專利名稱：合金與塑料的結合方法
技術領域：
本發明涉及一種令合金與塑料相互結合的方法。
背景技術：
由合金與塑料構成的復合材料，例如在汽車工業、電子產品及工業設備上均有應用需求，現有技術中，將合金與塑料結合的方法主要有下述三種1.以化學粘結劑粘合此結合方式最為簡易，但普遍的化學粘結方式有結合強度較低與不耐高溫的疑慮，因此該方法不適用于結合有高強度需求或者有在高溫環境下使用需求的構件。2.以機械方式連結例如可為射出包覆成形(injection over molding)、鉚釘 (blind rivet)接合或焊接縫合(weld seam)，然而以此方式結合的構件，其結合處往往產生應力集中現象，造成使用時結合處易發生破壞。3.對合金進行表面處理后再接合塑料此方法例如將合金浸泡在由氨(NH3)、聯氨 (N2H4)或胺系化合物的水溶液中，使其表面呈現親塑料的特性，隨后再以射出成形等方式令塑料熔液接觸合金表面，待塑料冷卻后即達成結合的目的，然而此方法的表面處理方式所使用的藥劑多具有刺激性臭味或毒性，不僅危險性較高，該藥劑的儲存、使用中的防毒措施以及使用后的回收處理均將導致生產成本上升。
發明內容
有鑒于上述現有技術中用以結合合金與塑料的方式存在的諸多缺陷，本發明提供一種成本低廉且結合強度佳的合金與塑料的結合方法。為達成上述發明目的，本發明的方法，其步驟包含有準備一合金；合金表面處理其以電化學處理方式令合金表面形成復數微細孔洞；結合塑料其令呈熔融狀的塑料成形于經過前述處理的合金表面上。所述的合金可選自于鋁合金、鐵合金、鈦合金、鎂合金或鋅合金等。所述的塑料，可選自于熱塑性塑料或者熱固性塑料。較佳的，所述的塑料可選自于聚乙烯(Polyethylene ；ΡΕ)、聚丙烯 (Polypropylene ;ΡΡ)、尼龍 6 (PA 6)、尼龍 66 (ΡΑ 66)、尼龍 46 (ΡΑ 46)、尼龍 11 (PAll)、尼龍12(ΡΑ 12)、聚對苯二甲酸乙二酯(Polyethylene Ter印hthalate ;PET)、聚對苯二甲酸丁二酯(polybutylene Terephthalate ；PBT)、聚縮醛(PolyoxyMethylene ；Ρ0Μ)、聚苯硫醚 (Polyphenylene Sulfide ;PPS)、聚醚醚酮(PolyetherEther Ketone ;PEEK)、聚四氟乙烯 (polytetrafIuoroethylene ；PTFE)、聚氧苯甲酉旨(Polyoxybenzylene ；Ρ0Β)所組成的群組。所述的塑料，其另可進一步加入O至60wt %的添加物，該添加物可選自于玻璃纖維、碳纖維或陶瓷纖維。所述的結合塑料步驟，是以射出成形方式令塑料成形于合金表面，射出成形的條件為射出瞬間峰壓高于lOOMpa，料管溫度介于100至350°C之間，模具溫度介于20至200°C 之間。本發明的方法，主要是先經由電化學處理令合金表面形成密布的微細孔洞，如此后續將塑料射出成形于合金表面時，熔融的塑料可進入于該些微細孔洞內，待塑料冷卻固化后，塑料便能夠附著于合金表面上，由本發明的方法所制成的合金與塑料的復合材料，其結合強度佳，且有一定的環境使用可靠度，并且制程中所使用的藥劑不具毒性與刺激臭味， 因此使用上較為安全，亦可省去安全維護及回收處理上的花費，使得生產成本得以下降。
