WO2021005391A1 - 金属樹脂複合体の製造方法、該製造方法に用いる支持部材及び金属樹脂複合体 - Google Patents

金属樹脂複合体の製造方法、該製造方法に用いる支持部材及び金属樹脂複合体 Download PDF

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小田崇
小山将樹
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日産自動車株式会社
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Definitions

  • the present invention relates to a method for producing a metal resin composite of a metal plate and a thermoplastic resin, and more specifically, to a method for producing a metal resin composite having no peeling starting point of the thermoplastic resin.
  • the weight of the vehicle is reduced by using a composite of resin and metal member, and an adhesive is often used to bond the resin and metal member.
  • a through hole may be formed in the metal member, and the thermoplastic resin may be continuously formed from one side surface to the other side surface of the metal member through the through hole to join the metal member and the thermoplastic resin. It is done. However, when the through holes are formed in the metal member, the thermoplastic resin is exposed on the design surface constituting the appearance of the metal resin composite, and the design property is deteriorated.
  • the surface of the metal member is roughened by sandblasting or the like to improve the joint strength between the metal member and the resin.
  • the holes formed by sandblasting are mortar-shaped with an opening diameter wider than the diameter of the bottom, a large anchor effect is not exhibited, and when the metal member bends, the resin easily peels off, resulting in a thin and easily flexible metal plate. Not suitable for bonding with resin.
  • Patent Document 1 describes a composite in which an ultrafine uneven shape is formed on the surface of a metal member and the metal member and the resin are directly bonded.
  • Patent Document 1 has both an ultrafine uneven shape formed on the surface of a metal member for bonding with a resin and a decorative process such as a satin finish formed on the surface of the metal member. , The joint surface between the resin and the metal member is a small composite, and the strength is not improved.
  • the metal member By widely covering one surface of the metal member with a thermoplastic resin and reinforcing it, strength can be obtained even if the metal member is a thin metal plate, so that the vehicle weight can be significantly reduced.
  • the metal plate arranged in the mold is likely to be distorted. Further, when applying the resin to the metal plate, the metal plate tends to move or tilt in the mold due to the injection pressure or the pressing pressure, and it is difficult to apply the thermoplastic resin to the desired position of the metal plate. is there.
  • thermoplastic resin can be applied to a desired position of the metal plate by pressing the metal plate against the mold with a metal pin driven into the mold to maintain equilibrium and fixing the metal plate in a predetermined position. ..
  • thermoplastic resin is not applied to the portion where the metal pin and the metal plate are in contact with each other, the thermoplastic resin is easily peeled off from the portion where the metal pin is in contact and the strength is lowered.
  • the present invention has been made in view of the problems of the prior art, and an object of the present invention is a thermoplastic resin in which at least a part of a metal plate and one surface of the metal plate is directly coated. It is an object of the present invention to provide a manufacturing method capable of producing a metal resin composite having no peeling starting point of a thermoplastic resin in the metal resin composite comprising the above.
  • the present inventor can achieve the above object by making the support member supporting the metal plate made of resin and joining the support member together with the thermoplastic resin to the metal plate.
  • the present invention has been completed.
  • the method for producing a metal-resin composite of the present invention is a method for producing a metal-resin composite including a metal plate and a thermoplastic resin in which at least a part of one surface of the metal plate is directly coated. Then, the support member arranging step of arranging the resin support member supporting the metal plate in the mold, and A metal plate arranging step of arranging the metal plate on the support member, and It is characterized by having an integration step of integrating the thermoplastic resin applied to the support member side of the metal plate, the support member, and the metal plate in the mold.
  • the support member of the present invention is a support member used for molding a metal resin composite including a metal plate and a thermoplastic resin in which at least a part of one surface of the metal plate is directly coated.
  • the support member is made of resin, and when the metal resin composite is molded, a gap is formed by maintaining a gap between the mold and the metal plate, and the thermoplastic resin is applied to the gap to provide the metal. After molding the resin composite, a part of the resin composite is embedded in the thermoplastic resin and integrated with the thermoplastic resin and the metal plate.
  • the metal resin composite of the present invention is a metal resin composite comprising a metal plate and a thermoplastic resin in which at least a part of one surface of the metal plate is directly coated. Further, it further has a resin support member in contact with one surface of the metal plate, and the support member has an interface between the thermoplastic resin and the support member.
  • thermoplastic resin since the resin support member that supports the metal plate is joined to the metal plate together with the thermoplastic resin and integrated, a metal resin composite having no peeling starting point of the thermoplastic resin can be produced.
  • the method for producing the metal resin composite of the present invention will be described in detail.
  • the above-mentioned manufacturing method is a method for producing a metal resin composite including a metal plate and a thermoplastic resin in which at least a part of one surface of the metal plate is directly coated, as shown in FIGS. 1 and 2.
  • the support member arranging step S101, the metal plate arranging step S102, and the integration step S103 are included.
  • the support member arranging step S101 includes a process of arranging the resin support member 4 that supports the metal plate 2 on the mold 5, and the metal plate arranging step S102 is on the support member 4 arranged on the mold 5. Includes a process of arranging the metal plate 2 in.
  • the resin support member (hereinafter, may be simply referred to as "support member") arranged in the mold presses the metal plate against the mold to prevent the metal plate from shifting. With the support member, the metal plate does not move or tilt in the mold, the distance between the mold and the metal plate is maintained, a desired gap (cavity) is formed, and resin leakage is prevented. ..
  • the support member does not have to move easily in the mold, and as shown in FIG. 1, the mold is closed, the support member is sandwiched between the molds via the metal plate, and the support member is held. How to fix. Further, as shown in FIG. 2, a method of providing a recess 51 in the mold 5 and inserting and fixing the support member 4 into the recess 51 can be mentioned.
