TWI745679B

TWI745679B - 高曲複合塗層系統成型方法

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Publication number: TWI745679B
Application number: TW108113922A
Authority: TW
Inventors: 李昌崙; 陳志嘉; 吳啟豪; 王文士; 余秉憲; 林明煌; 李乘清
Original assignee: 國家中山科學研究院
Priority date: 2019-04-18
Filing date: 2019-04-18
Publication date: 2021-11-11
Also published as: TW202039708A

Abstract

一種高曲複合塗層系統之成型方法，步驟包括：(A)提供一金屬結構基材，於該金屬結構基材之表面塗覆一衰減層；(B)於該衰減層之上表面塗覆一適配層；(C)於該適配層之上表面塗覆一保護層。藉此，使用至少一種可撓曲高分子塗層材料與預分散其中的具電磁特性的粒子組成物，經由化學交聯反應固化成型於高曲面結構表面，此系統可吸收與散射環境中入射的微波能量，減少微波能量的反射程度。

Description

高曲複合塗層系統成型方法

本發明係關於一種複合塗層系統之成型方法，特別是關於一種高曲複合塗層系統之成型方法。

兆赫(GHz)頻率範圍微波廣泛應用於無線微波通訊，例如：手機、區域網路、微波電路及人造衛星等，同時微波環境之電磁干擾情形也日益嚴峻，因此可降低電磁能量干擾及降低微波背景噪音的微波衰減材料需求就應運而生，市場需求亦益趨迫切。

一般傳統製作微波衰減材料的方法，多先將具電磁特性的粒子均勻分散在如新平橡膠、矽橡膠等橡膠基材，接著使用金屬模具，在高溫熱壓環境下，將橡膠壓製成所需厚度的膠片，當使用膠片時，須藉由高分子接著劑將橡膠膠片一片一片的黏附於金屬結構表面，黏附製程中須持續加壓至接著劑固化，以確保接著強度滿足要求。

通常飛機、船舶、車輛及通訊裝備等載具結構為不規則的曲面結構，黏附過程中平板狀橡膠膠片必須搭配定型模具施壓，使膠片能貼緊結構曲面弧線，並隨表面彎曲變形，因為橡膠膠片具有一定的剛性與回彈性，局部非等向性的強制拉伸與延展變化難以預期，現場黏著及局部成型的品質不易控制，黏附效果不臻理想，常衍生殘餘預應力、膠片翹曲脫膠等缺點。此外，傳統微波衰減材料多設計成一固定電磁特性材料，無法同時兼顧微波衰減與微波入射阻抗適配需求，使得微波衰減的效能受到很大限制。

因此，目前業界需要一種高曲複合塗層系統之成型方法，可於不規則的曲面基材製作附著良好的微波衰減塗層，且同時兼顧微波衰減與微波入射阻抗適配需求，以製備出符合業界需求的高曲複合塗層。

鑒於上述習知技術之缺點，本發明之主要目的在於提供一種複合塗層之成型方法，可經由化學交聯反應一次固化成型於高曲度金屬結構表面，本發明所製備的塗層可吸收與散射環境中入射的微波能量，減少微波能量的反射程度。

本發明所製備的塗層為不同介電係數、不同導磁係數、及特定厚度的複數層構造，透過電磁阻抗適配、電磁/熱能量轉換機制，吸收與散射環境中入射的微波能量，提昇一定頻率範圍之入射微波能量衰減效能，並可藉由調整複合塗層系統各層所含添加劑的種類與數量、各塗層的厚度，來調整選定寬波段頻率範圍內的微波衰減程度。

為了達到上述目的，根據本發明所提出之一方案，提供一種高曲複合塗層系統之成型方法，步驟包括：(A)提供一金屬結構基材，於該金屬結構基材之表面塗覆一衰減層，該衰減層之介電係數為ε₁、導磁係數為μ₁；(B)於該衰減層之上表面塗覆一適配層，該適配層之介電係數為ε₂、導磁係數為μ₂；(C)於該適配層之上表面塗覆一保護層，該保護層之介電係數為ε₃、導磁係數為μ₃。其中，ε₃<ε₁<ε₂且μ₃<μ₂<μ₁。

