CN101945748A - 复合成形品的制造方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供能缩短成形周期时间且具有稳定、良好的紧密结合性的液晶聚合物和金属的复合成形品的制造方法，其中，(1)成形用模具被分成主模和芯模，该主模用于控制与成形设备的联动性；该芯模具有加热用回路和冷却用回路，且内部包括液晶聚合物和金属零件接触的部分；(2)使用如下的成形用模具：在成形用模具的成形时树脂流入而接触的部分被表面处理成十点平均粗糙度(Rz)为0.5μm以下，芯模的容积为60cm3以下，在芯模的与主模接触的外周部被绝热处理的状态下在主模中埋入芯模；(3)在成形用模具内设置金属零件，在将芯模的模具温度加热到特定范围的状态下，注射填充液晶聚合物，在成形用模具内液晶聚合物填充完成之后，立刻切断芯模的加热用回路并且利用芯模的冷却用回路以7℃/秒以上的冷却速度进行急速冷却。

Description

复合成形品的制造方法
技术领域
本发明涉及液晶聚合物和金属零件的复合成形品的制造方法，详细而言，涉及确保液晶聚合物-金属零件之间的优异的紧密结合性、并且改善成形周期的复合成形品的制造方法。
背景技术
以嵌入成形品为代表的由树脂和金属构成的复合成形品被利用于电机-电子零件、汽车零件等制造中。但是，利用通常的成形法无法使金属嵌入件和树脂界面之间充分紧密结合，从而成为脱落或气体、液体自界面泄漏的原因。为了改善这样的缺点，公知有通过对金属进行表面处理而形成凹凸，在凹凸处注入熔融树脂的方法。根据该方法，能够得到界面的紧密结合性优异的树脂和金属的复合成形品，但是因为在表面处理中使用药品，所以在实际上引进该方法时，在设备的引进、药液的管理等方面，从成本增加等方面考虑困难较多。
此外，作为通过加热嵌入件而提高紧密结合性的方法，提出有如下的成形方法，1)将预先加热了的金属收纳在模具内，之后实施注塑成形；2)在模具内利用电加热器、电磁感应等加热手段加热嵌入金属，实施注塑成形；3)将模具温度保持为高温，在注塑成形后再冷却等，然而由于在1)、2)中从加热完成后到注射为止的时间不同，所以嵌入金属的温度容易降低，特别是在使用小、薄的嵌入件的情况下难以获得该效果。此外，关于3)，在加热冷却时需要控制模具整体的温度，需要热容量大的加热器和冷却系统，并且存在成形需要非常长的时间的问题。
另外，在日本特开2001-1382号公报中，提出有如下的方法，即，利用嵌入加热方法，使熔融树脂流入加热到熔点以上的系统内，保持压力，进一步通过实施降低温度并且提高载荷压力这样的控制，提高树脂和金属的紧密结合性，但是，要求严格地控制温度、压力，并且也有增加附属设备的倾向，不能说具有实用性。此外，在日本特开2001-1382号公报中，假定为低密度聚乙烯树脂、聚丙烯、聚苯乙烯等树脂，在液晶聚合物的情况下，利用专利文献1的方法无法得到树脂和金属的紧密结合性良好的复合成形品。
另一方面，在日本特开2005-342922号公报中，提出有通过使用利用金刚石碳膜实施了表面处理的模具，从而提高金属-树脂之间的紧密结合强度的方案，然而，该方案中存在无法以实用的成形周期时间进行成形这样的课题。
发明内容
本发明的目的在于提供一种能够解决上述以往的技术课题、缩短成形周期时间、具有稳定且良好的紧密结合性的树脂和金属的复合成形品。
本发明人为了实现上述目的而进行了深入的研究，其结果发现，将成形用模具的温度等控制为特定条件来进行成形和因此用特定构造的成形用模具非常有效，从而完成了本发明。
即，本发明的复合成形品的制造方法是液晶聚合物和金属零件的复合成形品的制造方法，其特征在于，
(1)成形用模具被分成主模和芯模，该主模用于控制与成形设备的联动性；该芯模具有用于温度控制的加热用回路和冷却用回路，且内部包括液晶聚合物和金属零件接触的部分；
(2)使用如下的成形用模具：成形用模具的在成形时树脂流入而与该成形用模具接触的部分被表面处理成十点平均粗糙度(Rz)为0.5μm以下，芯模的容积为60cm3以下，在芯模的与主模接触的外周部被绝热处理的状态下在主模中埋入芯模；