圖1為本發明的合金與塑料的結合方法的流程圖。圖2為合金置于一射出成形模具中的示意圖。圖3為依據本發明的方法所制成的合金與塑料的復合材料成品示意圖。圖4為本發明中采用鋁合金時的表面處理步驟的流程圖。圖5為本發明中采用鋁合金時，其表面處理步驟中的前處理步驟的流程圖。圖6為鋁合金經過陽極處理后以電子顯微鏡觀察的表面微結構照片實例。附圖標記說明A-合金;M-模具；Ml-流道；P-塑料；Y-箭頭方向；Z-箭頭方向；1-準備一鋁合金；2-鋁合金表面處理；21-前處理；211-脫脂；212-堿洗；213-化拋； 214-犁地；215-酸洗；22-陽極處理；3-結合塑料。
具體實施例方式以下結合附圖，對本發明上述的和另外的技術特征和優點作更詳細的說明。配合參見圖1所示，本發明的合金與塑料的結合方法，其步驟包含有準備一合金(1)于本發明中，合金可選自于不同種類的鋁合金、鐵合金、鈦合金、 鎂合金或鋅合金等，如鋁合金又可選用美國鋁業協會制定的鋁合金成份標準中的1系列鋁合金、2系列鋁合金、3系列鋁合金、4系列鋁合金、5系列鋁合金、6系列鋁合金及7系列鋁合金等，該鋁合金可以適當加工方法如擠型、鍛造或壓鑄制作成型，隨后并且可進行拋光或噴砂等表面處理；合金表面處理O)此步驟是以電化學處理方式令合金表面形成密布的微細孔洞，該電化學處理依據合金種類而有不同的制程，各制程的參數請容后述；結合塑料(3)其令呈熔融狀的塑料成形于合金上經過前述處理的表面上，由于熔融的塑料可進入于合金表面的微細孔洞內，因此待塑料冷卻固化后，塑料便能夠附著于合金表面上，配合參見圖2所示，于本發明中是采用射出成形方式達到令塑料成形于合金表面的目的，如圖所示在一射出成形模具(M)中可先置放有經過表面處理后的合金(A)，隨后再將塑料(P)自流道(Ml)射入模具(M)內，待塑料(P)冷卻固化后便可得到如圖3所示的成品，射出成形制程條件為料管溫度介于100至350°C之間，模具(M)溫度介于20至 200 0C之間，而為使塑料能注入于微細孔洞中，射出瞬間峰壓必須高于IOOMpa。于本發明中，塑料(P)的種類可為熱塑性塑料或者熱固性塑料，其中熱塑性塑料例如為聚乙烯、聚丙烯、尼龍6、尼龍66、尼龍46、尼龍11、尼龍12、聚對苯二甲酸乙二酯、 聚對苯二甲酸丁二酯、聚縮醛、聚苯硫醚、聚醚醚酮、聚四氟乙烯、聚氧苯甲酯等，此外，于塑
5料(P)中可進一步加入有玻璃纖維、碳纖維或陶瓷纖維以增進其強度，添加的比例為0至 60wt%o以下分別針對不同合金種類的電化學處理制程進行說明。當合金采用鋁合金時，參見圖4所示，其表面處理( 步驟進一步包含有下述步驟為前處理(21)，參見圖5所示，該前處理步驟包括有脫脂011)將鋁合金浸置于有機鹽類、無機鹽類及非離子介面活性劑的混合水溶液中1至5分鐘之間，該鹽類例如可為氫氧化鈉、碳酸鈉、磷酸三鈉，其溶液具有除去鋁合金表面油脂的功效；堿洗012)將鋁合金浸置于堿性水溶液10至60秒之間，該堿性水溶液可為氫氧化鈉水溶液、氫氧化鉀水溶液、葡萄糖酸鈉水溶液或其混合物水溶液；化拋(chemical polish) (213)將鋁合金浸置于酸性溶液中5至180秒之間，該酸性溶液可為磷酸溶液、硫酸溶液、硝酸溶液、甘氨酸溶液或其混合物溶液；犁地(mat finishing) (214)將鋁合金浸置于銨類水溶液中0至100秒之間，該銨類溶液可為氟化氫銨水溶液、硫酸銨水溶液或其混合物水溶液；酸洗015)將鋁合金浸置于硝酸水溶液中20至60秒之間；陽極處理0 其處理條件為使用硫酸水溶液、草酸水溶液、磷酸水溶液、硼酸水溶液或其混合水溶液作為電解液，處理溫度介于5至35°C，電流密度介于0. 1至ΙΟΑ/dm2之間，處理時間介于2至100分鐘之間；如圖6所示，經前述陽極處理所得的氧化膜上密布有微細孔洞，該孔洞的孔徑視陽極處理制程參數而定甚至可控制為納米等級。