闪光金属片的制作方法

专利名称：闪光金属片的制作方法
1．发明领域本发明总的来说涉及金属片，更具体地说本发明涉及用作颜料的薄的金属片。
2．相关技术有很多现有的技术都涉及到使用金属片或薄层(在下文统称为片)来提高光泽、闪光、反光和／或反射性能的各种应用。这些应用是公知的，包括涂料、油墨、挤压品、油漆、静电涂层、红外干扰颜料、玻璃、陶瓷和化妆品。一般地，为在可见光波长范围内(300～800nm)获得最大的镜面反射率，每一个金属片都应尽可能平整，这一点是公知的。作为一个大量金属片的集合体，当金属片都是平整的并且其取向使得其最大数量的表面暴露在入射光下时，就有可能获得尽可能接近入射光数量的反射光，从而得到最大的亮度。
但是，由于金属片在特殊用途下使用，影响反射率特性的一个主要因素是片的尺寸或者大小。例如，当很多金属片集合在一起使用时，如果金属片厚，那么就无法平整地铺成一个平面或者是水平的单一平面。因为由于片的厚度大，彼此相邻的片不易相互重叠。结果，使很多片的取向基本上是垂直状态，形成完全非平面层，因而是不利的。入射光照射到上述非平面层将发生极大的散射或衍射。这样，这些厚片减弱了所要使用的有利的反射性能。在较低限度上，这些厚片常常引起其他一些问题，像在喷施油漆的过程中油漆自动喷涂枪被堵塞的现象。
然而，当片的厚度减小时，如片的厚度太薄(没有刚度，柔软)则会引起卷曲和／或褶皱，这一点也是公知的。这降低了人们所期望的平面性和反射性能，因为入射光照射到这些片时产生散射和衍射。另外，如果片太薄，在使用过程中把它们应用到表面上时，这些片将在那些表面上形成显微缺陷。例如，如果所应用的表面是粗糙的，那么所述片将相应地粗糙或者不平。同样，将产生不利的平面性和反射性能，因为入射光照射到上述表面时发生散射或衍射。
有些片的生产过程是，把一张单独的大的金属薄片或薄膜通过公知的方法“断裂”成尺寸小的片状的颗粒。断裂的方式有两种塑性断裂和脆性断裂。塑性断裂是在金属断裂之前使金属在断裂区附近产生大的塑性变形，这种变形产生大量的畸变区，从而出现不利的平面特性。如前所述，这些畸变区，像那些有卷曲或褶皱的金属区域，缺点是使照射到上面的入射光发生散射或漫射。另一方面，脆性断裂在断裂之前有很小的或者没有塑性变形，使得到的金属片尽可能地保留了原来大金属薄片的平面性。因此，脆性断裂是所希望的用于生产的断裂方式。
但是，对于那些具有高反射性的金属，大多数不会发生脆性断裂。实际上，脆性断裂仅是容易在那些具有抗压强度比其拉伸强度大的材料中发生，这是因为材料内部分布的结合强度由拉伸强度和抗压强度组成。拉伸强度补偿材料表面分离之力，而抗压强度与平面内的分量力有关。这样，相近的抗压强度和拉伸强度将导致塑性变形，这是因为材料进入和离开平面的相对强度是相等的。相反，当抗压强度大于拉伸强度并且材料强度是指向平面内而不是平面外时，将发生脆性变形。因此，当施加力时，比拉伸强度大的抗压强度导致结合的破坏和材料的断裂。这样，例如，拉伸强度约为13～24lb／in2和抗压强度约为13～24lb／in2的铝在单轴应力作用下很可能发生塑性断裂，这使铝表现出不利的反射特性。并且，一旦铝弯曲或者变形，由于将发生塑性断裂，铝保留了形变，不利的反射特性继续存在。因此，生产没有畸变的金属片是困难的，例如铝，而畸变降低反射率。
