KR102171556B1

KR102171556B1 - 알루미늄 금속-열가소성 수지 접합체의 제조방법, 및 이에 의하여 제조된 알루미늄 금속-열가소성 수지 접합체

Info

Publication number: KR102171556B1
Application number: KR1020190170439A
Authority: KR
Inventors: 박정식
Original assignee: 박정식
Priority date: 2019-12-19
Filing date: 2019-12-19
Publication date: 2020-10-29

Abstract

본 발명은 알루미늄 금속과 열가소성 수지를 접합하여 이루어지는 알루미늄 금속-열가소성 수지 접합체 및 그 제조 방법에 관한 것이다. 더욱 상세하게는 알루미늄 금속을 산 에칭 및 전기 화학적 표면 처리 방법을 이용하여, 알루미늄 금속과 열가소성 수지와의 접합 강도를 높이고 접합 강도의 내구성이 우수한 알루미늄 금속과 열가소성 수지 접합체 및 그 제조 방법을 제공한다.

Description

알루미늄 금속-열가소성 수지 접합체의 제조방법, 및 이에 의하여 제조된 알루미늄 금속-열가소성 수지 접합체{ALUMINUM-THERMOPLASTIC POLYMER RESIN BONDED BODY AND MANUFACTURING METHOD THEREOF}

본 발명은 알루미늄 금속과 열가소성 수지 접합체의 제조방법, 및 이에 의하여 제조된 알루미늄 금속-열가소성 수지 접합체에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 알루미늄 금속의 표면에 에칭 처리를 통하여 표면 요철을 부여한 후, 전기 화학적 방법을 이용하여 알루미늄 금속에 실란 화합물로 표면 처리하는 공정을 통하여, 알루미늄 금속 표면과 열가소성 수지의 접착 계면에 강한 화학결합을 유도하여 알루미늄 금속과 열가소성 수지와의 접착력이 우수한 알루미늄 금속-열가소성 수지 접합체, 및 이를 제조하는 제조방법에 관한 것이다.

최근, 가정용 전화(電化) 제품, 자동차 센서, 산업 기기 등 여러 가지의 분야에서 소형화와 경량화가 요구되고 있다. 소형화 및 경량화가 요구되는 부품에 대해서는 기존 금속재에서 수지 성형체로의 대체가 이루어지고 있다.

그러나 금속 특유의 높은 도전성과 방열성의 특성이 요구되는 부품에 대해서는 단순히 금속재를 수지 성형체로 대체하는 것이 곤란하다.

따라서, 방열성이 높고 타 금속과 비교하여 경량인 알루미늄 또는 알루미늄 합금으로 이루어지는 알루미늄 금속과, 절연 성능이 높고 경량이며 저렴한 열가소성 수지를 이용하여, 알루미늄 금속과 열가소성 수지 성형체를 일체로 접합한 알루미늄 금속-열가소성 수지 접합체가 폭넓게 사용되고 있으며, 그 용도 또한 확대되고 있다.

알루미늄 금속과 열가소성 수지 접합체를 제조하는 종래의 방법으로는 알루미늄 금속과 열가소성 수지로 제조된 성형체를 접착제를 사용하여 접합하는 방법과, 알루미늄 금속을 금형 내에 설치한 후 용융된 열가소성 수지를 직접 주입하는 인서트 성형에 의해 알루미늄 금속과 열가소성 수지를 접합하는 방법 등이 이용되고 있다. 그러나, 이와 같은 종래의 방법에 의해 제조된 알루미늄 금속-열가소성 수지 접합체는 알루미늄과 수지 성형체의 접합 강도와 접합 강도의 내구성이 만족스럽지 못하거나, 온도가 높거나 습도가 높은 환경에서 계면의 접합 강도가 크게 저하된다는 단점을 가지고 있다.

종래의 이와 같은 문제점을 해결하기 위해 제안된 기술로는 알루미늄 금속의 표면에 적절한 표면 처리를 실시하는 기술이 있다.

일본특허 제3,954,379호와 일본특허 제4,270,444호에 기재된 암모니아, 히드라진 및 수용성 아민 화합물을 이용한 방법에 있어서는, 표면 처리 후 금속에 열가소성 수지를 접합할 때까지의 시간에 제한이 있으므로, 안정된 표면 상태를 유지할 수 있는 시간이 짧다고 하는 문제가 있다.

일본특허 공고 평05-051,671호에 기재된 처리 방법에 있어서는, 처리가 매우 복잡한 문제가 있다.

또한, 일본특허 제3,016,331호와 일본특허 공개 제2003-103,562호에 기재된 방법은 공정이 복잡하고 처리 비용이 높은 문제가 있다.

한편, 일본특허 공개번호 제1993-051671호, 일본특허 공개번호 제2001-200374호, 미국공개특허 제2010-0279108호, 대한민국 등록특허 제10-1243901호, 및 대한민국 등록특허 제 10-1606567호는 전기 화학적 표면 처리과정을 통하여 알루미늄 표면에 트리아진티올을 형성시키는 방법 등에 대해서 개시하고 있다. 그러나, 이들 종래 기술의 문헌에서는 알루미늄 금속과 열가소성 수지의 접착강도가 여전히 충분하지 못한 문제점이 있다.

일본특허 제3,954,379호 일본특허 제4,270,444호 일본특허 공고 평05-051,671호 일본특허 제3,016,331호 일본특허 공개 제2003-103,562호 대한민국 등록특허 제10-1243901 대한민국 등록특허 제 10-1606567 일본특허 공개번호 제2001-200374호 미국공개특허 제2010-0279108호

본 발명의 목적은 알루미늄 금속의 표면에 에칭을 통하여 표면 요철을 부여한 후, 전기 화학적 방법을 이용하여 알루미늄 금속에 실란 화합물로 표면 처리하는 공정을 통하여, 알루미늄 금속 표면과 열가소성 수지의 접착 계면에 강한 화학결합을 유도하여 알루미늄 금속과 열가소성 수지의 접착력이 우수한 알루미늄 금속-열가소성 수지 접합체 및 이의 제조방법에 관한 것이다.

