专利名称：涂层方法
技术领域：
本专利申请涉及对各种衬底上进行抗磨损涂层的应用，更具体地，涉及在透明聚合物衬底上大气等离子沉积(atmospheric plasma deposition)抗磨损涂层，并且甚至更具体地涉及在透明聚合物衬底上大气等离子沉积抗磨损和抗化学侵蚀涂层。
背景技术：
飞机窗通常由拉伸丙烯酸或聚碳酸酯材料制成，因为其重量轻、弹性和可成形性好。然而，拉伸丙烯酸与其他透明聚合物衬底一样，易于受到由于与各种空中传播颗粒(例如沙子)和液体(例如水)接触而引起的磨损的影响，以及受与大气污染物和各种化学试剂的正常接触的影响，例如飞机维护中使用的清洁剂、防冻液和其他化学药品。因而，为了增加使用寿命，通常以抗磨损涂层处理飞机窗。用于透明聚合物衬底的抗磨损涂层通常为聚硅氧烷基、聚亚安脂基或溶胶-凝胶混合涂层。这些溶胶-凝胶涂层是经处理从而形成适当的涂层的溶媒、有机硅氧烷、醇盐和催化剂的均质混合剂。该溶胶-凝胶涂层提供高透射比以及有限耐久性，后者抵抗磨损和紫外线引起的退化。术语溶胶-凝胶或溶胶-凝胶指经受一系列反应例如水解和浓缩的材料。通常，金属醇盐或金属盐水解，从而形成金属氢氧化物。然后，金属氢氧化物在溶液中浓缩，从而形成混合有机/无机聚合物。控制聚合物基中的有机物与无机物的比率，从而最大化给定应用的性能。例如，增加有机基团将提高弹性但是可损害磨损耐久性。溶胶-凝胶涂层可包括例如铈或钛这样的材料，从而提高抗磨损性，并降低紫外线引起的涂层退化。通常使用流涂技术施加该涂层，其要求相当长的固化时间、有限的衬底几何形状， 并且常常受固化处理期间的微粒/灰尘损害的影响。因此，流涂技术通常不适于在服务中修复或现场修复。因此，本领域技术人员继续寻找用于将抗磨损涂层施加至透明聚合物衬底上的新系统和新方法。
发明内容
—方面，向衬底上施加抗磨损涂层的公开方法可以包括以下步骤，即产生大气等离子体；向大气等离子体中引入前体，选择该前体从而形成抗磨损涂层；以及相对于大气等离子体定位该衬底，以便大气等离子体将抗磨损涂层沉积在衬底上。另一方面，向衬底上施加抗磨损涂层的公开方法可以包括以下步骤，即向由两个电极组成的仓室中引入保护气体和等离子源气体，从而在出口头部产生等离子体；向大气等离子体引入环状有机硅氧烷前体，该环状有机硅氧烷前体由运载气体携带；并且在向大气等离子体引入环状有机硅氧烷前体的同时，相对于大气等离子装置定位衬底，以便大气等离子体将硅碳氧化物涂层沉积在衬底上。施加抗磨损涂层的公开系统的其他方面将通过以下说明、附图和权利要求而变得明显。
图1示出用于施加抗磨损涂层的公开系统的一方面的示意图；图2示出用于施加抗磨损涂层的公开方法的一方面的流程图；图3示出从依照本公开所施加的示例性涂层获得的Taber抗磨损数据图。图4示出从依照本公开所施加的示例性涂层获得的落沙测试抗磨损数据图。
具体实施例方式如图1所示，用于施加抗磨损涂层的公开系统的一方面大致以10标出，可以包括大气等离子装置12、等离子源气体流14、前体流16、以及可选的保护气体流18。大气等离子装置12的输出20可以是等离子体22，其相对于衬底M定位，从而在衬底M上施加涂层 26。衬底M可以是能够通过等离子体22接收抗磨损涂层的任何衬底。在一个具体方面，衬底M可以是透明聚合物衬底，例如拉伸丙烯酸衬底。此外，虽然图1示出具有基本平坦构造的衬底对，但是本领域技术人员应明白，在不偏离本公开的范围的情况下，可使用具有各种形状、大小和构造的衬底24。大气等离子装置12可以是任何能够在大气条件下激发物质从而形成等离子体22 的设备或系统。大气等离子装置12可被配置成使用直流电能、射频能量等等本领域已知的产生等离子体22。一方面，大气等离子装置12可以是大气等离子喷涂枪。依照本发明有用的大气等离子装置12的一个例子是美国加利福尼亚州Culver的Surfx Technologies有限公司的AT0MFL0 等离子系统。等离子源气体流14可以是这样的气体流，其一旦通过大气等离子装置12激活，就能够形成大气等离子体。适当的等离子形成气体的例子包括分子气体，例如氧气(O2)、氮气 (N2)、氢气(H2)、和氟气(F2),以及其他气体。在不偏离本公开的范围的情况下，等离子源气体流14可以包括几种气体的组合。例如等离子源气体流14可以是基本纯氧气的气体流。一方面，可向大气等离子装置12以理想的气体条件提供等离子源气体流14。另一方面，可向大气等离子装置12以周围环境条件提供等离子源气体流14。例如，等离子源气体流14可以是气压大约latm，温度大约25°C。本领域技术人员应明白，等离子源气体流 14的物理条件可根据具体的应用改变，并且可以被调整从而最优化大气等离子装置12的性能。