车照明市场的巩固提供了支撑。现代汽车前灯的聚光透镜目前大都采用聚碳酸酯（PC）作为材料。这种PC聚光透镜，在几何光学设计上较之玻璃灵活得多。早期PC透镜的加工一般采用传统热固化工艺，不仅需要在PC塑料表面涂布底漆以增强附着力，而且涂料热固化时间长达2.5个小时。传统热固化工艺虽几经改进，生产周期已下降到30～45 min，但仍需取决于具体加工工艺。一种UV光固化“硬涂料（即具有耐划伤-耐磨性能而且户外耐用性强的涂料）”，可以直接涂布在PC表面上而不再需要底漆，从而进一步简化UV光固化工艺。较之传统热固化涂料工艺，UV光固化硬涂料所需的加工时间从最初的2.5个小时可缩短到8分钟，同时还改善了涂层的使用性能与户外耐候性。
　（3）真空镀膜中UV光固化的加工生产线
　 “UV光固化-真空镀膜（UV/ PVD）”加工，借助于 UV光固化涂料实现塑料基材金属化“三明治”膜层结构。较之溶剂型热固化“传统涂料”，UV光固化涂料具有能耗低、污染小、固化速度快等突出技术优势，因而在市场上取得了越来越多的应用。UV光固化涂料快速固化的特点，不仅体现在生产效率的提高上，而且可以完成在线涂装-固化，实现流水线生产作业、或者半流水化作业（对单个塑料制件）。专门用于物理气相沉积（PVD）的UV光固化涂料体系，部分由于其几乎瞬时固化的特点，因此可以建立连续的在线生产系统，而且占地面积更小。这一切都有利于改善物理气相沉积（PVD）镀膜的整个成本模式。由于涂层固化瞬时完成，UV光固化涂料成膜所需的时间大大缩短，从而减少湿膜涂层表面遭受污染的几率，有利于保证生产加工过程中金属镀膜的平整度及其产品的最终质量。

