CN115747819A - 一种用于复合金属与高分子材料的结合方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种材料结合方法，具体涉及一种用于复合金属与高分子材料的结合方法，包括如下步骤：S1：通过刷洗的方式去除金属材料表面的浮灰；S2：通过清洗剂去除金属材料表面的油脂和污物；S3：将金属材料进行漂洗；S4：在金属材料表面涂抹水性表面活性剂；S5：将金属材料烘干，使金属材料表面形成活化层；S6：将金属材料中形成活化层的一面与烘干的高分子材料加热压合；S7：将复合材料冷却至室温，完成金属与高分子材料的结合。与现有技术相比，本发明解决现有技术中胶粘存在有害溶剂挥发的问题，实现了不利用胶粘剂将金属材料与高分子材料结合的方法，杜绝胶粘剂挥发甲醛、甲苯等有机溶剂危害人体健康的情况，保障使用安全性。
Description
技术领域
本发明涉及一种材料结合方法，具体涉及一种用于复合金属与高分子材料的结合方法。
背景技术
金属材料力学性能优异、强度高，然而其加工成型成本较高，且耐蚀性能有限；高分子材料加工简便成本低且大都具有良好的耐蚀性能，但是本身结构强度较差，两者相结合可实现相互弥补缺陷，共同发挥优势。因而在制造业工业中，将合适的金属和高分子材料有机结合，开发出兼具结构强度高、物化性能优异的高性能复合材料成为主要趋势之一。
现有技术中，常用手段就是使用各种专用或普适胶粘剂(大都为溶剂型胶粘剂)来将两种材料粘合形成复合。而在胶粘剂的生产和使用中会长期释放出甲醛、甲苯等对人体有害的有机溶剂，与人体长期接触后会危害人们的身体健康。
因而如何降低胶粘剂中有害溶剂的含量以及避免胶粘剂中有害溶剂的使用成为研究的热点之一，如CN201711277890.0采用低毒性溶剂代替苯类溶剂；CN202011451758.9得到的胶黏剂在毒性上，能保持在实际无毒的等级；CN201611259786.4溶剂含量及毒性低，是一种环境友好型胶黏剂。由此可见，已有不少研究对胶粘剂的改进提出了改进的方法，但是胶粘仍然会不可避免的存在少量或极少量的溶剂可能挥发，并且对于永久性固定或极端环境应用中效果差，容易脱胶。
中国专利CN202011534923.7公开一种有机高分子薄膜金属化方法及天线，生成有机高分子薄膜；对所述有机高分子薄膜表面进行等离子活化；对等离子活化后的所述有机高分子薄膜进行加热处理；对加热处理后的所述有机高分子薄膜的表面进行物理气相沉积金属化。该专利提供了一种将金属通过气相沉积的方式沉积于高分子薄膜表面形成超薄金属层，但是对于需要金属具有一定厚度的材料不适用，并且该方法整体步骤较为复杂。
因此，本发明提出一种非胶粘的金属与高分子材料的结合方法，提供一种新思路改变传统粘接连接的方式。
发明内容
本发明的目的就是为了解决上述问题至少其一而提供一种用于复合金属与高分子材料的结合方法，以解决现有技术中胶粘存在有害溶剂挥发的问题，实现了不利用胶粘剂将金属材料与高分子材料结合的方法，杜绝胶粘剂挥发甲醛、甲苯等有机溶剂危害人体健康的情况，保障使用安全性。
本发明的目的通过以下技术方案实现：
一种用于复合金属与高分子材料的结合方法，包括如下步骤：
S1：金属预脱脂：通过刷洗的方式去除金属材料表面的浮灰；
S2：金属脱脂：通过清洗剂去除步骤S1预脱脂后的金属材料表面的油脂和污物；
S3：金属漂洗：将步骤S2脱脂后的金属材料进行漂洗；
S4：金属表面活化：在步骤S3漂洗后的金属材料表面涂抹水性表面活性剂；