正如所公知的，断裂的机制不仅在金属片生产过程中是重要的，而且对其使用也是同等重要的。例如，使用过程，像油漆或油墨溶剂的干燥，也对片产生应力。这些由表面张力产生的应力，又使片发生断裂或畸变。由于片在应用过程中片的脆性断裂还易于形成小片，形成的小片保持大片的大部分原有平面性，而不是卷曲或变形，从而提高了片的平面性和反射性能。这样，片的脆性既是生产过程中优选的特性，也是应用过程中所优选的。因此，现有的技术以生产薄的、具有一定刚度的和脆性的片为目标，以同时满足生产过程的要求和片使用时的反射性能。
但现有的解决方法都是折衷的方案。例如，在标题为“用于涂层材料的铝合金粉末及含有这种合金粉末的涂层材料”的美国专利5198042中，描述了利用其它材料和金属对金属片进行合金化来减少薄片的反向卷曲、褶皱和延展性。但合金化处理降低了片的反射性能。
在标题为“处理铝片以改善涂层材料的外观状态”的美国专利4213886中，使用了一种表面粘结剂以使片在涂层树脂中平整。但这种方法需要对片和树脂进行化学加工以达到二者的化学相容性。达到这种相容性是困难的，并且还没证明它是可实用的。
在标题为“改性的浮型铝颜料”的美国专利4629512中，片浮在树脂涂层上。这种方法的不利之处在于由于片未受保护而经受了持续的侵蚀。这种侵蚀主要包括腐蚀，这不仅使片受到了腐蚀，也易于在应用中产生斑点或褪色的现象。另外，如果这种方法用于与其它使用树脂的场合，例如光亮的外层油漆，由于溶剂的渗透，外层油漆本身将破坏片的平面取向。从而降低了反射性能。
在标题为“金属粉末颜料”的美国专利5593773中，描述了具有小纵横比的预先开裂的片，使片的畸变根本不可能发生。但是，减小纵横比也相应地减小了片所固有的反射能力。这是因为，随着纵横比的减小，在应用过程中任何非平面的片的取向使其很小的表面暴露在入射光下，从而减少了反射光。现有技术提出的其它方法，例如用金属涂层把金属片包起来，也减小了片的纵横比，削弱了片对入射光反射的能力。
在标题为“在铝表面形成涂层的方法”的美国专利3622473中，通过氧化片的反射面而形成一层具有一定刚度的外氧化层来增大片的刚度。但只要产生了氧化物，就降低了片所固有的反射性能。另外，氧化物通常在片的缺陷部位形成，这一点很容易阻碍在片的表面形成均匀的氧化层。这种非均匀性降低片的反射性，也能在应用时在外观上出现斑点。
在美国专利3988494和4978394中，在片的表面使用单层或多层涂层来提高片的刚度。迄今为止，单层涂层太厚，以致于大大损害了反射性能，因为涂层使光线发生很大的散射。多层涂层将产生更大的散射，并且更不利的是在层与层的界面处引起光线的漫射。另外，迄今所有涂层都是有机的，至于应用的涂层能涂多薄并且涂层多薄时能给柔软的薄金属片提供结构刚度，这受到这些有机涂层的晶体结构特性本质的限制。其不足之处在于，这个自然的厚度限制太大，以致于其它一些使用过程受到这个厚度的拖累而不能应用。这样的过程包括用油漆自动喷枪喷涂。并且，当有机涂层溶于溶剂中使用时，由于相关的溶解作用，最终会引起结构刚度的丧失。
尽管存在一些具有一定刚度的、易于脆性断裂的反射涂层，但这些涂层多数与现有技术中的不同，因为它们不使用金属片。例如，在标题为“具有最大反射率的多层镜面”的美国专利4309075中，多层涂层仅是模拟一种金属片及其反射性能。这种涂层，由于高-低折射率的层相间交替存在而被称为“高低”涂层，它被用于制作反射器来模拟金属片的反射性能。另一个例子是在授权给Balomey的美国专利3123490中描述的，在一层ZnS的上、下两面涂上MgF2。虽然这种结构刚度好并易于脆性断裂，但通常比较厚(约215微米)，不能在很多需要薄片的场合下使用。并且，经常需要很多层交替排列的高低涂层以达到模拟金属片的效果。但随着厚度和层数的增加，生产的复杂性和成本相应地增加。
