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JP5960847B2 - アルミニウム合金樹脂複合材及びそれを調製する方法 - Google Patents

アルミニウム合金樹脂複合材及びそれを調製する方法 Download PDF

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Description

［関連出願の相互参照］
本出願は、２０１２年２月２４日に中華人民共和国国家知識産権局に出願した中国特許出願第２０１２１００４３６３６．５号に対する優先権及びその利益を主張し、その内容は全体が参照により本明細書に組み込まれる。
本発明は、金属プラスチック複合材及びそれを調製する方法、特に、アルミニウム合金樹脂複合材及びそれを調製する方法に関する。
自動車、家庭電化製品及び工業用機械などの物品を製造する分野では、金属と樹脂を相互にしっかり接合する必要がある。現在、従来の方法では、接着剤を常温又は加熱して使用し、金属と合成樹脂を一体接合する。一つの研究動向は、接着剤を使用せずに、エンジニアリングレジンを高強度でマグネシウム合金、アルミニウム合金、鉄合金、例えばステンレス鋼に直接一体接合することである。
ナノ成形技術（ＮＭＴ）とは、金属と樹脂を一体接合する技術であり、金属樹脂一体成形品を得るように、金属板の表面をナノ成形することによって樹脂を金属板の表面上に直接射出成形することができる。金属と樹脂を効果的に接合するために、低コストかつ高いパフォーマンスで金属樹脂一体成形品を提供するように、ＮＭＴは、一般に使用されているインサート成形又は亜鉛−アルミニウム又はマグネシウム−アルミニウムダイカストに取って代わることができる。接合技術と比較して、ＮＭＴは製品の全重量を削減し、機械的な構造の優れた強度、速い処理速度、高い生産高、及び多くの外観装飾方法を確実に行うことができ、その結果、車両、ＩＴ装置及び３Ｃ製品に適用することができる。
しかしながら、金属と樹脂を一体成形する方法はさらに改良しなければならない。
本開示の実施形態は、先行技術に存在する問題の少なくとも１つを少なくともある程度まで、特にアルミニウム合金樹脂複合材におけるアルミニウム合金と樹脂の間の弱い結合力という技術的問題を解決することを目指す。さらに本開示の目的は、アルミニウム合金と樹脂の間の結合力が強力なアルミニウム合金樹脂複合材を調製する方法で、容易かつ簡易に大量生産できる方法を提供することである。
本開示の第１の態様によれば、アルミニウム合金樹脂複合材を調製する方法が提供される。本開示の幾つかの実施形態では、上記方法は、その表面上に酸化物層を有するアルミニウム合金基材を提供するステップであって、酸化物層はナノ細孔を有するステップと、腐食剤を使用することによって酸化物層の外面に腐食細孔を形成するステップであって、腐食剤はアンモニア（ＮＨ３）、アンモニウム塩、ヒドラジン（Ｎ２Ｈ４）、ヒドラジン誘導体、及び水溶性アミン化合物からなる群から選択される少なくとも１つであるステップと、ナノ細孔及び腐食細孔が形成されたアルミニウム合金基材の表面に樹脂組成物を射出成形するステップとを含む。
本開示の別の態様によれば、上記方法のいずれかによって得られるアルミニウム合金樹脂複合材が提供される。