當合金采用鐵合金時，其表面處理(2)步驟進一步包含有下述步驟為 酸洗將鐵合金浸置于硝酸(HNO3)水溶液中1至60分鐘之間，溶液溫度維持于20 至80°C之間；電化學蝕刻其電解液可選自于濃度介于0. IM至飽和之間的氯化鈉(NaCl)水溶液或濃度介于0. IM至飽和之間的硝酸鈉(NaNO3)水溶液，處理溫度介于20至50°C之間，處理電壓介于IOmV至100V之間。當合金采用鈦合金時，其表面處理(2)步驟進一步包含有下述步驟為陽極處理其電解液的組成包含有濃度介于0. 1至4M之間的硫酸(H2SO4)及硫酸鈉(Na2SO4)水溶液與濃度介于0. 01至2M之間的氫氟酸(HF)水溶液，處理電壓介于10至 150V之間。當合金采用鎂合金時，其表面處理(2)步驟進一步包含有下述步驟為脈沖陽極處理其以濃度介于0. 1至20g/L之間的氟化鉀(KF)及0. 1至20g/L 之間的硅酸鈉(Na2SiO3)水溶液作為電解液，或以濃度介于0.1至20g/L之間的氫氧化鈉 (NaOH)、0. 1至20g/L之間的氟化鉀(KF)及0. 1至30g/L之間的硅酸鈉(Na2SiO3)水溶液作為電解液，并施加10至^OV之間的脈沖電壓，該脈沖電壓的頻率介于0. 01至800Hz之間。當合金采用鋅合金時，其表面處理(2)步驟進一步包含有下述步驟為陽極蝕刻(anodic etching)其電解液的組成包含有氯化銨(NH4Cl)及過氧化氫(H2O2)，該氯化銨(NH4Cl)對過氧化氫(H2O2)的莫耳比的比值介于1至50之間，處理電流密度介于0. 1至55A/dm2之間。當合金采用鋅合金時，其表面處理(2)步驟另可為包含有下述步驟為電鍍其電解液的組成包含有濃度介于0. 5mM至2M之間的氯化鋅(ZnCl2)、0. 01至 IM之間的氯化鉀(KCl)及50 μ M至0. IM的界面活性劑的水溶液，處理溫度為70°C，處理電壓為-IV，參考電位為鋅金屬的還原電位。以下列舉本發明的數個實施例，其依前述步驟制作如圖3所示的成品，隨后并對成品進行拉伸測試，從而求得合金(A)及塑料(P)的結合處的斷裂強度，該拉伸測試如圖3 所示，是將合金(A)及塑料(P)分別以夾具固定后，令夾持塑料(P)的夾具分別朝向箭頭Y 及箭頭Z方向位移，從而進行正向拉伸及側向拉伸兩種測試實施例一使用合金種類為AA5052鋁合金，在有機鹽類0. 15wt%、無機鹽類 1. ^t %與非離子界面活性劑0. 35wt%的混合水溶液中浸置60秒進行脫脂，在氫氧化鈉 250g/L與葡萄糖酸鈉10g/L的混合水溶液中浸置10秒進行堿洗，在磷酸98%與甘氨酸2% 的混合溶液中浸置30秒進行化拋，在硝酸水溶液中浸置30秒進行酸洗，隨后以硫酸175g/ L的水溶液作為電解液以0. 6A/dm2的電流密度處理70分鐘，處理完畢后的鋁合金表面以射出成形方式結合有聚苯硫醚(PPS)，聚苯硫醚(PPQ中添加有50wt%的玻璃纖維，本實施例在正向拉伸測試及側向拉伸測試所測得的強度分別為14. 4及3. Igf/cm2。實施例二 使用合金種類為AA5052鋁合金，在有機鹽類0. 15wt%、無機鹽類 1. ^t %與非離子界面活性劑0. 35wt%的混合水溶液中浸置60秒進行脫脂，在氫氧化鈉 250g/L與葡萄糖酸鈉10g/L的混合水溶液中浸置10秒進行堿洗，在磷酸98 %與甘氨酸2 % 混合溶液中浸置30秒進行化拋，在硝酸水溶液中浸置30秒進行酸洗，隨后以硫酸175g/L 的水溶液作為電解液以0. 