JP2012187921A - アルミニウム或いはアルミニウム合金と樹脂の複合体及びその製造方法 - Google Patents
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Abstract
【課題】接合強度を向上させると共に、耐久性が良いアルミニウム或いはアルミニウム合金部材と熱可塑性樹脂部材の複合体及びその製造方法を提供すること。
【解決手段】本発明に係るアルミニウム合金と樹脂の複合体は、電気化学エッチング処理によって表面に、内部へ腐食させて複数のナノレベルの微細孔が形成されているアルミニウム或いはアルミニウム合金基材と、結晶型熱可塑性樹脂であり、且つ前記アルミニウム或いはアルミニウム合金基材の微細孔が形成されている表面に射出成形で固着される樹脂部材と、を備える。
【選択図】図２
【解決手段】本発明に係るアルミニウム合金と樹脂の複合体は、電気化学エッチング処理によって表面に、内部へ腐食させて複数のナノレベルの微細孔が形成されているアルミニウム或いはアルミニウム合金基材と、結晶型熱可塑性樹脂であり、且つ前記アルミニウム或いはアルミニウム合金基材の微細孔が形成されている表面に射出成形で固着される樹脂部材と、を備える。
【選択図】図２
Description
本発明は、アルミニウム或いはアルミニウム合金と樹脂の複合体及びその製造方法に関し、特に強い接合力を有するアルミニウム或いはアルミニウム合金と樹脂の複合体及びこの複合体の製造方法に関するものである。
アルミニウムと樹脂を一体化する技術は、自動車、家庭電化製品、産業機器等の部品製造等、広い分野から求められている。また、これに伴い多くの接着剤も開発されている。例えば、常温又は加熱により機能を発揮する接着剤がある。この接着剤は、アルミニウムと合成樹脂を一体化する接合に使われ、現在、この接合方法は一般に使用されている（特許文献１を参照）。
しかし、接着剤を介して一体に接合されるアルミニウムと樹脂の複合体は、接着力が非常に低く、一般的には０．５Ｍｐａまでしか達しない。また、試験において、前記複合体を高温高湿の環境下に放置したり熱を加えたりすると、接着剤は劣化し又は断裂して、アルミニウム部材と樹脂部材との接合界面強度が大きく低下するため、前記複合体は、−５０℃〜１００℃の温度範囲内のみでしか正常的に使用できない。さらに、殆んどの接着剤は、加工される過程において有毒気体を発するので、人々の健康を害する。
一方、金属薄板の片面にシリコーンゴムシートを載置し、加熱した後加圧して、一体化するプレス積層方法が特許文献２に記載されている。しかし従来のプレス積層方法において、金属薄板面にシリコーン樹脂層を部分的に積層する際には、その位置を正確に合わせること、また金属薄板の表面に凹凸を有するものに均一にシリコーン樹脂層を貼り合わせることが困難であった。
従って、より合理的な接合方法が従来から研究されて来た。例えば、アルミニウム金属部材を金型内に設置して、直接溶融樹脂を注入するインサート成形方法（射出接着法とも称する）等がある。特に最近では、アルミニウム部材に対して、表面凹凸化エッチング処理を行ってから熱可塑性溶融樹脂を射出して接触させると、特異的に接着力が上がることが発見された。
例えば、特開２００３−１７０５３１号公報（特許文献３）には、アンモニア、ヒドラジン、ヒドラジン誘導体、及び水溶性アミン系化合物から選択される１種以上の水溶液に浸漬される工程を経た、アルミニウム合金形状物の表面に、熱可塑性樹脂組成物が射出接合されたアルミニウム合金と樹脂の複合体であって、浸漬工程を介して、アルミニウム合金の表面を微細なエッチング面にし、同時に前記微細なエッチング面にアミン系化合物を吸着させることが記載されている。
