Нанесение покрытий на полимерные изделия : Металлизация, тиснение, матирование, полировка и пр.

создание оптического впечатления металлического изделия;

придание поверхностям электропроводности;

создание эффекта отражения.

Преимущества металлизированных изделий из полимеров в сравнении с металлическими изделиями следующие:

низкая плотность;

легкость и свобода оформления (дизайна);

экономия.

При эксплуатации металлизированных полимерных изделий следует иметь в виду, что хорошая химическая стойкость полимера на металлической поверхности нарушена. Существует несколько методов металлизации полимерных изделий, однако большое распространение получили лишь напыление в высоком вакууме и гальванизация.

Особое внимание уделяется предварительной подготовке поверхностей (обезжиривание). Задача грунтовочного слоя состоит в создании адгезионного подслоя для паров металла, чтобы компенсировать шероховатости поверхности. После отверждения первого покрытия внутри вакуумной камеры (10 3-10 6мбар), металл выпаривается в нагреваемом тигле и наносится на полимерное изделие. Нанесенные подобным образом слои металла (от 0,1 до 1,0 мкм) чрезвычайно нестойки к царапинам, поэтому их защищают дополнительным слоем лака. На прозрачные изделия напыление может быть нанесено с обратной стороны — это позволяет избежать дополнительного лакового слоя. На современных технологических установках время цикла напыления металлов составляет несколько минут.

Все большее значение приобретает непрерывное напыление, наносимое на полимерные пленки. Для пленок шириной до 1600 мм производственные скорости достигают 250 м/мин, а намотка пленок осуществляется в вакуумной камере.

Заметим, что качество нанесенного напылением металлического слоя наряду с правильной подготовкой во многом зависит также и от дополнительного лакового слоя. Гораздо большее значение имеет гальванизация полимерных поверхностей. В отличие от чрезвычайно тонких напыленных слоев в этом случае толщина слоев может доходить до 40 мкм. При гальванизации различают два этапа:

1. Нанесение электропроводящего слоя химическим способом.
2. Электролитическое нанесение декоративного слоя. Процесс упрощенно можно описать следующим образом.

Изделия из полимеров закрепляются в специальных зажимах и последовательно окунаются в несколько ванн, содержащих различные химикаты. В первой ванне содержится раствор хромовой смеси, которая обеспечивает шероховатость поверхности (рис. 1). Затем осуществляются тщательная промывка и обеззараживание хромовой смеси сульфатом железа.

В следующей ванне происходит активация полимерной поверхности посредством ее обработки хлоридом палладия. При этом в качестве условия для выполнения химической металлизации осуществляется нанесение металлического палладия. После подготовки за счет процесса восстановления возможно нанесение химическим способом электропроводящего медного или никелевого слоя; последний более распространен.

Следующая ванна и является собственно гальванической, где посредством постоянного тока обеспечивается возможность электролитического осаждения металлов из их солевых растворов. Ввиду лучшей адгезии, осаждение всегда выполняется в последовательности медь-никель-хром, а для декоративных целей вместо хрома иногда используется золото. Толщины слоев приблизительно следующие:

медь — от 20 до 25 мкм;

никель — от 10 до 15 мкм;

хром — 0,2 до 0,5 мкм.

Рис. 1. Химическое шерохование поверхности при гальванизации:

1 — диапазон действия окислителя;
2 — глубина проникновения кислотной смеси;
3 — фаза акрилонитрилостирола;
4 — фаза бутадиена

В качестве полимеров обычно используются АБС, ПП и полисульфон. Гальванизируемые полимерные изделия не должны содержать напряжений, иметь как можно более гладкую поверхность и быть одноцветными. Толщины стенок должны быть одинаковыми, а переходы поперечных сечений плавными (радиусы закругления по меньшей мере от 0,8 до 1,5 мм). Глубина вогнутостей не должна превышать 50% соответствующего радиуса. Отверстия диаметром менее 5 мм гальванизировать не следует.

