лазерное плакирование термопластического порошка на пластиках

Формула изобретения

1. Способ нанесения покрытия (17) из термопластического материала на субстрат (11), выполненный из полимерного материала, причем указанный термопластический материал и указанный полимерный материал являются несовместимыми, включающий этапы:

обрабатывают субстрат первым плазменным разрядом (12) или полученной из него струей химически активного газа, получая обработанный плазмой субстрат (14) и образуя на этом обработанном плазмой субстрате одну или более химических групп, проявляющих химическое или физическое сродство для сцепления с термопластическим материалом;

осуществляют проход лучом лазера (15) по линии на указанном обработанном плазмой субстрате, нагревая обработанный плазмой субстрат; и

подают порошок (16) из указанного термопластического материала на указанную линию, образуя покрытие (17) на обработанном плазмой субстрате.

2. Способ нанесения покрытия из термопластического материала на субстрат, выполненный из полимерного материала, причем указанный термопластический материал и указанный полимерный материал являются несовместимыми, включающий этапы:

обрабатывают порошок из указанного термопластического материала вторым плазменным разрядом или полученной из него струей химически активного газа, получая обработанный плазмой порошок и образуя на этом обработанном плазмой порошке одну или более химических групп, проявляющих химическое или физическое сродство для сцепления с термопластическим материалом;

осуществляют проход лучом лазера по линии на субстрате, нагревая субстрат; и

подают указанный обработанный плазмой порошок на указанную линию, образуя покрытие на субстрате.

3. Способ по п.1, отличающийся тем, что обработку порошка выполняют в соответствии с п.2.

4. Способ по любому из п.1 или 2, отличающийся тем, что первый плазменный разряд и/или второй плазменный разряд образуют с плазмообразующим газом, выбранным из группы, состоящей из воздуха, N₂, O₂ , CO₂, H₂, N₂O, Не, Аr и их смеси.

5. Способ по п.1, включающий этап введения первого прекурсора в первый плазменный разряд, или в полученную из него струю химически активного газа, до этапа обработки.

6. Способ по п.2, включающий этап введения второго прекурсора во второй плазменный разряд, или в полученную из него струю химически активного газа, до этапа обработки.

7. Способ по любому из п.5 или 6, отличающийся тем, что первый и второй прекурсоры выбирают из группы, состоящей из: аллиламина, гидроксильного этилакрилата, акриловой кислоты, метана, пропана, этилена, ацетилена, аминопропилтритоксилана и воды.

8. Способ по любому из пп.1, 2, 5 или 6, отличающийся тем, что химическую группу выбирают из группы, состоящей из: карбоксильной группы, аминогруппы, гидроксильной группы, амидогруппы, имидогруппы, группы нитрила, диимида, изоцианида, карбоната, карбонила, пероксида, гидропероксида, имина, азида, эфира, сложных эфиров, силоксана и галогена.

9. Способ по любому из пп.1, 2, 5 или 6, отличающийся тем, что на этапе обработки поверхностный слой подвергают воздействию плазмы с толщиной в диапазоне 1 Å-1000 нм, предпочтительно в диапазоне 3 Å-500 нм, предпочтительнее в диапазоне 5 Å-300 нм.

10. Способ по любому из пп.1, 2, 5 или 6, дополнительно включающий этап прохода лазерного луча по линии на покрытии.

11. Способ по любому из пп.1, 2, 5 или 6, отличающийся тем, что указанный полимерный материал является термопластическим материалом.

12. Способ по любому из пп.1, 2, 5 или 6, отличающийся тем, что указанный полимерный материал является термореактивным материалом.

13. Способ по любому из пп.1, 2, 5 или 6, отличающийся тем, что на этапе обработки субстрата и/или этапе обработки порошка обрабатываемую поверхность обрабатываемого материала нагревают, по меньшей мере, временно, по меньшей мере, до температуры стеклования, предпочтительно, по меньшей мере, до температуры плавления.

14. Способ по п.3, включающий этап введения первого прекурсора в первый плазменный разряд, или в полученную из него струю химически активного газа, до этапа обработки и введения второго прекурсора во второй плазменный разряд, или в полученную из него струю химически активного газа, до этапа обработки.

