CN101516598A - 塑料-接受体混合构件 - Google Patents

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Abstract

本发明总的涉及塑料－接受体混合构件，更具体地，涉及在注射成型工具中包覆成型塑料与接受体嵌件，例如金属的直接结合。本发明提供了一种生产本发明的塑料－接受体混合构件的方法和装置，其中，所述构件的结合是通过将所述塑料构件锚固到在接受体构件的表面中形成的微孔中而获得的。

Description

塑料-接受体混合构件
技术领域
本发明总的涉及塑料-接受体混合构件，更具体地，本发明涉及在注射成型工具中包覆成型塑料与接受体嵌件、例如金属的直接结合。本发明提供了一种生产本发明的塑料-接受体混合构件的方法和装置，其中，所述构件的结合是通过将所述塑料构件锚固到在接受体构件的表面中形成的微孔中而获得的。
背景技术
混合构件是由不同材料、例如金属和塑料形成的构件。在很多技术领域都期望应用这种混合构件，例如用于装置外壳的生产。复合材料也常常用在汽车结构中，例如，用于加固支撑元件。混合构件尤其在它们各自的接触位置处，即两种材料连接的区域处，受制于操作要求及由环境影响造成的不同种类的应力。由于混合构件可以提供较轻的重量，因此通常期望使用混合构件。另外，某些构件，例如塑料构件可以提供可与例如金属构件相比改进的加工特性。
本领域中已知将两个零件连接到一起形成混合构件的各种可能方案。这可以通过用于在两种材料之间形成结合的传统手段来完成，这些常规手段包括特别是机械锁定、化学结合以及机械和化学手段的结合，机械锁定例如为螺纹连接、螺栓连接，而化学结合例如为胶水粘合或者胶带粘合。
在用胶水粘合的情况下，通常使用中间粘合剂层来粘合两个构件。已经采用不同种类的粘合剂作为中间粘合层。这些粘合剂包括热塑性粉末、薄膜、薄片和热熔粘合剂以及热固性水基液体胶和溶剂型液体胶。遗憾的是，至今采用的每种粘合剂都具有其自身特有的问题。例如，热塑性粉末、薄膜、薄片和热熔胶必须根据具有很大限制性的时间和温度参数进行涂敷并且产生的耐热性较差。另外，为了有效的涂敷，液体胶要求使用大体积且昂贵的喷涂设备，以及相关的清洁和过喷处理系统。然而，这些粘合剂可能会出现过早的粘合失效。若干年后，由粘合剂形成的粘合会失效。这引起覆层脱落并造成必须进行修补或者更换的不雅观的产品。可固化粘合剂例如公开在美国专利US5,252,694、美国专利US6,180,200和美国专利US5,897,727中。
文献US5,601,676涉及一种复合连接和修补方法，该方法包括在复合材料和该复合材料待结合到其上的材料中提供互补匹配和互锁的结合线面结构，在它们的结合线处互锁两种材料，之后将至少一个补片粘附到互锁的材料组合的两个表面上，从而将复合材料固定到另一种材料上。可以将各向异性材料粘附到各向同性材料上。
文献DE10238520中公开了混合结构构件，该构件包括与至少一个表面结合的第一金属和/或塑料模制件，和位于至少一个表面上的第二模制件，该第二模制件由热塑性材料的微孔泡沫和充气微孔组成，其中，微孔的平均孔径最大为50微米。用于形成混合构件的相应方法包括下述步骤：(a)将第一金属和/或塑料模制件引入到注射成型模具中；(b)将处于过压下的增塑剂和进入处于超临界状态的热塑性成型组分中的流体从注射成型机引入到注射成型模具中；(c)释放热塑性塑料和流体的压力，该热塑性塑料和流体在注射成型模具中形成具有平均孔径在1至50微米的充气微孔的第二模制件。
但是，上述用于生产混合构件的方法具有很多固有缺点。常常需要进一步的后装配工艺步骤，例如用胶带粘贴需要大的塑料部分以确保牢固固定的构件。胶合难以在大量生产时使用，尤其是难以保持稳定的质量。另外，利用粘合剂需要较长的固化时间。机械方法受到设计限制，因为例如机械锁定要求嵌件的两侧都是塑料，这增加了装置的厚度。
发明内容