本発明の発明者は、驚くべきことに、本開示の実施形態による方法によってアルミニウム合金の表面上に独特の２層空間細孔構造を形成することができ、アルミニウム合金の表面上に酸化アルミニウム層を形成することができ、酸化アルミニウム層はナノ細孔を有することを発見した。本開示の実施形態による技術的解決法により、約１０ｎｍ〜約１００ｎｍの平均直径を有するナノ細孔を形成することができ、これは独特の構造を有し、樹脂との良好な連結性を有する。一方、さらなる腐食によって、酸化アルミニウム層の樹脂と接触する外面に腐食細孔が形成されることがある。腐食細孔は、ナノ細孔より大きい平均直径を有することがある。本開示の実施形態による技術的解決法により、酸化アルミニウム層の外面に約２００ｎｍ〜約２０００ｎｍの平均直径を有する腐食細孔を形成することができ、これは独特の構造で、樹脂とアルミニウム合金との連結性の強化に寄与する。その後の成形ステップで、樹脂はアルミニウム合金の外面上にある比較的大きい細孔（例えば腐食細孔）を通して内層の細孔（例えばナノ細孔）に侵入することができ、これによって成形がさらに容易になる。一方、樹脂とアルミニウム合金との間により良く、より強力な結合を形成するために、腐食剤と樹脂の有効組成物との間の化学反応によって、樹脂をアルミニウム合金に接合することができる。本開示の幾つかの実施形態では、金属基材（例えばアルミニウム合金）のサイズ及びアルミニウム合金の外観に及ぼす影響は少なく、加工ステップ中に発生する熱は比較的少ない。一方、樹脂は、表面上の平均直径が大きい方の腐食細孔に容易に射出成形することができ、樹脂側には特段の要件はない。本発明の技術的解決法は広範に使用することができ、環境に優しく、大量生産に採用することができる。
本開示の実施形態の追加の態様及び利点は、一部については以下に説明され、一部は以下の説明から明らかになるか又は本開示の実施形態を実施することにより習得される。
本開示の上記及び他の態様及び利点は、添付の図面を参照しながら、以下の説明を考慮することにより明らかになり、さらに容易に理解されるであろう。
本開示の実施形態による酸化物層中の２層空間細孔構造である。 本開示の実施例１により表面処理１にかけたアルミニウム合金板の表面の走査型電子顕微鏡図である。 図３ａ及び図３ｂは、本開示の実施例１により表面処理２にかけたアルミニウム合金板の表面の走査型電子顕微鏡図である。
本開示の実施形態について詳細に説明する。本明細書で説明する実施形態は説明的で例示的であり、本開示を全体的に理解するために用いられる。実施形態は、本開示を制限するものではないことが想定される。
本開示の第１の態様によれば、アルミニウム合金樹脂複合材を調製する方法が提供される。本開示の幾つかの実施形態では、上記方法は、その表面上に酸化物層を有するアルミニウム合金基材を提供するステップであって、酸化物層がナノ細孔を有するステップと、腐食剤を使用することにより酸化物層の外面に腐食細孔を形成するステップであって、腐食剤がアンモニア（ＮＨ３）、アンモニウム塩、ヒドラジン（Ｎ２Ｈ４）、ヒドラジン誘導体、及び水溶性アミン化合物からなる群から選択される少なくとも１つであるステップと、ナノ細孔及び腐食細孔が形成されたアルミニウム合金基材の表面に樹脂組成物を射出成形するステップとを含むことができる。本発明の発明者は、驚くべきことに、本開示の実施形態による方法によってアルミニウム合金の表面上に独特の２層空間細孔構造を形成することができ、アルミニウム合金の表面上に酸化アルミニウム層を形成することができ、酸化アルミニウム層はナノ細孔を有することを発見した。一方で、さらなる腐食により、酸化アルミニウム層の樹脂と接触する外面上に腐食細孔を形成できることを発見した。腐食細孔はナノ細孔より大きい平均直径を有することができ、これは樹脂とアルミニウム合金との間の結合を強化するのに寄与する独特の構造である。その後の成形ステップで、樹脂はアルミニウム合金の外面上にある比較的大きい細孔（例えば腐食細孔）を通して内層の細孔（例えばナノ細孔）に侵入することができ、これによって成形がさらに容易になる。一方、樹脂とアルミニウム合金との間により良く、より強力な結合を形成するために、腐食剤と樹脂の有効組成物との間の化学反応によって、樹脂をアルミニウム合金に接合することができる。これで、本発明の技術的解決法は広範に使用することができ、環境に優しく、大量生産に採用することができる。
