JP2022020762A - ポリマー金属ハイブリッド物品 - Google Patents

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Abstract

【課題】様々な層間の望ましい接着性、またはオーバーモールドされたポリマーとPMH物品との間の改善された接着性を得る。【解決手段】ポリアミド又はポリプロピレンポリマーを含む表面層A;B1)少なくとも50重量%の、約80~200℃の融点を有する非官能化熱可塑性ポリオレフィンと、B2)50重量%未満の、0.02~10重量%のカルボキシル官能基を含む官能化熱可塑性ポリオレフィンと、を含み層Bのカルボキシル官能基成分が0.02~1.5重量%の範囲である熱可塑性接着層B;及び金属層C;をA/B/C構造で含むポリマー金属ハイブリッド物品。これらのポリマー金属ハイブリッド物品はオーバーモールドすることができる。【選択図】なし

Description

本明細書では、ポリマー金属ハイブリッド物品、オーバーモールドされたポリマー金属ハイブリッド物品、これらのポリマー金属ハイブリッド物品を作製するために使用される材料、及びこれらの物品を作製するための改善された方法が記述される。特に、これは、A/B/C構造における表面層A、熱可塑性接着層B、金属層Cを含むスタンピングされたポリマー金属ハイブリッド物品の分野に関する。ポリマー金属ハイブリッド物品はオーバーモールドされていてもよい。
ポリマー金属ハイブリッド(PMH)物品は、金属から作製された同一の部品よりもはるかに軽く、金属の同等品に匹敵する機械的性能を有している。その結果、PMH物品は、例えば自動車や航空宇宙用途の構造部品などの、要求の厳しい用途において重量を削減するために金属部品の代替品としてますます使用されてきている。プラスチックと金属とを一体に組み合わせることにより、製造業者は新しい設計能力、部品の一体化の可能性、及び全体の軽量化を実現する。従来のPMH物品は、金属部品のオーバーモールドによって作製され、この中ではオーバーモールドされたポリマーは、典型的には機械的な嵌合によって金属部品に付着する。
米国特許第5,190,803号明細書には、オーバーモールドされたPMH物品が開示されており、この中では、最終的なオーバーモールドされた物品を得るために、金属とプラスチックが機械的に嵌合している。
米国特許出願公開第2016/0243794号明細書には、順に、金属基材と、化成被膜と、接着層とを有する積層体からなる表面処理された金属シートが開示されており、この化成被膜は、コロイダルシリカと熱硬化性ポリマーを含む。
米国特許出願公開第2013/0264741号明細書には、変性ポリオレフィンポリマーを含む粘着性接着フィルムと非変性粘着性熱可塑性ポリマーフィルムとの積層体を含む積層された接着フィルムが開示されている。
オーバーモールドされたポリマーが化学的結合により又は化学的結合と機械的結合との組み合わせによりPMH物品に付着し、特に環境にさらされた後に、従来の機械的嵌合のみのPMH物品と比較して曲げ弾性率やラップせん断強さなどの著しく改善された物理的特性を示すPMH物品を作製することが望まれるであろう。
今回、様々な層間の望ましい接着性、並びにオーバーモールドされたポリマーとPMH物品との間の改善された接着性が得られるPMH物品を作製できることが発見された。PMH物品において特定の接着層を使用することにより、PMH物品とオーバーモールドされたポリマーとの間での強力な接着が可能になる。加えて、オーバーモールドされたPMH物品は、望ましくないモールド付着物の形成なしにPMH物品を使用して製造することができる。
略語
特許請求の範囲及び本明細書の記述は、以下に示される略語及び定義を用いて解釈されるべきである。
「h」、「hrs」は時間を意味する。
「%」は用語パーセントを意味する。
「wt%」は重量パーセントを意味する。
「部」は重量部を意味する。
「g」はグラムを意味する。
「mol%」はモルパーセントを意味する。
「ミル」は1000分の1インチを意味する。1ミルは0.001インチである。
「cc」は立方センチメートルを意味する。
「min」は分を意味する。
「kg」はキログラムを意味する。
「mp」は融点を意味する。
定義
本明細書において使用される冠詞「1つの(a)」は、1つ及び2つ以上を意味し、その指示対象の名詞を単数の文法上のカテゴリーに必ずしも限定しない。
本明細書において使用される用語「非官能性熱可塑性ポリオレフィン」は、酸や無水物官能基などのカルボキシル官能基を含まないポリオレフィンを指す。
本明細書で使用される用語「曲げ弾性率」は、ISO178に従ってオーバーモールドされたポリマー金属ハイブリッド試験サンプルで得られた試験値を指す。ポリマー金属ハイブリッド試験サンプルは、表面層AにオーバーモールドされたA/B/C構造を有する。
本明細書で使用される用語「バネ定数」は、PMH又はオーバーモールドされたPMH物品の曲げ剛性を指し、ISO178試験方法を使用してサンプルを試験することから得られるデータを使用する3点曲げ式から計算される。
本明細書で使用される用語「初期曲げ弾性率」は、ISO178によるオーバーモールドされたポリマー金属ハイブリッド試験サンプル上で、熱サイクル(ゼロ熱サイクル)、湿気への暴露(0時間)、又は任意の他の環境への暴露の前に得られる試験値を指す。ポリマー金属ハイブリッド試験サンプルは、表面層AにオーバーモールドされたA/B/C構造を有する。
本明細書で使用される用語「ラップせん断」及び「ラップせん断強さ」は、ASTM D3163に従って得られる試験値を指す。この試験では、材料の2つの層の間の界面接着又は接合強度が決定される。3つの層などの複数の層が存在する場合、試験値は、様々な層間の最も弱い接着力の値又は接合強度を表す。
本明細書で使用される用語「初期ラップせん断」及び「初期接着」は、形成された材料の少なくとも2つの層間の、長期間の湿気への暴露及び/又は高温サイクルなどの任意の環境コンディショニング試験にさらされる前の界面接着を指す。
本明細書で使用される用語「官能化熱可塑性ポリオレフィン」は、酸又は無水物官能基などのカルボキシル官能基を含むポリオレフィンを指す。
本明細書で使用される用語「A/B/C構造」は、本明細書で定義される順序で表面層Aと、熱可塑性接着層Bと、金属層Cとを含む積層構造又は多層フィルムを指す。層Bは層AとCの間にある。
本明細書で使用される用語「アルミニウム/B/アルミニウム構造」は、熱可塑性接着層Bが2つのアルミニウム層の間に挟まれている積層構造を指す。
本明細書で使用される用語「カルボキシル官能基」は、カルボン酸及び無水物基を指す。官能化ポリオレフィン中のカルボキシル官能基の濃度は、ASTM E168に従って測定される。
範囲及び好ましい変形形態
本明細書に記載される任意の範囲は、特に明記されない限り、その端点を明確に包含する。範囲としての量、濃度又は他の値又はパラメーターの記載は、このような範囲の上限及び下限の対が本明細書に明示的に開示されるか否かに関わらず、任意の可能な範囲の上限及び任意の可能な範囲の下限から形成される全ての可能な範囲を具体的に開示する。本明細書に記載の化合物、プロセス及び物品は、本明細書での範囲の定義で開示される具体的な値に限定されない。
本明細書に記載のプロセス、化合物及び物品の材料、化学物質、方法、工程、値及び/又は範囲等についての任意の変形形態の本明細書における開示は、好ましい又は好ましくないとして特定されているかどうかに関わらず、材料、方法、工程、値、範囲等の任意の可能な組み合わせを含むことが具体的に意図されている。請求項についての正確且つ十分な裏付けを与えることを目的として、任意の開示の組み合わせは、本明細書に記載のプロセス、化合物及び物品の好ましい変形形態である。
本明細書において、式(I)の硬化剤などの本明細書に記載の任意の化学種の化学名に関する命名の誤り又は誤字が存在する場合、化学名よりも化学構造が優先される。また、本明細書に記載の任意の化学種の化学構造中に誤りが存在する場合、当業者が意図されている記述を理解する化学種の化学構造が優先される。
概要
本明細書では、層Aが表面層であり、層Bが熱可塑性接着層であり、層Cが金属層であるA/B/C構造を有する新規なPMH物品が記述される。PMH物品が表面層A上にポリアミドポリマーでオーバーモールドされ、表面層Aもポリアミドポリマーを含む場合、得られるオーバーモールドされたPMH物品は、初期接着性、高温接着性、耐湿性、及び熱安定性などの特性の改善を示す。
PMH物品が表面層A上にポリアミドポリマーでオーバーモールドされ、表面層Aもポリアミドポリマーを含む場合、得られるオーバーモールドされたPMH物品は、ASTM D3163に従って23℃で測定した場合に少なくとも11.5MPaの初期接着力を示す。PMH物品が表面層A上にポリプロピレンポリマーでオーバーモールドされ、表面層Aもポリプロピレンポリマーを含む場合、得られるオーバーモールドされたPMH物品は、ASTM D3163に従って23℃で測定した場合に少なくとも5MPaの初期接着力を示す。
PMH物品が表面層A上にポリアミドポリマーでオーバーモールドされ、表面層Aもポリアミドポリマーを含む場合、得られるオーバーモールドされたPMH物品は、ASTM D3163に従って85℃で測定した場合に少なくとも5.5MPaの高温接着力を示す。
PMH物品が表面層A上にポリアミドポリマーでオーバーモールドされ、表面層Aもポリアミドポリマーを含む場合、得られるオーバーモールドされたPMH物品は、ASTM D3163に従って23℃で測定した場合に少なくとも9.0MPaの、湿度への暴露後のラップせん断試験により決定される耐湿性を示す。
PMH物品が表面層A上にポリアミドポリマーでオーバーモールドされ、表面層Aもポリアミドポリマーを含む場合、得られるオーバーモールドされたPMH物品は、ASTM D3163に従って23℃で測定した場合に少なくとも11.5MPaの、40回の温度サイクル後のラップせん断試験により決定される熱安定性を示す。
本明細書に開示の新規なPMH物品及びオーバーモールドされたPMH物品は、PMH物品のA/B/C構造内の層間の許容可能なレベルの接着を達成する非常に特殊な熱可塑性接着層Bの組成を有し、層間接着は、高湿及び熱サイクルなどの様々な環境条件下で維持される。
PMH物品がA/B/C構造を有するオーバーモールドされたPMH物品の特性の望ましい組み合わせを達成する能力は、全く予期していなかったことである。熱可塑性接着層Bとして典型的な酸又は無水物を含む接着剤のみを使用しても、PMH物品及びオーバーモールドされたPMH物品のA/B/C層間の特性と許容可能なレベルの接着の望ましい組み合わせは得られない。
本明細書に開示のPMH物品のもう1つの利点は、オーバーモールドプロセス中に接着層がモールドの汚染を引き起こすことなくオーバーモールドできることである。
具体的には、本明細書に記載のオーバーモールドされたポリマー金属ハイブリッド物品は、
A)表面層であって、
