金屬和樹脂結合的方法

2023-05-24 21:00:16 1

金屬和樹脂結合的方法
【專利摘要】本發明提供了一種金屬和樹脂結合的方法，該方法包括：清潔金屬表面；在金屬表面形成氧化膜層，所述氧化膜層的厚度為2-5um，並在氧化膜層形成了膜孔；成孔處理，對所述膜孔進行進一步處理，形成複合納米孔；注入樹脂進入複合納米孔，完成金屬和樹脂的結合。本發明能夠使得金屬和樹脂的結合力進一步牢固。
【專利說明】金屬和樹脂結合的方法

【技術領域】
[0001]本發明屬於金屬嵌件成型【技術領域】，具體涉及一種金屬和樹脂複合的方法。

【背景技術】
[0002]將金屬和合成樹脂一體化的技術，是汽車、家庭電氣化製品、產業設備等部件製造業等廣闊產業領域所要求的，為此開發出大量粘接劑。例如，常溫或通過加熱而發揮功能的粘接劑，被用於將金屬和合成樹脂一體化的接合，該方法目前是通常的接合技術。
[0003]也有研究著不使用粘接劑的更合理的接合方法。對於鎂、鋁、作為其合金的輕金屬類，或不鏽鋼等鐵合金類，不使用粘接劑而將高強度的工程樹脂一體化的方法，是其中一例為了使金屬與塑膠的結合更為牢固可靠，一般在注塑前、金屬嵌件的加工過程中，會將金屬設計、製造成一定形狀的結構，如在金屬上設計並製造卡扣結構、螺栓結構等，以使塑膠在注塑過程中流動並填充進金屬的卡扣、螺栓等結構中，從而使金屬與塑膠兩部分相互咬合而增強牢固性。
[0004]但上述增強牢固性的處理方法，因金屬嵌件上的卡扣、螺栓等複雜結構的設計製作而使金屬的加工周期變長、生產成本提高，且複雜的結構很難適用於小尺寸的金屬件，應用範圍受限。另外，僅使用粘結劑、或具有卡扣、螺栓等複雜結構的金屬作為嵌件，在注塑過程中，極易出現塑膠在金屬結構中注塑不滿或者溢膠的現象，良品率不高。


【發明內容】

[0005]本發明的目的在於提供一種金屬和樹脂結合的方法，使得金屬和樹脂結合的更牢
O
[0006]本發明提供了一種金屬和樹脂結合的方法，該方法包括:
[0007]清潔金屬表面；
[0008]在金屬表面形成氧化膜層，所述氧化膜層的厚度為2_5um，並在氧化膜層形成了膜孔；
[0009]成孔處理，對所述膜孔進行進一步處理，形成複合納米孔；
[0010]注入樹脂進入複合納米孔，完成金屬和樹脂的結合。
[0011]優選的，所述成孔處理的方法為:將金屬合金中其他雜質成分溶解形成複合納米孔。
[0012]優選的，在成孔處理還包括如下步驟:
[0013]在形成複合納米孔之後還包括吸氮處理，在複合納米孔上吸附氮原子。
[0014]優選的，在成孔處理還包括如下步驟:
[0015]在形成複合納米孔之前還包括膜孔清洗，用於調整膜孔均勻度。
[0016]優選的，膜孔清洗，調整膜孔均勻度；條件為:在硫酸鈦或鈦白粉濃度為20-40%的溶液中，溫度20-60攝氏度的條件下浸泡10秒-300秒，溶液pH值:8?11 ;
[0017]成孔處理，將金屬合金中其他金屬成分溶解形成納米孔；條件為:在濃度為20-40%中的溶液中，溫度20-60攝氏度的條件下浸泡10秒-300秒；成孔處理溶液是指氯化氨，氟化氨，碳酸鈉，KBH3其中的一種或幾種混合物的濃度為20-40% ;溶液pH值:8?
