JP6547033B2 - セラミックプラスチック複合体及びその製造方法 - Google Patents
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Description
本発明はセラミックプラスチック複合体及びその製造方法に関し、特に、ナノ細孔構造により結合強度を高める、セラミックプラスチック複合体及びその製造方法に関する。
パソコン・通信端末・家電等の電子機器が日増しに普及するにつれ、消費者の美的センスは絶えず向上し、製品の性能だけでなく、薄さや軽さ、質の良さや美しさも同時に兼ね備えることが求められている。セラミック製の外観構成部材は自然な美しさや温かい感触を有し、かつ、従来の金属とプラスチックの外観構成部材よりも耐用性や気密性に優れ、アンテナがシールドされるのを防止できるので、益々人気を集めており、パソコン・通信端末・家電等の電子機器製作に広く用いられるようになってきた。
しかし、セラミック自体が持つ硬くて脆いという特殊な性質は、一部の構造へ応用するには不向きであり、セラミックとプラスチックをいかにうまく結合するかは既存技術が直面する難題である。一般的に、セラミックの外観構成部材の内表面は接着方式によってプラスチック部材を固定するが、プラスチックとセラミックの間は剥がれやすく、後続の加工が難しい等の欠点がある。また嵌込部と凹部のような様々な咬合構造を製作して、セラミックとプラスチックを強固に結合させて一体化することもできるが、このような方式は製作コストも大幅に増加する。
そこで本願発明者は、製作方法が非常に簡易で複合構造の結合強度と気密性を大幅に高めることができるだけでなく、先行技術における構造及び製造工程とは異なり、さらに先行技術の様々な欠点を効果的に克服できる、セラミックプラスチック複合体及びその製造方法を研究開発した。その具体的構造及び実施方法の詳細は後述する。
本発明の主な目的は、セラミック基体表面にマイクロエッチングを施して１５０〜４５０ｎｍのナノ細孔を形成し、射出成形したプラスチック層が各ナノ細孔に深く入り込むことでより高い付着力が生じ、セラミック基体とプラスチック層両者間の結合強度と気密性が高められ、製品の品質と性能をより安定させることができる、セラミックプラスチック複合体及びその製造方法を提供することにある。
本発明のもう１つの目的は、製作工程が簡易で、低コストであり、製品の軽量化や薄型化を容易に達成できる、セラミックプラスチック複合体及びその製造方法を提供することにある。
上述の目的を達成するために、本発明が開示するセラミックプラスチック複合体の製造方法は、（ａ）セラミック基体表面を化学洗浄するステップと、（ｂ）化学洗浄したセラミック基体表面に活性化処理を施すステップと、（ｃ）活性化処理を施したセラミック基体表面にマイクロエッチング処理を施してメソ細孔を形成するステップと、（ｄ）マイクロエッチング処理を施したセラミック基体表面にポアワイドニング処理を施し、メソ細孔の平均孔径を拡大して複数のナノ細孔を形成し、ナノ細孔の平均孔径は１５０〜４５０ｎｍであるステップと、（ｅ）ポアワイドニング処理を施したセラミック基体表面の表面改質を行うステップと、（ｆ）表面改質を行ったセラミック基体表面を乾燥させるステップと、（ｇ）乾燥させたセラミック基体表面にプラスチックを射出してプラスチック層を形成し、前述のナノ細孔を介してプラスチック層とセラミック基体表面を結合させることにより、セラミックプラスチック複合体を得るステップと、を含む。
好ましくは、ナノ細孔の平均孔径は２００〜４００ｎｍに達することができる。
好ましくは、ステップ（ａ）における化学洗浄は脱ろう処理及び脱脂処理を含む。
好ましくは、セラミック基体の材質は窒化ケイ素（Ｓｉ３Ｎ４）、炭化タングステン（ＷＣ）、酸化ジルコニウム（ＺｒＯ２）又は酸化アルミニウム（Ａｌ２Ｏ３）等の各種セラミックである。
好ましくは、プラスチック層の材質はポリアミド（ＰＡ）、ポリフェニレンサルファイド（ＰＰＳ）、ポリブチレンテレフタレート（ＰＢＴ）又はポリアリールエーテルケトン（ＰＡＥＫ）である。