本開示の実施形態では、アルミニウム合金樹脂複合材を調製する方法は、Ｓ１）表面にナノ細孔を有する酸化物層を形成するために、アルミニウム合金基材の表面を陽極酸化処理するステップを含むことができる。本開示の幾つかの実施形態では、陽極酸化によって酸化物層を形成することができる。陽極酸化の方法は当業者に周知であり、本開示の実施形態によれば、陽極酸化は以下の条件で実施することができる。すなわち、アルミニウム合金の表面上に約１ミクロン〜約１０ミクロンの厚さを有する酸化物層を形成するために、アルミニウム合金基材を、約１０ｗｔ％〜約３０ｗｔ％の濃度を有する硫酸中で、約１０℃〜約３０℃の温度、約１０Ｖ〜約１００Ｖの電圧で１分〜約４０分間電気分解する。本開示の幾つかの実施形態では、陽極酸化用によく知られている任意の装置、例えば陽極酸化処理槽を本開示に適用することができる。本開示の実施形態によれば、陽極酸化によって形成された酸化物層は、約１ミクロン〜約１０ミクロン、あるいは約１ミクロン〜約５ミクロンの厚さを有することができる。
本開示の幾つかの実施形態では、酸化物層のナノ細孔は約１０ｎｍ〜約１００ｎｍ、代替的に約２０ｎｍ〜約８０ｎｍ、さらに代替的に約２０ｎｍ〜約６０ｎｍの平均直径を有することができる。本開示の幾つかの実施形態では、ナノ細孔は約０．５ミクロン〜約９．５ミクロン、代替的に約０．５ミクロン〜約５ミクロンの深さを有することができる。本開示の実施形態によるナノ細孔がある状態で、酸化物層と樹脂との間の結合力がさらに強力になる。
本開示の実施形態では、アルミニウム合金樹脂複合材を調製する方法は、酸化物層の外面に腐食細孔を形成するために、ステップＳ１）の結果であるアルミニウム合金基材を腐食剤に接触させるステップを含むことができ、ここで腐食剤はアンモニア、アンモニウム塩、ヒドラジン、ヒドラジン誘導体、及び水溶性アミン化合物からなる群から選択される少なくとも１つである。
本開示の幾つかの実施形態では、結果となるアルミニウム合金基材と腐食剤との間の接触に特段の制限はない。ある実施形態では、腐食させるためにアルミニウム合金基材を気体腐食剤に接触させることができる。腐食剤は常温で気体状とすることができる。あるいは、この実施形態の接触を実行するように、常温で固体又は液体の腐食剤を気体腐食剤に変態させることができる。代替実施形態では、アルミニウム合金基材を液体腐食剤に接触させることができる。例えば、ある実施形態では、ナノ細孔が形成されたアルミニウム合金基材を、腐食剤を含む腐食溶液に浸漬することによって、腐食細孔が形成され、腐食溶液は約１０〜約１３のｐＨを有する。幾つかの実施形態では、腐食溶液は、特段の制限なく、アンモニア、アンモニウム塩、ヒドラジン、ヒドラジン誘導体、及び水溶性アミン化合物からなる群から選択される少なくとも１つを含む水溶液でよい。
本開示の幾つかの実施形態では、ヒドラジンは、ヒドラジン水和物、酢酸ヒドラジン、及び炭酸ヒドラジンからなる群から選択される少なくとも１つとすることができる。本開示の幾つかの実施形態では、ヒドラジン誘導体はメチル置換誘導体でよく、例えばヒドラジン誘導体はメチルヒドラジン及び／又は１，１−ジメチルヒドラジンでよい。本開示の幾つかの実施形態では、水溶性アミン化合物は、エチレンジアミン、メチルアミン、ジメチルアミン、エチルアミン、ジエチルアミン、及びエタノールアミンからなる群から選択される少なくとも１つとすることができる。