11.成孔處理工序一般需要進行1-3次重複操作；
[0018]吸氮處理，在膜孔上吸附氮原子，提高與熔融狀態下的塑膠結合力；條件為:在含氮的物質濃度為20-40 %的溶液中，溫度:20-60攝氏度的條件下浸泡10秒-300秒，溶液pH值:8?11。
[0019]優選的，所述清潔金屬表面的方法包括:
[0020]使用溶液去除金屬表面的弱鹼性油汙；
[0021]使用溶液去除金屬表面的酸性油汙；
[0022]鹼蝕，進一步去除油汙，並去除金屬外殼的自然表面膜。
[0023]優選的，使用溶液去除金屬表面的弱鹼性油，條件為:在碳酸鈉濃度為5-20%的溶液中，在溫度為40-70攝氏度的條件下進行30秒-300秒；
[0024]使用溶液去除金屬表面的酸性油，條件為:在硫酸或硝酸的濃度為5-10%的溶液中，在常溫下，進行10-120秒；
[0025]鹼蝕，條件為:在氫氧化鈉的濃度為3-10%的溶液中，在40-70攝氏度的條件下，進行5-120秒。
[0026]優選的，在所述在金屬表面形成氧化膜層的方法為:
[0027]將金屬放入溶液中進行氧化形成氧化膜，條件為:在硫酸或磷酸或草酸的濃度為10-20%為溶液中，在18-21攝氏度和18-22V電壓的條件下進行5_15分鐘，形成的氧化膜厚度為2-5um。
[0028]優選的，所述金屬為鋁合金。
[0029]優選的，在注入樹脂進入納米孔，完成金屬和樹脂的結合之前還包括:將金屬表面烘乾；
[0030]在注入樹脂進入納米孔，完成金屬和樹脂的結合之後還包括:
[0031]烘烤金屬和樹脂的結合體，以消除樹脂內應力。
[0032]本發明的有益效果在於:本發明沒有採用傳統蝕刻的方式形成複合納米孔，而是採用在陽極氧化膜孔基礎上二次成孔處理，形成了複合納米孔，所以，此工藝避免了傳統蝕刻工藝易被腐蝕的風險，不僅提高了金屬和樹脂的結合力，而且金屬與塑膠結合的穩定性也大大增加。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0033]圖1是本發明提供的方法的流程圖；
[0034]圖2是本發明提供的金屬和樹脂複合的示意圖；
[0035]1-金屬，4-樹脂，6-金屬和樹脂的結合面；
[0036]圖3是採用鋁合金的情況下，通過本發明提供的方法得到的複合納米孔在10萬倍下的微觀結構示意圖；
[0037]圖4是採用鋁合金的情況下，通過本發明提供的方法得到的複合納米孔在20萬倍下的微觀結構示意圖。

【具體實施方式】
[0038]下面結合具體的實施例及附圖對的技術方案進行詳細的描述，以使其更加清楚。以下實施例僅為了描述本發明所列舉的較為詳細的實施例，並不作為對本發明的限定。
[0039]本發明提供的金屬和樹脂結合的方法，參見圖1，該方法包括:
[0040]步驟Sll,清潔金屬表面。
[0041]步驟S12，在金屬表面形成氧化膜層，所述氧化膜層的厚度為2_5um，並在氧化膜層形成了膜孔。
[0042]步驟S13，成孔處理，對所述膜孔進行進一步處理，形成複合納米孔。
[0043]步驟S14，注入樹脂進入複合納米孔，完成金屬和樹脂的結合。
[0044]參見圖2，將金屬I和樹脂4按照上述的步驟進行結合，形成了金屬和樹脂的結合面6。
[0045]以下以鋁合金為例進行說明。
[0046]步驟Sll中，所述清潔金屬表面的方法包括:
[0047]使用溶液去除金屬表面的弱鹼性油汙，以去除產品表面油汙和CNC加工帶入的車削液。
[0048]使用溶液去除金屬表面的酸性油汙，以進一步去除金屬表面油汙。
