KR101630415B1 - 플라스틱과 금속 복합재료 및 그 제조방법 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 플라스틱과 금속 복합재료 및 그 제조방법에 대하여 공개하였고, 상기 방법은 금속 분말과 점착제의 혼합 재료를 사출기에서 일정한 형상의 금속 구조품으로 사출 성형하는 금속 분말 사출 성형 단계(S1)와, 상기 금속 구조품을 탈지 소결하여 그 중의 점착제를 제거함으로써 금속 구조품 표면에서 0.5-2μm의 마이크론급 미세공을 획득하는 금속 구조품 탈지 소결 단계(S2)와, 상기 마이크론급 미세공의 기초상에서 화학시제로 부식시켜 20-40nm의 나노급 미세공을 형성하는 20-40nm의 마이크론급 미세공 나노화 단계(S3) 및 화학시제가 충진되어 있는 금속 구조품을 플라스틱 금형에 방치하여 플라스틱과 일체화로 사출 성형시키는 금형 사출 성형 단계(S4)를 포함한다. 상기 복합재료는 전술의 방법에 의해 제조된 제품이다. 기존 기술에 비하여, 본 발명은 제조 원가를 절감하였고 제조 효율을 향상시켰으며 또한 금속 구조품의 성형이 어려운 문제를 해결함으로써 현저한 진보성을 가진다.

Description

플라스틱과 금속 복합재료 및 그 제조방법{PLASTIC-METAL COMPOSITE MATERIAL AND PROCESS FOR PREPARING THE SAME}
본 발명은 복합재료에 관한 것으로, 특히 플라스틱과 금속 복합재료 및 그 제조방법에 관한 것이다.
3C 전자제품에서 제품 강도를 강화하거나 비교적 양호한 외관성 및 질감을 얻기 위하여 일반적으로 금형 내에서 금속품과 플라스틱을 사출 성형시킴으로써 구조적 강도를 강화시키고 제품의 전체적인 두께를 감소시켜 비교적 양호한 외관성과 질감을 얻는 등 목적을 달성한다. 하지만, 일반적으로 금속과 플라스틱의 직접적 점착성이 상대적으로 차하여, 통상적인 방법은 금속 위에 일부 교합 구조를 제작함으로써 플라스틱이 금속을 “꽉 껴안는” 구조를 통하여 실현한다. 이 경우, 금속과 플라스틱의 수축 차이성으로 인해 금형 내에서 성형된 후의 제품은 변형이 발생하기가 매우 쉽다. 이와 동시에, 금속품에 교합 구조를 추가시켜야 하므로, 금속품의 가공량과 제작 원가를 증가시킨다.
이 외에, 금속품을 외관 구조품으로 사용할 경우, 금속 위에 각종 언더컷(Under-Cut), 걸림턱 등 조립 구조를 가공 제작해야 하는데, 이러한 구조는 일반적으로 프레스 성형의 방식에 의해 성형될 수 없고, 단지 비싼 CNC에 의해 가공될 수 있으므로, 금속 구조품의 제작 원가를 대폭 증가시킨다.
나노 성형 기술(영문명칭: Nano Molding Technology, 약칭: NMT)은 일본에서 유래된 플라스틱과 금속 일체화 기술이다. 해당 기술에 의하면, 우선 금속 표면을 부식시켜 나노다공성 구조를 형성한다. 다음, 금속 표면에서 직접 사출 성형을 진행함으로써 플라스틱과 금속 사이에 안정적인 물리적 연결이 형성되도록 한다. 하지만 NMT기술은 여러 번의 반복적이고 장기간의 부식 과정을 거쳐야만 금속 표면에서 효과적인 나노 구조를 형성시킬 수 있으므로, 대량의 부식액을 소모하며 효율성 면에서도 진일보의 개선이 필요하다.
본 발명이 해결하고자 하는 기술적 과제는 전자제품에 늘 사용되는 복합품을 제조하기 위한 생산 효율성을 향상시키고 생산 원가를 절감시키며 더욱 양호한 연결 강도를 얻을 수 있는 플라스틱과 금속 복합재료 및 그 제조방법을 제공하는 것이다.
본 발명의 기술적 과제는 하기와 같은 기술방안을 통하여 해결할 수 있다.
