CN113459396A - 一种聚合物-钢复合材料及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种聚合物‑钢复合材料及其制备方法，涉及金属聚合物复合技术领域。本发明提供了一种聚合物‑钢复合材料的制备方法，包括以下步骤：对钢进行第一次退火，得到退火态钢；将所述退火态钢进行喷砂处理，得到喷砂处理钢；将所述喷砂处理钢加热后进行表面硅烷化处理，得到表面改性钢；对所述表面改性钢进行聚合物注塑，得到复合体；将所述复合体进行第二次退火，得到聚合物‑钢复合材料。实验结果表明，本发明提供的制备方法制备的聚合物‑钢复合材料的拉伸剪切强度为13.75～17.78MPa。

Description

一种聚合物-钢复合材料及其制备方法
技术领域
本发明属于金属聚合物复合技术领域，具体涉及一种聚合物-钢复合材料及其制备方法。
背景技术
近年来，为满足复杂、苛刻的使用环境，复合材料可通过不同材料的互补获得单一材料所不能达到的综合性能，从而被广泛应用在工程轻量化、航空航天和海洋工程等各个行业领域。其中，聚合物与钢复合材料由于其强度高，质量轻，生产成本低逐渐替代传统材料，广泛用于航空航天和汽车行业。
目前，聚合物-钢复合材料的制备方法主要是对钢试样进行喷砂，然后借助注塑工艺，通过注射系统将熔融的聚合物注射到钢试样表面，完成聚合物与钢试样的结合。此方法虽然简单，但是钢与聚合物界面结合强度较低，难以满足生产需要。
因此，如何提高聚合物-钢复合材料的界面结合强度成为亟待解决的难题。
发明内容
本发明的目的在于提供一种聚合物-钢复合材料及其制备方法。本发明提供的制备方法制备的聚合物-钢复合材料具备较高的界面结合强度。
为了实现上述发明目的，本发明提供以下技术方案：
本发明提供了一种聚合物-钢复合材料的制备方法，包括以下步骤：
(1)对钢进行第一次退火，得到退火态钢；
(2)将所述步骤(1)得到的退火态钢进行喷砂处理，得到喷砂处理钢；
(3)将所述步骤(2)得到的喷砂处理钢加热后进行表面硅烷化处理，得到表面改性钢；
(4)对所述步骤(3)得到的表面改性钢进行聚合物注塑，得到复合体；
(5)将所述步骤(4)得到的复合体进行第二次退火，得到聚合物-钢复合材料。
优选地，所述步骤(1)中第一次退火的温度为700～1000℃，第一次退火的保温时间为1～2h。
优选地，所述步骤(1)中升温至所述第一次退火温度的升温速率为15～25℃/min；所述第一次退火的冷却速率为5～10℃/min。
优选地，所述步骤(2)中喷砂处理的压力为0.4～0.6MPa，喷砂处理的时间为40～70s。
优选地，所述步骤(2)中喷砂处理的介质为棕刚玉，所述棕刚玉的粒度为46目、120目和150目中的至少一种。
优选地，所述步骤(3)中加热的温度为400～500℃，加热的时间为20～40min。
优选地，所述步骤(3)中表面硅烷化处理的操作包括如下步骤：将加热后的钢浸泡在硅烷溶液中5～10min，取出后对钢进行固化。
优选地，所述固化的温度为100～120℃，固化的时间为5～10min。
优选地，所述步骤(4)中聚合物为热塑性弹性体，所述热塑性弹性体包括TPU、SBS和SEBS中的至少一种。
优选地，所述步骤(4)中注塑的时间为7～10s，注塑的压力为70～100MPa。
优选地，所述步骤(5)中第二次退火的温度为120～180℃，第二次退火的保温时间为1～1.5h。
本发明还提供了上述技术方案所述制备方法制备得到的聚合物-钢复合材料。
