CN107541059A - 一种金属‑塑料双层结合件及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种金属‑塑料双层结合件，属于金属‑塑料复合结构领域，包括铝合金金属板材层和PA66复合材料层，在组成上，PA66复合材料层包括以下重量百分含量的组分：10～30％的碳纤维，20～40％的氮化硼和余量的PA66。本发明中，碳纤维具有较高的强度和导热性能，氮化硼也具有较高的导热性能，加入碳纤维和氮化硼后有利于在聚合物PA66内部形成导热网络，提高导热性能。并且由于铝合金金属板材层和PA66复合材料层的物理化学作用，提高了金属‑塑料双层结合件的界面强度。实施例数据表明，本发明提供的金属‑塑料双层结合件热扩散系数为2.88m²/s，界面强度为5.52MPa，具有良好的导热性能和界面强度。

Description

一种金属-塑料双层结合件及其制备方法

技术领域

本发明涉及金属-塑料复合结构技术领域，特别涉及一种金属-塑料双层结合件及其制备方法。

背景技术

随着科技技术的不断发展，各类产品构件对材料的综合性能要求越来越高，如何将各种材料的优势结合在一起，使所设计的部件具有良好的导热性，且具备重量轻、强度高的特点，一直是现今产品设计者的热门研讨的话题之一。

现有技术中，关于金属-塑料复合结构的导热性能的研究较少，金属-塑料复合结构普遍存在导热性不佳的问题。如CN101578018A公开了以金属本体作为嵌件通过注入熔融的塑料冷却后成型，塑料部的材料选自液晶高分子聚合物、聚苯硫醚、聚对苯二甲酸丁二醇酯，但是并未提到结合件的导热性能；CN201726613U公开了以塑料件为壳体，塑料件的内表面有一黏着层，金属膜层以粉状金属材料喷涂与塑料件内表面的黏着层上，经高温热熔冷却后成型，但是没有提及金属与塑料结合件的导热性；CN103673739A公开了导热塑料层的材料为聚合物以及经过改性的聚合物基复合材料，通过塑料加工的微纳米结构提高散热效率，但是没有提及金属与塑料结合件的导热性。

发明内容

本发明的目的在于提供一种金属-塑料双层结合件及其制备方法。本发明提供的金属-塑料双层结合件具有较高的导热性能和界面强度。

本发明提供了一种金属-塑料双层结合件，包括铝合金金属板材层和PA66复合材料层，在组成上，所述PA66复合材料层包括以下重量百分含量的组分：10～30％的碳纤维，20～40％的氮化硼以及余量的PA66。

优选地，所述碳纤维的直径为5～20μm，所述碳纤维的长度为0.5～6mm。

优选地，所述氮化硼为六方片状结构。

优选地，所述氮化硼的厚度为100～300nm，所述氮化硼的直径5～35μm。

优选地，所述铝合金金属板材层的厚度为0.5～3mm。

优选地，所述PA66复合材料层的厚度为0.5～2mm。

本发明还提供了上述技术方案所述金属-塑料双层结合件的制备方法，包括以下步骤：

将碳纤维与氮化硼以及PA66混合，得到PA66复合材料；

将铝合金金属板进行表面处理，得到表面具有微孔的金属板；

对所述表面具有微孔的金属板进行等离子体活化，得到活化金属板；

将所述PA66复合材料在所述活化金属板表面注射成型，得到成型试样；

将成型试样进行保温处理，得到金属-塑料双层结合件。

优选地，所述微孔的直径为40nm～20μm。

优选地，所述等离子体活化的介质为氧气或空气；所述等离子体活化的功率为270～330V，所述等离子体活化的时间为1～5min。

优选地，所述注射成型的注射压力为90～140MPa，注射成型的保压压力为80～120MPa，注射成型的保压时间为20～60s。

本发明提供的金属-塑料双层结合件，包括铝合金金属板材层和PA66复合材料层，所述PA66复合材料层由包括以下重量百分含量的成分构成：10～30％的碳纤维，20～40％的氮化硼以及余量的PA66。本发明中，碳纤维具有较高的强度和导热性能，氮化硼也具有较高的导热性能，加入碳纤维和氮化硼后有利于在聚合物PA66内部形成导热网络，提高导热性能。并且由于铝合金金属板材层和PA66复合材料层的物理化学作用，提高了金属-塑料双层结合件的界面强度。实施例的试验数据表明，本发明提供的金属-塑料双层结合件的热扩散系数为2.88m²/s，界面强度为5.52MPa，具有良好的导热性能和界面强度。

