CN104313556B - 一种金属处理剂和一种复合体材料及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种金属处理剂和一种复合体材料及其制备方法，金属处理剂的配方为在1000份溶剂中加入质量份数为70‑240份的有机铵盐和55‑160份的有机酸剂。复合体材料的制备方法是先对不锈钢进行预处理，使不锈钢的表面形成多个孔洞，然后将不锈钢放入前述的金属处理剂中进行表面化学处理，最后再进行注塑成型；复合体材料是由前述制备方法将不锈钢和塑料一体化形成。通过本发明所公开的金属处理剂对不锈钢表面化学处理工艺的成本和能耗低，化学表面处理后的不锈钢表面基本上不发黑，不影响产品的整体使用外观，同时与塑料的结合效果良好，结合强度高，不易发生结构松动。
Description
技术领域
本发明涉及一种金属处理剂，以及一种使用该金属处理剂处理的不锈钢与塑料形成的复合体材料及其制备方法。
背景技术
传统的不锈钢与塑料复合体制备技术，一般是通过在不锈钢结构件与塑料制件设置固定结构来实现的，这就要求在不锈钢结构件上增加连接结构；但不锈钢的加工效率低成本较高，且无法制作形状较复杂的结构，这大大限制了不锈钢结构件在电子产品、精密医疗器械、汽车车身部件中的应用。
虽然，目前可以通过热熔胶粘接的方法实现不锈钢与塑料的一体化结合，但是塑料与不锈钢的结合力不高，不能满足产品实际的使用强度要求。
已有通过电化学阳极氧化的方法使得金属表面形成若干纳米孔并制备复合体。然而，对于不锈钢材质而言，电化学阳极氧化液会使不锈钢表面形成致密的氧化膜，不利于纳米孔的形成，使得所制备的复合体材料的结合强度十分有限，而且生产成本高，能耗较大。
另外已有通过阳极氧化对不锈钢进行处理以形成多孔膜，再与树脂进行一体化结合的方法；但是，不锈钢在阳极氧化处理时表面会形成一层致密的氧化膜而发生钝化，并不利于多孔膜的形成；而且在阳极氧化处理上需要额外增加设备上的资金投入，在一定程度上增加了生产的成本。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种可操作性好、成本低、能耗低且有利于实现不锈钢与塑料一体化的金属处理剂，经过该金属处理剂处理的不锈钢基材与塑料结合效果好，同时也提供一种结合强度高的不锈钢与塑料复合体材料及其制备方法。
为达到上述目的，本发明的技术方案为：
本发明公开了一种金属处理剂，用于处理与塑料一体化形成复合体材料的不锈钢，是在每1000份溶剂中配有质量份数为：70-240份的有机铵盐、55-160份的有机酸剂。
优选地，所述溶剂包括水、乙醇、甲醇、异丙醇、DMF、丙酮、二氯甲烷中的一种或几种。
优选地，所述有机铵盐包括四甲基氯化铵、四乙基氯化铵、四丁基氯化铵、苄基三乙基氯化铵、苄基三甲基氯化铵、十二烷基苄基氯化铵、十四烷基二甲基苄基氯化铵、十六烷基苄基二甲基氯化铵、苄基三丁基氯化铵、苄基三丙基氯化铵中的一种或几种。
优选地，所述有机酸剂包括顺丁烯二酸、柠檬酸、酒石酸、对二苯磺酸、邻二苯磺酸、间二苯磺酸、草酸、马来酸、丙二酸、正丁二酸、异丁二酸、对苯二甲酸、间苯二甲酸、邻苯二甲酸、反式丁二酸、以及前述有机酸的有机衍生物其中的一种或几种。
本发明另外公开了一种复合体材料的制备方法，用于将不锈钢和塑料一体化形成复合体材料，包括以下步骤：
a、对所述不锈钢进行预处理，使所述不锈钢的表面形成多个孔洞；
b、将所述不锈钢放入如以上所述的金属处理剂中进行表面化学处理；
c、对所述不锈钢进行注塑成型，以形成所述不锈钢和塑料一体化的所述复合体材料。
优选地，在步骤a之前，以体积百分比为15％-40％的稀磷酸对所述不锈钢进行预活化处理，所述预活化处理的温度为40-65℃，时间为4-12min。
