CN106217748B - 一种金属与塑胶一体结构及其制造方法 - Google Patents

一种金属与塑胶一体结构及其制造方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种金属与塑胶一体结构及其制造方法，制造方法包括以下步骤：S1，清洗金属基体表面；S2，对所述金属基体表面进行纳米造孔处理；S3，将步骤S2处理后的所述金属基体置于处理液中进行电化学处理镀膜；其中所述处理液为咪唑衍生物，硫酸钠，乙酸和水的混合液，按重量计算，咪唑衍生物：硫酸钠：乙酸：水的配比为20～25g：1～3g：5～10g：60～70g；所述处理液的pH值为4～5；电化学处理时，电流控制在3～10A，电压为8～15V，处理时间为10～20min；镀膜处理后进行烘干；S4，将步骤S3处理后的金属基体放入注塑模具中注塑塑胶，制得金属与塑胶一体结构。本发明制得的一体结构中金属与塑胶的结合强度更高，性能更稳定。

Description

一种金属与塑胶一体结构及其制造方法
【技术领域】
本发明涉及金属与塑胶的注塑工艺，特别是涉及一种金属与塑胶一体结构及其制造方法。
【背景技术】
随着电子3C产品和家用电器的多样化发展，市场越来越多地使用到金属和塑胶结合的产品，对不锈钢和塑胶结合的性能和精度要求越来越高。由于传统的金属和塑胶粘合技术的结合力差，无法满足产品的实际使用要求，应用受到限制，已经被市场逐步淘汰。目前纳米微孔成型技术在金属与塑胶结合方面因为结合强度较高，性能更稳定，后加工工艺简单，加工效率高，已经越来越受到市场的青睐。纳米微孔注塑技术(NMT)即金属与塑胶以纳米技术结合的方法。先将金属表面经过纳米孔化处理后，塑胶直接注射成型在金属表面，让金属与塑胶一体成型的方法。该技术主要是金属表面纳米孔化处理，塑胶与金属结合，统称纳米微孔成型技术。目前金属的纳米微孔成型技术的结合力已经能够满足市场需要，但是，随着市场的成熟和发展，对纳米成型技术的要求越来越高。而现有技术中得到的金属与塑胶一体结构，仍然有一定的局限性，因此在技术方面还需做进一步的改善和创新。
【发明内容】
本发明所要解决的技术问题是：弥补上述现有技术的不足，提出一种金属与塑胶一体结构及其制造方法，制得的一体结构中金属与塑胶的结合强度更高，性能更稳定。
本发明的技术问题通过以下的技术方案予以解决：
一种金属与塑胶一体结构的制造方法，包括以下步骤：S1，清洗金属基体表面；S2，对所述金属基体表面进行纳米造孔处理；S3，将步骤S2处理后的所述金属基体置于处理液中进行电化学处理镀膜；其中所述处理液为咪唑衍生物，硫酸钠，乙酸和水的混合液，按重量计算，咪唑衍生物：硫酸钠：乙酸：水的配比为20～25g：1～3g：5～10g：60～70g；所述处理液的pH值为4～5；电化学处理时，电流控制在3～10A，电压为8～15V，处理时间为10～20min；镀膜处理后进行烘干；S4，将步骤S3处理后的金属基体放入注塑模具中注塑塑胶，制得金属与塑胶一体结构。
一种根据如上所述的制造方法制得的金属与塑胶的一体结构。
本发明与现有技术对比的有益效果是：
本发明的金属与塑胶一体结构及其制造方法，先在金属表面造孔处理，形成孔径为50～100nm大小的纳米孔，再通过特殊处理液的电化学处理形成一层与金属结合的膜，该膜在注塑后可与塑胶产生化学反应并融合为一体。整个塑胶金属结构形成一体结构，金属与塑胶之间通过膜结构的实现化学键的连接，结合强度较高，其结合性能优异，性能更稳定。经验证，本发明的一体结构中，塑胶金属的抗拉强度达到30MP以上，比现有技术的塑胶金属一体结构的结合强度(一般在15～22MP范围)更高，加工特性也较稳定。本发明的制作过程加工效率高，成本也低，更适用于制造复杂的结构件。