因此，有必要找到一种替代方法来便宜地生产薄的、具有一定刚度的、脆性的金属片，从而得到有利的反射特性以适应不同的应用。
在一个优选的实施例中，金属层是厚度约100nm的铝。在铝的每一面优选地涂上无机绝缘层，例如二氧化硅或氟化镁，每层涂层的厚度约为100nm。结果是得到非常薄的厚度约为300nm的三层结构金属片，其单轴抗压强度约为其单轴拉伸强度的约8倍。因此，金属片在生产过程和应用过程中具有脆性断裂和刚度的优点，金属片本身和在应用过程中最终将得到有利的平面性和反射特性。
为了更彻底地理解以上的描述和本发明的其它优点和目的，以下将参照附图并结合具体的实施例对本发明进行更详细的描述。应该理解的是，附图仅是本发明典型实施例的图解，本发明并不局限在此范围内。下面将以对生产和使用更加容易理解的方式，用更多的细节并通过后面的附图描述和解释本发明。


图1是本发明一种闪光金属片的剖视图；图2是按照本发明闪光金属片生产的铝颜料全反射率的曲线图不。
本发明优选实施方案的详述描述本发明涉及适合于在多种场合下用作颜料的、在光波长范围约300～800nm之间具有改进的镜面反射特性的薄片。本发明的特征在于一种薄的反射层，通常是金属，在其上下相对的两个平面上涂有绝缘层。所述绝缘层赋予金属层以刚性支撑和脆性断裂的特性。其应用是公知的，包括涂料、油墨、挤压品、油漆、静电喷涂、红外干扰颜料、玻璃、陶瓷和化妆品，当然并不局限在上述应用范围内。
本发明一个优选实施例的片如图1所示。图中示出了片20的三层结构内部的反射层22和两个外部的绝缘层24和26。虽然没有示出，但也应该明白，如同图1中结构的功能一样的其它的层也包含在本发明的范围内。
反射层22的材料应从具有反射特性的材料中选取以适于片的预定的用途。现在优选的反射材料是铝，因为铝在具有好的反射特性的同时还具有便宜和容易成型为薄层的特点。但是，考虑到这里提到的原理，也可以使用其它反射材料替代铝，例如银、金、铂、钯，或者这些金属的合金，或其它金属材料。其它有用的材料包括金属碳化物、氧化物、氮化物、硫化物，或者是金属和以上这些材料中的一种或多种的混合物，但所用材料并不局限在这些范围内。为了方便和简洁，本发明中的片有时被称为“闪光金属片”。这个名称并不意味着排除由不是纯金属的其它材料制成的反射层。
位于反射层22的相对两侧表面的是两个绝缘层24和26。现在优选的绝缘层是无机材料，因为无机绝缘材料具有好的脆性和刚度的特性。最优选的绝缘层材料是二氧化硅(SiO2)或氟化镁(MgF2)，因为这些材料容易获得和使用。但是，考虑到这里提到的原理，也可以使用其它具有上述功能的绝缘材料替代上述材料的一种。这些可以使用的替代材料包括Al2O3、TiO2、ZnS，或者任何一种折射率低于约1．65的绝缘材料，但所用材料并不局限在此范围内。选用这些材料的优点还有能防止使用过程中溶剂的不利影响。
铝反射层厚度的优选范围约为40～150nm，选用40nm和150nm这两个界限值仅是作为代表并不具有限制意义。例如，选取下限40nm是使铝层成为不透明层。其它反射材料的最小厚度值可以调整，增大或减小以达到不透明的厚度。在本实施例中选取上限150nm主要是为了在最终的片中得到大的纵横比。对于某些应用可以选取更大的厚度值。