また、国際公開第９７／３５７１６号（特許文献４）には、アルミニウム合金板を陽極酸化して、２０ｎｍ以下の膜厚の陽極酸化被膜を形成し、その基板の表面に、熱可塑性樹脂被膜を積層して接着させる熱可塑性樹脂被覆アルミニウム合金、即ち、熱可塑性樹脂が被膜としてアルミニウム金属部材上に形成されていることが記載されている。
しかし、上記の水溶液浸漬法は、有毒有害のアミン類化合物を使用し、且つアルミニウム金属部材と樹脂部材の接合界面の強度が不十分である。また、陽極酸化法は、製造工程が長く、生産効率が低い等の問題がある。
本発明は、上記従来の問題点に鑑みてなされたものであって、接合強度を向上させると共に、耐久性が良いアルミニウム或いはアルミニウム合金部材と熱可塑性樹脂部材の複合体及びその製造方法を提供する。
上記の目的を達成するために、本発明に係るアルミニウム或いはアルミニウム合金と樹脂の複合体は、電気化学エッチング処理によって、その表面において、内部へ腐食させて複数のナノレベルの微細孔が形成されているアルミニウム或いはアルミニウム合金基材と、結晶型熱可塑性樹脂であり、且つ前記アルミニウム或いはアルミニウム合金基材の微細孔が形成されている表面に射出成形で固着される樹脂部材と、を備える。
また、上記の目的を達成するために、本発明に係るアルミニウム或いはアルミニウム合金と樹脂の複合体の製造方法は、アルミニウム或いはアルミニウム合金基材を用意する工程と、前記アルミニウム或いはアルミニウム合金基材に対して、電気化学エッチング処理を行って、その表面において、内部へ腐食させて複数のナノレベルの微細孔を形成させる工程と、電気化学エッチング処理を経た前記アルミニウム或いはアルミニウム合金基材を射出成形金型にインサートし、結晶型熱可塑性樹脂を射出して、樹脂組成物部品として成形すると共にそれを前記アルミニウム或いはアルミニウム合金基材の前記表面に接合する工程と、を備える。
従来の技術と比較して、本発明に係る複合体のアルミニウム或いはアルミニウム合金基材の表面には、電気化学エッチング処理によって、内部へ凹む多数のナノレベルの微細孔が形成されている。これにより、射出接合する際に、アルミニウム或いはアルミニウム合金とポリフェニレンスルフィド（ＰＰＳ）或いはポリアミド（ＰＡ）との接合力を著しく増強させることができる。また本発明の製造方法は、有毒有害のアミン系化合物を使用せず、且つ製造工程を短縮できるため、生産効率を高めることができる。
図１に示したように、本発明の実施形態に係るアルミニウム或いはアルミニウム合金と樹脂の複合体１００は、アルミニウム或いはアルミニウム合金基材１１及び前記アルミニウム或いはアルミニウム合金基材１１の表面に形成される複数の樹脂部材１３を備える。
図２に示したように、前記アルミニウム或いはアルミニウム合金基材１１の表面には、均一に分布する平均内径が２０〜６０ｎｍの微細孔１１１が多数設けられている。複数の前記微細孔１１１が存在するため、射出成形すると、前記樹脂部材１３の溶融樹脂の一部が前記微細孔１１１内に侵入し、その状態で固化されるので、前記樹脂部材１３と前記アルミニウム或いはアルミニウム合金基材１１の接合力が増強される。前記アルミニウム或いはアルミニウム合金基材１１の表面粗度Ｒａの値は、０．１〜１μｍである。前記アルミニウム或いはアルミニウム合金基材１１に対して、電気化学エッチングを行うことによって、複数の前記微細孔１１１は、前記アルミニウム或いはアルミニウム合金基材１１の表面から基材の内部へ侵蝕して形成される。電気化学エッチングを経たアルミニウム或いはアルミニウム合金基材１１は、ＥＤＳ（Ｅｎｅｒｇｙ Ｄｉｓｐｅｒｓｉｖｅ Ｓｐｅｃｔｒｏｍｅｔｅｒ）テストを介して表面にアルミニウムの酸化物が形成されていないことが証明された。