6A/dm2的電流密度處理70分鐘，處理完畢后的鋁合金表面以射出成形方式結合有聚丙烯(PP)，聚丙烯(PP)中添加有30wt%的玻璃纖維，本實施例在正向拉伸測試及側向拉伸測試所測得的強度分別為30. 8及6. Ig/cm2。實施例三使用合金種類為AA6061鋁合金，在有機鹽類0. 15wt%、無機鹽類 1. ^t %與非離子界面活性劑0. 35wt%的混合水溶液中浸置60秒進行脫脂，在氫氧化鈉 250g/L與葡萄糖酸鈉10g/L的混合水溶液中浸置10秒進行堿洗，在磷酸98%與甘氨酸2% 的混合溶液中浸置30秒進行化拋，在硝酸水溶液中浸置30秒進行酸洗，隨后以硫酸175g/ L的水溶液作為電解液以0. 8A/dm2的電流密度處理53分鐘，處理完畢后的鋁合金表面以射出成形方式結合有聚丙烯(PP)，聚丙烯(PP)中添加有30wt%的玻璃纖維，本實施例在正向拉伸測試及側向拉伸測試所測得的強度分別為50. 7及5. Igf/cm2。實施例四使用合金種類為AA6061鋁合金，在有機鹽類0. 15wt%、無機鹽類 1. 與非離子界面活性劑0. 35wt%混合溶液中浸置60秒進行脫脂，在氫氧化鈉250g/ L與葡萄糖酸鈉10g/L的混合水溶液中浸置10秒進行堿洗，在磷酸98%與甘氨酸2%混合溶液中浸置30秒進行化拋，在硝酸水溶液中浸置30秒進行酸洗，隨后以硫酸175g/L的水溶液作為電解液以0. 6A/dm2的電流密度處理70分鐘，處理完畢后的鋁合金表面以射出成形方式結合有尼龍66 (PA 66)，尼龍66 (PA 66)中添加有33wt%的玻璃纖維，本實施例在正向拉伸測試及側向拉伸測試所測得的強度分別為82. 1及13. 9Kgf/cm2。由上述可知，本發明的方法所制成的合金與塑料的復合材料，其結合強度佳，在-50至120°C之間有優良的使用可靠度，并且在電化學處理制程中，所使用的藥劑不具毒性，因此制程安全性高，從而可省去安全維護及回收處理上的花費，使得生產成本得以下降。 以上所述僅為本發明的較佳實施例，對本發明而言僅僅是說明性的，而非限制性的。本專業技術人員理解，在本發明權利要求所限定的精神和范圍內可對其進行許多改變， 修改，甚至等效，但都將落入本發明的保護范圍內。
權利要求
1.一種合金與塑料的結合方法，其步驟包含有準備一合金；合金表面處理其以電化學處理方式令合金表面形成復數微細孔洞；結合塑料其令呈熔融狀的塑料成形于合金上經過前述處理的表面上。
2.如權利要求1所述的合金與塑料的結合方法，其中所述的塑料，可選自于熱塑性塑料或者熱固性塑料。
3.如權利要求2所述的合金與塑料的結合方法，其中所述的塑料可選自于聚乙烯、聚丙烯、尼龍6、尼龍66、尼龍46、尼龍11、尼龍12、聚對苯二甲酸乙二酯、聚對苯二甲酸丁二酯、聚縮醛、聚苯硫醚、聚醚醚酮、聚四氟乙烯、聚氧苯甲酯所組成的群組。
4.如權利要求2所述的合金與塑料的結合方法，其中所述的塑料進一步加入有0至 60wt %的添加物，該添加物可選自于玻璃纖維、碳纖維或陶瓷纖維。
5.如權利要求3所述的合金與塑料的結合方法，其中所述的塑料進一步加入有0至 60wt %的添加物，該添加物可選自于玻璃纖維、碳纖維或陶瓷纖維。
6.如權利要求1至5任一項所述的合金與塑料的結合方法，其中所述的合金可選自于鋁合金、鐵合金、鈦合金、鎂合金或鋅合金等。
7.如權利要求6所述的合金與塑料的結合方法，其中所述的鋁合金可選自于1系列鋁合金、2系列鋁合金、3系列鋁合金、4系列鋁合金、5系列鋁合金、6系列鋁合金及7系列鋁合金所組成的群組。
8.如權利要求6所述的合金與塑料的結合方法，其中所述的結合塑料步驟，是以射出成形方式令塑料成形于合金表面，射出成形制程條件為瞬間峰壓高于lOOMpa，料管溫度介于100至350°C之間，模具溫度介于20至200°C之間。
