阅读说明：本技术 基材干式表面处理方法及应用该方法的卫浴配件 (Base material dry-type surface treatment method and bathroom accessory applying same ) 是由 陈国铭 黄锦芳 曹培云 于 2020-03-31 设计创作，主要内容包括：一种基材干式表面处理方法及应用该方法的卫浴配件,该处理方法包括基材清洗、紫外光固化涂料喷涂基材表面形成底漆层、红外线烘烤流平及紫外光照射固化底漆层、以及于底漆层上进行物理气相沉积。其中紫外光固化涂料包括聚丁二烯树脂、丙烯酸酯单体、光起始剂、芳香族溶剂、以及醇类溶剂。物理气相沉积以多弧溅镀于底漆层上依序沉积至少一个氮化金属镀膜与至少一个金属镀膜。物理气相沉积的靶材选自由铬、铝、锆或钛,电流为65-80A,电压为50-80V,氩气流速为50-92sccm,氮气流速为0-80sccm,氩气与氮气的气体流量比为92:0-50:80,占空比为50-80％,沉积时间为3-5分钟,使金属镀膜与氮化金属镀膜的总厚度为0.02-5μm,且金属镀膜占总厚度10-30％。(A dry-type surface treatment method for a substrate and bathroom accessories applying the method comprise the steps of cleaning the substrate, spraying ultraviolet curing coating on the surface of the substrate to form a primer layer, baking and leveling by infrared rays, curing the primer layer by ultraviolet irradiation, and carrying out physical vapor deposition on the primer layer. The ultraviolet curing coating comprises polybutadiene resin, an acrylate monomer, a photoinitiator, an aromatic solvent and an alcohol solvent. And the physical vapor deposition is carried out by multi-arc sputtering to deposit at least one metal nitride coating film and at least one metal coating film on the primer layer in sequence. The target material for physical vapor deposition is selected from chromium, aluminum, zirconium or titanium, the current is 65-80A, the voltage is 50-80V, the argon flow rate is 50-92sccm, the nitrogen flow rate is 0-80sccm, the gas flow ratio of argon to nitrogen is 92:0-50:80, the duty ratio is 50-80%, the deposition time is 3-5 minutes, the total thickness of the metal coating film and the metal nitride coating film is 0.02-5 mu m, and the metal coating film accounts for 10-30% of the total thickness.)

基材干式表面处理方法及应用该方法的卫浴配件

技术领域

本发明涉及一种基材表面处理方法，且特别是有关于一种基材干式表面处理方法及应用该方法的卫浴配件。

背景技术

水五金相关产业包括水库、自来水或家庭用水所需使用的五金，例如俗称水龙头的卫浴设备阀、栓、泵等，水五金产品表面需具耐腐蚀性，故多以水电镀制程进行表面处理，然水电镀制程必须以大量的水作为作业的接口，这些使用过的水往往会含有许多有毒的镍、锌、铜等重金属，甚至有剧毒的氰化物，并且呈强酸、强碱的状态；若未经处理便直接排入河流会造成生态毁灭。而水电镀废水经过环保处理也会产生大量的含重金属污泥，这些具毒性的污泥同样也是危害性废弃物，因此要有效整治污染所需花费成本也高得惊人。

由于水五金相关产业对于水电镀技术的依赖性极高，因此进行水五金产品表面处理的制程必须要更换成无毒的干式制程，例如以物理气相沉积(Physical VaporDeposition，PVD)的方式进行产品表面的美观与抗腐蚀处理就成为非常重要的议题。所以如何在水五金产品表面进行有效与价格适当的镀膜处理是一个重要的技术。

发明内容

综上所述，本发明利用干式物理气相沉积直接于基材上的高分子涂层上沉积交替迭层的金属镀膜与氮化金属镀膜，使最终成品例如各种卫浴配件表面具有良好的耐腐蚀及耐磨等机械性能，同时解决水电镀制程所产生的废土、废水处理问题。