优选地，步骤a包括：以体积百分比为10％-35％的稀硫酸对所述不锈钢进行活化处理，所述活化处理的温度为45-65℃，时间为3-10min，经所述活化处理的所述不锈钢表面形成孔径0.5-60微米的不规则孔洞。
优选地，步骤a包括：以体积百分比为15％-35％的稀盐酸对所述不锈钢进行表面蚀刻处理，所述表面蚀刻处理的温度为45-70℃，时间为5-15min，经所述表面蚀刻处理的所述不锈钢表面形成孔径60-150微米的不规则孔洞。
优选地，步骤b中所述不锈钢进行表面化学处理的温度为50-75℃，时间为5-12min。
本发明还公开了一种复合体材料，是由以上所述的复合体材料的制备方法将不锈钢和塑料一体化形成。
本发明与现有技术相比的有益效果在于：本发明所公开的金属处理剂是在溶剂中配有特定配比的有机铵盐和有机酸剂，其中有机铵盐自身具有极性和非极性基团，一方面其非极性基团与塑胶的非极性部分相似，起到了很好的“相似相溶”作用使得塑胶可以进入孔洞内，另一方面有机铵盐的极性部分可以有效改善塑胶在金属的表面张力系数，减小不锈钢与塑料存在表面张力系数差异，使不锈钢易与塑料结合，同时有机铵盐在溶液中自身电离出来的氯离子可以与有机酸剂电离的氢离子形成盐酸，可以进入不锈钢孔洞内继续进行蚀刻，拓展孔洞内部的面积和深度，有利于增大塑胶进入孔洞的结合部分；再则，有机酸剂中所携带的官能团可以在注塑时与塑胶发生反应生成化学键，使得塑料与不锈钢进行高强度结合。通过本发明公开的金属处理剂对不锈钢表面化学处理工艺方法可以在80℃左右的温度进行实施，处理成本和能耗低；化学表面处理后的不锈钢表面基本上不发黑，不影响产品的整体使用外观，同时与塑料的结合效果良好，结合强度高，不易发生结构松动。
在优选的方案中，复合体材料的制备方法在预处理过程中，使不锈钢基材的表面形成微米级的不规则孔洞，使金属处理剂中的有机铵盐和有机酸剂与不锈钢基材融合更加紧密，使得不锈钢与塑料的结合效果更佳，结合强度更好。
附图说明
图1是本发明优选实施例的复合体材料的制备方法流程图。
具体实施方式
下面对照附图并结合优选的实施方式对本发明作进一步说明。应该强调的是，下述说明仅仅是示例性的，而不是为了限制本发明的范围及其应用。
本发明实施例中所使用的不锈钢，是将不锈钢材料通过机械加工后形成规定形状的不锈钢基材。不锈钢材料可以是例如按日本工业规格(JIS)规范化的SUS304、SUS316等Cr-Ni系不锈钢，SUS405、SUS429、SUS403等Cr系不锈钢。
塑料优选是结晶型热塑性塑料，可以包括聚对苯二甲酸丁二醇酯、聚对苯二甲酸乙二醇酯、聚苯硫醚树脂以及芳香族聚酰胺树脂中的一种。在优选实施例中，塑料以聚对苯二甲酸丁二醇酯或聚对苯二甲酸乙二醇酯或聚苯硫醚树脂为主要成分，并优选添加有质量含量为15％-50％的玻璃纤维作为辅助成分。另外，本发明实施例中的塑料还可以包括尼龙、聚碳酸酯、聚氨酯系列等塑料。
金属处理剂是在每1000份溶剂中配有质量份数为70-240份的有机铵盐和55-160份的有机酸剂配制而成。其中溶剂包括水、乙醇、甲醇、异丙醇、DMF、丙酮、二氯甲烷中的一种或几种；有机铵盐包括四甲基氯化铵、四乙基氯化铵、四丁基氯化铵、苄基三乙基氯化铵、苄基三甲基氯化铵、十二烷基苄基氯化铵、十四烷基二甲基苄基氯化铵、十六烷基苄基二甲基氯化铵、苄基三丁基氯化铵、苄基三丙基氯化铵中的一种或几种；有机酸剂包括顺丁烯二酸、柠檬酸、酒石酸、对二苯磺酸、邻二苯磺酸、间二苯磺酸、草酸、马来酸、丙二酸、正丁二酸、异丁二酸、对苯二甲酸、间苯二甲酸、邻苯二甲酸、反式丁二酸、以及前述有机酸的有机衍生物其中的一种或几种。
复合体材料的制备方法及其所使用的金属处理剂的具体实施例如下。
实施例1：
步骤S1：提供通过机械加工形状化的不锈钢基材；
步骤S2：使用除油剂对不锈钢基材进行除油处理，除油温度为80℃，除油时间根据具体的除油效果而定；