15. Способ по п.14, отличающийся тем, что первый и второй прекурсоры являются одинаковыми.

Описание изобретения к патенту

Данное изобретение относится к способу нанесения покрытия на поверхность из полимерного материала посредством лазерного плакирования термопластического порошка на указанной поверхности. В частности, в том случае, если указанный пластический материал и указанный термопластический порошок являются взаимно несовместимыми пластиками.

Лазерное плакирование является хорошо известной технологией, обеспечивающей нанесение покрытий на основе металла на металлические субстраты. Данная технология используется для проведения ремонтных работ и/или для повышения коррозионной стойкости и износостойкости компонента. Данный процесс также может использоваться для нанесения полимерных покрытий, например, как изложено в заявке на патент WO 2007/009197. Вкратце, покрытие из термопластического материала может быть нанесено на субстрат посредством нагревания субстрата, в частности, лазерным излучением (например, осуществляют проход лучом лазера по субстрату) и одновременной подачи порошка из указанного термопластического материала на нагреваемый субстрат. В результате поглощения части энергии лазерного излучения наносимый термопластический порошок плавится и тем самым образует покрытие. Это покрытие может быть уплотнено посредством его дополнительного нагрева, в частности, воздействием на покрытие (покрытую поверхность) лазерным излучением (например, посредством повторного прохода лучом лазера по покрытию субстрата).

Однако в случае, если субстрат и порошок оба выполнены из несовместимых пластиков, то наносимое покрытие будет обнаруживать слабое сцепление с субстратом. Подобные покрытия не рекомендуются для практического применения.

Для обеспечения качественного сцепления материалы субстрата и покрытия у области контакта должны взаимно проникать друг в друга с обеспечением сцепления полимерных цепей различных материалов. Однако существуют пластические материалы, которые не обеспечивают взаимного проникновения или обеспечивают недостаточное взаимное проникновение во время плакирования, что приводит к весьма некачественному сцеплению или отсутствию сцепления. Подобные материалы относятся к несовместимым пластическим материалам или несовместимым пластикам.

Несовместимые пластики относятся к пластикам, которые не проявляют ни химическое, ни физическое взаимное сродство для сцепления и/или взаимного проникновения. Несовместимые пластики могут быть разнородными пластиками (пластики с различными химическими структурами). Однако не все разнородные пластики являются несовместимыми. Несовместимость является возможной между полимерами с большими различиями в температурах точек плавления или температурах стеклования или между аморфными или полукристаллическими полимерами.

Соответственно в данной области техники имеется необходимость в улучшенном способе лазерной плакировки, обеспечивающей или улучшающей слипание или сцепление термопластического покрытия с субстратом из полимерного материала, который устраняет недостатки предшествующего уровня техники. В частности, целью данного изобретения является создание подобных способов, в которых указанные полимерный субстрат и термопластическое покрытие изначально являются взаимно несовместимыми материалами для сцепления и/или взаимного проникновения и которые, тем не менее, обеспечивают качественное слипание и/или сцепление.

Цель данного изобретения заключается в обеспечении способов лазерного плакирования, в которых прочность сцепления превосходит результаты, полученные в данной области техники.

Цели данного изобретения достигаются созданием способов нанесения покрытия из термопластического материала на субстрат, выполненный из полимерного материала, как изложено в прилагаемой формуле изобретения.

В соответствии с первым аспектом данного изобретения предлагается способ нанесения покрытия из термопластического материала на субстрат, выполненный из полимерного материала, в котором указанный термопластический материал и указанный полимерный материал являются несовместимыми, включающий следующие этапы. Во-первых, обрабатывают субстрат первым плазменным разрядом или полученной из него струей химически активного газа, получая обработанный плазмой субстрат. Данный субстрат является обработанным, по меньшей мере, у его поверхности, причем указанная поверхность является поверхностью контакта с покрытием. Во-вторых, осуществляют проход лучом лазера по линии (вдоль обработанной поверхности) на указанном обработанном плазмой субстрате, нагревая этот обработанный плазмой субстрат. В-третьих, подают порошок из указанного термопластического материала на указанную линию, образуя покрытие на обработанном плазмой субстрате. Этапы по данному изобретению могут выполняться одновременно.

