具有不鏽鋼外觀的塗敷製品的製作方法
2023-10-07 10:13:09 1
專利名稱：具有不鏽鋼外觀的塗敷製品的製作方法
技術領域：
本發明涉及採用具有不鏽鋼外觀或顏色的多層裝飾和保護性塗層塗敷的製品，特別是黃銅製品。
背景技術：
目前對於各種黃銅製品如龍頭、龍頭罩、門旋鈕、門把手、門鎖眼蓋等的實際情況是首先擦亮和拋光製品的表面到高光澤和然後塗敷保護性有機塗層(如由丙烯酸類、聚氨酯類、環氧類等組成的塗層)到此拋光的表面上。此體系的缺點是擦亮和拋光操作的勞動強度較大，特別是如果製品具有複雜的形狀。同樣，已知有機塗層並不總是如所需耐用的，且易於受酸的侵蝕。因此，如下情況是相當有利的如果黃銅製品，或事實上其它製品，塑料、陶瓷、或金屬，可以含有提供製品裝飾性外觀以及提供耐磨性，抗磨性和耐腐蝕性的塗層。在本領域已知的是可以將多層塗層塗敷到製品上，它提供裝飾性外觀以及提供耐磨性、抗磨性和耐腐蝕性。此多層塗層包括由耐火金屬氮化物如氮化鋯或氮化鈦組成的裝飾和保護性顏色層。此顏色層，當它是氮化鋯時，提供黃銅色，和當它是氮化鈦是提供金色。
U.S.專利Nos.5,922,478，6,033,790和5,654,108尤其描述了這樣的塗層，它提供具有裝飾性顏色的製品，如拋光的黃銅，且也提供耐磨性、抗磨性和耐腐蝕性。如果可以提供這樣的塗層是非常有利的，該塗層提供與包含氮化鋯或氮化鈦的塗層基本相同的性能但不是黃銅色的或金色的，是不鏽鋼色的。本發明提供這樣的塗層。
發明概述本發明涉及含有沉積在制品的至少一部分表面上的裝飾和保護性多層塗層的製品如塑料、陶瓷或金屬製品。更特別地，本發明涉及含有沉積在其表面上的某些特定類型材料的多個重疊層的製品或基材，特別是金屬製品如鋁、黃銅或鋅。塗層是裝飾性的和也提供耐腐蝕性、耐磨性和抗磨性。塗層提供不鏽鋼外觀，即具有不鏽鋼顏色色調。因此，在其上含有塗層的製品表面模擬了不鏽鋼表面。
製品首先在它的表面上沉積有聚合物基礎塗層。然後在聚合物基礎塗層的頂部，通過氣相沉積如物理氣相沉積，沉積一個或多個氣相沉積層。更特別地，直接沉積在基材表面上的第一層由聚合物材料組成。在聚合物層上是由耐火金屬或耐火金屬合金、氮氣和氧氣的反應產物組成的保護和裝飾性顏色層，其中氧和氮含量較低，即，低於化學計量。耐火金屬、氮氣和氧氣的反應產物或耐火金屬合金、氮氣和氧氣的反應產物的總氧和氮含量為約4-約32原子百分比和氮含量至少為約3原子百分比，優選約5-約28原子百分比和氮含量至少為約4原子百分比。
附圖簡述
圖1是含有多層塗層基材一部分的不按比例的橫截面圖，該多層塗層包括聚合物基礎塗層和直接在聚合物層上的顏色層，該顏色層由耐火金屬或耐火金屬合金、氮氣和氧氣的反應產物組成；圖2是相似於圖1的視圖，區別在於在基礎塗層和顏色層中間存在耐火金屬或耐火金屬合金的觸擊層(strike layer)；和圖3是相似於圖2的視圖，區別在於在顏色層上存在耐火金屬氧化物或耐火金屬合金氧化物層。
優選實施方案的描述製品或基材12可以由如下物質組成可以在其上塗敷鍍敷層的任何材料，如塑料，如ABS、聚烯烴、聚氯乙烯、和酚醛樹脂，陶瓷、金屬或金屬合金。在一個實施方案中，它由金屬或金屬合金如銅、鋼、黃銅、鋅、鋁、鎳合金等組成。