9.如權利要求6所述的合金與塑料的結合方法，其中所述的合金為鋁合金，且其表面處理步驟進一步包含有下述步驟為前處理；陽極處理其處理條件為使用硫酸水溶液、草酸水溶液、磷酸水溶液、硼酸水溶液或其混合水溶液作為電解液，處理溫度介于5至35°C之間，電流密度介于0. 1至ΙΟΑ/dm2之間， 處理時間介于2至100分鐘之間。
10.如權利要求9所述的合金與塑料的結合方法，其中所述的陽極處理制程，其前處理步驟可包含有脫脂將鋁合金浸置于有機鹽、無機鹽類及非離子介面活性劑的混合水溶液中1至5分鐘之間；堿洗將鋁合金浸置于堿性水溶液10至60秒之間；化拋將鋁合金浸置于酸性溶液中5至180秒之間；犁地將鋁合金浸置于銨類水溶液中0至100秒之間；酸洗將鋁合金浸置于硝酸水溶液中20至60秒之間。
11.如權利要求6所述的合金與塑料的結合方法，其中所述的合金為鐵合金，且其表面處理步驟進一步包含有下述步驟為酸洗將鐵合金浸置于的硝酸水溶液中1至60分鐘，溶液溫度維持于20至80°C ；電化學蝕刻其電解液可選自于濃度介于0. IM至飽和之間的氯化鈉水溶液或濃度介于0. IM至飽和之間的硝酸鈉水溶液，處理溫度介于20至50°C之間，處理電壓介于 IOmV-IOV 之間。
12.如權利要求6所述的合金與塑料的結合方法，其中所述的合金為鈦合金，且其表面處理步驟進一步包含有下述步驟為陽極處理其電解液的組成包含有濃度介于0. 1至4M之間的硫酸及硫酸鈉與0. 01至 2M之間的氫氟酸的水溶液，處理電壓介于10至150V之間。
13.如權利要求6所述的合金與塑料的結合方法，其中所述的合金為鎂合金，且其表面處理步驟進一步包含有下述步驟為脈沖陽極處理其以濃度介于0. 1至20g/L之間的氟化鉀、0. 1至20g/L之間的硅酸鈉水溶液作為電解液，并施加10至^OV之間的脈沖電壓，該脈沖電壓的頻率介于0. 01至 800Hz之間。
14.如權利要求6所述的合金與塑料的結合方法，其中所述的合金為鎂合金，且其表面處理步驟進一步包含有下述步驟為脈沖陽極處理其以濃度介于0. 1至20g/L之間的氫氧化鈉、0. 1至20g/L之間的氟化鉀及0. 1至30g/L之間的硅酸鈉水溶液作為電解液，施加10至^OV之間的脈沖電壓，該脈沖電壓的頻率介于0. 01至800Hz之間。
15.如權利要求6所述的合金與塑料的結合方法，其中所述的合金為鋅合金，且其表面處理步驟進一步包含有下述步驟為陽極蝕刻其電解液的組成包含有氯化銨及過氧化氫，該氯化銨對過氧化氫的莫耳比的比值介于1至50之間，處理電流密度介于0. 1至55A/dm2之間。
16.如權利要求6所述的合金與塑料的結合方法，其中所述的合金為鋅合金，且其表面處理步驟進一步包含有下述步驟為電鍍其電解液的組成包含有濃度介于0. 5mM至2M之間的氯化鋅、0. 01至IM之間的氯化鉀及50 μ M至0. IM的界面活性劑的水溶液，處理溫度為70°C，處理電壓為-IV，參考電位為鋅金屬的還原電位。
全文摘要
本發明涉及一種合金與塑料的結合方法，其首先對合金進行電化學處理，使其表面形成微孔洞，隨后將塑料以射出成形方式成形在合金的表面，由于熔融狀的塑料可進入微孔洞內，因此待塑料冷卻固化后，塑料便能夠附著于合金表面上。
文檔編號C25D3/22GK102373499SQ201010257220
公開日2012年3月14日 申請日期2010年8月19日 優先權日2010年8月19日
發明者張正武, 胡少剛, 譚家彥 申請人:可成科技股份有限公司