Флокирование

Путем флокирования полимерных пластин или формованных изделий получают схожие с тканью поверхности, имеющие свойства замши, бархата или велюра. В процессе флокирования на полимерную поверхность наносится клей, после чего в него вводятся текстильные хлопья.

В принципе, хлопья могут быть изготовлены из любых природных и химических волокон. Общепринятыми являются хлопья из хлопка, искусственного шелка, полиэстера и ПА. Различают флоки, получаемые размолом волокон (длина волокон от 0,2 до 1,0 мм) и флоки, получаемые резанием (длина волокон от 0,3 до 5,0 мм). В качестве клеев могут использоваться однокомпонентные дисперсионные клеи на основе каучука, поливинилацетата или акрила, а также двухкомпонентные клеи на основе полиуретана. Клеи должны тщательно смачивать подлежащие флокированию поверхности и обладать достаточно продолжительным открытым временем. Кроме того, при флокировании в электростатическом поле они должны быть электропроводны.

Технология флокирования состоит в нанесении хлопьев на покрытую клеем полимерную поверхность, и в сушке флокированных поверхностей (схватывание клея). Раньше полимерные поверхности флокировались механическим способом, который состоял в насыпании или надуве хлопьев, причем подлежащие флокированию поверхности подвергались дополнительной вибрации (так достигали выравнивания хлопьев).

Сегодня рентабельное производство предполагает исключительно флокирование в электростатическом поле. В ходе этого процесса хлопья на электроде получают электростатический заряд, после чего в таком состоянии центрифугируются на электропроводящий клей, причем на обратной стороне подлежащих флокированию изделий находится заземленный противоположный электрод. Перепады напряжений при силах тока равных нескольким сотым мА составляют до 90 кВ. Нанесение флоков может осуществляться исключительно посредством электрического поля, однако в целях увеличения рабочей скорости принято применять комбинированные методы, например, электростатическое и пневматическое нанесение или же флокирование в электростатическом поле с дополнительной вибрацией обрабатываемого изделия. На рисунке 2 схематически представлена установка для флокирования в электростатическом поле непрерывного действия.

При флокировании формованных изделий используются фигурные электроды. При этом особое внимание следует обратить на то, чтобы на обрабатываемых изделиях не было острых кромок или углов. При особо глубоких выемках электростатических сил для нанесения флоков, как правило, бывает недостаточно. В этом случае рекомендуется дополнительно использовать сжатый воздух.

Рис. 2. Установка для флокирования в электростатическом поле

1 — нанесение клея валками;
2 — дозировка и резервуар для флоков;
3 — электростатический, пневматический отвод избытка хлопьев;
4 — зарядка хлопьев;
5 — высоковольтные электроды;
6 — противоположный электрод;
7 — канал сушки, охлаждения

Нанесение печати

На большинство изделий из реактопластов и термопластов печать можно наносить без предварительной подготовки. Особой подготовки поверхности требуют полимеры, которые с трудом поддаются склеиванию. В этом случае неполярные поверхности следует активировать соответствующей обработкой, чтобы создать условия для адгезии печатной краски к поверхности. Это особенно актуально для ПЭ и ПП. Нанесение печати имеет особое значение для декоративных пленок и всех видов упаковок.

При обработке полимеров предпочтительна печать сетчатыми шаблонами. Речь идет о «сквозном процессе», в ходе которого печатная краска с ракли продавливается сквозь открытые ячейки сита. Большое преимущество печати с сетчатыми шаблонами состоит в чрезвычайной экономичности этого метода, а также в том, что сито может быть приспособлено практически к любым геометрическим формам изделия. К печатным краскам особых требований не предъявляется. Печать сетчатыми шаблонами с помощью валков может осуществляться непрерывно.

Следующая технологией нанесения печати на полимерные изделия — тампонная печать, которая представляет собой вариант глубокой печати. Печатная краска принимается эластичным нажимным пуансоном (тампоном) и переносится на изделие. Давление тампона обеспечивает возможность нанесения печати на изделия с выпуклыми или вогнутыми поверхностями.

