TWI503215B - 鈦或鈦合金與塑膠的複合體及其製備方法 - Google Patents

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Description

鈦或鈦合金與塑膠的複合體及其製備方法
本發明涉及一種鈦或鈦合金與塑膠的複合體及其製備方法，尤其涉及一種鈦或鈦合金與塑膠之間的結合力較強的複合體及該複合體的製備方法。
鈦金屬具有較強的機械強度、良好的抗腐蝕性和抗疲勞性、良好的化學和生物穩定性等特性，在3C電子產品外殼(如數位相機、手機、筆記型電腦等)得到廣泛的應用。
在3C電子產品“輕薄短小”、個性化及新穎性的趨勢下，產品的外殼及內構件材料越來越傾向採用性能優越的鈦及鈦合金，並不斷開發鈦及鈦合金與異種材料(如塑膠)相結合的應用來取長補短，這樣既利用了鈦或鈦合金的高強度，又利用了塑膠優異的成型性能，從而解決產品複雜的結構設計問題。鈦或鈦合金與塑膠常用的結合技術有熱熔膠黏接方式，或模內直接注塑結合方式，但上述方式的鈦或鈦合金與塑膠的結合強度不高，難以滿足工業生產的需要。
鑒於此，有必要提供一種結合力強的鈦或鈦合金與塑膠的複合體。
另外，還有必要提供一種上述鈦或鈦合金與塑膠的複合體的製備方法。
一種鈦或鈦合金與塑膠的複合體，其包括鈦或鈦合金基體及注塑成型的塑件，該鈦或鈦合金基體表面形成有奈米多孔氧化膜，該奈米多孔氧化膜形成有復數奈米孔，該奈米多孔氧化膜包括至少兩層三維網狀結構，所述塑件與所述奈米多孔氧化膜相結合，所述塑件的材質為結晶型熱塑性塑膠。
一種鈦或鈦合金與塑膠的複合體的製備方法，其包括如下步驟：提供鈦或鈦合金基體；對該鈦或鈦合金基體進行電化學陰極處理，使該鈦或鈦合金基體表面形成氫化鈦層；對形成有氫化鈦層的鈦或鈦合金基體進行陽極氧化處理，使該鈦或鈦合金基體表面形成奈米多孔氧化膜，該奈米多孔氧化膜形成有復數奈米孔，該奈米多孔氧化膜包括至少兩層三維網狀結構；將所述經陽極氧化處理後的鈦或鈦合金基體置於注塑成型模具中，注塑塑件與所述奈米多孔膜相結合，製得所述複合體，所述塑件的材質為結晶型熱塑性塑膠。
相較於習知技術，所述的鈦或鈦合金與塑膠的複合體藉由對所述鈦或鈦合金基體先進行電化學陰極處理再進行陽極氧化處理，使鈦或鈦合金基體表面形成奈米多孔氧化膜，該奈米多孔氧化膜包括至少兩層三維網狀結構，使得所述鈦或鈦合金基體與塑件之間的結合力增強。
100‧‧‧複合體
11‧‧‧鈦或鈦合金基體
12‧‧‧奈米多孔氧化膜
121‧‧‧內層
123‧‧‧表層
125‧‧‧奈米孔
13‧‧‧塑件
20‧‧‧注塑成型模具
21‧‧‧下模
211‧‧‧第二模穴
23‧‧‧上模
231‧‧‧澆口
233‧‧‧第一模穴
圖1係本發明較佳實施方式的鈦或鈦合金與塑膠的複合體的剖視示意圖。
圖2係本發明較佳實施方式的鈦或鈦合金基體經陽極氧化處理後的掃描電鏡圖。
圖3係本發明較佳實施方式的鈦或鈦合金基體經電化學陰極處理後的剖視示意圖。
圖4係本發明較佳實施方式的注塑塑件於鈦或鈦合金基體表面的示意圖。
請參閱圖1，本發明一較佳實施方式的鈦或鈦合金與塑膠的複合體100包括鈦或鈦合金基體11、形成於鈦或鈦合金基體11表面的奈米多孔氧化膜12及結合於奈米多孔氧化膜12表面的復數塑件13。
所述奈米多孔氧化膜12為二氧化鈦膜。本實施例中，該奈米多孔氧化膜12通過對所述鈦或鈦合金基體11先進行電化學陰極處理再進行陽極氧化處理而形成。
請參閱圖2，該奈米多孔氧化膜12形成有復數奈米孔125。該奈米多孔氧化膜12包括至少兩層三維網狀結構，該兩層三維網狀結構分別為靠近鈦或鈦合金基體11的內層121及遠離鈦或鈦合金基體11的表層123。所述表層123的厚度為80-120nm，所述奈米多孔氧化膜12的總厚度為300-500nm。該內層121與表層123的復數奈米孔的孔徑範圍不相同，其中內層121的復數奈米孔的孔徑範圍為 20-50nm，表層123的復數奈米孔的孔徑範圍為100-150nm。