好ましくは、ステップ（ｂ）において活性剤を使用して活性化処理を行い、かつ活性剤は８〜１０重量％の界面活性剤、５〜８重量％の有機塩基、２〜５重量％の錯化剤、２〜５重量％の添加剤、及び残部水を含む。
好ましくは、ステップ（ｃ）においてマイクロエッチング処理剤を使用してマイクロエッチング処理を行い、かつマイクロエッチング処理剤は５０重量％の酸性塩、１〜５重量％の腐食防止剤、１〜３重量％の界面活性剤、１〜３重量％の添加剤、及び残部水を含む。
好ましくは、ステップ（ｄ）においてポアワイドニング処理剤を使用してポアワイドニング処理を行い、かつポアワイドニング処理剤は５〜１０重量％の浸透剤、３５重量％の有機酸塩、１〜３重量％の界面活性剤、１〜３重量％の添加剤、及び残部水を含む。
好ましくは、ステップ（ｅ）において表面改質剤を使用して表面改質を行い、かつ表面改質剤は１〜１０重量％の有機酸、１〜５重量％の腐食防止剤、１〜３重量％の界面活性剤、１〜３重量％の添加剤、及び残部水を含む。
従来技術と比べると、本発明の方法は化学洗浄、マイクロエッチング、ポアワイドニング、表面改質等のステップにより、ナノ細孔の平均孔径を１５０〜４５０ｎｍ程度にすることができるので、射出成形したプラスチック層が各ナノ細孔内に完全に充填されることにより、より高い付着力が生じ、セラミック基体とプラスチック層の結合強度が大幅に高められると同時に、セラミック基体とプラスチック層の境界面間の気密性を確保することもできる。
本発明の目的、技術的内容、特徴及び達成される効果のさらなる理解のため、具体的な実施例と添付の図面を併せて、以下に詳しく説明する。
本発明の実施例で提供されるセラミックプラスチック複合体の断面図である図１を参照する。このセラミックプラスチック複合体１００はセラミック基体１０と、セラミック基体１０表面に結合するプラスチック層２０を含む。本実施例で使用するセラミック基体１０の材質は、例えば窒化ケイ素（Ｓｉ３Ｎ４）、炭化タングステン（ＷＣ）、酸化ジルコニウム（ＺｒＯ２）又は酸化アルミニウム（Ａｌ２Ｏ３）等の各種セラミックであり、プラスチック層２０の材質はポリアミド（ＰＡ）、ポリフェニレンサルファイド（ＰＰＳ）、ポリブチレンテレフタレート（ＰＢＴ）又はポリアリールエーテルケトン（ＰＡＥＫ）等のプラスチックである。
次に、本発明の実施例で提供されるセラミック基体１０表面のナノ細孔３０を走査型電子顕微鏡で見た概略図である図２Ａと図２Ｂを参照する。本実施例のセラミック基体１０表面には複数のナノ細孔３０が分布しているのが見られる。これらのナノ細孔３０の孔径は約２００〜４００ｎｍなので、後続の射出成形されたプラスチック層はこれらのナノ細孔３０の細孔中に十分に充填される。本発明では、これらのナノ細孔３０の平均孔径は１５０〜４５０ｎｍであるが、好ましくは２００〜４００ｎｍであり、これによりプラスチック層２０のナノ細孔３０内における吸着力が高められ、プラスチック層２０とセラミック基体１０の間の結合強度及び気密性が増す。実際の結合強度試験では、セラミックプラスチック複合体１００の結合強度が３００ｋｇ／ｃｍ２にまで達することができた。
続いて、本発明の実施例で提供されるセラミックプラスチック複合体の製造方法のフローチャートである図３を参照する。当該製造工程は次のステップを含む。
まずステップＳ１０では、セラミック粉末をスラリー化してシート状に流延してから、静水圧プレス成形を施した後セラミックを焼結するとともに、機械加工により形状化し、さらに研磨によりセラミック基体となる。
ステップＳ２０では、セラミック基体を化学洗浄し、まず溶剤を用いて脱ろうしてから脱脂を行い、表面の不純物と油脂を除去する。
ステップＳ２１では、セラミック基体の表面汚れをさらに除去し、好ましくはセラミック基体表面を１回又は数回洗浄する。
ステップＳ３０では、セラミック基体表面に活性化処理を施し、触媒性を有するセラミック基体表面を形成し、後続の化学反応を行う際に有利になるようにする。活性剤の成分は８〜１０重量％の界面活性剤、５〜８重量％の有機塩基、２〜５重量％の錯化剤、２〜５重量％の添加剤、及び残部水を含む。活性化処理の温度は４５〜５５℃であり、活性化処理の時間は５〜８分である。
