把保護塗層施加到基材邊緣的方法與流程
2023-04-22 21:48:41
本申請根據35u.s.c.§119要求2014年04月30日提交的美國臨時申請系列第61/986234號的優先權，本文以該申請的內容為基礎並通過參考將其完整地結合於此。
領域
本發明涉及改善已經歷如分離和加工的弱化過程的玻璃製品或玻璃陶瓷製品的抗衝強度的方法。具體來說，本發明涉及將保護塗層施加到例如適用於顯示器應用的玻璃製品或玻璃陶瓷製品的基材邊緣的方法。
背景
當應用如玻璃的脆性材料時，例如分離和加工的工藝常常得到具有各種形狀、尺寸和維度的瑕疵(例如裂紋和碎屑)的材料邊緣。這些瑕疵使得脆性材料易於損壞，因為瑕疵變成失效位點，所述失效位點在當脆性材料處於高應力下或當對瑕疵進行直接衝擊時可引發斷裂。為了提高脆性材料對衝擊損壞的耐受性，可將保護塗層施加到有瑕疵的邊緣。保護塗層將覆蓋瑕疵，由此防止與瑕疵的直接衝擊。
概述
本文所述的主題涉及把保護塗層施加到基材邊緣的方法，所述基材可由例如玻璃或玻璃陶瓷的脆性材料製成。
在一種示例性實施方式中，將保護塗層施加到基材的方法包括向基材的至少一個邊緣施加表面處理以增加所述至少一個邊緣的潤溼能力和/或預熱所述基材。在對基材進行表面處理和/或預熱之後，在所述至少一個邊緣上沉積可固化塗層材料。然後，以選定的旋轉速度將基材旋轉選定的持續時間，從而調節可固化塗層的均勻性和厚度。在旋轉之後，對可固化塗層材料進行固化，從而在至少一個邊緣上形成保護塗層。
應理解，上面的總體描述和下文的詳細描述都是示例性的。結合附圖和詳細描述，進一步描述上面的示例性實施方式和額外的示例性實施方式。
附圖簡述
以下是結合附圖進行的附圖說明。為了清楚和簡明起見，附圖不一定按比例繪製，附圖的某些特徵和某些視圖可以按比例放大顯示或示意性顯示。
圖1顯示根據一示例性實施方式的用於對基材進行邊緣塗覆的加工流程。
圖2a顯示用於高粘度塗層材料和低粘度塗層材料的粘度隨溫度的變化。
圖2b顯示未處理的(virgin)和表面處理的樣品的接觸角。
圖3顯示來自塗覆未處理玻璃樣品的結果。
圖4顯示來自塗覆表面處理的玻璃樣品的結果。
圖5顯示來自在塗覆之後對玻璃樣品進行旋轉過程的結果。
圖6顯示在烘烤之前玻璃樣品上的塗層。
圖7顯示來自在塗覆之後對玻璃樣品進行烘烤的結果。
具體描述
在於基材邊緣上施加可固化塗層材料以在基材邊緣上獲得高質量保護塗層之前和/或之後，可對來自如分離和加工的過程的基材邊緣進行一種或多種輔助加工。輔助加工可選自：(i)在將可固化塗層材料施加到基材邊緣之前，對基材邊緣進行表面處理，(ii)在將可固化塗層材料施加到基材邊緣之前，預熱基材(或者上面安裝基材的平臺)，(iii)在將可固化塗層材料施加到基材邊緣之後但在對所述可固化塗層材料進行固化之前，使基材經歷旋轉過程，和(iv)對所述可固化塗層材料進行固化之前，烘烤所述可固化塗層材料。
在如上所述的輔助加工中，感興趣的表面處理是能改善基材邊緣的表面潤溼能力的表面處理。潤溼是液體保持接觸固體表面的能力。固體材料的潤溼能力越高，液體更容易在大面積固體材料上鋪展。潤溼能力取決於固體材料的表面能，且通過液滴與固體材料的接觸角來測定。隨著表面能增加和接觸角降低，潤溼能力增加。在將可固化塗層材料施加到基材之前增加基材邊緣的表面潤溼能力具有下述效果：提高可固化塗層材料和基材邊緣的粘合。
