JP2015509557A - アルミニウム合金樹脂複合材を調製する方法及びそれによって得られるアルミニウム合金樹脂複合材 - Google Patents

アルミニウム合金樹脂複合材を調製する方法及びそれによって得られるアルミニウム合金樹脂複合材 Download PDF

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Abstract

【課題】 アルミニウム合金樹脂複合材を調製する方法、及びそれによって得られるアルミニウム合金樹脂複合材を提供する。【解決手段】 調製方法は、Ｓ１：アルミニウム合金基材の表面を陽極酸化処理し、ナノ細孔が形成された酸化物層を表面上に形成することと、Ｓ２：ステップＳ１の結果であるアルミニウム合金基材を約１０〜約１３のｐＨを有するアルカリ性溶液に浸漬し、酸化物層の外面に腐食細孔を形成することとを含み、アルカリ性溶液が、可溶性炭酸塩、可溶性アルカリ、可溶性燐酸塩、可溶性硫酸塩及び可溶性ホウ酸塩から選択される少なくとも１つを含む水溶液を含み、さらに、Ｓ３：型内で樹脂をステップＳ２の結果であるアルミニウム合金基材の表面上に射出成形し、アルミニウム合金樹脂複合材を得ることを含む。【選択図】 図１

Description

[関連出願の相互参照]
本出願は、２０１２年２月２４日に中華人民共和国国家知識産権局に出願した中国特許出願第２０１２１００４３６３９．９号に対する優先権及びその利益を主張し、その内容は全体が参照により本明細書に組み込まれる。
本開示は、金属プラスチック成形の分野に関し、特に、アルミニウム合金樹脂複合材を調製する方法及びそれによって得られるアルミニウム合金樹脂複合材に関する。
自動車、家庭電化製品及び工業用機械などの物品を製造する分野では、金属と樹脂を相互にしっかり接合する必要がある。現在、従来の方法では、接着剤を常温又は加熱して使用し、金属と合成樹脂を一体接合する。一つの研究動向は、接着剤を使用せずに、エンジニアリングレジンを高強度でマグネシウム合金、アルミニウム合金、鉄合金、例えばステンレス鋼に直接一体接合することである。
ナノ成形技術（ＮＭＴ）とは、金属と樹脂を一体接合する技術であり、金属樹脂一体成形品を得るように、金属板の表面をナノ成形することによって樹脂を金属板の表面上に直接射出成形することができる。金属と樹脂を効果的に接合するために、低コストかつ高いパフォーマンスで金属樹脂一体成形品を提供するように、ＮＭＴは、一般に使用されているインサート成形又は亜鉛−アルミニウム又はマグネシウム−アルミニウムダイカストに取って代わることができる。接合技術と比較して、ＮＭＴは製品の全重量を削減し、機械的な構造の優れた強度、速い処理速度、高い生産高、及び多くの外観装飾方法を確実に行うことができ、その結果、車両、ＩＴ装置及び３Ｃ製品に適用することができる。
本開示の実施形態は、先行技術に存在する問題の少なくとも１つを少なくともある程度まで、特にアルミニウム合金樹脂複合材におけるアルミニウム合金と樹脂の間の結合力が弱いという技術的問題を解決することを目指す。さらに本開示の目的は、アルミニウム合金と樹脂の間の結合力が強力なアルミニウム合金樹脂複合材を調製する方法で、容易に大量生産でき、汚染を軽減する方法を提供することである。
本発明の第１の態様によれば、アルミニウム合金樹脂複合材を調製する方法であって、
Ｓ１：アルミニウム合金基材の表面を陽極酸化処理し、ナノ細孔が形成された酸化物層を表面上に形成するステップと、
Ｓ２：ステップＳ１の結果であるアルミニウム合金基材を約１０〜約１３のｐＨを有するアルカリ性溶液に浸漬し、酸化物層の外面に腐食細孔を形成するステップであって、アルカリ性溶液が、可溶性炭酸塩、可溶性アルカリ、可溶性燐酸塩、可溶性硫酸塩及び可溶性ホウ酸塩から選択される少なくとも１つを含む水溶液を含むステップと、
Ｓ３：型内で樹脂をステップＳ２の結果であるアルミニウム合金基材の表面上に射出成形し、アルミニウム合金樹脂複合材を得るステップと、
を含む方法が提供される。
本開示の第２の態様によれば、本開示の第１の態様による方法により得られるアルミニウム合金樹脂複合材が提供される。