本发明提供了一种聚合物-钢复合材料的制备方法，包括以下步骤：对钢进行第一次退火，得到退火态钢；将所述退火态钢进行喷砂处理，得到喷砂处理钢；将所述喷砂处理钢加热后进行表面硅烷化处理，得到表面改性钢；对所述表面改性钢进行聚合物注塑，得到复合体；将所述复合体进行第二次退火，得到聚合物-钢复合材料。本发明首先对钢进行退火处理，在退火处理过程中钢内部的碳元素会逐渐向表层析出，在钢的表层形成富碳层，再进行喷砂处理将金属表层的富碳层去除，避免金属表层由于过多碳存在阻碍钢表面形成均匀的硅烷层，从而提高了钢与硅烷层的结合强度，同时还能将钢表面的氧化膜去除，暴露出未氧化的表面，增加表面积，从而提高与聚合物的结合强度；之后对钢进行加热，使其表面充分氧化，形成氧化膜，氧化膜中的O元素能够与硅烷层发生反应，从而提高硅烷层和金属的结合强度；随后进行表面硅烷化处理，使钢表面与硅烷偶联剂实现有效的化学键合，形成硅烷层，有利于钢与聚合物的结合；在聚合物注塑成型后再次进行退火处理，不仅能够消除内应力，提高聚合物结晶度，还能实现硅烷层与聚合物的进一步反应，从而进一步提高聚合物与钢的界面结合强度。实验结果表明，本发明提供的制备方法制备的聚合物-钢复合材料的拉伸剪切强度为13.75～17.78MPa。
具体实施方式
本发明提供了一种聚合物-钢复合材料的制备方法，包括以下步骤：
(1)对钢进行第一次退火，得到退火态钢；
(2)将所述步骤(1)得到的退火态钢进行喷砂处理，得到喷砂处理钢；
(3)将所述步骤(2)得到的喷砂处理钢加热后进行表面硅烷化处理，得到表面改性钢；
(4)对所述步骤(3)得到的表面改性钢进行聚合物注塑，得到复合体；
(5)将所述步骤(4)得到的复合体进行第二次退火，得到聚合物-钢复合材料。
在本发明中，所述钢优选为模具钢或不锈钢；所述模具钢优选为模具钢H13，模具钢718或不锈钢S 136。本发明对所述钢的来源没有特殊的限定，采用本领域技术人员熟知的市售产品或熟知的制备方法制备得到的即可。
本发明对钢进行第一次退火，得到退火态钢。本发明首先对钢进行第一次退火处理，在退火处理过程中钢内部的碳元素会逐渐向表层析出，在钢的表层形成富碳层，再进行喷砂处理将金属表层的富碳层去除，避免金属表层由于过多碳存在阻碍钢表面形成均匀的硅烷层，从而提高了钢与硅烷层的结合强度；如果钢的成分中含有铬元素，在进行第一次退火处理时，Cr元素会以FeCr2O4的形式富集在基体表面，通过后续喷砂处理，有效减少了钢表面的铬元素，提高与聚合物的结合强度。
在本发明中，所述第一次退火的温度优选为700～1000℃，进一步优选为750～950℃，更优选为800～900℃；所述第一次退火的保温时间优选为1～2h，更优选为1.5h；升温至所述第一次退火温度的升温速率优选为15～25℃/min，更优选为20℃/min。本发明对所述钢的尺寸没有特殊的限定，根据实际需求进行调整即可。在本发明中，所述第一次退火的温度和保温时间在上述范围内时，能够提高钢表面的脱碳和脱铬率，从而提高与聚合物的结合强度。
在本发明中，所述第一次退火的冷却速率优选为5～10℃/min。本发明采用缓冷的方式能够细化钢的晶粒，增加钢的晶界和孪晶界，均匀组织。
第一次退火完成后，本发明优选将所述第一次退火得到的钢依次进行机械抛光和超声波清洗，得到退火态钢。本发明对第一次退火得到的钢先进行机械抛光，能够去除由于退火在钢表面形成的氧化膜以及表层富集的碳，再进行超声波清洗能够去除钢表面的杂质。
本发明对所述机械抛光的操作没有特殊的限定，采用本领域技术人员熟知的机械抛光即可。
在本发明中，所述超声波清洗的操作优选为依次采用丙酮和酒精进行超声波清洗。本发明采用丙酮进行超声波清洗是为了去除钢表面的油和其他杂质，采用酒精进行超声波清洗是为了去除钢表面残留的丙酮和其他杂质。本发明对所述采用丙酮和酒精进行超声波清洗的操作没有特殊的限定，采用本领域技术人员熟知的清洗操作即可。
得到退火态钢后，本发明将所述退火态钢进行喷砂处理，得到喷砂处理钢。本发明对退火态钢进行喷砂处理，由于喷砂介质不断撞击退火态钢表面，将钢表面的氧化层以及富集的碳去除，暴露出未氧化的表面，钢表面出现小凹坑，比表面积增加，使得钢在后期表面烷基化处理时与硅烷层接触面积更大，从而提高钢与聚合物的结合强度。