在本發明中，如圖1-3所示，將聚合物或樹脂基礎塗層13塗敷到製品表面上。在聚合物層13上通過氣相沉積塗敷耐火金屬化合物或耐火金屬合金化合物顏色層32。聚合物層尤其用作平滑和覆蓋製品表面中任何劃痕或缺陷的基礎塗層。聚合物基礎塗層13可以由熱塑性和熱固性聚合物或樹脂材料兩者組成。這些聚合物或樹脂材料包括公知的，常規和可購得的聚碳酸酯、環氧聚氨酯、聚丙烯酸酯、聚甲基丙烯酸酯、尼龍、聚酯、聚丙烯、聚環氧化物、醇酸樹脂和含苯乙烯聚合物如聚苯乙烯、苯乙烯-丙烯腈(SAN)、苯乙烯-丁二烯、丙烯腈-丁二烯-苯乙烯(ABS)、及其共混物和共聚物。
聚碳酸酯描述在U.S.專利nos.4,579,910和4,513,037，這兩篇文獻在此引入作為參考。
尼龍和聚醯胺可以通過二胺和二羧酸的反應製備。一般用於製備尼龍的二胺和二羧酸通常包含2-約12個碳原子。尼龍也可通過另外的聚合製備。它們描述在「聚醯胺樹脂」中，D.E.Floyd，ReinholdPublishing Corp.，紐約，1958，該文獻在此引入作為參考。
聚環氧化物描述在H.Lee和K.Nevill的「環氧樹脂」中，McGraw-Hill，紐約，1957，和描述在U.S.專利Nos.2,633,458、4,988,572、4,680,076、4,933,429和4,999,388中，所有這些文獻在此引入作為參考。
聚酯是芳族二羧酸和二元醇的縮聚產物。芳族二羧酸包括對苯二甲酸、間苯二甲酸、4，4』-二苯基二羧酸、2，6-萘二羧酸等。二元醇包括含有2-約10個碳原子的低級鏈烷二醇，例如，乙二醇、丙二醇、環己烷二甲醇等。聚酯的一些說明性非限制性例子包括聚對苯二甲酸乙二醇酯、聚對苯二甲酸丁二醇酯、聚間苯二甲酸乙二醇酯、和聚(對苯二甲酸1，4-環己烷二亞甲基酯)。它們公開於U.S.專利Nos.1,465,319、2,901,466和3,047,539中，所有文獻在此引入作為參考。
聚丙烯酸酯和聚甲基丙烯酸酯是來自如下物質聚合的聚合物或樹脂一種或多種丙烯酸酯，例如丙烯酸甲酯、丙烯酸乙酯、丙烯酸丁酯、丙烯酸2-乙基己酯等，以及甲基丙烯酸酯，例如甲基丙烯酸甲酯、甲基丙烯酸乙酯、甲基丙烯酸丁酯、甲基丙烯酸己酯等。以上丙烯酸酯和甲基丙烯酸酯單體的共聚物也包括在當它出現於其中時的術語「聚丙烯酸酯」和「聚甲基丙烯酸酯」中。以提供用於本發明實施有用的聚丙烯酸酯樹脂的單體丙烯酸酯和甲基丙烯酸酯的聚合可以通過任何公知的聚合技術完成。
苯乙烯-丙烯腈和丙烯腈-丁二烯-苯乙烯樹脂和它們的製備，尤其公開於U.S.專利Nos.2,769,804、2,989,517、2,739,142、3,991,136、4,387,179中，所有這些文獻在此引入作為參考。
醇酸樹脂公開於「醇酸樹脂技術」中，Patton，IntersciencePublishers，NY，NY，1962，和公開於U.S.專利Nos.3,102,866、3,228,787和4,511,692中，所有這些文獻在此引入作為參考。