本申请的发明人已经吃惊地发现：通过允许熔融的塑料渗透到之前粗糙化的接受体构件的表面结构即孔穴中并夹紧在一起，可以获得基本上是每种固体材料与任何塑料材料的混合构件。通过将塑料注射压缩成型到接受体嵌件上，仅通过将冷却且变硬的接受体构件锚固在接受体构件的粗糙表面结构中，就能获得稳定且耐用的塑料-接受体混合构件。本发明还提供了适于获得本发明的混合构件和用于执行本发明方法的设备。
在这里，一个优点是粗糙化的接受体构件不需要任何其它处理以“接受”或者“接收”粗糙表面中的熔融塑料构件并在两种材料之间形成连接。另一个优点是接受体构件表面上的塑料特征在混合部件的另一侧是不可见的，而采用在将塑料通过接受体构件机械锁定之后进行的传统嵌件注射成型工艺则是可见的。另一个优点是关于使用的塑料和/或接受体构件没有限制，因为可以经受注射压缩成型的每种塑料材料都可以使用。再一个优点是塑料和接受体构件之间的高结合强度，这使得在施加张力的情况下，常常是塑料构件破裂，而不是在结合线，即金属-塑料界面处破裂。此外，与使用常规的嵌件成型工艺制造的混合部件相比，注射压缩成型在混合部件中产生更小的内应力。本发明的方法可很好地限定不同接受体和塑料构件的结构用于接地或者静电放电(ESD)问题。
附图说明
图1示出了在本发明中使用的注射压缩成型工艺的原理；
图2在宏观尺度上描述了机械锁定之后的传统嵌件成型工艺的原理图；
图3示出了构成本发明基础的机械锁定原理的示意性扫描电子显微镜(SEM)照片。塑料熔体渗透到金属构件的微型孔中并锚固到其中，形成稳定的金属-塑料混合构件；
图4示出了两侧上的凝固皮层，该凝固皮层阻止将塑料锚固到用于常规注射的塑料熔体的金属嵌件上。熔体温度可高达300℃，而模具/嵌件温度通常最大为140℃，该温度梯度阻止微型孔的填充，因为在结合线处形成了一层局部硬化的和/或黏滞的塑料材料；
图5示出了通过使用标准的P-2蚀刻法的化学蚀刻铝表面的SEM照片。
具体实施方式
定义
术语“混合构件”或者“复合材料”一般是指通过将两种或多种不同的材料，即塑料和接受体材料宏观结合以获得特殊的特征和特性而产生的材料。所述复合材料的构件保持它们的特性；即，它们并不丧失或者完全融合到彼此中而是形成清楚的交界区域，在该区域中不同的构件相互融合。
术语“连接”、“联接”或者“结合”和相关术语是在操作意义上使用的，并不必限定为直接连接或者联接。
短语“在一种实施方式中”、“根据一种实施方式”及类似短语一般意为跟在该短语后的具体特征、结构或者特性包含在本发明的至少一种实施方式中，并且可能包含在本发明的多于一种的实施方式中，因为这类短语不必要指的是相同的实施方式。
如果说明书说明“可以”、“能够”、“能”、“也许”包括构件或者该构件“可以”、“能够”、“能”、“也许”具有某种特征，则并不是要求包括该特定的构件或者具有该特性。
表述“接受体”材料或者构件是指其表面结构可以以一定方式粗糙化以形成微孔的任何种类的材料。这种接受体材料的例子包括金属、碳纤维复合材料、陶瓷和玻璃。
术语“金属”是指但不限于纯金属，例如铝、铍、钛、铜或者铁，但也可指任何种类的合金，例如不同种类的钢、铸铁或者黄铜。
术语“塑料”是指任何种类的合成或者半合成聚合产品，这些产品由有机缩合聚合物或加成聚合物构成并可以含有其它物质以改善性能或者经济性。塑料可以以多种方式分类，但最常见的是通过它们的聚合物主链(聚氯乙烯、聚乙烯，丙烯酸类树脂，硅树脂，氨基甲酸乙酯)来分类。塑料包括特别是热塑性塑料、热固性塑料和弹性体。塑料的机械、热膨胀和传导性可以通过向塑料中加入填料，例如玻璃纤维来调整。唯一的限制是通过相应的成型方法来实现，即塑料的特性应当允许成型。特别合适的塑料构件的例子包括聚乙烯、聚酰胺、聚甲基丙烯酸甲酯、聚苯硫醚(PPS)、聚芳酰胺、聚氨酯、聚缩醛(polyasetals)和聚酯例如聚对苯二甲酸丁二醇酯(PBT)或者上面提到的塑料类型的混合物。