本発明の発明者は、驚くべきことに、本開示の実施形態による方法によってアルミニウム合金の表面上に独特の２層空間細孔構造を形成することができ、アルミニウム合金の表面上に酸化アルミニウム層を形成することができ、酸化アルミニウム層は優れた特性のナノ細孔を有することができることを発見した。本開示の実施形態による技術的解決法により、約１０〜約１００ｎｍの細孔径を有するナノ細孔を形成することができ、これは独特の構造を有し、樹脂との良好な連結性を有する。一方、さらなる腐食によって、酸化アルミニウム層の樹脂と接触する外面に腐食細孔を形成することができる。腐食細孔は、ナノ細孔より大きい細孔径を有することができる。本開示の実施形態による技術的解決法により、外面に約２００ｎｍ〜約２０００ｎｍの細孔径を有するナノ細孔を形成することができ、これは独特の構造で、樹脂とアルミニウム合金との連結性の強化に寄与する。その後の成形ステップの過程で、樹脂はアルミニウム合金の外面上にある比較的大きい細孔を通して内層の細孔に侵入することができ、これによって成形がさらに容易になる。本開示の実施形態によれば、追加の成分を使用せずにアルミニウム合金を樹脂にぴったり結合することができ、より高い強度を得ることができる。本開示の実施形態によれば、金属基材のサイズ及びアルミニウム合金の外観に及ぼす影響はほとんどなく、加工の過程で発生する熱は比較的小さい。一方、樹脂は、表面上の細孔径の方が大きい状態で、腐食細孔に容易に射出成形することができ、樹脂側には特段の要件はない。本発明の技術的解決法は広範に使用することができ、環境に優しく、大量生産に採用することができる。
本開示の実施形態の追加の態様及び利点は、一部については以下に説明され、一部は以下の説明から明らかになるか又は本開示の実施形態を実施することにより習得される。
本開示の上記及び他の態様及び利点は、図面と組み合わせた以下の説明を考慮することにより明らかになり、さらに容易に理解されるであろう。
本開示の一実施形態により調製した酸化アルミニウム層に２層空間細孔構造が存在することを示す。 実施例１の表面処理１後のアルミニウム合金板表面の走査型電子顕微鏡図を示す。 図３ａ及び図３ｂは、実施例１の表面処理２後のアルミニウム合金板表面の走査型電子顕微鏡図を示す。
本開示の実施形態について詳細に説明する。本明細書で説明する実施形態は説明的で例示的であり、本開示を全体的に理解するために用いられる。実施形態は、本開示を制限するものではないことが想定される。
本開示の第１の態様によれば、アルミニウム合金樹脂複合材を調製する方法が提供される。該方法は以下のステップを含む。
Ｓ１：アルミニウム合金基材の表面を陽極酸化処理し、ナノ細孔が形成された酸化物層を表面上に形成する。
本開示の実施形態では、このステップで、任意選択でステップＳ１の前に前処理されたアルミニウム合金基材を陽極酸化処理することができ、したがってアルミニウム合金基材の表面上に酸化物層を形成することができ、酸化物層にナノ細孔を形成することができる。本開示の実施形態によれば、陽極酸化処理の方法は当業者には周知である。本開示の実施形態によれば、ステップＳ１、すなわち陽極酸化処理は、約１０ｗｔ％〜約３０ｗｔ％の濃度のＨ２ＳＯ４溶液中の陽極として、任意選択でこのステップの前に前処理したアルミニウム合金基材を提供することと、アルミニウム合金基材の表面上に約１μｍ〜約１０μｍの厚さの酸化物層を形成するために約１０℃〜約３０℃の温度、約１０Ｖ〜約１００Ｖの電圧で約１分〜約４０分間、アルミニウム合金基材を電気分解することとを含む。本開示の実施形態によれば、陽極酸化処理用によく知られている任意の装置を本開示に適用することができ、例えば本開示のある実施形態によれば、陽極酸化槽を適用することができる。本開示の実施形態によれば、陽極酸化処理によって形成された酸化物層は、好ましくは約１μｍ〜約１０μｍ、好ましくは約１μｍ〜約５μｍの厚さを有することができる。本開示の実施形態によれば、酸化物層のナノ細孔は約１０ｎｍ〜約１００ｎｍ、好ましくは約２０ｎｍ〜約８０ｎｍ、さらに好ましくは約２０ｎｍ〜約６０ｎｍの細孔径を有することができる。本開示の実施形態によれば、ナノ細孔は約０．５μｍ〜約９．５μｍ、好ましくは約０．５μｍ〜約５μｍの深さを有することができる。本発明の発明者は、驚くべきことに、ナノ細孔が存在すると酸化物層と樹脂の間の結合力がさらに強力になることを発見した。
Ｓ２：ステップＳ１の結果であるアルミニウム合金基材を約１０〜約１３のｐＨを有するアルカリ性溶液に浸漬し、酸化物層の外面に腐食細孔を形成する。
本開示の実施形態によれば、このステップでは、ステップＳ１の結果であるアルミニウム合金基材を約１０〜約１３のｐＨのアルカリ性溶液に浸漬することができ、したがって、ステップＳ１でアルミニウム合金基材上に形成された酸化物層の外面に腐食細孔を形成することができる。このステップでは、約１０〜約１３のｐＨのアルカリ性溶液を使用して、ステップＳ１の結果であるアルミニウム合金基材を処理し、次に酸化物層の外面に腐食細孔を形成することができ、腐食細孔のサイズは通常、ナノ細孔のサイズより大きい。アルカリ性溶液のタイプは限定されず、本開示の実施形態によれば、アルカリ性溶液には、可溶性炭酸塩、可溶性アルカリ、可溶性燐酸塩、可溶性硫酸塩及び可溶性ホウ酸塩から選択される少なくとも１つを含む水溶液が含まれる。