環氧聚氨酯和它們的製備，尤其公開於U.S.專利Nos.3,963,663、4,705,841、4,035,274、4,052,280、4,066,523、4,159,233、4,163,809、4,229,335和3,970,535中，所有這些文獻在此引入作為參考。特別有用的環氧聚氨酯是電塗在制品上的那些。這樣的可電沉積環氧聚氨酯描述在上述U.S.專利Nos.3,963,663、4,066,523、4,159,233、4,035,274和4,070,258中。
這些聚合物材料可非必要地包含常規和公知的填料如雲母、滑石和玻璃纖維。
可以將聚合物基礎塗層13塗敷到基材表面上以尤其覆蓋製品表面中任何劃痕或缺陷和提供平滑和均勻的表面用於繼續層如氣相沉積層的沉積。
聚合物基礎塗層13的厚度至少有效使製品或基材的表面變平。一般情況下，此厚度至少為為約0.12μm，優選至少約2.5μm，和更優選至少約5μm。厚度上限範圍應當不超過約250μm。
在一些情況下，依賴於基材材料和聚合物基礎塗層的類型，聚合物基礎塗層並不充分地粘合到基材上。在這樣的狀況下，在基材上沉積底漆層以改進聚合物基礎塗層對基材的粘合。底漆層可以尤其由滷化聚烯烴組成。滷化聚烯烴是一般可市售的常規和公知的聚合物。優選的滷化聚烯烴是氯化和溴化聚烯烴，更優選是氯化聚烯烴。滷化聚烯烴，特別是氯化聚烯烴和它們的製備方法一起尤其公開於U.S.專利Nos.5,319,032、5,840,783、5,385,979、5,198,485、5,863,646、5,489,650和4,273,894中，所有這些文獻在此引入作為參考。
底漆層的厚度是有效改進聚合物基礎塗層對基材粘合的厚度。一般情況下此厚度至少為約0.25μm。厚度上限不是關鍵的且一般由次要的如成本和外觀的考慮來控制。一般情況下應當不超過約125μm的上限厚度。
在聚合物基礎塗層上，通過氣相沉積如物理氣相沉積和化學氣相沉積，沉積由耐火金屬、氮氣和氧氣反應產物，或耐火金屬合金、氮氣和氧氣反應產物組成的保護和裝飾性顏色層32。
耐火金屬或耐火金屬合金、氮氣和氧氣的反應產物一般由耐火金屬氧化物或耐火金屬合金氧化物，耐火金屬氮化物或耐火金屬合金氮化物，和耐火金屬氧-氮化物或耐火金屬合金氧-氮化物組成。因此，例如，鋯、氧氣和氮氣的反應產物包括氧化鋯、氮化鋯和氧-氮化鋯。包括氧化鋯和氮化鋯的這些金屬氧化物和金屬氮化物和它們的製備和沉積是常規和公知的，且尤其公開於U.S.專利No.5,367,285中，該文獻的公開內容在此引入作為參考。
此顏色層32具有不鏽鋼顏色或色調，它尤其是由於耐火金屬、氮氣和氧氣的反應產物，或耐火金屬合金、氮氣和氧氣的反應產物的較低的、低於化學計量的氮和氧含量而致。總氮和氧含量為約4-約32原子百分比和氮含量至少為約3原子百分比，優選約5-約28原子百分比和氮含量至少為約4原子百分比。因此，例如，氮含量是6原子百分比和氧含量是20原子百分比，氮含量是8原子百分比和氧含量是8原子百分比，氮含量是15原子百分比和氧含量是2原子百分比。氧的存在量一般至少為約1原子百分比。