上述各層之電磁特性參數可如表一所示，但不以此為限。

上述中，該高曲複合塗層系統之厚度小於2mm；該衰減層、適配層或保護層可由一可撓曲高分子與一添加劑粒子混合而成。

上述中，該可撓曲高分子係選自於由聚氨甲酸酯、環氧-異氰酸酯及環氧樹脂所組成之群組之一。

上述中，該衰減層之添加劑粒子係選自於由碳基鐵、鐵氧體及鈷-鎳合金所組成之群組之一，該添加劑粒子於該衰減層之添加比例可為60wt%-85wt%。本發明運用塗覆於金屬結構基材上的衰減層，將進入的電磁能量轉換成熱，減少電磁能量的反射。

上述中，該適配層之添加劑粒子係選自於由碳黑、碳纖維及碳化矽所組成之群組之一，該添加劑粒子於該適配層之添加比例可為3wt%-12wt%。本發明藉由適配層提供入射微波適配的電磁阻抗，讓入射微波順利進入複合塗層系統之衰減層，大幅降低入射微波能量的反射程度。

上述中，該保護層之添加劑粒子係為碳黑或二氧化鈦或其他無機顏料，該添加劑粒子於該保護層之添加比例可為0.1wt%-10wt%。本發明透過塗覆於適配層表面的保護層，降低複合塗層系統受環境外物侵蝕的損害程度，視需要，並可協同適配層進一步提昇微波能量的電磁阻抗匹配效能。

上述中，該成型方法可為噴塗成型或澆注成型。

上述中，可進一步將該高曲複合塗層交聯固化成型。其中，該固化成型之高曲複合塗層可通過6mm直徑心軸撓曲測試；該固化成型之高曲複合塗層可通過ASTM D3395(以刀片評估附著性的標準試驗法)5B等級塗層系統附著性測試。

本發明選用包括聚氨甲酸酯、環氧-異氰酸酯或環氧樹脂之具有高撓曲物性的彈性高分子塗層材料作為黏結基質，以及具有高介電係數及/或導磁係數之添加劑，包括：碳黑、碳纖維、碳基鐵、鐵氧體、碳化矽、鈷-鎳合金、二氧化鈦及其複合物等，製作具有獨特的電磁特性的微波衰減材料。

本發明由可撓曲彈性高分子塗層材料與預分散其中的具電磁特性的粒子組成之微波衰減材料，可經由化學交聯反應固化成型於高曲面結構表面，同時，透過金屬結構基材、塗覆於金屬結構基材上的衰減層、塗覆於衰減層上的適配層、塗覆於適配層表面的保護層之複層系統的分工合作，發揮一加一大於二的加成效果，使得此系統可吸收與散射環境中入射的微波能量，減少微波能量的反射程度，在選定的寬波段頻率範圍內擁有較高的微波衰減程度，具有較高的微波反射損失，並達成高曲度結構表面複合塗層一次成型、預應力小、不龜裂、製程步驟少及成本效益高之功效。

以上之概述與接下來的詳細說明及附圖，皆是為了能進一步說明本發明達到預定目的所採取的方式、手段及功效。而有關本發明的其他目的及優點，將在後續的說明及圖式中加以闡述。

S101-S106‧‧‧步驟

20‧‧‧高曲複合塗層系統

22‧‧‧高曲面金屬結構基材

24‧‧‧衰減層

26‧‧‧適配層

28‧‧‧保護層

第一圖係為本發明一種高曲複合塗層系統成型方法流程圖；第二圖係為本發明一種高曲複合塗層系統成型方法之結構示意圖；第三圖係為本發明實施例高曲複合塗層系統之附著性試驗分析圖；第四圖係為本發明實施例高曲複合塗層系統之撓曲特性試驗分析圖；第五圖係為本發明實施例高曲複合塗層系統之反射損失與頻率關係圖。

以下係藉由特定的具體實例說明本發明之實施方式，熟悉此技藝之人士可由本說明書所揭示之內容輕易地了解本發明之優點及功效。

本發明是一種高曲複合塗層系統之成型方法，選用具有不同介電係數、不同導磁係數、及特定厚度的複數層構造，包括金屬結構基材、衰減層、適配層、及保護層構成一高曲複合塗層系統。運用含有電磁特性複合物之高撓曲彈性高分子塗層材料組成之複合塗層系統，透過化學交聯反應固化成型於高曲面結構表面，使它兼具高微波能量衰減特性及曲面結構一次成型、預應力小、不龜裂的優點。