S5：金属烘干：将步骤S4得到的金属材料烘干，使金属材料表面形成活化层；
S6：加热压合：将步骤S5得到的金属材料中形成活化层的一面与烘干的高分子材料加热压合；
S7：冷却成型：将步骤S6得到的复合材料冷却至室温，完成金属与高分子材料的结合。
本方法应用对象优选：高分子材料包括但不限于浇注型高分子材料、热塑性高分子材料等；金属材料包括但不限于钢、锌、铝合金等。
优选地，步骤S2中，所述的清洗剂包括碱性脱脂剂，脱脂过程的温度为20-80℃，时间为0.5-5min。
对金属表面的预脱脂和脱脂可以充分去除表面所粘有的油污，进而可以在后续涂抹水性表面活性剂时保证涂覆于金属表面，最终提高金属材料与高分子材料之间的结合牢固程度。
优选地，步骤S3中，所述的漂洗的温度为0-40℃，时间为1-3min。
优选地，所述的漂洗为溢流冲洗。
进一步优选地，所述的溢流冲洗过程中配合N2鼓泡以增强清洗效果并改善清洗能力。
溢流冲洗的方式保证金属材料表面周围始终为流动的活水，提高清洗效果，缩短清洗时长，并进一步配合气体鼓泡，可以进一步将金属表面的污物和残留的清洗剂等剥离排出。
优选地，步骤S4中，所述的水性表面活性剂包括有机表面活性剂R-M，涂抹的温度为20-60℃，时间为0.5-5min。表面活性剂R-M选用与高分子材料本身亲和性良好的表面活性剂密切相关，即实际根据不同金属和高分子材料组合灵活选取。
优选地，所述水性表面活性剂浓度在2～10％。
优选地，所述的涂抹的方式为浸泡、喷淋或辊涂。
采用的方式操作方便、效果显著，能将金属材料待粘接的一面充分涂上水性表面活性剂，保证最终的结合牢固度。
优选地，步骤S5中，所述的烘干的温度为80-250℃，时间为0.5-5min。
优选地，步骤S6中，烘干的高分子材料为经过温度为80-250℃，时间为0.5-5min烘干。
优选地，步骤S6中，所述的加热压合的温度为150-260℃，时间为0.5-20min。
优选地，步骤S7中，所述的冷却采用风冷或水冷。
本发明的工作原理为：
金属样品浸入表面活性剂R-M工作液中，表面迅速反应，加热固化后形成表面活化膜层。加热压合过程中，高分子通过交联反应与表面膜层结合在一起，产生牢固的化学键，形成稳固的膜层界面结构。其界面结合力，远大于高分子材料内分子间的结合力，从而保证复合材料在在使用过程中，不会在界面发生破坏。
与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：
水性表面活化剂R-M在金属材料表面形成活化膜层，将金属材料和高分子材料结合，避免了传统的胶粘剂的使用，进而从根源上避免甲醛、甲苯等有害溶剂的挥发，保障生产和使用的安全性。
本发明中，根据不同的高分子材料和金属材料的复合组合，使用场景的不同，水性表面活化剂R-M可以有灵活的选择。
水性表面活化剂R-M在金属材料表面形成的活化膜层，耐热温度可达200℃，弥补了传统胶粘剂膜层高温失效的缺陷。
本发明中步骤、方法简单，涂抹和热压的操作既可以用于小体积的金属，也可以适用于大表面积的金属；根据需要还可以在同一金属表面结合不同的高分子材料形成拼接，进一步扩展可应用范围。
附图说明
图1为本发明的流程示意图。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。
如下实施例和对比例中若未做特别说明，则所用试剂可采用本领域技术人员能够常规够得到市售产品，所采用的实验方法为本领域中的常规手段。
