塑料表面金属化工艺探讨

机工

金属材料有着让人喜爱的质感，尤其是现在以iPhone为主的金属手机外壳大潮令金属表面处理大受关注，然而金属材料质量大成本高，限制了一些日常产品的应用。塑料质轻且机械性能能够满足部分产品应用，然而缺乏金属的光泽，不够美观，耐候性差易老化，不导电及由此带来的静电作用等等……

如何让塑料拥有金属材料的外观，替代金属材料，将两者优点结合起来，这一直是高分子研究的课题。到目前为止，研究人员已经能够设法在塑料的表面镀敷一层金属来改善塑料的性能，产生了一些展现金属质感外观的塑料制品，这都归功于塑料表面金属化工艺。下面就来详细介绍一下：

什么是高分子材料金属化？

高分子材料金属化是利用物理或化学手段在高分子材料表面镀上一层金属，使其表面呈现出金属的某些性质，如导电性、磁性、导热性等。金属化后的高分子材料具有金属外观，镀层硬度高，便于焊接，可以代替金属制品，降低成本；同时由于高分子材料一般具有高韧性，耐热性，耐蚀性等，使得金属化的高分子材料比普通金属材料性能更好。随着技术的发展，现在在塑料树脂中添加金属粉等，同样能够制备出金属化材料。

塑料金属化工艺知多少？

塑料金属化基本分为两大类，一是塑料表面金属化，另一个是塑料整体金属化。前者又分为干法和湿法等。干法主要包括物理气相沉积和化学气相沉积等；湿法主要包括化学镀、电镀以及化学还原等。

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干法金属化（干法镀膜）

① 物理气相沉积（PVD）

主要包括真空蒸发和磁控溅射。要求沉积薄膜的空间要有一定的真空度，所以真空技术是物理气相沉积法的基础。

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真空蒸发法是指在真空环境下加热镀膜材料，使其在极短时间内蒸发，沉积在塑料表面上形成镀层。

优点   此法成膜速率快、效率高，但薄膜与基体结合较差。为此，人们将等离子刻蚀和真空蒸发法结合起来以提高结合力（离子镀）。

缺点   只能蒸发像铝这种低熔点的金属。

应用举例

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镀铝膜，复合材料包装制品

磁控溅射法是用高能离子轰击靶材，使靶材表面原子获得足够能量脱离母材，并按相应的溅射方向飞跃出来，沉积在塑料表面的方法。

优点  与真空蒸发法相比，磁控溅射法不需要预处理，结合力较强，且能沉积多种金属。

应用举例

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汽车隔热防爆膜，其中金属隔热层由在PET膜上通过真空蒸镀或真空磁控溅射金属铝、银、镍等而成

② 化学气相沉积（CVD）

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指把含有沉积元素的反应气体引入反应室，在基体表面发生化学反应，并把固体产物沉积到基体表面的过程。有研究者用此方法在PTFE上成功沉积了铜。

优点 化学气相沉积膜层致密，结合力强，厚度比较均匀，膜层质量稳定。

缺点  影响膜的组成和结构的因素很多( 如气体运动速率、压力分布、温度等)，必须严格控制才能得到理想的膜。同时，传统的化学气相沉积法反应温度通常很高( 900~ 2000 ℃)，容易导致基体变形和组织变化。

应用举例

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ABS表面镀铜

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湿法镀膜

由于化学镀、电镀以及化学还原等方法都要在溶液中进行，所以被称为湿法镀膜。

① 化学镀

化学镀是目前使用最广泛的一种塑料金属化加工方法，依据氧化还原反应原理，利用强还原剂在含有金属离子的溶液中，将金属离子还原成金属而沉积在各种材料表面形成致密镀层的方法。

塑料表面金属化工艺探讨

优点   1）镀覆过程不需外电源驱动，设备简单；2）均镀能力好，形状复杂，有内孔、内腔的镀件均可获得均匀的镀层；3）镀层致密，孔隙率低；4）适用的基体材料范围广，可在金属、非金属以及有机物上沉积镀层；5）容易制取非晶态合金和某些持殊功能薄膜，如磁学、光学、电学等功能镀层。