상기 과제를 해결하기 위해, 본 발명은 알루미늄 금속을 탈지한 후 에칭액에 침지하여 상기 알루미늄 금속 표면에 표면 요철을 부여하는 단계; 상기 표면 요철이 형성된 상기 알루미늄 금속에 실란 화합물로 전기 화학적 방법을 통하여 표면 처리를 실시하는 단계; 상기 표면 처리된 상기 알루미늄 금속을 성형 금형에 투입하는 단계; 및 상기 성형 금형에 투입된 상기 알루미늄 금속의 표면에 열가소성 수지 조성물을 성형하여 접합체를 제조하는 단계;에 의해서 얻어지는, 알루미늄 금속-열가소성 수지 접합체의 제조방법을 제공한다.

본 발명에 따른 알루미늄 금속-열가소성 수지 접합체의 제조방법에 있어, 탈지를 실시하는 공정은 알루미늄 금속을 유기용제에 침지하는 방법, 수산화나트륨, 수산화칼륨 등의 알칼리 수용액에 침지하는 방법, 또는 황산이나 질산 등의 산성 수용액에 침지하는 방법 등에 따라 실시할 수 있다.

본 발명에 따른 알루미늄 금속-열가소성 수지 접합체의 제조방법에 있어, 상기 표면 요철이 부여된 알루미늄 금속의 중심선 평균 거칠기(Ra)는 0.5 내지 5 ㎛일 수 있다.

본 발명에 따른 알루미늄 금속-열가성 수지 접합체의 제조방법에 있어, 상기 표면 요철을 부여하는 공정은 30 내지 80 ℃에서 1 내지 10 분 동안 수행될 수 있다.

본 발명에 따른 알루미늄 금속-열가소성 수지 접합체의 제조방법에 있어, 상기 에칭액은 황산, 염산, 염화철, 황산철, 염화구리, 황산구리 또는 이들의 혼합물을 포함할 수 있다.

본 발명에 따른 알루미늄 금속-열가소성 수지 접합체의 제조방법에 있어, 상기 탈지 단계 및 에칭 단계를 거친 알루미늄 금속에 전기 화학적 방법으로 실란 화합물로 표면 처리를 실시하는 공정을 수행할 수 있다.

알루미늄 금속의 표면에 실란 화합물로 표면 처리 피막을 형성하고, 이 실란 화합물의 표면 처리 피막 상에 사출 성형 또는 열 압착을 통하여 열가소성 수지 조성물로 성형체를 접합하면, 알루미늄 금속 표면의 실란화합물 피막이 알루미늄 금속과 열가소성 수지 성형체 간의 접합 강도를 향상시키고 장기간에 걸친 접합 강도를 유지시킨다.

본 발명에 따른 알루미늄 금속-열가소성 수지 접합체의 제조방법에 있어, 알루미늄 금속을 실란 화합물을 함유한 수용액에서 양극 전해 또는 침지 처리하여 실란 화합물로 표면 처리를 수행할 수 있다.

본 발명에 따른 알루미늄 금속-열가소성 수지 접합체의 제조방법에 있어, 상기 열가소성 수지 조성물은 열에 의해 용융되고 용융된 수지로 성형 가능한 열가소성 수지 또는 이들의 혼합물을 포함할 수 있다.

또한, 본 발명은 알루미늄 금속(1)에 열가소성 수지(2)가 일체로 결합된 알루미늄 금속-열가소성 수지 접합체로서, 상기 알루미늄 금속-열가소성 수지 접합체는, 알루미늄 금속(1)을 탈지한 후 에칭액에 침지하여 알루미늄 금속(1) 표면에 표면 요철(4)을 부여하는 단계; 상기 표면 요철(4)이 형성된 알루미늄 금속(1)에 실란 화합물로 전기 화학적 방법을 통하여 표면 처리를 실시하는 단계; 상기 표면 처리된 알루미늄 금속(1)을 성형 금형에 투입하는 단계; 및 상기 성형 금형에 투입된 상기 알루미늄 금속(1)의 표면에 열가소성 수지(2) 조성물을 성형하여 접합체를 제조하는 단계;에 의해서 얻어지며, 상기 알루미늄 금속(1)에 형성된 상기 표면 요철(4)의 중심선 평균 거칠기(Ra)가 0.5 내지 5 ㎛인, 알루미늄 금속-열가소성 수지 접합체를 제공한다.

이때, 알루미늄 금속에 형성된 표면 요철의 중심선 평균 거칠기(Ra)는 0.5 내지 5 ㎛인 것이 바람직하다.

본 발명에 따르면, 본 발명에 따른 알루미늄 금속-열가소성 수지 접합체는 알루미늄 금속과 열가소성 수지 성형체 간의 접합 강도가 향상될 뿐만 아니라 접합 강도의 내구성이 유지되는 효과가 있다.

또한 알루미늄 금속과 열가소성 수지와의 접합 강도를 향상시키기 위하여 탈지, 표면 요철을 형성하기 위한 에칭 및 실란 화합물로 표면 처리를 실시하여 접착강도가 우수한 알루미늄 금속-열가소성 수지 접합체를 제공함으로써, 산업 분야에서의 다양한 활용 가능성을 높이는 효과를 기대할 수 있다.

본 발명의 효과는 상기한 효과로 한정되는 것은 아니며, 본 발명의 상세한 설명 또는 특허청구범위에 기재된 발명의 구성으로부터 추론 가능한 모든 효과를 포함하는 것으로 이해되어야 한다.

도 1은 본 발명에 따른 알루미늄 금속-열가소성 수지 접합체와 그 접합면을 도시한 도면이다.
도 2는 본 발명에 따른 알루미늄 금속-열가소성 수지 접합체의 접합부의 예를 도시한 도면이다.