這些反應產物的氮含量一般尤其對具有不鏽鋼顏色的塗層有影響。氮含量為至少約3原子百分比到約22原子百分比，優選至少約4原子百分比到約16原子百分比。氮含量不應當超過約22原子百分比，優選約16原子百分比，或塗層損失了它的不鏽鋼外觀和開始具有鎳顏色。因此，氮含量對於具有不鏽鋼顏色的塗層是關鍵的。
在由耐火金屬或耐火金屬合金、氮氣和氧氣的反應產物組成的保護和裝飾性顏色層32中，改變氧的數量會使不鏽鋼顏色層更帶藍色或帶黃色。增加氧含量會使顏色層具有帶藍色的色調。降低氧含量會使顏色層具有帶黃色的色調。
此顏色和保護層32的厚度是至少有效提供不鏽鋼的顏色和提供抗磨性，耐擦劃性和耐磨性的厚度。一般情況下，此厚度至少為約1,000埃，優選至少約1,500埃，和更優選至少約2,500埃。厚度上限範圍一般不是關鍵的且依賴於次要的如成本的考慮。一般情況下不應當超過約0.75μm，優選約0.5μm的厚度。
沉積層32的一種方法是通過採用反應性濺射或反應性陰極弧蒸發的物理氣相沉積。反應性陰極弧蒸發和反應性濺射一般相似於普通的濺射和陰極弧蒸發，區別在於將反應氣體引入腔室，其與移除的目標材料反應。因此，在其中層32由鋯、氧氣和氮氣的反應產物組成的情況下，陰極由鋯組成，且氮氣和氧氣是引入腔室的反應氣體。
除保護性顏色層32以外，可以非必要地存在另外的氣相沉積層。這些另外的氣相沉積層可包括由耐火金屬或耐火金屬合金組成的層。耐火金屬包括鉿、鉭、鋯和鈦。耐火金屬合金包括鋯-鈦合金、鋯-鉿合金和鈦-鉿合金。耐火金屬層或耐火金屬合金層31一般尤其用作促進顏色層32對聚合物層粘合的觸擊層。如圖2-4所示，耐火金屬或耐火金屬合金觸擊層31一般位於顏色層32和聚合物層中間。層31的厚度一般至少有效使層31用作觸擊層。一般情況下，此厚度至少為約60埃，優選至少約120埃，和更優選至少約250埃。厚度上限範圍不是關鍵且一般依賴於如成本的考慮。然而，一般情況下，層31應當不厚於約1.2μm，優選約0.5μm，和更優選約0.25μm。
通過常規和公知的氣相沉積技術包括物理氣相沉積技術如陰極弧蒸發(CAE)和濺射，沉積耐火金屬或耐火金屬合金層31。濺射技術和設備尤其描述於J.Vossen和W.Kern的「薄膜工藝II」，AcademicPress，1991；R.Boxman等人，「真空弧科學和技術手冊」，NoyesPub.，1995；和U.S.專利Nos.4,162,954和4,591,418中，所有這些文獻在此引入作為參考。
簡單地，在濺射沉積工藝中，將耐火金屬(如鈦或鋯)目標(它是陰極)和基材放入真空腔室中。將腔室中的空氣抽空以在腔室中產生真空條件。將惰性氣體，如氬氣引入腔室。將氣體粒子電離和向目標加速以移除鈦或鋯原子。然後將移除的目標材料典型地作為塗膜沉積在基材上。
在陰極弧蒸發中，將典型地幾百安培的電弧撞擊在金屬陰極如鋯或鈦的表面上。弧蒸發陰極材料，它然後冷凝在基材上，形成塗層。
在本發明的優選實施方案中，耐火金屬由鈦或鋯，優選鋯組成，和耐火金屬合金由鋯-鈦合金組成。