  • the method of inserting the support member 4 into the recess 51 can easily fix the support member, and after molding the metal resin composite, as shown in FIG. 6, the portion inserted into the recess 51 of the mold 5 is heated. Since it protrudes from the plastic resin 3 and acts as a reinforcing member such as a rib or a boss, the strength of the metal resin composite 1 is improved.
  • the support member is fixed by pressing the metal plate against the mold in the integration step as described above. Since the support member is made of resin, a thermoplastic resin that is heated and has fluidity is applied to the cavity, and when the thermoplastic resin and the support member come into contact with each other, the surface of the support member is softened and is thermoplastic. It is joined to the resin and fixed to the metal plate to form a part of the metal resin composite. In this way, by incorporating the support member into the thermoplastic resin and joining it with the metal plate, it is possible to prevent the portion where the metal plate and the support member are in contact from being exposed and becoming a peeling starting point of the thermoplastic resin. To.
  • Examples of the molding method for integrating the thermoplastic resin and the metal plate include an injection molding method, an injection press molding method, an RTM (Resin Transfer Molding) molding method, and an LFT-D (Long Fiber Thermoplastic-Direct) molding method. it can.
  • thermoplastic resin In the injection press method, after injecting the thermoplastic resin with the mold slightly open, the mold is completely closed and the thermoplastic resin is pressed, and the thermoplastic resin is spread over the entire cavity. It is a method of molding. Since the molten thermoplastic resin is filled in the cavity, the thermoplastic resin adheres to the metal plate without gaps and can be firmly bonded, so that it can be preferably used.
  • the molded metal plate is placed in the mold, and the thermoplastic resin is injected toward one surface side of the metal plate with the mold slightly open. Then, the mold is completely closed and the thermoplastic resin is pressed together with the metal plate to spread the thermoplastic resin throughout the cavity, and the metal plate and the thermoplastic resin are brought into close contact with the metal resin. Let it be a complex.
  • thermoplastic resin is injected with the mold slightly opened, the metal plate is likely to float and shift, but in the present invention, the metal plate is fixed by the support member, so that the resin is used. Leakage can be prevented.
  • the temperature of the mold in the integration step is higher in the vicinity of the portion where the metal plate and the support member come into contact with each other than in the vicinity thereof.
  • the temperature near the support member is high, the surface of the support member is softened and firmly bonded to the thermoplastic resin.
  • thermoplastic resin examples include nylon 6, nylon 66, polyphenylene sulfide, polybutylene terephthalate, and polyphthalamide.
  • the thermoplastic resin may contain reinforcing fibers.
  • the reinforcing fibers are preferably carbon fibers having an average fiber diameter of 7 ⁇ m or more and 15 ⁇ m or less and an average length of 0.1 mm or more and 1 mm or less.
  • thermoplastic resin has fluidity, can be molded by the injection press method, and a highly rigid metal resin composite can be obtained.
  • thermoplastic resin preferably contains the carbon fibers in an amount of 30% by mass or more and 40% by mass or less.
  • the carbon fiber content satisfies the above range, the rigidity of the metal resin composite can be improved.
  • the content of the carbon fibers exceeds 40% by mass, a large amount of carbon fibers having a large thermal conductivity is contained, so that the kneaded material of the thermoplastic resin and the carbon fibers cools and the viscosity increases, and the nanoporous structure It may be difficult for the thermoplastic resin to enter the space, filling defects may occur, the resin may be easily peeled off, and the rigidity of the metal resin composite may be reduced. Further, when the content of the carbon fibers is less than 30% by mass, the reinforcing effect of the carbon fibers is small and the rigidity of the metal resin composite is lowered.
  • the viscosity of the thermoplastic resin during injection pressing depends on the resin type, injection pressure, etc., but is preferably 30 Pa ⁇ s or more and 200 Pa ⁇ s or less, and more preferably 30 Pa ⁇ s or more and 50 Pa ⁇ s or less. preferable. If the viscosity of the thermoplastic resin is low, the resin easily enters the space of the nanoporous structure, but at a temperature of less than 30 Pa ⁇ s, the thermoplastic resin is thermally decomposed and the bonding strength tends to decrease.
  • the support member As the support member, a resin similar to the thermoplastic resin can be used, and the shape thereof can be pin-shaped or block-shaped.
  • Metal plate As the metal plate, for example, a metal plate such as aluminum, iron, stainless steel, copper, titanium, magnesium, brass, or a metal plate plated with the metal can be used.
  • the thickness of the metal plate depends on the required strength, but when it is 0.5 mm or more and 2.5 mm or less, it is possible to significantly reduce the weight.
  • the metal plate is roughened with a porous structure 23 (hereinafter, may be referred to as “nanoporous structure”) having an average opening diameter of 10 nm to 100 nm at least in a portion coated with the thermoplastic resin. .. Since the surface of the metal plate 2 is roughened, the bonding strength between the thermoplastic resin 3 and the metal plate 2 is improved.
  • a porous structure 23 hereinafter, may be referred to as “nanoporous structure” having an average opening diameter of 10 nm to 100 nm at least in a portion coated with the thermoplastic resin. .. Since the surface of the metal plate 2 is roughened, the bonding strength between the thermoplastic resin 3 and the metal plate 2 is improved.
  • the nanoporous structure 23 can be carried out by immersing a metal plate in an aqueous solution of ammonia, hydrazine and / or a water-soluble amine compound. Specifically, the metal plate is immersed in a 3% to 10% hydrazine monohydrate aqueous solution heated to 40 ° C. to 70 ° C. for several minutes and then washed with water to roughen the surface with the nanoporous structure 23. Is possible.