(3)在成形用模具内设置金属零件，在将芯模的模具温度T加热到(液晶聚合物的熔点-95℃)≤T＜(液晶聚合物的熔点)的温度范围的状态下，注射填充液晶聚合物，在成形用模具内填充完液晶聚合物之后，立刻切断芯模的加热用回路并且利用芯模的冷却用回路以7℃/秒以上的冷却速度进行急速冷却。
根据本发明，能制造在以往方法中液晶聚合物-金属之间的紧密结合性不够充分的问题得到改善的复合成形品。此外，通过比以往方法简便的温度控制，能够以更短的成形周期确保液晶聚合物-金属之间优异的紧密结合性。
附图说明
图1是表示本发明使用的芯模的1例的图，(a)是金属零件配置侧的芯模的俯视图，(b)是该金属零件配置侧的芯模的侧面剖视图，(c)是金属零件配置侧的相反侧的芯模的俯视图，(d)是该金属零件配置侧的相反侧的芯模的侧面剖视图。
图2是表示本发明使用的金属零件的1例的图。
图3是表示利用本发明所得到的复合成形品的1例的图，(a)是俯视图、(b)是仰视图、(c)是侧视图、(d)是侧面剖视图。
图4是表示气密性评价的状况的示意图，(a)是概略剖视图，(b)是概略立体图。
图5是是表示本发明所使用的芯模的另1例的图，(a)是金属零件配置侧的芯模的俯视图，(b)是该金属零件配置侧的芯模的侧面剖视图，(c)是金属零件配置侧的相反侧的芯模的俯视图，(d)是该金属零件配置侧的相反侧的芯模的侧面剖视图。
图6是表示利用本发明所得到的复合成形品的另1例的图，(a)是俯视图，(b)是侧视图。
图7是表示紧密结合强度评价的状况的示意图，(a)是概略侧视图，(b)是概略主视图。
附图标记说明
1、金属零件定位销；2、冷却空气流路；3、棒式加热器；4、绝热板；5、金属零件保持销；6、复合成形品；7、压缩空气插入孔；8、空气泄漏测量部位；9、金属板安装部；10、凸台；11、试验品固定部分；12、金属零件；13、金属板。
具体实施方式
金属零件
本发明使用的金属零件在材质上没有特别限制，能够列举出铜、铝、铁等金属、磷青铜、不锈钢等合金、不同种类金属的粘接体、以及上述材料的电镀处理件等。不锈钢能列举出马氏体类、奥氏体类等。
本发明使用的金属零件是被加工成规定形状的形状物，其形状没有特别限制。此外，金属零件是嵌入零件的情况下，其形状也没有特别限制，能够列举出一个嵌入零件的两端露出或突出于成形品的外部的形状，例如电气-电子零件的端子等。
金属零件一般由轧制板等获得，轧制板本身就具有细小的凹凸，不进行特别的粗糙化处理也能够实现紧密结合，然而，更加优选实施表面加工，通过对表面进行粗糙化处理等使紧密结合性更好。作为粗糙化处理，能够列举出通过进行表面研磨、电镀、蚀刻处理等使表面成为多孔质状的处理方法。
模具
在本发明中，作为成形用模具，使用分成主模和芯模而构成的模具，该主模用于控制与成形设备的联动性；该芯模具有用于进行温度控制的加热用回路和冷却用回路，且内部包括液晶聚合物和金属零件接触的部分。
为了提高液晶聚合物-金属之间的紧密结合性，重要的是控制液晶聚合物和金属零件接触的部分的金属零件的温度，因为通过芯模进行该温度控制，所以需要将芯模设计成内部包括液晶聚合物和金属零件接触的部分。
通过分成主模和芯模，主模保持某个恒定温度，仅对芯模进行温度控制，从而能够实现瞬间的温度变化，能够缩短成形周期。在这里，只通过分成主模和芯模，无法谋求所要实现的缩短成形周期，需要使芯模的容积为60cm3以下，并对芯模的与主模接触的外周部进行绝热处理。作为绝热处理，设置绝热层等的方法比较简便。若芯模的容积大于60cm3，则利用通常的设备，成形周期较长，所以不优选。
此外，以在主模中埋入芯模的状态成形芯模，但是若不设置绝热层，则不可能实现芯模的瞬间的温度变化，无法谋求缩短成形周期。
通常，用绝热板作为绝热层，但是也可以用气帽等作为绝热层，该方法没有特别被限定。作为绝热板，能够列举出玻璃增强聚酯、玻璃环氧树脂层叠板、酚醛树脂等。
此外，本发明使用的成形用模具需要对主模和芯模的在成形时树脂流入而与成形用模具接触的部分进行表面处理，使十点平均粗糙度(Rz)为0.5μm以下。若十点平均粗糙度(Rz)大于0.5μm，则树脂会与模具(芯模)紧密结合，由于脱模不良而无法得到良好的复合成形品。作为表面处理的方法，只要表面粗糙度在上述范围内，进行任何的表面处理均可，但是具体地列举出金刚石碳膜(DLC)、镀CrN、镀Cr等表面处理，从耐蚀耐磨性等出发优选金刚石碳膜的表面处理。