铝反射层厚度的一个特别优选的范围是从约80nm到约150nm，特别优选的值是约100nm。关于该下限值，为了满足反射率，选取80nm的厚度是因为铝在这一厚度根本不透明。其它反射材料的最小厚度值可以调整，增大或减小以达到不透明的厚度。选取上限150nm主要是为了在最终的片中得到大的纵横比。但应当考虑到，如果没有支撑，反射层在具所选取厚度时是柔软的，具有不利的性能，例如卷曲、褶皱和延展性。
每层绝缘层的优选厚度为约50～200nm，最优选的值是100nm。与金属层的厚度相似，涂层厚度的优选值范围应根据所选的实际金属层和绝缘层的厚度而调整。如果是铝层和二氧化硅层或氟化镁层，根据涂层的强度，所选的厚度的下限值约为50nm。当厚度低于此值时，在铝层变形产生的应力和应变的作用下，其强度将不足以保持结构的完整性，也就不能保持片的刚度。选取200nm作为上限值的依据是，厚度超过200nm时在绝缘层间发生颜色干扰。在颜色干扰有用的情况下，可以使用厚的绝缘层。
从以上描述可以看出，根据本发明所得到的片的优选厚度仅为约300nm有两个绝缘层每层厚100nm及一个厚100nm的反射层。尽管片的厚度非常小，但令人惊奇的发现是这种三层的结构作为高反射颜料具有足够的刚度，其主要原因是绝缘层所固有的单轴强度。例如，二氧化硅绝缘层，其单轴抗压强度约为160000lb／in2，单轴拉伸强度约为7000lb／in2，它能防止内部的反射层扭曲、弯曲或发生类似的变形。
铝的拉伸强度和其抗压强度近似相等，而当本发明的铝层被本发明的绝缘层夹在中间后，令人吃惊的是片的单轴抗压强度(lb／in2)比拉伸强度(lb／in2)大约8倍。这个惊人的结果可以由Griffith脆性断裂理论得到很好的解释。对于Griffith理论的进一步讨论可参考William D．Callister，Jr．著的《材料科学与工程》(John Wiley & Sons公司出版，第二版，1991年)。这个强度上的巨大差异有利地使铝层从塑性断裂转变成脆性断裂。脆性断裂的特性可以很好地在生产过程中用于把一张大的金属薄膜分离成若干金属片，以及有利于单独的金属片在应用过程中受到应力时的断裂。
在一个优选的脆性范围内，当金属片的单轴抗压强度是单轴拉伸强度的约6倍或更高时，绝缘层很好地强化了金属层。虽然金属片的强化程度可以低于约6倍，但金属片表现出与塑性断裂相似的不利的断裂特点。还应当注意的是，尽管上述的刚度和脆性是在两侧都有涂层的情况下得到的，但应考虑到即使仅在反射层的一侧涂上前述涂层也能在生产和使用过程中得到好的性能。但这一单独的涂层必须借助于本领域的熟练人员的公知常识达到应力平衡，以防止片的卷曲。但两侧涂层是优选的实施例，这能很好地提高片的刚度并保护金属片免受有害的侵蚀，如腐蚀。腐蚀是本发明范围内最应避开的。通过把金属片任何暴露的区域或整个三层结构用一层材料包覆，可以更彻底地避免腐蚀。这种包覆材料是本技术领域公知的，在此不作详细描述。
本发明的片的形状不是均匀的。然而，为简洁起见，将本发明的片描述成具有一个“直径”。在本发明中片的直径的优选范围为约1～50微米，特别优选的范围是5～25微米。这样，本发明片的纵横比的优选范围为约6．5～625，特别优选的范围为约50～250。正如所公知的，纵横比越大，片越易平整，因此增大了反射性。由于现有技术中片的最佳纵横比仅仅是约为15，因此很明显本发明的纵横比将从本质上极大地提高反射性能。
一般地，目前优选的生产金属片的过程包括，首先在一张柔性的网上沉积一层外层的绝缘层，接着再沉积一层反射层，最后沉积剩下的一层绝缘层。