前体流16可以是前体的流，并且可选地，是携带前体至大气等离子装置12的运载气体。该运载气体可选择以下这样的气体或气体组合，其在大气等离子装置12中不进行基本的等离子形成。有用的运载气体的例子包括氦气(He)和氩气(Ar)。前体可以是任何这样的材料，当通过大气等离子体22的方式沉积在衬底M上时， 其能够形成抗磨损涂层26。一方面，前体可以是任何这样的材料，当通过大气等离子体22 的方式沉积在衬底M上时，其能够形成硅碳氧化物(SiOxCy)涂层。另一方面，前体可以是 (或可包括)环状有机硅氧烷。适当的前体的一个例子是四甲基四乙烯基环四硅氧烷(te tramethylcyclocyclotetrasiloxane) ( “TMCTS”)。适当的前体的另一个例子是八甲基环四娃烧(octamethylcyclocyclotetrasiloxane) ( “0MCTS，，)。
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一方面，前体可以是标准温度和压力下的相对高气压液体，并且运载气体可通过前体而起泡，从而形成前体流16。然而，本领域技术人员应明白，可使用各种可替换技术，例如汽化器，从而将前体引入前体流16。在一个具体方面，可通过在周围环境条件下经TMCTS 液体起泡氦气形成前体流16。保护气体流18可以是这样的保护气体流，其不进行大气等离子装置12中的基本等离子形成。保护气体可出现在等离子体22中，但是不限于任何具体理论，其可最小化等离子体22中的大气水、氧气和其他污染物的影响。适当的保护气体的例子包括氦气(He) 和氩气(Ar)。在不偏离本公开的范围的情况下，保护气体流18可包括保护气体的组合。在一个具体方面，保护气体流18可以是基本纯氦气的气流。一方面，可向大气等离子装置12以理想的气体条件提供保护气体流18。另一方面，可向大气等离子装置12以周围环境条件提供保护气体流18。例如，保护气体流18可以是气压大约latm，温度大约25°C。本领域技术人员应明白，保护气体流18的物理条件可根据具体的应用改变，并且可以被调整从而最优化大气等离子装置12的性能。在该点上，本领域技术人员应明白，等离子源气体14、前体流16和保护气体流18 可以在大气等离子装置12被结合，从而形成等离子体22。然而，本领域技术人员也应明白， 也可在到达大气等离子装置12之前结合两种或更多种等离子源气体、前体和保护气体流 14、16、18。例如，等离子源气体、前体和保护气体流14、16、18可作为单一气流供给大气等 1 子直 12 ο等离子源气体、前体和保护气体流14、16、18的流速可以被控制从而获得等离子体22中等离子源气体、前体和保护气体的期望浓度。虽然图1未示出，可以在等离子源气体、前体和保护气体流14、16、18上提供控制值，从而控制关联的流速。本领域技术人员应明白，等离子体22中的等离子源气体、前体和保护气体的相对浓度可以被操作，从而最优化大气等离子装置12的性能，并且赋予结果涂层沈以期望的属性。例如，等离子体22中的氧气浓度可以被降低，从而增加涂层26的聚合物质量，因此产生更有弹性的涂层26。可替换地，等离子体22中的氧气浓度可以被增加，从而赋予涂层沈更多无机物，因而产生更坚硬的涂层26。一方面，等离子源气体流14可最多包含向大气等离子装置12输入量的5%，而前体气流16可最多包含向大气等离子装置12输入量的10%，而保护气体流18包含剩余部分。另一方面，等离子源气体流14可最多包含向大气等离子装置12输入量的2%，而前体气流16可最多包含向大气等离子装置12输入量的5%，而保护气体流18包含剩余部分。 在又一方面，等离子源气体流14可包含向大气等离子装置12输入量的1-2%，而前体气流 16可包含向大气等离子装置12输入量的2-4%，而保护气体流18包含剩余部分。参考图1和图2，大致以50标出，用于衬底M施加抗磨损涂层沈的方法可始于清洁衬底的步骤，如方框52所示。可使用各种溶媒(solvent)清洁衬底M，例如酮或轻质醇(例如甲醇或异丙醇)。也可使用氧等离子体清洁衬底M，其也可激活接收涂层沈的表面。如方框M所示，可选地以附着力促进剂/助粘剂处理清洁衬底，例如本领域已知的铝基溶胶-凝胶助粘剂。如方框56所示，可通过向大气等离子装置12提供等离子源气体、前体和保护气体流14、16、18从而形成等离子体22而组成系统10。等离子体22的大小可取决于各种因素，包括大气等离子装置12的大小，以及等离子源气体、前体和保护气体流14、16、18的流速。 例如，等离子体22可以是大约2英寸宽。