金属零件的加热
在本发明中，在成形用模具内设置金属零件，在将内部包括液晶聚合物和金属零件接触的部分的芯模的模具温度T加热到(液晶聚合物的熔点-95℃)≤T＜(液晶聚合物的熔点)的温度范围的状态下，注射填充液晶聚合物。通过使芯模的模具温度T为(液晶聚合物的熔点-95℃)≤T＜(液晶聚合物的熔点)的温度范围，能得到充分的液晶聚合物-金属之间的紧密结合性。若芯模的模具温度低于(液晶聚合物的熔点-95℃)，则液晶聚合物和金属零件的紧密结合性降低，若在液晶聚合物的熔点以上的情况下，树脂在模具内难以固化，有时在成形工序上产生问题，所以不优选。
此外，需要在金属零件的周围填充液晶聚合物，以注射压力对周围的液晶聚合物被加热了的金属零件充分按压，在此之前，若金属零件的温度低于上述温度，则会产生液晶聚合物和金属零件之间的紧密结合力不充分的问题。因此，注射填充液晶聚合物，在成形用模具内填充完液晶聚合物后，需要立刻切断芯模的加热用回路，并且利用芯模的冷却用回路以7℃/秒以上的冷却速度进行急速冷却。由此，能够在短时间内使液晶聚合物和金属零件紧密结合。
成形用模具的加热方法
作为对用于控制与成形设备的联动性的主模和具有用于温度控制的加热用回路和冷却用回路的芯模进行加热的方法，能够列举出作为通常加热模具的方法的利用发热体进行加热的方法，利用热介质进行加热的方法等。
作为利用发热体进行加热的方法，能够列举出利用与模具电绝缘的加热器、电磁感应加热器或热介质来进行加热的方法。作为利用与模具电绝缘的加热器进行加热的方法，例示有将铠装(sheath)线型加热器等埋入模具内，或将埋入有加热器的加热板安装在模具表面上的方法等。
作为利用热介质加热的方法，能够列举出在模具内设置热介质流路、从外部供给规定的温度的热介质、并将热介质向外部排出的方法。作为热介质，没有特别限制，能够列举出油、水、空气、氮气、燃烧气体等流体，在为蒸气的情况下，也可以利用凝结成液体(液化)来传送热量。
对于保持恒定温度的主模没有特别限制，然而，作为需要进行瞬间的温度控制的芯模的加热方法，优选使用通过加热器等发热体进行加热的方法。
芯模的冷却方法
在本发明中，在成形用模具内填充完液晶聚合物后，立刻切断芯模的加热用回路，并且利用芯模的冷却用回路以7℃/秒以上的冷却速度进行急速冷却。通过分成主模和芯模，仅对芯模进行温度控制，能在以上的范围内进行急速冷却，作为芯模的冷却方法，只要是能够瞬间冷却的方法即可，也可以采用通常的冷却方法。作为热介质，没有特别限制，能够列举出油、水、空气、氮气、燃烧气体等流体，但是优选列举出如下所述等方法：在芯模内设置冷却用流路作为冷却用回路，使空气中的水分形成结露状态或水分固化而形成结冰状态的低温空气通过该流路，利用冰部分的溶解热或水分的气化热来冷却金属零件接触的芯模。
成形品和成形用模具
图2和图3表示本发明所用的金属零件和复合成形品的形状的一个例子。
图1是表示为了利用本发明的方法制造复合成形品而用于保持金属零件的芯模的一个例子的图。图1为包括金属零件整体的芯模形状，但是无需包括金属零件整体，只要内部包括液晶聚合物和金属零件接触的部分，就能得到具有良好的紧密结合性的复合成形品。
如图1所示，在主模上设有绝热板4，图1的芯模埋入主模(省略图示)，作为成形用模具而使用。
作为加热用回路，加热零件(棒式加热器)3是使芯模升温到规定温度的加热器。
作为冷却用回路，流路2是使空气中的水分形成结露状态或水分固化而形成结冰状态的低温空气通过、通过冰部分的溶解热或水分的气化热来冷却芯模的低温空气的流路。
低温空气中的水分吸收芯模的热，并以蒸发气化了的蒸气的形式从流路2的出口被排出。既可以向大气中排出也可以向排出管道排出。
树脂