이하, 본 발명의 알루미늄 금속-열가소성 수지 접합체 및 이의 제조방법의 실시예에 대해서 상세하게 설명하기로 한다.

본 발명의 이점 및 특징, 그리고 그것을 달성하는 방법은 첨부된 도면과 함께 상세하게 후술되어 있는 실시예들을 참조하면 명확해질 것이다.

그러나 본 발명은 이하에 개시되는 실시예들에 의해 한정되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태로 구현될 것이며, 단지 본 실시예들은 본 발명의 개시가 완전하도록 하며, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 발명의 범주를 완전하게 알려주기 위해 제공되는 것이며, 본 발명은 청구항의 범주에 의해 정의될 뿐이다.

또한 본 발명을 설명함에 있어 관련된 공지 기술 등이 본 발명의 요지를 흐리게 할 수 있다고 판단되는 경우 그에 관한 자세한 설명은 생략하기로 한다.

본 발명의 발명자들은 알루미늄 금속과 열가소성 수지의 성형체를 접합할 때 장기간에 걸쳐 우수한 접합 강도를 유지할 수 있는 방법을 개발하기 위해 많은 검토를 실시한 결과, 알루미늄 금속의 표면에 실란 화합물로 표면 처리 피막을 형성하고, 이 실란 화합물의 피막 상에 사출 성형 또는 열 압착을 통하여 열가소성 수지 조성물로 성형체를 접합할 때, 알루미늄 금속 표면의 실란화합물 피막이 알루미늄 금속과 열가소성 수지 성형체 간 접합 강도가 향상되고 장기간에 걸쳐 강고한 접합 강도를 유지되는 것을 발견하여, 본 발명을 완성하였다.

본 발명에 따른 알루미늄 금속-열가소성 수지 접착합체의 제조방법은 알루미늄 금속을 탈지 공정을 실시하여 알루미늄 금속을 제조 및 운반하는 과정에서 발생하는 불순물을 제거하는 제 1단계; 상기 탈지된 알루미늄 금속을 에칭액에 침지하여 알루미늄 금속 표면에 표면 요철을 부여하는 제 2 단계; 상기 표면 요철이 존재하는 알루미늄 금속에 실란 화합물로 전기 화학적 방법을 통하여 표면 처리를 실시하는 제 3 단계; 상기 표면 처리된 알루미늄 금속을 성형 금형에 투입하고, 상기 성형 금형에 투입된 알루미늄 금속의 표면에 열가소성 수지 조성물을 성형하여 접합체를 제조하는 제 4단계;를 포함할 수 있다.

상기 알루미늄 금속은 기계적 가공 후의 소재 형상으로서, 판 형상, 봉 형상 또는 파이프 형상의 압출품의 중간 알루미늄 재료로부터 얻어질 수 있으며, 이는 절단 가공, 절삭 가공, 드로잉 가공, 밀링가공, 방전 가공, 프레스 가공, 연삭 가공 또는 연마 가공인 기계적 가공에 의하여 부품 구조물 형상인 알루미늄 금속으로 가공될 수 있다.

또한, 상기 부품 구조물 형상을 갖는 알루미늄 금속은 성형 금형에 투입되어 특정 제품에 필요로 하는 형상 및 구조를 가지는 부품으로 가공될 수 있다.

본 발명의 바람직한 실시예에 따른 상기 제 1단계는 알루미늄 금속을 탈지하는 전처리를 실시하는 단계이다. 구체적으로는 알루미늄 금속을 제조 및 운반하는 과정에서 발생하는 불순물이 부착되어 경우에는 제거하고, 또 필요에 따라서, 탈지, 표면 활성화, 수세 등에 따라, 알루미늄 금속의 표면을 세정하는 공정을 수행하여도 좋다.

탈지는 알루미늄 금속을 유기용제에 침지하는 방법, 수산화나트륨, 수산화칼륨 등의 알칼리 수용액에 침지하는 방법, 또는 황산, 염산, 질산과 과산화수소수 등의 산성 수용액에 침지하는 방법 등에 따라 실시할 수 있다.

유기 용매로는 메틸알코올, 에틸알코올, 이소프로필알코올, 아세톤, 톨루엔, 에틸렌글리콜모노에틸에테르, 디메틸포름알데히드, 테트라하이드로푸란, 메틸에틸케톤, 초산에틸에스테르 등을 이용할 수 있다.

또한, 침지 온도는 용액 농도와 금속의 종류에 따라 다르며, 특히 사용되는 용제에 의해 결정되기 때문에 특정할 수 없지만, 물(water)의 경우, 일반적으로 1 내지 99 ℃까지 가능하며, 20 내지 70 ℃의 범위가 바람직하다.

탈지 공정이 완료된 알루미늄 금속은 증류수로 수세하는 단계 및 수세 후 50 내지 100 ℃의 범위에서 건조하는 단계를 추가로 수행될 수 있다.

본 발명에 따른 상기 제 2단계는 알루미늄 금속을 에칭액에 침지하여 알루미늄 금속에 표면 요철을 부여하는 단계이다. 상기 에칭액은 상기 알루미늄 금속을 용해시킬 수 있는 물질이라면 한정되는 것은 아니나, 바람직하게는 황산, 염산, 염화철, 황산철, 염화구리, 황산구리 또는 이들의 혼합물일 수 있다. 또한 일정하고 균일한 표면 요철을 부여하기 위해서 30 내지 80 ℃에서 1 내지 10분간 에칭액에 침지하여 표면 처리를 실시한다.

상기 에칭 처리된 알루미늄 금속은 증류수로 수세하는 단계 및 수세 후 50 내지 100 ℃의 범위에서 건조하는 단계를 추가로 수행될 수 있다.

본 발명에 따른 상기의 조건으로 에칭 처리된 알루미늄 금속을 표면 요철 측정기를 이용하여 측정한 결과, 중심선 평균 거칠기(Ra)가 0.5 내지 5 ㎛로 일정하고 균일하게 표면 요철이 형성된 알루미늄 금속을 얻었다.