在本发明中，所述喷砂处理优选在喷砂机中进行；所述喷砂处理的压力优选为0.4～0.6MPa，更优选为0.5MPa；所述喷砂处理的时间优选为40～70s，更优选为50～60s；所述喷砂处理的介质优选为棕刚玉，所述棕刚玉的粒度优选为46目、120目和150目中的至少一种；所述喷砂处理时喷嘴与退火态钢的距离优选为3～5cm，更优选为4cm；所述喷砂处理时的喷射角度优选为45～90°，更优选为50～85°。本发明对所述喷砂机的型号没有特殊的限定，采用本领域技术人员熟知的喷砂机即可。本发明对所述棕刚玉的来源没有特殊的限定，采用本领域技术人员熟知的市售产品即可。
喷砂处理完成后，本发明优选对所述喷砂处理得到的钢依次进行去除浮砂和超声波清洗，得到喷砂处理钢。
本发明对所述去除钢表面浮砂的操作没有特殊的限定，采用本领域技术人员熟知的高压气体去除即可。
在本发明中，所述超声波清洗所采用的清洗剂优选为酒精。本发明对所述超声波清洗的其他操作没有特殊的限定，采用本领域技术人员熟知的清洗操作即可。
得到喷砂处理钢后，本发明将所述喷砂处理钢加热后进行表面硅烷化处理，得到表面改性钢。本发明进行表面硅烷化处理，实现硅烷醇基在钢表面上的完全缩合，形成硅烷层，有利于与聚合物的结合。
在本发明中，所述加热的温度优选为400～500℃，更优选为450℃；所述加热的时间优选为20～40min，更优选为30min。本发明对钢进行加热，使其表面充分氧化，形成氧化膜，有利于后期表面硅烷化处理时形成硅烷层，提高与硅烷层的结合强度，从而提高与聚合物的结合强度。
在本发明中，所述加热优选在加热器中进行；所述加热器内氧气的体积浓度优选为60～90％，更优选为65～75％；当所述加热器内的氧气浓度低于上述浓度时，优选往加热器内通入氧气。本发明对所述加热器的型号没有特殊的限定，采用本领域技术人员熟知的加热器即可。本发明通过控制加热器内氧气浓度，能够使钢表面富集氧化膜，有利于后期表面硅烷化处理时形成硅烷层，提高与硅烷层的结合强度，从而提高与聚合物的结合强度。
加热完成后，本发明优选将所述加热得到的钢冷却至室温。本发明对所述冷却的操作没有特殊的限定，采用本领域技术人员熟知的空冷操作即可。
在本发明中，所述表面硅烷化处理的操作优选包括如下步骤：
1)将冷却得到的钢浸泡在硅烷溶液中5～10min，进行缩合反应，取出后得到表面附有硅烷层的钢；
2)对所述步骤1)得到的钢表面的硅烷层进行固化。
本发明优选将冷却得到的钢浸泡在硅烷溶液中5～10min，进行缩合反应，取出后得到表面附有硅烷层的钢。本发明将冷却得到的钢浸泡在硅烷溶液中，硅烷溶液中的Si-OH能够与钢表面的OH-形成氢键，有利于钢与聚合物的结合。
在本发明中，所述硅烷溶液的pH值优选为9～10；所述硅烷溶液优选包括硅烷偶联剂、水和酒精。
在本发明中，所述硅烷偶联剂优选为含有双氨基官能团或环氧基官能团的硅烷偶联剂，更优选为OFS-6020、KH-550和KH-560中的至少一种；所述水优选为去离子水。本发明对所述硅烷偶联剂、水和酒精的来源没有特殊的限定，采用本领域技术人员熟知的市售产品即可。
本发明优选将硅烷偶联剂、水和酒精混合，得到硅烷溶液。在本发明中，所述硅烷偶联剂、水和酒精混合的操作优选为先将水和酒精混合，再加入硅烷偶联剂混合，进行水解，得到硅烷溶液。本发明先将水和酒精混合，再加入硅烷偶联剂能够使硅烷偶联剂中的Si-OR基水解成Si-OH，然后Si-OH之间脱水缩合成含Si-OH的低聚硅氧烷，从而得到硅烷溶液。
在本发明中，所述水与酒精的体积比优选为1：(3～5)，更优选为1：4；硅烷偶联剂的体积优选为水与酒精总体积的0.8～1.2％，更优选为0.9～1.0％。
