結構聚合物插入物及其製造方法

2023-07-12 21:49:01 1

專利名稱：：結構聚合物插入物及其製造方法
技術領域：
：本發明的至少一個方面涉及一種結構聚合物插入物(structuralpolymerinsert),該結構聚合物插入物具有與粘合劑結合的玻璃纖維填充聚丙烯。
背景技術：
：在汽車工業中，經常使用金屬支撐結構來為車輛車架提供強度和吸能特性。在特定的規範由政府對安全性和耐碰撞性的要求來批准的形勢下，除了金屬支撐結構之外，通常使用玻璃纖維增強聚醯胺插入物。然而，玻璃纖維增強聚醯胺插入物的使用由於多種原因而受到限制，尤其是因為聚醯胺常常缺乏所必需的工程耐久性。另外，聚醯胺是較為昂貴的材料，這使得結構聚醯胺插入物的廣泛使用大打折扣。
發明內容根據本發明的至少一個方面，提供了一種結構聚合物插入物。在至少一個實施例中，該結構聚合物插入物具有基底和粘合劑，基底是聚丙烯組分和玻璃纖維組分的混合物。基底具有表面，所述表面具有多個氧原子，所述多個氧原子的量以原子百分比計為所述表面上存在的所有原子的1%至60%。粘合劑通過一個或多個反應基團附著到所述表面，由所述氧原子的氧化作用形成所述一個或多個反應基團。在至少一個實施例中，所述一個或多個反應基團說明性地包括羥基、醚、酮、羧基或它們的任意組合。在至少一個實施例中，基底的所述表面具有許多氮原子，氮原子的量以原子百分比計為所述表面上存在的所有原子的0.1%至10%。在至少一個實施例中，所述表面具有許多矽原子，矽原子的量以原子百分比計為所述表面上存在的所有原子的0%至5%。在至少一個實施例中，基底的所述表面的氧氮原子比為5.0至12。在至少一個實施例中，玻璃纖維組分以重量百分比計為所述基底的總重的1%至60%，在至少一個具體的實施例中，為所述基底的總重的30%至50%。在至少另一實施例中，玻璃纖維組分的平均纖維長度不小於2毫米。在另外的至少一個實施例中，粘合劑是可發泡的泡沫粘合劑；在至少一個具體的實施例中，泡沫粘合劑是環氧類泡沫粘合劑。根據本發明的至少一個方面，還提供了一種工藝。在至少一個實施例中，該工藝包括以下步驟提供具有表面的基底，所述基底是聚丙烯組分和玻璃纖維組分的混合物；在所述表面上引入多個氧原子以形成被處理的表面；將粘合劑附著到所述被處理的表面，從而形成結合製品。可選地，該工藝還包括在熱的作用下對結合製品進行固化。在至少一個具體的實施例中，藉助空氣等離子體處理來完成在所述表面上引入多個氧原子的步驟。圖1示出了平均玻璃纖維長度為3毫米、玻璃纖維組分的重量百分比為30%的GFPP(玻璃纖維填充聚丙烯)樣品在空氣等離子體處理前後的XPS(X射線光電子能譜)的全譜；圖2A和圖2B示出了圖1中的GFPP樣品在空氣等離子體處理之前(圖2A)和之後(圖2B)的XPSC(碳)ls芯能級語；圖3示出了平均玻璃纖維長度為3毫米、玻璃纖維組分的重量百分比為30%的GFPP樣品在不進行空氣等離子體處理、進行"a"劑量的空氣等離子體處理和"b，，劑量的空氣等離子處理情況下的XPSCls芯能級譜；圖4示出了使用形貌測量的放大倍率為20x的表面粗糙度；圖5示出了各種GFPP樣品分別在不進行空氣等離子體處理、進行"a"劑量的空氣等離子體處理和進行"b"劑量的空氣等離子處理情況下的光學立體顯微表面圖像；圖6示出了形貌測量，該形貌測量表示GFPP樣品分別在不進行空氣等離子體處理、進行"a"劑量的空氣等離子體處理和進行"b"劑量的空氣等離子處理情況下的》文大倍率為100x的表面粗糙度；圖7A至圖7F示出了各種GFPP樣品分別在不進行空氣等離子體處理、進行"a，，劑量的空氣等離子體處理和進行"b"劑量的空氣等離子處理情況下的放大倍率為20x或lOOx的三維形貌，其中，圖7A至圖7C示出了放大倍率為20x的形貌結果，圖7D至圖7F示出了放大倍率為100x的形貌結果；圖8描繪了箱線圖，所述箱線圖示出了純聚丙烯樣品分別在不進行空氣等離子體處理、進行"a"劑量的空氣等離子體處理和進行"b"劑量的空氣等離子處理情況下的搭接剪切結合強度測量(每組重複五個)的平均值和分布；圖9描繪了箱線圖，所述箱線圖示出了純聚丙烯樣品分別在不進行空氣等離子體處理、進行"a"劑量的空氣等離子體處理和進行"b"劑量的空氣等離子處理情況下的結合破壞模式(每組重複五個)的平均值和分布；圖IO描繪了箱線圖，所述箱線圖示出了各種GFPP樣品分別在不進行空氣等離子體處理、進行"a"劑量的空氣等離子體處理和進行"b"劑量的空氣等離子處理情況下的搭接剪切結合強度測量(每組重複五個)的平均值和分布；圖ll描繪了箱線圖，所述箱線圖示出了各種GFPP樣品分別在不進行空氣等離子體處理、進行"a"劑量的空氣等離子體處理和進行"b"劑量的空氣等離子處理情況下的結合破壞模式(每組重複五個)的平均值和分布；圖12描繪了箱線圖，所述箱線圖示出了各種GFPP樣品在不進行空氣等離子體處理、進行"a"劑量的空氣等離子體處理和進行"b"劑量的空氣等離子處理情況下的結合破壞模式(每組重複五個)的平均值和分布，其中，所述平均值和分布與等離子體劑量、玻璃纖維含量和玻璃纖維長度有關；圖13描繪了箱線圖，所述箱線圖示出了各種GFPP樣品在不進行空氣等離子體處理、進行"a"劑量的空氣等離子體處理和進行"b"劑量的空氣等離子處理情況下的搭接剪切結合強度測量(每組重複五個)的平均值和分布，其中，所述平均值和分布與等離子體劑量、玻璃纖維含量和玻璃纖維長度有關；圖14描繪了在不進行空氣等離子體處理、進行"a"劑量的空氣等離子體處理或進行"b"劑量的空氣等離子處理情況下相應於結合強度的主要影響圖，其中，所述結合強度與等離子體劑量、玻璃纖維含量和玻璃纖維長度有關；圖15描繪了在不進行空氣等離子體處理、進行"a"劑量的空氣等離子體處理或進行"b，，劑量的空氣等離子處理情況下相應於％內聚破壞(％cohesivefailure)的主要影響圖，其中，所述％內聚破壞與等離子體劑量、玻璃纖維含量和玻璃纖維長度有關；圖16描繪了具有"短"平均纖維長度和"長"平均纖維長度的各種GFPP搭接剪切樣品的搭接剪切結合強度的箱線圖。