  • FIG. 3 shows an SEM image of the surface of the aluminum plate roughened with the nanoporous structure
  • FIG. 4 shows a higher-magnification SEM image.
  • the nanoporous structure 23 is formed with a plurality of micro-sized holes having an inner diameter larger than the opening diameter and an opening diameter of 1 ⁇ m or more, and further, as shown in FIG. 4 at a high magnification.
  • a plurality of nano-sized holes having an opening diameter of 10 nm to 100 nm were formed on the wall surface of the micro-sized holes.
  • the roughening treatment of the aluminum plate was performed as follows. An aluminum plate having a thickness of 1 mm was immersed in an alkaline solution to degreas it, and then immersed in an acid solution to neutralize it. The aluminum plate was immersed in a 5% aqueous solution of hydrazine monohydrate heated to 50 ° C. for 5 minutes, then washed with water and dried to roughen the surface.
  • the surface roughness (Ra) of this aluminum plate was 0.3 ⁇ m, and the average opening diameter was 10 nm.
  • 35 carbon fibers having an average fiber diameter of 10 ⁇ m and an average length of 0.5 mm are placed in a mold by arranging the above aluminum plate in a mold, pressing the mold with an upper mold, and heating the mold to 280 ° C. A kneaded material containing carbon fiber and nylon 6 containing% by mass was injected. Then, the die was completely closed and pressed at 10 MPa to obtain a metal resin composite having a resin thickness of 2 mm.
  • the cross section of the metal-resin composite had an ant-nest-like nanoporous structure in which a plurality of micro-sized holes of an aluminum plate were internally connected to form an internal space. Then, the thermoplastic resin 3 was filled in all the spaces of the nanoporous structure 23, and the thermoplastic resin 3 was impregnated to a depth of 100 nm, and there was no filling defect.
  • thermoplastic resin that has penetrated into such a nanoporous structure does not peel off from the metal plate unless the thermoplastic resin breaks, so the bonding strength is dramatically improved.
  • the metal resin composite 1 includes a metal plate 2 and a thermoplastic resin 3 that directly covers at least a part of one surface of the metal plate, and further comprises a resin that is in contact with one surface of the metal plate. It has a support member 4 made of.
  • the support member When molding the metal-resin composite, the support member is sandwiched and fixed by a mold via a metal plate, and the metal plate 2 is fixed by being inserted into a recess 51 of the mold 5 and fixed. A predetermined gap is formed between the metal plate and the mold in support of the metal plate. Then, the surface is softened by the heat of the thermoplastic resin 3 applied to the gap, and the surface is joined to the thermoplastic resin 3.
  • the support member 4 was in contact with the mold 5 and the metal plate 2, it was buried in the provided thermoplastic resin and joined to the metal plate while penetrating the thermoplastic resin to form the metal resin composite 1. Make up a part.
  • the portion inserted into the recess 51 of the mold protrudes from the thermoplastic resin.
  • the protruding portion becomes a reinforcing member such as a rib or a boss to improve the strength of the metal resin composite, so that the support member protrudes from the thermoplastic resin. Is preferable.
  • the surface of the support member 4 softens when it comes into contact with the flowing thermoplastic resin and is bonded to the thermoplastic resin, but since it is not completely melted, it does not become completely integrated with the thermoplastic resin.
  • An interface 42 is formed between the thermoplastic resin and the support member.
  • the structure of the cross section is observed by the N-ARC method (New Analysis of Resin (Rubber) Cross section), and the flow traces and spherulites of the thermoplastic resin during molding are observed. It can be confirmed by visualizing the crystal) structure.
  • thermoplastic resin contains the reinforcing fibers 33, as shown in FIG. 6, the reinforcing fibers 33 in the thermoplastic resin 3 do not infiltrate into the support member 4, so that the thermoplastic resin 3 and the thermoplastic resin 3 are used. It becomes discontinuous at the interface 42 with the support member 4.
  • the support member 4 has the same resin type as the thermoplastic resin 3.
  • the resin type is the same, the support member and the thermoplastic resin have a high affinity and are easy to join.
  • the same resin type does not mean that the same monomer component is sufficient, and that the repeating unit of the main chain, as well as the structure and molecular weight of the side chain are the same.
  • the melting point of the resin constituting the support member preferably has a difference of 10 ° C. or less from the melting point of the thermoplastic resin.
  • the difference from the melting point is 10 ° C. or less, the metal resin composite is softened and easily bonded to the thermoplastic resin during molding.
  • the support member protrudes from the thermoplastic resin and the strength can be obtained by its shape, it is not necessary to obtain the strength by the physical properties of the resin as compared with the thermoplastic resin, and the resin or the side having a lower molecular weight than the thermoplastic resin.
  • a flexible resin with less steric damage due to chains can be used.
  • Such a flexible resin generally has a lower melting point than the above-mentioned thermoplastic resin.
  • the melting point of the resin is defined as (ii) 10 ° C./min after placing about 10 mg of a sample in an aluminum pan, (i) raising the temperature to 200 ° C. at 100 ° C./min and holding at 200 ° C. for 5 minutes.
  • the support member has a curved cross-sectional shape in the in-plane direction of the thermoplastic resin, in other words, in the direction in which the thermoplastic resin flows during molding.
  • the cross-sectional shape include a circular shape, an elliptical shape, and a streamlined shape.
  • the cross-sectional shape of the support member is curved, the flow resistance of the thermoplastic resin during molding is reduced, and the occurrence of filling defects is prevented.
  • thermoplastic resin flows into the through hole 43. Not only the flow resistance is reduced, but also the thermoplastic resin 3 and the support member 4 are connected by the through hole 43 to prevent the support member from falling off.
  • portion 44 of the support member buried in the thermoplastic resin is thick on the metal plate side and becomes thinner as it is separated from the metal plate or gradually becomes thinner, so that the support member is prevented from being caught by the thermoplastic resin and falling off.