本发明对所述水和酒精混合的操作没有特殊的限定，采用本领域技术人员熟知的制备混合物料的技术方案即可。在本发明中，所述加入硅烷偶联剂进行混合的操作优选在搅拌下进行；所述搅拌的时间优选为1～2h。本发明对所述搅拌的转速没有特殊的限定，采用本领域技术人员熟知的转速即可。
取出后，本发明优选对所述取出后的钢进行表面清洗。在本发明中，所述表面清洗所用的清洗剂优选为酒精。本发明对钢进行表面清洗，能够去除钢表面多余的硅烷溶液和因水解产生的甲醇等杂质。
得到表面附有硅烷层的钢后，本发明优选对所述钢表面的硅烷层进行固化。本发明将钢表面的硅烷层进行固化，在固化过程中伴随脱水，使得硅烷层与钢以共价键形式连接，且硅烷醇基能够在钢表面完全缩合，使钢表面与硅烷层实现有效的化学键合。
在本发明中，所述固化的温度优选为100～120℃，更优选为110℃；所述固化的时间优选为5～10min；所述固化优选在干燥箱中进行。本发明对所述干燥箱的型号没有特殊的限定，采用本领域技术人员熟知的干燥箱即可。
得到表面改性钢后，本发明对所述表面改性钢进行聚合物注塑，得到复合体。本发明通过注塑将聚合物与钢复合，使聚合物与硅烷层更好的化学键合，通过硅烷层实现聚合物与钢的紧密结合。
在本发明中，所述聚合物优选为热塑性弹性体；所述热塑性弹性体优选包括TPU、SBS和SEBS中的至少一种，进一步优选为硬度为80～95A的TPU，更优选为硬度为85～90A的TPU。
在本发明中，所述注塑优选在立式注塑机中进行。本发明对所述立式注塑机的型号没有特殊的限定，采用本领域技术人员熟知的注塑机即可。本发明对所述聚合物的用量没有特殊的限定，只要保证聚合物熔融后充满模具即可。
在本发明中，所述注塑时的模具温度优选为25～150℃，进一步优选为50～120℃，更优选为70～100℃；所述注塑的时间优选为7～10s；所述注塑的注射压力优选为70～100MPa；所述注塑的保压压力优选为60～90MPa，更优选为70～80MPa；所述注塑的保压时间优选为5～15s，更优选为10s。本发明对所述注塑的温度没有特殊的限定，只要保证能够将聚合物熔融即可。
得到复合体后，本发明将所述复合体进行第二次退火，得到聚合物-钢复合材料。本发明进行第二次退火不仅能够消除复合体的内应力，提高聚合物结晶度，还能实现硅烷层与聚合物的进一步反应，从而进一步提高聚合物与钢的界面结合强度。
在本发明中，所述第二次退火的温度优选为120～180℃，进一步优选为145～170℃，更优选为150～160℃；所述第二次退火的保温时间优选为1～1.5h。本发明通过控制第二次退火的温度和保温时间能够进一步提高聚合物与钢的界面结合强度。
在本发明中，所述第二次退火处理优选在干燥箱中进行；升温至所述第二次退火温度的升温速率优选为10～15℃/min。
在本发明中，所述第二次退火的冷却速率优选为5～10℃/min。本发明对所述冷却的操作没有特殊的限定，采用本领域技术人员熟知的冷却操作即可。本发明采用缓冷的方式能够改善聚合物的结晶度，有助于分子链排列紧密有序，孔隙率低，分子间相互作用力增加。
本发明首先对钢进行退火处理，在退火处理过程中钢内部的碳元素会逐渐向表层析出，在钢的表层形成富碳层，再进行喷砂处理将金属表层的富碳层去除，避免金属表层由于过多碳存在阻碍钢表面形成均匀的硅烷层，从而提高了钢与硅烷层的结合强度，同时还能将钢表面的氧化膜去除，暴露出未氧化的表面，增加表面积，从而提高与聚合物的结合强度；之后对钢进行加热，使其表面充分氧化，形成氧化膜；随后进行表面硅烷化处理，使钢表面与硅烷偶联剂实现有效的化学键合，形成硅烷层，有利于钢与聚合物的结合；在聚合物注塑成型后再次进行退火处理，不仅能够消除内应力，提高聚合物结晶度，还能实现硅烷层与聚合物的进一步反应，从而进一步提高聚合物与钢的界面结合强度。
本发明采用两次退火处理、喷砂处理、表面烷基化处理以及注塑成型处理实现了钢与聚合物的结合，解决了钢与聚合物结合强度弱的问题；且不需要对模具加热；工艺简单，没有使用对环境有污染的化学试剂，避免了环境污染。