前記樹脂部材１３は、射出成形法によって前記アルミニウム或いはアルミニウム合金基材１１のナノレベルの微細孔１１１を有する表面に固着される。前記樹脂部材１３の材料は、ポリフェニレンスルフィド（ＰＰＳ）或いはポリアミド（ＰＡ）等の高流動性を有する結晶型熱可塑性樹脂である。また、ポリフェニレンスルフィド樹脂を採用する場合、その中に重量比が３０重量％のガラス繊維を添加することができる。
本発明の実施形態に係る前記アルミニウム或いはアルミニウム合金と樹脂の複合体を製造する方法は、以下の工程を備える。
第１の工程では、形状化されたアルミニウム或いはアルミニウム合金基材１１を準備する。
第２の工程では、前記アルミニウム或いはアルミニウム合金基材１１に対して、脱脂処理を行って、その表面を清潔にする。前記脱脂処理は、前記アルミニウム或いはアルミニウム合金基材１１を、ナトリウム塩を含有する水溶液に浸漬するステップを備える。前記ナトリウム塩を含有する水溶液は、３０〜５０ｇ／Ｌの炭酸ナトリウム、３０〜５０ｇ／Ｌのリン酸ナトリウム及び３〜５ｇ／Ｌのケイ酸ナトリウムを含む。浸漬する間は、前記ナトリウム塩を含有する溶液の液温を５０〜６０℃に保ち、その中に前記アルミニウム或いはアルミニウム合金基材１１を５〜１５分浸漬する。浸漬が終わった後、前記アルミニウム或いはアルミニウム合金基材１１を精製水で洗う。
第３の工程は、前処理である。塩基性水溶液を介して、脱脂処理された後のアルミニウム或いはアルミニウム合金基材１１の表面をエッチングして、その表面を平坦にし、後の電気化学エッチング処理による微細孔の成形効果を高める。塩基性水溶液を利用するエッチング処理は、前記アルミニウム或いはアルミニウム合金基材１１を１０〜５０ｇ／Ｌの水酸化ナトリウムを含有する塩基性水溶液に浸漬するステップを備える。具体的には、前記アルミニウム或いはアルミニウム合金基材１１を室温下で３〜５分浸漬してから、水洗する。
第４の工程では、前処理された後のアルミニウム或いはアルミニウム合金基材１１に対して、電気化学エッチング処理を行うことによって、前記アルミニウム或いはアルミニウム合金基材１１をその表面において、基材の内部へさらに腐食させて、前記アルミニウム或いはアルミニウム合金基材１１の表面に、平均内径が２０〜６０ｎｍの微細孔１１１を多数形成させる。具体的には、前記電気化学エッチング処理は、前記アルミニウム或いはアルミニウム合金基材１１を陽極、ステンレス鋼板或いは鉛板を陰極として、硫酸及びリン酸の混合溶液を通電して行われる。前記硫酸の体積濃度は３０〜５０ｍｌ／Ｌであり、前記リン酸の体積濃度は２０〜６０ｍｌ／Ｌである。前記混合溶液の電流密度は、２〜４Ａ／ｄｍ２である。エッチング時間は、８〜１５分であり、陽極酸化に必要とする時間（約２０〜６０分）より遥かに短い。電気化学エッチングが終わった後、前記アルミニウム或いはアルミニウム合金基材１１をよく水洗して、乾燥させる。
上記の工程において、陽極とする前記アルミニウム或いはアルミニウム合金基材１１の表面に起こった主な化学反応は、Ａｌ→Ａｌ３＋＋３ｅ−である。即ち、前記アルミニウム或いはアルミニウム合金基材１１の表面のアルミニウムは、外部から印加された電圧により電子を失い、アルミニウムイオンに変わって前記混合溶液に溶解するので、前記アルミニウム或いはアルミニウム合金基材１１の表面には複数の微細孔１１１が形成される。以上から分かるように、前記微細孔１１１は、電気化学エッチング法を介して、前記アルミニウム或いはアルミニウム合金基材１１の表面を直接エッチングして、前記表面を内部へと腐食させることによって形成される。