При нанесении печати, так же как и при склеивании, необходимо, чтобы поверхность, на которую предполагается нанести печать, была чистой и как можно более гладкой, что позволит добиться хорошей адгезии печатных красок. В данной технологии несложно подогнать печатную форму под контур изделия, на которое наносится печать. Состав печатных красок зависит от способа ее нанесения и от материала, из которого изготовлено изделие.

Различают краски, высыхающие под воздействием окисления, физически высыхающие краски (испарение растворителей) и химически затвердевающие краски (два компонента). В последнее время приобретает все большее значение технология горячего тиснения. Ее принцип основан на том, что нагретый штамп снимает с пленки-подложки цветную пленку и «вдавливается» в изделие. Горячее тиснение можно выполнять как за счет поступательного хода, так и методом обкатки (рис. 3).

Основные преимущества данного метода заключаются в простоте смены краски и рентабельности, кроме того изделие не нуждается в дополнительной сушке.

Рис. 3. Принцип горячего тиснения

а — метод хода: 1 — нагревательная головка;
2 — пресс;
3 — валок запаса;
4 — пленка;
5 — заготовка;
6 — выдвижение;
7 — штамп для тиснения;
8 — прием заготовки;

 

 

 

 

 

б — метод обкатки: 1 — размотка пленки;
2 — нагревательный короб;
3 — валок запаса пленки;
4 — заготовки;
5 — регулируемая бесступенчато-конвейерная лента;
6 — колесо для тиснения

 

Декоративная печать в основном наносится на изделия из ПС и его сополимеров, ПВХ, а также полиолефинов. Проще всего печать наносится на ПС, что объясняется его хорошей растворимостью.

При работе с ПВХ проблемы могут возникнуть при обработке его пластифицированных разновидностей, так как содержащиеся в печатных красках вяжущие вещества зачастую не способны впитывать или эгализировать блуждающие пластификаторы.

В производстве упаковки группой полимеров, имеющей наибольшее значение, являются полиолефины. Учитывая их низкую склонность к адгезии, они требуют предварительной обработки поверхности. Устройства для предварительной обработки пленки чаще всего бывают встроены в печатные машины.

Тиснение

Под тиснением, когда речь идет об облагораживании поверхности, понимают создание с помощью специальных инструментов (штампы, валки) структурных поверхностей изделий из термопластов в температурной области перехода от пластического состояния к эластическому. Тиснение чаще всего применяется для обработки непластифицированного ПВХ. Горячее тиснение в качестве декоративного способа обработки поверхностей соответствует нанесению печати горячим тиснением. Горячее тиснение может быть выполнено и без цветной пленки, в этом случае речь идет о блинтовом (бескрасочном) тиснении.

Маркировка лазером

Маркировка полимеров в последнее время все чаще выполняется с помощью лазера. Разработана технология, которая позволяет осуществлять бесконтактную, чистую, сухую, долговечную, рентабельную маркировку. Весь процесс, как правило, занимает несколько миллисекунд. При нанесении маркировки лазером различают метод отклонения луча и маскирование.

Метод отклонения луча

В данном методе лазерный луч с помощью подвижных зеркал направляется на полимерное изделие, что позволяет добиться линии, схожей с линией самопишущего инструмента. Надписи «вжигаются» в материал. Перемещение лазерного луча осуществляется программируемым устройством управления.

Нанесение надписи маской

При использовании этой технологии применяется маска, которая просвечивается лазерным лучом. Контуры маски отображаются на изделии с помощью линзы. После этого лазерный импульс переносит всю информацию с маски на поверхность полимера. Такой способ особенно пригоден для нанесения надписей на малоформатную упаковку в условиях массового производства. Вместе с тем для нанесения маркировки лазером имеется и ограничение — контрастность такой печати отчасти меньше, чем при использовании других методов маркировки. Кроме того, при определенных условиях незаметно изменение цвета, что делает надпись нечитаемой.