플라스틱 및 금속을 포함하는 플라스틱과 금속 복합재료의 제조방법에 있어서, 상기 방법은 금속 분말과 점착제의 혼합 재료를 사출기에서 일정한 형상의 금속 구조품으로 사출 성형하는 금속 분말 사출 성형 단계(S1)와, 상기 금속 구조품을 탈지 소결하여 그 중의 점착제를 제거하고, 상기 점착제가 제거된 후 상기 점착제의 원위치에서 마이크론급 미세공이 형성됨으로써 금속 구조품 표면에서 0.5-2μm의 마이크론급 미세공을 획득하고, 상기 마이크론급 미세공은 화학적 부식을 위하여 금속과 접촉되는 부식 접촉 통로를 제공하는데 사용되는 금속 구조품 탈지 소결 단계(S2)와, 상기 마이크론급 미세공의 기초상에서 화학시제로 부식시켜 20-40nm의 나노급 미세공을 형성하는 마이크론급 미세공 나노화 단계(S3) 및 화학시제가 충진되어 있는 나노급 미세공을 가지는 금속 구조품을 플라스틱 금형에 방치하여 플라스틱과 일체화로 사출 성형시키는 금형 사출 성형 단계(S4)를 포함한다.
상기 단계(S3)와 단계(S4) 사이에, 상기 금속 구조품 표면의 미세공에 화학시제를 충진하여 상기 플라스틱과 화학적 반응이 발생하도록 하여 안정적인 연결을 형성하는 시제 충진 단계(S300)를 더 포함하는 것이 바람직하다.
상기 단계(S2)와 단계(S3) 사이에, 탈지 소결 후의 금속 구조품을 세척함으로써 그 표면의 오물과 유지를 제거하는 세척 단계(S200)를 더 포함하는 것이 바람직하다.
상기 단계(S4)의 화학시제는 수용액 또는 유기용액으로서, 그 용질에 상기 플라스틱과 에스테르화 반응, 중축합 반응, 치환 반응 또는 부가 반응이 발생하여 화학 본드를 형성할 수 있는 관능기가 함유되어 있는 것이 바람직하다.
상기 플라스틱의 성분은 PPS, PBT, PA 중의 하나, 두 개 또는 여러 개를 포함하고, 상기 용질은 아미노 관능기를 함유하는 소분자 화합물 및/또는 에스테르계 소분자 화합물이며, 상기 소분자 화합물의 분자량은 1000 보다 작거나, 또는, 플라스틱의 성분은 PC를 포함하고, 상기 용질은 화학 가교제이거나, 또는 상기 플라스틱은 아미드 구조를 포함하는 플라스틱이고, 상기 용질은 알켄계 단량체 화합물이며, 상기 알켄계의 단량체 화합물의 분자량은 1000 보다 작은 것이 바람직하다.
상기 금속은 알루미늄 합금, 마그네슘 합금, 스테인리스, 아연 합금 또는 티타늄 합금인 것이 바람직하다.
삭제
기존의 기술에 비하여, 본 발명의 방법은 금속 분말을 사용하여 금속 구조품을 사출 성형하므로, 비교적 복잡한 구조를 성형할 수 있고 후속적인 CNC가 필요하지 않아 양산성이 좋다. 또한, 소결을 통하여 나노급의 미세공 구조를 형성할 수 있고 미세공 구조의 기초상에서 화학적 부식에 의해 화학적 부식액이 금속 표면의 마이크론급 미세공에 유입되어 마이크론급 미세공의 기초상에서 신속하게 부식시켜 나노급 미세공을 형성한다. 종래의 NMT기술에 비하여, 부식액의 사용량 및 나노다공성 구조의 형성시간을 대폭 감소시켰고 효율성을 향상시켰으며 또한 금속 구조품의 성형이 어려운 문제를 해결하여 현저한 진보성을 가진다.
바람직한 기술방안에 의하면, 사출 성형 전에 우선 금속 구조품 표면의 미세공에 화학시제를 충진시키고, 화학시제와 플라스틱의 화학적 반응에 의해 안정적인 화학적 연결을 형성한다. 이는 종래의 NMT기술에 따른 단순한 물리적 교합에 비하여, 화학적 결합을 강화시켜 플라스틱과 금속의 결합 강도를 대폭 향상시켰다.
하기 바람직한 실시방식와 결부하여 본 발명에 대하여 진일보로 설명하도록 한다.