該奈米多孔氧化膜12及其三維網狀結構的形成使得注塑所述塑件13的部分塑膠嵌入到所述復數奈米孔125中，從而極大地增強了復數塑件13與鈦或鈦合金基體11的結合力。
塑件13以模內注塑的方式與奈米多孔氧化膜12結合。注塑塑件13的塑膠可為高流動性的結晶型熱塑性塑膠，如聚苯硫醚(PPS)塑膠、聚醯胺(PA)塑膠等。所述聚苯硫醚塑膠中可添加玻璃纖維，其中該玻璃纖維的品質百分含量可為30%。
本發明一較佳實施方式的鈦或鈦合金與塑膠的複合體的製備方法包括如下步驟：
提供鈦或鈦合金基體11。
將該鈦或鈦合金基體11依次用無水乙醇、丙酮進行超聲波清洗，以除去鈦或鈦合金基體11表面的油污。
對經超聲波清洗後的鈦或鈦合金基體11進行電化學陰極處理。該電化學陰極處理可在含硫酸的電解液中通電進行，或在由硫酸組成的電解液中通電進行，並以該鈦或鈦合金基體11為陰極，以不銹鋼板為陽極。該硫酸的摩爾濃度可為0.5-2mol/L。電化學陰極處理過程中通過所述電解液的電流密度為0.1-5安培/平方分米(A/d2)。本實施例中電化學陰極處理的時間可為1-10分鐘。電化學陰極處理後即在所述鈦或鈦合金基體11的表面形成氫化鈦層14(參見圖3)。該氫化鈦層14的厚度為80-120nm，表面粗糙度(Ra)為0.3-0.5μm。
電化學陰極處理後對形成有氫化鈦層14的鈦或鈦合金基體11進行 水洗並乾燥。
將經電化學陰極處理後的鈦或鈦合金基體11進行陽極氧化處理，以在鈦或鈦合金基體11的表面形成奈米多孔氧化膜12。該陽極氧化處理可在含氫氧化鈉(NaOH)的電解液中通電進行，或在由氫氧化鈉組成的電解液中通電進行，以該鈦或鈦合金基體11為陽極，以不銹鋼板為陰極。該氫氧化鈉的摩爾濃度優選為4.5-5.5mol/L。陽極氧化過程中通過所述電解液的電流密度優選為1-30A/d2。本實施例中陽極氧化的處理時間可為1-10分鐘。陽極氧化後對形成有奈米多孔氧化膜12的鈦或鈦合金基體11進行水洗並乾燥。
所述氫化鈦層14在陽極氧化處理過程中首先溶出並轉化為二氧化鈦，形成所述奈米多孔氧化膜12的表層123。當該氫化鈦層14完全轉化為二氧化鈦後，陽極氧化繼續於鈦或鈦合金基體11的表面進行，繼而形成所述奈米多孔氧化膜12的內層121。
所述電化學陰極處理及陽極氧化處理均可在室溫下進行，即上述二步驟的電解液均可為室溫，無需加熱。
可以理解的，本實施例中氫化鈦層14的厚度僅為一優選值，該氫化鈦層14的厚度可通過調節電化學陰極處理的電解液濃度、電流密度或處理時間等參數來得到所需的厚度值。
可以理解的，本實施例中奈米多孔氧化膜12的結構及其相關特徵參數亦僅為一優選例，該奈米多孔氧化膜12的結構及其相關特徵參數可通過調節陽極氧化處理的電解液濃度、電流密度或處理時間等參數來得到所需的結構及其特徵參數值。
請參閱圖4，提供一注塑成型模具20，該注塑成型模具20包括上模23及下模21，上模23設置有復數澆口231、及復數與所述塑件13相對應的第一模穴233，下模21形成有可容置所述鈦或鈦合金基體11的第二模穴211。將所述形成有奈米多孔氧化膜12的鈦或鈦合金基體11置於該第二模穴211中，經由復數澆口231注塑塑膠填充於復數第一模穴233中形成復數塑件13，製得所述複合體100。注塑塑件13的塑膠可為具有高流動性的結晶型熱塑性塑膠，如PPS，PA等。
對所述鈦或鈦合金與塑膠的複合體100進行了剪切強度測試，測試儀器為萬能材料試驗機。測試結果表明，該複合體100的剪切強度可達19-27MPa。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的剪切強度無明顯減小。