本開示の実施形態によれば、アルカリ性溶液は、Ｎａ２ＣＯ３、ＮａＨＣＯ３、ＮａＯＨ、ＮａＨ２ＰＯ４、Ｎａ２ＨＰＯ４、Ｎａ３ＰＯ４、Ｎａ２ＳＯ３及びＮａ２Ｂ４Ｏ７からなる群から選択される少なくとも１つを含有する水溶液である。本開示の実施形態によれば、アルカリ性溶液には、Ｎａ２ＣＯ３及び／又はＮａＨＣＯ３を含む水溶液が含まれる。本開示の実施形態によれば、アルカリ性溶液中でＮａ２ＣＯ３及び／又はＮａＨＣＯ３はそれぞれ約０．１ｗｔ％〜１５ｗｔ％の質量パーセント濃度を有する。本開示の実施形態によれば、アルカリ性溶液中でＮａ２ＣＯ３及び／又はＮａＨＣＯ３は約０．１ｗｔ％〜１０ｗｔ％の質量パーセント濃度を有する。本開示の実施形態によれば、マイクロメートルレベルの細孔径を有する腐食細孔を形成することが好ましい。本開示の実施形態によれば、腐食細孔は最大約２００ｎｍ〜約２０００ｎｍ、さらには最大約２００ｎｍ〜約１０００ｎｍ、さらには最大約４００ｎｍ〜約１０００ｎｍの細孔径を有することができる。本開示の実施形態によれば、腐食細孔は最大約０．５μｍ〜約９．５μｍ、さらに約０．５μｍ〜５μｍの深さを有することができ、腐食細孔はナノ細孔と連通していることが好ましい。次に、腐食細孔を形成したので、以下のステップＳ３、すなわち成形のステップで、樹脂は射出成形の過程でアルミニウム合金基材の表面にある細孔に十分進入することができ、したがって形成される樹脂層はアルミニウム層基材と結合する。次に、形成された腐食細孔は酸化物層の表面に均一な細孔径で一様に分布し、細孔構造は非常に優れたものとすることができ、それによって樹脂層とアルミニウム合金基材との接合性能を向上させることができ、その結果、アルミニウム合金樹脂複合材の引張強度が向上し、一体結合が向上する。本開示の実施形態によれば、ステップＳ２はステップＳ１の結果であるアルミニウム合金を約１０〜約１３のｐＨを有するアルカリ性溶液に複数回、すなわち２回以上、例えば約２〜１０回繰り返し浸漬することを含み、各浸漬は約１分〜約６０分間継続し、各浸漬後にアルミニウム合金を水で洗浄、例えば脱イオン水で洗浄する。本開示の実施形態によれば、洗浄は洗浄する物品を洗浄槽内に配置し、約１分〜５分間放置するのみのことがあり、洗浄する物品を洗浄槽内で約１分〜５分間洗浄することを含んでもよい。
Ｓ３：型内で樹脂をステップＳ２の結果であるアルミニウム合金基材の表面上に射出成形し、アルミニウム合金樹脂複合材を得る。
本開示の実施形態によれば、このステップでは、ステップＳ１及びＳ２の処理後に結果となるアルミニウム合金基材を型に入れることができ、樹脂複合材を型に注入して、アルミニウム合金基材と組み合わせることができ、したがって成形処理後にアルミニウム合金樹脂複合材が形成される。
上述したように、ステップＳ１の処理前に、アルミニウム合金基材は表面を前処理することができ、それは一般に、表面から目に見える異物を除去するためにメカニカルバニッシング又はメカニカルラッピングをすることと、金属表面に付着しているプロセス油を除去するためにアルミニウム合金基材を脱脂して洗浄することとを含む。前処理は、アルミニウム合金基材の表面をバニッシングすることを含むことが好ましく、例えばさらに約１００メッシュ〜約４００メッシュのサンドペーパーを使用するか、又は研磨機を使用してアルミニウム合金基材の表面をバニッシングして、ミクロン単位の小さい細孔を生成することを含む。本開示の実施形態によれば、バニッシングしたアルミニウム合金基材はその後、油除去することができ、水で１回目の洗浄をし、アルカリエッチングして、水で２回目の洗浄をし、中和して、水で３回目の洗浄をする。本開示の実施形態によれば、アルミニウム合金基材は、アルミニウム合金基材の表面から油汚れを除去するために、任意の周知の溶媒を使用して超音波によって約０．５時間〜約２時間洗浄し、次にアルミニウム合金を酸性／アルカリ性水溶液に入れ、超音波で再度表面を洗浄することができる。溶媒及び酸性／アルカリ性水溶液のタイプは限定されず、使用する溶媒はエタノール又はアセトンとすることができ、酸性／アルカリ性水溶液は塩酸、硫酸、水酸化ナトリウム、水酸化カリウムなどからなる群から選択される少なくとも１つとすることができる。本開示の実施形態によれば、アルミニウム合金基材は、無水エタノールを使用して油除去処理し、表面から油を除去して、次に水を使用して洗浄する。次に、洗浄したアルミニウム合金基材を約３０〜７０ｇ／Ｌの濃度で約４０℃〜約８０℃の温度の水酸化ナトリウム溶液に浸漬して、アルミニウム合金基材を約１〜５分間アルカリエッチングし、脱イオン水を使用して洗浄する。次に、１０〜３０ｗｔ％のＨＮＯ３を使用してアルミニウム合金基材を中和して、微量のアルカリ性溶液を除去し、脱イオン水を使用して洗浄する。このように、アルミニウム合金基材の表面にミクロン単位のサイズの細孔を形成することができる。本開示の実施形態によれば、細孔径は約１〜１０μｍとすることができる。