虽然绝缘层的沉积优选的是由气相沉积完成，但已观察到当绝缘层材料由气相转变成固相时产生应力使绝缘层裂开。接着沉积反射层时，反射层就具有了上述开裂的绝缘层的一些特征。最后，将另外一层外层绝缘层沉积在金属膜上。按照这种方式，两层绝缘层加强了非常柔软和薄的金属膜，使其成为具有一定刚度的金属膜，其加工特性变得易于沿着绝缘层的裂纹以脆性而不是塑性的方式断裂。接下来，当以本技术领域公知的方法，如在预先选定的液体中溶解或使用分离剂，去除柔性网时，就会沿着绝缘层的裂纹断裂成若干金属片。这种生产工艺与美国专利5135812中详尽描述的内容相似，该专利于1992年8月4日授权给Phillips等人，标题为“光学变化的薄膜片及相关产品”，在此作为参考文献引入。
生产完成后，每个单独的金属片都具有特别平整的特征，即使是在断裂附近也都非常平整。在应用这些大量的相似的金属片时，这些片不但能够很好地重叠并在一个非常平的平面取向上排列，而且每个片仍具有容易脆性断裂的特点。这样，当在使用这些片的过程中对片施加了额外的应力，例如油漆干燥，片将由于具有脆性断裂的特点而断裂，而不是由于具有塑性断裂的特点而产生弯曲。金属片的这种刚度和断裂特性在此之前是未知的。
这里列举了几个使用颜料的例子，每个例子都含有本发明的闪光金属片。每个金属片中，铝层的厚度约为100nm，直径范围约为1～50微米。在金属层的相对两侧的平表面上涂有无机绝缘涂层，厚度范围约为100～200nm。无机绝缘涂层的材料为二氧化硅或氟化镁。参考图2，反射率曲线40反映了所得到的实际反射率结果是不同光波长的函数。此反射曲线也与其它不同检测设备的检测结果(没有示出)完全相符，例如油墨消耗、油漆喷射和显微术测定。
在如图2所示的反射率一波长图中反射曲线40的上方曲线有纯铝片的实际反射曲线42，有氟化镁涂层铝片的预期反射曲线44以及有二氧化硅涂层铝片的预期反射曲线46。所述预期反射曲线是用一个单独的铝片代替大量的片，根据其反射率与不同波长的函数关系模型化得出。需要注意的是，尽管实际观测到的结果(反射曲线40)在波长约为680nm以下低于预期的值，但对于二氧化硅涂层在波长约680nm以上，实际观测的反射率高于预期的反射率。虽然理论值或预期值可能是不正确的，但仍可惊奇地发现这种优于模型化的反射率是本发明闪光金属片的双重优势。不但本发明的闪光金属片的每一片都具有能得到好的平面特性的刚性，而且即便是大量闪光金属片也都很薄，使得大量的片能够相互重叠并且集合在一起仍能保持一个单独的完整的平面。这种平面取向使暴露在入射光下的表面积扩大了，因此保证了得到较大的反射率。大量金属片相互重叠而完全不改变每个金属片的平面结构是惊人的，也与现有技术的片有很大不同。
在图2中还应注意的是，所有现有公知技术中的铝基颜料，其反射率的测量结果均低于75％。因此，本发明的闪光金属片与现有技术相比，在最低程度上全反射率提高了5％，提高了镜面反射率10％。不但这些结果优于现有技术，而且这些具有一定刚度的金属片的结果也优于在此之前的预期值。
本发明在不偏离其本质或根本特性时也可能以别的具体形式出现。上述的实施例无论从哪方面考虑仅是用于解释而不具有限制意义。因此，本发明的范围由权利要求书表明，而不是上文的具体描述。所有来自于上述目的及与权利要求等同范围内的改变均落在本发明的范围内。
权利要求
1．一种具有相当大刚度以便在用作颜料时能产生高的反射率的薄片，该薄片包括厚度约在40～150nm之间的反射层；在上述反射层两个表面上的绝缘层，该绝缘层的厚度约在50～200nm之间。
