TWI464053B - 不鏽鋼與樹脂的複合體及其製造方法 - Google Patents

Description

不鏽鋼與樹脂的複合體及其製造方法

本發明涉及一種不鏽鋼與樹脂的複合體及其製造方法，尤其涉及一種結合力較強的不鏽鋼與樹脂的複合體及該複合體的製造方法。

不鏽鋼具有優越的耐蝕性、耐磨性、強韌性和良好的可加工性，外觀光潔度高，無毒無害，使得電子產品的外觀及內構件越來越傾向採用不鏽鋼材料。

另一方面，將金屬與合成樹脂一體化，一直係電子產品外殼或零元件、汽車零部件等製造領域所期待開發的技術，其既利用了金屬的高強度，又利用了樹脂優越的成型性能，從而可取長補短，解決產品的複雜結構難以成型的問題。金屬與樹脂常用的接合技術有熱熔膠黏接方法，或者模內嵌件注射成型方法，但結合強度較低。為此，人們不斷研究新的接合技術。

目前，人們對金屬與樹脂的接合進行了大量的研究。研究發現，不鏽鋼藉由一定條件的化學蝕刻後形成適度的表面粗糙度，然後藉由嵌件成型的方式直接與樹脂牢固地接為一體。然，該方法的化學蝕刻過程中反應體系溫度高達80℃以上，可操作性較差。而且，處理後不鏽鋼表面變黑，影響產品外觀。

鑒於此，有必要提供一種結合力強、且可克服上述缺陷的不鏽鋼與樹脂的複合體。

另外，還有必要提供一種上述不鏽鋼與樹脂的複合體的製造方法。

一種不鏽鋼與樹脂的複合體，由形狀化的不鏽鋼基材、以及藉由注射成型與所述不鏽鋼基材接合為一體的樹脂部形成，該不鏽鋼基材的表面具有經陽極氧化處理形成的多孔膜，該多孔膜具有輪廓算術平均偏差Ra為0.2~1.0μm、輪廓最大高度Rz為2.5~5.0μm及輪廓單元平均寬度RSm為30~50μm的粗糙度，該多孔膜表面形成有多個孔洞，所述孔洞的平均孔徑在100~500nm範圍之內；該樹脂部以結晶型熱塑性樹脂為主要成分，樹脂部侵入所述孔洞內與該不鏽鋼基材接合為一體。

一種不鏽鋼與樹脂的複合體的製造方法，其包括如下步驟：提供不鏽鋼基材；不鏽鋼基材進行活化處理，以去除不鏽鋼基材表面的自然氧化皮膜；對該經活化處理的不鏽鋼基材進行陽極氧化成膜處理，以在不鏽鋼基材的表面形成多孔膜，該多孔膜具有輪廓算術平均偏差Ra為0.2~1.0μm、輪廓最大高度Rz為2.5~5.0μm及輪廓單元平均寬度RSm為30~50μm的粗糙度，該多孔膜表面形成有多個孔洞，所述孔洞的平均孔徑在100~500nm範圍之內；將所述經陽極氧化成膜處理的不鏽鋼基材嵌入一注塑成型模具中 ，向該不鏽鋼基材的多孔膜表面注射樹脂，硬化後形成樹脂部並與不鏽鋼基材接合為一體，該樹脂部以結晶型熱塑性樹脂為主要成分。

所述不鏽鋼與樹脂的複合體，藉由陽極氧化成膜處理，在不鏽鋼基材的表面形成多孔膜，該多孔膜表面具有多個細小孔洞，所述孔洞的存在，可使得形成樹脂部的樹脂在注射成型時嵌入到這些孔洞中，使得該不鏽鋼基材與樹脂部具有較強的結合力。本發明的不鏽鋼與樹脂的複合體的製造方法中，相較於化學蝕刻，反應體系溫度較低，可操作性強，對產品外觀顏色影響很小。另外，陽極氧化成膜處理時間短，僅為1~3min，節約制程時間。

100‧‧‧複合體

11‧‧‧不鏽鋼基材

112‧‧‧多孔膜

114‧‧‧孔洞

13‧‧‧樹脂部

圖1係本發明一較佳實施方式的不鏽鋼與樹脂的複合體的剖視示意圖。

圖2係本發明一較佳實施方式的不鏽鋼基材經陽極氧化成膜處理後的掃描電鏡圖。

請參閱圖1，本發明一較佳實施方式的不鏽鋼與樹脂的複合體100由形狀化的不鏽鋼基材11、以及藉由注射成型與所述不鏽鋼基材11接合為一體的樹脂部13形成。

所述不鏽鋼基材11可為Cr系不鏽鋼、Cr-Ni系不鏽鋼及其他公知的不鏽鋼材料，比如，可為經日本工業規格(JIS)等規範化的SUS405、SUS429、SUS403等Cr系不鏽鋼，亦可為SUS304L、SUSL、SUS306L等Cr-Ni系不鏽鋼。