本開示で使用するアルミニウム合金に特別な制限はなく、その例は業界標準の１０００〜７０００シリーズ、又は成形クラスの様々なアルミニウム合金とすることができる。本開示のアルミニウム合金は、様々な形状及び構造の一般に使用されているアルミニウム合金でよく、本開示では制限されていない。アルミニウム合金の様々な形状及び構造は、機械処理で達成することができる。
本開示で使用する樹脂に特別な制限はなく、アルミニウム合金と結合することができる任意の樹脂を含むことができ、熱可塑性樹脂が好ましい。本開示の実施形態によれば、熱可塑性樹脂には主剤樹脂とポリオレフィン樹脂の混合物を含むことができる。本開示の実施形態によれば、主剤樹脂は非晶性樹脂を含むことができ、それは両方とも先行技術の高度に結晶質の樹脂よりも優れた表面光沢及び靱性を有し、射出成形材料として使用され、融点が約６５℃〜約１０５℃のポリオレフィン樹脂も使用される。したがって、成形中には特定のマウンド温度の射出成形を不要とすることができ、その後の焼鈍処理も不要とすることができ、成形プロセスを簡略化することができ、得られた金属樹脂複合材が高い機械的強度及び良好な表面処理特性を確実に有することができ、したがってプラスチック物品の表面装飾の問題を解決し、顧客の多様な要件に応じることができる。
本開示の実施形態によれば、多くの実験を通して本発明の発明者が発見したことは、本開示では、非晶性主剤樹脂中で融点が約６５℃〜約１０５℃のポリオレフィン樹脂を使用することにより、金属板の表面にあるナノスケールのマイクロ細孔中の樹脂の流動性を向上させることができ、したがって金属とプラスチックの間の強力な接着力、さらに金属樹脂複合材の高い機械的強度を確保することができる。熱可塑性樹脂の１００重量部ベースで、主剤樹脂の量は約７０重量部〜約９５重量部であり、ポリオレフィン樹脂の量は約５重量部〜約３０重量部である。
本発明の発明者は、樹脂の流動性は熱可塑性樹脂に流動改良剤を含めることによって向上させることができ、したがって金属とプラスチックの間の接着力、さらに樹脂の射出成形性能をさらに向上させることも発見した。熱可塑性樹脂の１００重量部ベースで、熱可塑性樹脂はさらに約１重量部〜約５重量部の流動改良剤を含有することが好ましい。流動改良剤は環状ポリカーボネートであることが好ましい。
上述したように、本開示で使用する樹脂は非晶性樹脂とすることができる。本開示の実施形態によれば、主剤樹脂はポリフェニレンエーテル（ＰＰＯ）とポリフェニレンスルフィド（ＰＰＳ）の混合物を含むことができる。本開示の一実施形態によれば、主剤樹脂中で、ポリフェニレンエーテル対ポリフェニレンスルフィドの重量比は約３：１〜約１：３、好ましくは約２：１〜約１：１である。本開示の実施形態によれば、主剤樹脂はポリフェニレンオキシドとポリアミドの混合物を含む。本開示の一実施形態では、主剤樹脂中でポリフェニレンオキシド対ポリアミドの重量比は約３：１〜約１：３、好ましくは約２：１〜約１：１である。本開示の実施形態によれば、主剤樹脂中で、主剤樹脂はポリカーボネートであり、それは直鎖状ポリカーボネート又は分岐状ポリカーボネートであってもよい。
本開示の実施形態によれば、ポリオレフィン樹脂は約６５℃〜約１０５℃の融点を有し、好ましくはポリオレフィン樹脂はグラフトポリエチレンとすることができる。融点が約１００℃〜約１０５℃のグラフトポリエチレンをポリオレフィン樹脂として使用できることが好ましい。
本開示で使用する樹脂は、さらに他の改質添加剤を含むことができ、添加剤に特別の制限はなく、例えば樹脂はフィラーを含むことができる。フィラーにも特別の制限はなく、フィラーの非限定的例には、繊維フィラー又は粉末無機フィラーがある。繊維フィラーはガラス繊維、炭素繊維及び芳香族ポリアミド繊維からなる群から選択される少なくとも１つでよい。さらに粉末無機フィラーは、炭酸カルシウム、炭酸マグネシウム、シリカ、重硫酸バリウム、タルカムパウダ、ガラス及び粘土からなる群から選択される少なくとも１つでよい。本開示の実施形態によれば、主剤樹脂の１００重量部ベースで、繊維フィラーの含量は５０〜１５０重量部であり、粉末フィラーの含量は５０〜１５０重量部である。樹脂は水平方向と垂直方向の両方でアルミニウム合金と同様の線膨張率を有する。
本開示の実施形態によれば、本開示で使用する樹脂は、主剤樹脂とポリオレフィン樹脂を混合することによって調製することができる。例えば、樹脂は、主剤樹脂とポリオレフィン樹脂を均等に混合し、次に二軸押出機で粒状化することにより調製することができる。