A1)ポリアミド、
を含む、表面層と;
B)熱可塑性接着層であって、
B1)約80~200℃の融点を有する少なくとも1種の非官能化熱可塑性ポリオレフィン約25~75重量%と、
B2)0.02~10重量%のカルボキシル官能基を含む少なくとも1種の官能化熱可塑性ポリオレフィン約75~25重量%と、
を含み、
ここで、(B1)と(B2)の重量%は(B1)と(B2)の重量%の合計に基づいており、熱可塑性接着層Bが、ASTM E168により測定した場合に熱可塑性接着層B中の(B1)と(B2)の総重量%を基準として0.02~1.5重量%のカルボキシル官能基成分を含み;
C)金属層と;並びに
D)表面層Aの少なくとも一部にオーバーモールドされたポリアミドと;
を含み、
層A、B、及びCは、A/B/C構造へと互いに層状化されており、
前記オーバーモールドされたポリマー金属ハイブリッド物品は、23℃で測定した場合に少なくとも11.5MPaの初期接着力、85℃で測定した場合に少なくとも5.5MPaの高温接着力、23℃で測定した場合に少なくとも9.0MPaの、70%の相対湿度(RH)及び60℃で1000時間の湿度試験後のラップせん断、並びに23℃で測定した場合に少なくとも11.5MPaの、マイナス35℃からプラス85℃までの40回の熱サイクル後のラップせん断を示し、
ここでの全てのラップせん断値は、ラップせん断試験Bを使用してASTM D3163に従って決定したものである。
本明細書では、
オーバーモールドされたポリマー金属ハイブリッド物品が、
A)表面層であって、
A1)ポリアミド、
を含む、表面層と;
B)熱可塑性接着層であって、
B1)約80~200℃の融点を有する少なくとも1種の非官能化熱可塑性ポリオレフィン約25~75重量%と、
B2)0.02~10重量%のカルボキシル官能基を含む少なくとも1種の官能化熱可塑性ポリオレフィン約75~25重量%と、
を含み、
ここで、(B1)と(B2)の重量%は(B1)と(B2)の重量%の合計に基づいており、熱可塑性接着層Bが、ASTM E168により測定した場合に熱可塑性接着層B中の(B1)と(B2)の総重量%を基準として0.02~1.5重量%のカルボキシル官能基成分を含み;
C)金属層と;並びに
D)表面層Aの少なくとも一部にオーバーモールドされたポリアミドと;
を含み、
層A、B、及びCは、A/B/C構造へと互いに層状化されており、
前記オーバーモールドされたポリマー金属ハイブリッド物品は、ラップせん断試験Bを使用するASTM D3163に従って85℃で測定した場合に少なくとも5.5MPaの高温接着力を示す。
本明細書では、更に、
オーバーモールドされたポリマー金属ハイブリッド物品が
A)表面層であって、
A1)ポリアミド、
を含む、表面層と;
B)熱可塑性接着層であって、
B1)約80~200℃の融点を有する少なくとも1種の非官能化熱可塑性ポリオレフィン約25~75重量%と、
B2)0.02~10重量%のカルボキシル官能基を含む少なくとも1種の官能化熱可塑性ポリオレフィン約75~25重量%と、
を含む、熱可塑性接着層と、
ここで(B1)と(B2)の重量%は(B1)と(B2)の重量%の合計に基づいており、熱可塑性接着層Bが、ASTM E168により測定した場合に熱可塑性接着層B中の(B1)と(B2)の総重量%を基準として0.02~1.5重量%のカルボキシル官能基成分を含む、熱可塑性接着層Bと;
C)金属層と;並びに
D)表面層Aの少なくとも一部にオーバーモールドされたポリアミドと;
を含み、
層A、B、及びCは、A/B/C構造へと互いに層状化されており、
前記オーバーモールドされたポリマー金属ハイブリッド物品は、ラップせん断試験Bを使用するASTM D3163に従って23℃で測定した場合に少なくとも9.0MPaの、70%の相対湿度及び60℃で1000時間の湿度試験後のラップせん断を示す。
加えて、本明細書では、
A)表面層であって、
A1)ポリアミド、
を含む、表面層と;
B)熱可塑性接着層であって、
B1)約80~200℃の融点を有する少なくとも1種の非官能化熱可塑性ポリオレフィン約25~75重量%と、
B2)0.02~10重量%のカルボキシル官能基を含む少なくとも1種の官能化熱可塑性ポリオレフィン約75~25重量%と、
を含む、熱可塑性接着層と、
ここで、(B1)と(B2)の重量%は(B1)と(B2)の重量%の合計に基づいており、熱可塑性接着層Bが、ASTM E168により測定した場合に熱可塑性接着層B中の(B1)と(B2)の総重量%を基準として0.02~1.5重量%のカルボキシル官能基成分を含む、熱可塑性接着層B;
C)金属層;並びに
D)表面層Aの少なくとも一部にオーバーモールドされたポリアミド;
を含む、オーバーモールドされたポリマー金属ハイブリッド物品も開示され、
ここで、
層A、B、及びCは、A/B/C構造へと互いに層状化されており、
前記オーバーモールドされたポリマー金属ハイブリッド物品は、ラップせん断試験Bを使用するASTM D3163に従って23℃で測定した場合に少なくとも11.5MPaの、マイナス35℃からプラス85℃までの40回の熱サイクル後のラップせん断を示す。
加えて、本明細書では、
A1.ポリアミド又はポリプロピレンを含む表面層A;
B1.少なくとも50重量%の、約80~200℃の融点を有する非官能化熱可塑性ポリオレフィンと、
B2.50重量%未満の、0.02~10重量%のカルボキシル官能基を含む官能化熱可塑性ポリオレフィンと、
を含む熱可塑性接着層Bであって、(B1)と(B2)の重量%は(B1)と(B2)の重量%の合計に基づいており、ASTM E168により測定した場合に熱可塑性接着層B中の(B1)と(B2)の総重量%を基準として0.02~1.5重量%のカルボキシル官能基成分を含む熱可塑性接着層B;
金属層C;
を含む、ポリマー金属ハイブリッド物品が開示され、
ここで、
層A、B、及びCは、A/B/C構造へと互いに層状化されており、
前記熱可塑性接着層Bは、アルミニウム/B/アルミニウム試験サンプルを使用してASTM D3163に従って23℃で測定した場合に、アルミニウムに対して少なくとも4MPa、好ましくは7MPaのラップせん断を示す。
本明細書では、ポリマー金属ハイブリッド物品及びオーバーモールドされたポリマー金属ハイブリッド物品の作製方法も記述される。
オーバーモールドされたポリマー金属ハイブリッド物品の作製方法は、
a)A/B/C構造の層を有するポリマー金属ハイブリッド物品を、表面層Aが外側を向くようにして成形機の加熱されたモールドの中に入れる工程;
b)加熱されたモールドを閉じ、ポリマー金属ハイブリッド物品を少なくとも表面層AのTgまで更に加熱する工程;
c)加熱されたモールドの中のポリマー金属ハイブリッド物品の表面層Aの上にオーバーモールドポリマーを注入して、層Aの90%以下がオーバーモールドされたオーバーモールドされたポリマー金属ハイブリッド物品を得る工程;
d)オーバーモールドされたポリマー金属ハイブリッド物品を冷却して固化させる工程;
e)モールドを開き、オーバーモールドされたポリマー金属ハイブリッド物品を取り出す工程;を含み、
工程(a)~(e)を50回繰り返した後、モールド付着物の合計量は、層Aがないポリマー金属ハイブリッド物品を使用する同じ方法のモールド付着物の合計量よりも50%少ない。
表面層A
本明細書に開示の表面層Aの作製に有用な熱可塑性ポリマー又はポリマーとしては、限定するものではないが、ポリプロピレン又はポリアミドが挙げられる。熱可塑性ポリマーは、アモルファスであっても半結晶性であってもよい。熱可塑性ポリマーとして使用されるポリアミドとしては、脂肪族ポリアミド、半芳香族ポリアミド、及びコポリアミドが挙げられる。ポリアミドと他のポリアミド又は異なるポリマーとのブレンドも使用することができる。
完全脂肪族ポリアミドは、ジアミン、ジカルボン酸、ラクタム、アミノカルボン酸、及びそれらの反応等価体などの脂肪族モノマー及び脂環式モノマーから形成されてもよい。好適なアミノカルボン酸としては11-アミノ-ドデカン二酸が挙げられる。本明細書で開示される用語「完全脂肪族ポリアミドポリマー」は、2種以上のこのようなモノマー及び、2種以上の完全脂肪族ポリアミドポリマーのブレンドから誘導されるコポリマーを指す。直鎖、分岐、及び環式モノマーが使用されてもよい。星形ポリマーも使用されてもよい。完全脂肪族ポリアミドの調製に好適なカルボン酸モノマーとしては、例えばアジピン酸(C6)、ピメリン酸(C7)、スベリン酸(C8)、アゼライン酸(C9)、セバシン酸(C10)、ドデカン二酸(C12)、及びテトラデカン二酸(C14)等の脂肪族カルボン酸が挙げられるが、これらに限定されない。有用なジアミンには、4つ以上の炭素原子を含むものが含まれ、テトラメチレンジアミン、ペンタメチレンジアミン、ヘキサメチレンジアミン、オクタメチレンジアミン、デカメチレンジアミン、ドデカメチレンジアミン、2-メチルペンタメチレンジアミン、2-エチルテトラメチレンジアミン、2-メチルオクタメチレンジアミン、トリメチルヘキサメチレンジアミン、及び/又はこれらの混合物が挙げられるが、これらに限定されない。完全脂肪族ポリアミドポリマーの適切な例としては、PA6、PA66、PA46、PA610、PA510、PA512、PA56、PA612、PA614、PA613、PA615、PA616、PA618、PA11、PA12、PA10、PA912、PA913、PA914、PA915、PA936、PA1010、PA1012、PA1013、PA1014、PA1016、PA1018、PA1210、PA1212、PA1213、PA1214、PA1216、PA1218、並びにこれらのコポリマー及びブレンドが挙げられる。
好ましい脂肪族ポリアミドとしては、ポリ(ヘキサメチレンアジパミド)(PA66)、ポリカプロラクトン(PA6)、及びポリ(テトラメチレンヘキサンジアミド)(PA46)、PA610、PA510、PA512、PA612、PA614、PA616、PA618、PA1010、PA1012、PA1013、PA1014、PA1016、PA1018、PA1210、PA1212、PA1213、PA1214、PA1216、PA1218、及びPA6/66が挙げられる。前述した脂肪族ポリアミドの任意のブレンド、特にPA66とPA6とのブレンドも好適である。
好ましい半芳香族ポリアミドとしては、ポリ(ヘキサメチレンデカンジアミド/ヘキサメチレンテレフタルアミド)(PA610/6T)、ポリ(ヘキサメチレンドデカンジアミド/ヘキサメチレンテレフタルアミド)(PA612/6T)、ポリ(ペンタメチレンデカンジアミド/ペンタメチレンテレフタルアミド)(PA510/5T)、ポリ(ペンタメチレンドデカンジアミド/ペンタメチレンテレフタルアミド)(PA512/5T)、ポリ(ヘキサメチレンテレフタルアミド/2-メチルペンタメチレンテレフタルアミド)(PA6T/DT);ポリ(デカメチレンテレフタルアミド)(PA10T)、ポリ(ノナメチレンテレフタルアミド)(PA9T)、ヘキサメチレンアジパミド/ヘキサメチレンテレフタルアミド/ヘキサメチレンイソフタルアミドコポリアミド(PA66/6T/6I);ポリ(カプロラクタム-ヘキサメチレンテレフタルアミド)(PA6/6T);及びポリ(ヘキサメチレンテレフタルアミド/ヘキサメチレンイソフタルアミド)(PA6T/6I)コポリマーが挙げられる。脂肪族ポリアミドと、半芳香族ポリアミドと、約20重量%未満の他の熱可塑性ポリマー及びポリマーとのブレンド、並びにこれらの組み合わせも使用されてもよい。