术语“粗糙化”是指材料的预处理。所述预处理的结果不是显微镜可见的，因为通过形成深度和宽度最大分别为250μm的孔穴，表面结构的变化例如在250μm或更小的范围。裸眼看不到的这种尺寸的孔穴也被称作“微孔”。可以使用本领域人员已知的任何方法将表面粗糙化，例如通过化学蚀刻、激光处理和机械或者化学磨蚀。粗糙化可以进行到期望的程度，即直到获得孔穴或微孔的特定平均尺寸为止。所述微孔可以具有从0至250μm的平均深度和0至250μm的平均宽度，或者平均深度为0以上至100μm和平均宽度为0至100μm，或者平均深度为0.1至100μm和平均宽度为0.1至100μm。替代地，它们具有0.1至30μm的平均深度和0.1至30μm的平均宽度。应当注意的是本发明并不被限定为这些示例性数值/范围的任何一个，这些数值/范围仅是出于说明的目的而给出的。
术语“平均尺寸”，即平均宽度或深度，是指孔穴具有至少90％所述值。换句话说，上述术语涉及由使用的粗糙化方法及其精度产生的给出数值的偏差，该偏差不超过10％。
这里使用的术语“成型”是指用于提供完整或局部熔化的塑料部件的任何适当方法，例如注射压缩成型(ICM)或者嵌件注射成型。注射压缩成型通常用于主要是在制造CD或者DVD中，从模腔表面复制亚微米级塑料特征。
分开一定距离的半模是指在其上没有施加夹紧力的半模，即所述半模是分开的或者松动地接触。
根据第一种实施方式，本发明提供一种用于生产塑料-接受体混合构件的方法。所述方法包括：(a)提供具有粗糙化的表面区域的接受体构件；(b)将所述接受体构件嵌入注射压缩成型工具的模腔中；(c)向所述模腔内注射塑料；接着向所述模腔施加压力；和(d)将所述塑料-接受体构件从所述注射压缩成型工具中取出。
在塑料仍然处于熔融状态的最终压缩阶段，即分别夹紧或施加压力，迫使塑料熔体进入粗糙化的表面结构中(锚固效应)，还提供了塑料构件在塑料-接受体混合构件中的期望形状。可以保持夹紧直至相应的塑料-接受体混合构件已经固化，因为此时可以在不影响混合构件的形状的情况下将混合构件从注射压缩成型工具中取出。
应当清楚，特定的接受体构件已经以期望的形状提供或者可以替代地在形成混合构件以后成形。适于形成塑料和接受体部件的不同方法对于本领域技术人员来说是已知的。合适的接受体构件也包括金属构件，例如合金，而合适的塑料构件也可以是两种或者多种不同的塑料的混合。应当清楚，在注射和压缩阶段期间，可以使用处于塑化状态的任何种类的中度至低黏度塑料，即可以经受注射压缩成型的每一种塑料。
为了有助于将塑料熔体锚固到接受体构件的粗糙化的表面中，所述接受体构件可以被加热，使塑料模具和金属构件之间的温度梯度最小到这样的程度，即模具和金属构件的温度基本相等或者金属构件的温度例如比模具温度低大约10、20、30、40、50或者60℃或者在所述温度之间。如果塑料模具的温度例如为大约200℃，则金属构件的温度将被加热到100和200℃之间。注射压缩成型工具可以设有例如相应的快速加热/冷却元件以在夹紧过程中将接受体嵌件加热到高于塑料材料的玻璃化转变温度。快速冷却的可能方案能够加速生产周期。众所周知，塑料材料的黏度在高于其玻璃化转变温度时显著增加。将接受体嵌件的温度加热到接近注射的塑料熔体的温度有助于降低例如在图4中所画出的低黏度凝固皮层的形成，该皮层阻止微孔的正确填充。
塑料和接受体构件可以在特定的规定表面区域处进一步融合。这些区域、尤其是对于接受体构件的区域，可以通过例如，计算机控制的激光处理来获得，或者替代地是通过遮盖不要经受化学或者机械磨蚀的区域来获得。
根据本发明的另一种实施方式，所述接受体构件选自金属、碳纤维复合材料、陶瓷和玻璃。这些接受体构件的准备和成形是本领域技术人员公知的。在示例性实施方式中，所述金属构件选自铝、铍、钛、铜和铁。
根据一种实施方式，所述粗糙化的表面包括具有特定尺寸，即深度和宽度的微孔。