ステップＳ３１でも同様に、活性化後のセラミック基体表面を１回又は数回さらに洗浄してもよい。
ステップＳ４０では、マイクロエッチング処理剤を用い、セラミック基体表面にマイクロエッチング処理を施し、活性化処理を施したセラミック基体表面に複数のメソ細孔を生じさせ、これらのメソ細孔の平均孔径は約２０〜４０ｎｍである。マイクロエッチング処理剤は５０重量％の酸性塩、１〜５重量％の腐食防止剤、１〜３重量％の界面活性剤、１〜３重量％の添加剤、及び残部水を含む。マイクロエッチング処理の温度は６５〜８５℃であり、マイクロエッチング処理の時間は３０分である。
ステップＳ４１では、メソ細孔を有するセラミック基体表面を１回又は数回さらに洗浄してもよい。
ステップＳ５０では、ポアワイドニング処理剤を用い、セラミック基体表面にポアワイドニング処理を施し、セラミック基体表面のメソ細孔がさらに拡大されナノ細孔となり、これらのナノ細孔の平均孔径は１５０〜４５０ｎｍであり、好ましくは２００〜４００ｎｍである。本実施例では、ポアワイドニング処理剤は５〜１０重量％の浸透剤、３５重量％の有機酸塩、１〜３重量％の界面活性剤、１〜３重量％の添加剤、及び残部水を含む。ポアワイドニング処理の温度は６５〜８５℃であり、ポアワイドニング処理の時間は３５分である。
ステップＳ５１でも同様に、ナノ細孔が形成されたセラミック基体表面を１回又は数回さらに洗浄してもよい。
ステップＳ６０では、表面改質剤を用い、セラミック基体表面に表面改質を行い、ナノ細孔を有するセラミック基体表面の微小な状態を変化させる。表面改質剤は１〜１０重量％の有機酸、１〜５重量％の腐食防止剤、１〜３重量％の界面活性剤、１〜３重量％の添加剤、及び残部水を含む。表面改質の温度は５５〜６５℃であり、表面改質の時間は３〜５分である。
ステップＳ６１では、表面改質を行ったセラミック基体表面を１回又は数回さらに洗浄してもよい。
その後ステップＳ７０では、表面改質を行ったセラミック基体を乾燥させる。
最後にステップＳ８０では、図４で示すように、乾燥が終わったセラミック基体１０を射出成形鋳型５０内に入れた後、セラミック基体１０のナノ細孔を有する表面にプラスチックを射出し、プラスチックが各ナノ細孔に充填され、プラスチックが成形されてプラスチック層２０が形成される。このプラスチック層２０がナノ細孔を介してセラミック基体１０表面と緊密に結合して一体化することにより、本発明のセラミックプラスチック複合体が得られる。
本実施例のステップＳ８０のプラスチックの射出成形において、その成形鋳型の温度は１４０℃であり、シリンダー温度は第一段階では約２９０℃、第二段階では約２９５℃、第三段階では約３００℃、第四段階では約３０５℃であり、射出圧力は約１７５０ｋｇｆ／ｃｍ２である。
本発明で製造されるセラミックプラスチック複合体は、引張強度試験によりその結合強度が３００ｋｇ／ｃｍ２に達することがわかった。この引張強度試験は電子式万能材料試験機により行い、その試験速度は１０．００ｍｍ／ｍｉｎであり、試験基準は１２０ｋｇｆ／０．５ｃｍ２であり、その試験片にはセラミックプラスチック複合体を用い、そのセラミック基体の材質は酸化ジルコニウム（ＺｒＯ２）であり、プラスチックの種類はポリブチレンテレフタレート（ＰＢＴ）であり、両者の結合面積は０．５ｃｍ２であり、試験片のサイズは４５ｍｍ×１８ｍｍ×１．５ｍｍである。
総じて、本発明に基づいて製造されるセラミックプラスチック複合体のセラミック基体とプラスチックの結合効果はかなり安定したものであり、結合強度も高い。したがって既存技術と比較すると、本発明が提供するセラミックプラスチック複合体及びその製造方法は、化学洗浄、マイクロエッチング、ポアワイドニング、表面改質等のステップにより、ナノ細孔の平均孔径を１５０〜４５０ｎｍ程度にすることができるので、射出成形されたプラスチック層が各ナノ細孔内を完全に覆うことにより、より高い付着力が生じ、セラミック基体とプラスチック層の結合強度が効果的に高められ、セラミック基体とプラスチック層の境界面間の気密性も確保でき、結果的に製品の品質と性能をより安定させることができる。また、本発明の製作手順は簡易で、低コストであり、製品の軽量化や薄型化を容易に達成できるので、精細化した電子製品の市場ニーズに応え、業界における製品の競争力を高めることができる。