【附图说明】
图1是本发明具体实施方式的金属与塑胶一体结构的制造方法的流程图；
图2是本发明具体实施方式的制造过程中金属基体表面造孔处理后的微观示意图；
图3是本发明具体实施方式的制造过程中金属基体表面镀膜后的微观示意图。
【具体实施方式】
下面结合具体实施方式并对照附图对本发明做进一步详细说明。
本发明的构思是：在金属表面纳米造孔的基础上再镀膜处理，以改善注塑后的结合强度。本发明先通过造孔，形成具有一定孔径大小的纳米孔，接着再通过特殊处理液电化学处理，在纳米孔洞表面形成一层结合膜，之后放入注塑模具中注塑。
如图1所示，为本具体实施方式的制造方法的流程图，包括以下步骤：
S1，清洗金属基体表面。
具体地，清洗时，可用除油剂或清洁剂清洗金属基体，以达到除去表面油污，然后清洗烘干；接着，将金属基体放入到配置的酸液中处理表面，其中所述酸液为硫酸、硝酸、盐酸和磷酸中的一种或者多种的混合。最后，用清水超声清洗至中性。
S2，对所述金属基体表面进行纳米造孔处理。
通过造孔处理，形成孔径为50～100nm的纳米孔径，使得金属基体表面具有一定的表面粗糙度。如图2所示，为造孔处理后的金属表面的微观结构示意图。从图中可知，表面分布纳米孔，纳米孔径在50～100nm的范围。
纳米造孔处理的方法较多，优选地，采用如下方式进行造孔处理：将所述金属基体置于混合酸液中进行化学腐蚀造孔处理，所述混合酸液包括按体积比，8～10份的A组分、0.5～1份的B组分和0.5～1份的C组分，所述A组分为硫酸、盐酸、硝酸中的一种或者多种的混合，所述B组分为缓冲溶液，所述C组分为弱氧化性溶液；化学腐蚀的处理时间为10～20min，处理时的温度在60～70℃。其中，B组分为氯化钾溶液、氯化钠溶液中的一种或者多种的混合。C组分为氯化铁溶液、氯化铜溶液、氯化锌溶液中的一种或者多种的混合。通过该化学腐蚀进行造孔处理，造孔速度均匀，孔径纳米大小一致，形成的纳米孔均匀一致性强，便于后续镀膜形成的膜层较均匀。
S3，将步骤S2处理后的所述金属基体置于处理液中进行电化学处理镀膜；其中所述处理液为咪唑衍生物，硫酸钠，乙酸和水的混合液，按重量计算，咪唑衍生物：硫酸钠：乙酸：水的配比为20～25g：1～3g：5～10g：60～70g；所述处理液的pH值为4～5；电化学处理时，电流控制在3～10A，电压为8～15V，处理时间为10～20min；镀膜处理后进行烘干。
该步骤中，通过特殊处理液电化学处理，在纳米孔洞表面形成一层结合膜。特殊处理液中的咪唑衍生物与金属表面的金属分子通过电解产生化学反应，形成共价偶联作用。通过上述电化学镀膜处理，在金属表面可形成一层厚度在30～80nm的膜层。如图3所示，为金属表面镀膜后的示意图，图中所示膜层与金属通过共轭电子对作用结合在一起，结合紧密。
该步骤中，咪唑衍生物可选用油酸基羟乙基咪唑啉或2-巯基-5-甲氧基苯并咪唑。
S4，将步骤S3处理后的金属基体放入注塑模具中注塑塑胶，制得金属与塑胶一体结构。
该步骤中，在镀膜后的金属基体上注塑塑胶。塑胶中含有羟基基团。当塑胶注塑到镀膜的金属基体表面时，塑胶中羟基基团与膜层中的有效成分咪唑衍生物中的氨基产生反应，形成共价键，从而反应融合为一体。塑胶可优选为PBT或者PPS。
通过步骤S3和S4，上述特殊处理液中的咪唑衍生物在电解的状态下与金属产生化学反应，形成一层薄薄的膜。在注塑塑胶时，膜层又与塑胶产生化学反应融合为一体，这样不锈钢、膜和塑胶形成一体结构。一体结构中的膜的作用是与金属、塑胶反应都形成化学键，从而增强金属和塑胶的结合，结合强度比当前锚栓作用的纳米微孔技术结合强度要高。制得的一体结构结合强度高，性能更稳定，可适用于制造复杂的结构件。
如下，通过设置具体实验例以验证本具体实施方式的制造方法制得的金属塑胶一体结构的抗拉强度性能。