Лакирование

Несмотря на то, что производитель стремится к тому, чтобы создать необходимую поверхность изделия непосредственно в процессе формования, довольно часто требуется дополнительное лакирование. Кроме того, лакирование необходимо и по техническим причинам, например, для влаго- и газонепроницаемости изделия, придания ему электропроводности, защиты от ультрафиолетовых лучей и т. д. Лакированные изделия широко используются в автомобильной и мебельной промышленности.

При лакировании особое внимание следует обращать на чистоту и гладкость поверхностей изделий (или же на наличие у них нужной структуры). При конструировании изделия следует учитывать его лакирование (так, например, следует избегать труднодоступных участков). В изделиях не должно быть внутренних и поверхностных напряжений.

Как и среди печатных красок здесь различают лаки, высыхающие под воздействием воздуха или окисления, а также химически отверждаемые лаки. Необходимо, чтобы лак и изделие хорошо связывались между собой. Крайне важна чистота поверхности. При определенных обстоятельствах можно использовать вещества, повышающие прочность сцепления (промоторы адгезии).

Используются различные лаковые системы:

системы, на органических растворителях;

системы, растворимые в воде (дисперсии);

системы не содержащие воды или растворителей (реактивные лаки, лаки, высыхающие под воздействием окисления).

С учетом требований охраны окружающей среды и труда необходимо стремиться к снижению или полному предотвращению эмиссии растворителей. Этого можно добиться интенсивной очисткой воздуха, использованием эффективных методов нанесения лака или применением систем лаков, растворимых (разжижаемых) водой. В таких лаках вода выступает в качестве разбавителя или растворителя. После сушки лаки теряют свою способность к растворению в воде. Отчасти работа с подобными системами сложнее, чем работа с обычными лаками.

Все большее значение в этом направлении приобретает лакирование порошковыми лакокрасочными покрытиями (в электростатическом поле). Порошковые лакокрасочные покрытия в процессе нанесения получают электростатический заряд; необходимые при этом электропроводные поверхности получают с помощью специального грунта.

Лакирование может быть выполнено различными методами. Чаще всего применяется технология лакирования распылением (сжатым воздухом). Она пригодна практически для изделий всех форм и форматов. При многоцветном лакировании используются защитные маски. Толщина лаковой пленки определяется вязкостью лака, давлением воздуха и устройством форсунки. Если применяется металлопигмент, то создание равномерного лакового покрытия может быть связано с определенными сложностями.

Нанесение лакокрасочных покрытий погружением также довольно рентабельно, однако используется исключительно для одноцветных покрытий. Изделия должны быть сконструированы или подвешены таким образом, чтобы избыточный лак мог легко с них стекать. Нанесение лакокрасочных покрытий погружением в основном выполняется автоматически.

Поливочное нанесение лакокрасочных покрытий используется для больших и плоских поверхностей. Нанесение лакового покрытия валиками рекомендуется использовать, если возникла необходимость лакирования рельефных поверхностей изделия. При этом возможно, как перемещение валика по поверхности изделию, так и наоборот.

При обработке отдельных изделий или очень небольших партий лакирование выполняется вручную. В таблице 2 представлено несколько примеров лакирования изделий из полимеров.

 

Табл. 2 Примеры лакирования полимеров

Полимер	Поверхность нанесения лака	Отверждение
Ненасыщеная полиэфирная смола со стекловолокном	Полиэфир, ненасыщеная полиэфирная смола	Химическое
ПА	Акриловые смолы	Физическое, окислительное
Полиолефины (предварительная обработка!)	Термореактивные акриловые смолы, полиэфир, ЭС, модифицированные алкиднве смолы	Химическое, окислительное
ПФ (предварительная обработка!)	Термореактивные акриловые смолы, хлорированный ПП, циклокаучук	Химическое, физическое
Непластифицированный ПВХ	Сополимеры винилхлорида, акрилатные смолы, полиэфир	Химическое, физическое
ПС	Акриловые смолы, циклокаучук, нитроцеллюлоза, алкидные смолы, полиэфир, ЭС	Физическое, окислительное, химическое

 

Литература
«Переработка пластмасс», О. Шварц, издательство «Профессия», 2005