表1總結了如上所述的輔助加工對塗層質量的影響。從表1可知，組合塗覆過程c或d與b可提高塗層的覆蓋，組合過程d和b可提高塗層的覆蓋和均勻性，組合過程e和b可消除塗層中的氣泡，且組合過程b到d可提高塗層的覆蓋和均勻性且消除塗層中的氣泡。為了獲得高質量塗層，可用輔助加工的其它組合。
表1
圖1顯示用於向基材邊緣施加保護塗層的示例性加工流程。基材可由單一層材料或多層不同材料製成。在一種示例性實施方式中，所述基材選自玻璃片、玻璃陶瓷片、離子交換的玻璃片、離子交換的玻璃陶瓷片和集成觸摸玻璃片(或面板)。在一種實施方式中，所述集成觸摸玻璃片包括在可為經過離子交換的玻璃片或玻璃陶瓷片上的一層傳感器材料。集成觸摸玻璃片可通過在(離子交換的)玻璃片或玻璃陶瓷片上的ito傳感器沉積來形成。因為例如分離和加工的過程，基材邊緣可具有瑕疵。使用例如蝕刻的過程，邊緣中的瑕疵尺寸可已經減小和/或邊緣中的瑕疵的尖端已經鈍化。
根據圖1的示例性加工，向至少基材邊緣施加表面處理(100)來增加基材邊緣的表面能，並因此增加基材邊緣的表面潤溼能力。在一些情況下，可方便地向整體基材施加表面處理。存在多種可用於增加基材邊緣的表面能和因此增加基材邊緣表面潤溼能力的多種表面處理。
在一種示例性實施方式中，表面處理包括溶劑清潔，其中通過下述來清潔基材邊緣：將基材邊緣浸沒在溶劑中或用溶劑淋洗基材邊緣，用經溶劑潤溼的布來擦拭基材邊緣，或使基材邊緣接觸溶劑的蒸氣。例如，所述溶劑可選自烴、醇、酮、酯和其它有機溶劑。
hildebrand溶解度參數(δ)為材料之間的相互作用程度提供了數值估算，且可為良好溶解度指標，特別是對於例如許多聚合物的非極性材料而言。具有相似δ數值的材料有可能互溶，這對促進表面潤溼能力而言是所需的。當使用溶劑來處理基材邊緣時，溶劑的溶解度參數應儘可能接近要施加到基材邊緣的可固化塗層材料的溶解度參數。例如，如果可固化塗層材料是聚合物，那麼如果聚合物的溶解度參數(mpa1/2)和溶劑的溶解度參數(mpa1/2)小於±1mpa1/2時，則認為溶劑的溶解度參數接近聚合物的溶解度參數。例如，用於表面處理的丙酮(溶解度參數為20.3mpa1/2)和用於可固化塗層材料的環氧樹脂(溶解度參數為20.4mpa1/2)是一種很好的組合。合適的聚合物和溶劑的組合物的其它示例參見表2。
表2
在另一種示例性實施方式中，表面處理包括等離子體清潔。在等離子體清潔中，通過使用由氣態物質形成的高能等離子體或介電阻擋放電(dbd)等離子體，來從基材邊緣除去雜質和汙染物。使用如氬氣和氧氣的氣體，以及如空氣和氫氣/氮氣的混合物的氣體。如果汙染物具有碳元素和氧元素，通過等離子體產生的激發的離子將與碳和氧反應來形成co2、h2o和ch4。這些氣體可例如通過真空系統進行放電。存在各種可用於等離子體清潔的等離子體處理技術，例如電暈處理、常壓等離子體處理、火焰等離子體處理和化學等離子體處理。在一些實施方式中，可在等離子體清潔之前進行溶劑清潔。