본 발명에 있어서, 상기 중심선 평균 거칠기(Ra)가 0.5 ㎛ 미만이면 접착 되는 표면적이 작게 되어 초기 접착 강도 및 고온 고습 하에서 내구 접착 강도가 떨어질 우려가 있고, 반면에 상기 중심선 평균 거칠기(Ra)가 5㎛를 초과하면 표면 요철이 너무 크게 되어 고온 고습 하에서의 내구 접착 강도가 오히려 떨어지는 문제가 발생할 수 있으므로, 상술한 범위 내의 중심선 평균 거칠기(Ra)를 갖도록 알루미늄 금속을 에칭 처리하는 것이 바람직하다.

본 발명에 따른 상기 제 3단계는 탈지 단계 및 에칭 단계를 거친 알루미늄 금속에 전기 화학적 방법으로 실란 화합물로 표면 처리를 실시하는 공정이다.

즉, 알루미늄 금속을 실란 화합물을 함유한 수용액에서 양극 전해 또는 침지 처리로 실란 화합물로 표면 처리한다.

상기 실란 화합물은 상기 실란 화합물은 하기 화학식 1로 표시되는 지환식 에폭시기와 알콕시기를 포함하는 알콕시 실란 단독, 또는 하기 화학식 1로 표시되는 지환식 에폭시기와 알콕시기를 포함하는 알콕시 실란과 하기 화학식 2로 표시되는 알콕시 실란 화합물인 것을 특징으로 한다.

[화학식 1]

R¹ _nSi(OR²)_4-n

[화학식 2]

R³ _mSi(OR⁴)_4-m

상기 화학식 1 및 2에서,

R¹은 지환식 에폭시기를 포함하는 선형 또는 분지형의 C₁ 내지 C₆ 알킬기이고, 지환식 에폭시기는 C₃ 내지 C₆의 사이클로 알킬기로서 에폭시기를 갖는 구조를 가지며,

R²는 선형 또는 분지형의 C₁ ~ C₇ 알킬기이고,

R³는 C₁ ~ C₂₀ 알킬기, C₃ ~ C8 사이클로알킬기, C₂ ~ C₂₀ 알케닐기, C₂ ~ C₂₀ 알키닐기, C₆ ~ C₂₀ 아릴기, 아크릴기, 메타크릴기, 할로겐기, 아미노기, 머캅토기, 에테르기, 에스테르기, 카르보닐기, 카르복실기, 비닐기, 나이트로기, 술폰기, 및 알키드기로 이루어진 군에서 선택되는 하나이며,

R⁴는 직쇄 또는 분지쇄의 C₁ ~ C₇ 알킬기이고,

n은 1 내지 3의 정수,

m은 0 내지 3의 정수.

상기 화학식 1로 표시되는 실란화합물의 실례로서는, 예를 들면, 2-(3,4-에폭시사이클로헥실)에틸트리메톡시실란, 또는 2-(3,4-에폭-2-시사이클로헥실)에틸트리에톡시실란 등을 들 수 있다.

한편, 상기 화학식 2로 표시되는 실란 화합물의 실례로는 다음과 같을 수 있다.

예를 들면, 메틸트리메톡시실란, 메틸트리에톡시실란, 에틸트리메톡시실란, 에틸트리에톡시실란, 헥실트리메톡시실란, 옥타데실트리메톡시실란, 페닐트리메톡시실란, 페닐트리에톡시실란, 나프틸트리메톡시실란, 안트라세닐트리메톡시실란, 3-아미노프로필트리에톡시실란, N-(2-아미노에틸)-3-아미노프로필트리메톡시실란, 3-(N,N-디글리시딜)아미노프로필트리메톡시실란, 3-글리시독시시프로필트리메톡시실란, 글리시독시메틸트리메톡시실란, 글리시독시메틸트리에톡시실란, α-글리시독시에틸트리메톡시실란, α-글리시독시에틸트리에톡시실란, β-글리시독시에틸트리메톡시실란, β-글리시독시에틸트리에톡시실란, α-글리시독시프로필트리메톡시실란, α-글리시독시프로필트리에톡시실란, β-글리시독시프로필트리메톡시실란, β-글리시독시프로필트리에톡시실란, γ-글리시독시프로필트리메톡시실란, γ-글리시독시프로필트리에톡시실란, γ-글리시독시프로필트리프로폭시시실란, γ-글리시독시프로필트리이소프로폭시시실란, γ-글리시독시프로필트리부톡시실란, α-글리시독시부틸트리메톡시실란, α-글리시독시부틸트리에톡시실란, β-글리시독시부틸트리메톡시실란, β-글리시독시부틸트리에톡시실란, γ-글리시독시부틸트리메톡시실란, γ-글리시독시부틸트리에톡시실란, δ-글리시독시부틸트리메톡시실란, δ-글리시독시부틸트리에톡시실란, (3,4-에폭시시클로헥실)메틸트리메톡시실란, (3,4-에폭시시클로헥실)메틸트리에톡시실란, (3,4-에폭시시클로헥실)메틸트리메톡시실란, (3,4-에폭시시클로헥실)메틸트리에톡시실란, 2-(3,4-에폭시시클로헥실)에틸트리프로폭시실란, 2-(3,4-에폭시시클로헥실)에틸트리부톡시실란, 2-(3,4-에폭시시클로헥실)에틸트리메톡시실란, 2-(3,4-에폭시시클로헥실)에틸트리에톡시실란, 3-(3,4-에폭시시클로헥실)프로필트리메톡시실란, 3-(3,4-에폭시시클로헥실)프로필트리에톡시실란, 4-(3,4-에폭시시클로헥실)부틸트리메톡시실란, 4-(3,4-에폭시시클로헥실)부틸트리에톡시실란, 트리플루오로메틸트리메톡시실란, 트리플루오로메틸트리에톡시실란, 트리플루오로프로필트리메톡시실란, 트리플루오로프로필트리에톡시실란, 비닐트리메톡시실란, 비닐트리에톡시실란, γ-메타크릴옥시프로필트리메톡시실란, γ-메타크릴옥시프로필트리에톡시실란, γ-아크릴옥시프로필트리메톡시실란, γ-아크릴옥시프로필트리에톡시실란 등이다.