本開示の実施形態によれば、流動改良剤及びフィラーを主剤樹脂に添加し、均一に混合することができ、したがって得られた樹脂は水平方向及び垂直方向の両方でアルミニウム合金と同様の線膨張率を有する。
本開示の実施形態によれば、射出成形を実行する条件に制限はない。例えば、本開示の一実施形態によれば、射出成形の条件は、型の温度５０〜２００℃、ノズル温度２００〜３５０℃、注入する樹脂複合材の量は通常０．１〜１０００ｇ、調製した複合材の表面は０．１〜１０ｍｍの深さの樹脂層を有することとすることができる。
本開示の調製方法は簡易であり、既存の接着技術と比較した場合、生産プロセスを大幅に簡略化し、生産時間を短縮して、プロセスの複雑性を大幅に軽減する。以上はすべて、本開示のプロセス方法を使用した後に直接射出成形することのみで達成することができる。それと同時に、本開示の調製方法によって調製したアルミニウム合金樹脂複合材は、樹脂層とアルミニウム合金基材との組み合わせを有し、引張剪断強度が向上する。
本開示の別の態様によれば、上記方法によって得られるアルミニウム合金樹脂複合材が提供される。本開示の実施形態によれば、アルミニウム合金樹脂複合材はアルミニウム合金基材及び樹脂層を含み、樹脂層を形成する樹脂がナノ細孔及び腐食細孔に充填されている。樹脂は、当技術分野でアルミニウム合金と組み合わせられることが分かっている限り、周知の任意の樹脂である。
技術的問題、技術的解決策、及び本開示の有利な効果をさらに明らかにするために、本開示についてその実施例を参照しながらさらに以下で詳細に説明する。本明細書で説明する特定の実施例は、本開示を理解するために使用されているにすぎないことを理解されたい。実施例は、本開示を制限しないものと想定される。実施例及び比較用の実施例で使用する原料は市販されており、特段の制限はない。
実施例１
この実施例では、アルミニウム合金樹脂複合材を調製した。
１．前処理
厚さ１ｍｍの市販のＡ５０５２アルミニウム合金板を１５ｍｍ×８０ｍｍの矩形シートに切断し、次にこれを研磨機で研磨して、無水エタノールで洗浄し、次に４０ｇ／ＬのＮａＯＨ水溶液に浸漬した。２分後、矩形シートを水で洗浄し、乾燥して前処理したアルミニウム合金板を得た。
２．表面処理１：
各アルミニウム合金板を陽極として２０ｗｔ％のＨ２ＳＯ４溶液を入れた陽極酸化処理浴に入れ、アルミニウム合金を２０Ｖの電圧、２０℃で１０分間電気分解し、次にアルミニウム合金板をブロー乾燥した。
表面処理１後にアルミニウム合金板の断面を金属顕微鏡で観察し、電気分解したアルミニウム合金板の表面に厚さ５μｍの酸化アルミニウム層が形成されていることが判明した。表面処理１後にアルミニウム合金板の表面を電子顕微鏡で観察し（図２参照）、酸化アルミニウム層に細孔径が約４０ｎｍ〜約６０ｎｍで深さが１μｍのナノ細孔が形成されていることが判明した。
３．表面処理２
ビーカー中で１０ｗｔ％のＮａ２ＣＯ３を含有する１００ｍＬの水溶液（ｐＨ＝１２．２）を調製した。ステップ（２）後のアルミニウム合金板を２０℃の炭酸ナトリウム溶液に浸漬し、５分後に取り出して、水を入れたビーカ内に配置して、１分間浸漬した。５サイクルの後、最後に水に浸漬した後にアルミニウム合金板をブロー乾燥した。
表面処理２後にアルミニウム合金板の表面を電子顕微鏡で観察し（図３ａ及び図３ｂ参照）、浸漬したアルミニウム合金板の表面に細孔径が１０００ｎｍ〜１５００ｎｍで深さが４μｍの腐食細孔が形成されていることが判明した。酸化アルミニウム層中に図１に示す構造と同様の二層３次元細孔構造があり、腐食細孔がナノ細孔と連通していることも観察することができる。
４．成形
乾燥したアルミニウム合金部片を射出成形用金型に挿入した。ポリフェニルスルフィド（ＰＰＳ）樹脂及び３０ｗｔ％のガラス繊維を含有する樹脂複合材を射出成形する。離型及び冷却の後、アルミニウム合金と樹脂の強固な組み合わせであるアルミニウム合金樹脂複合材が得られる。
実施例２
この実施例では、以下の例外を除き実施例１の方法と実質的に同じ方法で、アルミニウム合金樹脂複合材を調製した。
表面処理２で使用するアルカリ性溶液は、１５ｗｔ％のＮａ２ＣＯ３を含有し、ｐＨ＝１２．５である１００ｍＬの水溶液である。電気分解後に約５μｍの厚さを有する酸化アルミニウム被膜の層が形成され、酸化アルミニウム層内に４０〜６０ｎｍのサイズを有するナノ細孔が形成されていることが観察された。さらに、表面処理２後に、浸漬したアルミニウム合金薄膜の表面に、サイズが１５００〜２０００ｎｍで深さが０．５μｍの腐食細孔が形成されていることが観察された。酸化アルミニウム層中に図１に示した構造と同様の二層３次元細孔構造があり、腐食細孔がナノ細孔と連通していることも観察することができる。さらに、アルミニウム合金樹脂複合材を調製した。