  • the support member is made of foamed resin or has a hollow structure.
  • the support member has a hollow structure or is made of a foamed resin, the heat capacity of the support member becomes small and the temperature easily rises, and the temperature difference from the thermoplastic resin applied to the surroundings becomes small.
  • thermoplastic resin and the support member after integration are small, and the difference in heat shrinkage is also small, so that peeling from the metal plate is prevented, and in addition, the cooling rate is also reduced by reducing the heat capacity. It will be faster and production efficiency will improve.
  • the foamed resin refers to a resin formed into a foam or porous form by finely dispersing gas in a thermoplastic resin.
  • the thickness of the support member in the thinnest direction is thicker than the thickness of the thermoplastic resin. Since the support member is thicker than the thermoplastic resin, the strength of the portion protruding from the thermoplastic resin is improved, and the protruding portion serves as a reinforcing member to improve the strength of the metal resin composite.
  • the support member 4 can be provided with a female screw 45. Since the support member is firmly bonded to the thermoplastic resin and the metal plate as described above, the provision of the screw holes facilitates the connection between the metal resin composite and the other member.
  • the method for producing a metal-resin composite of the present invention can produce a metal-resin composite having no peeling starting point due to a support member that prevents the metal plate from being displaced during molding.

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Abstract

本発明の金属樹脂複合体の製造方法は、金属プレートと、該金属プレートの一方 の面の少なくとも一部を直接被覆した熱可塑性樹脂とを備える金属樹脂複合体を製 造する方法である。 そして、上記金属プレートを支える樹脂製の支持部材を金型に固定する支持部材 配置工程と、上記支持部材上に上記金属プレートを配置する金属プレート配置工程 と、上記金属プレートの上記支持部材側に付与された上記熱可塑性樹脂と、上記支 持部材と、上記金属プレートとを、上記金型内で一体化する一体化工程とを有して おり、熱可塑性樹脂の剥離起点がない金属樹脂複合体を作製できる。

Description

金属樹脂複合体の製造方法、該製造方法に用いる支持部材及び金属樹脂複合体
 本発明は、金属プレートと熱可塑性樹脂との金属樹脂複合体の製造方法に係り、更に詳細には、熱可塑性樹脂の剥離起点がない金属樹脂複合体を製造する方法に関する。
 自動車部品においては、樹脂と金属部材との複合体を用いて車両重量の軽量化が図られており、樹脂と金属部材との接着には、接着剤が多用されている。
 樹脂と金属部材とを接着する接着剤が多く開発されているが、金属部材と樹脂とでは熱収縮率が異なるため、金属部材と樹脂に挟まれた接着剤に残留剪断応力が発生し、接着剤が破断して剥離が生じやすい。
 また、金属部材に貫通孔を形成し、上記貫通孔を介して熱可塑性樹脂を金属部材の一方側の面から他方側の面まで連続させて、金属部材と熱可塑性樹脂とを接合することが行われている。しかし、金属部材に貫通孔を形成すると、金属樹脂複合体の外観を構成する意匠面に熱可塑性樹脂が露出して意匠性が低下する。
 さらに、サンドブラストなどによって金属部材の表面を粗らし、金属部材と樹脂との接合強度を向上させることが行われている。しかし、サンドブラストによって形成される孔は、底部の径よりも開口径が広いすり鉢状であるため、大きなアンカー効果が発揮されず、金属部材が撓むと樹脂が剥離し易く、薄く撓み易い金属プレートと樹脂との接合には不向きである。