本发明使用的液晶聚合物是指具有能够形成光学各向异性熔融相的性质的熔融加工性聚合物，是由于在熔融状态下承受剪切应力而具有聚合物分子链形成规则的平行排列的性质的聚合物。具体而言，例如列举有全芳香族聚酯、半芳香族聚酯、芳香族聚碳酸酯、全芳香族或半芳香族聚酰胺酯等。液晶聚合物能够从市场容易获得，在市场上贩卖有宝理塑料(株式会社)的BEKUTORA(ベクトラ，商品名)、住友化学工业(株式会社)的SUMIKA SUPER(スミカス一パ一，商品名)、新日本石油(株式会社)的ZAIDER(ザイダ一，商品名)、TORAY(株式会社)的SIB ERASU(シベラス，商品名)等各种产品，但是均可以使用。因此，液晶聚合物能够使用含有各种填充剂和树脂添加剂的各种市场贩卖的液晶聚合物。
用途
由本发明所得到的复合成形品，能够广泛地使用于电机-电子零件、汽车零件等。
实施例
以下，根据实施例具体地说明本发明，但是本发明不限定于实施例。
实施例1
使用由埋入有图1所示的具有加热用回路和冷却用回路的芯模的主模构成的成形用模具，该主模用于控制与成形设备的联动性，将主模的温度保持在150℃的状态下，将图2所示的金属零件配置于芯模中后，立刻将芯模的温度从150℃升温到规定温度(245℃)。到达245℃用了9.5秒。同时，关闭成形用模具之后，在下述条件下通过对液晶聚合物进行注塑成形，得到了如图3那样的复合成形品。
作为液晶聚合物，使用了宝理塑料(株式会社)制的BEKUTORA A460(熔点280℃)。另外，利用差示扫描量热仪(PERKIN-ELMER社制DSC7)，在20℃/分钟的升温条件下测量了熔点。
成形条件
芯模的表面处理：在钢材SUS420J2上进行了表面涂层处理，涂敷厚度为1.0μm的金刚石碳膜(DLC)。表面粗糙度如下所述：在树脂流动方向上的十点平均粗糙度(Rz)是0.45μm，算术平均粗糙度(Ra)是0.1μm。
气密性评价用试验品形状：宽度10mm×长度10mm×高度3mm(参照图3)
成形设备：Sodick Plustech(株式会社)制TR40VR
金属零件：铜制引线框(具体参照图2)
绝热板：玻璃环氧树脂层叠板
模具温度：主模是150℃
芯模容积：15cm3
注塑成形时的芯模温度：245℃
注射时间(包含保压时间)：3秒
注射速度：200mm/秒
保压：100MPa
冷却速度：10℃/秒
冷却时的芯模冷却方法：在成形用模具内填充完液晶聚合物后，立刻关掉加热用棒式加热器的电源，使空气中的水分形成结露状态的-30℃、0.6MPa的极低温压缩空气流入流路2。
在从成形用模具中取出成形品时，不产生复合成形品变形或破坏的最短成形周期时间是24.6秒。将所得到的、成形了的复合成形品在成形后在常温下放置48小时以上，之后，进行下述气密试验，评价了液晶聚合物-金属之间的气密性。另外，成形周期时间是指从完成将金属零件配置于芯模中的时刻到取出复合成形品的时刻的时间。
气密性评价
将复合成形品配置在图4所示的装置中，并将评价装置整体放入到水中之后，利用配管进行空气加压，测量了空气(气泡)从复合成形品的金属零件和液晶聚合物的界面产生泄漏的最大的空气压力。空气压力的数值越大气密性越高。
实施例2
作为液晶聚合物，使用了宝理塑料(株式会社)制的BEKUTORAE473i(熔点330℃)，除此以外和实施例1相同地进行了成形、评价。
比较例1
除了在主模和芯模之间不使用绝热板以外和实施例1相同地进行了成形、评价。升温到245℃需要10分钟以上。
比较例2
除了芯模的容积为250cm3以外和实施例1相同地进行了成形、评价。升温到245℃需要10分钟以上。
比较例3
不对芯模进行表面处理，使用十点平均粗糙度(Rz)为3.0μm的芯模以外和实施例1相同地进行了成形，由于脱模不良，没有能够得到试验品。
将上述结果表示于表1。
表1
  实施例1   实施例2   比较例1   比较例2   比较例3
  液晶聚合物   A460   E473i   A460   A460   A460
  成形周期   24.5秒   24.5秒   10分钟以上   10分钟以上   不能脱模
  气密性   0.5MPa   0.5MPa   0.5MPa   0.5MPa    -
实施例3