步骤S3：以20％(体积百分比)的稀磷酸对经过步骤S2处理的不锈钢基材进行预活化处理，增加不锈钢基材表面的粗糙度，预处理温度60℃，时间10min；
步骤S4：以10％(体积百分比)的稀硫酸对经过步骤S3处理的不锈钢基材进行活化处理，进一步增加不锈钢基材表面的粗糙度，并使其表面形成0.5-40微米的不规则孔洞，活化温度65℃，时间10min；
步骤S5：以20％(体积百分比)的稀盐酸对经过步骤S4处理的基材进行表面蚀刻处理，使不锈钢基材表面进一步形成孔径为75-135微米的不规则孔洞，处理温度65℃，时间12min；
步骤S6：将经过步骤S5处理的不锈钢基材放入金属处理剂中进行化学表面处理，处理温度65℃，时间10min；
金属处理剂的配制：在1000份溶剂(其中水350份、乙醇650份)中，添加以下质量份数的原料：
1)有机铵盐70份，其中：苄基三乙基氯化铵70份；
2)有机酸160份，其中：顺丁烯二酸115份、酒石酸45份。
步骤S7：将经过金属处理剂处理后的、表面具有孔径0.5-135微米不规则孔洞的不锈钢放入一体化注塑成型模具内，然后对该基材具有孔洞的表面进行注射塑料，得到不锈钢与塑料一体化的复合体材料，注塑时模具温度控制在125-140℃之间。
结合强度测试：对本实施例制备方法所得到的不锈钢与塑料复合体材料用电子万能材料试验机进行抗拉强度测试，该复合体材料的抗拉强度达到20.5MPa。
实施例2：
步骤S1：提供通过机械加工形状化的不锈钢基材；
步骤S2：使用除油剂对不锈钢基材进行除油处理，除油温度为80℃，除油时间根据具体的除油效果而定；
步骤S3：以15％(体积百分比)的稀磷酸对经过步骤S2处理的不锈钢基材进行预活化处理，增加不锈钢基材表面的粗糙度，预处理温度65℃，时间12min；
步骤S4：以18％(体积百分比)的稀硫酸对经过步骤S3处理的不锈钢基材进行活化处理，进一步增加不锈钢基材表面的粗糙度，并使其表面形成0.8-45微米的不规则孔洞，活化温度60℃，时间9min；
步骤S5：以15％(体积百分比)的稀盐酸对经过步骤S4处理的基材进行表面蚀刻处理，使不锈钢基材表面进一步形成孔径为60-125微米的不规则孔洞，处理温度70℃，时间15min；
步骤S6：将经过步骤S5处理的不锈钢基材放入金属处理剂中进行化学表面处理，处理温度60℃，时间8min；
金属处理剂的配制：在1000份溶剂(其中水350份、乙醇250份、异丙醇400份)中，添加以下质量份数的原料：
1)有机铵盐100份，其中：苄基三乙基氯化铵40份、四乙基氯化铵60份；
2)有机酸70份，其中：对苯二甲酸70份。
步骤S7：将经过金属处理剂处理后的、表面具有孔径0.8-125微米不规则孔洞的不锈钢放入一体化注塑成型模具内，然后对该基材具有孔洞的表面进行注射塑料，得到不锈钢与塑料一体化的复合体材料，注塑时模具温度控制在125-140℃之间。
结合强度测试：对本实施例制备方法所得到的不锈钢与塑料复合体材料用电子万能材料试验机进行抗拉强度测试，该复合体材料的抗拉强度达到21.5MPa。
实施例3：
步骤S1：提供通过机械加工形状化的不锈钢基材；
步骤S2：使用除油剂对不锈钢基材进行除油处理，除油温度为80℃，除油时间根据具体的除油效果而定；
步骤S3：以25％(体积百分比)的稀磷酸对经过步骤S2处理的不锈钢基材进行预活化处理，增加不锈钢基材表面的粗糙度，预处理温度55℃，时间8min；
步骤S4：以20％(体积百分比)的稀硫酸对经过步骤S3处理的不锈钢基材进行活化处理，进一步增加不锈钢基材表面的粗糙度，并使其表面形成1.2-50微米的不规则孔洞，活化温度55℃，时间7min；
步骤S5：以25％(体积百分比)的稀盐酸对经过步骤S4处理的基材进行表面蚀刻处理，使不锈钢基材表面进一步形成孔径为65-128微米的不规则孔洞，处理温度55℃，时间8min；