在另一種示例性實施方式中，表面處理包括向基材邊緣接枝偶聯劑，例如矽烷偶聯劑。矽烷偶聯劑是矽基化學品，其在相同分子中包含兩種類型反應性-無機的和有機的。典型通式是(ro)3sich2ch2ch2-x，其中ro是可水解的基團(如甲氧基、乙氧基或乙醯氧基)，且x是有機官能團(如氨基、甲基丙烯醯氧基、環氧基團等)。矽烷是無機材料(玻璃、金屬和礦物)與有機材料之間的界面。例如，當將環氧樹脂用作可固化塗層材料時，可將具有選自下述的有機反應性的矽烷偶聯劑用於表面處理：例如氨基、環氧基團、巰基、異氰酸酯、苄基氨基、氯代丙基、三聚氰胺(melaime)和乙烯基-苄基-氨基。對於其它類型的可固化塗層材料，矽烷偶聯劑可不同。偶聯劑可例如以0.01-5重量％的量存在於溶液中，且可通過下述接枝到基材邊緣：將基材邊緣浸沒在溶液中，或者使用由溶液潤溼的布擦拭基材邊緣。
在向至少基材邊緣施加表面處理之後，對基材進行預熱(102)。可直接加熱基材。或者，可加熱上面安裝基材的平臺，其中施加到平臺的熱量的至少一部分通常轉移到基材，從而有效地加熱基材。所述平臺可為旋轉平臺，其在旋轉過程中旋轉。當將可固化塗層材料施加到基材邊緣時，所述平臺還可為基材提供支撐。選定基材所預熱到的溫度，從而促進從塗層材料除去氣泡，且防止塗層材料從基材邊緣流動到基材的(非邊緣)表面。可預熱基材(或上面安裝基材的平臺)，從而當塗層材料接觸基材邊緣時，在基材邊緣的塗覆過程中，塗層材料的粘度低於1000cps(用於從塗層材料除去氣泡)但大於50cps(用於避免塗層材料流動到基材表面上)。通常，對於高粘度和低粘度塗層材料，最高預熱溫度將低於200℃。對於高粘度塗層材料，即在25℃下具有大於或等於4000cps粘度的塗層材料，預熱溫度通常大於60℃。對於低粘度塗層材料，即在25℃下具有小於4000cps粘度的塗層材料，預熱溫度通常大於40℃。一般來說，預熱溫度可為40℃-200℃。
在預熱基材(或上面安裝基材的平臺)之後，將可固化塗層材料施加到基材邊緣(104)。在一示例性實施方式中,可固化的塗層材料以液體形式來提供。在一示例性實施方式中,可固化的塗層材料是聚合物樹脂，其具有高透明度和在玻璃表面或玻璃陶瓷表面上的良好的潤溼能力，且可以液體形式來利用。在一示例性實施方式中,可固化的塗層材料選自丙烯酸、環氧、矽酮、透明聚醯亞胺和硬塗層材料。可基於向基材邊緣施加的表面處理種類，來選擇可固化塗層材料。可使用任何合適的方法來將可固化塗層材料施加到基材邊緣。合適方法的一個示例是通過噴射塗覆，其中將可固化塗層材料以液體形式供應進入分配器，任何通過分配器的噴嘴噴射到基材邊緣上。噴射塗覆的描述參見例如美國專利申請號14/185101。噴射的材料在基材邊緣上形成珠子，其將鋪展來覆蓋基材邊緣。除了噴射以外，可通過其它方法(如浸塗、噴塗或使用刷或輥的漆塗)來施加塗層材料。
在將可固化塗層材料施加到基材邊緣之後，可對基材進行旋轉過程(106)。在一種示例性實施方式中，這涉及以選定的旋轉速度將上面安裝基材的平臺旋轉選定的旋轉時間。在基材的旋轉過程中，將提高基材邊緣上的可固化塗層材料的覆蓋和均勻性，且過量的塗層材料將通過離心力從基材邊緣除去。可控制旋轉速度和旋轉時間，以獲得所需厚度和質量的可固化塗層。一般來說，旋轉速度越高，塗層厚度越薄。此外，旋轉持續時間越長,塗層厚度越薄且越光滑。通常，對於電子顯示器應用而言，例如小於100微米的薄塗層是優選的。一般來說，旋轉速度可為200rpm(轉/分鐘)-2,500rpm，且旋轉時間可為15秒-70秒。在一示例實施方式中，旋轉參數選自：1,500rpm保持60秒,200rpm保持60秒,500保持30秒然後1,500rpm保持30秒，且500rpm保持30秒然後2,000rpm保持30秒。但是，這些旋轉參數只是示例，且可方便地進行調節來獲得所需結果。