상기 실란 화합물을 함유하는 전해액 중의 실란 화합물의 농도는 특별히 한정되지 않지만, 바람직하게는 0.0005 ~ 0.8 ％, 보다 바람직하게는 0.002 ~ 0.02 ％이다.

실란 화합물의 농도가 0.0005 % 미만이면 표면처리 효과가 미미하고, 0.8 %를 초과하면 표면 처리 비용이 상승하는 문제점이 있다.

또한, 실란 화합물을 함유하는 수용액 또는 유기 용액은, 필요에 따라서, 전해질을 함유시킬 수 있다.

상기 수용액 또는 유기 용액은 전해질과 실란 화합물을 동시에 용해하는 것이 바람직하고, 예를 들면, 용제로는, 물, 메탄올, 에탄올, 디에틸렌글리콜모노부틸에테르, 에틸렌글리콜모노에틸에테르, 디메틸포름아미드, 메틸피롤디돈, 아크릴로니트릴, 에치렌카보나이트, 이소프로필알코올, 아세톤, 톨루엔, 에틸셀루솔브, 디메틸포름알데히드, 테트라하이드로프란, 메틸에틸케톤, 등을 이용할 수 있다.

또한, 구체적으로 그 전해 중합 공정은 상기에 기술한 실란 화합물을 함유하는 수용액 또는 유기 용액, 혹은 그러한 혼합액에, 처리 금속인 알루미늄 금속 부재를 음극으로 해, 불용성 도전체를 양극으로서 그 양극과 음극의 사이 전압을 인가해 표면 처리한다.

상기 전기 화학적 표면 처리 방법은 순환 전압 전류법으로 -1.0 V 내지 2.0 V를 가해주는 순환 전압 전류법, 3 V 내지 50 V 사이를 가해주는 정전압 방법 및 0.1 mA 내지 30 mA의 전류 밀도를 주사하는 정전류 방법 등으로 표면 처리를 실시할 수 있다.

또한, 상기 전해액의 온도는 용제 응고점이나 비점과 관계되므로 임의적으로 특정할 수 없지만, 예를 들면, 수용액에서는 10 내지 90 ℃, 바람직하게는 20 내지 60 ℃일 수 있다.

본 발명에 따른 상기 제 4단계는 실란 화합물로 표면 처리된 알루미늄 금속에 열가소성 수지를 성형하여 알루미늄 금속-열가소성 수지 접합체를 제조하는 단계이다.

본 발명의 알루미늄 금속-열가소성 수지 접합체에 사용할 수 있는 열가소성 수지로는 다음의 것으로 한정되는 것은 아니지만, 바람직하게는 폴리에틸렌(PE), 폴리프로필렌(PP), 폴리염화비닐(PVC), 폴리스티렌(PS), 폴리에틸렌테레프탈레이트(PET), 폴리카보네이트(PC), 폴리메틸메타아크릴레이트(PMMA), 아크릴로니트릴부타디엔스티렌(ABS) 폴리우레탄(PU), 폴리아마이드(PA), 폴리아세탈(POM), 폴리페닐렌설파이드(PPS), 폴리뷰틸렌테레프탈레이트(PBT), 폴리이미드(PI), 액정폴리머(LCP), 폴리에테르에테르케톤(PEEK), 폴리에테르케톤(PEK), 에틸렌프로필렌디엔메틸렌고무(EPDM), 및 아크릴고무(ACM)로 이루어진 군으로부터 선택된 하나 이상인 것이 바람직하다.

또한, 이러한 열가소성 수지는 유리 필러 카본 코팅, 금속염, 탄산 칼슘 및 충전제와 안료 및 안정제 등 첨가되어 있어도 좋다.

알루미늄 금속-열가소성 수지 접합체를 사출 공정을 이용하면 다음과 같이 수행될 수 있다. 예를 들면, 사출 성형 금형을 준비하고, 성형 금형 내부에 상기 가공된 알루미늄 금속 부품을 투입한 후 성형 금형을 닫고 열가소성 수지를 상기 성형 금형으로 사출하면, 알루미늄 합금과 수지가 접합되어 일체화된 접합체가 얻어질 수 있다. 사출 성형시 열가소성 수지 조성물에 대한 사출 성형 조건은 통상의 열가소성 수지의 성형 조건에 적용되는 조건에서 그 사출 성형이 이루어지도록 한다.

이상에서 설명한 일련의 단계에 의하여 본 발명은 알루미늄 금속에 열가소성 수지가 접합된 알루미늄 금속-열가소성 수지 접합체를 제조할 수 있게 된다.

이하 실시예를 참조하여 본 발명을 설명하고자 한다. 그러나, 이들 설명이 본 발명의 기술적인 범위를 한정하는 것은 아니다.

실시예

<실시예 1>

시판 중인 3.0 mm 두께의 알루미늄 금속(AL6061)을 18 mm×50 mm의 크기로 절단하여 시편으로 준비하였다(도 1 참조).

알루미늄 금속(1) 표면을 40 ℃의 5 % 수산화나트륨 수용액에 3 분간 침지하여 탈지 처리 후 증류수로 세척하고, 70 ℃의 온도에서 건조하였다.

상기 탈지된 알루미늄 금속(1)은 표면 요철(4)을 부여하기 위하여 10 % 황산 수용액에서 50 ℃ 온도에서 5 분간 침지하여 에칭 처리 후 증류수로 세척하고 70 ℃의 온도에서 건조를 실시하였다.