 特許文献1の日本国特開2009−292034号公報には、金属部材の表面に超微細凹凸形状を形成し、金属部材と樹脂とを直接接合した複合体が記載されている。
日本国特開2009−292034号公報
 しかしながら、特許文献1に記載の複合体は、樹脂との接合のために金属部材表面に形成した超微細凹凸形状と、金属部材表面に形成した梨地等の装飾加工とを両立させたものであり、樹脂と金属部材との接合面が小さな複合体であって、強度を向上させたものではない。
 金属部材の一方側の面を広く熱可塑性樹脂で被覆し補強することで、金属部材を薄い金属プレートにしても強度が得られるため、車両重量を大幅に軽量化することができる。
 しかしながら、薄い金属プレートは、その厚さから変形が生じ易く高精度なプレス成形が困難であるため、金型内に配置した金属プレートにゆがみが生じ易い。また、金属プレートに樹脂を付与する際、射出圧やプレス圧によって、金属プレートが金型内で移動したり傾いたりし易く、金属プレートの所望の位置に熱可塑性樹脂を付与することが困難である。
 金型に打ち込んだ金属製のピンで金属プレートを金型に押し付けて平衡を保ち、金属プレートを所定の位置に固定することで、金属プレートの所望の位置に熱可塑性樹脂を付与することができる。
 しかし、金属製のピンと金属プレートとが当接した部位には、熱可塑性樹脂が付与されないため、金属製のピンが当接した部位から熱可塑性樹脂が剥離し易く強度が低下してしまう。
 本発明は、このような従来技術の有する課題に鑑みてなされたものであり、その目的とするところは、金属プレートと、該金属プレートの一方の面の少なくとも一部を直接被覆した熱可塑性樹脂とを備える金属樹脂複合体において、熱可塑性樹脂の剥離起点がない金属樹脂複合体を作製できる製造方法を提供することにある。
 本発明者は、上記目的を達成すべく鋭意検討を重ねた結果、金属プレートを支える支持部材を樹脂製とし、上記支持部材を熱可塑性樹脂と共に金属プレートに接合することにより、上記目的が達成できることを見出し、本発明を完成するに至った。
 即ち、本発明の金属樹脂複合体の製造方法は、金属プレートと、該金属プレートの一方の面の少なくとも一部を直接被覆した熱可塑性樹脂とを備える金属樹脂複合体を製造する方法である。
 そして、上記金属プレートを支える樹脂製の支持部材を、金型に配置する支持部材配置工程と、
 上記支持部材上に上記金属プレートを配置する金属プレート配置工程と、
 上記金属プレートの上記支持部材側に付与された上記熱可塑性樹脂と、上記支持部材と、上記金属プレートとを、上記金型内で一体化する一体化工程とを有することを特徴とする。
 また、本発明の支持部材は、金属プレートと、該金属プレートの一方の面の少なくとも一部を直接被覆した熱可塑性樹脂と、を備える金属樹脂複合体の成形に用いる支持部材である。
 そして、上記支持部材が樹脂製であり、上記金属樹脂複合体の成形時には、金型と上記金属プレートとの間隔を保持して隙間を形成し、上記隙間に上記熱可塑性樹脂を付与し上記金属樹脂複合体を成形した後には、その一部が上記熱可塑性樹脂に埋没し、上記熱可塑性樹脂及び上記金属プレートと一体化することを特徴とする。
 さらに、本発明の金属樹脂複合体は、金属プレートと、該金属プレートの一方の面の少なくとも一部を直接被覆した熱可塑性樹脂と、を備える金属樹脂複合体である。
 そして、上記金属プレートの一方の面に当接した樹脂製の支持部材をさらに有し、上記支持部材が、上記熱可塑性樹脂と上記支持部材との間に界面を有することを特徴とする。
 本発明によれば、金属プレートを支える樹脂製の支持部材を熱可塑性樹脂と共に金属プレートに接合して一体化させることとしたため、熱可塑性樹脂の剥離起点がない金属樹脂複合体を作製できる。
金属樹脂複合体の製造過程の一例を説明する図である。 他の金属樹脂複合体の製造過程の一例を説明する図である。 アルミニウム表面のSEM像である。 アルミニウム表面の高倍率SEM像である。 金属プレートと熱可塑性樹脂との接合界面を拡大した模式的な断面図である。 熱可塑性樹脂と支持部材との界面を説明する図である。 支持部材の形状の一例を示す斜視図である。
<金属樹脂複合体の製造方法>
 本発明の金属樹脂複合体の製造方法について詳細に説明する。
 上記製造方法は、金属プレートと、該金属プレートの一方の面の少なくとも一部を直接被覆した熱可塑性樹脂とを備える金属樹脂複合体を作製する方法であり、図1、図2に示すように、支持部材配置工程S101と、金属プレート配置工程S102と、一体化工程S103とを有する。
 上記支持部材配置工程S101は、上記金属プレート2を支える樹脂製の支持部材4を金型5に配置する処理を含み、上記金属プレート配置工程S102は、金型5に配置された支持部材4上に金属プレート2を配置する処理を含む。
 金型に配置された樹脂製の支持部材(以下、単に「支持部材」ということがある。)は、上記金属プレートを金型に押し付けて金属プレートのズレを防止する。上記支持部材により金属プレートが、金型内で移動したり傾いたりすることがなく、金型と金属プレートとの間隔が保持されて所望の隙間(キャビティ)が形成され、樹脂漏れが防止される。
 上記支持部材の配置方法は、支持部材が金型内で容易に動かなければよく、図1に示すように、金型を閉じて金属プレートを介して支持部材を金型で挟み、支持部材を固定する方法。また、図2に示すように、金型5に凹部51を設け、該凹部51に支持部材4を差し込み固定する方法等が挙げられる。
 上記凹部51に支持部材4を差し込む方法は、支持部材を簡便に固定できると共に、金属樹脂複合体の成形後には、図6に示すように、金型5の凹部51に差し込まれた部位が熱可塑性樹脂3から突出し、リブやボスのような補強部材として働くため金属樹脂複合体1の強度が向上する。