步骤S6：将经过步骤S5处理的不锈钢基材放入金属处理剂中进行化学表面处理，处理温度60℃，时间7min；
金属处理剂的配制：在1000份溶剂(其中水300份、乙醇450份、DMF250份)中，添加以下质量份数的原料：
1)有机铵盐160份，其中：苄基三乙基氯化铵115份、四甲基氯化铵45份；
2)有机酸195份，其中：对苯二甲酸75份、草酸120份。
步骤S7：将经过金属处理剂处理后的、表面具有孔径1.2-128微米不规则孔洞的不锈钢放入一体化注塑成型模具内，然后对该基材具有孔洞的表面进行注射塑料，得到不锈钢与塑料一体化的复合体材料，注塑时模具温度控制在128-145℃之间。
结合强度测试：对本实施例制备方法所得到的不锈钢与塑料复合体材料用电子万能材料试验机进行抗拉强度测试，该复合体材料的抗拉强度达到22.4MPa。
实施例4：
步骤S1：提供通过机械加工形状化的不锈钢基材；
步骤S2：使用除油剂对不锈钢基材进行除油处理，除油温度为70℃，除油时间根据具体的除油效果而定；
步骤S3：以35％(体积百分比)的稀磷酸对经过步骤S2处理的不锈钢基材进行预活化处理，增加不锈钢基材表面的粗糙度，预处理温度50℃，时间6min；
步骤S4：以30％(体积百分比)的稀硫酸对经过步骤S3处理的不锈钢基材进行活化处理，进一步增加不锈钢基材表面的粗糙度，并使其表面形成2.5-53微米的不规则孔洞，活化温度50℃，时间6min；
步骤S5：以35％(体积百分比)的稀盐酸对经过步骤S4处理的基材进行表面蚀刻处理，使不锈钢基材表面进一步形成孔径为80-150微米的不规则孔洞，处理温度45℃，时间5min；
步骤S6：将经过步骤S5处理的不锈钢基材放入金属处理剂中进行化学表面处理，处理温度55℃，时间5min；
金属处理剂的配制：在1000份溶剂(其中水200份、甲醇550份、DMF250份)中，添加以下质量份数的原料：
1)有机铵盐200份，其中：苄基三乙基氯化铵145份、苄基三丙基氯化铵55份；
2)有机酸120份，其中：草酸85份、反式丁二酸35份。
步骤S7：将经过金属处理剂处理后的、表面具有孔径2.5-150微米不规则孔洞的不锈钢放入一体化注塑成型模具内，然后对该基材具有孔洞的表面进行注射塑料，得到不锈钢与塑料一体化的复合体材料，注塑时模具温度控制在130-145℃之间。
结合强度测试：对本实施例制备方法所得到的不锈钢与塑料复合体材料用电子万能材料试验机进行抗拉强度测试，该复合体材料的抗拉强度达到23.2MPa。
实施例5：
步骤S1：提供通过机械加工形状化的不锈钢基材；
步骤S2：使用除油剂对不锈钢基材进行除油处理，除油温度为70℃，除油时间根据具体的除油效果而定；
步骤S3：以40％(体积百分比)的稀磷酸对经过步骤S2处理的不锈钢基材进行预活化处理，增加不锈钢基材表面的粗糙度，预处理温度40℃，时间4min；
步骤S4：以35％(体积百分比)的稀硫酸对经过步骤S3处理的不锈钢基材进行活化处理，进一步增加不锈钢基材表面的粗糙度，并使其表面形成3.5-60微米的不规则孔洞，活化温度45℃，时间3min；
步骤S5：以30％(体积百分比)的稀盐酸对经过步骤S4处理的基材进行表面蚀刻处理，使不锈钢基材表面进一步形成孔径为70-142微米的不规则孔洞，处理温度50℃，时间6min；
步骤S6：将经过步骤S5处理的不锈钢基材放入金属处理剂中进行化学表面处理，处理温度45℃，时间6min；
金属处理剂的配制：在1000份溶剂(其中水400份、乙醇450份、丙酮150份)中，添加以下质量份数的原料：
1)有机铵盐240份，其中：苄基三乙基氯化铵105份、苄基三丙基氯化铵135份；
2)有机酸55份，其中：对二苯磺酸55份。
步骤S7：将经过金属处理剂处理后的、表面具有孔径3.5-142微米不规则孔洞的不锈钢放入一体化注塑成型模具内，然后对该基材具有孔洞的表面进行注射塑料，得到不锈钢与塑料一体化的复合体材料，注塑时模具温度控制在130-145℃之间。