В соответствии со вторым аспектом данного изобретения предлагается способ нанесения покрытия из термопластического материала на субстрат из полимерного материала, в котором указанный термопластический материал и указанный полимерный материал являются несовместимыми, включающий следующие этапы. Во-первых, обрабатывают порошок из указанного термопластического материала вторым плазменным разрядом или полученной из него струей химически активного газа, получая обработанный плазмой порошок. Во-вторых, осуществляют проход лучом лазера по линии на субстрате, нагревая субстрат. В-третьих, подают указанный обработанный плазмой порошок на указанную линию, образуя покрытие на субстрате. Этапы по данному изобретению могут выполняться одновременно.

Этапы прохода лучом лазера по субстрату и подачи порошка для образования покрытия, как определено в вышеуказанных аспектах, относятся к нанесению покрытия посредством лазерного плакирования.

В соответствии с другим аспектом данного изобретения способы по первому и второму аспектам комбинируются.

Способы по данному изобретению могут включать выбор плазмообразующего газа так, чтобы обеспечить совместимость в области контакта субстрата и покрытия. Соответственно плазмообразующий газ предпочтительно выбирают для первого плазменного разряда так, чтобы получить химическую группу в поверхностном слое субстрата, совместимую с термопластическим материалом. Плазмообразующий газ предпочтительно выбирают для второго плазменного разряда так, чтобы получить химическую группу в поверхностном слое термопластического материала, совместимую с полимерным материалом субстрата.

Предпочтительно первый плазменный разряд образуют с плазмообразующим газом, выбранным из группы, состоящей из воздуха, N₂ , O₂, CO₂, H₂, N₂ O, He, Ar и их смеси. Второй плазменный разряд предпочтительно образуют с плазмообразующим газом, выбранным из этой же группы.

Предпочтительно на этапе обработки субстрата и/или на этапе обработки порошка обрабатываемую поверхность обрабатываемого материала нагревают, по меньшей мере, временно, по меньшей мере, до температуры стеклования, предпочтительно, по меньшей мере, до температуры плавления.

Способы по данному изобретению могут преимущественно включать этап введения первого прекурсора в первый плазменный разряд или в полученную из него струю химически активного газа до этапа обработки.

Способы по данному изобретению могут преимущественно включать этап введения второго прекурсора во второй плазменный разряд или в полученную из него струю химически активного газа до этапа обработки.

Предпочтительно первый и второй прекурсоры являются одинаковыми.

Первый прекурсор и/или второй прекурсор могут быть выбраны так, чтобы обеспечить совместимость у области контакта субстрата и покрытия. Соответственно первый прекурсор предпочтительно выбирают так, чтобы получить химическую группу в поверхностном слое субстрата, совместимую с термопластическим материалом. Второй прекурсор предпочтительно выбирают так, чтобы получить химическую группу в поверхностном слое термопластического материала, совместимую с полимерным материалом субстрата.

Первый и/или второй прекурсор предпочтительно является аллиламином. Как вариант, прекурсор предпочтительно является гидроксильным этилакрилатом. Как вариант, прекурсор может быть акриловой кислотой.

Первый и/или второй прекурсор предпочтительно является метаном. Как вариант, прекурсор может быть пропаном. Как вариант, прекурсор может быть этиленом. Как вариант, прекурсор может быть ацетиленом.

Первый и/или второй прекурсор может быть водой. Как вариант, он может быть аминопропилтритоксиланом.

Предпочтительно на этапе обработки химическую группу создают, по меньшей мере, на обрабатываемом материале (предпочтительнее также в указанном материале).

Указанную химическую группу предпочтительно выбирают из аминогруппы и амидогруппы, предпочтительнее также из группы имидов.

Указанную химическую группу предпочтительно выбирают из группы, состоящей из карбоксильной группы, гидроксильной группы и амидогруппы и предпочтительнее из гидроксильной группы.

Указанную химическую группу предпочтительно выбирают из группы, состоящей из карбоксильной группы, аминогруппы, гидроксильной группы, амидогруппы, группы имидов, нитрильной группы, диимидов, изоцианидов, углекислой соли, карбонильной, пероксидной и гидропероксидной групп, иминов, азидов, групп из эфиров и сложных эфиров.