因此，本发明提供一种基材干式表面处理方法，包括以下步骤。清洗基材、喷涂紫外光固化涂料于基材表面形成底漆层、红外线烘烤流平底漆层、紫外光照射固化底漆层、以及于底漆层上进行物理气相沉积。其中，上述基材材质为金属合金或塑料。紫外光固化涂料包括20-60％的聚丁二烯树脂、20-40％的丙烯酸酯单体、1-10％的光起始剂、10-30％的芳香族溶剂、以及8-20％的醇类溶剂，上述光起始剂选自由4-二甲氨基苯甲酸乙酯，2-烃基-2-甲基-1-苯基-1-丙酮，二苯甲酮，叔胺类，二月桂酸二丁基锡，三乙烯二胺，辛酸亚锡与环烷酸锌所组成的群组。红外线烘烤流平的烘烤温度为30-60℃，烘烤时间为3-10分钟；而紫外光照射能量为1500-3000mJ/cm2，所形成的底漆层厚度为10-70μm。物理气相沉积以多弧溅镀依序于底漆层上依序沉积至少一个氮化金属镀膜以及至少一个金属镀膜，其中物理气相沉积的靶材选自由铬、铝、锆与钛所组成的群组。物理气相沉积的电流为65-80A，电压为50-80V，氩气流速为50-92sccm，氮气流速为0-80sccm，氩气与氮气的气体流量比为92:0-50:80，占空比为50-80％，沉积时间为3-5分钟，使氮化金属镀膜与金属镀膜的总厚度为0.02-5μm，且金属镀膜占总厚度10-30％。

根据本发明一实施例，进行上述物理气相沉积时，形成至少两个金属镀膜与至少两个氮化金属镀膜，且两金属镀膜与两氮化金属镀膜为交替迭层。

根据本发明另一实施例，进行上述物理气相沉积时，梯度改变氮气流量以沉积复数氮化金属膜，再于其上沉积金属镀膜。

根据本发明又一实施例，上述基材干式表面处理方法还包括于清洗基材表面后，在基材表面涂布偶联剂。偶联剂为硅烷偶联剂、锆酸铝偶联剂、钛酸酯类偶联剂或磷酸酯化的丙烯酸酯，且偶联剂重量百分比浓度为5-50％。

根据本发明再一实施例，上述基材干式表面处理方法还包括于金属镀膜表面喷涂高分子涂料形成面漆层，面漆层厚度为5-50μm，且高分子涂料为紫外光固化涂料或全氟聚醚类涂料。

根据本发明再一实施例，上述基材干式表面处理方法的物理气相沉积以多弧溅镀及中频溅镀进行，电流为20-50A，电压为50-100V，氩气流速为50-92sccm，氮气流速为0-50sccm，占空比为50-80％，沉积时间为6-10分钟。

根据本发明再一实施例，上述基材干式表面处理方法使用的紫外光固化涂料中丙烯酸酯单体选自由丙烯酸甲酯，甲基丙烯酸甲酯，三羟甲基丙烷三丙烯酸酯，丙烯酸异冰片酯，二丙二醇二丙烯酸酯，二季戊四醇六丙烯酸酯与1,6-己二醇二丙烯酸酯所组成的群组。