[0049]鹼蝕，進一步去除油汙，並去除金屬外殼的自然表面膜，以進一步去除油汙，並去除鋁合金外殼的自然表面膜，使接下來的氧化形成均勻的膜孔。
[0050]上述三個步驟可以根據實際情況進行取捨。
[0051]使用溶液去除金屬表面的弱鹼性油，條件為:在碳酸鈉濃度為5-20%的溶液中，在溫度為40-70攝氏度的條件下進行30秒-300秒。
[0052]使用溶液去除金屬表面的酸性油，條件為:在硫酸或硝酸的濃度為5-10%的溶液中，在常溫下,進行10-120秒。
[0053]鹼蝕，條件為:在氫氧化鈉的濃度為3-10%的溶液中，在40-70攝氏度的條件下，進行5-120秒。
[0054]步驟S12中，在所述在金屬表面形成氧化膜層的方法為:
[0055]將金屬放入溶液中進行氧化形成氧化膜，條件為:在硫酸或磷酸或草酸的濃度為10-20%為溶液中，在18-21攝氏度和18-22V電壓的條件下進行5_15分鐘，形成的氧化膜厚度為2-5um。目的:以鋁合金為例，形成一層鋁氧化膜保護鋁在後工序中不被腐蝕及組織結構不被破壞，同時利用氧化膜孔增強與塑膠的結合力。
[0056]步驟S13中，成孔處理的方法為:將金屬合金中其他雜質成分溶解形成複合納米孔。
[0057]以鋁合金為例，就是去掉鋁合金中其他金屬成分溶解形成複合納米孔。複合納米孔的結構可以參見圖3和圖4。
[0058]各種鋁合金存在一定比例的其他金屬成分，這些成分如Mg，Fe, Cu，Mn等，先將鋁合金形成一層保護膜，再經過特殊溶液緩慢溶解除氧化膜層外的其他合金某一種或多種成分並逐步形成無數特殊形狀的複合納米孔。這些複合納米孔直徑10-30nm,深度20-500nm。這些複合納米孔能均勻覆蓋在整個金屬表面，能使PPS(全稱為聚亞苯基硫醚，英文名稱為 Polyphenylenesulfide,簡稱 PPS)，PBT (飽和聚酷對苯二甲酸丁酷 PolybutyleceTerephthalate) ,PA(尼龍,聚醯胺Polyamide PA)等樹脂能順利進入這些複合納米孔中並牢牢抓緊達到超強的結合力。
[0059]這些特殊溶解液由酸性或鹼性溶液及緩蝕劑，PH穩定劑等成分組成，酸性或鹼性液均具有一定的還原性，同時減少鋁的氧化膜溶解，選擇弱酸或弱鹼較佳.如氯化氨，氟化氨；弱鹼性選擇碳酸鈉，KBH3等；緩蝕劑減少溶液對金屬表面的腐蝕，一般選擇苯並三唑，鄰位和對位的甲苯硫脲、丙硫醚、二戊基胺、甲醛、對位硫甲酚等；PH值穩定劑一般選擇H3B03 等。
[0060]在形成複合納米孔之後還包括如下步驟:
[0061]吸氮處理，在複合納米孔上吸附氮原子，提高與熔融狀態下的塑膠結合力。
[0062]在形成複合納米孔之前還包括如下步驟:
[0063]膜孔清洗，用於調整膜孔均勻度。
[0064]為了提高金屬和樹脂的結合力，成孔的步驟可以包括膜孔清洗、形成複合納米孔、吸氮處理三個步驟。但膜孔清洗和吸氮處理是為了更好的提高金屬和樹脂的結合力的，所以不是必須的步驟。視鋁合金的成分需重複膜孔清洗、形成複合納米孔、吸氮處理三個工序1-3次循環。如5052材料。對於6系的材料需要在成孔的步驟重複2-3次。
[0065]膜孔清洗，調整膜孔均勻度；條件為:在硫酸鈦或鈦白粉濃度為20-40%的溶液中，溫度20-60攝氏度的條件下浸泡10秒-300秒，溶液pH值:8?11 ;
[0066]成孔處理，將金屬合金中其他金屬成分溶解形成納米孔；條件為:在濃度為20-40%中的溶液中，溫度20-60攝氏度的條件下浸泡10秒-300秒；成孔處理溶液是指氯化氨，氟化氨，碳酸鈉，KBH3其中的一種或幾種混合物的濃度為20-40% ;溶液pH值:8?
