真空镀铝膜在汽车灯具上的应用

陶永亮

（重庆川仪工程塑料有限公司，重庆 400712）

车灯是汽车必不可缺的组成部分之一，是汽车的“眼睛”，有照明和装饰的功能[1]。随着车灯光源的演变，灯具制造材料也有很大变化。20 世纪80年代，受能源危机的影响，以日本为代表的经济型轿车车灯在设计上取得巨大的成功，提出灯具注塑的制造工艺，大大降低了手工制作成本。目前汽车灯具已向全塑料化发展[2-3]，而真空镀膜技术在灯具上的应用，是实现汽车轻量化、节约能源、促进环境改善的途径之一。本文以ABS 后雾灯为例介绍镀铝膜工艺，讲述镀铝膜在汽车灯具上应用的重要性，最后展望了镀铝膜未来的发展趋势。

1 真空镀铝膜在汽车灯具上的应用情况

1.1 灯具塑料镀铝膜的基本分类

1.1.1 灯具镀铝件

汽车灯具主要分为前灯、雾灯、尾灯和其他装饰灯[4]，如图1 所示。汽车前灯起到夜间行车道路的照明和车辆示宽作用，需要镀铝的零件主要是反射镜及其反射视圈和装饰视圈，如图1a 和图1b 所示。雾灯是在雨、雾、雪等能见度低的天气状况下打开，对前后的车辆起警示作用，如图1c 所示，其镀铝零件主要是反射镜；汽车尾灯包括转向灯、刹车灯、后雾灯、倒车灯等，起到告诫后面行车信号的作用，镀铝零件主要是灯体，如图1d 所示。

图1 常见的汽车灯具塑料镀铝件Figure 1 Common aluminum-plated plastic parts of auto lamp

1.1.2 镀铝件基材

灯具镀铝件基材以PC(聚碳酸酯)、ABS(丙烯腈–丁二烯–苯乙烯)、改性PP(聚丙烯)、ABS+PC 和PBT(聚对苯二甲酸丁二醇酯)等为主。前灯内的反射镜、视圈、装饰镜等承受较高的灯光温度，通常采用PC，其长期使用温度一般可达130°C。现有车灯应用的热光源，在工作状态下产生的热量能在较窄空间里产生近200°C 的高温，并通过热对流以辐射、传导方式散热，因此要求PC 塑料件必须能够经受160°C 的长期高温考验。灯具中需用耐热温度可高达185°C 以上的高温PC 材料。拜耳材料科技有限公司的共聚聚碳酸酯Apec®(PC-HT)为高耐热稳定性材料，是基于双酚A(形成聚碳酸酯的连续相)与双酚TMC(三甲基环己烷双酚)生产的聚碳酸酯，其耐热温度为165～185°C，个别型号可耐热温度接近200°C[5]。灯具中，靠近光源部分的配光镜、视圈等零件都采用PC-HT 材料，如雾灯反射镜(均温低于175°C)。也有雾灯反射镜采用PBT 或BMC(不饱和聚酯团状模塑料)等材料。汽车尾灯所承受的均温在80°C 以下，没有前灯高，灯具结构也相对简单得多，多数尾灯采用灯体镀铝，涉及的材料有ABS、改性PP、ABS+PC 合金等。

真空镀铝要求基材的耐热性能好和挥发物质含量低。一方面镀铝过程中，基材都要受蒸发源的辐射热和蒸发物冷凝热的作用，基材受热升温，若耐热性差，就会有热变形，使镀膜产生皱纹或收缩；另一方面，升温时基材内小分子挥发物质易挥发，影响镀铝层的质量。基材必须有一定的强度和表面平滑度，镀铝基材表面忌油迹，要求无银丝、熔接痕、收缩和划伤等，因有底镀和无底镀都无法遮覆这些缺陷。此外，真空镀铝基材的含水量一般应低于0.1%，含水量高时镀铝膜会发雾。因此吸湿性大的基材在镀铝前应进行干燥处理。

1.1.3 镀铝方式

汽车灯具镀铝膜厚度为0.4～1.2 μm，表面平整，具有较高的光泽。其镀铝方式分为无底镀和有底镀两种，镀铝方式的选择与基材性质有关。

聚酯类(如PET、PBT、PC)属于极性高分子，其表面自由能较高，表面湿张力在40 dyn/cm(1 dyn/cm=1 mN/m)以上，与镀铝层结合力很好，可作无底镀。即在基材(如PC 极性高分子)上直接镀铝再镀保护膜。镀铝保护膜具有提高铝膜的机械强度，阻隔有害气体(如大气中的O2)或物质对铝膜的侵蚀[6]等作用，使镀层具有亮丽的金属光泽，优异的气体和光线阻隔性，良好的防潮、耐热、耐穿刺性能，物品在运输、贮存和使用过程中不受污染、腐蚀，保持光洁亮泽。由于PC 主链含有酯基，在一定湿度的常温环境下基材吸水率较高(0.15%～0.19%)，从注塑出模的产品在2 h 内进行镀铝最好，存放时间长了，会有基材吸水引起的镀铝后出现雾状的情况[7]。