实验例1
材料以及设备：不锈钢基体304，除油粉402，15％硫酸溶液，30％盐酸溶液，20g/L氯化钠溶液，20g/L氯化锌，油酸基羟乙基咪唑啉，硫酸钠，乙酸，去离子水，30％玻璃纤维改性PBT，注塑机，电子万用拉力试验机。
制造过程如下：
清洗：将除油粉与水配比成5％～10％的溶液，然后将不锈钢基体放入到除油粉的溶液中，超声清洗5～10分钟。然后用清水清洗干净烘干。接着将不锈钢基体放入到15％硫酸溶液中处理，反应10～15min，水浴温度60～70℃，最后用清水超声清洗至中性。
纳米造孔处理：将30％盐酸溶液，20g/L氯化钠溶液和20g/L氯化锌按体积比为10份：0.5份：0.5份的比例配比成溶液，然后将烘干的不锈钢基体放入其中，将腐蚀造孔系统置于水浴环境中，反应时间10～20min，水浴温度60～70℃，然后用清水超声清洗不锈钢基体至中性。
电化学镀膜：将油酸基羟乙基咪唑啉，硫酸钠，乙酸和去离子水按25g：2g：8g：65g的质量比配成电解液，放入电解槽，PH值控制在4～5之间。然后将上述清洗后的不锈钢基体放入电解槽阳极上，水浴温度45～55度，电压为10V，电流5A，反应时间10～15min，然后用清水清洗后放入烤箱中烘干。
注塑：将处理好的不锈钢基体放入注塑模具中注塑塑胶。模具温度控制在120～140℃，使得30％玻璃纤维改性PBT便于流动和成型，成型5～20s，制得不锈钢与塑胶一体结构。
使用电子万用拉力试验机对该一体结构进行抗拉强度测试，测得抗拉强度能够达到30.5MP。
实验例2
材料以及设备：不锈钢基体316，除油粉402，20％盐酸溶液，25％硫酸溶液，25g/L氯化钾溶液，20g/L氯化铁，2-巯基-5-甲氧基苯并咪唑，硫酸钠，乙酸，去离子水，30％玻璃纤维改性PBT，注塑机，电子万用拉力试验机。
制造过程如下：
清洗：将除油粉与水配比成5％～10％的溶液，然后将不锈钢基体放入到除油粉的溶液中，超声清洗5～10分钟。然后用清水清洗干净烘干。接着将不锈钢基体放入到20％盐酸溶液中处理，反应10～15min，水浴温度60～70℃，最后用清水超声清洗至中性。
纳米造孔处理：将25％硫酸溶液，25g/L氯化钾溶液和20g/L氯化铁按体积比为8份：1份：1份的比例配比成溶液，然后将烘干的不锈钢基体放入其中，将腐蚀造孔系统置于水浴环境中，反应时间10～20min，水浴温度60～70℃，然后用清水超声清洗不锈钢基体至中性。
电化学镀膜：将2-巯基-5-甲氧基苯并咪唑，硫酸钠，乙酸和去离子水按20g：1g：5g：60g的质量比配成电解液，放入电解槽，PH值控制在4～5之间。然后将上述清洗后的不锈钢基体放入电解槽阳极上，水浴温度45～55度，电压为10V，电流6A，反应时间10～15min，然后用清水清洗后放入烤箱中烘干。
注塑：将处理好的不锈钢基体放入注塑模具中注塑塑胶。模具温度控制在120～140℃，使得30％玻璃纤维改性PBT便于流动和成型，成型5～20s，制得不锈钢与塑胶一体结构。
使用电子万用拉力试验机对该一体结构进行抗拉强度测试，测得抗拉强度能够达到31.2MP。
实验例3
材料以及设备：不锈钢基体316，除油粉402，20％硝酸溶液，25％硫酸溶液，25g/L氯化钾溶液，20g/L氯化铜，油酸基羟乙基咪唑啉，硫酸钠，乙酸，去离子水，30％玻璃纤维改性PBT，注塑机，电子万用拉力试验机。
制造过程如下：
清洗：将除油粉与水配比成5％～10％的溶液，然后将不锈钢基体放入到除油粉的溶液中，超声清洗5～10分钟。然后用清水清洗干净烘干。接着将不锈钢基体放入到20％硝酸溶液中处理，反应10～15min，水浴温度60～70℃，最后用清水超声清洗至中性。