本発明の製造方法と従来の陽極酸化法により得られた微細孔には、実質的な違いがある。陽極酸化法の本質は、アルミニウム基材の表面に、穴だらけのアルミニウムの酸化物膜を形成することである。陽極酸化工程において、陽極の主な化学反応は、２Ｈ２Ｏ→Ｏ２＋４Ｈ＋＋４ｅ−、４Ａｌ＋３Ｏ２→２Ａｌ２Ｏ３である。即ち、アルミニウム基材の表面のアルミニウムが、外部から印加された電圧により生成されたＯ２と直接結合して、アルミニウムの酸化物皮膜を形成する。このアルミニウムの酸化物皮膜が形成される過程において、表面に微細孔が発生する。
図３に示したように、本発明のアルミニウム或いはアルミニウム合金と樹脂の複合体の射出接合過程は、以下のステップを備える。まず、雄型２３及び雌型２１を備える射出成形金型２０を用意する。前記雄型２３には、複数の流路２３１、及び前記樹脂部材１３に対応する複数の第一空洞部２３３が設けられている。前記雌型２１には、前記アルミニウム或いはアルミニウム合金基材１１を収容するための第二空洞部２１１が設けられている。次に、前記電気化学エッチング処理を経たアルミニウム或いはアルミニウム合金基材１１を前記第二空洞部２１１内にセットした後、複数の前記流路２３１を通して、複数の前記第一空洞部２３３内にそれぞれ溶融樹脂を射出充填して、複数の前記樹脂部材１３を成形することで、所望のアルミニウム或いはアルミニウム合金と樹脂の複合体１００を得ることができる。前記溶融樹脂は、ポリフェニレンスルフィド（ＰＰＳ）或いはポリアミド（ＰＡ）等の高流動性を有する結晶型熱可塑性樹脂である。また射出する時は、前記射出成形金型２０の温度を１２０〜１４０℃の範囲内にコントロールしておく。
前記アルミニウム或いはアルミニウム合金と樹脂の複合体１００に対して、抗張力及びせん断力試験を行ったところ、その抗張力は１０ＭＰａに達し、せん断力は２０ＭＰａに達した。また、前記アルミニウム或いはアルミニウム合金と樹脂の複合体１００を、温度が８５℃、相対湿度が８５％という条件下で、７２時間保存しても、その抗張力及びせん断力の明らかな低下はなかった。さらに、前記アルミニウム或いはアルミニウム合金と樹脂の複合体１００に対して冷熱衝撃試験（４８時間、−４０〜８５℃、４時間／サイクル、１２サイクル）を行った結果においても、その抗張力及びせん断力の明らかな低下はみられなかった。
本発明の製造方法においては、電気化学エッチング処理を介して、前記アルミニウム或いはアルミニウム合金基材１１の表面に平均内径が２０〜６０ｎｍの微細孔１１１を複数形成し、且つその表面粗度Ｒａの値を０．１〜１μｍにしてから、前記アルミニウム或いはアルミニウム合金基材１１を射出成形金型内にインサートする。このため、射出接合する際に、アルミニウム基材と溶融樹脂との接合力は、大幅に向上される。本発明の製造方法は、従来から使用されている有毒有害のアミン類化合物を使用せず、且つ従来の陽極酸化工程より、製造工程時間を短縮できるため、生産効率を高めることができる。
以上、本発明の好適な実施形態について詳細に説明したが、本発明は前記実施形態に限定されるものではなく、本発明の範囲内で種々の変形、又は修正が可能であり、該変形、又は修正も本発明の特許請求の範囲内に含まれるものであることはいうまでもない。
１１ アルミニウム或いはアルミニウム合金基材
１３ 樹脂部材
２０ 射出成形金型