具體實施例方式現在將詳細描述發明人所熟知的本發明的組成、實施例和方法。然而，按照不同的和替換性的形式來實施。因此，這裡公開的特定細節不應該被理解成是限制性的，而僅僅是具有代表性的基礎，用來教導本領據技術人員以不同方式利用本發明。在按照最寬的範圍來描述本發明的過程中，除了明確說明之外，本說明書中用來說明材料的量或反應和/或使用的條件的所有數量應該被理解為用詞語"大約"修飾。在所述及的數值界限內的實踐通常是優選的。關於本發明的一個或多個實施例，對適於給定目的的一組或一類材料進行描述，這種描述意味著所述組或類中的任意兩個或更多的成員的混合物是合適的。化學術語中對成分的描述表示在加入說明書中載明的任何組合中時的成分，並且沒有必要排除在混合時混合物的成分之間在化學上的相互作用。首字母縮略詞或其它縮寫詞的第一次定義應用於本說明書中在後面使用的所有相同的縮寫詞，並在做了適當的修正之後應用於最初定義的縮寫詞的正常語法變化。除非相反地明確提及，否則通過與前文或後文測量同一性質的技術相同的技術來確定對性質的測量。如這裡所使用的，除非另有說明，否則術語"GFPP"與術語"玻璃纖維填充聚丙烯"可互換使用。根據本發明的至少一個實施例，公開了一種結構聚合物插入物，該結構聚合物插入物具有工業上可接受的工程耐久性和顯著提高的經濟效益。在至少一個實施例中，結構聚合物插入物包括結合到泡沫粘合劑的玻璃纖維填充聚丙烯(GFPP)，其中，在GFPP和泡沫粘合劑之間具有相對增強的搭接剪切結合強度。意外地發現，通過至少三個變量(即，表面處理的強度和程度、玻璃纖維組分的總重量百分比和玻璃纖維的長度)的相互影響來實現對玻璃纖維填充聚丙烯基底和泡沫粘合劑之間的結合強度的協同作用。在至少一個實施例中，如將在下面更詳細地描述的，示例性的空氣等離子體處理可以帶來兩種不同方式的影響。當引入空氣等離子體來氧化基底表面的碳基團(carbonmoieties),從而通過氧化的碳基團在泡沫粘合劑和基底之間實現化學鍵的形成時，實現第一種方式。在至少另一具體的實施例中，當空氣等離子體還通過蝕刻玻璃纖維組分的特定部分來引起表面粗糙度時，帶來第二種方式的影響。這些暴露的玻璃纖維隨後可與泡沫粘合劑形成機械結合，從而進一步增強泡沫粘合劑和基底之間的結合強度。在至少一個實施例中，如將在下面更詳細地描述的，包含玻璃纖維組分，用於提供結構耐久性，並用於使空氣等離子體對結合強度的影響最大化。在聚丙烯聚合物中包含玻璃纖維證實了與玻璃纖維含量為零的聚丙烯對應物相比，空氣等離子體處理給結合強度帶來了增強至少5倍的效果。因為空氣等離子體處理在劑量方面可以變化，並且在特定劑量下可從基底的表面蝕刻基底達80微米深，所以乍一看好像空氣等離子體劑量越高，機械結合越多，結合強度越大。然而，發現在結合強度的增大與空氣等離子體強度之間存在折衷。雖然特定高劑量的空氣等離子體產生較粗糙的表面，但是同時，高劑量的空氣等離子體也會？1起基底表面上的碳物種(carbonspecies)的一些過氧化，從而使有效表面氧化的程度減小。如下面將更詳細地描述的，表面碳的過氧化會在某種程度上減少基底表面上被氧化的碳物種的量，從而使結合強度減弱。這樣，通過上述因素的協同作用來至少實現這樣一種目的，即，提供結合強度相對增強的結構聚合物插入物。利用聚醯胺或尼龍來製造傳統的結構插入物。尼龍是由通過肽鍵或醯胺鍵連接的重複單元製成的熱塑性絲狀材料。尼龍是這樣形成的縮合共聚物，即，在與多肽生物聚合物相似的過程中，使等份的二胺和二羧酸反應，從而在每個單體的兩端形成肽鍵。固態尼龍用於機械部件，例如，用於早先由金屬鑄造的齒輪和其它低-中應力組件。通過擠出、鑄造和注射成型來處理工程級尼龍。與尼龍不同，聚丙烯是通用的、更具成本效益的工程熱塑性材料。例如，玻璃纖維填充聚丙烯的示例性通行價格比聚醯胺對應物的價格低至少40%。因為與聚醯胺對應物相比可以以更快的周期時間製造玻璃纖維填充聚丙烯，所以提高了利用玻璃纖維填充聚丙烯作為結構插入物的組分的成本效益。另外，聚丙烯是一種抗疲勞性可被工業上接受的熱塑性聚合物。聚丙烯的熔點為160攝氏度。因為聚丙烯能夠在高壓鍋中耐受熱，所以醫學或實驗室使用8的很多塑料製品由聚丙烯製成。然而，聚丙烯受化學惰性和具有低表面張力的無孔表面的困擾，因此，聚丙烯聚合物原料一般不容易與印刷油墨、塗層和粘合劑結合。在一個或多個實施例中，目的在於提高聚丙烯聚合物對泡沫粘合劑的結合強度，從而提供具有成本效益並且結合強度適於工業工程的結構塑料插入物。