除保護性顏色層32以外，可以非必要地存在另外的氣相沉積層。另外的氣相沉積層可包括不是上述氧-氮化物的耐火金屬化合物和耐火金屬合金化合物。這些耐火金屬化合物和耐火金屬合金化合物包括耐火金屬氧化物和耐火金屬合金氧化物；耐火金屬碳化物和耐火金屬合金碳化物；和耐火金屬碳氮化物和耐火金屬合金碳氮化物。
在本發明的一個實施方案中，如圖3所示，在顏色層32上沉積由耐火金屬氧化物或耐火金屬合金氧化物組成的層34。該層34的耐火金屬氧化物和耐火金屬合金氧化物包括，但不限於氧化鉿、氧化鉭、氧化鋯、氧化鈦、和鋯-鈦合金氧化物、優選氧化鈦、氧化鋯、和鋯-鈦合金氧化物，和更優選氧化鋯。這些氧化物和它們的製備是常規和公知的。
層34有效向塗層提供改進的耐化學品，如酸或鹼性能。包含耐火金屬氧化物和耐火金屬合金氧化物的層34的厚度通常至少有效提供改進的耐化學品性能。一般情況下此厚度至少為約10埃，優選至少約25埃，和更優選至少約40埃。層34應當足夠薄使得它並不使其下的顏色層32的顏色變暗。即層34應當足夠薄使得它是非不透明的或基本透明的。一般情況下層34應當不厚於約0.10μm，優選約250埃，和更優選約100埃。
可以通過指定的不鏽鋼顏色標準控制或預定塗層的不鏽鋼顏色。可以通過總氣體流中氮氣對氧氣比例的增加或減少，將不鏽鋼顏色調節到輕微更為帶黃色或帶藍色。可以完全地匹配於不鏽鋼的拋光或刷光表面潤飾。
為更容易理解本發明，提供以下實施例。實施例是說明性和並不將本發明限定於此。
實施例1將黃銅龍頭放入包含標準和公知的肥皂、洗滌劑、抗絮凝劑等的常規浸泡清潔劑浴中，將該浴保持在8.9-9.2的pH和180-200°F的溫度下約10分鐘。然後將黃銅龍頭放入常規超聲波鹼性清潔劑浴中。超聲波清潔劑浴的pH為8.9-9.2，保持在約160-180°F的溫度下，且包含常規和公知的肥皂、洗滌劑、抗絮凝劑等。在超聲波清潔之後，將龍頭清洗和乾燥。
通過標準和常規高體積低壓槍將基礎塗層聚合物組合物塗敷到清潔和乾燥的龍頭上。聚合物由35wt％苯乙烯化丙烯酸類樹脂，30wt％蜜胺甲醛樹脂，和35wt％雙酚A環氧樹脂組成。將聚合物溶於足夠的溶劑中以提供包含約43wt％固體的聚合物組合物。在龍頭上塗敷基礎塗層之後，使龍頭靜置20分鐘以用於環境溶劑閃蒸。然後將龍頭在375°F下焙燒兩小時。獲得的固化聚合物基礎塗層的厚度為約20μm。
將聚合物基礎塗層塗敷的龍頭放入陰極弧蒸發鍍敷容器中。該容器一般是包含真空腔室的圓筒形外殼，該真空腔室適於通過泵抽空。通過用於改變進入腔室的氬氣流量的可調節閥門，將氬氣源連接到腔室。此外，通過用於改變進入腔室的氮氣和氧氣流量的可調節閥門，將氮氣和氧氣源連接到腔室。
將圓筒形陰極安裝在腔室中心和連接到可變D.C.電源的負輸出上。將電源的正側連接到腔室壁上。陰極材料包括鋯。
將聚合物基礎塗層塗敷的龍頭安裝在轉軸上，將16個這樣的轉軸安裝在圍繞陰極外部的環上。整個環圍繞陰極旋轉而每個轉軸也圍繞它自身的軸旋轉，導致所謂的行星運動，它對於圍繞每個轉軸安裝的多個龍頭管提供對陰極的均勻曝露。該環典型地在幾個rpm下旋轉，而每個轉軸相對於每個環迴轉進行幾個迴轉。轉軸與腔室被電隔離且設置有可旋轉接觸使得可以在塗敷期間將偏壓施加到基材上。