実施例３
この実施例では、以下の例外を除き実施例１の方法と実質的に同じ方法で、アルミニウム合金樹脂複合材を調製した。
表面処理２で使用するアルカリ性溶液は、１２ｗｔ％のＮａ２ＣＯ３を含有し、ｐＨ＝１２．３である１００ｍＬの水溶液である。電気分解後に約５μｍの厚さを有する酸化アルミニウム被膜の層が形成され、酸化アルミニウム層内に４０〜６０ｎｍのサイズ及び１μｍの深さを有するナノ細孔が形成されていることが観察された。さらに、表面処理２後に、浸漬したアルミニウム合金薄膜の表面に、サイズが１２００〜１８００ｎｍで深さが４μｍの腐食細孔が形成されていることが観察された。酸化アルミニウム層中に図１に示した構造と同様の二層３次元細孔構造があり、腐食細孔がナノ細孔と連通していることも観察することができる。さらに、アルミニウム合金樹脂複合材を調製した。
実施例４
この実施例では、以下の例外を除き実施例１の方法と実質的に同じ方法で、アルミニウム合金樹脂複合材を調製した。
表面処理２で使用するアルカリ性溶液は、８ｗｔ％のＮａ２ＣＯ３を含有し、ｐＨ＝１１．９である１００ｍＬの水溶液である。電気分解後に約５μｍの厚さを有する酸化アルミニウム被膜の層が形成され、酸化アルミニウム層内に４０〜６０ｎｍのサイズ及び１μｍの深さを有するナノ細孔が形成されていることが観察された。さらに、表面処理２後に、浸漬したアルミニウム合金薄膜の表面に、サイズが６００〜１０００ｎｍで深さが４μｍの腐食細孔が形成されていることが観察された。酸化アルミニウム層中に図１に示した構造と同様の二層３次元細孔構造があり、腐食細孔がナノ細孔と連通していることも観察することができる。さらに、アルミニウム合金樹脂複合材を調製した。
実施例５
この実施例では、以下の例外を除き実施例１の方法と実質的に同じ方法で、アルミニウム合金樹脂複合材を調製した。
表面処理２で使用するアルカリ性溶液は、６ｗｔ％のＮａ２ＣＯ３を含有し、ｐＨ＝１１．７である１００ｍＬの水溶液である。電気分解後に約５μｍの厚さを有する酸化アルミニウム被膜の層が形成され、酸化アルミニウム層内に４０〜６０ｎｍのサイズ及び２μｍの深さを有するナノ細孔が形成されていることが観察された。さらに、表面処理２後に、浸漬したアルミニウム合金薄膜の表面に、サイズが６００〜１０００ｎｍで深さが３μｍの腐食細孔が形成されていることが観察された。酸化アルミニウム層中に図１に示した構造と同様の二層３次元細孔構造があり、腐食細孔がナノ細孔と連通していることも観察することができる。さらに、アルミニウム合金樹脂複合材を調製した。
実施例６
この実施例では、以下の例外を除き実施例１の方法と実質的に同じ方法で、アルミニウム合金樹脂複合材を調製した。
表面処理２で使用するアルカリ性溶液は、１５ｗｔ％のＮａＨＣＯ３を含有し、ｐＨ＝１１．５である１００ｍＬの水溶液である。電気分解後に約５μｍの厚さを有する酸化アルミニウム被膜の層が形成され、酸化アルミニウム層内に４０〜６０ｎｍのサイズ及び２μｍの深さを有するナノ細孔が形成されていることが観察された。さらに、表面処理２後に、浸漬したアルミニウム合金薄膜の表面に、サイズが３００〜１０００ｎｍで深さが３μｍの腐食細孔が形成されていることが観察された。酸化アルミニウム層中に図１に示した構造と同様の二層３次元細孔構造があり、腐食細孔がナノ細孔と連通していることも観察することができる。さらに、アルミニウム合金樹脂複合材を調製した。
実施例７
この実施例では、以下の例外を除き実施例１の方法と実質的に同じ方法で、アルミニウム合金樹脂複合材を調製した。
表面処理２で使用するアルカリ性溶液は、１ｗｔ％のＮａＯＨを含有し、ｐＨ＝１２である１００ｍＬの水溶液である。電気分解後に約５μｍの厚さを有する酸化アルミニウム被膜の層が形成され、酸化アルミニウム層内に４０〜６０ｎｍのサイズ及び１μｍの深さを有するナノ細孔が形成されていることが観察された。さらに、表面処理２後に、浸漬したアルミニウム合金薄膜の表面に、サイズが８００〜１５００ｎｍで深さが４μｍの腐食細孔が形成されていることが観察された。酸化アルミニウム層中に図１に示した構造と同様の二層３次元細孔構造があり、腐食細孔がナノ細孔と連通していることも観察することができる。さらに、アルミニウム合金樹脂複合材を調製した。
比較例１
１．前処理
厚さ１ｍｍの市販のＡ５０５２アルミニウム合金板を１５ｍｍ×８０ｍｍの矩形シートに切断し、次にこれを研磨機で研磨して、無水エタノールで洗浄し、次に２ｗｔ％のＮａＯＨ水溶液に浸漬した。２分後、矩形シートを水で洗浄し、乾燥して前処理したアルミニウム合金板を得た。
２．表面処理：
各アルミニウム合金板を、５ｗｔ％の濃度でｐＨ＝１１．２であるヒドラジン水化物水溶液に浸漬した。５０℃で２分後に、アルミニウム合金板を取り出し、脱イオン水で洗浄した。３０サイクル後、アルミニウム合金板を取り出し、乾燥炉に入れて６０℃で乾燥した。