上述の実施例は本発明の技術思想及び特徴を説明するためのものに過ぎず、その目的は、この技術分野を熟知する者が本発明の内容を理解し実施できるようにすることにあり、本発明の特許請求の範囲を限定するものではない。したがって、本発明で開示された精神に基づいてなされた変更や潤色はすべて、本発明の特許請求の範囲内に含まれる。
１００ セラミックプラスチック複合体
１０ セラミック基体
２０ プラスチック層
３０ ナノ細孔
５０ 射出成形鋳型
１０ セラミック基体
２０ プラスチック層
３０ ナノ細孔
５０ 射出成形鋳型
Claims (9)
- （ａ）セラミック基体表面を化学洗浄するステップと、
（ｂ）化学洗浄した前記セラミック基体表面に活性化処理を施すステップと、
（ｃ）活性化処理を施した前記セラミック基体表面にマイクロエッチング処理を施して複数のメソ細孔を形成するステップと、
（ｄ）マイクロエッチング処理を施した前記セラミック基体表面にポアワイドニング処理を施し、前記複数のメソ細孔の平均孔径を拡大して複数のナノ細孔を形成し、前記複数のナノ細孔の平均孔径は１５０〜４５０ｎｍであるステップと、
（ｅ）ポアワイドニング処理を施した前記セラミック基体表面の表面改質を行うステップと、
（ｆ）表面改質を行った前記セラミック基体表面を乾燥させるステップと、
（ｇ）乾燥させた前記セラミック基体表面にプラスチックを射出してプラスチック層を形成し、前記複数のナノ細孔を介して前記プラスチック層と前記セラミック基体表面を結合させることにより、セラミックプラスチック複合体を得るステップと、
を含む、セラミックプラスチック複合体の製造方法。 - 前記複数のナノ細孔の平均孔径は２００〜４００ｎｍである、請求項１に記載のセラミックプラスチック複合体の製造方法。
- 前記ステップ（ａ）における前記化学洗浄は脱ろう処理及び脱脂処理を含む、請求項１に記載のセラミックプラスチック複合体の製造方法。
- 前記セラミック基体の材質は窒化ケイ素（Ｓｉ3Ｎ4）、炭化タングステン（ＷＣ）、酸化ジルコニウム（ＺｒＯ2）又は酸化アルミニウム（Ａｌ2Ｏ3）である、請求項１に記載のセラミックプラスチック複合体の製造方法。
- 前記プラスチック層の材質はポリアミド（ＰＡ）、ポリフェニレンサルファイド（ＰＰＳ）、ポリブチレンテレフタレート（ＰＢＴ）又はポリアリールエーテルケトン（ＰＡＥＫ）である、請求項１に記載のセラミックプラスチック複合体の製造方法。
- 前記ステップ（ｂ）において活性剤を使用して前記活性化処理を行い、かつ前記活性剤は８〜１０重量％の界面活性剤、５〜８重量％の有機塩基、２〜５重量％の錯化剤、２〜５重量％の添加剤、及び残部水を含む、請求項１に記載のセラミックプラスチック複合体の製造方法。
- 前記ステップ（ｃ）においてマイクロエッチング処理剤を使用して前記マイクロエッチング処理を行い、かつ前記マイクロエッチング処理剤は５０重量％の酸性塩、１〜５重量％の腐食防止剤、１〜３重量％の界面活性剤、１〜３重量％の添加剤、及び残部水を含む、請求項１に記載のセラミックプラスチック複合体の製造方法。
- 前記ステップ（ｄ）においてポアワイドニング処理剤を使用して前記ポアワイドニング処理を行い、かつ前記ポアワイドニング処理剤は５〜１０重量％の浸透剤、３５重量％の有機酸塩、１〜３重量％の界面活性剤、１〜３重量％の添加剤、及び残部水を含む請求項１に記載のセラミックプラスチック複合体の製造方法。
- 前記ステップ（ｅ）において表面改質剤を使用して前記表面改質を行い、かつ前記表面改質剤は１〜１０重量％の有機酸、１〜５重量％の腐食防止剤、１〜３重量％の界面活性剤、１〜３重量％の添加剤、及び残部水を含む、請求項１に記載のセラミックプラスチック複合体の製造方法。
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