將真空腔室抽空到約10-5-10-7託的壓力和加熱到約100℃。
然後將聚合物基礎塗層塗敷的龍頭進行高偏壓弧等離子體清潔，其中將約500伏的(負)偏壓施加到該基礎塗層塗敷的龍頭上同時將大約500安培的弧撞擊和保持在陰極上。清潔的持續時間大約是5分鐘。
在足以保持約1-5毫託壓力的速率下引入氬氣。在3分鐘時間期間內，在聚合物基礎塗層塗敷的龍頭上沉積平均厚度為約0.1μm的鋯層。陰極弧沉積工藝包括施加D.C.電源到陰極上以達到約500安培的電流，向容器中引入氬氣以保持容器中壓力在1-5毫託和以上述行星方式旋轉龍頭。
在沉積鋯層之後，在鋯層上沉積由鋯、氮氣和氧氣的反應產物組成的保護和裝飾性顏色層。將氮氣和氧氣流引入真空腔室中，同時弧放電持續在大約500安培。氮氣和氧氣流量是會產生具有氮和氧含量為約6-16原子百分比的顏色層流量。此氮氣和氧氣流是總氬氣、氮氣和氧氣流的約4-20％。該物流持續約20-35分鐘以形成厚度為約1,500埃-2,500埃的顏色層。在沉積鋯、氮氣和氧氣反應產物組成的此顏色層之後，終止氮氣流和將大約20-80標準升每分鐘的氧氣流持續約10-60秒。形成厚度為約20埃-100埃的氧化鋯薄層。將弧熄滅，將真空腔室排氣和取出塗敷製品。
儘管已經為了說明的目的描述了本發明的某些實施方案，理解在本發明總的範圍中可以有各種實施方案和改進。
權利要求
1.一種在其至少一部分表面上含有具有不鏽鋼外觀的保護和裝飾性塗層的製品，包括由聚合物組成的層；由耐火金屬或耐火金屬合金、氮氣和氧氣的反應產物組成的顏色層，其中耐火金屬或耐火金屬合金、氮氣和氧氣的所述反應產物的總氮和氧含量為約4-32原子百分比和氮含量至少為約3原子百分比。
2.權利要求1的製品，其中所述總氮和氧含量為約5-28原子百分比和氮含量至少為約4原子百分比。
3.權利要求1的製品，其中由耐火金屬或耐火金屬合金組成的層在所述聚合物組成的層上。
4.權利要求1的製品，其中由耐火金屬氧化物或耐火金屬合金氧化物組成的層在所述顏色層上。
5.權利要求3的製品，其中由耐火金屬氧化物或耐火金屬合金氧化物組成的層在所述顏色層上。
6.權利要求1的製品，其中所述塗層具有刷光不鏽鋼潤飾的外觀。
7.權利要求1的製品，其中所述耐火金屬選自鋯、鈦和鉿。
8.權利要求3的製品，其中所述耐火金屬選自鋯、鈦和鉿。
9.權利要求5的製品，其中所述耐火金屬選自鋯、鈦和鉿。
10.權利要求1的製品，其中在所述製品上電塗所述聚合物。
全文摘要
採用具有不鏽鋼外觀的多層裝飾和保護性塗層塗敷的製品(圖3)。該塗層包括在所述製品表面上的聚合物層和在聚合物層上的氣相沉積的保護和裝飾性層，該保護和裝飾性層由耐火金屬或耐火金屬合金、氮氣和氧氣的反應產物組成，其中反應產物的總氮和氧含量為約4－32原子百分比和氮含量至少為約3原子百分比。
文檔編號B05D5/06GK1460063SQ02801085
公開日2003年12月3日 申請日期2002年4月4日 優先權日2001年4月5日
發明者陳國存 申請人:蒸汽技術公司