并且，本发明提供的金属-塑料双层结合件的制备方法通过对铝合金金属板进行表面处理、等离子体活化以及对成型试样进行保温处理进一步提高了金属-塑料双层结合件的界面强度，表面处理能够增加金属板层表面与PA66复合材料层的接触面积，并形成机械嵌合作用；等离子体活化使金属板层表面接枝较多的羟基(-OH)，能提高金属表面的润湿性，并使羟基与PA66复合材料层中酰胺基发生化学反应以氢键形成结合而相互吸附，提高金属表面与塑料的结合力；对成型试样进行保温处理能够充分消除PA66复合材料与金属层结合时产生的应力，提高结合强度。

附图说明

图1是本发明实施例1制得的金属-塑料双层结合件结构示意图；

图2是本发明实施例1制得的表面具有微孔的金属层的SEM图；

图3是本发明实施例1制得的PA66复合材料层断面形貌的SEM图。

具体实施方式

本发明提供了一种金属-塑料双层结合件，包括铝合金金属板材层和PA66复合材料层，在组成上，所述PA66复合材料层包括以下重量百分含量的组分：10～30％的碳纤维，20～40％的氮化硼以及余量的PA66。

本发明中，所述PA66复合材料层包括10～30％重量百分含量的碳纤维，优选为20～25％。在本发明中，所述碳纤维的直径优选为5～20μm，更优选为10～15μm；所述碳纤维的长度优选为0.5～6mm，更优选为1～5mm，最优选为2～3mm。本发明中，碳纤维具有较高的强度和导热性能，加入碳纤维后有利于在聚合物PA66内部形成导热网络，提高导热性能，还能够提高PA66与铝合金金属板材之间的界面结合力。

本发明中，所述PA66复合材料层包括20～40％重量百分含量的氮化硼，优选为30～35％。在本发明中，所述氮化硼优选为六方片状结构。本发明中，所述氮化硼的厚度优选为100～300nm，更优选为150～250nm；所述氮化硼的直径优选5～35μm，更优选10～25μm，最优选15～20μm。本发明中，氮化硼具有较高的强度和导热性能，加入氮化硼后有利于在聚合物PA66内部形成导热网络，进一步提高导热性能，还能够提高PA66与铝合金金属板材之间的界面结合力。

在本发明中，所述铝合金金属板材层的厚度优选为0.5～3mm，更优选为1～2mm。在本发明中，所述铝合金金属板材层优选为牌号为2024，6063或7075的高强度铝合金金属板。

在本发明中，所述PA66复合材料层的厚度优选为0.5～2mm，更优选为1mm。

本发明还提供了上述技术方案所述金属-塑料双层结合件的制备方法，包括以下步骤：

将碳纤维与氮化硼以及PA66混合，得到PA66复合材料；

将铝合金金属板进行表面处理，得到表面具有微孔的金属板；

对所述表面具有微孔的金属板进行等离子体活化，得到活化金属板；

将所述PA66复合材料在所述活化金属板表面注射成型，得到成型试样；

将成型试样进行保温处理，得到金属-塑料双层结合件。

本发明将碳纤维与氮化硼以及PA66混合，得到PA66复合材料。在本发明中，所述PA66复合材料的湿度优选为小于0.2％。本发明对所述碳纤维、氮化硼以及PA66的加料顺序没有特殊的限定，采用本领域技术人员熟知的加料顺序即可，具体的，如将碳纤维和氮化硼同时加入PA66中。

本发明对所述混合的具体方式没有特殊的限定，采用本领域技术人员熟知的混合方式即可，具体的，如机械搅拌。本发明对机械搅拌的转速以及时间没有特殊的限定，能够保证PA66复合材料的原料混合均匀即可。

混合完成后，本发明优选将混合物挤出造粒，得到PA66复合材料。在本发明中，所述挤出造粒优选在双螺旋挤出机中进行。本发明中，所述双螺旋挤出机优选包括5～8个温区，所述各温区的温度独立的优选为230～280℃，更优选为250～260℃；所述双螺旋挤出机的螺杆转速优选为80～150rpm，更优选为100～120rpm。在本发明中，对混合物进行挤出造粒有利于碳纤维在PA66中的均匀分布和良好的长径比分布，且有利于后期添加到注射模具中。