在至少一個實施例中，結構聚合物插入物包括基底和結合到基底的粘合劑。基底由聚丙烯組分和玻璃纖維組分構成，這兩種組分彼此混合。基底具有表面，該表面具有多個氧原子，所述多個氧原子的量以原子百分比計為該表面上存在的所有原子的1%至60%。在至少一個具體的實施例中，氧原子的量以原子百分比計為該表面上存在的所有原子的10%至50%。所述表面還可具有多個氮原子，所述多個氮原子的量以原子百分比計為所述表面上存在的所有原子的0.1%至10。/。。所述表面還可具有多個矽原子，所述多個矽原子的量以原子百分比計為所述表面上存在的所有原子的0%至5%。在至少一個實施例中，所述表面的氧氮原子比為5.0至12.0。在至少一個實施例中，聚丙烯組分為許多聚丙烯聚合物分子，所述聚丙烯聚合物分子的重量百分比的範圍為基底總重的40%至95%。在另外的至少一個實施例中，玻璃纖維組分的重量百分比為基底總重的1%至60%;在至少另一實施例中，玻璃纖維組分的重量百分比為基底總重的10%至50%;在至少另一具體的實施例中，玻璃纖維組分的重量百分比為基底總重的30%至50%。在另外的至少一個實施例中，玻璃纖維組分是平均纖維長度不小於2毫米的玻璃纖維的集合體。在另外的至少一個具體的實施例中，玻璃纖維組分的平均纖維長度的範圍為2.0毫米至7.0毫米。為了確保特定的平均纖維長度，可以在保持玻璃纖維長度的條件下利用低剪切力的螺杆使聚丙烯組分和玻璃纖維組分結合來塑造基底。相反，在能夠縮短玻璃纖維的條件下用高剪切力的螺杆來塑造具有短玻璃纖維的基底。可以^吏用本領域公知的任何合適的方法來結合和混合聚丙烯組分和玻璃纖維組分。Boyer等在美國專利3,654,219中給出了一個示例性的方法，該專利的內容通過引用被完全包含於此。可選地，在至少120攝氏度的溫度下對所得的混合物進行熱固化，任選地，在至少135攝氏度的溫度下對所得的混合物進行熱固化。根據所涉及到的具體應用，基底可被塑造成各種構造，包括表面釆取袋(pocket)或空穴的形式的構造。根據所涉及到的具體應用，粘合劑可以是可發泡的或不可發泡的。在至少一個實施例中，粘合劑是在特定條件下可發泡的泡沫粘合劑，可從外部施加所述特定條件。所述條件說明性地包括溫度、壓力和/或化學。作為示例，泡沫粘合劑可以對熱敏感，並且在施加120攝氏度至180攝氏度範圍內的高溫時可膨脹。泡沫粘合劑說明性地包括環氧類、聚氨酯類或矽烷類的粘合劑。環氧類泡沫粘合劑是熱可發泡的，並且當固化時，其耐熱性和耐化學性比在室溫下固化的粘合劑好。適於形成結構聚合物插入物的環氧類泡沫粘合劑具有典型的150%至450%的發泡率，在一個具體的實例中具有200%至400%的發泡率，在另一個具體的實例中具有250%至350%的發泡率。在至少一個實施例中，GFPP基底結合到泡沫粘合劑，並對得到的結合製品進行固化。可以在任何合適的條件下執行所述固化，在至少一個具體的實施例中，在外部施加的熱的作用下執行所述固化，泡沫粘合劑由於所述施加的熱而經歷熱輔助的發泡。在至少一個具體的實施例中，在100華氏度至200華氏度的溫度下對結合製品進行預熱。在至少另一具體的實施例中，在200華氏度至350華氏度的溫度下進一步加熱預熱的結合製品。在至少一個實施例中，粘合劑通過至少一種連接鍵附著到基底的表面。所述連接鍵說明性地包括化學鍵、機械結合或它們的任何組合。所述化學鍵可以是氫鍵、範德華鍵、離子鍵或共價鍵。作為示例，在基底表面上存在的一個或多個反應基團(reactivemoieties)之間形成所述共價鍵，所述反應基團說明性地包括醚、羥基、酮和羧基。這些反應基團是被氧原子氧化的碳原子的各種化學狀態。在至少一個實施例中，通過應用表面處理將氧原子引到所述表面上。例如，表面處理可通過提高基底的固有表面能來改善基底和泡沫粘合劑之間的結合特性。對基底表面應用表面處理，從而對表面粗糙度進行改性，和/或促進表面原子(例如碳原子)向具有反應基團的碳物種的轉化。合適的表面處理說明性地包括空氣等離子體、電暈、UV/臭氧火焰等離子體、化學等離子體或使用氮或氦作為載氣的其它大氣等離子體。電暈等離子體通常使用高頻發電機、高壓變壓器、固定電極和處理機接地輥(treatergroundroll)。標準7>用事業的電力^C轉換成更高頻率的電力，更高頻率的電力隨後被供給到處理機站(treaterstation)。處理機站通過氣隙上方的陶資或金屬電極將該電力施加到將要被處理的表面上。火焰等離子體處理機通常產生比其它處理工藝的熱多的熱，但是通過該方法處理的材料傾向於具有更長的保存期限(shelf-life)。因為當可燃氣體和周圍的空氣一起燃燒而形成強烈的藍色火焰時出現火焰等離子體，所以這些等離子體系統不同於空氣等離子體系統。火焰等離子體以氧化的形式影響表面電子的分布，表面由於這樣的火焰等離子體而極化。由於撞擊表面的高溫可燃氣體，所以應當實施合適的方法，以防止對表面的熱損壞。如本領域所公知的，化學等離子體經常被歸類為空氣等離子體和火焰等離子體的組合。與空氣等離子體有些類似，化學等離子體由充電空氣引起。另外，化學等離子體還依賴於在將被處理的表面上沉積各種化學基團的其它氣體的混合物。當在真空下產生化學等離子體時，可以按照間歇過程(batchprocess)(例如，將製品單個地放在用於處理的真空室中)實施表面處理，而不是按照串式過程(in-lineprocess)(例如，將多個製品順序地排列起來進行處理)實施表面處理。