表面層Aに使用されるポリアミドは、約140~280℃、好ましくは約160~250℃、最も好ましくは約170~250℃の範囲の融点を有する必要がある。表面層Aの作製に有用な熱可塑性ポリマーがポリプロピレンである場合、ポリプロピレンはホモポリマーであってもコポリマーであってもよい。コポリプロピレンの場合、プロピレンと共に使用されるコモノマーは、エチレン、ブタン、及びオクテンなどの任意のC2~C8α-オレフィンであってもよい。
レオロジー調整剤、熱安定剤、着色剤、酸化防止剤、潤滑剤、及び他の添加剤を、表面層Aを作製するために使用される熱可塑性ポリマーに補助剤として添加してもよい。
熱可塑性ポリマーは、熱可塑性ポリマーの柔軟性を高めるための強化剤を更に含んでいてもよい。本明細書に記載の熱可塑性ポリマーにおいて使用され得る強化剤の非限定的な例としては、無水マレイン酸でグラフト化されたエチレン/プロピレン/ヘキサジエンコポリマー、エチレン/グリシジル(メタ)アクリレートコポリマー、エチレン/グリシジル(メタ)アクリレート/(メタ)アクリレートエステルコポリマー、不飽和カルボン酸無水物でグラフト化されたエチレン/α-オレフィン又はエチレン/α-オレフィン/ジエン(EPDM)コポリマー、エチレン/2-イソシアナトエチル(メタ)アクリレートコポリマー、エチレン/2-イソシアナトエチル(メタ)アクリレートコポリマー/(メタ)アクリレートエステルコポリマー、及びエチレン/アクリル酸アイオノマーが挙げられる。
不飽和カルボン酸無水物でグラフト化されたエチレン/α-オレフィン/ジエン(EPDM)コポリマーの具体例としては、約0.1重量%~5重量%、好ましくは約0.5重量%~4重量%、より好ましくは約1重量%~3重量%の無水マレイン酸でグラフト化されたものが挙げられる。プロピレンが好ましいα-オレフィンである。エチレン/α-オレフィンコポリマーの具体例は、約95~50重量%のエチレンと約5~50重量%の少なくとも1種のα-オレフィンを含むものであり、プロピレン、ヘキセン、及びオクテンが好ましいα-オレフィンである。
表面層Aの厚さは、表面層Aを含むポリマー金属ハイブリッド物品の最終用途に依存する。例えば、A/B/C構造を有するポリマー金属ハイブリッド物品が作製されたままの状態で使用される場合、比較的厚い表面層Aを有することが有益な場合がある。そのような用途では、表面層Aの厚さは、約0.0005インチ(0.0127mm)~1.00インチ(25.4mm)、好ましくは約0.001インチ(0.0254mm)~0.250インチ(6.35mm)の範囲であってもよい。
ポリマー金属ハイブリッド物品がオーバーモールドされる場合、表面層Aは、接着層を保護し、オーバーモールドされたポリマーとの界面結合を受け入れるのに十分な厚さでさえあればよい。そのような用途においては、表面層Aの厚さは、約0.0005インチ~0.100インチ(2.54mm)、好ましくは約0.001インチ~0.010インチ(0.254mm)の範囲であってもよい。
熱可塑性接着層B
熱可塑性接着層Bは、少なくとも1種の非官能化熱可塑性ポリオレフィンと少なくとも1種の官能化熱可塑性ポリオレフィンとの混合物から調製することができる。
本明細書に記載の熱可塑性接着層Bにおいて使用するための少なくとも1種の非官能化熱可塑性ポリオレフィンB1は、非官能化ポリオレフィンである。つまり、非官能化熱可塑性ポリオレフィンは、主鎖中にも主鎖にグラフトされているものとしてもカルボキシル官能基(酸又は無水物基)を含まない。1種以上の非官能化熱可塑性ポリオレフィンは、1種以上の官能化熱可塑性ポリオレフィンと組み合わせて使用される。好ましくは、1種以上の非官能化熱可塑性ポリオレフィンは、ポリエチレン、ポリプロピレン、エチレンα-オレフィンコポリマー、エチレンプロピレンジエンゴム(EPDM)、ポリスチレン、及びそれらの混合物から選択される。1種以上の非官能化熱可塑性ポリオレフィンは、好ましくは約80~200℃の範囲の融点を有する。
望まれる最終用途及び物理的特性に応じて、1種以上の非官能化熱可塑性ポリオレフィンは、約25~約75重量%、より好ましくは約30~約70重量%の量で熱可塑性接着層Bの中に存在していてもよく、重量%は非官能化熱可塑性ポリオレフィンと官能化熱可塑性ポリオレフィンを含む熱可塑性接着層Bの総重量を基準とする。
ポリプロピレンホモポリマーが非官能化熱可塑性ポリオレフィンとして使用される場合、これは接着層Bに存在する唯一の非官能化熱可塑性ポリオレフィンとなることはできない。接着層Bが非官能化熱可塑性ポリオレフィンとしてポリプロピレンホモポリマーを含む場合、接着層Bは、非官能化熱可塑性ポリオレフィンの総重量を基準として少なくとも20重量%の、追加の非官能化熱可塑性ポリオレフィンとしてのエチレン及び/若しくはプロピレンコポリマー又はEPDMポリマーも含む必要がある。例えば、本明細書で使用される非官能化熱可塑性ポリオレフィンは、80重量%のポリプロピレンホモポリマーと、20重量%のエチレン及び/又はプロピレンコポリマーを含み得る。エチレン及び/又はプロピレンコポリマーの例としては、エチレンα-オレフィンコポリマー、ポリスチレン、及びそれらの混合物が挙げられる。エチレンα-オレフィンコポリマーの例としては、エチレン-ブテン、エチレン-プロピレン、エチレン-オクテンコポリマーが挙げられる。EPDMポリマーは、ポリプロピレンホモポリマーと組み合わせて使用されてもよい。
熱可塑性接着層Bにおいて使用される少なくとも1種の官能化熱可塑性ポリオレフィンB2は、カルボキシル官能基を含む任意のポリマーであってもよい。好ましくは、1種以上の官能化熱可塑性ポリオレフィンは、カルボキシル官能基でグラフトされた1種以上のポリオレフィンである。グラフト化剤、すなわち、少なくとも1つのカルボキシル官能基を有する少なくとも1種のモノマーは、好ましくは、1種以上の官能化熱可塑性ポリオレフィン中に、約0.05~約6重量%、好ましくは約0.1~約2.0重量%の量で存在し、重量%は官能化熱可塑性ポリオレフィンを調製するために使用される全てのモノマーの総重量基準である。
好ましくは、少なくとも1種の官能化熱可塑性ポリオレフィンは、酸基、無水物基、又は酸基と無水物基との組み合わせを含む。前記官能化ポリオレフィンの調製に使用され得るモノマーの好ましい例としては、エチレン、プロピレン、ブテン、オクテン、無水マレイン酸、マレイン酸、イソプロピレン、スチレン、アクリレート、メタクリレート、アルキルアクリレート、及びこれらの組み合わせが挙げられる。
官能化熱可塑性ポリオレフィンは、好ましくは、少なくとも1つのカルボキシル官能基を有する少なくとも1種のモノマーを、エチレンα-オレフィン又は少なくとも1種のα-オレフィンとジエンとから誘導されたコポリマーを含むポリオレフィンにグラフトすることにより誘導される。好ましくは、本明細書に記載の熱可塑性接着層Bは、グラフト化ポリエチレン、グラフト化ポリプロピレン、グラフト化エチレンα-オレフィンコポリマー、少なくとも1種のα-オレフィン及びジエンから誘導されたグラフト化コポリマー、並びにそれらの混合物から選択される官能化熱可塑性ポリオレフィンを含む。より好ましくは、本明細書に記載の熱可塑性接着層Bは、無水マレイン酸でグラフト化されたポリエチレン、無水マレイン酸でグラフト化されたポリプロピレン、無水マレイン酸でグラフト化されたエチレンα-オレフィンコポリマー、少なくとも1種のα-オレフィンとジエンとから誘導された無水マレイン酸でグラフト化されたコポリマー、及びこれらの混合物から選択される無水マレイン酸でグラフト化されたポリオレフィンを含む。
無水マレイン酸でグラフト化されたポリエチレン(MAH-g-PE)の調製に使用されるポリエチレンは、HDPE(密度0.94g/cm3超)、LLDPE(密度0.915~0.925g/cm3)、又はLDPE(密度0.91~0.94g/cm3)から選択される一般に入手可能なポリエチレンポリマーである。しかしながら、温度が最大85℃に達する場合がある高温用途でPMH物品が使用される用途のためには、官能化熱可塑性ポリオレフィンの調製のために高密度ポリエチレンホモポリマーを使用しないことが好ましい。無水マレイン酸でグラフト化されたポリプロピレン(MAH-g-PP)の調製のために使用されるポリプロピレンは、一般的に入手可能なコポリマー又はホモポリマーポリプロピレンポリマーである。
エチレンα-オレフィンコポリマーは、エチレンと1種以上のα-オレフィンを含み、好ましくは1種以上のアルファオレフィンは3~12個の炭素原子を有する。α-オレフィンの例としては、限定するものではないが、プロピレン、1-ブテン、1-ペンテン、1-ヘキセン-1,4-メチル1-ペンテン、1-ヘプテン、1-オクテン、1-ノネン、1-デセン、1-ウンデセン、及び1-ドデセンが挙げられる。好ましくは、エチレンα-オレフィンコポリマーは、約20~約96重量%、より好ましくは約25~約85重量%のエチレンと、約4~約80重量%、より好ましくは約15~約75重量%の1種以上のα-オレフィンを含み、重量%はエチレンα-オレフィンコポリマーの総重量基準である。好ましいエチレンα-オレフィンコポリマーは、エチレン-プロピレンコポリマー、エチレン-ブテンコポリマー、及びエチレン-オクテンコポリマーである。
少なくとも1種のα-オレフィンとジエンとから誘導されるコポリマーは、好ましくは3~8個の炭素原子を有するα-オレフィンから好ましくは誘導される。少なくとも1種のα-オレフィンとジエンとから誘導される好ましいコポリマーは、エチレンプロピレンジエンエラストマーである。「エチレンプロピレンジエンエラストマー(EPDM)」という用語は、エチレンと、少なくとも1種のα-オレフィンと、共重合可能な非共役ジエン(ノルボルナジエン、5-エチリデン-2-ノルボルネン、ジシクロペンタジエン、1,4-ヘキサジエン等)とのターポリマーである任意のエラストマーを指す。官能化エチレンプロピレンジエンエラストマーが本明細書に記載の熱可塑性接着層Bで使用される場合、エチレンプロピレンジエンポリマーは、好ましくは約50~約80重量%のエチレンと、約10~約50重量%のプロピレンと、約0.5~約10重量%の少なくとも1種のジエンを含み、重量%はエチレンプロピレンジエンエラストマーの総重量基準である。
1種以上の官能化熱可塑性ポリオレフィンは、熱可塑性接着層B中に、約25~約75重量%、より好ましくは少なくとも約30~約75重量%の量で存在していてもよく、重量%は、熱可塑性接着層Bの作製に使用される非官能化熱可塑性ポリオレフィンと官能化熱可塑性ポリオレフィンの総重量基準である。