PE、PP 等聚烯烃材料和ABS 属非极性聚合物，其表面自由能小，表面湿张力较低(一般为30 dyn/cm)，较粗糙，与镀铝层之间的结合力很差。对其预涂底漆后可获得光滑平整的涂层，具有镜面效果，可遮盖基材，防止真空镀膜时塑料基材中的挥发性杂质逸出，影响镀膜质量[8]。因此，这类材料一般采用预涂底漆后镀铝的方式来改善镀层与基材之间的结合力。目前国内较多使用丙烯酸酯底漆，并根据基材类型调整底漆配方，主要为热固化底漆和紫外光(UV)固化底漆，适用性很好[9-12]。灯具塑料件大多采用预涂底漆后镀铝，再镀保护膜的方式，保护膜的实质就是二氧化硅。SiO2薄膜具有很好的保护性，可使铝膜在10%的碱性溶液中完好无损[13]。为了减少预涂底漆这道工序，降低生产成本，有人研发了PBT 免底涂材料并取得新的进展[14]。

无论采用哪种方式，都应对镀铝件进行附着力测试，合格方可使用。

1.2 汽车灯具镀铝膜的性能测试标准

汽车灯具镀铝膜的性能测试标准主要有GB/T 10485–2007《道路车辆外部照明和光信号装置环境耐久性》和GB/T 28786–2012《真空技术 真空镀膜层结合强度测量方法 胶带粘贴法》。附着力检测是基本项目，用小刀在试验面刻划100个间隔为1 mm的小方格，用3M 胶带紧牢地粘贴其面，从垂直方向迅速撕开胶带，观察胶带上有无剥落的金属膜。目测无法观察清楚时，用10 倍显微镜观察，无金属镀层剥落等不良现象为合格。耐热性是镀铝件适应灯内高温环境所要求的，试验在高低温试验箱中进行，以检测喷涂底漆烘干要求，其试验温度要求如表1 所示，时间均为(60 ±3)min。

表1 不同基材镀铝件的高温试验参数Table 1 Parameters of high temperature test for different aluminum-plated substrates

试验后，镀层不得有气泡、裂纹、发雾、发黄或发蓝等现象。

灯具镀铝件耐酸(1%硫酸溶液)、碱(1%苛性钾水溶液)、盐(3% NaCl 溶液)试验的主要目的是测试保护膜对镀铝的保护效果，可以根据需要选择其中一项。具体操作为：在常温下，将试样浸泡于测试液中，或将测试液滴于试样表面，10 min 后不露底为合格。

通过以上试验能判定真空镀铝膜层之间的结合力以及喷涂底漆和保护膜的性能与质量。

2 应用实例

产品名称：ABS 倒车灯体(如图2 所示)，重170 g，批量生产。

图2 ABS 倒车灯照片Figure 2 Photo of ABS reversing lamp

2.1 镀铝基本性能要求

(1)外观：表面光洁，无表观缺陷，色泽和亮度与电镀铬一样。

(2)划格附着力：100/100。

(3)耐碱滴定性能：将1%的NaOH 溶液滴在试样表面，10 min 后不露底。

(4)耐热性能：在(90.0 ± 2.5)°C 放置(60 ± 3)min后，产品无发彩、发雾、变形等现象。

2.2 作业顺序

2.2.1 工件预处理

消除工件表面的油污、残留脱模剂、静电和灰尘等。

2.2.2 涂料涂覆

将U-342(东洋工业涂料株式会社)热固化涂料均匀地喷涂在工件表面(用夹具)，操手掌控动作要均匀，固化后涂膜厚度为15～20 µm。

2.2.3 流平

涂覆后将工件放在架子上，50～55°C 红外线加热，时间(5 ± 1)min。

2.2.4 热固化

用架子将涂覆产品推进烘箱中，(85 ± 5)°C 烘烤(60 ± 5)min。

2.2.5 延伸

检查工件，将合格的工件装入真空镀膜室。

2.2.6 真空镀铝

用真空镀膜设备镀铝膜，基本工艺流程为：预真空─离子清洗─镀铝─离子轰击─镀保护膜─放气。预真空对镀膜室抽真空至5 × 10−2Pa 时，充入氩气430 mL，利用2 个适当的电极间的低压辉光放电产生的离子轰击达到清洗和辅助预热镀膜基底的作用，轰击时间为150 s；镀铝部分蒸发器快速升至高温，铝丝从预热、熔化、蒸发镀铝到镀铝完成的时间为30 s 多；采用二次离子轰击，去除膜表面粒状颗粒，使膜层更加致密，轰击时间为80 s；镀保护膜时间为(200 ± 50)s，真空度为3 × 10−2Pa，由充入的硅油流量加少量氩气来控制真空度，硅油流量由调节阀控制，直至放气结束。

2.2.7 检验包装

由于镀铝膜容易被划伤或碰伤，按镀铝基本性能要求检验合格后，其包装应对镀铝件起到有效的防护作用，装箱时应避免产品之间的摩擦碰伤。采用两层塑料袋包装，内层一定要薄(一般为0.005 mm 厚)而柔软并且紧贴塑件，外层用泡泡塑料口袋包装，每层之间用纸板隔开，以减少互相碰伤的机率。