空氣等離子體與電暈等離子體類似，但兩者具有不同。空氣等離子體和電暈等離子體都使用一個或多個高壓電極，所述高壓電極對周圍的空氣離子顆粒充正電。然而，在空氣等離子體系統中，在表面上沉積氧的速率明顯更高。由於氧的這種增加，因此發生更強烈的離子轟擊。作為示例，在名稱為"methodoftreatingsubstratesforbonding(處理基底以用於結合的方法)"的美國專利公布(公開號US2008-0003436)中說明性地詳細描述了一種示例性的空氣等離子體處理方法，該公布的內容通過引用被完全包含於此。在至少一個實施例中，各種原子通過空氣等離子體設備沉積到基底表面上或者暴露於基底表面。在基底表面上引入的原子說明性地包括氧原子、氮原子和矽原子。具體地講，氧原子必然引起基底表面上碳原子的氧化，並使碳原子轉化成醚或羥基、羰基和羧基形式的反應基團，其中，羥基基團在引起基底和泡沫粘合劑之間的共價鍵的形成方面最具有反應性。在至少一個實施例中，採用形貌學來測量PP(玻璃纖維含量為零的純聚丙烯)和GFPP樣品根據空氣等離子體處理的表面粗糙度。通常採用具有WykoNT-3300系統的光學輪廓儀來進行形貌測量。可以利用X射線光電子能語(XPS)來執行表面的表面表徵。X射線光電子能譜表面表徵測量將增大的結合強度與表面羥基官能化的存在聯繫起來，所述表面羥基官能化能夠形成與泡沫粘合劑的共價鍵連接。說明性地使用的儀器可以是英國曼徹斯特的KratosAnalytical製造的KratosAXIS165電子能譜儀。使用在15kV,20mA(300W)下工作的單色AlK-a(1486.6eV)X射線激發源來產生光電子，用對高解析度譜圖的通能為20eV且對元素測定的通能為80eV的分析器並用混合模式放大(hybridmodemagnification)來收集光電子。得到高解析度的CIs芯能級譜，用來詳細說明碳氧化化學。Cls芯能級指駐留在碳ls軌道原子芯能級中的電子。XPSCls芯能級語是由於AlK-aX射線的樣品照射而從碳(C)Is芯能級發生光電子發射的語圖。通過基於Scofield光致電離截面值的步驟來完成測定數據的量化。使用基於最小二乘方的擬合程序來峰擬合高解析度芯能級譜。使用基於最小二乘方的擬合程序，由此基於最佳判斷手動地添加峰，並使得程序能夠自由地對峰高、峰寬和結合能位置進行迭代，從而合成出與所得到的包絡線最接近地匹配的C(碳)ls包絡線。結合能以284.6cV處的脂肪族Cls線為參考。在至少一個實施例中，特定劑量的空氣等離子體處理與基底中包含的玻璃纖維組分協同作用，從而還實現泡沫粘合劑和基底表面之間的機械結合的產生。在至少一個實施例中，通過玻璃纖維的一部分來說明性地形成所述機械結合，該部分另外地位於距所述表面80微米深的位置，並且通過應用表面處理而被暴露。假設提供的是化學計量的混合物，那麼玻璃纖維組分的重量百分比為50%的GFPP可被氧化，從而得到氧原子的原子百分比為大約45.3%述表面上的氧含量的量以原子百分比計為66.7%。表面上的氧原子的原子百分比為66.7%說明性地表示這樣一種情形，即，通過蝕刻處理基本上將矽原子氧化。根據具體基底的玻璃纖維含量和平均纖維長度，特定劑量的空氣等離子體處理促進了基底和泡沫粘合劑之間化學鍵和機械結合兩者的有利形成。然而，應當注意的是，要確保用適當範圍的空氣等離子體強度來處理基底表面。發現可應用於玻璃纖維填充聚丙烯基底的空氣等離子處理的作用會具有兩面性，即，特定劑量的空氣等離子體處理實際上會削減結合強度的有利增強。雖然沒有意圖受任何具體理論的限制，但是關於特定擴展的等離子體處理帶來氧化物種的量減少的原因，可以提出一種可能的機理。已知的是(WalzakMJ等，JournalofAdhesionScienceandTechnology,9(9)，1229-1248,1995)，擴展表面氧化導致斷鏈反應和低分子量氧化材料(LMWOM)的形成。LMWOM進一步氧化，從而形成二氧化碳氣體。因此，雖然特定劑量的空氣等離子體處理？1起在基底表面上保持交聯的氧化基團的形成，但是額外的劑量會過氧化基底表面，並導致LMWOM和/或二氧化碳的形成。LMWOM和二氧化碳相對而言不容易交聯到基底表面，隨後被空氣等離子體處理所固有的直接表面衝擊和高速氣流從所述表面吹走並去除。空氣等離子體處理對GFPP基底與泡沫粘合劑的結合強度的增強效果根據操作方式而變化。空氣等離子體操作的可變化的方面主要包括等離子體束噴嘴和基底表面之間的距離、等離子體束噴嘴的移動速率、等離子體束是旋轉還是靜止。為了獲得對玻璃纖維填充聚丙烯基底和泡沫粘合劑而言最有效的結合增強，按照連貫方式(coherentfashion)選擇這些參數。如表面形貌測量所顯示出的，特定低劑量的空氣等離子體處理使GFPP的表面粗糙度增大為幾倍；而當空氣等離子處理以特定高劑量操作時，可以使表面粗糙度增大達到40倍。通常認可的是，束噴嘴移動得越慢和Z或束噴嘴越接近表面，空氣等離子體處理就變得越強。對於靜止的非旋轉等離子體束，當束噴嘴和基底表面之間的距離保持在10毫米至20毫米之間的值，和/或束噴嘴相對於所述表面的移動速度在每秒300毫米至每秒800毫米時，可以產生一種示例性的低劑量空氣等離子體。