Указанная химическая группа предпочтительно является группой силоксанов или группой галогенов.

Предпочтительно на этапе обработки поверхностный слой (либо субстрата, либо частиц порошка, либо и того, и другого) подвергают воздействию плазмы с толщиной в диапазоне 1 Å-1000 нм, предпочтительно в диапазоне 3 Å-500 нм, предпочтительнее в диапазоне 5 Å-300 нм.

Предпочтительно способы по данному изобретению дополнительно включают этап прохода лучом лазера по линии на покрытии (для уплотнения покрытия).

Предпочтительно указанный полимерный материал (субстрата) является термопластическим материалом.

Предпочтительно указанный полимерный материал (субстрата) является термореактивным материалом.

КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ

Фиг.1 (А-D) иллюстрируют этапы способа в соответствии с вариантом выполнения данного изобретения. Фиг.1А представляет этап, на котором материал субстрата обрабатывают плазмой с использованием плазменной струи. На фиг.1В представлен обработанный плазмой материал субстрата. На фиг.1C представлен этап покрытия обработанного плазмой субстрата термопластическим порошком посредством лазерного плакирования. На Фиг.1D представлен готовый покрытый субстрат.

ПОДРОБНОЕ ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

Далее приведено подробное описание данного изобретения со ссылкой на прилагаемые чертежи, при этом предполагается, что они ограничивают объем правовой охраны данного изобретения.

Следует отметить, что термин «включает в себя» не обязательно подразумевает ограничение перечисленными ниже элементами и не исключает другие элементы и этапы.

Аспекты данного изобретения относятся к способам нанесения покрытия из термопластического материала на субстрат из полимерного материала посредством лазерного плакирования. Термопластический материал выполнен в виде порошка, как было указано выше. Субстрат, в частности, представляет собой пластический материал. Способы по данному изобретению особенно предпочтительны для случаев, когда материал покрытия и материал субстрата являются несовместимыми.

Используемые в описании данного изобретения термины «пластики», «пластические материалы» и «полимерные материалы» относятся к одним и тем же материалам и поэтому используются с возможностью взаимозаменяемости.

Несовместимые пластики относятся к пластикам, которые не обладают ни химическим, ни физическим взаимным сродством для обеспечения сцепления и/или взаимного проникновения. Соответственно во время покрытия (лазерного плакирования) не образуется сцеплений и/или взаимных проникновений или образуются только очень слабые сцепления и/или взаимные проникновения, при этом слипание покрытия и субстрата является недостаточным для практического применения. Большинство разнородных пластиков являются несовместимыми.

В соответствии с данным изобретением, по меньшей мере, один материал (или материал субстрата, или порошковый материал, или даже оба материала) обрабатывают, по меньшей мере, у их поверхности, плазмой, до этапа нанесения покрытия.

Воздействие плазмы выбирают так, что оно преимущественно обеспечивает образование функционального поверхностного слоя, формируемого у/на данной поверхности. Соответственно преимущественно на поверхность полимерного материала и, возможно, вглубь материала наносятся или наращиваются химические функциональные группы.

Формулировка «функциональный поверхностный слой» или «функциональная зона» относится к поверхностной зоне, обрабатываемой плазмой, и, возможно, к нижележащей глубине, которая подвергается указанной плазменной обработке, т.е. она относится к объему или поверхностному слою.

Функциональный поверхностный слой преимущественно содержит функциональные группы. Функциональные группы относятся к химическим группам, присутствующим в функциональной зоне, образующимся при плазменной обработке указанной зоны, которые улучшают и/или обеспечивают химическое и/или физическое сродство для сцепления с одним или более заданными пластическими материалами. Эти функциональные группы могут быть выполнены посредством плазмообразующего газа и/или посредством соответствующих прекурсоров, добавляемых к этому газу, как указано ниже.

Соответственно обеспечивается функциональный поверхностный слой, который удивительно улучшает совместимость материалов во время процесса лазерного плакирования.