本发明将铝合金金属板进行表面处理，得到表面具有微孔的金属板。本发明对所述表面处理的具体方式没有特殊的限定，采用本领域技术人员熟知能够在金属板表面形成微孔的表面处理方式即可，具体的，如阳极氧化或喷砂处理。在本发明中，所述微孔的直径优选为40nm～20μm，更优选为100nm～10μm，最优选为500nm～5μm。本发明中，所述表面处理能够增加金属板层表面与PA66复合材料层的接触面积，并形成机械嵌合作用，提高金属板层与PA66复合材料层的界面强度。

在本发明中，所述表面处理前，优选包括对铝合金金属板进行预处理。本发明中，所述预处理优选依次包括水洗、除油以及洗涤。本发明对所述水洗的具体方式没有特殊的限定，采用本领域技术人员熟知的水洗方式即可。在本发明中，所述水洗能够除去铝合金金属板表面的铁屑污渍。

水洗完成后，本发明对水洗后的铝合金金属板除油。本发明对所述除油的具体方式没有特殊的限定，采用本领域技术人员熟知的除油方式即可，具体的，如用质量百分数为5％的氢氧化钠溶液浸泡所述水洗后的铝合金金属板。在本发明中，所述浸泡优选在超声条件下进行，本发明对所述超声的功率、时间没有特殊的限定，采用本领域技术人员熟知的、能够充分除去铝合金金属板表面的油污即可。

除油完成后，本发明将除油产物进行洗涤。在本发明中，所述洗涤使用的溶剂优选包括弱酸性溶液、丙酮或乙醇中的一种。在本发明中，所述弱酸性溶液优选包括碳酸溶液和醋酸溶液。本发明中，所述洗涤能够除去铝合金金属板表面残余的氢氧化钠。

得到表面具有微孔的金属板后，本发明对所述金属板进行等离子体活化，得到活化金属板。本发明对所述等离子体活化的具体方式没有特殊的限定，采用本领域技术人员熟知的方式即可，具体的，如在等离子体活化机中进行。在本发明中，所述等离子体活化的介质优选为氧气或空气；所述等离子体活化的功率优选为270～330V，更优选为290～320V，最优选为300～310V；所述等离子体活化的时间优选为1～5min，更优选为3～4min。在本发明中，所述等离子体活化使金属板层表面接枝较多的羟基(-OH)，能提高金属表面的润湿性，并使羟基与PA66中酰胺基产生化学反应以氢键形成结合而相互吸附，提高金属表面与塑料的结合力。

得到活化金属板后，本发明将所述PA66复合材料在所述活化金属板表面注射成型，得到成型试样。本发明优选将活化金属板置于注射模具中，将PA66复合材料通过模具的浇注系统在所述活化金属板表面注射成型。在本发明中，所述注射模具优选为预热，所述预热的温度优选为120～150℃，更优选为130～140℃。在本发明中，所述PA66复合材料注射时的熔融温度优选为260～290℃，更优选为270～280℃。在本发明中，所述注射成型的注射压力优选为90～140MPa，更优选为100～120MPa。在本发明中，所述注射成型的保压压力优选为80～120MPa，更优选为90～110MPa，最优选为100～105MPa；所述注射成型的保压时间优选为20～60s，更优选为30～40s。

得到成型试样后，本发明将成型试样进行保温处理，得到金属-塑料双层结合件。在本发明中，所述保温处理的温度优选为130～160℃，更优选为140～150℃；所述保温处理的时间优选为60～120s，更优选为80～100s。在本发明中，所述保温处理能够充分消除PA66复合材料与金属层结合时产生的应力，提高结合强度。

为了进一步说明本发明，下面结合实施例对本发明提供的金属-塑料双层结合件及其制备方法进行详细地描述，但不能将它们理解为对本发明保护范围的限定。

实施例1:

将PA6645份，碳纤维(直径5μm，长度0.5mm)20份，六方片状氮化硼BN(直径5μm，厚度100nm)35份，混合均匀后，加入双螺杆挤出机的加料口，双螺杆挤出机的5个挤出温区的温度为270℃，挤出螺杆转速为80rpm，进行挤出造粒。

选取2mm×Ф12.7mm的铝合金6063板材，用去离子水洗去机加工后铝片表面的铁屑污渍，铝片置于质量分数为5％NaOH溶液中，使溶液浸没铝片试样，超声波震荡5分钟后取出。然后将震荡后的铝片放入丙酮中，浸泡30s，去除表面残存NaOH溶液，然后将铝合金板材进行阳极氧化微孔处理，得到微孔的直径为40nm的金属板。