 上記支持部材は、上記のように一体化工程において、金属プレートを金型に押し付けて固定する。そして、支持部材が樹脂製であることで、熱せられて流動性を有する熱可塑性樹脂がキャビティに付与され、該熱可塑性樹脂と支持部材とが接触すると、支持部材の表面が軟化し、熱可塑性樹脂と接合して金属プレートに固定され、金属樹脂複合体の一部を構成する。
 このように、支持部材が熱可塑性樹脂に取り込まれ、金属プレートと接合することで、金属プレートと支持部材とが当接していた部位が露出して熱可塑性樹脂の剥離起点となることが防止される。
 熱可塑性樹脂と金属プレートとを一体化する成形法としては、射出成形法、射出プレス成形法、RTM(Resin Transfer Molding)成形法、LFT−D(Long Fiber Thermoplastic−Direct)成形法を挙げることができる。
 上記射出プレス法は、金型が僅かに開いた状態で熱可塑性樹脂を射出した後、金型を完全に閉じ切って上記熱可塑性樹脂をプレスし、上記熱可塑性樹脂をキャビティの全体に行きわたらせて成形する方法である。溶融した熱可塑性樹脂をキャビティに充填するため、熱可塑性樹脂が上記金属プレートに隙間なく密着し、強固に接合できるため、好ましく使用できる。
 具体的には、成形した金属プレートを金型内に配置し、金型が僅かに開いた状態で金属プレートの一方の面側に向けて熱可塑性樹脂を射出する。そして、金型を完全に閉じ切って上記金属プレートと共に上記熱可塑性樹脂をプレスし、上記熱可塑性樹脂をキャビティの全体に行きわたらせると共に、上記金属プレートと熱可塑性樹脂とを密着させて金属樹脂複合体とする。
 この射出プレス法は、金型が僅かに開いた状態で熱可塑性樹脂を射出するため、金属プレートが浮いてズレが生じ易いが、本発明においては上記支持部材で金属プレートを固定するため、樹脂漏れを防止できる。
 上記RTM成形法は、カーボン等のドライファブリックを金型内に配置し、金型を閉めてから、流動性の良い樹脂やモノマーを充填し、樹脂やモノマーが行きわたったところで金型を加熱して上記樹脂やモノマーを硬化させる成形法である。
 また、上記LFT−D成形法は、熱可塑性樹脂と共に炭素繊維を混練機に投入し、スクリューのせん断力によって適度な長さに切れた炭素繊維と熱可塑性樹脂とを溶融混練したLFT−D混練材(熱可塑性樹脂と炭素繊維の複合材)を作製する。そして、この混練材が冷めないうちにプレス成形することで、成形品を得る工法である。
 上記一体化工程における金型の温度は、上記金属プレートと上記支持部材とが当接する部位の近傍でその周囲よりも高いことが好ましい。上記支持部材近傍の温度が高いことで支持部材の表面が軟化し、熱可塑性樹脂と強固に接合される。
(熱可塑性樹脂)
上記熱可塑性樹脂としては、例えば、ナイロン6、ナイロン66、ポリフェニレンスルファイド、ポリブチレンテレフタレート、ポリフタルアミドなどを挙げることができる。
 上記熱可塑性樹脂は、強化繊維を含むことができる。
 上記強化繊維は、平均繊維径が7μm以上15μm以下、平均長さが0.1mm以上1mm以下の炭素繊維であることが好ましい。
 上記範囲の炭素繊維を含むことで、熱可塑性樹脂が流動性を有し、射出プレス法による成形が可能であると共に、高剛性の金属樹脂複合体を得ることができる。
 また、上記熱可塑性樹脂は、上記炭素繊維を30質量%以上40質量%以下含有することが好ましい。炭素繊維の含有量が上記範囲を満たすことで、金属樹脂複合体の剛性を向上できる。
 すなわち、炭素繊維の含有量が40質量%を超えると、熱伝導率が大きな炭素繊維を多く含むため、熱可塑性樹脂と炭素繊維との混練材が冷えて粘度が上昇し、上記ナノ多孔構造の空間に熱可塑性樹脂が入り難くなって、充填欠陥が生じて剥離し易くなり、金属樹脂複合体の剛性が低下することがある。
 また、炭素繊維の含有量が30質量%未満では、炭素繊維による補強効果が小さく金属樹脂複合体の剛性が低下する。
 射出プレスする際の熱可塑性樹脂の粘度は、樹脂種や射出圧などにもよるが、30Pa・s以上200Pa・s以下であることが好ましく、30Pa・s以上50Pa・s以下であることがより好ましい。
 熱可塑性樹脂の粘度が低ければ、ナノ多孔構造の空間に樹脂が入り易くなるが30Pa・s未満となる温度では熱可塑性樹脂が熱分解し、接合強度が低下しやすくなる。
(支持部材)
 上記支持部材は、上記熱可塑性樹脂と同様の樹脂を使用することができ、その形状は、ピン状、ブロック状のものを使用できる。
(金属プレート)
 上記金属プレートとしては、例えば、アルミニウム、鉄、ステンレス、銅、チタン、マグネシウム、黄銅などの金属プレートの他、上記金属をメッキした金属プレートを使用できる。
 上記金属プレートの厚さは、要求される強度にもよるが、0.5mm以上2.5mm以下であると、大幅な軽量化が可能である。
 上記金属プレートは、少なくとも熱可塑性樹脂で被覆される部位に平均開口径が10nm~100nmの多孔構造23(以下、「ナノ多孔構造」ということがある。)で粗面化されていることが好ましい。金属プレート2が粗面化されていることで、熱可塑性樹脂3と金属プレート2との接合強度が向上する。
 上記ナノ多孔構造23は、金属プレートをアンモニア、ヒドラジン及び/又は水溶性アミン化合物の水溶液に浸漬して行うことができる。
具体的には、40℃~70℃に加温した3%~10%のヒドラジン一水和物水溶液にメタルプレートを数分浸漬した後、水洗することで、上記ナノ多孔構造23による粗面化が可能である。
 上記ナノ多孔構造で粗面化されたアルミニウムプレート表面のSEM像を図3、さらに高倍率のSEM像を図4に示す。
 上記ナノ多孔構造23は、図3に示すように、開口径よりも内径が大きな、開口径が1μm以上のマイクロサイズの孔が複数形成されており、さらに、高倍率の図4に示すように、マイクロサイズの孔の壁面に開口径が10nm~100nmのナノサイズの孔が複数形成されていた。