在旋轉過程之後，在烘箱中烘烤(108)施加到基材邊緣的可固化塗層材料。通常在可固化塗層材料變成固體之前，施加烘烤。這種烘烤有助於消除可固化塗層材料中的氣泡。在一示例實施方式中，選定烘烤溫度，從而可固化塗層材料的粘度低於2000cps，用於消除氣泡。圖2a顯示典型的用於高粘度(200)塗層材料和低粘度(202)塗層材料的粘度隨溫度的變化。在超過50℃的溫度下，高粘度塗層材料通常具有低於2000cps的粘度。基於圖2a，可使用50-150℃的烘烤溫度來從塗層材料消除氣泡，或者顯著減少塗層材料中的氣泡。烘烤的持續時間可為1分鐘到10分鐘，但通常基於特定的塗層材料和條件來確定。
在烘烤之後，對可固化塗層材料進行固化，以在基材邊緣上形成保護塗層。可在兩個階段(110,112)中實施固化。第二固化(112)也可稱作後固化，且可在比用於第一固化(110)的溫度更高的溫度下進行，或者可在與用於第一固化的溫度相同的溫度下進行但進行更長的持續時間。固化溫度和固化時間取決於可固化塗層材料的種類。如果可固化塗層材料是可uv固化的塗層材料，可使用uv光來進行固化。否則，應選擇對可固化塗層材料進行固化的適當的方法。
雖然將圖1描述為包括表面處理(100)、預熱(102)、旋轉(106)和烘烤(108)，但應指出，在替代實施方式中，可從塗覆過程中省略這些輔助加工中的一種或多種。具體來說，可根據塗層材料的性質和施加塗層的方法，來選擇塗覆過程中包括的輔助加工。不同於圖1所示的組合的合適的組合的一個示例是表面處理(100)，然後進行塗覆(104)，然後進行旋轉(106)，然後進行固化(110,112)。另一個示例是表面處理(100)，然後進行塗覆(104)，然後進行旋轉(106)，然後進行固化(110,112)。另一個示例是預熱(102)，然後進行塗覆(104)，然後進行旋轉(106)，然後進行固化(110,112)。另一個示例是預熱(102)，然後進行塗覆(104)，然後進行旋轉(106)，然後進行烘烤(108)，然後進行固化(110,112)。
旋轉(106)對於薄化塗層厚度以及提高塗層均勻性是有用的。當使用非常高粘度塗層材料(例如，在室溫下具有8500cps量級的粘度)時，這是特別相關的。因為塗層材料是液體，所以當塗層材料在基材邊緣上沉積之後，塗層材料將彎垂。旋轉過程可有助於避免塗層材料彎垂到基材表面上。同時，彎垂可有助於在基材邊緣上實現塗層材料的均勻覆蓋。對於在施加塗層材料時避免形成氣泡而言，基材或平臺的預熱(102)是有用的。如果在施加塗層材料之後，在塗層材料中存在氣泡，烘烤(108)將有助於同時減少塗層材料中氣泡的數目和尺寸。表面處理(100)將提高基材邊緣的潤溼能力。