官能化ポリオレフィンの製造に使用される少なくとも1つのカルボキシル官能基を有する少なくとも1種のモノマーの量は、熱可塑性接着層B中の官能化ポリオレフィンの濃度と組み合わされて、熱可塑性接着層B中に存在する総カルボキシル官能基を決定する。熱可塑性接着層B中に存在する総カルボキシル官能基は、熱可塑性接着層B中の(B1)と(B2)の総重量%を基準として、約0.02~1.5重量%、好ましくは0.05~1.0重量%、より好ましくは0.05~0.75重量%、更に好ましくは0.05~0.55重量%、最も好ましくは0.05~0.20重量%の範囲であることが望ましい。
熱可塑性接着層Bを構成する非官能化熱可塑性ポリオレフィンと官能化熱可塑性ポリオレフィンの融点は、表面層Aの融点よりも低い必要がある。好ましくは、熱可塑性接着層Bの融点は、表面層Aの融点よりも少なくとも10℃、好ましくは少なくとも20℃、より好ましくは少なくとも25℃低い必要がある。熱可塑性接着層Bの融点は、熱可塑性接着層Bを構成する最も高い融点のポリマーを指すことが理解される。
熱可塑性接着層Bは、添加剤がオーバーモールドポリマー又は得られるオーバーモールドされたポリマー金属ハイブリッド物品の特性に悪影響を及ぼさない限り、補助剤としてレオロジー調整剤、熱安定剤、着色剤、酸化防止剤、潤滑剤、及び他の添加剤も含んでいてもよい。これらの添加剤の濃度は、熱可塑性接着層B中の全ての成分の総重量の3重量%、より好ましくは1重量%を超えないことが好ましい。
熱可塑性接着層Bの厚さは、約1ミル(0.0254mm)~約10ミル(0.254mm)、好ましくは約1ミル~5ミル(0.127mm)の範囲であってもよい。約1ミル未満の厚さでは、A/B/C構造の接着強度が低下する可能性があり、5ミルを超える厚さでは、接着強度の改善に対する利益が制限される。
金属層C
金属層Cは、得られるオーバーモールドされたポリマー金属ハイブリッド物品が望まれる特性の組み合わせを示すように、熱可塑性接着層Bへの十分な接着性を有する任意の金属とすることができる。好ましくは、金属は、アルミニウム、炭素鋼、ステンレス鋼、真鍮、銅、マグネシウム、及び金属合金から選択される。より好ましくは、金属はアルミニウム又はステンレス鋼である。
金属層Cに使用される金属は、供給業者から受け取った状態のまま使用することができ、或いは金属表面から汚染物質やオイル残渣を除去するために金属を洗浄してもよい。金属表面を洗浄する方法の例としては、金属表面を水/界面活性剤で洗浄し、残留界面活性剤を除去するために金属をすすぎ洗いするか、アセトンで金属を洗浄してから金属表面を乾燥することが挙げられる。汚染物質や残留オイルを除去するために、金属表面をプラズマで処理することもできる。
金属層Cの厚さは、ポリマー金属ハイブリッド物品から部品をスタンププレスする能力によってのみ制限される。好ましくは、使用され得る金属層Cの厚さは、約0.254mm~約6.35mmの範囲である。6.35mmを超える金属層Cの厚さを使用できるものの、ポリマー金属のハイブリッド物品を使用することの重量の利点は、金属の厚さが増加するにつれて減少する。
ポリマー金属ハイブリッド物品
A/B/C構造を有するポリマー金属ハイブリッド物品は、表面層A、熱可塑性接着層B、及び金属層Cから、3つの層を互いに積層又は接着することによって作製することができる。これらのポリマー金属ハイブリッド物品は、作製されたままの状態で使用されてもよいが、好ましくはオーバーモールドされたポリマー金属ハイブリッド物品を得るためにオーバーモールドされる。
本明細書に開示のポリマー金属ハイブリッド物品の厚さは、約0.30mm~7mm、好ましくは0.30~5mmの範囲であってもよい。
ポリマーハイブリッド物品の製造方法
本明細書に記載のポリマーハイブリッド物品を作製するための方法は、様々な方法によって達成することができる。第1に、熱可塑性接着層B又は表面層Aを作製するために使用される組成物は、例えば、キャストプロセスによってフィルム層へ形成されてもよく、或いはフィルム層へブロー成形されてもよい。表面層Aと熱可塑性接着層Bは、別々の層として作製されてもよく、或いは表面層Aと熱可塑性接着層Bの作製に使用される組成物が、表面層Aと熱可塑性接着層Bとを含むA/B構造の二層フィルムにキャスト成形又はブロー成形されてもよい。本質的に、本明細書に開示の層AとBを形成するために任意のプロセスが使用されてもよく、それは疑いなく当業者の技術の範囲内にある。
金属層Cは、約0.002~0.250インチ(0.05mm~6.35mm)の範囲の厚さを有する金属シートとして購入することができる。金属は購入したままの状態で使用できるものの、金属表面から残留ワックス及び他の汚染物質を除去するために、金属表面をアセトンやキシレンなどの溶媒で洗浄してから拭いて乾かすことが好ましい。金属表面を汚染物質及び油残留物から洗浄するために金属表面のプラズマ処理も使用することができる。
表面層A、熱可塑性接着層B、及び金属層Cは、ラミネート機に別々に供給されてもよく、或いはA/B構造を有する表面層Aと熱可塑性接着層Bとを含む二層を、金属Cと共にラミネート機に供給してA/B/C構造を有するポリマー金属ハイブリッド物品を形成してもよい。積層中、層は、ポリマー金属ハイブリッド物品を形成するために、様々な層に圧力を加えるローラー、プラテン、又は他の手段を使用して一緒に加熱及び加圧される。
本明細書に開示の積層されたA/B/C構造の形態のポリマー金属ハイブリッド物品は、最終使用用途に応じて望まれる形状にスタンピングされてもよく、或いはスタンピングされずに使用されてもよい。スタンピングされた製品の例としては、フロントエンドモジュール、リフトゲート、及びクロスカービームなどの自動車部品が挙げられる。本明細書に記載のポリマー金属ハイブリッド物品の作製方法は、
a)熱可塑性接着層Bと表面層Aを、十分な温度及び圧力を使用して金属層C上に積層して、A/B/C構造を有するポリマー金属ハイブリッド物品を形成する工程;
を含む。
ポリマー金属ハイブリッド物品は、積層品として使用することができ、或いは物品の最終用途に応じて、物品は金属スタンピング機を使用して望みの形状にスタンピングされてもよい。
本明細書に開示のポリマー金属ハイブリッド物品が様々な形状にスタンピングされる場合、スタンピングプロセスが層にかけるせん断力のためにスタンピングプロセス中に熱可塑性接着層Bがずれたり、移動したり、裂けたりしないことが重要である。スタンピング中に表面層Aが提供する1つの利点は、スタンピングプロセス中の潤滑効果であり、その結果スタンピングプロセスが容易になる。また、表面層Aは、低融点接着剤がずれる可能性のあるオーバーモールドプロセスの高温から熱可塑性接着層Bの保護もする。表面層Aは、ポリマー金属ハイブリッド物品のオーバーモールド中に、モールド上にモールド付着物が形成されることも防ぐ。表面層Aが存在しない場合、熱可塑性接着層Bがモールド表面と接触し、望ましくないモールドの堆積物が生じることになる。
オーバーモールドポリマー
本明細書に記載のポリマー金属ハイブリッド物品上にオーバーモールドされてオーバーモールドされたポリマー金属ハイブリッド物品を与えるオーバーモールドポリマーは、表面層Aのポリマーに応じてポリアミド又はポリプロピレンから選択される。表面層Aが少なくとも1種のポリアミドを含む場合、オーバーモールドポリマーは、好ましくは少なくとも1種のポリアミドを含む。表面層Aが少なくとも1種のポリプロピレン系ポリマーを含む場合、オーバーモールドポリマーは、好ましくは少なくとも1種のポリプロピレン系ポリマーを含む。
必須ではないものの、同じポリマー種が表面層Aとオーバーモールドポリマーの両方に使用されることが好ましい。つまり、ポリアミドが表面層Aで使用される場合、オーバーモールドポリマーは好ましくはポリアミドを含む。表面層Aは、オーバーモールドポリマーよりも低い融点と低い融解熱を有することが望ましい。
オーバーモールドポリマーは、熱可塑性接着層Bで使用されるもののような官能化された材料も含んでいてもよいものの、好ましくはない。
オーバーモールドポリマーは、機械的強度及び他の特性を改善するための強化剤を含んでいてもよく、それは繊維状、平板状、粉末状、又は顆粒状の材料であってもよく、これらとしては、ガラス繊維、PAN由来又はピッチ由来の炭素繊維を含む炭素繊維、石膏繊維、セラミック繊維、アスベスト繊維、ジルコニア繊維、アルミナ繊維、シリカ繊維、酸化チタン繊維、炭化ケイ素繊維、ロックウール、粉末状、粒状又は板状の強化剤(マイカ、タルク、カオリン、シリカ、炭酸カルシウム、ガラスビーズ、ガラスフレーク、ガラスマイクロバルーン、粘土、ウォラストナイト、モンモリロナイト、酸化チタン、酸化亜鉛、及びグラファイトなど)を挙げることができる。これらの組成物において2種以上の強化剤が組み合わせられてもよい。また、本明細書に明示的に記載されていないものの、これらの組成物は、本明細書に記載の強化剤のあらゆる組み合わせを含んでいてもよい。
ガラス繊維、炭素繊維、ガラスフレーク、ガラスビーズ、マイカ、及びこれらの組み合わせが好ましい。好適なガラス繊維は、長い又は短いガラス繊維のチョップドストランド、及びこれらの粉砕された繊維であってもよい。
強化剤は、サイズ分けされていてもいなくてもよい。強化剤は、公知のカップリング剤(例えばシランカップリング剤、チタネートカップリング剤)又は他の任意の表面処理剤でその表面を処理されていてもよい。本明細書で使用される強化剤はコーティングされていてもよい。
繊維が強化剤として使用される場合、繊維は円形又は非円形の断面を有していてもよい。非円形断面を有する繊維とは、繊維の長手方向と垂直にあり、断面の最長直線距離に対応する長軸を有する繊維を指す。非円形断面は、長軸に垂直な方向の断面に最長直線距離に対応する短軸を有する。繊維の非円形断面は、繭型(8の字型);長方形;楕円形;半楕円形;略三角形;多角形;及び長方形などの様々な形状を有していてもよい。当業者に理解されるように、断面は他の形状を有していてもよい。主軸の長さとマイナーアクセスの長さとの比は、好ましくは約1.5:1~約6:1である。この比は、より好ましくは約2:1~5:1、更に好ましくは約3:1~約4:1である。繊維は、長繊維、チョップドストランド、粉砕短繊維、又は当業者に公知の他の適切な形態であってもよい。
使用される場合、強化剤は、本明細書に記載のオーバーモールドポリマーの総重量の約10~約70重量%、好ましくは約15~約60重量%、より好ましくは約15~約55重量%の範囲である。本明細書で明示的に記載されていないものの、これらの組成物では、オーバーモールドポリマーの総重量の10~70%の強化剤の全ての可能な範囲が想定される。
オーバーモールドポリマーは、添加剤がオーバーモールドポリマー又は得られるオーバーモールドポリマー金属ハイブリッド物品の特性に悪影響を及ぼさない限り、補助剤としてレオロジー調整剤、熱安定剤、着色剤、酸化防止剤、潤滑剤、及び他の添加剤も含んでいてもよい。これらの添加剤の濃度は、オーバーモールドポリマーの総重量の5重量%を超えないことが好ましい。