３．成形
乾燥したアルミニウム合金部片を射出成形用金型に挿入した。ポリフェニルスルフィド（ＰＰＳ）樹脂及び３０ｗｔ％のガラス繊維を含有する樹脂複合材を射出成形した。離型及び冷却の後、アルミニウム合金と樹脂の強固な組み合わせであるアルミニウム合金樹脂複合材が得られた。
比較例２
１．前処理
厚さ１ｍｍの市販のＡ５０５２アルミニウム合金板を１５ｍｍ×８０ｍｍの矩形シートに切断し、次にこれを研磨機で研磨して、無水エタノールで洗浄し、次に２ｗｔ％のＮａＯＨ水溶液に浸漬した。２分後、矩形シートを水で洗浄し、乾燥して前処理したアルミニウム合金板を得た。
２．表面処理
各アルミニウム合金板を陽極として２０ｗｔ％のＨ２ＳＯ４溶液を入れた陽極酸化処理浴に入れ、アルミニウム合金を１５Ｖの電圧で５分間電気分解し、次にアルミニウム合金板をブロー乾燥した。
３．成形
乾燥したアルミニウム合金部片を射出成形用金型に挿入した。ポリフェニルスルフィド（ＰＰＳ）樹脂及び３０ｗｔ％のガラス繊維を含有する樹脂複合材を射出成形した。離型及び冷却の後、アルミニウム合金と樹脂の強固な組み合わせであるアルミニウム合金樹脂複合材が得られた。
性能試験
アルミニウム合金と樹脂の結合性：実施例１〜７で調製したアルミニウム合金樹脂複合材、及び比較用の実施例１〜２を万能材料試験機に固定し、引張試験を実施した。最大負荷より低い試験結果を、アルミニウム合金と樹脂の間の結合力値と見なすことができ、試験結果を表１に要約する。
Figure 2015509557
表１から、本開示のアルミニウム合金樹脂複合材の樹脂とアルミニウム合金との間の結合が最大１２１１Ｎを達成することができ、結合が優れていることが分かる。既存のアルミニウム合金樹脂複合材の樹脂とアルミニウム合金との結合はわずか数十又は数百ニュートンである。本開示のアルミニウム合金樹脂複合材の性能は、既存品と比較して大幅に改良されており、樹脂の成形がさらに容易になっている。本開示のアルミニウム合金は、より強力な強度で樹脂にしっかりと結合するために追加の成分を必要とせず、これは金属基材のサイズ及びアルミニウム合金の外観に対する影響が小さい。それと同時に、より大きい表面で腐食穴へ樹脂を直接射出成形することがさらに容易になる。合成樹脂にも特定の要件がなく、したがって応用範囲が広くなる。さらに、環境汚染がないので、大量生産にさらに適するものとなる。
説明的な実施形態を図示し説明してきたが、当業者であれば以上の実施形態は本開示を制限するものとは想定されず、本開示の精神、原理及び範囲から逸脱することなく、実施形態に変更、代替及び修正ができることが理解されるであろう。
本開示の実施形態によれば、射出成形を実行する条件に制限はない。例えば、本開示の一実施形態によれば、射出成形の条件は、型の温度５０〜２００℃、ノズル温度２００〜３５０℃、注入する樹脂複合材の量は通常０．１〜１０００ｇ、調製した複合材の表面は０．１〜１０μｍの深さの樹脂層を有することとすることができる。
表面処理２で使用するアルカリ性溶液は、１５ｗｔ％のＮａ２ＣＯ３を含有し、ｐＨ＝１２．５である１００ｍＬの水溶液である。電気分解後に約５μｍの厚さを有する酸化アルミニウム被膜の層が形成され、酸化アルミニウム層内に４０〜６０ｎｍのサイズを有するナノ細孔が形成されていることが観察された。さらに、表面処理２後に、浸漬したアルミニウム合金薄膜の表面に、サイズが１５００〜２０００ｎｍで深さが４．５μｍの腐食細孔が形成されていることが観察された。酸化アルミニウム層中に図１に示した構造と同様の二層３次元細孔構造があり、腐食細孔がナノ細孔と連通していることも観察することができる。さらに、アルミニウム合金樹脂複合材を調製した。
性能試験
アルミニウム合金と樹脂の結合性：実施例１〜７で調製したアルミニウム合金樹脂複合材、及び比較用の実施例１〜２を万能材料試験機に固定し、引張試験を実施した。最大負荷より低い試験結果を、アルミニウム合金と樹脂の間の結合力値と見なすことができ、試験結果を表１に要約する。
Figure 2015509557

Claims (22)

  1. アルミニウム合金樹脂複合材を調製する方法であって、
    Ｓ１：アルミニウム合金基材の表面を陽極酸化処理し、ナノ細孔が形成された酸化物層を表面上に形成するステップと、
    Ｓ２：ステップＳ１の結果である前記アルミニウム合金基材を約１０〜約１３のｐＨを有するアルカリ性溶液に浸漬し、前記酸化物層の外面に腐食細孔を形成するステップであって、前記アルカリ性溶液が、可溶性炭酸塩、可溶性アルカリ、可溶性燐酸塩、可溶性硫酸塩及び可溶性ホウ酸塩から選択される少なくとも１つを含む水溶液を含むステップと、