Следовательно, выбором плазменной обработки можно обеспечить прочное сцепление плакированного лазером покрытия, благодаря обработанному плазмой поверхностному слою, который совместим с другими полимерными материалами.

Полимерный материал субстрата предпочтительно является термопластическим материалом. Однако неожиданно было установлено, что данное изобретение также создает возможность для лазерного плакирования на термореактивном материале субстрата.

Или порошок из термопластического материала, или пластический материал субстрата, или оба они могут быть обработаны плазмой для создания функционального поверхностного слоя.

Обратимся к фиг.1А, на которой проиллюстрированы способы по данному изобретению, включающие этап образования плазмы. Данная плазма может быть плазменным разрядом. Как вариант, она может быть послесвечением плазмы (плазменной струей).

Плазму образуют посредством газа 13, например N₂, воздуха, O₂, СO₂, N₂O, He, Аr и их смеси. Чаще всего используют воздух и азот. Плазма может быть создана известными в данной области техники способами, например барьерным разрядом диэлектрика, радиочастотами (RF), микроволновым тлеющим разрядом или импульсным разрядом. В частности, может использоваться устройство 12 с плазменной струей. Как вариант, может использоваться устройство с плазменным разрядом.

Плазмообразующий газ может быть выбран в зависимости от полимерного материала (термопластического материала порошка и/или полимерного материала субстрата), так что обработка полимерного материала плазмой, образованной указанным газом, обеспечивает (функциональный) поверхностный слой, который совместим с другим полимерным материалом, например, благодаря образованию химических (функциональных) групп. Соответственно плазмообразующий газ может создавать функциональные (химические) группы.

Данная плазма предпочтительно является плазмой при атмосферном давлении. В зависимости от применения для образования плазмы (разряда) вместо атмосферного давления может быть предпочтительным промежуточное давление (0,1-1 бар).

В плазменный разряд может быть введен прекурсор, или получающийся из него химически активный газ (послесвечение плазмы), для создания функционального поверхностного слоя. Данный прекурсор может быть добавлен в виде газа или аэрозоля, который активируется энергией плазмы. Прекурсор преимущественно может быть добавлен для создания функциональных (химических) групп.

Прекурсор представляет собой химическое соединение или молекулы, включающие в себя преимущественно одну или более выбранных функциональных (или химических) групп для улучшения (поверхностной) совместимости полимерных материалов. Как вариант, реакция прекурсора с плазмой и/или с полимерным материалом под воздействием плазмы может привести к образованию подобных функциональных (химических) групп. Функциональные (химические) группы могут присутствовать на/у поверхности полимерного материала, подвергаемого плазменной обработке, и, возможно, под поверхностью соответственно с проникновением в полимерный материал.

В зависимости от комбинации полимерного материала и плазмы для образования заданных функциональных групп, обеспечивающих улучшение совместимости, может потребоваться или может не потребоваться использование прекурсора.

Указанная функциональная химическая группа (группы), улучшающая или обеспечивающая совместимость у области контакта покрытия и субстрата (или между поверхностями субстрата и порошкового материала из полимерного материала), может быть выбрана из неисчерпывающего списка групп: карбоксильной группы, аминогруппы, гидроксильной группы, амидогруппы, группы имида, имина, нитрила, карбонила, изоцианида, азида, пероксида, гидропероксида, эфира, диимида, карбоната и сложных эфиров. Химическая группа может быть группой, содержащей галогены, как вариант она может быть группой из силоксанов (например, силиконов).

Следует отметить, что при заданной комбинации пластических материалов различные функциональные группы могут обеспечивать одинаковое улучшение свойств сцепления. Соответственно для достижения одного и того же результата в способах по данному изобретению для заданной комбинации термопластического материала порошка и полимерного материала субстрата возможно использование различных плазменных обработок.

Прекурсоры, например аллиламин, гидроксильный этилакрилат и акриловая кислота, могут обеспечить конкретные химические группы. Как правило, при использовании прекурсора из аллиламина возможно осаждение амидогрупп и/или аминогрупп. Прекурсоры из акриловой кислоты могут обеспечить осаждение гидроксильных, карбоксильных групп и/или амидогрупп. При прекурсорах из гидроксильного этилакрилата можно получить осаждение гидроксильных групп.