11.成孔處理工序一般需要進行1-3次重複操作；
[0067]吸氮處理，在膜孔上吸附氮原子，提高與熔融狀態下的塑膠結合力；條件為:在含氮的物質濃度為20-40%的溶液中，溫度:20-60攝氏度的條件下浸泡10秒-300秒，溶液pH值:8?11。
[0068]在步驟S13之後，步驟S14之前，在注入樹脂進入納米孔，完成金屬和樹脂的結合之前還包括:將金屬表面烘乾。在60-70度烘烤20-30分鐘，使產品表面充分乾燥；烘乾後用密閉膠袋包裝。
[0069]為使複合納米孔不被填充和腐蝕，產品在密閉保存30天內進行注塑，注塑材料選擇上述提到的PPS (全稱為聚亞苯基硫醚,英文名稱為Polyphenylenesulfide,簡稱PPS), PBT(飽和聚酯對苯二甲酸丁酯Polybutylece Terephthalate), PA(尼龍，聚醯胺Polyamide PA)等樹脂。注塑條件參考目前市場常用的注塑工藝。比如:對於PPS樹脂，模具溫度在140-160度，炮筒溫度300-320度等；對於PBT樹脂，模具溫度在140-160度，炮筒溫度230-260度等。
[0070]在步驟S14之後，注入樹脂進入納米孔，完成金屬和樹脂的結合之後還包括:
[0071]烘烤金屬和樹脂的結合體，以消除樹脂內應力。注塑完成後需要進行烘烤消除樹脂內應力，烘烤條件:150-170度，1-2小時。
[0072]下面以鋁合金為例，詳細講述鋁合金和樹脂結合的方法。
[0073]購入市售的原厚度為1.5mm的A16061招合金,切斷成多個大小為18mmX45mm的長方形片，製作為鋁合金基材的鋁合金片.在該鋁合金片的端部開2個貫通孔，用市場通用的鈦掛具利用2個貫通孔牢牢掛住.早槽中使用含有鋁合金用脫脂劑「HY-305 (Hongyi公司制)」 10%的水溶液60°C，將鋁合金片浸潰其中5分鐘，用自來水水洗。
[0074]接著，在另外槽中準備溫度為60°C的含有Na0H5%的水溶液，將鋁合金片浸潰其中30秒，用自來水清洗.再將該水洗的鋁合金片放入陽極氧化槽中用電壓20V，溫度20°C，濃度為10%的硫酸濃液中氧化3分鐘,取出後用離子交換水充分水洗；
[0075]在另外槽中準備溫度為40°C的膜孔清洗劑水溶液，將該鋁合金片浸潰其中30秒，用離子交換水充分水洗.再將該水洗好的鋁合金片放入溫度40°C的成孔劑的水溶液中浸潰30秒,用離子交換水充分水洗,在將該水洗好的鋁合金片放入溫度為40°C的吸氮水溶液中浸潰30秒，並將此步驟重複一次.
[0076]再將完成這些工藝的鋁合金片放入設定為60°C的烤箱中乾燥20分鐘.
[0077]從鈦掛具上取下鋁合金片準備開始注塑，此次注塑採用45T的ENGE品牌的臥式注塑機器，樹脂選用PPS1135ML(日本Poly公司，含35% GF)黑色膠粒和PBT930HL(日本Poly公司，含30% GF)白色膠粒.取五片放入實際溫度達到150°C的注塑模具中，將PPS1135ML(日本Poly公司)黑色塑膠顆粒加入料桶中，將料筒溫度升到310°C開始注塑.注塑完成後取出鋁片轉移到170度烤箱中烘烤I小時消除樹脂內應力.
[0078]取五片鋁合金片放入實際溫度達到150°C的注塑模具中，將PBT930HL(日本Poly公司)白色塑膠顆粒加入料桶中，將料筒溫度升到260°C開始注塑.注塑完成後取出鋁片轉移到150度烤箱中烘烤I小時消除樹脂內應力.
[0079]待烘烤完成並烤箱溫度自然冷卻時取出已經完成的注塑片(如圖2)，進行拉拔力測試，與PPS1135ML結合的測試片所得到結合力測試結果為每平方釐米的結合面積均達到40MPa以上.與PBT930HL結合的測試片所得到結合力測試結果每平方釐米的結合面積均達到30MPa以上.