根据又一种实施方式，所述微孔具有0至100μm的平均深度和0至30μm的平均宽度。在一种示例性实施方式中，所述微孔具有0.1至100μm的平均深度和0.1至100μm的平均宽度。在另一种实施方式中，所述微孔具有1至100μm的平均深度和1至30μm的平均宽度。在又一种示例性实施方式中，所述微孔具有1至50μm的平均深度和1至20μm的平均宽度。在又一种示例性实施方式中，所述微孔具有1至30μm的平均深度和1至20μm的平均宽度。然而，可以使用深度和宽度的任何组合。
根据本发明的一种实施方式，所述粗糙化的表面区域通过蚀刻、喷砂和/或激光处理和本领域技术人员公知的任何技术来准备。
根据又一种实施方式，所述塑料构件包括聚乙烯、聚酰胺、聚甲基丙烯酸甲酯、聚苯硫醚(PPS)、聚芳酰胺、聚氨酯、聚缩醛和聚酯例如聚对苯二甲酸丁二醇酯(PBT)或者上面提到的塑料类型的混合物。
根据另一种实施方式，在注射压缩成型工艺中的夹紧包括施加范围为300至3000bar的压力，在一种示例性实施方式中为范围为大约500至2000bar的压力。但是，根据使用的材料和技术，压力可能更高或者更低。压缩力可以通过任何适当的方法获得，例如，通过来自成型机的夹紧或者通过工具中的压力单元来获得。附加压力的施加在这里有助于塑料进入接受体构件的各个微孔中。
根据又一种实施方式，所述使夹紧保持一段时间，塑料材料需要在该时间段内在熔融状态填充微孔然后固化。
根据一种示例性实施方式，提供一种用于注射压缩成型的设备，该设备包括活动模具台；模具；和固定模具台。所述活动模具台和固定模具台适于为所述模具提供夹紧力。应当清楚，也可以替代地为两个模具台都是活动的以提供夹紧力。
根据另一种实施方式，所述模具包括两个半模。在所述两个半模的第一半模中设置接受体构件，而第二个半模中可嵌入塑料材料。模具台和/或工具半部的固定侧也可以同时具有保持接受体构件和注射塑料两个功能。
根据本发明的又一种实施方式，所述夹紧力由夹紧单元提供。可以采用本领域技术人员已知的适于提供压力的任何类型的装置。夹紧单元可以包括例如设置在活动台上的液压装置。
根据一种实施方式，所述设备包括适于加热和冷却嵌入在其中一个半模中的接受体构件的加热/冷却单元。应当清楚，也可以提供适于加热的任何类型的装置。
根据另一种示例性实施方式，本发明涉及可以通过本发明的方法获得的塑料-接受体混合构件。本发明的混合构件包括具有粗糙化的表面区域的接受体构件；和通过接合所述粗糙化的表面区域而固定地连接到所述接受体构件的塑料构件。这里的连接仅通过塑料锚固到粗糙化的表面区域的表面结构中而获得，因为不需要用于连接的其它装置。
根据另一种实施方式，所述接受体构件选自金属、碳纤维复合材料、陶瓷和玻璃。
根据又一种实施方式，所述金属构件选自铝、铍、钛、铜和铁。
根据一种实施方式，所述粗糙化的表面包括微孔。在一种示例性实施方式中，所述微孔的深度为0至100μm、宽度为0至30μm。
根据一种实施方式，所述塑料构件包括聚乙烯、聚酰胺、聚甲基丙烯酸甲酯、聚苯硫醚(PPS)、聚芳酰胺、聚氨酯、聚缩醛和聚酯例如聚对苯二甲酸丁二醇酯(PBT)或者上面提到的塑料类型的混合物。
下面的实施例解释本发明，但并不将本发明限制为这些实施例。
实施例
关于所用的注射压缩成型(ICM)工具和用于测量表面张力的设备不存在特殊限制，因为可以使用能够执行所述方法的每一种类型的装置。只是，由于可以提供夹紧力，ICM装置必须被调整。
实施例1
在第一步骤中，已经通过喷砂使预制钢件变粗糙以形成平均深度为30至100μm且平均宽度为15至30μm的微型孔。已经通过拍摄扫描电子显微镜照片(SEM-picture)来检查表面结构(数据未示出)。
如图1示意性地所描绘，预制钢件已经嵌入到ICM工具中，PBT熔体已经注射到粗糙化的表面，然后在几秒钟内已经开始压缩/夹紧阶段。
通过固定金属件并在塑料件上施加缓慢增加的机械压力已经使冷却的钢-PBT混合构件受到张力，其中，施加的力的方向基本上平行于金属件的表面。多次实验显示PBT大致在已经施加压力的位置处断裂，即钢-PBT界面对于机械应力具有与PBT材料本身相同或更高的强度。
实施例2
