制造具有金屬構件和樹脂構件的復合構件的方法

專利名稱：制造具有金屬構件和樹脂構件的復合構件的方法
技術領域：
本發明涉及材料科學和用于模塑復合構件的方法，其中復合構件具有金屬構件和 聚合物樹脂構件。
背景技術：
由金屬構件或樹脂構件中的一種制造的部件通常應用于汽車、電子器件和工業機 械等領域。也就是說，通常采用的方法為生產由金屬構成的構件或由樹脂構成的構件，隨 后再將這些構件進行裝配。相比之下，近來人們更為關注包括金屬構件和樹脂構件的復合 構件，關注點在于充分利用金屬和樹脂兩者的特征，以生產重量更輕的構件，并降低生產成 本。生產金屬構件和樹脂構件的復合構件的方法的實例是一項應用嵌件模塑的技術。 當使用嵌件模塑技術形成復合構件時，首先將金屬構件插入到模具中。隨后，將熔融樹脂注 入到模具中，使模具中充滿樹脂。將樹脂冷卻至其凝固，接著從模具中取出期望形狀的復合 構件。然而，因為樹脂和金屬天生難以粘結，所以制得的復合構件在組成構件的結合處 趨于分離。日本專利2，878，967 (Nakagawa等人)公開了一種在金屬嵌件模塑過程中增強 樹脂和金屬之間的粘結力的方法，該方法包括使用烷氧基硅烷化合物對金屬表面進行預處 理的步驟。日本專利公開2004-346255公開了一種含有硅烷偶聯劑和環氧改性苯乙烯彈性 體的聚酰胺組合物以用以增強與金屬的粘結力。需要開發一種無需額外的工序就能增強金屬和樹脂之間的粘結強度的方法。此外，當樹脂具有高熱導率時，樹脂的過早凝固也是一個問題。換句話講，因為樹 脂具有高熱導率，所以在用樹脂填充模具時，樹脂易于凝固，從而妨礙樹脂在模具中擴散。針對加熱施用于模具的樹脂的技術，US 4，340，551公開了一項技術，在該技術中 使用IH來控制所施用樹脂的模具表面的溫度。發明簡述本發明的目的在于提供生產復合構件的方法，該復合構件中的金屬構件和樹脂構 件之間具有很高的粘結強度。本發明的一個實施方案是用于生產復合構件的方法，該復合構件具有金屬構件和 樹脂構件，所述方法包括下列步驟a)提供樹脂組合物，該組合物包含(i)熱塑性樹脂，該樹脂具有樹脂熔點和/ 或玻璃化轉變點、以及凝固點；和(ii)多個金屬顆粒，這些金屬顆粒具有介于約130°C和 400°C之間的一個或多個金屬熔點；將一個或多個金屬構件設置在模具腔體中，每個金屬構 件具有至少一個暴露表面，并且所述模具腔體任選地具有至少一個模具腔體暴露表面；b)將一個或多個金屬構件加熱至等于或高于多個金屬顆粒的至少一個熔點的溫 度以提供一個或多個加熱的金屬構件；c)將熱塑性樹脂組合物加熱至高于樹脂熔點或玻璃化轉變溫度并高于一個或多 個金屬熔點的溫度以提供加熱的樹脂；
d)將加熱的樹脂注入到模具中以接觸每個加熱的金屬構件暴露表面以提供加熱 的復合構件；和e)將所述加熱的復合構件冷卻至低于樹脂凝固點；f)本發明的另一個實施方案為通過上述公開的方法制造的復合構件。


圖1示出了用于實踐本發明的方法的模具。圖2示出了按照本發明的方法制造的復合材料模制產品。圖3示出了用于實踐本發明的方法的樹脂內部的金屬顆粒。發明詳述本發明的方法需要包含以下物質的樹脂組合物i)熱塑性樹脂，所述熱塑性樹脂 具有樹脂熔點和/或玻璃化轉變點、以及凝固點；和(ii)具有一個或多個金屬熔點的多個 金屬顆粒。熱塑性樹脂的熔點和玻璃化轉變溫度，以及金屬熔點可在加熱循環中采用差示 掃描量熱法(DSC)測得的峰值溫度來確定；而樹脂凝固點可根據ASTM D 3418在熔融后的 相應冷卻循環中確定。樹脂為結晶、半結晶或非晶形的熱塑性樹脂。