Во многих случаях для обеспечения совместимости могут использоваться гибридные органические/неорганические прекурсоры. Например, прекурсор из аминопропилтритоксисилана в плазмообразующем газе обеспечивает аминогруппы на поверхности обрабатываемого плазмой материала.

Собственно плазмообразующий газ может обеспечивать функциональные группы без необходимости использовать прекурсоры. Как правило, азотный газ может обеспечивать функциональные группы, такие как амидогруппы, аминогруппы и группы модифицированных аминов. Обычно добавление некоторого количества водорода или N₂O может изменить относительное содержание вышеупомянутых функциональных групп. Использование кислорода в качестве плазмообразующего газа обычно обеспечивает такие функциональные группы как гидроксильная группа, группы, содержащие карбоновую кислоту, пероксид, кетон и альдегиды.

Например, при выполнении функционального поверхностного слоя, содержащего аминогруппы, группы имидов или амидогруппы на субстрате из полимерного материала, на указанный субстрат может быть нанесено покрытие из полиамида (ПА) лазерным плакированием. Подобные группы могут быть выполнены посредством обработки субстрата плазмой, образованной азотом, или плазмой, образованной смесью азота и СO₂ , Н₂ или N₂O. Для достижения аналогичного результата субстрат из полимерного материала может быть обработан плазмообразующим газом, в который введены один или более следующих прекурсоров: органические химические реагенты с аминогруппами (например, аллиламин), с амидогруппами или органический прекурсор, например метан, пропан, этилен или ацетилен. Таким способом можно получить совместимость с амидогруппами в порошке из ПА.

В другом примере при выполнении поверхностного слоя, содержащего амидогруппы, на субстрате из полимерного материала на указанный субстрат может быть нанесено покрытие из полиуретана (ПУ) лазерным плакированием. Амидогруппа может быть введена посредством обработки субстрата плазмой, образованной воздухом или СO₂. Для достижения аналогичного результата субстрат из полимерного материала может быть также обработан плазменным газом, в который введены один или более следующих прекурсоров: органический химический реагент с аминогруппами, с амидогруппами, с группами имидов, гидроксильными группами (вода, спирты, кислоты, гидроксильный этилакрилат и т.д.), с группами эфиров, или с группами сложных эфиров, или органический прекурсор, например метан, пропан, этилен или ацетилен. Эти группы обладают химическим и физическим сродством с порошком из ПУ.

Для лазерного плакирования покрытия из поли(метилметакрилата) (ПММА) в функциональный поверхностный слой на субстрате из полимерного материала могут быть введены группы акрила с использованием органического прекурсора, содержащего группы акрила (например, акриловой кислоты), чтобы обеспечить совместимость с группами акрила материала из ПММА.

Как с очевидностью следует из вышеизложенного, данное изобретение предполагает использование любой плазменной обработки с прекурсорами или без них любого типа, которые улучшают совместимость любой комбинации полимерных материалов, используемых при лазерном плакировании. Следовательно, данное изобретение не ограничивается ни конкретным плазмообразующим газом, ни конкретными прекурсорами, используемыми для плазменной обработки.

На следующем этапе и в соответствии с фиг.1 субстрат 11, на который должно быть нанесено покрытие, и/или порошок, образующий покрытие, подвергают обработке плазмой или струей химически активного газа, полученного из нее (послесвечение плазмы). Способы обработки полимеров плазмой хорошо известны в данной области техники и изложены в литературе, например, в работе "Plasma Physics and Engineering" by Alexander Fridman and Lawrence A. Kennedy, опубликованной издательством "Routledge", США, в апреле 2004 г. (ISBN: 978-1-56032-848-3).

На субстрат и/или порошок воздействуют плазменным разрядом или послесвечением плазмы в течение заданного периода времени. Дополнительно может быть выбрана заданная относительная скорость между воздействующей плазмой, или послесвечением, и поверхностью (например, скорость плазменной горелки относительно поверхности). Время обработки (контакта) в зависимости от применения может составлять 1 мс - 10 мин. Особенно предпочтительны скорости обработки в диапазоне 0,00015-1000 м/мин.