 アルミニウムプレートの粗面化処理は次のように行った。
 厚さ1mmのアルミニウムプレートをアルカリ液に浸漬して脱脂したのち、酸液に浸漬して中和させた。上記アルミニウムプレートを50℃に加温した5%のヒドラジン一水和物水溶液に5分間浸漬した後、水洗、乾燥させて、表面を粗面化処理した。
 このアルミニウムプレートは、表面粗さ(Ra)が0.3μmであり、平均開孔径が10nmであった。
 上記アルミニウムプレートを金型に配置して上型で押さえて280℃に加温し、金型が僅かに開いた状態で、平均繊維径が10μm、平均長さが0.5mmの炭素繊維を35質量%含有する、炭素繊維とナイロン6との混練材を射出した。
その後、金型を完全に閉じ10MPaでプレスして、樹脂の厚さが2mmの金属樹脂複合体を得た。
 金属樹脂複合体の断面は、図5に示すように、アルミニウムプレート複数のマイクロサイズの孔同士が内部で繋がって内部空間を形成したアリの巣状のナノ多孔構造が形成されていた。そして、上記ナノ多孔構造23の空間すべてに熱可塑性樹脂3が充填され、熱可塑性樹脂3が深さ100nmまで含浸しており、充填欠陥はなかった。
 このようなナノ多孔構造内に浸入した熱可塑性樹脂は、熱可塑性樹脂が破断しない限りメタルプレートから剥離しないため接合強度が飛躍的に向上する。
<金属樹脂複合体>
 次に、本発明の金属樹脂複合体について説明する。
 上記金属樹脂複合体1は、金属プレート2と、上記金属プレートの一方の面の少なくとも一部を直接被覆した熱可塑性樹脂3とを備え、さらに、上記金属プレートの一方の面に当接した樹脂製の支持部材4を有する。
 上記支持部材は、金属樹脂複合体の成形の際、金属プレートを介して金型で挟まれて固定され、また、金型5の凹部51に差し込まれて固定された状態で、金属プレート2を支持して金属プレートと金型の間に所定の隙間を形成したものである。
 そして、上記隙間に付与された熱可塑性樹脂3の熱などによって表面が軟化し、上記熱可塑性樹脂3と接合している。
 上記支持部材4は、金型5と金属プレート2とに当接していたため、付与された熱可塑性樹脂に埋没し該熱可塑性樹脂を貫いた状態で金属プレートと接合して金属樹脂複合体1の一部を構成する。
 また、支持部材4が、金型5の凹部51に差し込まれていた場合は、金型の凹部51に差し込まれていた部位が上記熱可塑性樹脂から突出する。
 支持部材4が熱可塑性樹脂から突出していると、突出した部位がリブやボスのような補強部材となって金属樹脂複合体の強度が向上するため、支持部材は熱可塑性樹脂から突出していることが好ましい。
 上記支持部材4は、流動する熱可塑性樹脂と接することでその表面が軟化し上記熱可塑性樹脂と接合するが、完全には溶融することはないため、上記熱可塑性樹脂と渾然一体となることなく、上記熱可塑性樹脂と上記支持部材との間に界面42が形成される。
 熱可塑性樹脂3と支持部材4との界面42は、N−ARC法(New Analysis of Resin (Rubber) Cross section)で断面の組織を観察し、成形時の熱可塑性樹脂の流れ痕跡や球晶(結晶)構造を可視化することで確認できる。
 また、上記熱可塑性樹脂が強化繊維33を含有する場合は、図6に示すように、熱可塑性樹脂3中の強化繊維33が支持部材4中に浸入することがないため、熱可塑性樹脂3と上記支持部材4との界面42で不連続となる。
 上記支持部材4は、上記熱可塑性樹脂3と樹脂種が同じであることが好ましい。樹脂種が同じであると、支持部材と熱可塑性樹脂との親和性が高く接合し易くなる。
 本発明において、「樹脂種が同じ」とは、モノマー成分が同じであれば足り、主鎖の繰り返し単位の他、側鎖の構造や分子量までが同じであることを意味しない。
 上記支持部材を構成する樹脂の融点は、熱可塑性樹脂の融点との差が10℃以下であることが好ましい。融点との差が10℃以下であることで、金属樹脂複合体の成形の際、軟化して熱可塑性樹脂と接合し易くなる。
 上記支持部材は、熱可塑性樹脂から突出し、その形状によって強度を得ることができることから、熱可塑性樹脂よりも樹脂の物性によって強度を得る必要がなく、上記熱可塑性樹脂よりも低分子量の樹脂や側鎖による立体障害の少ない柔軟な樹脂を用いることができる。このような、柔軟な樹脂は、一般的に上記熱可塑性樹脂に比して融点が低くなる。
 本発明において、樹脂の融点とは、試料10mg程度をアルミパンに入れ、(i)100℃/分で200℃まで昇温して200℃で5分間保持した後、(ii)10℃/分で−50℃まで降温し、次いで(iii)10℃/分で200℃まで昇温したとき、2回目の昇温過程(iii)において測定されるDSC曲線の吸熱ピーク温度をいう。
 上記支持部材は、熱可塑性樹脂の面内方向、換言すれば、成形時に熱可塑性樹脂が流動する方向の断面形状が曲線で形成されていることが好ましい。
 上記断面形状としては、例えば、円形、楕円形、流線形などを挙げることができる。
 支持部材の断面形状が曲線で形成されていることで、成形時における熱可塑性樹脂の流動抵抗が低減され、充填欠陥の発生が防止される。
 また、図7に示すように、支持部材の熱可塑性樹脂に埋没した部位44に、熱可塑性樹脂の面内方向に貫通する貫通孔43を有すると、該貫通孔43に熱可塑性樹脂が流れ込んで、流動抵抗が低減するだけでなく、熱可塑性樹脂3と支持部材4とが上記貫通孔43で結合し、支持部材の脱落が防止される。
 また、支持部材の熱可塑性樹脂に埋没した部位44が、上記金属プレート側で太く、金属プレートから離れるにつれ又は段階的に細くなることで、熱可塑性樹脂に引っ掛かり支持部材の脱落が防止される。
 上記支持部材は、発泡樹脂で形成されていることや、中空構造であることが好ましい。
 支持部材が中空構造であったり発泡樹脂で形成されていたりすると、支持部材の熱容量が小さくなって温度上昇し易く、周囲に付与された熱可塑性樹脂との温度差が小さくなる。