實施例1—圖2b顯示玻璃樣品g1、g2、g3、g4的接觸角。玻璃g1和g3是未處理的(未表面處理的)gorilla2318玻璃樣品。玻璃g1與作為測試液滴的高粘度樹脂的接觸角是42.0°,且玻璃g3與作為測試液滴的低粘度樹脂的接觸角是38.8°。玻璃g2和g4是進行真空等離子體清潔的gorilla2318玻璃樣品。玻璃g2與作為測試液滴的高粘度樹脂的接觸角是35°,且玻璃g4與作為測試液滴的低粘度樹脂的接觸角是20.4°。結果表明在真空等離子體清潔之後，提高了玻璃的表面潤溼能力。真空等離子體清潔是使用真空除去耗散的氣體的真空清潔。
實施例2—通過噴射用環氧樹脂塗覆未處理gorilla2318玻璃樣品的邊緣。圖3中的結果表明在沿著玻璃樣品(300)的邊緣的許多位置中沒有完全的覆蓋。角落的沒有完全覆蓋的寬度是0.5-2.5毫米，筆直側面的沒有完全覆蓋的寬度是0.5毫米。
實施例3—在丙酮中淋洗gorilla2318玻璃樣品，然後通過噴射在玻璃樣品的邊緣上施加環氧樹脂。丙酮和環氧樹脂具有相似的溶解度參數。丙酮的溶解度參數是20.3mpa1/2,且環氧樹脂的溶解度參數是20.4mpa1/2。圖4中的結果表明玻璃樣品(400)的邊緣的大多數筆直部分被完全覆蓋，這表明丙酮處理提高玻璃潤溼。但是，在玻璃角落的完全覆蓋較困難。對於角落而言，不完全覆蓋的寬度是2.0-2.5毫米。在邊緣的筆直部分上觀察到一些塗層的彎垂。
實施例4-在噴射塗覆過程之後，對實施例3的玻璃樣品進行旋轉過程。旋轉過程包括在500rpm下保持30秒的第一旋轉，以及隨後在1700rpm下保持30秒的第二旋轉。圖5中的結果表明與實施例3相比，對於角落而言，樣品(500)的覆蓋寬度提高約0.5-1.0毫米。通過調節旋轉參數，可進一步提高覆蓋寬度。
實施例5-在噴射塗覆過程之後，將實施例3的玻璃樣品在125℃下烘烤5分鐘。在噴射塗覆過程之後且在烘烤之前，在施加的環氧樹脂中存在氣泡。圖6顯示烘烤之前具有氣泡402的塗層的局部放大視圖。在烘烤過程之後，大多數的氣泡消失，且剩餘的氣泡具有約50微米的尺寸。圖7顯示具有烘烤的塗層的結果。注意到在圖4(圖6)中可見的氣泡402在圖7中不再可見。
實施例6—發現厚度為0.7毫米的未處理的gorilla2318玻璃樣品在落球測試中耐受最高達0.39j。手動地用環氧樹脂塗覆未處理的gorilla2318玻璃樣品。發現環氧樹脂塗覆的gorilla2318玻璃樣品在落球測試中耐受最高達0.49j。手動地用環氧樹脂塗覆另一未處理的gorilla2318玻璃樣品，然後旋轉該玻璃。發現旋轉的環氧樹脂塗覆的gorilla2318玻璃在落球測試中耐受最高達0.98j。落球測試涉及垂直地設置玻璃，且從不同距離在玻璃上掉落一個500g的球。每一玻璃樣品的尺寸是60mm×44mm×0.7mm。塗層厚度是0.43毫米。對於固化，使用大於30j/cm2的uv劑量。旋轉速度是1500rpm下保持20秒。將環氧樹脂在150℃下進行2小時的後固化。這個實施例表明在塗覆之後的旋轉提高玻璃的抗衝強度。
儘管已經參考具體實施方式描述了本發明,但是受益於本公開的本領域技術人員可以理解能夠在不背離本發明所揭示的範圍的前提下進行其他的實施方式。因此，本發明的範圍應僅由所附權利要求書限定。