請結合參閱圖2，不鏽鋼基材11的表面形成有多孔膜112，該多孔膜112具有輪廓算術平均偏差(Ra)為0.2~1.0μm、輪廓最大高度(Rz)為2.5~5.0μm及輪廓單元平均寬度(RSm)為30~50μm的粗糙度，且該多孔膜112表面形成有多個形狀不規則的孔洞114。所述孔洞114的平均孔徑在100~500nm範圍之內。

該多孔膜112主要由大量的Fe、Cr、Ni、O及少量Cl、N元素組成，這些元素主要以氧化鐵、氧化鎳以及少量的氯化鉻和氯化鎳等化合物形式存在。多孔膜112的厚度大約為0.7~1.5μm，其可藉由對所述不鏽鋼基材11進行陽極氧化處理而形成。

樹脂部13藉由注射成型的方式侵入所述孔洞114內與不鏽鋼基材11接合在一起。樹脂部13的樹脂可用具有高流動性的結晶型熱塑性樹脂為主要成分，如聚苯硫醚(PPS)樹脂、聚醯胺(PA)樹脂及聚對苯二甲酸乙二醇酯(PET)等。當選擇聚苯硫醚樹脂時，可添加25%~35%的玻璃纖維作為輔助成分。

本發明一較佳實施方式的製造上述不鏽鋼與樹脂的複合體的方法包括如下步驟：提供一不鏽鋼基材11。該不鏽鋼基材11可藉由機械加工而具有所需的形狀。

對該不鏽鋼基材11進行脫脂除油處理，以使該不鏽鋼基材11的表面清潔。該步驟可採用常規的方法對不鏽鋼基材11進行脫脂除油處理，比如可採用市售的不鏽鋼用脫脂劑或常用中性洗滌劑配置成水溶液後，將不鏽鋼基材11放入其中浸漬幾分鐘至十幾分鐘。脫脂除油處理後對所述不鏽鋼基材11進行水洗。

對經脫脂除油處理後的不鏽鋼基材11進行活化處理，以去除不鏽鋼基材11的表面形成的自然氧化皮膜。該活化處理係將所述不鏽鋼基材11浸漬於室溫下的酸性溶液中大約1~2分鐘後，取出水洗致其表面潔淨。所述酸性溶液可以為硫酸或鹽酸的水溶液，由於鹽酸容易揮發，本實施例選用硫酸溶液。當選用硫酸時，硫酸的質量濃度可為15%~35%。本實施例選用質量濃度為15%的硫酸溶液，浸漬時間為1分鐘。該活化步驟僅僅係對不鏽鋼基材11表面形成的自然氧化皮膜進行去除，並未對氧化皮膜之下的不鏽鋼基材11產生侵蝕，即經活化處理的不鏽鋼基材11表面未形成明顯的孔洞。活化處理後對所述不鏽鋼基材11進行水洗。

對經活化處理後的不鏽鋼基材11進行陽極氧化成膜處理。該陽極氧化成膜處理係以該不鏽鋼基材11作為陽極，以鈦板作為陰極，在含硝酸、三氯化鐵及添加劑的酸性電解液中通電進行。電解液中硝酸的質量濃度為1%~10%，該三氯化鐵的質量濃度為10~100g/L。所述添加劑可以選擇硫脲或酒石頭酸鉀鈉，當選用硫脲時，其濃度為1~10g/L；當選用酒石頭酸鉀鈉時，其濃度為4~40g/L。陽極氧化成膜處理時，使通過所述電解液、不鏽鋼基材11及陰極的電流密度為1~10A/dm²，通電時間為1~3min，電解液溫度保持在15~60℃之間。陽極氧化成膜處理後對所述不鏽鋼基材11進行水洗並乾燥。請參閱圖2，用場發射掃描電子顯微鏡觀察經該步驟處理的不鏽鋼基材11，發現表面形成有所述多孔膜112，該多孔膜112表面形成有多個形狀不規則的孔洞114，所述孔洞114的平均孔徑在100~500nm範圍之內。本實施例選用日本電子公司(JEOL)生產的JSM-6700F型號場髮式掃描電子顯微鏡進行觀察。

提供一注塑成型模具，並將經陽極氧化成膜處理後的不鏽鋼基材11嵌入該模具中，向模具內注射熔融的熱塑性樹脂，樹脂侵入不鏽鋼基材11表面的孔洞114內，硬化後形成所述樹脂部13，並與不鏽鋼基材11接合為一體而製得所述複合體100。所述注射樹脂可用具有高流動性的結晶型熱塑性樹脂為主要成分，如聚苯硫醚(PPS)樹脂、聚醯胺(PA)樹脂及聚對苯二甲酸乙二醇酯(PET)等。當選擇聚苯硫醚樹脂時，可添加25%~35%的玻璃纖維作為輔助成分。注塑時控制模具的溫度在120~140℃之間。

對所述不鏽鋼與樹脂的複合體100進行了抗拉強度及剪切強度測試，測試儀器採用英斯特朗(Instron)公司生產的萬能材料試驗機。測試結果表明，該複合體100的抗拉強度可達15MPa，剪切強度為20~30MPa。且對經上述測試後的複合體100在進行溫濕度存儲試驗(72小時，85℃，85%相對濕度)及冷熱衝擊試驗(48小時，-40~85℃，4小時/cycle，12cycles)後發現，該複合體100的抗拉強度及剪切強度均無明顯減小。