本發明之一種高曲複合塗層系統之成型方法，步驟包括：(A)提供一金屬結構基材，於該金屬結構基材之表面塗覆一衰減層；(B)於該衰減層之上表面塗覆一適配層；(C)於該適配層之上表面塗覆一保護層。請參閱第二圖，為本發明一種高曲複合塗層系統成型方法之結構示意圖，如圖所示，本發明所製備之高曲複合塗層系統20，包括：高曲面金屬結構基材22、衰減層24、適配層26及保護層28。

上述中，該可撓曲高分子係選自於由聚氨甲酸酯、環氧-異氰酸酯及環氧樹脂所組成之群組之一；該衰減層24之添加劑粒子係選自於由碳基鐵、鐵氧體及鈷-鎳合金所組成之群組之一；該適配層26之添加劑粒子係選自於由碳黑、碳纖維及碳化矽所組成之群組之一；該保護層28之添加劑粒子係為碳黑或二氧化鈦或其他無機顏料。

其中，該成型方法為噴塗成型或澆注成型，可進一步將該高曲複合塗層交聯固化成型。

實施例

請參閱第一圖，為本發明一種高曲複合塗層系統之成型方法流程圖。於高曲面金屬結構表面上塗覆一厚度為0.9mm-1.5mm的衰減材料層，其包含一種可撓曲彈性高分子樹脂與預分散其中的碳基鐵、鐵氧體、鈷-鎳合金及其混合物的添加劑，此材料具有相對的高電磁波衰減能力。接著，於衰減材料層上塗覆一厚度為0.2mm-0.9mm適配材料層，其包含一種可撓曲彈性高分子樹脂與預分散其中的碳黑、碳纖維、石墨、碳化矽及其混合物的添加劑，此材料具有相對的低電磁波反射能力。最後於適配材料層上塗覆一厚度為0.02mm-0.08mm的保護材料層，其包含一種可撓曲彈性高分子樹脂與預分散其中的著色顏料添加劑，此材料具有相對的低電磁波反射能力。上述各層之電磁特性參數如表一所示。

上述中，該成型方法可為噴塗成型或澆注成型。本發明之一實施例可為：於30×30cm²的鋁合金平板噴塗依比例調配妥的環氧樹脂/添加劑粒子預分散液，首先噴塗衰減層至要求厚度，接著噴塗適配層至要求厚度，最後噴塗保護層至要求厚度，然後於常溫25℃下靜置168小時，待其交聯固化成型。本發明之另一實施例可為：於30×30cm²的鋁合金鏡框模板，澆注依比例調配妥的聚氨甲酸酯/添加劑粒子預分散液，首先澆注衰減層至要求厚度，接著澆注適配層至要求厚度，最後澆注保護層至要求厚度，然後於常溫25℃下靜置168小時，待其交聯固化成型。

請參閱第三圖，為本發明實施例高曲複合塗層系統之附著性試驗分析圖，依「以膠帶量測附著性的標準試驗方法」(ASTM D3359)執行塗層系統附著性試驗，達到5B等級(刻線的邊緣極為平滑且正方形格子的塗層沒有任何脫離)塗層系統0%剝離。請參閱第四圖，為本發明實施例高曲複合塗層系統之撓曲特性試驗分析圖，依「彎曲標準試驗方法」(ASTM D522)執行塗層系統撓曲特性試驗，經6mm心軸捲曲塗層系統漆膜無破裂情形。

本發明之高曲複合塗層系統可使用噴塗方式塗覆於曲面金屬結構表面，其微波能量的反射損失與頻率關係圖如第五圖所示，由圖曲線可看出本發明之塗層系統於10GHz 頻率的微波反射損失達-18dB以上，本案複合塗層系統最佳實施例為採用環氧樹脂作為高分子基材，衰減材料層(碳基鐵含80%重量百分比)其厚度為1.3mm，適配材料層(碳黑含量10%重量百分比)其厚度為0.3mm，保護材料層(二氧化鈦顏料含量0.5%重量百分比)其厚度為0.050mm。