Плазменная обработка порошка является известной в данной области техники (Martin Karches, Philipp Rudolf von Rohr, "Microwave plasma characteristics of a circulating fluidizer bed-plasma reactor for coating of powders", Surface and Coating Technology, Volumes 142-144, July 2001, Pages 28-33).

Как субстрат, так и порошок могут быть подвергнуты воздействию плазменного разряда и/или послесвечения плазмы. Плазмообразующий газ может быть различным или одинаковым для двух материалов. Для каждого материала прекурсор может не использоваться, могут использоваться разные прекурсоры или один и тот же прекурсор. Кроме того, в один и тот же плазменный разряд и/или послесвечение плазмы может быть введена комбинация различных прекурсоров.

Во время плазменной обработки обрабатываемый материал может быть нагрет до соответствующей температуры, в частности, в том случае, когда требуется, чтобы обрабатываемая плазмой зона (обрабатываемый поверхностный слой) проходила в глубину материала. Предпочтительно во время плазменной обработки достигается, по меньшей мере, температура стеклования и предпочтительнее, по меньшей мере, температура плавления полимерного материала. Как вариант, обрабатываемую поверхность нагревают до температуры, которая ниже температуры стеклования обрабатываемого полимерного материала.

Нагрев или высокая температура может улучшить подвижность полимерных цепей, которая, в свою очередь, улучшает образование (наращивание) функциональных групп, в частности, в глубине материала.

В результате можно получить активированный объем с поверхностью (т.е. поверхностным слоем), который остается активированным даже после охлаждения. В зависимости от типа плазменной обработки обработанные пластики могут сохраняться в течение секунд, часов, дней, месяцев или даже лет без существенного ухудшения функциональной зоны и, соответственно, остаются активированными в течение этого периода. Указанный период зависит от условий хранения.

В результате обработки плазмой (с прекурсором или без него) образуется поверхностный слой 14 (или функциональная зона), который может содержать одну или более функциональных (химических) групп, как было указано выше. Подобный поверхностный слой (или функциональная зона) предпочтительно не ограничивается только площадью поверхности, а проходит вглубь пластического материала. Подобные функциональные группы могут быть наращены на полимерные цепи у обрабатываемой поверхности полимерного материала.

Толщина (функционального) поверхностного слоя изменяется в диапазоне 1 Å (ангстрем) - 1000 нм, предпочтительно в диапазоне 3 Å-500 нм, предпочтительнее в диапазоне 5 Å-300 нм.

После плазменной обработки может выполняться лазерное плакирование известным в данной области техники способом. Во-первых, по субстрату, который может быть обработан плазмой, осуществляют проход лазерным лучом 15, у его поверхности, возможно, обработанной плазмой. Термопластический порошок, который может быть обработан плазмой, вводят с помощью подающего порошок средства 16, возможно, у места воздействия лазерного луча, как показано на фиг.1C. Энергия лазерного излучения может поглощаться субстратом, порошком или и тем и другим, при этом энергия лазерного излучения превращается в тепло. Возможно использование известных в данной области техники схем прохода лазерного луча. Порошок может быть расплавлен в результате прямого поглощения энергии лазерного излучения, или опосредованно, благодаря контакту с нагреваемым субстратом, или посредством использования обоих способов. Данный нагрев вызывает плавление порошка и его распределение по субстрату с образованием покрытия 17.

Как вариант, по покрытому субстрату можно выполнить второй проход лазерного луча для уплотнения покрытия с целью расплавления всех частиц порошка и уменьшения пористости между частицами. Указанный дополнительный проход можно выполнить тем же лазерным лучом 15.

В соответствии с данным изобретением при плазменной обработке обеспечивается совместимость изначально несовместимых материалов, так что после лазерного плакирования и после охлаждения между данными материалами (между субстратом и покрытием) образуется прочное сцепление. Зона совместимости неожиданно может распространиться за поверхностный слой (слои) 14, образованный плазмой.

Пример 1. Лазерное плакирование полиамидного покрытия на бутадиен-акрилонитрильном каучуке (БНК).