将等离子清洗机调压器调制270V，将上述金属板放置在处理平台上，在气体种类为氧气的条件下进行等离子清洗，1min后关掉电源并取出金属板材料进行干燥封装。

将处理好的金属板材放置入注射模具中，利用注射机将PA66复合材料通过模具内设定的浇注系统，直接在金属板表面注射成型，设置PA66复合材料浇筑时的温度为260℃，模具温度120℃，注射压力110MPa，保压压力为80MPa，保压时间20s，然后在130℃下保温60s，得到3mm的金属-塑料双层结合件，铝合金金属板材层的厚度为2mm，PA66复合材料层的厚度为1mm。

实施例1制得的金属-塑料双层结合件的示意图如图1所示。

对实施例1制得的表面具有微孔的金属层进行扫描电镜分析，结果如图2所示，由图2可以看出，金属表面微孔结构分布均匀，微孔直径300nm。

对实施例1制得的PA66复合材料层进行冷冻脆断，对断面形貌进行SEM测试，结果如图3所示，由图3可以看出，片状氮化硼和碳纤维可均匀分散在复合材料中，氮化硼与碳纤维的协同作用有利于在复合材料中形成导热网络，提高材料导热性。

按照ASTME1461对实施例1制得的金属-塑料双层结合件的扩散系数进行测试，按照ASTMD1002对实施例1制得的金属-塑料双层结合件以及未经过等离子活化的铝板的界面强度测试，结果如表1所示。

实施例2:

将PA6645份，碳纤维(直径20μm，长度6mm)25份，六方片状氮化硼BN(直径35μm，厚度300nm)30份，混合均匀后，加入双螺杆挤出机的加料口，双螺杆挤出机的8个挤出温区的温度为260℃，挤出螺杆转速为150rpm，进行挤出造粒。

选取2mm×Ф12.7mm的铝合金6063板材，用去离子水洗去机加工后铝片表面的铁屑污渍，铝片置于质量分数为5％NaOH溶液中，使溶液浸没铝片试样，超声波震荡5分钟后取出。然后将震荡后的铝片放入丙酮中，浸泡30s，去除表面残存NaOH溶液，然后将铝合金板材进行微弧氧化微孔处理，得到微孔的直径为20μm的金属板。

将等离子清洗机调压器调制330V，将上述金属板放置在处理平台上，在气体种类为空气的条件下进行等离子清洗，5min后关掉电源并取出金属板材料进行干燥封装。

将处理好的金属板材放置入注射模具中，利用注射机将PA66复合材料通过模具内设定的浇注系统，直接在金属板表面注射成型，设置PA66复合材料浇筑时的温度为290℃，模具温度150℃，注射压力90MPa，保压压力为120MPa，保压时间60s，然后在160℃下保温120s，得到3mm的金属-塑料双层结合件，铝合金金属板材层的厚度为2mm，PA66复合材料层的厚度为1mm。

按照ASTME1461对实施例2制得的金属-塑料双层结合件的扩散系数进行测试，按照ASTMD1002对实施例2制得的金属-塑料双层结合件以及未经过等离子活化的铝板的界面强度测试，结果如表1所示。

实施例3:

将PA6665份，碳纤维(直径10μm，长度1mm)15份，六方片状氮化硼BN(直径25μm，厚度150nm)20份，混合均匀后，加入双螺杆挤出机的加料口，双螺杆挤出机的8个挤出温区的温度为260℃，挤出螺杆转速为100rpm，进行挤出造粒。

选取2mm×Ф12.7mm的铝合金6063板材，用去离子水洗去机加工后铝片表面的铁屑污渍，铝片置于质量分数为5％NaOH溶液中，使溶液浸没铝片试样，超声波震荡5分钟后取出。然后将震荡后的铝片放入丙酮中，浸泡30s，去除表面残存NaOH溶液，然后将铝合金板材进行阳极氧化微孔处理，得到微孔的直径为100nm的金属板。

将等离子清洗机调压器调制290V，将上述金属板放置在处理平台上，在气体种类为空气的条件下进行等离子清洗，3min后关掉电源并取出金属板材料进行干燥封装。

将处理好的金属板材放置入注射模具中，利用注射机将PA66复合材料通过模具内设定的浇注系统，直接在金属板表面注射成型，设置PA66复合材料浇筑时的温度为270℃，模具温度130℃，注射压力140MPa，保压压力为100MPa，保压时间30s，然后在150℃下保温100s，得到3mm的金属-塑料双层结合件，铝合金金属板材层的厚度为1mm，PA66复合材料层的厚度为2mm。