オーバーモールドされたポリマーハイブリッド物品の製造方法
スタンピングされたポリマー金属ハイブリッド物品を、ポリアミドやポリプロピレンなどの熱可塑性ポリマーでオーバーモールドすることで、オーバーモールドされたポリマー金属ハイブリッド物品を得ることができる。本明細書に記載のオーバーモールドされたポリマー金属ハイブリッド物品の作製方法は、
a)A/B/C構造の層を有するポリマー金属ハイブリッド物品を、表面層Aが外側を向くようにして成形機の加熱されたモールドの中に入れる工程;
b)加熱されたモールドを閉じ、ポリマー金属ハイブリッド物品を少なくとも表面層AのTgまで更に加熱する工程;
c)加熱されたモールドの中のポリマー金属ハイブリッド物品の表面層Aの上にオーバーモールドポリマーを注入して、層Aの90%以下がオーバーモールドされたオーバーモールドされたポリマー金属ハイブリッド物品を得る工程;
d)オーバーモールドされたポリマー金属ハイブリッド物品を冷却して固化させる工程;
e)モールドを開き、オーバーモールドされたポリマー金属ハイブリッド物品を取り出す工程;
を含む。
本明細書に開示のポリマー金属ハイブリッド物品の利点は、オーバーモールドされたポリマー金属ハイブリッド物品の製造中に、オーバーモールド中にポリマー金属ハイブリッド物品の表面層Aと接触するモールドキャビティの表面がポリマー金属ハイブリッド物品由来の測定可能な量の汚染物質で汚染されることなしに、少なくとも50個のオーバーモールドされたポリマー金属ハイブリッド物品を同じ成形機で連続的に製造できることである。具体的には、工程(a)~(e)を50回繰り返した後、モールドを閉じたときに表面層Aと接触するモールド表面の平方インチ当たりのモールド付着物の合計は0.25g以下である。本明細書に開示のポリマー金属ハイブリッド物品のこの利点を説明する別の方法は、工程(a)~(e)を50回繰り返した後、モールド付着物の合計量が、表面層Aがないポリマー金属ハイブリッド物品を使用する同じ方法のモールド付着物の合計量よりも50%、好ましくは90%少ないことである。
スタンピングされた物品の例としては、フロンドエンドモジュール、リフトゲート、及びクロスカービームなどの自動車部品が挙げられる。
オーバーモールドされたポリマーハイブリッド物品
本明細書に開示のオーバーモールドされたポリマーハイブリッド物品は、表面層Aを含まない以外は同一のオーバーモールドされたポリマーハイブリッド物品と比較して、様々な環境条件にさらされた後に、曲げ弾性率やラップせん断などの物理的特性の改善された保持を有する。オーバーモールドポリマー金属ハイブリッド物品の利点は、オーバーモールドプロセスによって、ポリマー金属ハイブリッド物品にリブ、クロスサポート、又は他の構造要素を導入できることである。しかし、表面層A又は金属層Cのいずれかに対する熱可塑性層Bの接着特性が不十分な場合、得られるオーバーモールドされたポリマー金属ハイブリッド物品は、初期と環境暴露後の両方で、曲げ弾性率やラップせん断などの望ましくない又は劣った特性を示す場合がある。
オーバーモールドポリマーがポリアミドである本明細書に開示のオーバーモールドされたポリマーハイブリッド物品は、ASTM D3163に従って測定した場合に、同一条件下で試験したが表面層Aを含まない以外は同一のオーバーモールドされたポリマー金属ハイブリッド物品よりも、少なくとも10%、好ましくは少なくとも20%、より好ましくは少なくとも25%、最も好ましくは少なくとも50%大きい初期ラップせん断を示す。
更に、本明細書に開示のオーバーモールドされたポリマー金属ハイブリッド物品は、機械的に嵌合している試験サンプルを使用してISO178に従って測定した場合に、同一の条件下で試験したが表面層Aと熱可塑性接着層Bを含まない以外は同一のオーバーモールドされたポリマー金属ハイブリッド物品よりも少なくとも10%大きい初期曲げ弾性率も示す。
本明細書に開示のオーバーモールドされたポリマー金属ハイブリッド物品は、マイナス35から85℃まで40サイクル熱サイクルした際に、ASTM D3163に従って測定した場合に、同一の条件下で試験したが表面層Aを含まない以外は同一のオーバーモールドされたポリマー金属ハイブリッド物品と比較して、少なくとも10%のラップせん断の改善を示す。
本明細書に開示のオーバーモールドされたポリマー金属ハイブリッド物品は、70%の相対湿度及び60℃に1000時間さらされた際に、ASTM D3163に従って測定した場合に、同一の条件下で試験したが表面層Aを含まない以外は同一のオーバーモールドされたポリマー金属ハイブリッド物品と比較して、少なくとも10%のラップせん断の改善を示す。
本明細書に開示のオーバーモールドされたポリマーハイブリッド物品は、金属をオーバーモールドされたポリマー組成物に接着するために使用される典型的な接着系では得られない初期接着性、高温接着性、耐湿性、及び熱安定性の組み合わせを予想外に示す。本明細書に開示のオーバーモールドされたポリマーハイブリッド物品は、23℃で測定した場合に少なくとも11.5MPaの初期接着力又は初期ラップせん断、85℃で測定した場合に少なくとも5.5MPaの高温接着力又は高温ラップせん断、23℃で測定した場合に少なくとも9.0MPaの、70%の相対湿度(RH)及び60℃で1000時間の湿度試験後のラップせん断により測定される耐湿性、並びに23℃で測定した場合にマイナス35℃からプラス85℃までの40回の熱サイクル後に少なくとも11.5MPaの、ラップせん断により測定される熱安定性を示し、ここでの全てのラップせん断値は、ラップせん断試験Bを使用してASTM D3163に従って決定されたものである。
予期しなかったことには、本明細書に開示のオーバーモールドされたポリマーハイブリッド物品が本明細書に記載の高温試験又は湿度試験にさらされた際に、さらされたオーバーモールドされたポリマーハイブリッド物品は、形状及び組成が同一であり、同一の熱サイクル試験又は湿度試験にさらされたが表面層Aを含まないオーバーモールドされたポリマーハイブリッド物品よりも、少なくとも10%、好ましくは少なくとも20%、より好ましくは少なくとも25%、最も好ましくは少なくとも50%大きい曲げ弾性率、曲げ剛性、及びラップせん断における予想外の改善を示す。
材料
PA1:214℃の融点を有するポリ(ヘキサメチレンテレフタルアミド/ヘキサメチレンデカンジアミド)(PA610/6T(80:20モル比))。
PA2:E.I.DuPont de Nemours and Company,Wilmington,DEからZytel 70G50HSLA BK039Bとして入手可能な、262℃の融点及び100cm3/gの粘度(ISO307)を有しガラス繊維を50重量%含むポリ(ヘキサメチレンアジパミド)(PA66)。
NFP-1:125℃の融点、4.8g/10分にて190C/1Kgのメルトフローインデックス、及び0.925g/cm3の密度を有するエチレン/ブテンコポリマー。
NFP-2:20(ML 1+4、125℃)のムーニー粘度を有するエチレン/プロピレン/ジエンターポリマー(69/30.5/0.5重量%)。
NFP-3:3.7g/10分(200℃/5kg)のメルトインデックスを有するポリスチレンホモポリマー
NFP-4:5.0g/10分のMI、0.90g/ccの密度、及び134℃の融点を有するエチレン/プロピレンコポリマー。
NFP-5:3.5g/10分のMI、0.900g/ccの密度、及び160℃の融点を有するポリプロピレンホモポリマー。
NFP-6:45(ML 1+4、125℃)のムーニー粘度を有するエチレン/プロピレン/ジエンターポリマー(70/29.5/0.5重量%)。
NFP-7:1.9g/10分(230℃/2.16kg)のMIを有するエチレン/プロピレンコポリマー。
NFP-8:5.2g/10分(190℃/2.16kg)のMI、0.899g/ccの密度、及び119℃の融点を有するエチレン-ブテンコポリマー。
NFP-9:Nova Chemicals,Pittsburgh,PA,USAからNova Sclair 31Gとして入手可能な、0.922g/ccの密度及び11.5g/10分(190C/2.16kg)のMIを有するエチレン-ブテンコポリマー。
NFP-10:0.92g/ccの密度及び1.9g/10分(190C/2.16kg)のMIを有する低密度ポリエチレン。
NFP-11:Nova Chemicals,Pittsburgh,PA,USAからNova Sclair 2909として入手可能な、0.962g/ccの密度及び13g/10分(190C/2.16kg)のMIを有するエチレン-ブテンコポリマー。
NFP-12:0.905g/ccの密度及び1.0g/10分(190C/2.16kg)のMIを有するエチレン-ブテンコポリマー。
NFP-13:Lyondell BasellからProfax 7823として入手可能な、166℃の融点、0.90g/ccの密度、及び0.45g/10分(190C/2.16kg)のMIを有するエチレン-ブテンコポリマー。
NFP-14:RTP Company,Winona,MN,USAからRTP 199 X 70836Bとして入手可能な、40%のガラス繊維と60%のポリプロピレン(205℃の融点及び1.33g/ccの密度を有する)とを含むポリプロピレンホモポリマー。
FP-1:0.958g/cm3の密度、0.95g/10分のメルトインデックスを有し、無水マレイン酸含有率が1.2重量%であるホモポリマー高密度ポリエチレン。
FP-2:1.1重量%の無水マレイン酸でグラフト化された、12.5(160℃/0.325kg)のMIを有するポリプロピレンホモポリマー。
FP-3:1.4重量%の無水マレイン酸でグラフト化された、0.65g/10分(230℃/2.16kg)のMI、0.88g/ccの密度、及び163℃の融点を有するポリプロピレン-エチレンコポリマー。
FP-4:1重量%の無水マレイン酸でグラフト化された、0.96g/ccの密度及び4.9g/10分(190C/2.16kg)のMIを有するホモポリマー高密度ポリエチレン。
FP-5:0.6重量%の無水マレイン酸でグラフト化された、3.5g/10分のMI、0.900g/ccの密度、及び160℃の融点を有するポリプロピレンホモポリマー。
AO-1:ペンタエリスリトールテトラキス(3-(3,5-ジ-tert-ブチル-4-ヒドロキシフェニル)プロピオネート)酸化防止剤。
SL1:融点が156℃であり、比重が1.08であり、RVが70~100(ISO307)であるPA6/PA66/PA610(40/36/24重量%のブレンド比)の混合物を含む表面層
SL2:100重量%のPA1を含む表面層
SL3:220℃の融点、1.12g/ccの密度、及び3.89~4.17の相対粘度(ISO307に準拠)を有するPA6を100重量%含む表面層
SL4:100重量%のPA2を含む表面層
SL5:NFP-13
SL6:NFP-5