플라스틱과 금속 복합재료의 제조방법은 하기와 같은 단계를 포함한다.
1) 제품 구조 설계: 요구에 따라 제품 사이즈와 구조를 설계하는 바, 이에 금속구조와 플라스틱 구조를 포함한다.
2) 금속 분말 사출 성형: 금속 분말과 점착제의 혼합 재료를 사출기에서 일정한 형상의 금속 구조품으로 사출 성형한다. 상기 단계는 기존의 금속 분말 사출 성형 기술을 참고할 수 있다.
3) 금속 구조품 탈지 소결: 상기 금속 구조품을 탈지 소결하여 그 중의 점착제를 제거함으로써 금속 구조품 표면에서 0.5-2μm의 마이크론급 미세공을 획득한다. 탈지 소결 과정에서 점착제가 제거된 후 원위치에서 비교적 큰 마이크론급 미세공이 형성된다. 상기 마이크론급 미세공은 화학적 부식을 위하여 나노급 미세공의 부식액이 금속과 접촉되는 부식 접촉 통로를 형성할 수 있어, 나노급 미세공의 형성 효율을 대폭 향상시킨다.
4) 세척: 탈지 소결 후의 금속 구조품을 세척함으로써 그 표면의 오물과 유지를 제거한다.
5) 마이크론급 미세공 나노화: 상기 마이크론급 미세공의 기초상에서 화학시제로 부식시켜 20-40nm의 나노급 미세공을 형성한다. 본 단계의 화학시제는 기존의 NMT기술에 따른 부식액을 참고할 수 있고, 바람직하게는 pH>4의 약 산성 또는 pH<10의 약 알칼리성의 부식액을 사용함으로써 나노급 미세공 구조를 정확하게 획득한다.
6) 시제 충진: 상기 금속 구조품 표면의 미세공에 화학시제를 충진하여 상기 플라스틱과 화학적 반응이 발생하도록 하여 안정적인 연결을 형성한다. 상기 화학시제는 수용액 또는 유기용액이고, 그 용질에 상기 플라스틱과 에스테르화 반응, 중축합 반응, 치환 반응 또는 부가 반응이 발생하여 화학 본드를 형성할 수 있는 관능기가 함유되어 있는 것이 바람직하다. 이에 의해, 후속적인 사출 성형 과정에서 플라스틱이 나노급 미세공에 진입하고, 나노급 미세공 중의 화학시제가 플라스틱과 상기 화학적 반응이 발생하여 안정적인 화학 본드를 형성함으로써 플라스틱과의 안정적인 연결을 실현한다. 하기는 몇 가지 통상적으로 사용되는 플라스틱의 화학시제 선택방안 관련 실예이다. 플라스틱의 성분은 PPS, PBT, PA 중의 하나, 두 개 또는 여러 개를 포함하고, 상기 용질은 아미노 관능기를 함유하는 소분자 화합물 및/또는 에스테르계 소분자 화합물이며, 상기 소분자 화합물의 분자량은 1000 보다 작을 경우, 예를 들면 아미노 메틸 아세트아마이드(Amino methyl acetamide), 글리옥살 (Glyoxal) 포름아미드(formamide) 메틸에스테르(Methyl Ester) 일 수 있다. 또는, 플라스틱의 성분은 PC를 포함하고, 상기 용질은 화학 가교제일 경우, 예를 들면 톨루엔 디이소시아네이트(Toluene Diisocyanate), 에틸렌 글리콜(ethylene glycol), 1,4-부탄디올(Butanediol), 에피클로로히드린(epichlorohydrin), DMBA, 트리에틸아민(triethylamine), 트리에틸렌 디아민(triethylene diamine), DMAE(Dimethylethanolamine) 일 수 있다. 또는, 상기 플라스틱은 아미드 구조를 포함하는 플라스틱이고, 상기 용질은 알켄계 단량체 화합물이며, 상기 알켄계의 단량체 화합물의 분자량은 1000 보다 작을 수 있다.
7) 금형 사출 성형: 화학시제가 충진되어 있는 금속 구조품을 플라스틱 금형에 방치하여 플라스틱과 일체화로 사출 성형시킨다.
8) 금속 표면 처리: 복합 재료 표면에 대하여 표면 광택도, 컬러 등 후속 처리를 진행한다.