所述不鏽鋼與樹脂的複合體，藉由陽極氧化成膜處理，在不鏽鋼基材11的表面形成多孔膜112，該多孔膜112表面具有多個孔徑為100~500nm、形狀不規則的孔洞114，所述孔洞114的存在，可使得形成樹脂部13的樹脂在注射成型時嵌入到這些孔洞114中，使得該不鏽鋼基材11與樹脂部13具有較強的結合力。本發明的不鏽鋼與樹脂的複合體的製造方法中，相對於化學蝕刻，反應體系溫度較低，可操作性強，對產品外觀顏色影響很小。另外，陽極氧化成膜處理時間短，僅為1~3min，節約制程時間。

100‧‧‧複合體

11‧‧‧不鏽鋼基材

112‧‧‧多孔膜

13‧‧‧樹脂部

Claims (12)

1. 一種不鏽鋼與樹脂的複合體，由形狀化的不鏽鋼基材、以及藉由注射成型與所述不鏽鋼基材接合為一體的樹脂部形成，其改良在於：該不鏽鋼基材的表面具有經陽極氧化處理形成的多孔膜，該多孔膜具有輪廓算術平均偏差Ra為0.2~1.0μm、輪廓最大高度Rz為2.5~5.0μm及輪廓單元平均寬度RSm為30~50μm的粗糙度，該多孔膜表面形成有多個孔洞，所述孔洞的平均孔徑在100~500nm範圍之內；該樹脂部以結晶型熱塑性樹脂為主要成分，樹脂部侵入所述孔洞內與該不鏽鋼基材接合為一體。
2. 如申請專利範圍第1項所述之不鏽鋼與樹脂的複合體，其中所述結晶型熱塑性樹脂為聚苯硫醚樹脂、聚醯胺樹脂及聚對苯二甲酸乙二醇酯中的一種。
3. 如申請專利範圍第2項所述之不鏽鋼與樹脂的複合體，其中所述樹脂部以聚苯硫醚為主要成分，並添加有質量含量為25%~35%的玻璃纖維作為輔助成分。
4. 如申請專利範圍第1項所述之不鏽鋼與樹脂的複合體，其中所述多孔膜主要由Fe、Cr、Ni及O元素組成。
5. 一種不鏽鋼與樹脂的複合體的製造方法，其包括如下步驟：提供不鏽鋼基材；不鏽鋼基材進行活化處理，以去除不鏽鋼基材表面的自然氧化皮膜；對該經活化處理的不鏽鋼基材進行陽極氧化成膜處理，以在不鏽鋼基材的表面形成多孔膜，該多孔膜具有輪廓算術平均偏差Ra為0.2~1.0μm、輪廓最大高度RZ為2.5~5.0μm及輪廓單元平均寬度RSm為30~50μm的粗糙度，該多孔膜表面形成有多個孔洞，所述孔洞的平均孔徑在 100~500nm範圍之內；將所述經陽極氧化成膜處理的不鏽鋼基材嵌入注塑成型模具中，向該不鏽鋼基材的多孔膜表面注射樹脂，硬化後形成樹脂部並與不鏽鋼基材接合為一體，該樹脂部以結晶型熱塑性樹脂為主要成分。
6. 如申請專利範圍第5項所述之不鏽鋼與樹脂的複合體的製造方法，其中所述活化處理係將所述不鏽鋼基材浸漬於室溫下的含硫酸或鹽酸的溶液中1~2分鐘。
7. 如申請專利範圍第6項所述之不鏽鋼與樹脂的複合體的製造方法，其中所述活化處理係將所述不鏽鋼基材浸漬於室溫下的硫酸溶液中1~2分鐘，該硫酸溶液中硫酸的質量濃度為15%~35%。
8. 如申請專利範圍第5項所述之不鏽鋼與樹脂的複合體的製造方法，其中所述陽極氧化成膜處理係以該不鏽鋼基材作為陽極，在含硝酸、三氯化鐵及添加劑的酸性電解液中通電進行。
9. 如申請專利範圍第8項所述之不鏽鋼與樹脂的複合體的製造方法，其中所述電解液中硝酸的質量濃度為1%~10%，該三氯化鐵的質量濃度為10~100g/L，通過所述不鏽鋼基材的電流密度為1~10A/dm²，通電時間為1~3min，電解液溫度保持在15~60℃之間。
10. 如申請專利範圍第8項所述之不鏽鋼與樹脂的複合體的製造方法，其中所述添加劑為硫脲，濃度為1~10g/L。
11. 如申請專利範圍第8項所述之不鏽鋼與樹脂的複合體的製造方法，其中所述添加劑為酒石頭酸鉀鈉，濃度為4~40g/L。
12. 如申請專利範圍第5項所述之不鏽鋼與樹脂的複合體的製造方法，其中該方法還包括在該活化處理前，對所述不鏽鋼基材進行脫脂除油處理。