當束噴嘴和基底表面之間的距離每秒150毫米以下時，可以產生一種示例性的高劑量空氣等離子體。按照給定的玻璃纖維含量，在服從下面將詳細說明的特定限制的情況下，空氣等離子體劑量越高，基底表面越粗糙。表面粗糙度增大主要是因為這樣一個事實，即，基底的玻璃纖維組分中有更多的部分(所述部分另外地位於距所述表面80微米深的位置)通過空氣等離子體蝕刻被暴露於所述表面。當基底表面被呈現並且被暴露的玻璃纖維的量增加時，基底表面更容易通過暴露的玻璃纖維與泡沫粘合劑形成機械結合。在至少一個實施例中，旋轉的非靜止束(例如臺面單元(table-t叩unit))可用於引入特定劑量的空氣等離子體處理。該單元具有RD-1004頭，RD-1004頭具有以2000rpm的速度旋轉的1英寸直徑的噴嘴，且該單元以9.5安培的電流操作。為了實現示例性的低空氣等離子體劑量，可將該單元的束噴嘴放在距所述表面的距離為8毫米的位置，並且束噴嘴的速度可為每秒83.3毫米。為了實現示例性的高空氣等離子體劑量，可將該單元的束噴嘴放在距所述表面的距離為5毫米或5毫米以下的位置，並且束噴嘴的移動速度可為每秒33毫米或每秒33毫米以下。雖然傳統的砂磨(sanding)增大表面的粗糙度，但是傳統的砂磨由於表面材料和砂磨工具而導致有害廢物的積累。這樣，砂磨經常導致一層物理上的廢物碎片，這樣的廢物碎片妨礙後續的結合。與傳統的砂磨不同，諸如空氣等離子體處理的表面處理通過暴露玻璃纖維來增大表面粗糙度，所述被暴露的玻璃纖維用於形成其與泡沫粘結劑的機械結合。因此，空氣等離子體處理有效地提高了表面粗糙度，而不會導致不必要的物理上的廢物碎片。在至少一個實施例中，聚合物插入物還包括附著到基底的外層，在另一實施例中，所述外層位於遠離泡沫粘合劑的位置。外層提供另外的結構支撐。在構造的過程中，可將基底直接塑造到外層上。示例性的外層由說明性地包括鋁、鑄鐵、鋼的金屬、織物、木材、竹材、其它熱塑性或熱固性聚合物或它們的任意組合製成。已經在總體上描述了本發明，通過參照特定的詳細示例可以獲得進一步的理解，在此僅為了說明的目的而提供這些特定的詳細示例，並且除非另有說明，否則這些示例沒有意圖限制本發明。示例1X射線光電子能i普表面分析一第一部分將玻璃纖維填充聚丙烯樣品(GFPP樣品)製造成具有25毫米的寬度、3.0毫米的厚度和100毫米的長度的尺寸，其中，所述GFPP樣品具有以重量百分比計為10%至50%的可變的玻璃纖維含量和3毫米的平均玻璃纖維長度。在空氣等離子體處理前後，通過X射線光電子能譜對GFPP樣品進行表徵。在速度為每秒50毫米且噴嘴距離為6毫米的條件下，執行低劑量的旋轉的空氣等離子體處理。結果包含在表l中。玻璃纖維含量為0%的基礎聚丙烯聚合物樣品顯示出碳原子含量為99%或更大的表面組成。空氣等離子體處理產生了大量氧和伴生量的氮，所述氮可能由空氣等離子體源產生。另外，還觀察到矽。有趣的是，如在本示例中所看到的，矽含量似乎不與玻璃纖維組分的重量百分比成正比。可能的是，具有本示例中使用的劑量的空氣等離子體使表面以下(sub-surface)的矽納米顆粒暴露，而沒有充分蝕刻所述表面而使玻璃纖維暴露。14表1—GFPP樣品根據空氣等離子體處理的表面原子組成一第一部分tableseeoriginaldocumentpage15表1中的空白表示相關的測試參數處於可檢測到的範圍以下。根據上面示出的表1應當注意，在被測試的各種GFPP樣品中，一致觀察到表面碳含量的減小和同時發生的表面氧含量的增大。因此，可以合理地推斷，在相對寬的玻璃纖維裝載量範圍(例如，重量百分比為10%至50%)內，GFPP樣品對給定的等離子體處理做出非常相似的反應。圖1示出了由上面的表1中列出的GFPP樣品得到的XPS全譜。該譜圖顯示出所述表面上的氧和氮因空氣等離子體處理而起的變化。圖2A的XPSCls芯能級語中示出了氧的加入的細節。初始的語圖包含284.6eV處的單峰，該單峰歸因於烯碳。在空氣等離子體處理之後，另外的峰表現為氧化的碳物種，例如醚、羥基、酮和羧基(圖2B)。示例2X射線光電子能語表面分析一第二部分對玻璃纖維含量的範圍較窄的那些GFPP樣品，在另外的實驗變化下進行進一步的表面組成研究。通過與上面的示例1中闡述的方法相同的方法來製備GFPP樣品—。另夕卜，根據玻璃纖維含量(重量百分比為0%、20%或30%)、平均玻璃纖維長度(1毫米與3毫米)和空氣等離子體劑量("a"'劑量與"b"劑量)對GFPP樣品進行分類。表2中示出了表面原子組成，所述表面原子組成被表示成GFPP樣品表面上檢測到的所有原子的原子百分比。再次觀察到，沒有進行空氣等離子體處理的所有樣品具有基本上為碳原子的表面組成。表2—GFPP測試樣品根據空氣等離子體處理的表面原子組成一第二部分tableseeoriginaldocumentpage16表2中的空白表示相關的測試參數處於可檢測到的範圍以下。以大約每秒83毫米的速度移動"a"劑量的空氣等離子體的旋轉處理，而對於"b，，劑量，採用以每秒150毫米的速度移動的靜止非旋轉的等離子體束。如前面所定義的，通常，旋轉的等離子體束與靜止非旋轉的等離子體束相比引入低得多的等離子體強度。如這裡所設計的，"a"劑量的特徵在於其與"b"劑量相比在空氣等離子體強度方面為較低的劑量。"