下面将结合本发明中的实施例，对本发明中的技术方案进行清楚、完整地描述。显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
实施例1
(1)首先，将市售的模具钢H13制成45*20*2mm(长*宽*厚)的钢板，再将钢板以20℃/min快速升温到800℃进行第一次退火处理1h，随后以5℃/min冷却到室温，之后使用180目金相砂纸进行机械抛光，最后将钢板放入烧杯中，加入丙酮超声波清洗5min，再使用酒精超声波清洗5min，得到退火态钢板；
(2)将所述步骤(1)得到的退火态钢板放入喷砂机，固定在距离喷嘴4cm的位置，使用150目棕刚玉进行喷砂处理60s，气压压力为0.4MPa，喷砂角度为90°，然后用气嘴吹去试样表面的浮砂，再放入烧杯，加入酒精超声波清洗5min，得到喷砂处理钢板；
(3)将所述步骤(2)得到的喷砂处理钢板加热至450℃氧化30min，随后置于空气中自然冷却到室温，然后放入硅烷溶液中浸泡5min，取出后使用酒精冲洗去除多余的硅烷溶液，再放入110℃干燥箱中固化10min，得到表面改性钢板；
其中，硅烷溶液的制备方法为：去离子水与酒精混合后加入硅烷偶联剂OFS-6020，用保鲜膜密封，在电磁搅拌下水解1h；其中，去离子水与酒精的体积比为1：4，硅烷偶联剂占去离子水和酒精总体积的1％，硅烷溶液的pH值为10；
(4)将所述步骤(3)得到的表面改性钢板放入模具，使用立式注塑机将聚合物TPU(硬度为95A，聚酯型)注射到钢板表面，得到复合体；
其中，注射参数如下：模具温度为25℃，射咀温度为215℃，加热管道一段温度为220℃，二段温度为220℃，三段温度为205℃，注射压力为100MPa；保压压力为70MPa，保压时间为10s；
(5)将所述步骤(4)得到的复合体放入干燥箱中，在干燥箱以10℃/min快速升温至150℃进行第二次退火处理1h，再以5℃/min冷却到室温，得到聚合物-钢复合材料。
对实施例1制备得到的聚合物-钢复合材料按照ASTM D1002标准利用拉伸试验机进行拉剪实验测试，拉伸速率为2mm/min，得出聚合物-钢复合材料的拉伸剪切强度为17.78MPa，此时聚合物拉断，但聚合物与钢的界面没有发生破坏。
对实施例1中所使用的TPU进行测试，得出TPU的熔融焓为147J/g，结晶度为5.8％，再测试第二次退火处理后TPU结晶度为7.6％，相比退火前TPU的结晶度有了大幅度提高，说明，在进行第二次退火处理后能够使分子链排列紧密有序，孔隙率降低，分子间相互作用力增加，同时在150℃硅烷层中的氨基NH2-和NH2(CH2)2NH-与TPU中硬链段中氨基甲酸酯基团(-NHCOO-)相互反应。
实施例2
在实施例1的基础上将第二次退火处理的温度替换为120℃，其他步骤不变，得到聚合物-钢复合材料。
对实施例2制备得到的聚合物-钢复合材料按照ASTM D1002标准利用拉伸试验机进行拉剪实验测试，拉伸速率为2mm/min，得出聚合物-钢复合材料的拉伸剪切强度为16.59MPa，此时聚合物拉断，但聚合物与钢的界面没有发生破坏。
实施例3
在实施例1的基础上将第二次退火处理的温度替换为180℃，其他步骤不变，得到聚合物-钢复合材料。
对实施例3制备得到的聚合物-钢复合材料按照ASTM D1002标准利用拉伸试验机进行拉剪实验测试，拉伸速率为2mm/min，得出聚合物-钢复合材料的拉伸剪切强度为17.23MPa，此时聚合物拉断，但聚合物与钢的界面没有发生破坏。
对比实施例1～3，可以看出，第二次退火的温度在150℃时聚合物-钢复合材料的结合强度最高。
实施例4
在实施例1的基础上将TPU的硬度替换为80A，其他步骤不变，得到聚合物-钢复合材料。
