塑膠裝飾與表面加工

裝飾與表面加工

從概念到商業化的卓越製程

出色的產品外觀絕非偶然！自 1992 年以來，SABREEN 已為 35 個國家的 550 家企業解決塑膠製造難題。我們的創新技術應用於當今許多最知名的軍用與商用產品製造——從國際太空站、藥品到水下運動攝影機。SABREEN 的工程為客戶贏得業界最高獎項，包括年度製藥／醫療包裝產品獎，並獲史密森尼國家博物館收藏。我們的早期專案參與能加速專案時程。

SABREEN 顛覆性的製程帶來更低的製造成本、六標準差品質與關鍵市場優勢。讓我們為貴公司打造外觀動人的產品。

聚烯烴氣密封裝的客製黏接與固化技術

背光「日／夜」汽車按鍵：塗裝與雷射剝蝕

曲面圓柱筆身的數位（噴墨）印刷

PPS 保險箱轉盤的 360° 移印，60° 拔模角

熱塑性彈性體與橡膠的數位彩色噴墨列印與雷射打標。大量客製化。

用於產品資訊與產品安全的次表面雷射打標

用於大量客製化的數位印刷

兼具附著力與高耐衝擊性的特製透明面漆

全彩數位印刷搭配 FDA 耐化學透明面漆，洗碗機穩定

屢獲殊榮的製藥／醫療時尚避孕藥攜帶盒

聚合物屋瓦裝飾／塗裝模擬板岩與雪松木瓦，40 年耐光、防火與抗風保固

客製裝飾與特效面漆模擬軟觸感與木紋

裝飾業者運用多種二次加工，為容器與其他塑膠零件創造吸睛效果。此外，特效著色劑可直接成型於塑膠零件中，本身就能呈現迷人外觀。更棒的是，我們可以將這些著色劑與噴漆、移印、水轉印、雷射打標與金屬化等二次加工結合，產生獨特的視覺與觸覺特效。

特效著色劑的種類

表 1 列出六大類特效顏料與染料。全部都有無重金屬版本，部分符合 FDA 塑膠法規。

表 1 列出六大類特效顏料與染料。全部都有無重金屬版本，部分符合 FDA 塑膠法規：

珠光顏料。用於塗料、油墨與塑膠的珠光顏料主要以覆有二氧化鈦的雲母片為基礎。隨著鍍膜厚度增加，顏色從銀白變化到黃、紅、藍、綠。加上第二層氧化鐵（金與米色）或氧化鉻（綠色）鍍膜可獲得不同色彩；以氧化鐵取代二氧化鈦則可得到古銅與紫銅等一系列金屬色。

金屬顏料。金屬顏料由銅合金與鋁製成，有多種顏色與粒形。銅系顏色從亮綠金到紅金不等；鋁系呈銀色與銀灰色。最初絕大多數產品為片狀以最大化光澤。與珠光顏料一樣，塑膠加工者必須注意將剪切力降到最低以保持粒形；調色師通常混合不同粒徑的顏料，以取得光澤與遮蔽力的理想平衡——小顆粒提供遮蔽力，大顆粒提供光澤。由於金屬顏料導熱導電，除裝飾外也常用於賦予其他功能特性。

螢光染料與顏料。有時稱為「日光發光」色，螢光色的原理是「挖東牆補西牆」。日光由紫外線、可見光與紅外線組成。傳統顏料呈現的顏色來自物體反射的特定可見光波長；螢光顏料與染料則同時利用紫外線與可見光。其化學結構讓它們能將吸收的部分紫外線以可見光形式發出，這些發射光疊加在反射的可見光上，形成看似發光的更明亮色彩。商用螢光燈也有類似效果。從泡泡糖到洗衣精，各種消費品都曾採用螢光容器包裝以吸引買家目光。

磷光顏料。又稱「夜光」顏料，磷光顏料正進入各式應用，例如電燈開關、錶盤、電視遙控器按鍵與玩具等。傳統顏料吸收光後立即釋放；磷光顏料與光源的互動不同——它們能在寬廣的波長範圍內大量吸收光，然後隨時間非常緩慢地再發射。這類顏料早期依賴硫化鎘化學，如今多家公司已提供無重金屬版本。將以此類顏料著色的物品暴露在可見光源下「充電」（普通白熾燈即可），離開光源後可持續發光數小時。

熱致變色與光致變色著色劑。這些著色劑提供搶眼的變色效果。顧名思義，熱致變色著色劑隨溫度變化而變色。它們是由染料、活化劑與溶劑組成的複雜著色劑：溶劑的熔點決定變色發生的溫度，染料決定顏色。熱致變色在「軟質塑膠」中效果最佳——例如在 PE、耐衝擊聚苯乙烯與軟質 PVC 中，比在 PP、透明聚苯乙烯或硬質 PVC 中更有效，因為較軟的塑膠有更多自由體積可容納全部三種必要成分。市售熱致變色劑價格差異很大，但都需要相當高的添加量才能產生戲劇性的變色效果。光致變色著色劑則以在陽光照射下改變分子形狀的染料為基礎，可在低添加量（約 0.5% 以下）使用，非常適合透明塑膠。