До лазерного плакирования выполняют активацию субстрата с использованием установки Plasma-Spot® (VITO, Belgium), работающей при атмосферном давлении. Выбранную газовую смесь подвергают ионизации в зоне плазмы и выдувают из горелки. Таким способом создают послесвечение плазмы, которое подходит для обработки материалов субстрата различного типа и различной геометрической формы.

Для создания активного послесвечения плазмы выполнялась ионизация смеси азота и диоксида углерода в установке Plasma-Spot®. Использовался источник питания с выпрямителем с постоянным током на выходе, который преобразовывался в сигнал переменного тока с частотой 75 кГц. Высокое напряжение получали с помощью трансформатора. Рассеиваемая мощность задавалась равной 10 Вт/см², а полный поток поддерживался регуляторами массового расхода на уровне 80 стандартн. л/мин с соотношением N₂/CO₂-72/8 стандартн. л/мин.

Поверхность субстрата из БНК обрабатывалась на расстоянии в 4 мм от установки Plasma-Spot®. Обработка плоского образца проводилась при скорости 8,2 с на см² .

Испытания лазерного плакирования проводились на непрерывном диодном лазере мощностью 150 Вт (с длиной волны 940 нм). Во время первого этапа субстрат из БНК, подвергнутый плазменной обработке при атмосферном давлении, нагревали путем прохода по его поверхности луча лазера. Одновременно в лазерный луч на нагреваемой поверхности выдувался порошок из полиамида при расходе 1,5 г/мин посредством аргона в качестве носителя при расходе 10 л/мин. Регулирование данного процесса выполнялось с помощью бесконтактного оптического пирометра, который непрерывно выполнял измерение температуры поверхности у нагреваемой лазером зоны. Для обеспечения регулирования с обратной связью сигнал фактической температуры поверхности использовался в качестве регулирующей переменной, при этом в качестве управляющей переменной использовалась номинальная температура. В соответствии с механизмом действия ПИД-регулятора оба сигнала сравнивались, и вычислялось новое значение выходного сигнала исходя из разности обеих величин. Мощность лазера предпочтительно выбиралась исходя из выходной мощности регулятора, так как она является наиболее гибкой величиной (по сравнению со скоростью лазера относительно субстрата).

В результате контакта с нагреваемым лазером субстратом порошок из полимерного материала частично расплавлялся. Перемещение лазера и подача порошка обеспечивались со скоростью 2000 мм/мин с шириной технологического перехода в 1 мм. Для порошка из полиамида субстрат нагревали лазером до температуры в диапазоне 180-400°С, при этом пределы определены исходя соответственно из температуры плавления порошка и температуры, при которой возникает ухудшение качеств порошка. При этом можно получить шероховатый слой толщиной в 100-400 мкм. Для повторного плавления указанного верхнего слоя и уменьшения поверхностной шероховатости и пористости выполняют этап повторного прохода лазером без добавления порошка. Этап повторного плавления обычно выполняют при скорости 750 мм/мин и температуре 150-350°С.

Испытание на отслаивание показало лучшее сцепление слоя из расплавленного полиамида с БНК субстратом при выполнении плазменной обработки субстрата при атмосферном давлении. Среднее значение прочности отдира увеличилось с 30 Н/мм до 350 Н/мм.

Пример 2. Лазерное плакирование полиамидного (ПА) покрытия на субстрате из полипропилена (ПП).

Послесвечение плазмы при атмосферном давлении было получено посредством обеспечивающей плазменную струю установки (Plasma Jet®DC, Raantec, Germany). В качестве плазмообразующего газа использовался воздух. Поток воздуха поддерживался при расходе около 30 л/мин (с регулируемым давлением). Испытания проводились без использования прекурсоров и при мощности 290 Вт. Подобная плазма обеспечивала полярные химические группы на поверхности из ПП, которые совместимы с амидогруппами полиамида.

Субстрат из ПП был расположен на координатном столе и обработан послесвечением плазмы при атмосферном давлении. ПП субстрат во время обработки удерживался на расстоянии 10 мм от указанной установки. Скорость обработки составляла 5 м/мин.

После указанной обработки плазмой при атмосферном давлении проводились испытания лазерного плакирования при условиях, аналогичных условиям примера 1. При этом было получено лучшее сцепление покрытия из ПА с субстратом из ПП.