2.3 注意事项

涂料涂覆是镀铝前的重要工序，事关后续的镀铝质量。涂覆环境(含干燥设备)无尘，能减少涂覆表面颗粒和灰尘纤维粘附在表面。多数涂覆以人工操作为主，喷手的操作技术很重要，流淌和涂覆不均匀往往会导致镀铝产品报废。涂覆件一定要有足够的干燥温度和时间，若干燥不好，耐高温试验会有镀铝面发雾或起皱纹等现象。镀铝膜时，工件装架不当会引起镀铝区域偏移而报废；若铝丝纯度不够或蒸发控制不当，蒸发中有杂质逸出会形成炸铝痕迹而残留于塑件表面；蒸发温度过高或过低、蒸发器表面温度不稳定都会在镀铝膜表面留下小颗粒白点(对着灯光观察)；真空度不好会导致镀膜附着力不合格；镀膜流量控制不好也会导致镀膜发彩等。

因此，镀铝是一个集工作环境、加工设备、人员技术、素材靶材和工艺控制于一体的综合制造过程。

3 结语

镀铝性能取决于塑件和镀膜层的质量，被人戏称为“富人的游戏”，说明镀膜质量要求相当高。镀膜质量的关键是底漆层质量。虽有无底涂镀膜，但其模具质量要求和成本高，存在镀铝反射亮度不足和塑件缺陷等问题，易导致镀铝产品报废率居高不下。一般而言，无底涂的报废率在10%左右，有底涂在20%左右，甚至会更高。为解决这一困惑，国内有厂家经过10 多年的努力，采用了炉内喷涂底漆并固化使镀件生成高亮的表面(无污染残留物)，进行高压离子清洗预处理，真空蒸发镀铝和镀保护膜，使产品的合格率在98%以上[16]，每年可节省大量的喷漆、烤漆能耗和人工成本等。但新设备所需费用比同容量常规设备高很多，令中小厂家难以接受，推广有一定的难度。中小厂家选择靠人为控制来维系生产，报废率仍然较高。从灯具镀铝镀膜发展来看，采用极性高分子材料或免底涂材料，在提高模具质量和光亮度的前提下，无底涂镀膜是未来发展的趋势，有利于车灯制造的需要。目前真空镀铝多采用电阻蒸发源蒸镀法，但已有电子束蒸发源蒸镀法、高频感应蒸发源蒸镀法、激光束蒸发源蒸镀法涌现，其中电子束蒸发源蒸镀法将是真空镀铝技术中重要的加热方式和发展方向[17]。总之，真空镀铝膜是灯具塑件表面加工必不可少的加工工艺，将在灯具制造领域中得到更加广阔的发展空间。

[1]陶永亮.汽车灯罩与灯体装配连接方式[J].汽车工程师,2012 (11):55-58.

[2]陶永亮.汽车车灯造型的回顾与展望[J].汽车电器,2012 (12):4-7.

[3]李玉泉,孙小艾,潘宝荣,等.塑料在汽车照明灯具中的应用[J].化学世界,2000 (增刊):188-189.

[4]凌铭,张建文,黄中荣.汽车灯具的发展趋势[J].照明工程学报,2013,24 (4):106-112.

[5]陶永亮.遮光罩注塑成型工艺优化[J].上海塑料,2011 (2):45-48.

[6]范多旺,马国欣.汽车灯具真空镀膜系统及技术[J].真空电子技术,2005 (6):32-34.

[7]陶永亮.聚碳酸酯在汽车灯具上的应用与分析[J].塑料工业,2014,42 (4):120-123.

[8]沈海挺.真空镀膜用氨酯油的合成[J].聚氨酯工业,1991 (1):40-42.

[9]钱苗根,冯露露.光固化涂料在真空镀膜中的应用研究[J].上海涂料,2010,48 (6):17-20.

[10]蒋秋云,王正青,胡福增,等.塑料真空镀膜底漆[J].现代涂料与涂装,2006,9 (7):22-26.

[11]聂建华,陈泽成,林跃华.真空镀铝薄膜清漆用水溶性丙烯酸树脂的研制[J].电镀与涂饰,2012,31 (11):58-61.

[12]蒋秋云.塑料真空镀膜用丙烯酸酯底漆的研究[D].上海:华东理工大学,2007.

[13]桑利军,付亚波,张跃飞,等.有机玻璃基材表面电子束蒸镀铬–铝–二氧化硅薄膜及其性能研究[J].真空,2008,45 (5):46-48.

[14]李强,李文强,范玉东,等.车灯饰圈免底涂PBT 材料研究[J].塑料工业,2010,38 (9):82-85.

[15]牛晓山.立式双开门汽车灯具高真空镀膜设备的研制[J].真空与低温,2012,18 (1):55-57.

[16]真空镀膜──镀铝保护膜工艺技术[EB/OL].[2012–02–13]http://bbs.212300.com/ thread-894198-4-1.html.

[17]邸英浩,曹晓明.真空镀膜技术的现状及进展[J].天津冶金,2004 (5):45-48.