本發明所使用的熱塑性樹脂的實例 包括聚烯烴樹脂，例如聚乙烯和聚丙烯；聚酰胺樹脂，例如尼龍_6、尼龍-66、尼龍-11、尼 龍-12和芳香族聚酰胺；聚酯樹脂，例如聚對苯二甲酸乙二酯、聚對苯二甲酸丁二醇酯和聚 對苯二甲酸環己亞甲酯(polycyclohexylmethylene terephthalate)；以及ABS樹脂、聚碳 酸酯樹脂、改性聚亞苯基醚樹脂、聚縮醛樹脂、聚苯硫醚樹脂、全芳香族的聚酯樹脂、聚醚醚 酮樹脂、聚醚砜樹脂、聚砜樹脂和聚酰胺_酰亞胺樹脂。還包括形成此類樹脂的組分的任意 組合的共聚物。這些熱塑性樹脂也可以單獨使用，或以兩種或更多種的組合使用。對于本發 明的各方面，優選的熱塑性樹脂包括選自聚酰胺樹脂、聚酯樹脂和聚苯硫醚樹脂的那些。優 選地，樹脂具有高于150°C的熔點或玻璃化轉變溫度，所述溫度更優選介于200°C和400°C 之間。優選的樹脂種類為液晶聚酯，其中二醇和二酸組分均具有芳族環。具有一個或多個金屬熔點的“多個金屬顆粒”包括具有單一金屬熔點的單一金屬 組合物，或具有多個金屬熔點的金屬組合物的混合物。金屬熔點可以使用DSC進行測定；并 可通過熱掃描中的一個或多個顯著吸熱峰得到證實。本發明的方法中使用低熔點金屬，通 過DSC觀測到的吸熱峰指示這些金屬的熔點，這些熔點優選介于130°C和約400°C之間，更 優選介于200°C和約300°C之間。此類低熔點金屬的實例包括錫合金，例如錫銅合金、錫鋁 合金、錫鋅合金、錫碲合金、錫鉬合金、錫磷合金、錫錳合金、錫銻合金、錫銀合金、錫銀銅合 金、錫銀銅鉍合金、錫銀銅銻合金、錫鈣合金、錫鎂合金、錫金合金、錫鋇合金、和錫鍺合金； 以及鋰合金，例如鋁鋰合金、銅鋰合金、和鋅鋰合金。優選的金屬組合物為錫銅合金、錫銻合 金、錫鋁合金、錫鋅合金、錫鉬合金、錫錳合金、錫銀合金、錫銀銅合金、錫銀銅鉍合金、錫銀 銅銻合金、錫金合金、鋁鋰合金、和鋅鋰合金。更加優選的金屬組合物為錫銅合金、錫鋁合 金、和錫鋅合金。甚至更為優選的是使用錫銅合金，因為其具有一個熔點范圍。金屬顆粒可包括球形、薄片狀和針尖狀，可根據技術人員的需要進行選擇。金屬顆 粒的粒徑不受具體限制。然而，從增強金屬構件和樹脂構件間粘結強度的角度出發，在將 顆粒與樹脂共混前，優選粒徑為1至300 μ m的顆粒。所謂“粒徑”是指可使用激光衍射型粒度分布分析儀(例如Cirrus粒度計(920型)或Coulter激光衍射型粒度分布分析儀 (LS-230))測得的重均粒徑。除樹脂和金屬顆粒外，還可根據需要向樹脂組合物中加入其他材料。除上文公開 的金屬顆粒外，添加劑還包括阻燃劑、增強劑、無機填料、增塑劑、橡膠、成核劑、阻燃增效 劑、熱穩定劑、抗氧化劑、染料、顏料、脫模劑、潤滑劑、紫外穩定劑、粘附促進劑等。樹脂組合物中各組分的含量不受具體限制，各組分的含量可由模制產品需具備的 功能和所使用的材料來確定。在一個實施方案中，樹脂構件優選包含按樹脂構件的總體積 計95體積％至30體積％的樹脂，并且更優選包含80體積％至40體積％的樹脂。該樹脂構 件優選包含1體積％至20體積％的多個金屬顆粒，并且更優選包含3體積％至10體積％ 的多個金屬顆粒。本發明的方法進一步要求一個或多個金屬構件。具有比該方法中所用最高溫度高 至少100°C的熔點的任何金屬或金屬合金均可用作金屬構件，例如鋼、鎳、鉻、銅、鋅、鈦、鋁 或鎂、或這些金屬的合金。在一個實施方案中，一個或多個金屬構件具有至少一個由鋁或鐵 形成的表面。圖1示出了實踐本發明的方法的模具(1)。金屬構件(2)設置在模具腔體(4)內 的加熱器⑶附近。加熱器⑶用于加熱金屬構件，并可任選地加熱模具腔體(4)。加熱器 ⑶優選為感應加熱器，這種加熱器具有金屬芯(7)、傳導電流的線圈⑶和電源(9)。模具