根据本发明再一实施例，上述基材干式表面处理方法使用的紫外光固化涂料中芳香族溶剂为甲苯、二甲苯或二甲基甲酰胺。

根据本发明再一实施例，上述基材干式表面处理方法使用的紫外光固化涂料中醇类溶剂为乙醇、异丙醇、丁醇、二丙酮醇或甘油。

根据本发明再一实施例，上述基材干式表面处理方法使用的紫外光固化涂料还包括5-25％的酯类溶剂，其中酯类溶剂为醋酸乙酯、乙酸乙酯或醋酸丁酯。

根据本发明再一实施例，上述基材干式表面处理方法使用的紫外光固化涂料还包括0.01-1％的流平剂或0.01-1％的消泡剂。

根据本发明再一实施例，上述基材干式表面处理方法使用的紫外光固化涂料中聚丁二烯树脂混加1-10％醇酸树脂。

本发明还提供一种卫浴配件，具有干式表面处理方法的基材，并以干式表面处理方法于基材上进行表面处理，其中卫浴配件可为水龙头本体、花洒本体或把手。

附图说明

为让本发明的上述和其他目的、特征、优点与实施例能更明显易懂，所附图式的说明如下：

图1为根据本发明一实施方式进行物理气相沉积后的成品剖面示意图；

图2为根据本发明另一实施方式进行物理气相沉积后的成品剖面示意图；

图3为根据本发明一实施例制成的成品的电子显微镜结果；

图4为根据本发明另一实施例制成的成品的电子显微镜结果；

图5为利用本发明基材干式表面处理方法所完成的最终产品，并显示最终产品为水龙头本体；

图6为利用本发明基材干式表面处理方法所完成的最产成品，并显示最终产品为花洒本体；

图7为利用本发明基材干式表面处理方法所完成的最终产品，并显示最终产品为把手。

具体实施方式

为了使本发明所要解决的技术问题、技术方案及有益效果更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

以下结合具体实施例对本发明的具体实现进行更加详细的描述：

本发明提供一种基材干式表面处理方法，包括以下步骤。清洗基材、喷涂紫外光固化涂料于基材表面形成底漆层、红外线烘烤流平底漆层、紫外光照射固化底漆层、以及于底漆层上进行物理气相沉积(Physical Vapor Deposition，PVD)。

基材材质为金属合金或塑料。清洗基材为了去除基材表面的污渍及油污，利用碳氢真空清洗方式，表面烘干即完成基材表面清洗。并可利用离子枪去除基材表面静电，预防外来粉尘或棉絮污染。

接着，在无尘室中于基材表面喷涂高分子涂料，例如紫外光固化涂料，以形成底漆层，再利用红外线烘烤流平底漆层与紫外光照射固化底漆层。在无尘室中进行可确保过程中不会沾黏任何粉尘或毛絮。红外线烘烤流平温度为30-60℃，烘烤时间为3-10分钟。紫外光照射固化时能量为1500-3000mJ/cm2。根据本发明一实施方式，所形成的底漆层厚度为10-70μm，较佳为10-60μm，更佳为10-40μm，亦或是15-20μm即可，借由底漆层可耐温达160-180℃使基材能抵抗后续进行物理气相沉积步骤中所产生的温度。

根据本发明一实施方式，上述紫外光固化涂料包括20-60％的聚丁二烯树脂、20-40％的丙烯酸酯单体、1-10％的光起始剂、10-30％的芳香族溶剂、以及8-20％的醇类溶剂。其中，丙烯酸酯单体选自由丙烯酸甲酯，甲基丙烯酸甲酯，三羟甲基丙烷三丙烯酸酯，丙烯酸异冰片酯，二丙二醇二丙烯酸酯，二季戊四醇六丙烯酸酯与1,6-己二醇二丙烯酸酯所组成的群组。光起始剂选自由4-二甲氨基苯甲酸乙酯(EDAB)，2-烃基-2-甲基-1-苯基-1-丙酮(HMPP)，二苯甲酮，叔胺类，二月桂酸二丁基锡，三乙烯二胺，辛酸亚锡与环烷酸锌所组成的群组。芳香族溶剂为甲苯、二甲苯或二甲基甲酰胺。醇类溶剂为乙醇、异丙醇、丁醇、二丙酮醇或甘油。使用上述紫外光固化涂料所形成的底漆层可使最终处理后的表面具有良好的耐腐蚀性及光泽度。

根据本发明一实施例，上述紫外光固化涂料还包括5-25％的酯类溶剂，其中酯类溶剂为醋酸乙酯、乙酸乙酯或醋酸丁酯。而根据本发明另一实施例，紫外光固化涂料也可包括0.01-1％的助剂，例如流平剂或消泡剂。此外，上述紫外光固化涂料中聚丁二烯树脂也可混加1-10％醇酸树脂。

接着，于底漆层上进行物理气相沉积，利用多弧溅镀或者多弧溅镀搭配中频溅镀的方式于底漆层表面沉积金属镀膜与氮化金属镀膜，以形成与传统水电镀制程相同的外观。物理气相沉积的靶材选自由铬(Cr)、铝(Al)、锆(Zr)与钛(Ti)所组成的群组，使金属镀膜与氮化金属镀膜的总厚度为0.02-5μm，且所有金属镀膜占总厚度10-30％。使用不同靶材可以沉积出不同的最终成品外观颜色，增加装饰性镀膜层的变化。例如氮化钛(TiN)呈现金黄色，氮化锆(ZrN)呈现浅金色，而氮化铬(CrN)呈现银灰色。

