Metallization of polymeric substrates via physical vapor deposition

The increasing industrial interest towards the metallization of plastic substrates, which are advantageous compared to other types of materials thanks to their physical-chemical characteristics, has brought the attention of several companies on the damages reported on humans and the environment by the classic metallization chemical processes. The main problem is the use of hexavalent chromium, either directly in the chemical bath as a precursor, or as a byproduct. It has been shown to be both carcinogenic and genotoxic. Although its dangerousness is recognized internationally, its surface effects on plastic substrates are irreplaceable. The superficial morphology created by the hexavalent chromium, especially on the ABS, the most used plastic substrate, is particular and extremely efficient for the consequent metallization. Several ecological attempts to replace the hexavalent chromium have been carried out, but at industrial level it is still widely used. In recent times vacuum-based deposition techniques have been preferred as an alternative to chemical baths. Among all, the PVD technique is the most used and most suitable. Despite the various advantages, it allows to obtain thin layers of chrome which render it inapplicable for functional applications in which high mechanical characteristics are required. In this thesis work, in order to increase the mechanical properties of the final chromium layer, a "wafer" system has been studied, composed of a plastic substrate, a photocurable primer and finally the chromium layer deposited via PVD. Four different substrates, ABS a blend composed of PC + ABS, PA6 and PP, have been superficially characterized and treated with plasma to increase their wettability. Two commercial resins, mainly composed of acrylates, were characterized and then deposited as a primer on the four plastic substrates. The adhesion with the substrates and the possibility of improving the mechanical properties have been studied, creating an organic-inorganic hybrid system with dispersed silica nanoparticles. Finally, the deposition parameters were studied to obtain a homogeneous and uncracked chromium layer via PVD technique, which are in line with industrial requirements.

Il crescente interesse industriale verso la metallizzazione di substrati plastici, vantaggiosi rispetto ad altri tipi di materiali per le loro caratteristiche fisico-chimiche, ha portato l’attenzione di diverse compagnie sui danni riportati sull’uomo e sull’ambiente dai classici processi chimici di metallizzazione. Il principale problema è l’utilizzo del cromo esavalente, sia direttamente nel bagno chimico come precursore, sia come prodotto. Esso è stato dimostrato essere sia cancerogeno che geno tossico. Sebbene la sua pericolosità sia riconosciuta anche a livello internazionale, i suoi effetti superficiali sui substrati plastici sono insostituibili. La morfologia superficiale creata dal cromo esavalente, specialmente sull’ABS, substrato plastico più usato, è particolare ed estremamente efficiente per la conseguente metallizzazione. Diversi tentativi ecologici, per sostituire il cromo esavalente son stati effettuati, ma a livello industriale risulta ancora ampiamente utilizzato. Negli ultimi tempi si sono preferite tecniche di deposizione basate sul vuoto, come alternativa al bagno chimico. Tra tutte, la tecnica PVD risulta essere quella più utilizzata e più adatta. Nonostante i diversi vantaggi, la essa permette di ottenere sottili strati di cromo che lo rendono inapplicabile per applicazioni funzionali in cui elevate caratteristiche meccaniche sono richieste. In questo lavoro, per aumentare le proprietà meccaniche dello strato di cromo finale, si è studiato un sistema a “wafer” composto da un substrato plastico, un primer fotoreticolabile e, infine, lo strato di cromo deposto via PVD. Quattro substrati diversi, ABS un blend composto da PC+ABS, PA6 e PP, sono stati caratterizzati superficialmente e trattati con plasma per aumentarne la bagnabilità. Due resine commerciali, principalmente composte da acrilati, sono state caratterizzate e poi deposte come primer sui quattro substrati plastici. Se ne è studiata l’adesione con i substrati e la possibilità di migliorare le proprietà meccaniche creando un sistema ibrido organico-inorganico con nanoparticelle di silice disperse. Infine sono stati studiati i parametri di deposizione per ottenere uno strato di cromo omogeneo con tecnica PVD, che siano in linea con i requisiti industriali.