本發明採用聚氨甲酸酯、環氧-異氰酸酯或環氧樹脂之具高撓曲特性及高物性的彈性高分子塗層材料作為複合塗層系統之塗層材料，透過化學交聯反應固化成型於高曲面金屬結構表面，結合選用具有不同介電係數、不同導磁係數、及特定厚度的複數層構造，包括金屬結構基材、衰減層、適配層、及保護層構成一高曲複合塗層系統，透過電磁阻抗適配、電磁/熱能量轉換機制，吸收與散射環境中入射的微波能量，提昇一定頻率範圍之入射微波能量衰減效能，可達成改善高曲結構體的施工性、塗層系統機械性能、以及提昇結構體的微波環境品質的效益。

本發明之複合塗層系統可讓入射的微波很容易進入適配層，將反射量降至最少，然後被衰減層吸收，因此降低入射微波的反射量，使得複合塗層系統的反射損失增加。藉由調整複合塗層系統各層所含添加劑粒子的種類與數量，改變在選定的寬波段頻率範圍內的微波衰減程度，使得塗層系統厚度可小於2mm。該複合塗層系統具有較低微波反射性，亦即為具有較高的微波反射損失，可應用在高科技產品、微波通訊設備、飛機、船舶、車輛等交通運輸載具結構內/外表面及相關產品上，使其在未來的應用領域更加寬廣。

上述之實施例僅為例示性說明本發明之特點及功效，非用以限制本發明之實質技術內容的範圍。任何熟悉此技藝之人士均可在不違背發明之精神及範疇下，對上述實施例進行修飾與變化。因此，本發明之權利保護範圍，應如後述之申請專利範圍所列。

S101-S106‧‧‧步驟

Claims

一種高曲複合塗層系統之成型方法，步驟包括：(A)提供一金屬結構基材，於該金屬結構基材之表面塗覆一衰減層，該衰減層之介電係數為ε₁、導磁係數為μ₁，其中，該金屬結構基材之表面為非平板狀；(B)於該衰減層之上表面塗覆一適配層，該適配層之介電係數為ε₂、導磁係數為μ₂；(C)於該適配層之上表面塗覆一保護層，該保護層之介電係數為ε₃、導磁係數為μ₃；其中，ε₃<ε₁<ε₂且μ₃<μ₂<μ₁，該高曲複合塗層系統之厚度小於2mm，該衰減層、適配層或保護層係由一可撓曲高分子與一添加劑粒子混合而成。
如申請專利範圍第1項所述之高曲複合塗層系統之成型方法，其中，該衰減層之厚度為0.9mm-1.5mm，該適配層之厚度為0.2mm-0.9mm，該保護層之厚度為0.02mm-0.08mm。
如申請專利範圍第1項所述之高曲複合塗層系統之成型方法，其中，該可撓曲高分子係選自於由聚氨甲酸酯、環氧-異氰酸酯及環氧樹脂所組成之群組之一。
如申請專利範圍第1項所述之高曲複合塗層系統之成型方法，其中，該衰減層之添加劑粒子係選自於由碳基鐵、鐵氧體及鈷-鎳合金所組成之群組之一。
如申請專利範圍第1項所述之高曲複合塗層系統之成型方法，其中，該適配層之添加劑粒子係選自於由碳黑、碳纖維及碳化矽所組成之群組之一。
如申請專利範圍第1項所述之高曲複合塗層系統之成型方法，其中，該保護層之添加劑粒子係為碳黑或二氧化鈦。
如申請專利範圍第1項至第6項中任一項所述之高曲複合塗層系統之成型方法，其中，該添加劑粒子於該衰減層之添加比例為60wt%-85wt%，該添加劑粒子於該適配層之添加比例為3wt%-12wt%，該添加劑粒子於該保護層之添加比例為0.1wt%-10wt%。
如申請專利範圍第1項所述之高曲複合塗層系統之成型方法，其中，該成型方法為噴塗成型或澆注成型。
如申請專利範圍第1項或第8項所述之高曲複合塗層系統之成型方法，其中，係進一步將該高曲複合塗層交聯固化成型。
如申請專利範圍第9項所述之高曲複合塗層系統之成型方法，其中，該固化成型之高曲複合塗層可通過6mm直徑心軸撓曲測試。
如申請專利範圍第9項所述之高曲複合塗層系統之成型方法，其中，該固化成型之高曲複合塗層可通過ASTM D3395(以刀片評估附著性的標準試驗法)5B等級塗層系統附著性測試。