可以理解的，所述奈米多孔氧化膜12的內層121及表層123的厚度、內層121及表層123的復數奈米孔的孔徑均可通過調節電化學陰極處理及陽極氧化處理的工藝參數或參數組合來進行調節，且，還可通過調節所述的工藝參數或參數組合使所述奈米多孔氧化膜12形成多層不同結構的三維網狀結構，因此，凡係在本發明精神範圍內通過改變相關參數或參數組合得到不同結構及其結構參數的奈米多孔氧化膜，都應包含在本發明所要求保護的範圍之內。
相較於習知技術，所述的鈦或鈦合金與塑膠的複合體100藉由對所述鈦或鈦合金基體11先進行電化學陰極處理再進行陽極氧化處理，使鈦或鈦合金基體11表面形成奈米多孔氧化膜12，該奈米多 孔氧化膜12包括至少兩層三維網狀結構，該兩層三維網狀結構的奈米孔的平均孔徑不相同，使得注塑所述塑件13的部分塑膠嵌入到奈米多孔氧化膜12的復數奈米孔125中，從而極大地增強了復數塑件13與鈦或鈦合金基體11的結合力。
另外，所述的電化學陰極處理及陽極氧化處理所使用的電解液的腐蝕性適中，反應體系溫度低，可操作性強。
125‧‧‧奈米孔

Claims (11)

  1. 一種鈦或鈦合金與塑膠的複合體，其包括鈦或鈦合金基體及注塑成型的塑件，其改良在於：該鈦或鈦合金基體表面形成有奈米多孔氧化膜，所述奈米多孔氧化膜為二氧化鈦膜，該奈米多孔氧化膜形成有復數奈米孔，該奈米多孔氧化膜包括至少兩層三維網狀結構，所述塑件與所述奈米多孔氧化膜相結合，所述塑件的材質為結晶型熱塑性塑膠。
  2. 如申請專利範圍第1項所述的鈦或鈦合金與塑膠的複合體，其中所述兩層三維網狀結構的奈米孔的孔徑範圍不相同。
  3. 如申請專利範圍第1或2項所述的鈦或鈦合金與塑膠的複合體，其中所述兩層三維網狀結構為靠近鈦或鈦合金基體的內層和遠離鈦或鈦合金基體的表層，所述內層的復數奈米孔的孔徑範圍為20-50nm，所述表層的復數奈米孔的孔徑範圍為100-150nm。
  4. 如申請專利範圍第3項所述的鈦或鈦合金與塑膠的複合體，其中所述表層的厚度為80-120nm，所述奈米多孔氧化膜的厚度為300-500nm。
  5. 如申請專利範圍第3項所述的鈦或鈦合金與塑膠的複合體，其中所述塑件至少部分嵌入結合於內層與表層的復數奈米孔中。
  6. 如申請專利範圍第1項所述的鈦或鈦合金與塑膠的複合體，其中所述結晶型熱塑性塑膠為聚苯硫醚塑膠或聚醯胺塑膠。
  7. 一種鈦或鈦合金與塑膠的複合體的製備方法，其包括如下步驟：提供鈦或鈦合金基體；對該鈦或鈦合金基體進行電化學陰極處理，使該鈦或鈦合金基體表面形成氫化鈦層；對形成有氫化鈦層的鈦或鈦合金基體進行陽極氧化處理，使該鈦或鈦合 金基體表面形成奈米多孔氧化膜，該奈米多孔氧化膜形成有復數奈米孔，該奈米多孔氧化膜包括至少兩層三維網狀結構；將所述經陽極氧化處理後的鈦或鈦合金基體置於注塑成型模具中，注塑塑件與所述奈米多孔膜相結合，製得所述複合體，所述塑件的材質為結晶型熱塑性塑膠。
  8. 如申請專利範圍第7項所述的鈦或鈦合金與塑膠的複合體的製備方法，其中所述電化學陰極處理在含硫酸的電解液中通電進行1-10分鐘，該硫酸的摩爾濃度為0.5-2mol/L，以鈦或鈦合金基體為陰極，該電化學陰極處理通過所述電解液的電流密度為0.1-5A/d2。
  9. 如申請專利範圍第7或8項所述的鈦或鈦合金與塑膠的複合體的製備方法，其中所述氫化鈦層的厚度為80-120nm，表面粗糙度為0.3-0.5μm。
  10. 如申請專利範圍第7項所述的鈦或鈦合金與塑膠的複合體的製備方法，其中所述陽極氧化處理在含氫氧化鈉的電解液中通電進行1-10分鐘，該氫氧化鈉的摩爾濃度為4.5-5.5mol/L，以鈦或鈦合金基體為陽極，陽極氧化過程中通過所述電解液的電流密度為1-30A/d2。
  11. 如申請專利範圍第7項所述的鈦或鈦合金與塑膠的複合體的製備方法，其中所述結晶型熱塑性塑膠為聚苯硫醚塑膠或聚醯胺塑膠。
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