상기 제조 방법에 의해 획득한 본 실시예의 금속과 플라스틱을 포함하는 신형의 플라스틱과 금속의 복합재료에 있어서, 연결 매체를 더 포함하고, 상기 금속과 상기 플라스틱이 연결된 면에 나노급 미세공이 분포되어 있으며, 상기 연결 매체는 상기 나노급 미세공 중에 분포되어 있으며 적어도 일부분이 상기 플라스틱과 화학적 반응이 발생하여 상기 플라스틱 사이에서 안정적인 연결구조가 형성되어 있다. 상기의 연결 매체는 상기의 충진된 화학시제와 플라스틱 사이에 화학적 반응이 발생하여 형성된 물질이다.
상기와 같이 구체적인 바람직한 실시예와 결부하여 본 발명에 대하여 진일보로 상세하게 설명하였지만, 본 발명의 구체적인 실시는 단지 설명을 위한 것이다. 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자들에 있어서, 본 발명의 사상을 벗어나지 않는 범위에서 성능 또는 용도가 동일한 각종 동등한 대체 또는 현저한 변형을 진행할 수 있는 바, 이는 모두 본 발명의 보호범위에 속해야 할 것이다.

Claims (7)

  1. 플라스틱(plastic) 및 금속을 포함하는 플라스틱과 금속 복합재료의 제조방법에 있어서,
    상기 방법은,
    금속 분말과 점착제의 혼합 재료를 사출기에서 일정한 형상의 금속 구조품으로 사출 성형하는 금속 분말 사출 성형 단계(S1)와,
    상기 금속 구조품을 탈지 소결하여 그 중의 점착제를 제거하고, 상기 점착제가 제거된 후 상기 점착제의 원위치에서 마이크론급 미세공이 형성됨으로써 금속 구조품 표면에서 0.5-2μm의 마이크론급 미세공을 획득하고, 상기 마이크론급 미세공은 화학적 부식을 위하여 금속과 접촉되는 부식 접촉 통로를 제공하는데 사용되는 금속 구조품 탈지 소결 단계(S2)와,
    상기 마이크론급(micron) 미세공의 기초상에서 화학시제로 부식시켜 20-40nm의 나노급(nano) 미세공을 형성하는 마이크론급 미세공 나노화 단계(S3) 및
    화학시제가 충진되어 있는 나노급 미세공을 가지는 금속 구조품을 플라스틱 금형에 방치하여 플라스틱과 일체화로 사출 성형시키는 금형 사출 성형 단계(S4)를 포함하는 것을 특징으로 하는 제조방법.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 단계(S3)와 단계(S4) 사이에, 상기 금속 구조품 표면의 미세공에 화학시제를 충진하여 상기 플라스틱과 화학적 반응이 발생하도록 하여 안정적인 연결을 형성하는 시제 충진 단계(S300)를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 제조방법.
  3. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    상기 단계(S2)와 단계(S3) 사이에, 탈지 소결 후의 금속 구조품을 세척함으로써 그 표면의 오물과 유지를 제거하는 세척 단계(S200)를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 제조방법.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 단계(S4)의 화학시제는 수용액 또는 유기용액으로서, 그 용질에 상기 플라스틱과 에스테르화 반응, 중축합 반응, 치환 반응 또는 부가 반응이 발생하여 화학 본드(bond)를 형성할 수 있는 관능기가 함유되어 있는 것을 특징으로 하는 제조방법.
  5. 제4항에 있어서,
    상기 플라스틱의 성분은 PPS, PBT, PA 중의 하나, 두개 또는 여러개를 포함하고, 상기 용질은 아미노(amino) 관능기를 함유하는 소분자 화합물 및/또는 에스테르계(ester) 소분자 화합물이며, 상기 소분자 화합물의 분자량은 1000 보다 작거나,
    또는, 플라스틱의 성분은 PC를 포함하고, 상기 용질은 화학 가교제이거나,
    또는, 상기 플라스틱은 아미드 구조를 포함하는 플라스틱이고, 상기 용질은 알켄계 단량체 화합물이며, 상기 알켄계(alkene)의 단량체 화합물의 분자량은 1000 보다 작은 것을 특징으로 하는 제조방법.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 금속은 알루미늄 합금, 마그네슘 합금, 스테인리스(stainless), 아연 합금 또는 티타늄 합금인 것을 특징으로 하는 제조방법.
  7. 삭제
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