结合强度测试：对本实施例制备方法所得到的不锈钢与塑料复合体材料用电子万能材料试验机进行抗拉强度测试，该复合体材料的抗拉强度达到21.2MPa。
此外，发明人还测试了不采用金属处理剂处理不锈钢基材的复合体材料，并且也进行结合强度测试，无金属处理剂处理不锈钢基材形成的复合体材料和采用本发明的金属处理剂处理不锈钢基材形成的复合体材料的抗拉强度测试数据对比如下表1。
表1抗拉强度测试数据对比
通过对比实验表明，不经过本发明实施例的金属处理剂处理所得到的不锈钢基材与塑料复合体材料的结合强度明显低于经过本发明实施例的金属处理剂处理所得到的不锈钢基材与塑料复合体材料的结合强度，因此通过使用本发明实施例的金属处理剂对不锈钢基材进行处理后所形成的复合体材料性能得到明显提升，从而使得复合体材料的应用范围更加广泛。
以上内容是结合具体的优选实施方式对本发明所作的进一步详细说明，不能认定本发明的具体实施只局限于这些说明。对于本发明所属技术领域的技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干等同替代或明显变型，而且性能或用途相同，都应当视为属于本发明的保护范围。
Claims (9)
1.一种金属处理剂，用于处理与塑料一体化形成复合体材料的不锈钢，其特征在于，每1000份溶剂中配有质量份数为：70-240份的有机铵盐、55-160份的有机酸剂，其中所述有机铵盐包括四甲基氯化铵、四乙基氯化铵、四丁基氯化铵、苄基三乙基氯化铵、苄基三甲基氯化铵、十二烷基苄基氯化铵、十四烷基二甲基苄基氯化铵、十六烷基苄基二甲基氯化铵、苄基三丁基氯化铵、苄基三丙基氯化铵中的一种或几种。
2.如权利要求1所述的金属处理剂，其特征在于，所述溶剂包括水、乙醇、甲醇、异丙醇、DMF、丙酮、二氯甲烷中的一种或几种。
3.如权利要求1所述的金属处理剂，其特征在于，所述有机酸剂包括顺丁烯二酸、柠檬酸、酒石酸、对二苯磺酸、邻二苯磺酸、间二苯磺酸、草酸、马来酸、丙二酸、正丁二酸、异丁二酸、对苯二甲酸、间苯二甲酸、邻苯二甲酸、反式丁二酸、以及前述有机酸的有机衍生物其中的一种或几种。
4.一种复合体材料的制备方法，用于将不锈钢和塑料一体化形成复合体材料，其特征在于，包括以下步骤：
a、对所述不锈钢进行预处理，使所述不锈钢的表面形成多个孔洞；
b、将所述不锈钢放入如权利要求1至3任一项所述的金属处理剂中进行表面化学处理；
c、对所述不锈钢进行注塑成型，以形成所述不锈钢和塑料一体化的所述复合体材料。
5.如权利要求4所述的复合体材料的制备方法，其特征在于，在步骤a之前，以体积百分比为15％-40％的稀磷酸对所述不锈钢进行预活化处理，所述预活化处理的温度为40-65℃，时间为4-12min。
6.如权利要求4所述的复合体材料的制备方法，其特征在于，步骤a包括：以体积百分比为10％-35％的稀硫酸对所述不锈钢进行活化处理，所述活化处理的温度为45-65℃，时间为3-10min，经所述活化处理的所述不锈钢表面形成孔径0.5-60微米的不规则孔洞。
7.如权利要求4所述的复合体材料的制备方法，其特征在于，步骤a包括：以体积百分比为15％-35％的稀盐酸对所述不锈钢进行表面蚀刻处理，所述表面蚀刻处理的温度为45-70℃，时间为5-15min，经所述表面蚀刻处理的所述不锈钢表面形成孔径60-150微米的不规则孔洞。
8.如权利要求4至7任一项所述的复合体材料的制备方法，其特征在于，步骤b中所述不锈钢进行表面化学处理的温度为50-75℃，时间为5-12min。
9.一种复合体材料，其特征在于，由权利要求4至8任一项所述的复合体材料的制备方法将不锈钢和塑料一体化形成。
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