以下各例中，表面脱脂剂可采用如CL-102、NOVASPRAY 6706、BONDERITE C-AK1523等市售弱碱性脱脂剂，根据处理的材料对象不同，选取合适的市售产品。
以下实施例中，制备流程简图如图1所示。
实施例1
I.将规格为3*3 -0.63mm的镀锌钢丝绳在装有低浓度(约5wt％浓度)的弱碱性表面脱脂剂溶液的60℃的预脱脂槽中进行预脱脂1min；
II.将经I处理后的钢丝绳进入主脱脂槽，浸入60℃表面脱脂液(10wt％浓度弱碱性表面脱脂剂)中，进行超声波清洗2min，去除表面油脂；
III.将经II处理的钢绳浸入20℃水槽进行漂洗3min；
IV.将经III处理的钢绳浸入5％有机硅化合物R-M溶液表面活化槽，于60℃的槽液(即表面活性剂，为含5wt％硅的有机活化剂溶液，具体根据处理对象选择市售产品即可)中浸泡3min；
V.将经IV处理的钢绳取出后于带风机的烘箱中加热至200℃烘干，加热时长5min；
VI.将聚氨酯TPU颗粒预热至100℃并保温5min；
VII.将经V处理的钢绳和经IV处理的聚氨酯颗粒在浇注机内加热压合在一起，加热温度为150℃，保温时长5min；
VIII.将经VII处理的材料迅速水冷/风冷至室温，出模得到试样A1。
实施例2
I.将规格为3*3 -0.63mm的镀锌钢丝绳在装有低浓度(约5wt％浓度)的弱碱性表面脱脂剂溶液的60℃的预脱脂槽中进行预脱脂1min；
II.将经I处理后的钢丝绳进入主脱脂槽，浸入60℃表面脱脂液(10wt％浓度弱碱性表面脱脂剂)中，进行超声波清洗2min，去除表面油脂；
III.将经II处理的钢绳浸入20℃水槽进行漂洗3min；
IV.将经III处理的钢绳浸入5％有机硅化合物R-M溶液表面活化槽，于40℃的槽液(即表面活性剂，为含5wt％硅的有机活化剂溶液，具体根据处理对象选择市售产品即可)中浸泡3min；
V.将经IV处理的钢绳取出后于带风机的烘箱中加热至200℃烘干，加热时长5min；
VI.将聚氨酯TPU颗粒预热至100℃并保温5min；
VII.将经V处理的钢绳和经IV处理的聚氨酯颗粒在浇注机内加热压合在一起，加热温度为150℃，保温时长5min；
VIII.将经VII处理的材料迅速水冷/风冷至室温，出模得到试样A2。
实施例3
I.将规格为3*3 -0.63mm的镀锌钢丝绳在装有低浓度(约5wt％浓度)的弱碱性表面脱脂剂溶液的60℃的预脱脂槽中进行预脱脂1min；
II.将经I处理后的钢丝绳进入主脱脂槽，浸入60℃表面脱脂液(10wt％浓度弱碱性表面脱脂剂)中，进行超声波清洗2min，去除表面油脂；
III.将经II处理的钢绳浸入20℃水槽进行漂洗3min；
IV.将经III处理的钢绳浸入5％有机硅化合物R-M溶液表面活化槽，于20℃的槽液(即表面活性剂，为含5wt％硅的有机活化剂溶液，具体根据处理对象选择市售产品即可)中浸泡3min；
V.将经IV处理的钢绳取出后于带风机的烘箱中加热至200℃烘干，加热时长5min；
VI.将聚氨酯TPU颗粒预热至100℃并保温5min；
VII.将经V处理的钢绳和经IV处理的聚氨酯颗粒在浇注机内加热压合在一起，加热温度为150℃，保温时长5min；
VIII.将经VII处理的材料迅速水冷/风冷至室温，出模得到试样A3。
实施例4
铝合金轮的聚氨酯包胶
I.将经过喷丸处理后的Φ20cm*5cm的铝合金轮子在装有低浓度(约5wt％浓度)的弱碱性表面脱脂剂溶液的20℃预脱脂槽中进行预脱脂2min；
II.将经I处理后的铝合金轮子进入主脱脂槽，浸入20℃表面脱脂液(10wt％浓度弱碱性表面脱脂剂)中，进行超声波清洗2min，去除表面油脂；