カルボキシル官能基
熱可塑性接着層Bにおいて使用される官能化熱可塑性ポリオレフィン中のカルボキシル官能基又は酸官能基の重量%は、4cm-1の分解能、4000~400cm-1のスキャン範囲、試験サンプル当たり32回のスキャンで、Nicolet Avatar FTIR分光計を使用する赤外分析によりASTM E168に従って決定される。約1790cm-1と1860cm-1の吸収波長ピークは、官能化熱可塑性ポリオレフィン中の酸官能基の含有率を決定するのに使用される。酸官能基を有さない同じ熱可塑性ポリオレフィンのサンプルがベースラインとして使用される。
ラップせん断
全てのラップせん断測定は、ASTM D3163-01(2014)(その後ASTM D3163として認定)に従って行った。全てのラップせん断の値はMPa単位である。オーバーモールドされたポリマー金属ハイブリッド物品の接着特性を決定するために、以下の通りにラップせん断試験A又はBに従って試験サンプルを作製した:
試験A:熱可塑性接着層Bを作製するために使用される成分を、25mmW&P二軸押出機を使用して一緒にブレンドすることで、均一に混合された組成物を得る。均一に混合された組成物を押出キャストすることで、厚さ3ミルの熱可塑性接着層Bのフィルムにした。次いで、厚さ0.063インチ(1.6mm)、幅0.5インチ、長さ3インチ(76.2mm)の2枚の同一のアルミニウム(Al)シートの間に、0.5インチ(12.7mm)の正方形のフィルムを挟んだ。Al/B/Al積層試験サンプルを230℃で2分間予熱してから、Carverプレスを使用して50psiで30秒間プレスして、ラップせん断試験に使用する試験サンプルを得た。ASTM D3163に従って、0.2”/分で2000lb.のロードセルを使用して、Instron4202を用いてラップせん断用の試験サンプルを試験した。
試験B1:厚さが0.063インチ(1.6mm)であり幅と長さが100mmであるアルミニウム試験片(Online Metalsから入手可能な5052-H32)を、Glenro MPHラミネーターを使用して、A/B構造(表面層Aが2ミルの厚さであり熱可塑性接着層Bが3ミルの厚さである)を有する厚さ5ミル(0.005インチ)の二層フィルムに熱積層することで、A/B/C構造を有するポリマー金属ハイブリッド試験サンプルを得た。次いで、ポリマー金属ハイブリッド試験サンプルを、バンドソーを使用して0.5”×2”(W×L)(12.7mm×50.8mm)のプレートへと切断した。これらの試験プレートに、Nissie 180 Ton射出成形機でPA2をオーバーモールドし、幅0.5インチ(12.7mm)×長さ5インチ(127mm)×厚さ0.25インチ(6.35mm)の試験棒にした。得られた試験サンプルは、一端に2インチ(50.8mm)の長さの金属のオーバーモールドされた試験サンプルを有し、反対側に3インチ(76.2mm)のポリマータブを有する。試験サンプルの金属のオーバーモールドされた領域上のポリアミド層を手作業で(治具で)切断して、サンプルの中央付近に幅0.5インチ(12.7mm)×長さ0.5インチのラップ試験領域を得た。ASTM D3163に従って、Instron5966及び2000lb.のロードセルを0.05インチ/分(1.27mm/分)で使用して、切断した引張試験棒の試験サンプルを試験した。
試験B2:厚さが0.063インチ(1.6mm)であり幅と長さが100mmであるアルミニウム試験片(Online Metalsから入手可能な5052-H32)を、Glenro MPHラミネーターを使用して、A/B構造(表面層Aが2ミルの厚さであり熱可塑性接着層Bが3ミルの厚さである)を有する厚さ5ミル(0.005インチ)の二層フィルムに熱積層することで、A/B/C構造を有するポリマー金属ハイブリッド試験サンプルを得た。次いで、ポリマー金属ハイブリッド試験サンプルを、バンドソーを使用して4”×2”(W×L)(101.6mm×50.8mm)のプレートへと切断した。これらの試験プレートに、Nissie 180 Ton射出成形機でPA2をオーバーモールドし、幅4インチ(101.6mm)×長さ5インチ(127mm)×厚さ0.125インチ(3.175mm)の試験板にした。その後、各試験板を、バンドソーを使用してそれぞれ幅1インチ(25.4mm)×長さ5インチ(127mm)の3つの試験サンプルへと切断し、0.5インチ(12.7mm)の廃棄ストリップを試験板の外側端部から廃棄した。得られた試験サンプルは、一端に2インチ(50.8mm)の長さの金属のオーバーモールドされた試験サンプルを有し、反対側に3インチ(76.2mm)のポリマータブを有する。試験サンプルの金属のオーバーモールドされた領域上のポリアミド層を手作業で(治具で)切断して、サンプルの中央付近に幅1インチ(25.4mm)×長さ0.25インチ(6.35mm)のラップ試験領域を得た。ASTM D3163に従って、Instron5966及び2000lb.のロードセルを0.05インチ/分(1.27mm/分)で使用して、切断した引張試験棒の試験サンプルを試験した。
試験A及びB1は、0.5インチ(12.7mm)×0.5インチ(12.7mm)の重なり領域を与え、試験B2の重なり試験領域は、1インチ(25.4mm)×0.25インチ(6.35mm)である。
初期接着性、高温接着性、耐湿性、及び熱安定性は、全てラップせん断試験B1又はB2によって測定した。高温接着性については、試験サンプルは85℃で測定した。
成形後及び試験サンプルが湿気暴露や高温サイクルなどの任意の後続の環境試験にさらされる前に、オーバーモールドされたポリマー金属ハイブリッド試験サンプルで、初期接着力(初期ラップせん断)値及び高温接着力(85℃での初期ラップせん断)を得た。
表面層Aの引張強度が表面層Aと熱可塑性接着層Bとの間の界面接着力よりも小さいため、オーバーモールド前のA/B/C構造でラップせん断値は得られなかった。つまり、表面層Aと熱可塑性接着層Bの間の層間接着力に到達する前に表面層Aが破損する。
熱サイクル後のラップせん断(熱安定性)
熱サイクル後の熱安定性試験に使用される試験サンプルに対して、以下の手順に従って熱サイクルを行った:
試験サンプルを、最初に室温(約23℃)から85℃まで2℃/分で加熱し、85℃で200分間保持する。次いで、サンプルを85℃から-35℃まで60分間かけて冷却し(2℃/分)、-35℃で60分間保持する。その後、サンプルを-35℃から23℃まで2℃/分で加熱する。この加熱と冷却のサイクルを合計40サイクル繰り返して、試験サンプルをコンディショニングする。
熱サイクルした試験サンプルのラップせん断は、ASTM D3163に従って決定した。
湿度試験後のラップせん断(耐湿性)
耐湿性試験に使用される試験サンプルを、ThermoForma環境チャンバー内で70%の相対湿度(RH)及び60℃に1000時間さらした。RHに暴露した後、試験サンプルを室温(約23℃)まで冷却してからASTM D3163に従ってラップせん断について試験した。
曲げ弾性率
全てのサンプルの曲げ弾性率の値は、支持半径5mm、ノーズ半径5mm、支持スパン50.8mmのInstron4469を使用して、ISO178に従って3点曲げ試験を使用して得た。全てのサンプルは、金属層Cを上に向けて試験した。湿度及び熱サイクル試験を含む曲げ弾性率試験の試験サンプルは、以下の手順に従って作製した。
機械的に嵌合されたサンプルは、次の通りに作製した:
厚さが1.6mmであり幅と長さが150mmであるアルミニウム試験片(Online Metalsから入手可能な5052-H32)を、Glenro MPHラミネーターを使用して、A/B構造(表面層Aが2ミルの厚さであり接着層Bが3ミルの厚さである)を有する厚さ5ミル(0.005インチ)の二層フィルムに熱積層することで、A/B/C構造を有するポリマー金属ハイブリッド試験サンプルを得た。次いで、ポリマー金属ハイブリッド試験サンプルを、バンドソーを使用して幅12.7mm×長さ127mmの試験サンプルへと切断した。それぞれ直径4.76mmの4つの穴を、中心で25.4mmの等間隔でサンプルの中心線に沿ってドリルで開けた。ドリルで開けた穴のコーティングされていない側に45°のベベルを機械加工して直径を6.0mmに拡大し、ポリマーでオーバーモールドする際の機械的な固定点を形成した。
機械的に嵌合されていない試験サンプルは、以下の通りに作製した:
厚さが1.6mmであり幅と長さが150mmであるアルミニウム試験片(Online Metalsから入手可能な5052-H32)を、Glenro MPHラミネーターを使用して、A/B構造(表面層Aが2ミルの厚さであり接着層Bが3ミルの厚さである)を有する厚さ5ミル(0.005インチ)の二層フィルムに熱積層することで、A/B/C構造を有するポリマー金属ハイブリッド試験サンプルを得た。次いで、ポリマー金属ハイブリッド試験サンプルを、バンドソーを使用して幅12.7mm×長さ127mmの試験サンプルへと切断した。
上で作製した機械的に嵌合されたサンプルと機械的に嵌合されていないサンプルの両方を、以下の手順に従ってオーバーモールドした:
試験サンプルに、Nissie 180 Ton射出成形機でPA2をオーバーモールドし、幅0.5インチ(12.7mm)×長さ5インチ(127mm)×厚さ0.25インチ(6.35mm)の引張試験棒にした。ポリマー層(存在する場合)を含む試験サンプルの面にオーバーモールドポリマーを射出した。
初期曲げ弾性率
試験サンプルの初期曲げ弾性率は、ISO178に従って、熱サイクル(ゼロ熱サイクル)又は湿気暴露(0時間)の前に決定した。
ばね定数の曲げ剛性
ポリマー金属ハイブリッド試験サンプルは複数材料の曲げ試験棒であることから、剛性は、試験サンプル(試験棒)及び曲げ弾性率データ(3点曲げ式K=(48×FM×I)/L3を使用してISO178:2010試験方法によって生成され、FMは試験サンプルの曲げ弾性率であり、Iは二次慣性モーメント(試験サンプルの1/12×幅×高さ3)から導出される)から計算できるばね定数「K」(力対たわみ)によって特徴付けることができる。試験は、金属面を上に向けて行った。
ポリマー金属ハイブリッド物品の作製方法
表1及び2に開示の熱可塑性接着層Bの組成物を使用して、本明細書に開示のポリマー金属ハイブリッド物品を作製した。熱可塑性接着層Bを表面層A及び金属層Cに積層して、A/B/C構造を有するポリマー金属ハイブリッド物品を形成した。全ての実施例で使用した金属は、Onlinemetals.comのアルミニウム5052-H32であった。
表1及び2のラップせん断値は、表1及び表2に開示されている熱可塑性接着層Bの組成物がラップせん断について試験された、アルミニウム/B/アルミニウム(Al/B/Al)構造を有する試験サンプルでASTM D3163に従って得られる。
Figure 2022020762000001
Figure 2022020762000002