对实施例4制备得到的聚合物-钢复合材料按照ASTM D1002标准利用拉伸试验机进行拉剪实验测试，拉伸速率为2mm/min，得出聚合物-钢复合材料的拉伸剪切强度为14.22MPa，此时聚合物拉断，但聚合物与钢的界面没有发生破坏。
实施例5
在实施例1的基础上将TPU的硬度替换为85A，其他步骤不变，得到聚合物-钢复合材料。
对实施例5制备得到的聚合物-钢复合材料按照ASTM D1002标准利用拉伸试验机进行拉剪实验测试，拉伸速率为2mm/min，得出聚合物-钢复合材料的拉伸剪切强度为13.75MPa，此时聚合物拉断，但聚合物与钢的界面没有发生破坏。
实施例6
在实施例1的基础上将TPU的硬度替换为90A，其他步骤不变，得到聚合物-钢复合材料。
对实施例6制备得到的聚合物-钢复合材料按照ASTM D1002标准利用拉伸试验机进行拉剪实验测试，拉伸速率为2mm/min，得出聚合物-钢复合材料的拉伸剪切强度为17.33MPa，此时聚合物拉断，但聚合物与钢的界面没有发生破坏。
对比实施例1和4～6，可以看出，TPU的硬度在95A时聚合物-钢复合材料的结合强度最高。
实施例7
在实施例1的基础上将第一次退火处理的温度替换为700℃，其他步骤不变，得到聚合物-钢复合材料。
对实施例7制备得到的聚合物-钢复合材料按照ASTM D1002标准利用拉伸试验机进行拉剪实验测试，拉伸速率为2mm/min，得出聚合物-钢复合材料的拉伸剪切强度为15.67MPa，此时聚合物拉断，但聚合物与钢的界面没有发生破坏。
实施例8
在实施例1的基础上将第一次退火处理的温度替换为900℃，其他步骤不变，得到聚合物-钢复合材料。
对实施例8制备得到的聚合物-钢复合材料按照ASTM D1002标准利用拉伸试验机进行拉剪实验测试，拉伸速率为2mm/min，得出聚合物-钢复合材料的拉伸剪切强度为17.73MPa，此时聚合物拉断，但聚合物与钢的界面没有发生破坏。
对比实施例1、7和8，可以看出，第一次退火的温度在800℃时聚合物-钢复合材料的结合强度最高。
实施例9
在实施例1的基础上将硅烷偶联剂替换为KH-550，其他步骤不变，得到聚合物-钢复合材料。
对实施例9制备得到的聚合物-钢复合材料按照ASTM D1002标准利用拉伸试验机进行拉剪实验测试，拉伸速率为2mm/min，得出聚合物-钢复合材料的拉伸剪切强度为16.75MPa，此时聚合物拉断，但聚合物与钢的界面没有发生破坏。
实施例10
在实施例1的基础上将硅烷偶联剂替换为KH-560，其他步骤不变，得到聚合物-钢复合材料。
对实施例10制备得到的聚合物-钢复合材料按照ASTM D1002标准利用拉伸试验机进行拉剪实验测试，拉伸速率为2mm/min，得出聚合物-钢复合材料的拉伸剪切强度为17.78MPa，此时聚合物拉断，但聚合物与钢的界面没有发生破坏。
对比实施例1和9～10，可以看出，硅烷偶联剂为OFS-6020或KH-560时聚合物-钢复合材料的结合强度最高。
实施例11
在实施例1的基础上将喷砂介质棕刚玉的粒度替换为46目，其他步骤不变，得到聚合物-钢复合材料。
实施例12
在实施例1的基础上将喷砂介质棕刚玉的粒度替换为120目，其他步骤不变，得到聚合物-钢复合材料。
对实施例1、11～12制备得到的聚合物-钢复合材料进行拉伸试验发现结果相似，都接近于TPU的失效强度，因此，采用剥离试验以TPU能否被拉断来判断性能，结果如表1所示。
表1实施例1、11～12制备的聚合物-钢复合材料的剥离性能
Figure BDA0003172687130000121
从表1可以看出，棕刚玉粒度为150目时，聚合物-钢复合材料的结合强度最高。
从实施例1～12可以看出，对模具钢H13在800℃下进行第一次退火，喷砂介质为150目棕刚玉，喷砂时试样与喷嘴距离为4cm，喷砂后试样加热350℃，氧化30min，所使用的偶联剂为OFS-6020或KH-550，硅烷溶液pH为10，所使用的TPU硬度为95A，在150℃条件下进行第二次退火，所获得的聚合物-钢复合材料的结合强度最高。