a"劑量的空氣等離子體處理和"b"劑量的空氣等離子體處理均產生大量的氧，並且從空氣等離子體源產生伴生量的氮。採用"a"劑量的處理，增氧量(oxygenuptakc)為26.7%至32.8%,並具有3.3%至4.4%的氮。對所述表面測量的氧氮比為8或9左右，正好在用於產生等離子體的空氣源的組成比的兩倍以上，所述空氣源的組成比為3.7(78.1/20.9)。有趣的是，在"b，，劑量下引入的氧和氮的量實際上比在較低劑量下觀察到的量小大約20%。因此，注意到特定的空氣等離子體劑量(例如，這裡的"b"劑量)可以減緩樣品表面的氧化狀態的程度。再次採用XPS高解析度Cls芯能級鐠來確定每次處理後的碳的化學狀態。圖3示出了上面的表2中列出的平均纖維長度為3毫米的30%GFTP測試樣品的重疊Cls芯能級語。從L30GFPP樣品得到的譜圖示出了在284.6cV處的單峰，該單峰被識別為脂肪族碳(A)。在低劑量的空氣等離子體處理後，對於L30GFPP-a樣品，在結合能為286.2eV、287.4eV和288.7eV的位置觀察到另外的峰，所述另外的峰分別被識別為醚/羥基(B)、酮(C)和羧酸酯(D)化學狀態。雖然與沒有進行任何空氣等離子體處理的L30GFPP-0觀察到的氧化碳物種相比，從L30GFPP-b樣品檢測到的氧化碳物種的量仍然大得多，但是從L30GFPP-b樣品檢測到的氧化碳物種的量與從L30GFPP-a樣品檢測到的氧化碳物種的量相比較低。示例3表面形貌分析對各種GFPP樣品執行光學輪廓測量，以確定GFPP樣品的表面受空氣等離子體處理的物理影響為何種程度。以20x和100x的放大倍率測量形貌，以檢查在不同長度尺度下的粗糙度。放大倍率為20x的測量顯示出基礎聚丙烯聚合物和玻璃纖維之間的結構，而放大倍率為100x的測量用於測量樣品的玻璃纖維之間更具體的結構。用R《來表示粗糙度測量，R《是相對於中心的均方根差，其中，n是數據點的數目；z是相對於表面平面的中心S的偏差。對於100x的放大倍率，n=353，280(736x480)，點解析度為79,9nm。對於20x的放大倍率，n=l,300,992(1232x1056)，點解析度為811nm。從所有示出的數據和計算去除樣本傾斜的影響。圖4中示出了上面的示例2中列出的樣品的lmm2(平方毫米)區域內的20x放大倍率的形貌測量。在20x放大倍率下的測量包括埋入的玻璃纖維帶來的形貌。單位為微米((im)的每個R值都是三次測量的平均，並用誤差棒來表示一個標準差。在所測試的樣品中，在未被處理的樣品和暴露於"a"劑量的空氣等離子體處理的樣品之間在R《方面沒有統計上的明顯不同，Rg的值都在2(im以下。然而，可觀察到的趨勢為平均粗糙度隨纖維長度(1毫米至3毫米)並且還隨玻璃纖維含量(20%至30%)增大。相反，在"b"劑量的空氣等離子體處理之後，GFPP樣品的表面粗糙度顯著增大，例如，增大30倍以上。此外，可觀察到的趨勢為平均粗糙度隨纖維長度(1毫米至3毫米)並且還隨玻璃纖維含量(20%至30%)增大。如圖5所示的光學顯微照片示出了上面的表2中列出的樣品的表面反射率的變化。圖5中的a圖至c圖分別示出了關於S30GFPP-0樣品、S30GFPP-a樣品和S30GFPP-b樣品的光學顯微照片。圖5中的d圖至f圖分別示出了關於L30GFPP-0樣品、L30GFPP-a樣品和L30GFPP-b樣品的光學顯微照片。圖6中示出了上面的示例2中列出的樣品在".7pm(微米)x5S.Sjim(微米)的較小區域內的IOO方文大倍率的形貌測量。在100x的》文大倍率下有效地過濾掉了先前用較大區域(lmmxlmm)觀察到的較長波長的波動。單位為納米(nm)的每個R《值都是IO次測量的平均，並用誤差棒來表示一個標準差。用100x的放大倍率列出的數據顯示出的變化趨勢與圖4中示出的用20x的放大倍率列出的數據的變化趨勢非常相似。然而，用100x的放大倍率可測量的R《值比如圖4所示用20x的放大倍率可測量的R值低很多，部分原因是在100x的放大倍率下測量的44.7|imx58.8(im的較小區域基本上排除了玻璃纖維的包含，並更確切地表示聚丙烯樹脂本身的波動。還用圖7A至圖7F中示出的三維圖來表示空氣等離子體處理對上面的表2中列出的L30GFPP樣品的表面粗糙度的影響，圖7A至圖7F中示出的三維圖的放大倍率為20x或100x。未被處理的樣品和低劑量處理的樣品的三維輪廓確定了在兩种放大倍率下的表面外觀差別很小。在20x的放大倍率下，觀察到"b，，劑量的空氣等離子體處理已經導致樣品的玻璃纖維暴露。如100x放大倍率的圖像所示，在"b"劑量的空氣等離子體處理之後的樣品的輪廓也顯示出外觀上的變化。由於在"b"劑量的空氣等離子體處理過程中遇到的高溫，使得所述表面會熔化並重整。示例4粘著力測試以常規的單位psi記錄結合強度，並通過搭接剪切測試來測量結合強度。搭接剪切確定基底和泡沫粘合劑之間的粘著力的強度。將GFPP測試樣品放在測試機的夾具中，並以每分鐘大約5毫米的速率拉伸GFPP測試樣品，直到發生破壞為止。玻璃纖維的暴露為泡沫粘合劑提供了機械結合，以使泡沫粘合劑結合到玻璃纖維；然而，如上面的示例3中列出的特定高劑量的空氣等離子體會減少氧化的碳物種的量。因此，設計實驗來說明等離子體劑量、玻璃纖維含量和玻璃纖維長度這些因素可以怎樣影響GFPP樣品的整體粘著特性。