[0080]以上所述實施例僅表達了本發明的幾種實施方式，其描述較為具體和詳細，但並不能因此而理解為對本發明範圍的限制。應當指出的是，對於本領域的普通技術人員來說，在不脫離本發明構思的前提下，還可以做出若干變形和改進，這些都屬於本發明的保護範圍。因此，本發明的保護範圍應以所附權利要求為準。
【權利要求】
1.一種金屬和樹脂結合的方法，其特徵在於，該方法包括: 清潔金屬表面； 在金屬表面形成氧化膜層，所述氧化膜層的厚度為2-5um，並在氧化膜層形成了膜孔； 成孔處理，對所述膜孔進行進一步處理，形成複合納米孔； 注入樹脂進入複合納米孔，完成金屬和樹脂的結合。
2.根據權利要求1所述的金屬和樹脂結合的方法，其特徵在於， 所述成孔處理的方法為:將金屬合金中其他雜質成分溶解形成複合納米孔。
3.根據權利要求1所述的金屬和樹脂結合的方法，其特徵在於， 在成孔處理還包括如下步驟: 在形成複合納米孔之後還包括吸氮處理，在複合納米孔上吸附氮原子。
4.根據權利要求2或3所述的金屬和樹脂結合的方法，其特在在於， 在成孔處理還包括如下步驟: 在形成複合納米孔之前還包括膜孔清洗，用於調整膜孔均勻度。
5.根據權利要求4所述的金屬和樹脂結合的方法，其特徵在於， 膜孔清洗，調整膜孔均勻度；條件為:在硫酸鈦或鈦白粉濃度為20-40%的溶液中，溫度20-60攝氏度的條件下浸泡10秒-300秒，溶液pH值:8?11 ; 成孔處理，將金屬合金中其他金屬成分溶解形成納米孔；條件為:在濃度為20-40%中的溶液中，溫度20-60攝氏度的條件下浸泡10秒-300秒；成孔處理溶液是指氯化氨,氟化氨，碳酸鈉，KBH3其中的一種或幾種混合物的濃度為20-40% ;溶液pH值:8?11.成孔處理工序一般需要進行1-3次重複操作； 吸氮處理，在膜孔上吸附氮原子，提高與熔融狀態下的塑膠結合力；條件為:在含氮的物質濃度為20-40%的溶液中，溫度:20-60攝氏度的條件下浸泡10秒-300秒，溶液pH值:8?U。
6.根據權利要求1或2所述的金屬和樹脂結合的方法，其特徵在於，所述清潔金屬表面的方法包括: 使用溶液去除金屬表面的弱鹼性油汙； 使用溶液去除金屬表面的酸性油汙； 鹼蝕，進一步去除油汙，並去除金屬外殼的自然表面膜。
7.根據權利要求6所述的金屬和樹脂結合的方法，其特徵在於，使用溶液去除金屬表面的弱鹼性油，條件為:在碳酸鈉濃度為5-20%的溶液中，在溫度為40-70攝氏度的條件下進行30秒-300秒； 使用溶液去除金屬表面的酸性油，條件為:在硫酸或硝酸的濃度為5-10%的溶液中，在常溫下，進行10-120秒； 鹼蝕，條件為:在氫氧化鈉的濃度為3-10%的溶液中，在40-70攝氏度的條件下，進行5-120 秒。
8.根據權利要求1或2所述的金屬和樹脂結合的方法，其特徵在於， 在所述在金屬表面形成氧化膜層的方法為: 將金屬放入溶液中進行氧化形成氧化膜，條件為:在硫酸或磷酸或草酸的濃度為10-20%為溶液中，在18-21攝氏度和18-22V電壓的條件下進行5_15分鐘，形成的氧化膜厚度為2-5um。
9.根據權利要求1或2所述的金屬和樹脂結合的方法，其特徵在於，所述金屬為鋁合金。
10.根據權利要求1或2所述的金屬和樹脂結合的方法，其特徵在於， 在注入樹脂進入納米孔，完成金屬和樹脂的結合之前還包括:將金屬表面烘乾； 在注入樹脂進入納米孔，完成金屬和樹脂的結合之後還包括: 烘烤金屬和樹脂的結合體，以消除樹脂內應力。
【文檔編號】C23F1/32GK104149261SQ201410300396
【公開日】2014年11月19日 申請日期:2014年6月19日 優先權日:2014年6月19日
【發明者】計愛婷 申請人:計愛婷