缺点  镀液寿命短、稳定性差，镀覆速度较慢。

应用举例

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尼龙表面化学镀铜，使尼龙布具有良好的防电磁辐射性能。

② 电镀

电镀是一利用电解原理在某些金属表面上镀上一薄层其它金属或合金的过程，是利用电解作用使金属或其它材料制件的表面附着一层金属膜的工艺。

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电镀铜示意图，图源：dginfo

优点   电镀能增强金属的抗腐蚀性(镀层金属多采用耐腐蚀的金属)、增加硬度、防止磨耗、提高导电性、光滑性、耐热性和表面美观。

缺点  需要使用对环境有害的铬金属衍生物和镍，危害环境

应用举例

塑料电镀标牌 图源：dpdg

目前用于电镀最多的塑料是ABS，其次是PP。另外PSF、PC、PTFE等也有成功电镀的方法，但难度较大。

③ 化学还原法

化学还原法制备聚合物金属化表面主要步骤：

1）将含有极性基团的聚合物和能与其形成络合物的金属盐共同溶解在溶剂中制成均匀的溶液

2）将溶液通过蒸发成型得到样品

3）将样品置于还原溶液中，通过化学还原反应在样品表面上形成导电金属层。

优点   化学还原法一定程度上解决了表面结合力差，耐久性不佳，镀膜设备造价高，工艺复杂等问题，具有很大的发展空间。

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其他金属化镀膜方法

① 金属涂料涂装

采用以银、铜、镍、铝等金属粉末符合的涂料，涂装于塑料上使塑料金属化。这种方法除了使塑料表面具有金属质感的装饰作用外，还可以利用图层的导电性，作为使塑料手机壳具有屏蔽性能的方法。

应用举例

小米3采用的是金属漆塑料后盖

② 金属喷涂

金属喷涂是用熔融金属的高速粒子流喷在基体表面，以产生覆层的材料保护技术。包括电弧喷涂，等离子喷涂、火焰喷涂和高速氧燃料喷涂。

优点

1）颜色丰富；

2）液体环境中加工，可实现复杂结构的表面处理；

3）工艺成熟、可量产；

4）有独特的透明度，光泽度高。

缺点   

1）成本过高

2）熔融状态下的金属颗粒和高温焰流会对聚合物基体材料表面产生破坏，由于热喷涂的加热温度较高，所制得得金属涂层由于氧化和较大孔隙率很难满足使用要求。

因此，在聚合物基材料表面一般采用冷喷涂的方法进行金属层涂覆，冷喷涂技术仅需要很少量的热量输入，加热温度低，颗粒飞行速度高，有效防止了热喷涂时的热影响，减少了基体表面三维畸变、涂层氧化、相变等问题。

应用举例

各色手机外壳

③ 金属粉复合法

此方法是在塑料成型过程中添加特殊的金属颜料，例如金属粉、色母、造粒料等，使塑料制品实现珠光、金属光泽等效果。这种方法可以避免一些喷涂过程，是塑料整体金属化的方法。

目前有些塑料企业在开发这类产品，所生产的塑料颗粒能直接应用成型，工艺简单，降低成本。

应用举例

珠光气球

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其他应用

>> 汽车散热格栅

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图源：dealer.bitauto.com

>>后视镜盖

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图源：dealer.autohome

>>车门把手和内饰

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图源：photo.auto.sina.com.cn

>>HiFi设备

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图源：nipic

>>咖啡机外壳

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图源：weixin

金属化工艺可以实现塑料外观金属质感，与此同时金属化工艺得到的塑料制品在导电性、磁性、导热性等方面展现优势。就目前现状而言，金属化的塑料种类还是很少的，最多的是ABS，其次是PP，再者是PSF、PC、PTFE等。所以，塑料金属化的发展还需要继续努力。

文章来源于寻材问料