裝飾用水性塗料提供出色的外觀、功能與價值，且環保。水性塗裝是快速發展的技術，以水為介質將塗料轉移到塑膠表面，正成為新標準，取代許多溶劑型塗料。當今的水性化學品在許多應用中，外觀與物理性能已與溶劑型相當甚至更好。

高性能水性塗料可達到超高裝飾面標準，正快速佔領許多塗裝市場。水性塗料環保「綠色」，符合嚴格的排放法規，使製造商得以在許多應用中從溶劑型塗料系統轉換。水性塗料毒性較低、VOC 含量低、也較不易燃。使用它們能減少空氣排放並改善工人健康與安全。

水性塗料有多種固化機制，包括 a）蒸發、b）烘烤與 c）UV 固化。近年來，汽車、船舶與建築 OEM 業界已大幅增加彩色與透明（面漆）水性塗料的使用。

溶劑型塗料的流動介質是有機溶劑或有機溶劑混合物（MEK、MIBK、二甲苯、甲苯等）。要歸類為「水性」塗料，水必須是重要或主要的流動介質。多數符合水性定義的塗料在流動介質中也含有部分有機共溶劑，通常是低分子量的極性酮、醇與酯。典型化學組成約為 50% 水、45% 固形物與 5% 共溶劑（共溶劑可占流動介質的 2-20%）。

製程應用

水性塗料可使用傳統施工方式，包括各種噴塗方法與浸塗。這使水性製程優於高固含量塗料——後者因黏度較高而無法浸塗。噴塗方法包括傳統空氣霧化、HVLP、無氣噴塗與空氣輔助無氣噴塗。噴槍可用水或水基溶液清洗，而非稀釋劑或丙酮。

乾燥考量

水性塗料的固化時間遠長於溶劑型。強制乾燥或烘烤時，噴房與烘箱之間必須有足夠的閃乾時間，否則可能出現溶劑爆孔。也必須確保零件表面溫度高於露點以防結露。這在溫暖月份通常不是問題，在寒冷月份則需留意。

濕度高的溫暖天氣會延長閃乾與乾燥時間。若濕度過高，乾燥時釋放的水蒸氣無處可去，塗膜就無法固化。透過適度的氣流與提高溫度，可為塗層持續提供新鮮空氣，讓空氣有更大的容納水氣能力。零件暴露於冰點溫度前，塗層中的水分必須完全去除，否則殘留水分結冰膨脹會導致附著力喪失。

固化塗層與油墨的附著力和耐磨性是兩項關鍵性能，其量測與控制是穩健製造的根本。附著力與耐磨性是彼此獨立的物理性質，在失效分析中常被誤診。不良的附著與耐磨性是現場失效、報廢與重工、利潤下滑及客戶不滿的主因。這些性質都有量測技術可用。

附著與耐磨

塑膠基材上固化塗層與油墨的最佳附著力與耐磨性（抗磨性）必須在製造過程中實現，才能產出經久耐用的高品質產品。這些性質可能相互關聯，但往往互斥——固化塗層與油墨可能附著好而耐磨差，或附著差而耐磨好。正確測試並理解附著與耐磨，可確保符合規格，對解決塗裝與印刷問題極有價值。辨識失效機理——附著（內聚）、磨耗或兩者——將決定工程解決方案。既有歷史悠久的測試方法，也有新式儀器可量測分析這些性質。

附著力測試方法

ASTM D 3359 膠帶測試附著力標準方法因其簡單與低成本，堪稱歷來最著名、使用最廣的塗層與油墨附著力測試方法。進行膠帶測試的最基本程序包括：

• 對膠帶選擇達成一致。
• 塗層與油墨必須完全固化後才能測試。
• 依方法 A 在塗膜上劃 X 形切口，或依方法 B 以每方向六刀或十一刀劃出格子圖案。
• 從膠帶捲上撕除並丟棄兩圈膠帶。
• 用手指將膠帶撫平貼合，再用鉛筆尾端的橡皮擦等用力摩擦。膠帶下的顏色是完全貼合的良好指標。
• 貼上後 60-120 秒內，抓住自由端以盡可能接近 180 度的角度快速（勿猛拉）回拉撕除膠帶。
• 檢查切割區域塗層自基材剝離的情況，並依預定的描述與圖示分級（0B、1B、2B、3B、4B、5B）評定附著力。