UV/PVD跨界集成的应用实例

　　 “UV光固化-真空镀膜（UV/ PVD）”跨界集成技术，于20世纪80年代中期，首先在汽车照明（聚光透镜之后的反射灯罩）领域取得市场突破。从此以后，UV光固化涂料——“底漆”和“面漆”作为真空镀膜的“三明治”结构，直接引入到物理气相沉积（PVD）的加工过程中，为表面装饰行业和其他一些行业，特别是汽车内外装饰件、家用电器、化妆品包装等行业开创了新的应用局面。
       (1)UV/PVD在汽车中的应用
        众所周知，过去汽车内外装饰件加工，特别是塑料基材金属化效果，是借助于电化学方法的金属电镀工艺来的实现的。金属电镀，特别是“金属铬（Cr）”电镀，长期以来在汽车市场具有难以撼动的地位。因此，金属电镀过程可以说是一种“传统”的镀膜加工技术。然而“金属电镀”过程，近年来由于可能产生环境污染而日益受到关注，因此采用“物理气相沉积（PVD）”替代“金属铬（Cr）电镀”的呼声，目前已成为一个热门话题。事实上，光固化过程引入真空金属镀膜，为“ UV/ PVD跨界集成技术”替代“金属铬（Cr）电镀”提供了市场机会。　　
　（2）UV/PVD跨界集成的优势
　 UV光固化过程，除了优化物理气相沉积（PVD）加工工艺之外，还可以提升塑料基材金属化的功能水平。其中，UV光固化涂料为UV光固化过程的实现提供了物质基础。然而，UV光固化过程在物理气相沉积（PVD）加工中并不具有唯一性。事实上，亚洲和欧洲在汽车内外装饰件金属镀膜应用中，目前最多的还是采用热固化底漆和面漆，包括传统的溶剂型涂料、单组份（1K）涂料、双组份（2K）涂料，以及粉末涂料等。除了UV光固化过程与热固化加工过程以外，还存在一种“双重固化（dual cure）过程”，即结合“UV光固化过程”与“热固化加工过程”形成所谓“双重固化过程”，两者在理论上可以取长补短、优势互补。“双重固化过程”的加工速度虽然相对较高，然而所用涂料适用期（pot life）仍然类似于“热固化加工过程”。
   　如果将UV光固化过程与热固化加工过程在各个具体实施阶段进行比较，UV光固化过程具有明显的优势：
       ——加工速度 UV光固化过程加工速度快（20分钟），热固化加工过程需时80分钟以上。
       ——停留时间进入真空镀膜加工工序前，UV光固化过程停留时间（dwell time）短，而热固化加工过程需要更长的时间（后固化效应）。
      ——操作温度 UV光固化过程是常温操作，因而可选择的塑料基材范围大。热固化加工过程一般伴有升温过程，热敏材料加工受到限制。
       ——适用期 UV光固化过程所采用的涂料，在施工中一般不存在适用期（pot life）问题，或适用期很长。而热固化加工过程所采用的涂料，一般存在施工适用期问题。
      ——涂料配方 UV光固化过程所采用的涂料都为单组份（one component）涂料，只有在UV光照射的条件下才能固化，因此具有潜在的可回收性（potential reclaimability）。一般传统的热固化涂料，如溶剂型涂料、单组份（1K）涂料（1罐装）、双组份（2K）涂料（2罐装）等不具备这方面的优势。
      ——交联密度 UV光固化过程涂层交联密度高，有利于不同类型的金属镀膜的加工。而热固化加工过程涂层交联密度低，镀膜金属类型受限。
　　从欧美市场可以看到，近年来“UV/ PVD跨界集成”在汽车上的成功应用，可以归纳为以下几点：
       ——环保优势物理气相沉积（PVD）与UV涂料光固化，虽然跨界但两者都不涉及化学处置问题，因而是一种环境友好加工过程。UV光固化底漆与面漆，都为高固含量涂料，有机挥发物（VOCs）为低排放或零排放。“UV光固化-真空镀膜（UV/ PVD）”整个加工过程不使用六价铬（Cr）、金属镍（Ni）或者其他有毒化学成分。所有涂层与镀膜，虽然包含有金属成分，然而材料都是环境友好物质，并且可以重新加以利用。
      ——稳固性与安全性 UV光固化真空镀膜，由于没有改变塑料基材的断裂强度（breaking strength），因此金属真空镀膜的塑料制件，不像电镀金属铬（Cr）表面具有脆性而缺乏安全稳固性，不会因受到冲击而导致爆裂碎渣（splinters）或者产生金属飞溅颗粒（flying metal particles）伤人的情况发生。此外，金属镀膜的塑料制件表面也没有尖锐棱角，因此有利于保障用户的安全性。为此，UV光固化真空镀膜具有一些潜在的应用，包括门把扶手、气囊袋图案标记（airbag emblems）、架空构件（overhead components）、车身安全部件（body security parts）等等。
        ——设计的灵活性 UV光固化过程，为塑料基材的物理气相沉积（PVD）加工提供了电镀金属铬（Cr）难以企及的设计灵活性。例如，金属真空镀膜层通过激光刻蚀（laser etching），可以取得白天/夜晚不同的设计效果（day/night design），有助于使塑料金属化制件中白天“看似像电镀铬一样”，然而在夜晚时通过背光照射金属镀膜的UV光固化涂料叠层映出柔弱的背光色彩，有如一台“隐蔽”的显示器镶嵌在一块外观类似的金属板内。此外，UV光固化真空镀膜，有利于适应网版印刷或者移印（pad）、涂胶（gluing）等加工,以及在塑料基材上与金属基材上实现精工制品（filigree）的表面结构，例如拉丝效果（brushed effects）。
        光固化在物理气相沉积（PVD）加工过程中的应用，还可能为金属真空镀膜实现一些先进功能，例如射频透明装饰金属镀膜（RF transparent decorative PVD layers）；用于触摸屏显示器的高非导电系统（＜100 kΩ）；以及用于“隐蔽”天线或者“隐蔽”传感器技术，同样也适用于电容器或者红外（RF）传感器技术。
      ——外观表达的多样性 UV光固化真空镀膜，可以实现外观表达的多样性，例如不同光泽度的金属外观，全光泽镀铬（Cr）外观，亚光/缎纹低光泽镀铬（Cr）外观，透明镀铬（Cr）外观（transparent chrome）等等。此外，还可实现装饰性硬涂层（decorative hard coatings）——金属陶瓷(metal ceramics)，通过沉积加工改变真空镀膜的颜色，并且取得暗铬/黑铬（Dark Chrome/Black Chrome）外观。UV光固化涂料，特别是UV光固化面漆的着色（tinting），几乎为塑料基材的物理气相沉积（PVD）加工提供了一个无限色彩的平台。

UV/PVD跨界集成面临的挑战

   　虽然UV/PVD跨界集成在汽车上应用取得了某些成功，欧美业界认为，这一技术目前主要面临的挑战在于：
       ——没有统一的衡量标准 UV光固化真空镀膜的性能，例如外观，目前很难与现有电镀金属铬（Cr）的通用标准进行精确的匹配，因此也难于在成本上进行认真的比较。
      ——生产与使用之间的关联性不强一般贴牌的金属真空镀膜加工厂商（OEM），其生产规范与出厂标准与实际使用场合之间的关联并不十分明晰。
      ——关键性试验的验证金属真空镀膜外观改变为一种公众共同认知的成熟体系，需要进行一些更为关键性的试验验证。
      ——过程的控制性物理气相沉积（PVD），其加工的过程控制，是金属真空镀膜质量保证关键的一环。
      ——加工能力受到限制近年来虽然UV光固化/真空镀膜(UV/PVD)跨界集成在开发上取得了进展，特别是在在汽车上的应用中成果明显，然而该技术目前由于规范尚不完善、标准也不统一，因此全球并未形成一个规模化的大市场。