다음에, 표면 요철(4)이 형성된 알루미늄 금속(1)을 3-글리시독시시프로필트리메톡시실란(3-glycidoxypropyltrimethoxysilane, GPTMS) 0.008 % 및 아세트산나트륨(CH₃COONa) 1.0 %를 혼합한 전기 분해 수용액(40 ℃)을 이용하여 10 V의 전합으로 10 분간 음극 전해를 실시하여, 이 알루미늄 금속(1)의 표면을 GPTMS(5)로 표면 처리하였다(도 2 참조).

또한, 표면 요철(4)이 형성된 알루미늄 금속(1)을 양극으로 이용하고, 불용성 전극으로서 SUS304판을 양극으로 이용하여 음극 전해를 실시했다. 음극 전해된 알루미늄 금속(1)을 50 ℃의 증류수로 1 분간의 수세 후 70 ℃의 온도에서 건조시켰다.

다음으로, 폴리페닐설파이드(PPS, KOLON S25G40) 수지를 금형 온도 150 ℃, 사출 온도 260 ℃, 사출 압력 170 MPa의 성형 조건에서 사출 성형하여 알루미늄 금속-열가소성 수지 접합체(도 1 참조)를 제조하였다.

본 실시예 1에서 표면 에칭 후 표면에 형성된 표면 요철(4)(도 2 참조)의 크기는 중심선 평균 거칠기(Ra)가 1.8 ㎛이였고, 제조된 알루미늄 금속-열가소성 수지 접합체의 초기 접합 강도는 51 MPa이고, 고온 고습 하 내구 접합 강도는 45 MPa였다.

본 실시예 1에서 표면 에칭 후 표면에 형성된 표면 요철(4)의 크기는 접촉식 표면 요철 시험기(미쓰토요 표면조도측정기 SJ-310)를 이용하여 측정하였다.

또한, 알루미늄 금속과 열가소성 수지 성형체(도 1)의 접착 계면(3)의 초기 접착 강도는 사출 성형 후 온도 23 ℃, 상대 습도 45 %의 조건에서 24 시간 동안 방치한 후 인장 시험기(인스트롱 만능재료시험기 3340)를 사용하여 측정하였다.

한편, 높은 온도 및 높은 습도에서의 내구 접착 강도는 사출 성형된 알루미늄 금속-열가소성 수지 접합체(도 1)를 온도 80 ℃, 상대 습도 95 %의 환경에서 200 시간 동안 방치한 후 꺼내어, 온도 23 ℃, 상대 습도 45 %의 조건에서 24 시간 동안 방치한 후 인장 시험기를 사용하여 접착 강도를 측정하였다.

<실시예 2>

탈지된 알루미늄 금속에 표면 요철을 부여하기 위하여 10 % 황산 수용액에서 50 ℃ 온도에서 3 분간 침지하여 에칭하는 것을 제외하고는 실시예 1과 동일한 방법으로 알루미늄 금속-열가소성 수지 접합체를 제조하였다.

<실시예 3>

탈지된 알루미늄 금속에 표면 요철을 부여하기 위하여 15 % 황산 수용액에서 50 ℃ 온도에서 5 분간 침지하여 에칭하는 것을 제외하고는 실시예 1과 동일한 방법으로 알루미늄 금속-열가소성 수지 접합체를 제조하였다.

<실시예 4>

GPTMS 0.005 % 및 아세트산나트륨(CH₃COONa) 1.0 %를 혼합한 전기 분해 수용액을 이용하는 것을 제외하고는 실시예 1과 동일한 방법으로 알루미늄 금속-열가소성 수지 접합체를 제조하였다.

<실시예 5>

GPTMS 0.012 % 및 아세트산나트륨(CH₃COONa) 1.0 %를 혼합한 전기 분해 수용액을 이용하는 것을 제외하고는 실시예 1과 동일한 방법으로 알루미늄 금속-열가소성 수지 접합체를 제조하였다.

<실시예 6>

10 V로 음극 전해를 20 분간 실시하는 것을 제외하고는 실시예 1과 동일한 방법으로 알루미늄 금속-열가소성 수지 접합체를 제조하였다.

<실시예 7>

실란 화합물로 비닐트리메에톡시실란(Vinyl trimethoxy silane)을 사용하는 것을 제외하고는 실시예 1과 동일한 방법으로 알루미늄 금속-열가소성 수지 접합체를 제조하였다.

<비교예 1>

탈지된 알루미늄 금속에 표면 요철을 부여하지 않는 것을 제외하고는 실시예 1과 동일한 방법으로 알루미늄 금속-열가소성 수지 접합체를 제조하였다.

<비교예 2>

실란 화합물로 표면 처리를 실시하지 않는 것을 제외하고는 실시예 1과 동일한 방법으로 알루미늄 금속-열가소성 수지 접합체를 제조하였다.

<비교예 3>

GPTMS 0.001 % 및 아세트산나트륨(CH₃COONa) 1.0 %를 혼합한 전기 분해 수용액을 이용하는 것을 제외하고는 실시예 1과 동일한 방법으로 알루미늄 금속-열가소성 수지 접합체를 제조하였다.

<비교예 4>

탈지된 알루미늄 금속에 표면 요철을 부여하기 위하여 10 % 황산 수용액에서 50 ℃ 온도에서 30 초간 침지하여 에칭하는 것을 제외하고는 실시예 1과 동일한 방법으로 알루미늄 금속-열가소성 수지 접합체를 제조하였다.

<비교예 5>

탈지된 알루미늄 금속에 표면 요철을 부여하기 위하여 15 % 황산 수용액에서 60 ℃ 온도에서 15 분간 침지하여 에칭하는 것을 제외하고는 실시예 1과 동일한 방법으로 알루미늄 금속-열가소성 수지 접합체를 제조하였다.

실험례

이상 설명한 실시예 1~7 및 비교예 1~5에서 얻어진 알루미늄 금속-열가소성 수지 접합체의 초기 접합 강도 및 고온 고습 하 내구 접합 강도를 측정하여 그 결과를 하기 표 1에 나타내었다.