根据上述实施例，已经生产出钢-PPS混合构件。在施加断裂应力的情况下，所述混合构件显示出与钢-PBT混合构件相同的性能，说明了金属-塑料界面具有比塑料件本身更大的抵抗应力的能力。
实施例3和4
已经通过喷砂使窗户等级(window grade)的预制玻璃件变粗糙以形成平均深度为30至100μm且平均宽度为15至30μm的微型孔。
根据前面的实施例，PBT熔体和PPS熔体已经被施加以形成PBT-玻璃和PPS-玻璃混合构件。所述混合构件也已经受到一次指向塑料件、另一次指向玻璃件的张力。在两种情况下，塑料和玻璃件都在各自的塑料-玻璃界面断裂之前失效。

Claims (22)

1.用于生产塑料-接受体混合构件的方法，所述方法包括：
(a)提供具有粗糙化的表面区域的接受体构件；
(b)将所述接受体构件嵌入注射压缩成型工具的模腔中；
(c)向所述模腔中注射塑料；接着向所述模腔施加压力；
(d)将所述塑料-接受体混合构件从所述注射压缩成型工具中取出。
2.根据权利要求1所述的方法，其中，所述粗糙化的表面包括微孔。
3.根据权利要求2所述的方法，其中，所述施加的压力迫使塑料熔体进入所述接受体构件的粗糙化的表面的微孔中。
4.根据权利要求1所述的方法，其中，所述接受体构件选自金属、碳纤维复合材料、陶瓷和玻璃。
5.根据权利要求4所述的方法，其中，所述金属构件选自铝、铍、钛、铜和铁。
6.根据权利要求2所述的方法，其中，所述微孔的深度为0至250μm、宽度为0至250μm。
7.根据权利要求1所述的方法，其中，所述粗糙化的表面区域通过蚀刻、喷砂和/或激光处理来制备。
8.根据权利要求1所述的方法，其中，所述塑料包括聚乙烯、聚酰胺、聚甲基丙烯酸甲酯、聚苯硫醚(PPS)、聚芳酰胺、聚氨酯、聚缩醛和聚酯例如聚对苯二甲酸丁二醇酯(PBT)或者它们的混合物。
9.根据权利要求1所述的方法，其中，所述施加的压力在300bar至3000bar的范围内。
10.根据权利要求1所述的方法，其中，使压力保持一段时间，在该时间段内，所述塑料构件基本上是有延展性的。
11.用于注射压缩成型的设备，包括：
活动模具台；
模具；和
固定模具台，其中，所述活动模具台和固定模具台能够向所述模具提供夹紧力。
12.根据权利要求11所述的设备，其中，所述模具包括两个半模。
13.根据权利要求11所述的设备，其中，所述夹紧力由成型机的夹紧单元或者由工具中的夹紧单元提供。
14.根据权利要求11所述的设备，包括在工具中由单独的加热单元操作的水或者油冷却/加热通道，所述加热单元用于加热和冷却接受体构件。
15.根据权利要求11所述的设备，包括组装到模具中的快速电冷却/加热元件，用于加热和冷却接受体构件。
16.用于注射压缩成型的设备，包括：
(a)用于提供具有粗糙化的表面区域的接受体构件的装置；
(b)用于将所述接受体构件嵌入注射压缩成型工具的模腔中的装置；
(c)用于向所述模腔中注射塑料的装置；
(d)用于接着向所述模腔施加压力的装置；
(e)用于将所述塑料-接受体混合构件从所述注射压缩成型工具中取出的装置。
17.塑料-接受体混合构件，包括：
具有粗糙化的表面区域的接受体构件；和
通过接合所述粗糙化的表面区域而固定地连接到所述接受体构件的塑料构件。
18.根据权利要求17所述的混合构件，其中，所述接受体构件选自金属、碳纤维复合材料、陶瓷和玻璃。
19.根据权利要求18所述的混合构件，其中，所述金属构件选自铝、铍、钛、铜和铁。
20.根据权利要求17所述的混合构件，其中，所述粗糙化的表面包括微孔。
21.根据权利要求20所述的混合构件，其中，所述微孔的深度为0至250μm、宽度为0至250μm。
22.根据权利要求17所述的混合构件，其中，所述塑料构件包括聚乙烯、聚酰胺、聚甲基丙烯酸甲酯、聚苯硫醚(PPS)、聚芳酰胺、聚氨酯、聚缩醛和聚酯例如聚对苯二甲酸丁二醇酯(PBT)或者它们的混合物。
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