III.将经II处理的铝合金轮浸入40℃水槽进行漂洗1min；
IV.将经III处理的铝合金轮子浸入配制有10％有机硅化合物R-M溶液的表面活化槽，于40℃槽液(即表面活性剂，为含10wt％硅的有机活化剂溶液，具体根据处理对象选择市售产品即可)中浸泡5min；
V.将经IV处理的铝合金轮取出后于带风机的烘箱中加热至150℃烘干，加热时长2min；
VI.将聚氨酯颗粒预热至120℃并保温0.5min；
VII.将经V处理的铝合金轮子和经IV处理的聚氨酯颗粒在浇注机内加热压合在一起，加热温度为220℃，保温时长2min；
VIII.将经VII处理的材料迅速水冷/风冷至室温，出模制得试样M1。
实施例5
铝合金轮的聚氨酯包胶
I.将经过喷丸处理后的Φ20cm*5cm的铝合金轮子在装有低浓度(约5wt％浓度)的弱碱性表面脱脂剂溶液的20℃预脱脂槽中进行预脱脂2min；
II.将经I处理后的铝合金轮子进入主脱脂槽，浸入20℃表面脱脂液(10wt％浓度弱碱性表面脱脂剂)中，进行超声波清洗2min，去除表面油脂；
III.将经II处理的铝合金轮浸入40℃水槽进行漂洗1min；
IV.将经III处理的铝合金轮子浸入配制有10％浓度的有机硅化合物R-M溶液的表面活化槽，于40℃槽液(即表面活性剂，为含10wt％硅的有机活化剂溶液，具体根据处理对象选择市售产品即可)中浸泡4min；
V.将经IV处理的铝合金轮取出后于带风机的烘箱中加热至150℃烘干，加热时长4min；
VI.将聚氨酯颗粒预热至120℃并保温0.5min；
VII.将经V处理的铝合金轮子和经IV处理的聚氨酯颗粒在浇注机内加热压合在一起，加热温度为220℃，保温时长2min；
VIII.将经VII处理的材料迅速水冷/风冷至室温，出模制得试样M2。
对比例1
与实施例1基本相同，区别在于步骤IV中为：将经III处理的钢绳浸入常温溶剂型胶粘剂Chemlok 218中，其余部分的步骤和参数与实施例一致，最终出模得到试样B。
分别对试样A、B参考《GB/T 5755-2021钢丝绳芯输送带绳与包覆胶粘合试验原始状态下和热老化后试验》标准测定粘合力强度试验，测定粘合力结果，结果见下表，试样A粘合力平均值为378N/cm，B样平均值数值为270N/cm，含硅活化剂的活化工艺制得样粘合力性能显著高于Chemlok 218。
对比例2
与实施例1基本相同，区别在于步骤IV中为：将经III处理的轮子浸入溶剂型胶粘剂Chemlok 218中，其余部分的步骤和参数与实施例一致，最终出模得到试样N。
分别对试样N、M参考《GB/T 2790—1995胶粘剂180°剥离强度试验方法挠性材料对刚性材料标准》测定剥离强度试验，结果见下表，测定平均值大于60kN/m，远高于Chemlok218样的48kN/m。
实验结果与分析：
| 实施例编号 | 粘合力平均值N/cm |
| 实施例1 | 377 |
| 实施例2 | 380 |
| 实施例3 | 378 |
| 对比例1 | 270 |
| 实施例编号 | 剥离强度kN/m |
| 实施例4 | 58 |
| 实施例5 | 61 |
| 对比例2 | 48 |
实施例1～3，本发明方法制得样A1、A2、A3钢丝绳与聚氨酯结合力平均值在378N/cm，显著高于主流溶剂型粘合剂Chemlok 218的270N/cm。而含硅活化剂不同温度下反应，结合力差异不大，说明该活化方法有着非常宽的工艺窗口，工艺适应性强。