根据本发明一实施方式，使用多弧溅镀进行物理气相沉积时，电流为65-80A，电压为50-80V，氩气流速为50-92sccm，氮气流速为0-80sccm，氩气与氮气的气体流量比为92:0-50:80，占空比为50-80％，沉积时间为3-5分钟。

根据本发明另一实施方式，以多弧溅镀搭配中频溅镀进行物理气相沉积时，电流为20-50A，电压为50-100V，氩气流速为50-92_sccm，氮气流速为0-50_sccm，占空比为50-80％，沉积时间为6-10分钟。

具体而言，本发明的基材干式表面处理方法利用物理气相沉积时，以不同的氩气与氮气气体流量比于底漆层上沉积交替迭层的氮化金属镀膜与金属镀膜，并使最终层为金属镀膜。所谓「交替迭层」指例如以氮化金属镀膜、金属镀膜、氮化金属镀膜、金属镀膜的顺序迭层，或者，以金属镀膜、氮化金属镀膜、金属镀膜的顺序迭层，亦或以金属镀膜、氮化金属镀膜、氮化金属镀膜、金属镀膜的顺序迭层。然，上述仅为「交替迭层」示例，并非用以限制本发明。且根据本发明一实施例，当靶材为铬时，进行物理气相沉积的后可直接产生与一般水电镀光亮铬色成品相似的外观颜色，不需再经过调色。

图1是根据本发明一实施方式进行物理气相沉积后的成品剖面示意图。根据本发明一实施例，物理气相沉积的金属靶材为铬(Cr)，表一为物理气相沉积时，利用不同的氩气(Ar)与氮气(N2)的气体流量比形成交替迭层的铬镀膜(Cr)与氮化铬镀膜(CrN)，其所产生的成品剖面示意图如图1所示，其中于基材(Prim_er)表面上进行物理气相沉积的氩气与氮气气体流量条件依序为序1至序4，序4为最终表面层。

表一

序	Ar(sccm)	N2(sccm)	沉积时间(秒)	镀膜种类
					4	92～50	0	60～90	Cr
3	50	30	60～120	CrN
					2	50	50	60～120	CrN
1	50～92	0	120～180	Cr

图2是根据本发明另一实施方式进行物理气相沉积后的剖面示意图。根据本发明一实施例，物理气相沉积的金属靶材为铬(Cr)，于此实施例中，氮气流量呈梯度变化以沉积复数氮化金属镀膜(Gradient coating)，再于其上沉积金属镀膜。表二为物理气相沉积时，利用不同的氩气(Ar)与氮气(N2)的气体流量比形成交替迭层的铬镀膜(Cr)与氮化铬镀膜(CrN)，借由氩气(Ar)与氮气(N2)流量比调控每一层镀膜的结构，其所产生的成品剖面示意图如图2所示。其中于基材(Primer)表面上进行物理气相沉积的氩气与氮气气体流量条件依序为序1至序8，序8为最终表面层。

表二

序	Ar(sccm)	N2(sccm)	沉积时间(sec)	镀膜种类
					8	92	0	30～60	Cr
7	92	10	10～30	CrN
					6	80	25	10～30	CrN
5	65	35	10～30	CrN
					4	50	50	10～30	CrN
3	65	65	10～30	CrN
					2	80	80	10～30	CrN
1	92	0	60～90	Cr

上述基材干式表面处理方法中若基材材质为金属合金，在基材清洗后，涂布高分子涂料(紫外光固化涂料)前，可于基材表面涂布偶联剂，进行表面封孔处理以增加后续高分子涂料(紫外光固化涂料)与金属表面的黏着性。根据本发明一实施方式，偶联剂为硅烷偶联剂、锆酸铝偶联剂、钛酸酯类偶联剂或磷酸酯化的丙烯酸酯，且偶联剂重量百分比浓度为5-50％，较佳为5-30％，更佳为10-30％。

此外，根据本发明另一实施方式，还于最终金属镀膜表面喷涂高分子涂料形成面漆层，面漆层厚度为5-50μm，较佳为10-20μm，以提高最终成品表面的耐磨性。高分子涂料为紫外光固化涂料或全氟聚醚类涂料。根据本发明一实施例，以全氟聚醚类涂料形成的面漆层可使最终成品具有抗指纹及疏水性。或者，面漆层使用与前述底漆层相同的紫外光固化涂料。