纳米造孔处理：将25％硫酸溶液，25g/L氯化钾溶液和20g/L氯化铜按体积比为8份：1份：0.5份的比例配比成溶液，然后将烘干的不锈钢基体放入其中，将腐蚀造孔系统置于水浴环境中，反应时间10～20min，水浴温度60～70℃，然后用清水超声清洗不锈钢基体至中性。
电化学镀膜：将油酸基羟乙基咪唑啉，硫酸钠，乙酸和去离子水按25g：2g：5g：60g的质量比配成电解液，放入电解槽，PH值控制在4～5之间。然后将上述清洗后的不锈钢基体放入电解槽阳极上，水浴温度45～55度，电压为10V，电流5A，反应时间10～15min，然后用清水清洗后放入烤箱中烘干。
注塑：将处理好的不锈钢基体放入注塑模具中注塑塑胶。模具温度控制在120～140℃，使得30％玻璃纤维改性PBT便于流动和成型，成型5～20s，制得不锈钢与塑胶一体结构。
使用电子万用拉力试验机对该一体结构进行抗拉强度测试，测得抗拉强度能够达到31.5MP。
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普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下做出若干替代或明显变型，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 (10)

1.一种金属与塑胶一体结构的制造方法，其特征在于：包括以下步骤：S1，清洗金属基体表面；S2，对所述金属基体表面进行纳米造孔处理；S3，将步骤S2处理后的所述金属基体置于处理液中进行电化学处理镀膜；其中所述处理液为咪唑衍生物，硫酸钠，乙酸和水的混合液，按重量计算，咪唑衍生物：硫酸钠：乙酸：水的配比为20~25g：1~3g：5~10g：60~70g；所述处理液的pH值为4~5；电化学处理时，电流控制在3~10A，电压为8~15V，处理时间为10~20min；镀膜处理后进行烘干；S4，将步骤S3处理后的金属基体放入注塑模具中注塑塑胶，制得金属与塑胶一体结构。
2.根据权利要求1所述的金属与塑胶一体结构的制造方法，其特征在于：步骤S2中，将所述金属基体置于混合酸液中进行化学腐蚀造孔处理，所述混合酸液包括按体积比，8~10份的A组分、0.5~1份的B组分和0.5~1份的C组分，所述A组分为硫酸、盐酸、硝酸中的一种或者多种的混合，所述B组分为缓冲溶液，所述C组分为弱氧化性溶液；化学腐蚀的处理时间为10~20min，处理时的温度在60~70℃。
3.根据权利要求2所述的金属与塑胶一体结构的制造方法，其特征在于：所述B组分为氯化钾溶液、氯化钠溶液中的一种或者多种的混合。
4.根据权利要求2所述的金属与塑胶一体结构的制造方法，其特征在于：所述C组分为氯化铁溶液、氯化铜溶液、氯化锌溶液中的一种或者多种的混合。
5.根据权利要求1所述的金属与塑胶一体结构的制造方法，其特征在于：步骤S3中，所述咪唑衍生物为油酸基羟乙基咪唑啉或2-巯基-5-甲氧基苯并咪唑。
6.根据权利要求1所述的金属与塑胶一体结构的制造方法，其特征在于：步骤S4中，所述塑胶为PBT或者PPS。
7.根据权利要求1所述的金属与塑胶一体结构的制造方法，其特征在于：步骤S1中，用除油剂或清洁剂清洗金属基体以除去表面油污，清洗烘干后，将金属基体放入到酸液中处理表面，最后用清水超声清洗至中性。
8.根据权利要求7所述的金属与塑胶一体结构的制造方法，其特征在于：所述酸液为硫酸、硝酸、盐酸和磷酸中的一种或者多种的混合。
9.根据权利要求1所述的金属与塑胶一体结构的制造方法，其特征在于：所述金属基体为不锈钢基体。
10.一种根据权利要求1~9任一项所述的制造方法制得的金属与塑胶的一体结构。
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