設計師可透過在模具表面增加紋理來改善附著。紋理形成峰谷，提供機械互鎖附著。紋理可在模具內完成，或以 Scotch-Brite 磨片手工處理加溶劑清潔。模內紋理較佳，因為它能在不增加人工／化學品成本的情況下維持表面特性。例如，NTMA 模穴表面加工「40-鑽石拋光 1200 目」的黏接強度很可能優於「10-細鑽石 8000 目」（0-3 微米範圍）。參見圖 4 SPI 模具表面加工。即使是輕微紋理的表面也有幫助。對連接器等凹孔應用，模具中的蝕刻型芯銷極為有效。

油墨與聚合物基材相容性——最難噴墨列印的聚合物包括：縮醛（POM）、聚醯胺（尼龍）、聚烯烴、聚酯（PET）、聚苯硫醚（PPS）、聚醚醚酮（PEEK）、聚醚醯亞胺（PEI）、聚醯亞胺「Kapton」（PI）、聚四氟乙烯（PTFE）與聚胺酯（PUR）。設計師選擇這些低表面能（LSE）材料，是看中其輕量化金屬替代、剛性與強度、耐化學性以及高溫使用下的物理性能。

要成功印刷與裝飾，油墨與塗料必須與聚合物表面達成長期附著。附著主要取決於表面現象——高溫油墨必須能順利自噴頭噴出並與基材適當交互作用。油墨必須能與聚合物基材表面緊密接觸，這種緊密接觸稱為潤濕，指油墨在表面鋪展的能力。大多數聚合物表面天生疏水、抗拒潤濕。這類塑膠的特徵是化學惰性、無孔隙且表面能低，使印刷附著幾乎不可能。表面能是固體表面（相對於本體）存在的過剩能量：表面分子無法像本體分子那樣與同類鄰居充分作用，因此擁有過剩的交互作用能。

以聚醯胺（俗稱尼龍）為例，它是半結晶聚合物，最常見的牌號是尼龍 6 與尼龍 6/6。尼龍聚合物天生難以黏接，因為疏水、化學惰性且表面潤濕性差（即表面能低）。此外，尼龍具吸濕性，可從大氣吸收超過自身質量 3% 的水分。水分本身就會造成附著問題，因此尼龍樹脂的正確乾燥程序對加工與零件性能至關重要。最值得注意的是：尼龍的疏水行為是表面性質，親水行為是本體性質。作為有機聚合物，尼龍表面能相對較低——這是聚合物及其他有機物表面化學與表面物理的結果。然而尼龍鏈中的醯胺基會吸引水分，使材料在本體吸水方面呈親水行為。因此尼龍在本體上可表現為親水材料，表面上卻可能呈疏水行為。

聚苯硫醚（PPS）擁有所有先進工程塑膠中最廣泛的耐腐蝕性。PPS 產品不吸濕，因此不會像尼龍（聚醯胺）那樣出現尺寸膨脹問題。但成型時仍須使用乾燥的樹脂——水分本身就是問題。高水分會產生孔洞，可能不利零件性能、影響附著並改變外觀。乾燥與加工之間的時間應盡量縮短。PPS 應使用除濕料斗乾燥機乾燥，一般不建議使用熱風烘箱。要達到完全結晶狀態，模溫至少需 275 至 300°F。低於 275°F 成型時，成品呈非晶或半結晶狀態，並維持此狀態直到暴露於更高的使用溫度（包括熱固化）。若使用溫度超過成型溫度，零件結晶度會提高，導致尺寸與性能改變。例如，40% 玻纖 PPS 在非結晶狀態下 @264 psi（1.8 MPa）的熱變形溫度（HDT）僅 350°F，結晶狀態下則提高到超過 500°F（260°C）。此外，模溫對表面外觀有顯著影響。

低分子量物質——如矽氧樹脂、脫模劑、抗滑劑與加工助劑——會妨礙油墨流動與達成附著所需的緊密接觸。顏料與染料著色劑中的某些可溶或不可溶化合物會不利附著。成型表面的化學組成、紋理與孔隙率顯著影響油墨流動與附著。處理與附著的程度或品質受塑膠表面潔淨度影響：表面必須潔淨才能取得最佳前處理與後續油墨附著。矽氧脫模劑、灰塵、粉塵、油脂、油污與指紋等表面污染都會妨礙處理。

材料純度同樣重要。經處理塑膠的保存期限取決於樹脂種類、配方與儲存區環境。低分子量氧化物質（LMWOM）——如抗氧化劑、塑化劑、滑劑與抗靜電劑、著色劑與顏料、安定劑等——會縮短處理後產品的保存期限。處理表面暴露於高溫會提高分子鏈遷移率；遷移率越高，處理老化越快。處理材料中的聚合物鏈移動使處理產生的鍵結位點離開表面，這些成分最終可能遷移至聚合物表面。

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