ポリマー金属ハイブリッド物品を、50%のガラス繊維と、50%のポリアミド66(融点262℃、密度1.57g/cc、粘度100CM3/g(ISO307))とを含有するガラス繊維で強化されたポリアミド66組成物(PA2)でオーバーモールドし、オーバーモールドされたポリアミドとポリマー金属ハイブリッド物品との間の接着力を決定するために試験した。表3及び4は、表1及び2に開示の様々な熱可塑性接着層Bがポリマー金属ハイブリッド物品で使用される場合の接着力の値を示している。
Figure 2022020762000003
表3で使用される接着層AL1は、ポリエチレンホモポリマー系の官能化ポリマーであるFP1を主体とするものである。表3の結果は、熱可塑性接着層Bにおける0.13重量%などの低レベルの酸官能価と、本明細書に記載の官能化熱可塑性ポリオレフィンに対する非官能化熱可塑性ポリオレフィンの特定の比率では、オーバーモールドされたポリマーとポリマー金属ハイブリッド物品との間で望ましいレベルの初期接着性、高温接着性、耐湿性、及び熱安定性を同時に得ることは、使用される表面層Aによっては困難な場合があることを示している。実施例E1は、PA610/6Tを表面層Aで使用すると、初期接着性、高温接着性、耐湿性、及び熱安定性の望ましい値が得られることを示している。
Figure 2022020762000004
表4の結果は、約0.15重量%から約0.11モル%までの官能基濃度で、オーバーモールドされたポリマーとポリマー金属ハイブリッド物品との間の接着性が改善されることを示している。実施例E2~E5は全て、少なくとも11.5MPaの初期接着力、少なくとも5.5MPaの高温接着力、1000時間の湿度試験後に測定される少なくとも9.0MPaの耐湿性、及び40回の熱サイクル後に測定される少なくとも11.5MPaの熱安定性の組み合わせを示す。
表4の結果は、本明細書に開示のポリマー金属ハイブリッド物品が、23℃でASTM D3163に従って測定した場合に、表面層Aを含まない以外は同一のオーバーモールドされたポリマー金属ハイブリッド物品よりも少なくとも10%大きい初期接着力を示すことを示している。85℃で試験すると、高温接着力は、表面層Aを含まない以外は同一のオーバーモールドされたポリマー金属ハイブリッド物品よりも少なくとも20%大きい。更に、表4の結果は、本明細書に開示のポリマー金属ハイブリッド物品が、表面層Aを含まない以外は同一のオーバーモールドされたポリマー金属ハイブリッド物品よりも少なくとも30%大きい耐湿性及び熱安定性を示すことを示している。
表4は、官能化熱可塑性ポリオレフィンがポリエチレンホモポリマー(SL1)から調製される場合に、ポリマー金属ハイブリッド物品(C6)の得られる物理的特性が、他のポリマー主鎖から調製される官能化熱可塑性ポリオレフィンを含むポリマー金属ハイブリッド物品よりも劣ることも示している。
Figure 2022020762000005
ラップせん断についての試験Aを使用する表5の結果は、記載されているB1対B2の比率の接着層Bにおける官能基濃度が約0.1重量%であっても、表面層Aを含まない以外は同一のオーバーモールドされたポリマー金属ハイブリッド物品と比較してオーバーモールドされたポリマーとポリマー金属ハイブリッド物品との間の接着性が改善することを示している。
実施例E6~E9は、少なくとも5.5MPaの高温接着力と少なくとも11.5MPaの初期接着力を示す。
様々なポリマー金属ハイブリッド物品を、チョップドガラス繊維40%とポリプロピレン(融点205℃、密度1.33)60%とを含有するガラス繊維強化ポリプロピレン組成物でオーバーモールドし、オーバーモールドされたポリプロピレン組成物とポリマー金属ハイブリッド物品との間の接着力を決定するために試験した。表6は、ポリマー金属ハイブリッド物品において様々な熱可塑性接着層Bを使用した場合の接着力の値を示している。
Figure 2022020762000006
表6に開示されているポリプロピレンでオーバーモールドされたポリマー金属ハイブリッド物品は、表面層Aがポリプロピレンポリマーを含む場合、全て5以上のラップせん断値を示す。比較例C7Aは、スキン層がポリアミド(SL2)であり、接着層がAL1(ポリエチレン系のFP1を使用)である場合、オーバーモールドされたポリプロピレンポリマーと表面層Aとの間の接着力が非常に弱いことを示している。
表7の実施例により示されるように、金属層Cとして様々な金属を使用することができる。表7では表面層AはPA610/6Tを含み、接着層BはAL4であり、オーバーモールドポリマーは表3及び4で使用されているものと同じPA66組成物である。表7は、ポリアミドポリマーが表面層A及びオーバーモールドポリマーとして使用される場合、少なくとも7.5の初期ラップせん断値を得るために、ポリマー金属ハイブリッド物品で様々な金属を使用できることを示している。
Figure 2022020762000007
表8~10は、本明細書に開示の様々なオーバーモールドされたポリマー金属ハイブリッド物品の物理的特性を開示している。
表8は、PA2でオーバーモールドされ、70%の相対湿度(RH)及び60℃に1000時間さらされたポリマー金属ハイブリッド物品のラップせん断値を開示している。相対湿度に暴露した後、サンプルをラップせん断について試験した。0時間で得られたラップせん断値は、RH及び23℃に暴露する前であった。
Figure 2022020762000008
表8の結果は、ポリマー金属ハイブリッド物品における表面層Aと接着層Bの存在の利点を明確に示している。表面層Aを含まないC8は、7.5MPa未満の初期ラップせん断(0時間)と、RH暴露1000時間後の4.3へのラップせん断の大幅な低下を示す。実施例E14~E20は、RH暴露1000時間後に少なくとも7.5MPaの望ましい初期接着力の値を示す。
実施例E16及びE20は、同じ熱可塑性接着層B(AL13)を含むが、異なる表面層Aを含む。E16は表面層AとしてPA610/6Tを含む。E20は表面層AとしてPA66を含む。E16は、E20と比較して優れた初期接着力の値だけでなく、より優れたRH暴露1000時間後のラップせん断値も示し、長鎖ポリアミドを含む表面層の利点を示す。表面層Aの組成は、オーバーモールドされたポリマー金属ハイブリッド物品の物理的特性に直接影響を与えることができる。
表9は、「3点曲げ棒試験」で定義された寸法及び形状を有し、PA2と同一の方法でオーバーモールドされた、本明細書に開示のポリマー金属ハイブリッド物品の物理的特性を開示している。
Figure 2022020762000009
C9は、直接オーバーモールドされた金属層Cを含み、層A又はBを含まず、機械的に嵌合されている。E21とE22は、E21が機械的嵌合を含まない一方でE22が機械的に嵌合されていることを除いては同一である。E23とE24は、E23が機械的嵌合を含まない一方でE24が機械的に嵌合されていることを除いては同一である。実施例E21~E24は全て、機械的嵌合が使用されているか否かに関わらず、C9と比較して少なくとも42%、最大64%の曲げ弾性率における改善を示す。E21~E24は、熱可塑性接着層Bの組成がポリマー金属ハイブリッド物品の曲げ弾性率に直接影響することも示している。表9の全ての実施例及び比較例に使用した金属層Cは、同じ寸法(形状)と厚さを有していた。
表9のばね剛性の値は、実施例E21~E24が、機械的嵌合が使用されているか否かに関わらず、C9と比較して少なくとも42%、最大64%のばね剛性における改善を示すことも示している。曲げ弾性率とばね剛性の結果は、ポリマー金属のハイブリッド物品における比例的な同様の変化を示している。
表10は、「3点曲げ棒試験」で定義された寸法及び形状を有し、NFP-14(ホモポリプロピレン)でオーバーモールドされた、本明細書に開示のポリマー金属ハイブリッド物品の物理的特性を開示している。
Figure 2022020762000010
C10は、直接オーバーモールドされた金属層Cを含み、層A又はBを含まず、機械的に嵌合されている。E26は、A/B/C構造を有するポリマー金属-ハイブリッド物品を含む機械的に嵌合された試験サンプルが、C10と同一の方法でオーバーモールドされ、曲げ弾性率の改善が56%であることを示している。機械的な嵌合を含まないE25は、曲げ弾性率における61%の改善を示す。表10の全ての実施例及び比較例で使用された金属層Cは同じ寸法(形状)と厚さを有していた。これらの結果は、本明細書に開示のポリマー金属ハイブリッド物品が、機械的嵌合が使用されるか否かにかかわらず、A/B/C構造を含まない同じように作製された物品と比較して改善された曲げ弾性率を与えることを明確に示している。
表10のばね剛性の値は、実施例E25及びE26が、表面層Aと熱可塑性接着層Bを含まないC10と比較して、ばね剛性における少なくとも56%の改善を示すことも示している。
表11は、表12及び13で使用される接着層B(AL)の組成を示す。表面層A(SL)は、表3~10で使用されるものと同じである。表12及び13で試験するために使用されたポリマー金属ハイブリッド物品を、ポリアミドPA2でオーバーモールドし、ASTM D3163による試験B2を使用してラップせん断について試験した。
Figure 2022020762000011
Figure 2022020762000012
表12は、官能化ポリオレフィンが高密度ポリエチレン(FP1)から調製されたものである、オーバーモールドされたPMH物品の結果を示している。C11は、100%のFP1であり非官能化熱可塑性ポリオレフィンを含まない接着層Bを含む。実施例E27~E30は、官能化高密度ポリエチレンホモポリマー及び非官能化熱可塑性ポリオレフィンを含む。E27~E30は、85℃で少なくとも5.5MPaの最低限の初期ラップせん断を示さず、高温用途には望ましくない。
Figure 2022020762000013
表13は、様々なオーバーモールドされたポリマー金属ハイブリッド物品の物理特性を示している。C11は官能化熱可塑性ポリオレフィンのみを含み、非官能化熱可塑性ポリオレフィンを含まない。C12は、10重量%の官能化熱可塑性ポリオレフィンのみを含む。C13及びC14は、非官能化熱可塑性ポリオレフィンとしてプロピレンホモポリマーのみを含む。C12~C14は全て、望ましい初期接着性、高温接着性、耐湿性、及び熱安定性を示さない。望ましい濃度の官能化熱可塑性ポリオレフィンと非官能化熱可塑性ポリオレフィンを含む実施例E31及びE32は、少なくとも11.5MPaの初期接着力、少なくとも5.5MPaの高温接着力、少なくとも9MPaのラップせん断により測定される耐湿性、及び少なくとも11.5MPaのラップせん断により測定される熱安定性を示す。

Claims (23)

  1. オーバーモールドされたポリマー金属ハイブリッド物品が、
    A)表面層であって、
    A1)ポリアミド、
    を含む、表面層と;
    B)熱可塑性接着層であって、
    B1)約80~200℃の融点を有する少なくとも1種の非官能化熱可塑性ポリオレフィン約25~75重量%と、