２１ 雌型
２３ 雄型
１００ アルミニウム或いはアルミニウム合金と樹脂の複合体
１１１ 微細孔
２１１ 第二空洞部
２３１ 流路
２３３ 第一空洞部
１３ 樹脂部材
２０ 射出成形金型
２１ 雌型
２３ 雄型
１００ アルミニウム或いはアルミニウム合金と樹脂の複合体
１１１ 微細孔
２１１ 第二空洞部
２３１ 流路
２３３ 第一空洞部
Claims (9)
- 電気化学エッチング処理によって、表面において、内部へ腐食させて複数のナノレベルの微細孔が形成されているアルミニウム或いはアルミニウム合金基材と、
結晶型熱可塑性樹脂であり、且つ前記アルミニウム或いはアルミニウム合金基材の微細孔が形成されている表面に射出成形で固着される樹脂部材と、
を備えることを特徴とするアルミニウム或いはアルミニウム合金と樹脂の複合体。 - 複数の前記ナノレベルの微細孔の平均内径は２０〜６０ｎｍであり、前記アルミニウム或いはアルミニウム合金基材の表面粗度Ｒａの値は０．１〜１μｍであることを特徴とする請求項１に記載のアルミニウム或いはアルミニウム合金と樹脂の複合体。
- 前記結晶型熱可塑性樹脂は、重量比が３０重量％のガラス繊維が添加されたポリフェニレンスルフィド樹脂或いはポリアミド樹脂であることを特徴とする請求項１に記載のアルミニウム或いはアルミニウム合金と樹脂の複合体。
- 前記樹脂部材の少なくとも一部が、前記ナノレベルの微細孔内に侵入して、前記アルミニウム或いはアルミニウム合金基材の表面に接合されることを特徴とする請求項１から３の何れか一項に記載のアルミニウム或いはアルミニウム合金と樹脂の複合体。
- アルミニウム或いはアルミニウム合金基材を用意する工程と、
前記アルミニウム或いはアルミニウム合金基材に対して、電気化学エッチング処理を行って、その表面において、内部へ腐食させて複数のナノレベルの微細孔を形成させる工程と、
電気化学エッチング処理を経た前記アルミニウム或いはアルミニウム合金基材を射出成形金型にインサートし、結晶型熱可塑性樹脂を射出して樹脂組成物部品として成形すると共に、それを前記アルミニウム或いはアルミニウム合金基材の前記表面に接合する工程と、
を備えることを特徴とするアルミニウム或いはアルミニウム合金と樹脂の複合体の製造方法。 - 複数の前記ナノレベルの微細孔の平均内径は２０〜６０ｎｍであり、電気化学エッチング処理がなされた前記アルミニウム或いはアルミニウム合金基材の表面粗度Ｒａの値は０．１〜１μｍであることを特徴とする請求項５に記載のアルミニウム或いはアルミニウム合金と樹脂の複合体の製造方法。
- 前記電気化学エッチング処理工程は、体積濃度が３０〜５０ｍｌ／Ｌである硫酸及び体積濃度が２０〜６０ｍｌ／Ｌであるリン酸の混合溶液に８〜１５分通電し、且つ電流密度を２〜４Ａ／ｄｍ２にすることを特徴とする請求項５に記載のアルミニウム或いはアルミニウム合金と樹脂の複合体の製造方法。
- 前記電気化学エッチング処理工程は、前記アルミニウム或いはアルミニウム合金基材を陽極とし、この陽極の主な化学反応が、Ａｌ→Ａｌ３＋＋３ｅ−であることを特徴とする請求項５に記載のアルミニウム或いはアルミニウム合金と樹脂の複合体の製造方法。
- 前記電気化学エッチング処理工程の前に、前記アルミニウム或いはアルミニウム合金基材を１０〜５０ｇ／Ｌの水酸化ナトリウムを含有する塩基性水溶液に、３〜５分を浸漬する工程をさらに備えることを特徴とする請求項５に記載のアルミニウム或いはアルミニウム合金と樹脂の複合体の製造方法。
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