如方框58所示，可通过相对于大气等离子装置12定位衬底M而对衬底M进行涂层，以便等离子体22将涂层沈沉积在衬底上。可穿过衬底M光栅扫描等离子体22，从而均勻地涂层衬底M的表面。虽然可使用手持装置，但是本领域技术人员应明白，可使用适当的机器人，以便在衬底M和大气等离子装置12之间保持不变的间距。在该点上，本领域技术人员应明白，在不偏离本公开的范围的情况下，可在涂层 26上层置另外的涂层。例如，可使用公开的方法50或任何其他适当的涂层方法(例如溶胶-凝胶)施加顶部涂层。例子使用来自Surfx Technologies有限公司的大气等离子装置，在拉伸丙烯酸衬底上沉积硅碳氧化物(SiOxCy)涂层。向该装置提供大约0. 5L/min的氧气、由氦气携带的1. OL/ min的TMCTS、以及30L/min的氦气(保护气体)。可通过经TMCTS液体的容器在周围环境条件下起泡氦气运载气体获得TMCTS/氦气气流。使用Taber磨损测试(ASTM D 1044-08)和落沙测试(ASTM D968)测试得到的大气等离子涂层丙烯酸衬底的抗磨损性。结果在图3和图4中示出。为了对比，在空拉伸/ 无多余拉伸(bare stretched)丙烯酸和涂以聚硅氧烷溶胶-凝胶涂层的拉伸丙烯酸上执行相同的测试。也在图3和图4中示出比较数据。此外，通过公开的系统和方法施加的抗磨损涂层可以是具有期望的机械性能的玻璃状膜，包括改进的硬度和足够的展延性，从而抵挡衬底M中的弯曲，例如飞机窗户在飞行期间受到的弯曲。具体地，相信可在硅衬底上实现大约300MI^至大约2. IGPa的硬度，并且可在拉伸丙烯酸衬底上实现大约300MPa至大约1. 5GPa的硬度。此外，公开的系统和方法可以减少涂层各部分的时间，减少制造水平下用于施加涂层所需的覆盖区域，消除流涂装置和固化炉的需要，消除对于复杂和昂贵的真空沉积系统的需要，消除由于施加方法引起的非目标表面的掩模的需要，并且可允许组合非真空兼容组件(例如橡胶和凝胶状密封)，从而不需要昂贵的拆解处理。此外，公开的施加抗磨损涂层的系统和方法可兼容修复处理并且可在现场实施。虽然已示出并描述了用于施加抗磨损涂层的公开系统和方法的各个方面，但是本领域技术人员阅读本说明后可想到各种修改。本应用包括此类修改并且仅由权利要求限定。
权利要求
1.一种用于向衬底施加抗磨损涂层的方法，其包含以下步骤 产生包含大气等离子体；向所述大气等离子体引入前体，选择所述前体从而形成所述抗磨损涂层；以及相对于所述大气等离子体定位所述衬底，以便所述大气等离子体在所述衬底上沉积所述抗磨损涂层。
2.根据权利要求1所述的方法，其中所述抗磨损涂层为硅碳氧化物涂层。
3.根据权利要求1所述的方法，其中所述衬底为拉伸丙烯酸。
4.根据权利要求1所述的方法，其中所述大气等离子体为大气氧等离子体。
5.根据权利要求1所述的方法，其中所述产生步骤包括向大气等离子装置引入保护气体流和等离子源气体流。
6.根据权利要求5所述的方法，其进一步包含改变所述等离子源气体流和所述前体的体积比的步骤，从而操作所述抗磨损涂层的物理性质。
7.根据权利要求5所述的方法，其中所述保护气体流包括氦气和氩气中的至少一种， 并且所述等离子源气体流包括分子气体。
8.根据权利要求1所述的方法，其中所述前体被引入运载气体中的所述大气等离子体。
9.根据权利要求1所述的方法，其中所述前体包括环状有机硅氧烷。
10.根据权利要求1所述的方法，其中所述前体包括四甲基四乙烯基环四硅氧烷。
11.根据权利要求1所述的方法，其中所述前体包括八甲基环四硅烷。
12.根据权利要求1所述的方法，其中所述大气等离子体由大气等离子装置产生，并且所述定位步骤包括在所述衬底和所述大气等离子装置之间保持不变的间距。
13.根据权利要求12所述的方法，其中所述大气等离子装置被安装在机器人装置上， 并且通过所述机器人装置保持所述不变的间距。
14.根据权利要求1所述的方法，其进一步包含在所述定位步骤前清洁所述衬底的步马聚ο
15.根据权利要求1所述的方法，其进一步包含以氧气等离子体处理所述衬底的步骤， 其在所述定位步骤前基本无所述前体。
全文摘要
一种用于向衬底施加抗磨损涂层的方法，其包括以下步骤，即产生大气等离子体(22)，向大气等离子体引入前体，选择该前体从而形成抗磨损涂层，并且相对于大气等离子体定位衬底(26)，以便大气等离子体在衬底上沉积抗磨损涂层。
文档编号C23C16/50GK102414341SQ201080019785
公开日2012年4月11日 申请日期2010年4月14日 优先权日2009年5月4日
发明者L·S·C·平格里, M·R·西尔基斯, S·M·派尔, V·S·森德拉姆 申请人:波音公司