圖8示出了由上面的表2中列出的OOOPP-O樣品、OOOPP-a樣品和OOOPP-b樣品測量的粘合結合強度的分布。通過搭接剪切測試來測量結合強度，對每種測試條件進^f於五次搭接剪切測試。相對於000PP-0樣品190psi的平均結合強度，000PP-a樣品的平均結合強度(215psi)有微小的增大。對於"b"劑量的較高劑量的處理，觀察到OOOPP-b樣品的平均結合強度從19psi減小到157psi,或者說190psi比157psi高21%。圖9示出了同一組樣品的粘著力破壞的模式。如圖9中所示，在所述樣品中，僅相似地觀察到10%至14%的內聚破壞。還對上面的表2中歹'j出的L30GFPP-0樣品、L30GFPP-a樣品和L30GFPP-b樣品進行相似地搭接剪切測試。圖10和圖11中給出了那些樣品的搭接剪切結果。首先，通過僅僅包含重量百分比為30。/。的玻璃纖維組分，觀察到GFPP樣品的結合強度從l卯psi增大到230psi，即增大了21.1%。這很可能是由玻璃填充材料的表面粗糙度顯著地增大3倍到5倍(如圖4的形貌數據所示)所導致的。用"a"劑量的等離子體處理過的L30GFPP-a樣品的結合強度進一步從230psi增大到410psi,或者說增大了78.3%。該78.3%的增量是圖8中列出的OOOPP-a樣品觀察到的13.2%的結合強度增量的至少5倍。另外，多數L30GFPP-a樣品(平均87.4%)搭接剪切內聚破壞。此外，與圖8至圖9的OOOPP-b樣品(其中，"b"劑量的空氣等離子體處理被示出為與OOOPP-O相比減小了結合強度)相反，L30GFPP-b樣品使粘著力從沒有空氣等離子體處理的230psi增大至"b，，劑量的空氣等離子體處理的285psi，或者說增大了23.9%。雖然與"a"劑量的空氣等離子體的結合強度增量相比增量減小，但是對L30GFPP-b樣品進行"b'，劑量的等離子體處理所引起的23.9%的結合強度增量表明在GFPP樣品中包含的玻璃纖維組分有效地補償由高劑量(例如"b"劑量)空氣等離子體處理引起的任何粘著損失。雖然沒有意圖受任何理論的限制，但是一種解釋為玻璃纖維組分的至少一部分通過空氣等離子體處理而暴露於GFPP樣品表面，並提供了與泡沫粘合劑的機械連接。〗艮明顯，在不存在玻璃纖維組分的純聚丙烯樣品中沒有實現這種機械連接或結合。與圖10和圖11的相同的搭接剪切數據被選擇性地表示在圖12和圖13中，並通過玻璃纖維長度和含量對數據進行分類。該數據示出了根據空氣等離子體處理的劑量和基底玻璃纖維含量的變化圖案。如圖12和圖13中所示，在L20GFPP-0樣品發現了較差的粘著力，而L30GFPP-a樣品出現了明顯較好的粘著力。實際上，對糹皮測試的全部五個試樣，這裡只有一種樣品表現出100%的內聚破壞(圖12)。雖然數據通常有相當大的變化，但仍然十分清楚的是，具有較高玻璃纖維含量的樣品實現了較好的粘著力。與圖12和圖13的數據相同的數據還以圖14和圖15中描繪的主要影響圖的形式來選擇性地表示。顯示出的是，對於與結合強度和破壞模式兩者相關的粘著力，與玻璃纖維含量和平均玻璃纖維長度相比，空氣等離子體劑量帶來最顯著的影響。低劑量的空氣等離子體處理使粘著力顯著增大，高劑量的空氣等離子體處理大體上增大了粘著力，但是增大的程度可能較小。較短纖維樣品組(總共包括S20GFPP-0、S30GFPP-0、S20GFPP-a、S30GFPP-a、S20GFPP-b和S30GFPP-b)與較長纖維樣品組(總共包括L20GFPP-0、L30GFPP-0、L20GFPP-a、L30GFPP-a、L20GFPP-b和L30GFPP-b)的相同的結合強度數據還以圖16的箱線圖來表示。對該數據進行兩樣本T檢驗，顯示出的是，較長纖維樣品組似乎表現出比較短纖維樣品組好的粘著力，兩組之間數據平均值的統計差具有95%的置信度。表3選擇性地示出了相應於三個測試變量(即，空氣等離子體劑量、平均纖維長度和玻璃纖維含量)的圖13的有差別的結合強度結果。對每個變量的結合強度增強效果進行量化，並列在表3中。在玻璃纖維含量為零的純聚丙烯樣品之間，"a，，劑量的空氣等離子體處理使搭接剪切結合強度從(000PP-0樣品的)190psi到(000PP-a樣品的)215psi增大了25psi，或者說增大了13,1%。計算未進行空氣等離子體處理的GFPP樣品組(總共包括S20GFPP-0、S30GFPP-0、L20GFPP-0和L30GFPP-0)的結合強度平均值為230psi;用"a"劑量的空氣等離子體處理的GFPP樣品組(總共包括S20GFPP-a、S30GFPP-a、L20GFPP-a和L30GFPP-a)的結合強度平均值為410psi;用"b"劑量的空氣20等離子體處理的GFPP樣品組(總共包括S20GFPP-b、S30GFPP-b、L20GFPP-b和L30GFPP-b)的結合強度平均值為285psi。因此，"a"劑量的空氣等離子體處理取得了與230psi的未被處理的對應物相比改變了180psi或者說增大78.2%的結合強度增強效果。在GFPP樣品中僅包含玻璃纖維很好地證實了空氣等離子體處理的影響，即，從13.1%的增量提高到78.2%的增量，或者說幾乎是原來的6倍。