 したがって、一体化した後の熱可塑性樹脂と支持部材との冷却速度差が小さくなり、熱収縮差も小さくなるため、金属プレートから剥離することが防止され、加えて、熱容量の低減により冷却速度も速くなって生産効率が向上する。
 上記発泡樹脂とは、熱可塑性樹脂中にガスを細かく分散させ、発泡状(フォーム)または多孔質状に成形した樹脂をいう。
 上記支持部材は、その最も薄い方向の厚さが上記熱可塑性樹脂の厚さよりも厚いことが好ましい。支持部材が熱可塑性樹脂よりも厚いことで、熱可塑性樹脂から突出した部位の強度が向上し、突出した部位が補強部材となって金属樹脂複合体の強度が向上する。
 上記支持部材4は、雌ネジ45を備えることができる。支持部材は上記のように熱可塑性樹脂及び金属プレートと強固に接合しているため、ねじ穴を備えることで、金属樹脂複合体と他の部材との連結が容易になる。
 上記のように、本発明の金属樹脂複合体の製造方法は、成形時に金属プレートのズレを防止した支持部材に起因する剥離起点がない金属樹脂複合体を作製できる。
  1  金属樹脂複合体
  2  金属プレート
 23  ナノ多孔構造
  3  熱可塑性樹脂
 33  強化繊維
  4  支持部材
 41  突出部位
 42  界面
 43  貫通孔
 44  埋没部位
 45  雌ネジ
 46  強化繊維
  5  金型
 51  凹部

Claims (19)

  1.  金属プレートと、
     該金属プレートの一方の面の少なくとも一部を直接被覆した熱可塑性樹脂と、を備える金属樹脂複合体の製造方法であって、
     上記金属プレートを支える樹脂製の支持部材を金型に配置する支持部材配置工程と、
     上記支持部材上に上記金属プレートを配置する金属プレート配置工程と、
     上記金属プレートの上記支持部材側に付与された上記熱可塑性樹脂と、上記支持部材と、上記金属プレートとを、上記金型内で一体化する一体化工程とを有することを特徴とする金属樹脂複合体の製造方法。
  2.  上記金型が凹部を有し、
     上記支持部材配置工程が、上記金型の凹部に上記支持部材を差し込む処理を含むことを特徴とする請求項1に記載の金属樹脂複合体の製造方法。
  3.  上記一体化工程における金型の温度が、上記金属プレートと上記支持部材とが当接する部位の近傍でその周囲よりも高いことを特徴とする請求項1又は2に記載の金属樹脂複合体の製造方法。
  4.  上記一体化工程が、射出成形法、射出プレス成形法、RTM成形法、及びLFT−D成形法から成る群から選択された成形法で一体化することを特徴とする請求項1~3のいずれか1つの項に記載の金属樹脂複合体の製造方法。
  5.  金属プレートと、
     該金属プレートの一方の面の少なくとも一部を直接被覆した熱可塑性樹脂と、を備える金属樹脂複合体の成形に用いる支持部材であって、
     上記支持部材が樹脂製であり、
     上記金属樹脂複合体の成形時には、金型と上記金属プレートとの間隔を保持して隙間を形成し、
     上記隙間に上記熱可塑性樹脂を付与し上記金属樹脂複合体を成形した後には、その一部が上記熱可塑性樹脂に埋没し、上記熱可塑性樹脂及び上記金属プレートと一体化することを特徴とする支持部材。
  6.  発泡樹脂で成ることを特徴とする請求項5に記載の支持部材。
  7.  中空構造であることを特徴とする請求項5又は6に記載の支持部材。
  8.  雌ネジ形状を備えることを特徴とする請求項5~7のいずれか1つの項に記載の支持部材。
  9.  金属プレートと、
     上記金属プレートの一方の面の少なくとも一部を直接被覆した熱可塑性樹脂と、を備える金属樹脂複合体であって、
     さらに、上記金属プレートの一方の面に当接した樹脂製の支持部材を有し、
     上記熱可塑性樹脂と上記支持部材との間に界面を有することを特徴とする金属樹脂複合体。
  10.  上記支持部材が、上記熱可塑性樹脂を貫いて上記熱可塑性樹脂から突出していることを特徴とする請求項9に記載の金属樹脂複合体。
  11.  上記支持部材と上記熱可塑性樹脂とが、同じ樹脂種であることを特徴とする請求項9又は10に記載の金属樹脂複合体。
  12.  上記支持部材の融点と上記熱可塑性樹脂の融点との差が、10℃以下であることを特徴とする請求項9~11のいずれか1つの項に記載の金属樹脂複合体。
  13.  上記熱可塑性樹脂と上記支持部材とが、強化繊維を含有し、
     上記強化繊維が、上記界面で不連続であることを特徴とする請求項9~12に記載の金属樹脂複合体。
  14.  上記支持部材は、上記熱可塑性樹脂の面内方向の断面形状が曲線で形成されていることを特徴とする請求項9~13のいずれか1つの項に記載の金属樹脂複合体。
  15.  上記支持部材は、上記熱可塑性樹脂の面内方向の断面形状が、円形、楕円形及び流線形から成る群から選択されることを特徴とする請求項9~14のいずれか1つの項に記載の金属樹脂複合体。
  16.  上記支持部材は、上記熱可塑性樹脂に埋没した部位に上記熱可塑性樹脂の面内方向に貫通する貫通孔を有することを特徴とする請求項9~15のいずれか1つの項に記載の金属樹脂複合体。
  17.  上記支持部材が、上記熱可塑性樹脂に埋没した部位が上記金属プレート側で太いことを特徴とする請求項9~16のいずれか1つの項に記載の金属樹脂複合体。
  18.  上記支持部材は、その最も薄い方向の厚さが上記熱可塑性樹脂の厚さよりも厚いことを特徴とする請求項9~17のいずれか1つの項に記載の金属樹脂複合体。
  19.  上記支持部材が、請求項5~8のいずれか1つの項に記載の支持部材であることを特徴とする請求項9~19のいずれか1つの項に記載の金属樹脂複合体。
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