먼저, 표면 에칭 후 표면에 형성된 표면 요철(4)의 크기는 접촉식 표면 요철 시험기(미쓰토요 표면조도측정기 SJ-310)을 이용하여 측정하였으며, 알루미늄 금속과 열가소성 수지 성형체(도 1)의 접착 계면(3)의 초기 접착 강도는 인장 시험기(인스트롱 만능재료시험기 3340)를 사용하여 측정하였다.

또한, 높은 온도 및 높은 습도에서의 내구 접착 강도는 사출 성형된 알루미늄 금속-열가소성 수지 접합체(도 1)를 온도 80 ℃, 상대 습도 95 %의 환경에서 200 시간 동안 방치한 후 꺼내어, 온도 23 ℃, 상대 습도 45 %의 조건에서 24 시간 동안 방치한 후 인장 시험기를 사용하여 접착 강도를 측정하였다.

	표면 거칠기 (Ra, ㎛)	초기 접합 강도 (MPa)	고온고습 하 내구 접합 강도 (MPa)	평 가
실시예 1	1.8	51	45	◎
실시예 2	1.2	48	42	◎
실시예 3	2.5	53	45	◎
실시예 4	1.8	48	43	◎
실시예 5	1.8	52	51	◎
실시예 6	1.8	51	50	◎
실시예 7	1.8	48	43	◎
비교예 1	0.1	33	27	X
비교예 2	1.8	25	12	X
비교예 3	1.8	33	28	X
비교예 4	0.3	41	31	○
비교예 5	6.5	39	18	X

상기 표 1에서 초기 접합 강도가 40 MPa 이상이고 고온 고습 하 내구 접합 강도가 30 MPa 이상이면 ○으로, 초기 접합 강도와 고온 고습 하 접합 강도가 모두 40 MPa 이상일 경우는 ◎로 평가했다.

상기 표 1로부터, 본 발명에 따른 알루미늄 금속-열가소성 수지 접합체는 표면 요철이 형성된 알루미늄 금속에 실란계 화합물로 표면 처리함으로써, 알루미늄 금속과 열가소성 수지 성형체의 접합 강도가 더욱 강화되고, 장기간에 걸쳐 양호한 접합 강도가 유지되는 것을 알 수 있다

지금까지 본 발명에 따른 알루미늄 금속-열가소성 수지 접합체의 제조방법, 및 이에 의하여 제조된 알루미늄 금속-열가소성 수지 접합체에 관한 구체적인 실시예에 관하여 설명하였으나, 본 발명의 범위에서 벗어나지 않는 한도 내에서는 여러 가지 실시 변형이 가능함은 자명하다.

그러므로 본 발명의 범위는 설명된 실시예에 국한되어 정해져서는 안 되며, 후술하는 청구 범위뿐만 아니라 이 청구 범위와 균등한 것들에 의해 정해져야 한다.

즉, 전술된 실시예는 모든 면에서 예시적인 것이며, 한정적인 것이 아닌 것으로 이해되어야 하며, 본 발명의 범위는 상세한 설명보다는 후술될 청구 범위에 의하여 나타내어지며, 그 청구 범위의 의미 및 범위 그리고 그 등가 개념으로부터 도출되는 모든 변경 또는 변형된 형태가 본 발명의 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 한다.