对比例1
在实施例1的基础上省略步骤(2)，即省略喷砂处理，其他步骤不变，得到聚合物-钢复合材料。
对对比例1制备得到的聚合物-钢复合材料按照ASTM D1002标准利用拉伸试验机进行拉剪实验测试，拉伸速率为2mm/min，得出聚合物-钢复合材料的拉伸剪切强度为12.2MPa，与实施例1对比可以看出进行喷砂处理是有必要的，能够提高聚合物-钢复合材料的结合强度。
对比例2
在实施例1的基础上省略步骤(5)，即省略第二次退火的步骤，其他步骤不变，得到聚合物-钢复合材料。
对对比例2制备得到的聚合物-钢复合材料按照ASTM D1002标准利用拉伸试验机进行拉剪实验测试，拉伸速率为2mm/min，得出聚合物-钢复合材料的拉伸剪切强度为9.74MPa，与实施例1对比可以看出注塑之后进行退火处理能够提高聚合物-钢复合材料的结合强度，结合强度提升182.5％，即1.825倍。
从以上实施例可以看出，本发明提供的方法制备的聚合物-钢复合材料具备较高的界面结合强度。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，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)

1.一种聚合物-钢复合材料的制备方法，包括以下步骤：
(1)对钢进行第一次退火，得到退火态钢；
(2)将所述步骤(1)得到的退火态钢进行喷砂处理，得到喷砂处理钢；
(3)将所述步骤(2)得到的喷砂处理钢加热后进行表面硅烷化处理，得到表面改性钢；
(4)对所述步骤(3)得到的表面改性钢进行聚合物注塑，得到复合体；
(5)将所述步骤(4)得到的复合体进行第二次退火，得到聚合物-钢复合材料。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述步骤(1)中第一次退火的温度为700～1000℃，第一次退火的保温时间为1～2h。
3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，所述步骤(1)中升温至所述第一次退火温度的升温速率为15～25℃/min；所述第一次退火的冷却速率为5～10℃/min。
4.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述步骤(2)中喷砂处理的压力为0.4～0.6MPa，喷砂处理的时间为40～70s。
5.根据权利要求1或4所述的制备方法，其特征在于，所述步骤(2)中喷砂处理的介质为棕刚玉，所述棕刚玉的粒度为46目、120目和150目中的至少一种。
6.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述步骤(3)中加热的温度为400～500℃，加热的时间为20～40min。
7.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述步骤(4)中聚合物为热塑性弹性体，所述热塑性弹性体包括TPU、SBS和SEBS中的至少一种。
8.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述步骤(4)中注塑的时间为7～10s，注塑的压力为70～100MPa。
9.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述步骤(5)中第二次退火的温度为120～180℃，第二次退火的保温时间为1～1.5h。
10.权利要求1～9任意一项所述制备方法制备得到的聚合物-钢复合材料。
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