利用本发明的基材干式表面处理方法中，底漆层固化后耐温性达180℃，可以直接于其上利用金属靶材与氮气反应，产生多层氮化金属镀膜与金属镀膜，使所制成的成品最终表面颜色趋近一般水电镀制程成品，且具有良好的耐腐蚀及耐磨等机械性能，因此可取代传统的水电镀制程，借此解决水电镀制程中所产生的废土、废水处理问题。以下以各实验例说明本发明的基材干式表面处理方法的各步骤及成品特性。

实验例1-3底漆组成成分测试

表三为实验例1-3的底漆组成成分及其成品的测试结果。测试包括表面光泽、铅笔硬度测试以及耐腐性测试(CASS)。其中表面光泽利用色差仪检测成品的LAB值，铅笔硬度测试根据ASTM D-3363进行，而耐腐性测试则为根据ASTM B-368进行。

表三 实验例1-3的底漆组成成分及其成品的测试结果

根据测试，使用实验例1的底漆组成所形成的底漆层进一步形成的成品表面，其LAB值为83.77/-0.72/-1.61，而传统水电镀光亮铬色LAB值为83.74/-0.78/-0.64，故两者代表光泽的L值相近，显示实验例1的底漆组成所形成的底漆层可使最终成品的表面光泽度良好，与传统水电镀铬的表面光泽度相近，且其也可通过24小时的耐腐性(CASS)测试及3H铅笔硬度测试。实验例2的底漆组成所呈现的表面也具有光泽度但颜色偏黄，可通过12小时耐腐性(CASS)测试及3H铅笔硬度测试。实验例3的底漆组成的底漆层则光泽度不足，且无法使后续物理气相沉积的金属镀膜附着沉积，并会使金属灰化；此外其CASS测试仅能维持不到2小时，硬度也相对不足，仅能通过2H铅笔硬度测试。因此，由表三可知实验例1与实验例2皆可达到与传统水电镀光亮铬色相同的表面光泽度，且经由CASS测试与铅笔硬度测试结果可知实验例1与实验例2所形成的底漆层具有耐腐蚀及耐磨的机械性能。

实验例4-8不同物理气相沉积条件及镀膜测试结果

实验例4-8为利用不同物理气相沉积条件进行金属镀膜及氮化金属镀膜沉积，并检验镀膜后成品表面的颜色。其中，实验例4-7所使用的底漆组成为前述实验1，而实验8则为使用前述实验例3的底漆组成来进行不同物理气相沉积条件测试。

表四

由表四可知，实验例4与实验例5为使用多弧溅镀进行物理气相沉积，两者差别在于使用的电流与偏压不同以及沉积时间也不相同。其结果为实验例4所产生的成品表面颜色趋近于传统水电镀光亮铬色制程所产生的颜色，其色差值分别为：水电镀制程LAB值为83.74/-0.78/-0.64，而本发明的基材干式表面处理方法LAB值为83.77/-0.72/-1.61。实验例5所产生的成品表面则发现以显微镜观察有龟裂现象。

而实验例6-8则为使用多弧溅镀搭配中频溅镀进行物理气相沉积，其中实验例6与实验例7不同之处在于进行物理气相沉积时的氮气流速不同。其结果发现实验例6的成品表面颜色趋近于传统水电镀制程所产生的颜色，其色差值分别为：水电镀制程LAB值为83.74/-0.78/-0.64，而本发明的基材干式表面处理方法LAB值为77.47/-0.76/-1.68。实验例7的成品表面颜色则偏黑。此外，上述实验例4-7使用相同底漆但不同条件进行物理气相沉积，所产生的成品结果并不完全相同，显示底漆组成仍须搭配适合的物理气相沉积条件才能产生与传统水电镀光亮铬色相同的结果。另，实验例8所使用至底漆树脂为水性统UV漆，其明显无法承受物理气相沉积时的条件温度及电压，因而造成形成的底漆层产生裂痕且镀膜无法附着而产生白雾化情形。