1 알루미늄 금속
2 열가소성 수지
3 접착 계면
4 표면 요철
5 GPTMS

Claims

알루미늄 금속을 탈지한 후 에칭액에 침지하여 상기 알루미늄 금속 표면에 표면 요철을 부여하는 단계;
상기 표면 요철이 형성된 상기 알루미늄 금속에 실란 화합물로 전기 화학적 방법을 통하여 표면 처리를 실시하는 단계;
상기 표면 처리된 상기 알루미늄 금속을 성형 금형에 투입하는 단계; 및
상기 성형 금형에 투입된 상기 알루미늄 금속의 표면에 열가소성 수지 조성물을 성형하여 접합체를 제조하는 단계;를 포함하며,
상기 알루미늄 금속에 형성된 표면 요철의 중심선 평균 거칠기(Ra)가 0.5 내지 5 ㎛이며,
상기 열가소성 수지 조성물은 열에 의해 용융되고 용융된 수지로 성형 가능한 열가소성 수지 또는 이들의 혼합물을 포함하며;
상기 실란 화합물은 하기 화학식 1로 표시되는 지환식 에폭시기와 알콕시기를 포함하는 알콕시 실란과, 하기 화학식 2로 표시되는 알콕시 실란의 화합물인,
알루미늄 금속-열가소성 수지 접합체의 제조방법.
[화학식 1]
R¹ _nSi(OR²)_4-n
[화학식 2]
R³ _mSi(OR⁴)_4-m
상기 화학식 1 및 2에서,
R¹은 지환식 에폭시기를 포함하는 선형 또는 분지형의 C₁ 내지 C₆ 알킬기이고, 상기 지환식 에폭시기는 C₃ 내지 C₆의 사이클로 알킬기로서 에폭시기를 갖는 구조를 가지며,
R²는 선형 또는 분지형의 C₁ ~ C₇ 알킬기이고,
R³는 C₁ ~ C₂₀ 알킬기, C₃ ~ C8 사이클로알킬기, C₂ ~ C₂₀ 알케닐기, C₂ ~ C₂₀ 알키닐기, C₆ ~ C₂₀ 아릴기, 아크릴기, 메타크릴기, 할로겐기, 아미노기, 머캅토기, 에테르기, 에스테르기, 카르보닐기, 카르복실기, 비닐기, 나이트로기, 술폰기, 및 알키드기로 이루어진 군에서 선택되는 하나이며,
R⁴는 직쇄 또는 분지쇄의 C₁ ~ C₇ 알킬기이고,
n은 1 내지 3의 정수,
m은 0 내지 3의 정수이며;
상기 화학식 1로 표시되는 실란 화합물은 2-(3,4-에폭시사이클로헥실)에틸트리메톡시실란, 또는 2-(3,4-에폭-2 -시사이클로헥실)에틸트리에톡시실란을 포함하며,
상기 화학식 2로 표시되는 실란 화합물은 메틸트리메톡시실란, 메틸트리에톡시실란, 페닐트리메톡시실란, 페닐트리에톡시실란, 에틸트리에톡시실란, 비닐트리메톡시실란, 비닐트리에톡시실란, 및 3-아미노프로필트리에톡시실란으로 이루어지는 군에서 선택된 1종 이상을 포함함.
청구항 1에 있어서,
상기 에칭액은 황산, 염산, 또는 이들의 혼합물로 이루어지는 군으로부터 선택되는 하나인,
알루미늄 금속-열가소성 수지 접합체의 제조방법.
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삭제
삭제
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청구항 1에 있어서,
상기 열가소성 수지 조성물은 폴리에틸렌, 폴리프로필렌, 폴리염화비닐, 폴리스티렌, 폴리에틸렌테레프탈레이트, 폴리카보네이트, 폴리메틸메타아크릴레이트, 아크릴로니트릴부타디엔스티렌, 폴리우레탄, 폴리아마이드, 폴리아세탈, 폴리페닐렌설파이드, 폴리뷰틸렌테레프탈레이트, 폴리이미드, 액정폴리머, 폴리에테르에테르케톤, 폴리에테르케톤, 에틸렌프로필렌디엔메틸렌고무, 및 아크릴고무로 이루어진 군으로부터 선택된 하나 이상인,
알루미늄 금속-열가소성 수지 접합체의 제조방법.
알루미늄 금속(1)에 열가소성 수지(2)가 일체로 결합된 알루미늄 금속-열가소성 수지 접합체로서, 상기 알루미늄 금속-열가소성 수지 접합체는,
알루미늄 금속(1)을 탈지한 후 에칭액에 침지하여 알루미늄 금속(1) 표면에 표면 요철(4)을 부여하는 단계;
상기 표면 요철(4)이 형성된 알루미늄 금속(1)에 실란 화합물로 전기 화학적 방법을 통하여 표면 처리를 실시하는 단계;
상기 표면 처리된 알루미늄 금속(1)을 성형 금형에 투입하는 단계; 및
상기 성형 금형에 투입된 상기 알루미늄 금속(1)의 표면에 열가소성 수지(2) 조성물을 성형하여 접합체를 제조하는 단계;에 의해서 얻어지며,
상기 알루미늄 금속(1)에 형성된 상기 표면 요철(4)의 중심선 평균 거칠기(Ra)가 0.5 내지 5 ㎛이며,
상기 열가소성 수지 조성물은 열에 의해 용융되고 용융된 수지로 성형 가능한 열가소성 수지 또는 이들의 혼합물을 포함하며,
상기 실란 화합물은 하기 화학식 3으로 표시되는 지환식 에폭시기와 알콕시기를 포함하는 알콕시 실란과, 하기 화학식 4로 표시되는 알콕시 실란의 화합물인,
알루미늄 금속-열가소성 수지 접합체.
[화학식 3]
R¹ _nSi(OR²)_4-n
[화학식 4]
R³ _mSi(OR⁴)_4-m
상기 화학식 3 및 4에서,
R¹은 지환식 에폭시기를 포함하는 선형 또는 분지형의 C₁ 내지 C₆ 알킬기이고, 상기 지환식 에폭시기는 C₃ 내지 C₆의 사이클로 알킬기로서 에폭시기를 갖는 구조를 가지며,
R²는 선형 또는 분지형의 C₁ ~ C₇ 알킬기이고,
R³는 C₁ ~ C₂₀ 알킬기, C₃ ~ C8 사이클로알킬기, C₂ ~ C₂₀ 알케닐기, C₂ ~ C₂₀ 알키닐기, C₆ ~ C₂₀ 아릴기, 아크릴기, 메타크릴기, 할로겐기, 아미노기, 머캅토기, 에테르기, 에스테르기, 카르보닐기, 카르복실기, 비닐기, 나이트로기, 술폰기, 및 알키드기로 이루어진 군에서 선택되는 하나이며,
R⁴는 직쇄 또는 분지쇄의 C₁ ~ C₇ 알킬기이고,
n은 1 내지 3의 정수,
m은 0 내지 3의 정수이며;
상기 화학식 3으로 표시되는 실란 화합물은 2-(3,4-에폭시사이클로헥실)에틸트리메톡시실란, 또는 2-(3,4-에폭-2 -시사이클로헥실)에틸트리에톡시실란을 포함하며,
상기 화학식 4로 표시되는 실란 화합물은 메틸트리메톡시실란, 메틸트리에톡시실란, 페닐트리메톡시실란, 페닐트리에톡시실란, 에틸트리에톡시실란, 비닐트리메톡시실란, 비닐트리에톡시실란, 및 3-아미노프로필트리에톡시실란으로 이루어지는 군에서 선택된 1종 이상을 포함함.
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청구항 8에 있어서,
상기 열가소성 수지 조성물은 폴리에틸렌, 폴리프로필렌, 폴리염화비닐, 폴리스티렌, 폴리에틸렌테레프탈레이트, 폴리카보네이트, 폴리메틸메타아크릴레이트, 아크릴로니트릴부타디엔스티렌, 폴리우레탄, 폴리아마이드, 폴리아세탈, 폴리페닐렌설파이드, 폴리뷰틸렌테레프탈레이트, 폴리이미드, 액정폴리머, 폴리에테르에테르케톤, 폴리에테르케톤, 에틸렌프로필렌디엔메틸렌고무, 및 아크릴고무로 이루어진 군으로부터 선택된 하나 이상인,
알루미늄 금속-열가소성 수지 접합체.