    B2)0.02~10重量%のカルボキシル官能基を含む少なくとも1種の官能化熱可塑性ポリオレフィン約75~25重量%と、
    を含む、熱可塑性接着層と、
    ここで、(B1)と(B2)の重量%は(B1)と(B2)の重量%の合計に基づいており、熱可塑性接着層Bが、ASTM E168により測定した場合に熱可塑性接着層B中の(B1)と(B2)の総重量%を基準として0.02~1.5重量%のカルボキシル官能基成分を含み;
    C)金属層と;並びに
    D)表面層Aの少なくとも一部にオーバーモールドされたポリアミドと;
    を含み、
    層A、B、及びCが、A/B/C構造へと互いに層状化されており、
    前記オーバーモールドされたポリマー金属ハイブリッド物品が、ラップせん断試験Bを使用するASTM D3163に従って23℃で測定した場合に少なくとも11.5MPaの初期接着力を示す、オーバーモールドされたポリマー金属ハイブリッド物品。
  2. ラップせん断試験Bを使用するASTM D3163に従って85℃で測定した場合に少なくとも5.5MPaの高温接着力を更に示す、請求項1に記載のオーバーモールドされたポリマー金属ハイブリッド物品。
  3. ラップせん断試験Bを使用するASTM D3163に従って23℃で測定した場合に少なくとも9.0MPaの、70%の相対湿度(RH)及び60℃で1000時間の湿度試験後のラップせん断を更に示す、請求項1に記載のオーバーモールドされたポリマー金属ハイブリッド物品。
  4. ラップせん断試験Bを使用するASTM D3163に従って23℃で測定した場合に少なくとも11.5MPaの、マイナス35℃からプラス85℃までの40回の熱サイクル後のラップせん断を更に示す、請求項1に記載のオーバーモールドされたポリマー金属ハイブリッド物品。
  5. 熱可塑性接着層Bが、0.02~1重量%の総カルボキシル官能基成分を含む、請求項1に記載のオーバーモールドされたポリマー金属ハイブリッド物品。
  6. 熱可塑性接着層Bが、0.02~0.5重量%の総カルボキシル官能基成分を含む、請求項1に記載のオーバーモールドされたポリマー金属ハイブリッド物品。
  7. 前記少なくとも1種の非官能化熱可塑性ポリオレフィンB1が、エチレン/C3~C8α-オレフィンコポリマー、エチレン/プロピレン/ジエンコポリマー、ポリスチレン、ポリプロピレンホモポリマー、ポリプロピレンコポリマー、ポリエチレンホモポリマー、低密度ポリエチレン、及びこれらの組み合わせからなる群から選択されるが、ポリプロピレンホモポリマーが非官能化熱可塑性ポリオレフィンB1として存在する場合には、非官能化熱可塑性ポリオレフィンB1の総重量を基準として少なくとも20重量%の1種の追加的な非官能化熱可塑性ポリオレフィンB1が存在することを条件とする、請求項1に記載のオーバーモールドされたポリマー金属ハイブリッド物品。
  8. 官能化熱可塑性ポリオレフィンB2が、無水マレイン酸でグラフト化されたホモポリマー高密度ポリエチレン、無水マレイン酸でグラフト化されたホモポリマーポリプロピレン、無水マレイン酸でグラフト化されたプロピレン/エチレンコポリマー、及びこれらの組み合わせからなる群から選択される、請求項1に記載のオーバーモールドされたポリマー金属ハイブリッド物品。
  9. 金属層Cが、アルミニウム、ステンレス鋼、炭素鋼、真鍮、銅、及びこれらの合金からなる群から選択される、請求項1に記載のオーバーモールドされたポリマー金属ハイブリッド物品。
  10. ポリアミドA1が、PA6、PA66、PA610/6T、PA612/6T、PA610、PA612、PA1010、PA6/66、PA510/5T、PA512/5T、PA66/6T、PA6T/DT、PA6I/6T、PA6T/6I、PA6T/610、PA6T/612、及びこれらの組み合わせからなる群から選択される、請求項1に記載のオーバーモールドされたポリマー金属ハイブリッド物品。
  11. 23℃でASTM D3163に従って測定した場合、表面層Aを含まない以外は同一のオーバーモールドされたポリマー金属ハイブリッド物品よりも少なくとも10%大きい初期ラップせん断を有する、請求項1に記載のオーバーモールドされたポリマー金属ハイブリッド物品。
  12. 機械的に嵌合している試験サンプルを使用してISO178に従って測定した場合に、表面層Aと熱可塑性接着層Bを含まない以外は同一のオーバーモールドされたポリマー金属ハイブリッド物品よりも少なくとも10%大きい初期曲げ弾性率を有する、請求項1に記載のオーバーモールドされたポリマー金属ハイブリッド物品。
  13. -35~85℃で40サイクル熱サイクルした際に、ASTM D3163に従って測定した場合に、表面層Aを含まない以外は同一のオーバーモールドされたポリマー金属ハイブリッド物品と比較して、少なくとも10%のラップせん断の改善を示す、請求項1に記載のオーバーモールドされたポリマー金属ハイブリッド物品。
  14. 70%の相対湿度及び60℃に1000時間さらされた際に、ASTM D3163に従って測定した場合に、表面層Aを含まない以外は同一のオーバーモールドされたポリマー金属ハイブリッド物品と比較して、少なくとも10%のラップせん断の改善を示す、請求項1に記載のオーバーモールドされたポリマー金属ハイブリッド物品。
  15. 自動車のクロスカービーム、ルーフ構造、フロントエンドモジュール、リフトゲート、家庭用電子機器、携帯電話、及びコンピュータの形態の、請求項1に記載のオーバーモールドされたポリマー金属ハイブリッド物品。
  16. 請求項1に記載のポリマー金属ハイブリッド物品を作製する方法であって、
    a)熱可塑性接着層Bと表面層Aを、十分な温度及び圧力を使用して金属層C上に積層して、A/B/C構造を有するポリマー金属ハイブリッド物品を形成する工程;を含む、方法。
  17. オーバーモールドされたポリマー金属ハイブリッド物品を作製する方法であって、
    a)A/B/C構造の層を有するポリマー金属ハイブリッド物品を、層Aが外側を向くようにして成形機の加熱されたモールドの中に入れる工程;
    b)前記加熱されたモールドを閉じ、層AのTgが達成されるまで前記ポリマー金属ハイブリッド物品加熱されることを可能にする工程;
    c)前記加熱されたモールドの中のポリマー金属ハイブリッド物品の層Aの上にオーバーモールドポリマーを注入して、層Aの90%以下がオーバーモールドされたオーバーモールドされたポリマー金属ハイブリッド物品を形成する工程;
    d)前記オーバーモールドされたポリマー金属ハイブリッド物品を冷却して固化させる工程;
    e)前記モールドを開き、前記オーバーモールドされたポリマー金属ハイブリッド物品を取り出す工程;
    を含み、
    工程(a)~(e)を50回繰り返した後、モールド付着物の合計量が、層Aがないポリマー金属ハイブリッド物品を使用する同一の方法のモールド付着物の合計量よりも50%少ない、方法。
  18. 工程(c)において、層Aの80%以下がオーバーモールドされる、請求項17に記載の方法。
  19. 工程(c)において、層Aの50%以下がオーバーモールドされる、請求項17に記載の方法。
  20. 工程(c)における前記オーバーモールドポリマーが、ポリアミド及びポリプロピレンポリマーから選択される、請求項17に記載の方法。
  21. 工程(a)~(e)を50回繰り返した後、モールド付着物の合計量が、層Aがないポリマー金属ハイブリッド物品を使用する同じ方法のモールド付着物の合計量よりも90%少ない、請求項17に記載の方法。
  22. オーバーモールドされたポリマー金属ハイブリッド物品が、
    A)表面層であって、
    A1)ポリアミド、
    を含む、表面層と;
    B)熱可塑性接着層であって、
    B1)約80~200℃の融点を有する少なくとも1種の非官能化熱可塑性ポリオレフィン約25~75重量%と、
    B2)0.02~10重量%のカルボキシル官能基を含む少なくとも1種の官能化熱可塑性ポリオレフィン約75~25重量%と、
    を含む、熱可塑性接着層と、
    ここで、(B1)と(B2)の重量%は(B1)と(B2)の重量%の合計に基づいており、熱可塑性接着層Bが、ASTM E168により測定した場合に熱可塑性接着層B中の(B1)と(B2)の総重量%を基準として0.02~1.5重量%のカルボキシル官能基成分を含み;
    C)金属層と;並びに
    D)表面層Aの少なくとも一部にオーバーモールドされたポリアミドと;
    を含み、
    層A、B、及びCは、A/B/C構造へと互いに層状化されており;
    前記オーバーモールドされたポリマー金属ハイブリッド物品が、23℃で測定した場合に少なくとも11.5MPaの初期接着力を示し、85℃で測定した場合に少なくとも5.5MPaの高温接着力を示し、23℃で測定した場合に少なくとも9.0MPaの、70%の相対湿度(RH)及び60℃で1000時間の湿度試験後のラップせん断を示し、並びに23℃で測定した場合に少なくとも11.5MPaの、マイナス35℃からプラス85℃までの40回の熱サイクル後のラップせん断を示し;
    全てのラップせん断値は、ラップせん断試験Bを使用してASTM D3163に従って決定されたものであり;
    前記熱可塑性接着層Bがポリエチレンホモポリマー由来の官能化熱可塑性ポリオレフィンB2を含まないことを条件とし;
    前記非官能性熱可塑性ポリオレフィンB2が80%以下のポリプロピレンホモポリマーを含むことを条件とする;
    オーバーモールドされたポリマー金属ハイブリッド物品。
  23. ポリマー金属ハイブリッド物品が、
    表面層Aであって、
    A1.ポリアミド又はポリプロピレン
    を含む、表面層Aと;
    熱可塑性接着層Bであって、
    B1.少なくとも50重量%の、約80~200℃の融点を有する非官能化熱可塑性ポリオレフィンと、
    B2.50重量%未満の、0.02~10重量%のカルボキシル官能基を含む官能化熱可塑性ポリオレフィンと、
    を含む、熱可塑性接着層Bと、
    ここで、(B1)と(B2)の重量%は(B1)と(B2)の重量%の合計に基づいており、熱可塑性接着層Bが、ASTM E168により測定した場合に熱可塑性接着層B中の(B1)と(B2)の総重量%を基準として0.02~1.5重量%のカルボキシル官能基成分を含み;
    金属層Cと;
    を含み、
    層A、B、及びCは、A/B/C構造へと互いに層状化されており、
    前記熱可塑性接着層Bが、アルミニウム/B/アルミニウム試験サンプルを使用してASTM D3163に従って23℃で測定した場合に、アルミニウムに対して少なくとも4MPaのラップせん断を示す、ポリマー金属ハイブリッド物品。
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