使用由埋入有图5所示的具有加热用回路和冷却用回路的芯模的主模构成的成形用模具，该主模用于控制与成形设备的联动性，将主模的温度保持在150℃的状态下，将厚度为1mm、50mm×50mm的金属板配置于芯模中后，立刻将芯模的温度从150℃升温到规定温度(220℃)。到达220℃用了10.0秒。同时，关闭成形用模具之后，在下述条件下通过对液晶聚合物进行注塑成形，得到了如图6那样的复合成形品。
作为液晶聚合物，使用了宝理塑料(株式会社)制的BEKUTORA A460(熔点280℃)。另外，利用差示扫描量热仪(PERKIN-ELMER社制DSC7)并在20℃/分钟的升温条件下测量了熔点。
成形条件
芯模的表面处理：在钢材SUS420J2上进行了表面涂层处理，涂敷厚度为1.0μm的金刚石碳膜(DLC)。表面粗糙度如下所述：在树脂流动方向上的十点平均粗糙度(Rz)是0.35μm、算术平均粗糙度(Ra)是0.09μm。
紧密结合强度评价用试验品形状：参照图6
成形设备：Sodick Plustech(株式会社)制TR40VR
金属零件：厚度1mm、50mm×50mm的金属板
绝热板：玻璃环氧树脂层叠板
模具温度：主模是150℃
芯模容积：50cm3
注塑成形时的芯模温度：220℃
注射时间(包含保压时间)：3秒
注射速度：200mm/秒
保压：100MPa
冷却速度：8℃/秒
冷却时的芯模冷却方法：在成形用模具内填充完液晶聚合物后，立刻关掉加热用棒式加热器的电源，使空气中的水分形成结露状态的-30℃、0.6mPa的极低温压缩空气流入流路2。
紧密结合强度评价
使用ORIENTEC制TENSILON RTC-1325A并且压入速度为1mm/min、利用图7所示的方法测量了图6的紧密结合强度评价用试验品的剥离强度。
实施例4
除了注塑成形时的芯模的温度为200℃以外和实施例3相同地进行了成形、评价。另外，芯模从150℃升温到200℃需要7.1秒。
实施例5
作为液晶聚合物，使用宝理塑料(株式会社)制的BEKUTORA E473i(熔点330℃)，注塑成形时的芯模的温度为240℃，除此以外和实施例3相同地进行了成形、评价。另外，芯模从150℃升温到240℃需要12.9秒。
比较例4～5
除了注塑成形时的芯模的温度为160℃、180℃以外和实施例3相同地进行了成形、评价。另外，芯模从150℃升温到160℃需要1.4秒，升温到180℃需要4.3秒。
比较例6～7
除了注塑成形时的芯模的温度为200℃、220℃以外和实施例5相同地进行了成形、评价。另外，芯模从150℃升温到200℃需要7.1秒，升温到220℃需要10.0秒。
将上述结果表示于表2。
表2
Figure BPA00001197526000131
*在液晶聚合物-金属之间的界面不产生剥离，凸台的基部产生破坏。

Claims (3)

1.一种复合成形品的制造方法，用于制造液晶聚合物和金属零件的复合成形品，其特征在于，
(1)成形用模具被分成主模和芯模，该主模用于控制与成形设备的联动性；该芯模具有用于进行温度控制的加热用回路和冷却用回路，且该芯模的内部包括液晶聚合物和金属零件接触的部分，
(2)使用如下的成形用模具：成形用模具的在成形时树脂流入而与该成形用模具接触的部分被表面处理成十点平均粗糙度(Rz)为0.5μm以下，芯模的容积为60cm3以下，在芯模的与主模接触的外周部被绝热处理的状态下在主模中埋入芯模，
(3)在成形用模具内设置金属零件，在将芯模的模具温度T加热到(液晶聚合物的熔点-95℃)≤T＜(液晶聚合物的熔点)的温度范围的状态下，注射填充液晶聚合物，在成形用模具内填充完液晶聚合物之后，立刻切断芯模的加热用回路并且利用芯模的冷却用回路以7℃/秒以上的冷却速度进行急速冷却。
2.根据权利要求1所述的复合成形品的制造方法，其中，
利用金刚石碳膜对成形用模具的芯模的在成形时树脂流入而与该芯模接触的部分进行表面处理。
3.根据权利要求1或2所述的复合成形品的制造方法，其中，
使用空气中的水分形成结露状态或空气中的水分固化而形成结冰状态的低温空气进行急速冷却。
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