按照ASTME1461对实施例3制得的金属-塑料双层结合件的扩散系数进行测试，按照ASTMD1002对实施例3制得的金属-塑料双层结合件以及未经过等离子活化的铝板的界面强度测试，结果如表1所示。

实施例4:

将PA6660份，碳纤维(直径15μm，长度5mm)20份，六方片状氮化硼BN(直径10μm，厚度250nm)20份，混合均匀后，加入双螺杆挤出机的加料口，双螺杆挤出机的8个挤出温区的温度为280℃，挤出螺杆转速为120rpm，进行挤出造粒。

选取2mm×Ф12.7mm的铝合金6063板材，用去离子水洗去机加工后铝片表面的铁屑污渍，铝片置于质量分数为5％NaOH溶液中，使溶液浸没铝片试样，超声波震荡5分钟后取出。然后将震荡后的铝片放入丙酮中，浸泡30s，去除表面残存NaOH溶液，然后将铝合金板材进行微弧氧化微孔处理，得到微孔的直径为10μm的金属板。

将等离子清洗机调压器调制320V，将上述金属板放置在处理平台上，在气体种类为空气的条件下进行等离子清洗，4min后关掉电源并取出金属板材料进行干燥封装。

将处理好的金属板材放置入注射模具中，利用注射机将PA66复合材料通过模具内设定的浇注系统，直接在金属板表面注射成型，设置PA66复合材料浇筑时的温度为280℃，模具温度140℃，注射压力130MPa，保压压力为90MPa，保压时间50s，然后在140℃下保温80s，得到3mm的金属-塑料双层结合件，铝合金金属板材层的厚度为1mm，PA66复合材料层的厚度为2mm。

按照ASTME1461对实施例4制得的金属-塑料双层结合件的扩散系数进行测试，按照ASTMD1002对实施例4制得的金属-塑料双层结合件以及未经过等离子活化的铝板的界面强度测试，结果如表1所示。

表1实施例1～4金属-塑料双层结合件的性能测试结果

由表1的数据可以看出，本发明制得的金属-塑料双层结合件具有良好的导热性能和界面强度。同时，由表1可以看出，经过等离子活化后制得的金属-塑料双层结合件的界面强度明显增加。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，并非对本发明作任何形式上的限制。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种金属-塑料双层结合件，包括铝合金金属板材层和PA66复合材料层，在组成上，所述PA66复合材料层包括以下重量百分含量的组分：10～30％的碳纤维，20～40％的氮化硼以及余量的PA66。

2.根据权利要求1所述的金属-塑料双层结合件，其特征在于，所述碳纤维的直径为5～20μm，所述碳纤维的长度为0.5～6mm。

3.根据权利要求1所述的金属-塑料双层结合件，其特征在于，所述氮化硼为六方片状结构。

4.根据权利要求3所述的金属-塑料双层结合件，其特征在于，所述氮化硼的厚度为100～300nm，所述氮化硼的直径5～35μm。

5.根据权利要求1所述的金属-塑料双层结合件，其特征在于，所述铝合金金属板材层的厚度为0.5～3mm。

6.根据权利要求1或5所述的金属-塑料双层结合件，其特征在于，所述PA66复合材料层的厚度为0.5～2mm。

7.权利要求1～6任意一项所述金属-塑料双层结合件的制备方法，包括以下步骤：

将碳纤维与氮化硼以及PA66混合，得到PA66复合材料；

将铝合金金属板进行表面处理，得到表面具有微孔的金属板；

对所述表面具有微孔的金属板进行等离子体活化，得到活化金属板；

将所述PA66复合材料在所述活化金属板表面注射成型，得到成型试样；

将成型试样进行保温处理，得到金属-塑料双层结合件。

8.根据权利要求7所述的制备方法，其特征在于，所述微孔的直径为40nm～20μm。

9.根据权利要求7所述的制备方法，其特征在于，所述等离子体活化的介质为氧气或空气；所述等离子体活化的功率为270～330V，所述等离子体活化的时间为1～5min。

10.根据权利要求7所述的制备方法，其特征在于，所述注射成型的注射压力为90～140MPa，注射成型的保压压力为80～120MPa，注射成型的保压时间为20～60s。