2．如权利要求1所述的薄片，其中所述绝缘层由无机材料制成，所述反射层包括金属。
3．如权利要求1所述的薄片，其中所述的反射层的纵横比大于6．5。
4．如权利要求1所述的薄片，其中所述的反射层由铝、银、金、铂、钯或者它们的混合物制成。
5．如权利要求1所述的薄片，其中所述的绝缘层由折射率低于约1．65的绝缘材料制成。
6．如权利要求1所述的薄片，其中所述绝缘层由氟化镁、二氧化硅、氧化铝或二氧化钛制成。
7．如权利要求4所述的薄片，其中所述反射层的厚度约为100nm。
8．如权利要求1所述的薄片，其中每层所述绝缘层的厚度均约为100nm。
9．如权利要求4所述的薄片，还包括主要在所述反射层的任何暴露区域上形成的包覆膜。
10．如权利要求1所述的薄片，其中该片的单轴抗压强度是其单轴拉伸强度的至少约6倍。
11．一种具有改进的平面和反射性能的薄金属片，其包含厚度约为100nm的铝层；和两层无机绝缘层，该两层无机绝缘层分别位于上述铝层的两个相对的表面上，其厚度约为100nm；所述薄金属片的抗压强度比其拉伸强度大约8倍，以便易于得到脆性断裂。
12．如权利要求11所述的薄金属片，其中该片的纵横比在约6．25～625之间。
13．如权利要求11所述的薄金属片，其中该片的纵横比的优选范围是约50～250。
14．如权利要求11所述的薄金属片，其中所述两层无机绝缘层从折射率低于约1．65的绝缘材料中选取。
15．如权利要求11所述的薄金属片，其中所述两层无机绝缘层从氟化镁、二氧化硅、氧化铝和二氧化钛中选取。
16．如权利要求11所述的薄金属片，还包括主要在所述铝层的任何暴露区域上形成的包覆膜，以保护所述铝层免受腐蚀。
17．一种具有用于生产大量具有改进的平面和反射性能的薄金属片的单轴抗压强度和单轴拉伸强度的薄膜，其包括厚度约为40～150nm的反射膜；位于上述反射膜的两个表面上的绝缘层，使得上述抗压强度至少比上述拉伸强度大约6倍，所述每个绝缘层的厚度约为50～200nm。
18．如权利要求17所述的薄膜，其中所述反射膜的材料是铝、银、金、铂和钯中的一种。
19．如权利要求17所述的薄膜，其中所述反射膜的材料是金属碳化物、金属氧化物、金属氮化物和金属硫化物中的一种。
20．如权利要求17所述的薄膜，其中所述绝缘层材料的折射率低于约1．65。
21．如权利要求17所述的薄膜，其中所述绝缘层的材料是氟化镁、二氧化硅、氧化铝和二氧化钛中的一种。
22．如权利要求17所述的薄膜，其中所述反射膜的厚度约为100nm。
23．如权利要求17所述的薄膜，其中所述每个绝缘层的厚度约为100nm。
24．如权利要求15所述的薄膜，其中所述单轴抗压强度约为所述单轴拉伸强度的8倍。
全文摘要
本发明涉及一种具有一定刚度的和脆性的闪光金属片,它的中间层是反射材料,由位于两个表面的绝缘层支撑。在一个优选的实施例中,金属层是铝,厚度约为100nm;绝缘层是氟化镁或二氧化硅,每层的厚度约为100nm。结果得到一个非常薄的厚约300nm的三层金属片,其单轴抗压强度约为单轴拉伸强度的8倍。结果,金属片在生产和应用过程中具有刚度和脆性断裂的优点,最终在可见光范围内具有好的平面和镜面反射特性。
文档编号C09C1/62GK1280598SQ98811679
公开日2001年1月17日 申请日期1998年11月9日 优先权日1998年1月9日
发明者肯特·库尔特, 托马斯·迈耶, 罗杰·W·菲利普斯 申请人:福来克斯产品公司