实验例9-10金属镀膜与氮化金属镀膜迭层测试

实验例9为利用本发明的基材干式表面处理方法于基材上以铬靶进行物理气相沉积，于基材上依序形成一层氮化铬镀膜与一层铬镀膜的双层镀膜设计(CrN+Cr)。实验例10则为同样利用本发明的基材干式表面处理方法于基材上以铬靶进行物理气相沉积，于基材上依序形成一层氮化铬镀膜、一层铬镀膜、一层氮化铬镀膜与一层铬镀膜的四层镀膜设计(CrN+Cr+CrN+Cr)。并将实验例9与实验例10的成品进行耐腐性测试(CASS)以及测量腐蚀电位(Ecorr)与腐蚀电流(Icorr)。并以基板本身、单层铬镀膜、以及单层氮化铬镀膜做为比较例1-3。耐腐性测试以铜盐加速醋酸盐雾试验进行。表五为实验例9-10与比较例1-3的腐蚀电位及腐蚀电流的量测结果。

表五

腐蚀电流等于腐蚀速率，数值越高则代表腐蚀越强。根据试验结果，发现实验例9与实验例10的多层金属镀膜与氮化金属镀膜的迭层设计皆具有较单层金属镀膜或者单层氮化金属镀膜较低的腐蚀电流。此外，于耐腐性测试中，具有四层镀膜迭层的实验例10经过4小时的盐雾测试后，所产生的腐蚀点最少，并且颜色相似于一般水电镀外观的颜色。显示依据本发明的基材干式表面处理方法所形成的迭层镀膜可具有耐腐性。

实验例11-12最终成品功能测试

根据上述各实施例的结果，实验例11为选用实验例1的底漆组成并利用实验例4的条件进行物理气相沉积后所形成的成品；实验例12则为选用实验例1的底漆组成利用实验例6的条件进行物理气相沉积后所形成的成品，且实验例11与实验例12皆于最终金属镀膜上涂布面漆，再进行最终成品功能测试。测试内容包括耐腐性测试、铅笔硬度测试、百格测试、落砂测试、耐化学品测试、水浸测试、冷热循环测试以及表面色差测量。其中，耐腐性测试为根据ASTM B-368进行，铅笔硬度测试根据ASTM D-3363进行，百格测试为根据ASTMD3359进行，落砂测试为根据ASTM D-968进行，耐化学品测试为根据ASTM D-1308进行，水浸测试为根据ASTM D-870进行。冷热循环测试以下条件进行：-40±2℃下40分钟，20±5℃下30分钟，75±2℃下40分钟，最后20±2℃下30分钟。表六为实验例9与实验例10最终成品的功能测试结果。

表六 最终成品功能测试结果

根据表六所列的结果，实验例11与实验例12的最终成品表面皆具有耐腐及耐磨等机械性能，且与传统水电镀制程产生的成品表面颜色比较，以肉眼不易察觉其差异性。

图3为根据本发明一实施例制成的成品的电子显微镜结果。利用电子显微镜检测实验例12的成品厚度。放大倍数为2000，可以看到底漆层厚度为33μm，其中经由物理气相沉积所形成的金属镀膜总厚度为0.12μm。

图4为根据本发明另一实施例制成的成品的电子显微镜结果。利用电子显微镜检测实验例11的成品厚度。放大倍数为1000，可以看到底漆层(Base coating)厚度为40μm，面漆层(Top coating)厚度为34μm，两者中间具有厚度为0.05μm的镀膜(PVD coating)。

综上，本发明的基材干式表面处理方法于基材涂布形成高分子涂层(底漆层)，再于高分子涂层上利用物理气相沉积，直接使用金属靶材与氮气反应形成交替迭层的金属镀膜与氮化金属镀膜，使最终成品表面具有良好的耐腐蚀及耐磨等机械性能，且若靶材为铬则可直接产生与一般水电镀光亮铬色外观极为相似的成色，不需额外使用中漆调色，以解决水电镀制程所产生的废土、废水处理问题。

需特别说明的是，本发明的最终产品可为各种常见的卫浴配件，例如水龙头本体10、花洒本体20或把手30等，如图5至7所示，可轻易理解的是，卫浴配件皆具有基材，并以干式表面处理方法于基材上进行表面处理。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。