实施例4、5，含硅活化剂不同反应时间样P1、P2，钢丝绳与聚氨酯结合力平均值在60kN/m，但显著高于Chemlok 218的样Q的48kN/m。而P1、P2的工艺结果较小差异可能反应出，较长的反应时间能使表面活化膜层更致密，更稳定。
我们在实验室进行了大量的应用实验，还发现本发明的结合方法可广泛用在不同的金属和高分子材料的复合领域。此外我们还发现联合本发明的活化工艺+粘合剂涂胶工艺，可以得到结合力更强、更新的复合金属和高分子材料的结合方法。
由此可见，采用本发明的结合方法能够有效替代溶剂型胶粘剂的使用，同时大大降低并消除金属和高分子材料复合形成的复合材料在生产和使用过程中有毒有害的有机溶剂的挥发和污染，从而减少粘合处理时对环境和人员身体健康的危害。
上述的对实施例的描述是为便于该技术领域的普通技术人员能理解和使用发明。熟悉本领域技术的人员显然可以容易地对这些实施例做出各种修改，并把在此说明的一般原理应用到其他实施例中而不必经过创造性的劳动。因此，本发明不限于上述实施例，本领域技术人员根据本发明的揭示，不脱离本发明范畴所做出的改进和修改都应该在本发明的保护范围之内。
Claims (10)
1.一种用于复合金属与高分子材料的结合方法，其特征在于，包括如下步骤：
S1：金属预脱脂：通过刷洗的方式去除金属材料表面的浮灰；
S2：金属脱脂：通过清洗剂去除步骤S1预脱脂后的金属材料表面的油脂和污物；
S3：金属漂洗：将步骤S2脱脂后的金属材料进行漂洗；
S4：金属表面活化：在步骤S3漂洗后的金属材料表面涂抹水性表面活性剂；
S5：金属烘干：将步骤S4得到的金属材料烘干，使金属材料表面形成活化层；
S6：加热压合：将步骤S5得到的金属材料中形成活化层的一面与烘干的高分子材料加热压合；
S7：冷却成型：将步骤S6得到的复合材料冷却至室温，完成金属与高分子材料的结合。
2.根据权利要求1所述的一种用于复合金属与高分子材料的结合方法，其特征在于，步骤S2中，所述的清洗剂包括碱性脱脂剂，脱脂过程的温度为20-80℃，时间为0.5-5min。
3.根据权利要求1所述的一种用于复合金属与高分子材料的结合方法，其特征在于，步骤S3中，所述的漂洗的温度为0-40℃，时间为1-3min。
4.根据权利要求3所述的一种用于复合金属与高分子材料的结合方法，其特征在于，所述的漂洗为溢流冲洗。
5.根据权利要求1所述的一种用于复合金属与高分子材料的结合方法，其特征在于，步骤S4中，所述的水性表面活性剂包括两性表面活性剂，涂抹的温度为20-60℃，时间为0.5-5min。
6.根据权利要求5所述的一种用于复合金属与高分子材料的结合方法，其特征在于，所述的涂抹的方式为浸泡、喷淋或辊涂。
7.根据权利要求1所述的一种用于复合金属与高分子材料的结合方法，其特征在于，步骤S5中，所述的烘干的温度为80-250℃，时间为0.5-5min。
8.根据权利要求1所述的一种用于复合金属与高分子材料的结合方法，其特征在于，步骤S6中，烘干的高分子材料为经过温度为80-250℃，时间为0.5-5min烘干。
9.根据权利要求1所述的一种用于复合金属与高分子材料的结合方法，其特征在于，步骤S6中，所述的加热压合的温度为150-260℃，时间为0.5-20min。
10.根据权利要求1所述的一种用于复合金属与高分子材料的结合方法，其特征在于，步骤S7中，所述的冷却采用风冷或水冷。
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