(I)可具有額外的加熱器(未示出)，以便對模具腔體(4)補充加熱。可從一個或多個樹脂 注射口(5)向模具腔體(4)中注入加熱的樹脂，使得加熱的樹脂一旦注入，就與金屬構件的 暴露表面(2A)接觸。本發明的方法包括(b)將一個或多個金屬構件設置在模具腔體(4)內，使得金屬 構件的至少一個暴露表面(2A)可與注入的樹脂接觸。如果技術人員需要，可在模具外部對 一個或多個金屬構件進行預熱，隨后再將其設置在模具腔體內。在一個實施方案中，可任選 地使用偶聯劑對金屬構件(2A)的至少一個暴露表面進行預處理，從而進一步增強金屬構 件與注入的樹脂間的粘合力。偶聯劑的實例包括硅烷、鈦酸酯、鋯酸酯、鋁酸酯和鋁鋯偶聯 劑。可用作偶聯劑的金屬氫氧化物和金屬醇鹽，包括元素周期表第IIIa族至第VIIIa 族、第Ib族、第IIb族、第IIIb族、第IVb族的元素和鑭系元素。具體的偶聯劑為選自鈦、 鋯、錳、鐵、鈷、鎳、銅、鋅、鋁和硼的金屬的金屬氫氧化物和醇鹽。優選的金屬氫氧化物和金 屬醇鹽為鈦和鋯的金屬氫氧化物和金屬醇鹽。具體的金屬醇鹽偶聯劑為包括具有式(I)、
(II)和(III)的化合物在內的鈦酸酯和鋯酸酯原酸酯和螯合物
權利要求
生產具有金屬構件和樹脂構件的復合構件的方法，所述方法包括以下步驟a)提供樹脂組合物，所述樹脂組合物包含(i)熱塑性樹脂，所述熱塑性樹脂具有樹脂熔點和/或玻璃化轉變點、以及凝固點；(ii)多個金屬顆粒，所述金屬顆粒具有介于約130℃和400℃之間的一個或多個金屬熔點；b)將一個或多個金屬構件設置在模具腔體中，每個所述金屬構件具有至少一個暴露表面，并且所述模具腔體任選地具有至少一個模具腔體暴露表面；c)將所述一個或多個金屬構件加熱至等于或高于所述多個金屬顆粒的至少一個熔點的溫度以提供一個或多個加熱的金屬構件；d)將所述樹脂組合物加熱至高于所述樹脂熔點并高于一個或多個金屬熔點的溫度以提供加熱的樹脂；e)將所述加熱的樹脂注入到所述模具中以接觸每個加熱的金屬構件暴露表面以提供加熱的復合構件；和f)將所述加熱的復合構件冷卻至低于所述樹脂凝固點。
2.權利要求1的方法，其中加熱所述金屬構件是通過在所述模具中感應加熱來進行的。
3.權利要求1的方法，其中所述金屬顆粒為錫合金或鋰合金。
4.權利要求1的方法，其中所述金屬顆粒選自錫銅合金、錫銻合金、錫鋁合金、錫鋅合 金、錫鉬合金、錫錳合金、錫銀合金、錫銀銅合金、錫銀銅鉍合金、錫銀銅銻合金、錫金合金、 鋁鋰合金和鋅鋰合金。
5.權利要求1的方法，其中對至少一個模具腔體暴露表面的一部分或全部進行處理以 抑制與所述金屬顆粒的粘附。
6.由權利要求1的方法制造的復合構件。
7.權利要求7的復合構件，所述復合構件為電子元件。
8.權利要求8的電子元件，所述電子元件還包括發光二極管。
9.權利要求7的復合構件，所述復合構件為汽車元件。
全文摘要
本發明公開了一種制造金屬-樹脂復合構件的注塑方法；其中所述方法中使用的樹脂組合物包含多個金屬顆粒，所述金屬顆粒具有介于約200℃和400℃之間的一個或多個金屬熔點；對所述樹脂組合物進行加熱，使其溫度高于所述樹脂熔點，并高于一個或多個金屬熔點，以提供加熱的樹脂組合物；其中，將加熱的樹脂注入到模具中，使得加熱的樹脂與一個或多個暴露的加熱金屬構件接觸，從而提供復合構件。
文檔編號B29C33/06GK101983118SQ200980111835
公開日2011年3月2日 申請日期2009年4月2日 優先權日2008年4月3日
發明者Y·薩加 申請人:納幕爾杜邦公司