    Ｓ３：型内で樹脂をステップＳ２の結果である前記アルミニウム合金基材の前記表面上に射出成形し、前記アルミニウム合金樹脂複合材を得るステップと、
    を含む方法。
  2. 前記アルカリ性溶液が、Ｎａ２ＣＯ３、ＮａＨＣＯ３、ＮａＯＨ、ＮａＨ２ＰＯ４、Ｎａ２ＨＰＯ４、Ｎａ３ＰＯ４、Ｎａ２ＳＯ３及びＮａ２Ｂ４Ｏ７からなる群から選択される少なくとも１つを含む水溶液を含む、請求項１に記載の方法。
  3. 前記アルカリ性溶液が、Ｎａ２ＣＯ３及び／又はＮａＨＣＯ３を含む、請求項１に記載の方法。
  4. 前記アルカリ性溶液中で、Ｎａ２ＣＯ３及び／又はＮａＨＣＯ３がそれぞれ約０．１ｗｔ％〜１５ｗｔ％の質量パーセント濃度を有する、請求項３に記載の方法。
  5. 前記アルカリ性溶液中で、Ｎａ２ＣＯ３及び／又はＮａＨＣＯ３がそれぞれ約０．１ｗｔ％〜１０ｗｔ％の質量パーセント濃度を有する、請求項４に記載の方法。
  6. ステップＳ２が、ステップＳ１の結果である前記アルミニウム合金を、約１０〜約１３のｐＨを有する前記アルカリ性溶液中に複数回浸漬することを含み、各浸漬が約１分〜約６０分間継続し、各浸漬後に前記アルミニウム合金を水で洗浄することを含む、請求項１に記載の方法。
  7. ステップＳ２が、ステップＳ１の結果である前記アルミニウム合金を、約１０〜約１３のｐＨを有するアルカリ性溶液中に約２〜１０回繰り返し浸漬することを含む、請求項６に記載の方法。
  8. 前記ナノ細孔が約１０〜約１００ｎｍの平均細孔径を有し、前記腐食細孔が約２００ｎｍ〜約２０００ｎｍの平均細孔径を有し、前記酸化物層が約１μｍ〜約５μｍの厚さを有する、請求項１に記載の方法。
  9. 前記アルミニウム合金基材の前記表面を陽極酸化処理することが、
    約１０ｗｔ％〜約３０ｗｔ％の濃度のＨ２ＳＯ４溶液中に、陽極として前記アルミニウム合金基材を提供することと、
    前記アルミニウム合金基材の前記表面上に約１μｍ〜約１０μｍの厚さの前記酸化物層を形成するために、約１０℃〜約３０℃の温度、約１０Ｖ〜約１００Ｖの電圧で約１分〜約４０分間、前記アルミニウム合金基材を電気分解することと、
    を含む、請求項１に記載の方法。
  10. 前記アルミニウム合金基材を前処理することをさらに含み、前記前処理が、順番に、油除去、水で１回目の洗浄、アルカリエッチング、水で２回目の洗浄、中和、及び水で３回目の洗浄を含む、請求項１に記載の方法。
  11. 前記樹脂が熱可塑性樹脂である、請求項１に記載の方法。
  12. 前記熱可塑性樹脂が、主剤樹脂及びポリオレフィン樹脂を含む、請求項１１に記載の方法。
  13. 前記主剤樹脂が、ポリフェニレンエーテル及びポリフェニレンスルフィドを含み、前記ポリオレフィン樹脂が約６５℃〜約１０５℃の融点を有する、請求項１２に記載の方法。
  14. 前記主剤樹脂中で、ポリフェニレンエーテル対ポリフェニレンスルフィドの重量比が約３：１〜約１：３である、請求項１３に記載の方法。
  15. 前記主剤樹脂がポリフェニレンオキシド及びポリアミドを含み、前記ポリオレフィン樹脂が約６５℃〜約１０５℃の融点を有する、請求項１２に記載の方法。
  16. 前記主剤樹脂中で、ポリフェニレンオキシド対ポリアミドの重量比が約３：１〜約１：３である、請求項１５に記載の方法。
  17. 前記主剤樹脂がポリカーボネートを含み、前記ポリオレフィン樹脂が約６５℃〜約１０５℃の融点を有する、請求項１２に記載の方法。
  18. 前記熱可塑性樹脂の１００重量部ベースで、前記主剤樹脂の量が約７０重量部〜約９５重量部であり、前記ポリオレフィン樹脂の量が約５重量部〜約３０重量部である、請求項１２に記載の方法。
  19. 前記ポリオレフィン樹脂が、グラフトポリエチレンを含む、請求項１２に記載の方法。
  20. 前記熱可塑性樹脂の１００重量部ベースで、前記熱可塑性樹脂が約１重量部〜約５重量部の流動改良剤をさらに含み、前記流動改良剤が環状ポリエステルを含む、請求項１１に記載の方法。
  21. 前記樹脂がフィラーをさらに含み、前記フィラーが繊維フィラー及び粉末無機フィラーのうち少なくとも１つを含み、前記繊維フィラーがガラス繊維、炭素繊維及びポリアミド繊維からなる群から選択される少なくとも１つを含み、前記粉末無機フィラーがシリカ、タルク、水酸化アルミニウム、水酸化マグネシウム、炭酸カルシウム、炭酸マグネシウム、ガラス及びカオリンからなる群から選択される少なくとも１つを含む、請求項１１に記載の方法。
  22. 請求項１〜２１のいずれか１項に記載の方法により得られるアルミニウム合金樹脂複合材。
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