當採用較高的"b"劑量的空氣等離子體處理時，純聚丙烯樣品的平均結合強度減小了33psi,而對於對應"b"劑量的GFPP樣品組，卻觀察到增大了55psi。另外，較低的20%(重量百分比)的玻璃纖維樣品組(總共包括S20GFPP-0、S20GFPP-a、S20GFPP-b、L20GFPP-0、L20G1'，PP-a和L20GFPP-b)具有276psi的結合強度平均值，而較高的30%(重量百分比)的玻璃纖維樣品組(總共包4舌S30GFPP-0、S30GFPP-a、S30GFPP-b、L30GFPP-0、L30GFPP-a和L30GFPP-b)具有340psi的結合強度平均值。此外，上面所限定的較短纖維樣品組和較長纖維樣品組分別具有293psi和323psi的結合強度平均值。如此，當纖維含量從20%變為30%時，觀察到結合強度增大的量為64psi;當平均纖維長度從1毫米變為3毫米時，觀察到結合強度增大的量為30psi。因此，合理地推斷，在三個測試變量中，對於增強在此被測試的樣品的結合強度，空氣等離子體處理所做出的貢獻最重要。表3—相應於各種測試條件的搭接剪切結合強度的變化搭接剪切結合強度的變化(psi)tableseeoriginaldocumentpage21雖然已經詳細描述了用於實施本發明的最佳方式，但是本發明所涉及的領域的技術人員應該識別用於實施如權利要求中限定的本發明的各種替換性的設計和實施例。權利要求1、一種結構聚合物插入物，所述結構聚合物插入物包括基底，具有表面，所述基底是聚丙烯組分和玻璃纖維組分的混合物，所述表面具有多個氧原子，所述多個氧原子的量以原子百分比計為所述表面上存在的所有原子的1％至60％；粘合劑，通過一個或多個反應基團附著到所述表面，由所述氧原子的氧化作用得到所述一個或多個反應基團。2、如權利要求1所述的結構聚合物插入物，其中，所述氧原子的量以原子百分比計為所述表面上存在的所有原子的10%至50%。3、如權利要求1所述的結構聚合物插入物，還包括通過所述基底的玻璃纖維組分的至少一部分形成在所述粘合劑和所述基底之間的機械結合。4、如權利要求1所述的結構聚合物插入物，其中，所述基底的所述表面包含從由羥基、醚、酮、羧基和它們的任意組合組成的組中選擇的一個或多個反應基團。5、如權利要求1所述的結構聚合物插入物，其中，所述表面具有多個氮原子，所述多個氮原子的量以原子百分比計為所述表面上存在的所有原子的0.1%至10%。6、如權利要求1所述的結構聚合物插入物，其中，所述表面具有多個矽原子，所述多個矽原子的量以原子百分比計為所述表面上存在的所有原子的0%至5%。7、如權利要求1所述的結構聚合物插入物，其中，所述表面的氧氮原子比為5.0至12.0。8、如權利要求1所述的結構聚合物插入物，其中，所述玻璃纖維組分以重量百分比計為所述基底的總重的1%至60%。9、如權利要求8所述的結構聚合物插入物，其中，所述玻璃纖維組分以重量百分比計為所述基底的總重的30%至50%。10、如權利要求1所述的結構聚合物插入物，其中，所述玻璃纖維組分的平均纖維長度不小於2毫米。11、如權利要求IO所述的結構聚合物插入物，其中，所述玻璃纖維組分的平均纖維長度的範圍為2.0毫米至7.0毫米。12、如權利要求1所述的結構聚合物插入物，其中，所述粘合劑是可發泡的泡沫粘合劑，並具有150%至450%的發泡率。13、如權利要求12所述的結構聚合物插入物，其中，所述泡沫粘合劑是環氧類泡沫粘合劑。14、如權利要求1所述的結構聚合物插入物，還包括外層，用於提供增加的結構耐久性，並且所述外層連接到所述基底。15、如權利要求1所述的結構聚合物插入物，其中，通過空氣等離子體處理來引入所述多個氧原子。16、一種形成結構聚合物插入物的工藝，所述工藝包括以下步驟提供具有表面的基底，所述基底是聚丙烯組分和玻璃纖維組分的混合物；在所述表面上引入多個氧原子以形成被處理的表面，所述氧原子的量以將粘合劑附著到所述被處理的表面，從而形成結合製品。17、如權利要求16所述的工藝，其中，藉助一個或多個反應基團來完成將粘合劑附著到所述被處理的表面的步驟，通過所述氧原子的氧化作用來形成所述一個或多個反應基團。18、如權利要求16所述的工藝，還包括以下步驟在100華氏度至20華氏度的溫度下對所述結合製品進行預熱，從而形成預熱的結合製品。19、如權利要求18所述的工藝，還包括以下步驟在200華氏度至350華氏度的溫度下對所述預熱的結合製品進行固化。20、如權利要求16所述的工藝，其中，藉助空氣等離子體處理來完成在所述表面上引入多個氧原子的步驟。全文摘要本發明公開了一種結構聚合物插入物及其製造方法。該插入物包括基底和粘合劑，基底具有表面，且基底是聚丙烯組分和玻璃纖維組分的混合物。所述表面具有多個氧原子，多個氧原子可選地由空氣等離子體引入，並且多個氧原子的量以原子百分比計為所述表面上存在的所有原子的1％至60％。泡沫粘合劑通過一個或多個反應基團附著到所述表面，由所述氧原子的氧化作用得到所述一個或多個反應基團。文檔編號C09J7/02GK101638560SQ20091013069公開日2010年2月3日申請日期2009年3月31日優先權日2008年3月31日發明者安·瑪麗·斯特拉西亞,拉裡·P·哈克,藤和久,馬修·約翰·扎盧澤克申請人:福特全球技術公司;馬自達汽車有限公司