本開示の幾つかの実施形態では、腐食溶液の濃度には特段の制限がなく、腐食溶液は必要な濃度を有する市販の腐食溶液とすることができ、代替的に腐食溶液は必要な濃度を得るために調製又は希釈することができる。
本開示の幾つかの実施形態では、腐食溶液によって形成される腐食細孔は、ナノ規模の平均直径を有することができる。本開示の幾つかの実施形態では、腐食細孔は約２００ｎｍ〜約２０００ｎｍ、代替的に約２００ｎｍ〜約１０００ｎｍ、さらに代替的に約４００ｎｍ〜約１０００ｎｍの平均直径を有することができる。本開示の幾つかの実施形態では、腐食細孔は約０．５ミクロン〜約９．５ミクロン、代替的に約０．５ミクロン〜約５ミクロンの深さを有することができる。本開示の実施形態による腐食細孔がある状態で、その後の射出成形ステップでは、表面細孔（例えばナノ細孔）への樹脂組成物の注入をさらに容易にすることができ、したがって樹脂とアルミニウム合金基材との間に形成される結合をさらに強力にすることができる。
本開示の幾つかの実施形態では、腐食溶液はアンモニア及びアンモニウム塩を含む水溶液でよい。ある実施形態では、腐食溶液はアンモニア及びアンモニウム塩の水溶液でよい。さらに好ましい実施形態では、腐食溶液はＮＨ３−ＮＨ４Ｃｌ、ＮＨ３−（ＮＨ４）２ＳＯ４、ＮＨ３−ＮＨ４ＨＣＯ３、及びＮＨ３−ＮＨ４ＮＯ３を含む水溶液でよい。本開示の実施形態により水溶液がアンモニア及びアンモニウム塩を含む状態で、酸化物層の外面に分布する腐食細孔は均一であり、均一な直径及び優れた細孔構造を有して、これは樹脂とアルミニウム合金基材の間により良い結合を形成する。したがって、得られたアルミニウム合金樹脂複合材は、より良いストレッチ抵抗を有することができる。本開示の幾つかの実施形態では、腐食溶液は安定し、長期間に安定したアルカリ性環境の維持を補助することができる。
本開示の幾つかの実施形態では、腐食溶液の総重量に基づき、アンモニア及びアンモニウム塩の合計は約０．１％〜約３０％の重量濃度パーセントを有する。本開示の幾つかの実施形態では、腐食溶液は約５０重量部〜約９９重量部のアンモニア、代替的に約５０重量部〜約９０重量部のアンモニア、さらに代替的に約５０重量部〜約８０重量部のアンモニア、及び約１重量部〜約５０重量部のアンモニウム塩、代替的に約１０重量部〜約５０重量部のアンモニウム塩、さらに代替的に約２０重量部〜約５０重量部のアンモニウム塩を含む。ある実施形態では、腐食溶液は約５０重量部〜約９９重量部のアンモニア、及び約１重量部〜約５０重量部のアンモニウム塩を含む。ある実施形態では、腐食溶液は約５０重量部〜約９０重量部のアンモニア、及び約２０重量部〜約５０重量部のアンモニウム塩を含む。ある実施形態では、腐食溶液は約５０重量部〜約８０重量部のアンモニア、及び約２０重量部〜約５０重量部のアンモニウム塩を含む。
本開示の幾つかの実施形態では、腐食細孔は、ナノ細孔が形成されたアルミニウム合金基材を腐食溶液に少なくとも１回浸漬し、各回の浸漬時間は約１分〜約６０分間である。任意選択で、各浸漬ステップの後にアルミニウム合金基材を脱イオン水で洗浄することができる。ある実施形態では、アルミニウム合金基材を洗浄タンク内で約１分〜約５分間洗浄する、代替的に洗浄タンクに約１分〜５分間入れておくことができる。ある実施形態では、腐食細孔は、ナノ細孔が形成されたアルミニウム合金を腐食溶液に２回〜１０回浸漬することによって形成することができる。
本開示の実施形態では、アルミニウム合金樹脂複合材を調製する方法は、Ｓ３）ステップＳ２）で得たアルミニウム合金基材を型に配置し、次に、得たアルミニウム合金基材と結合するために樹脂組成物を型に注入し、アルミニウム合金樹脂複合材を形成するように成形するステップを含むことができる。
本開示の幾つかの実施形態では、上記方法は、陽極酸化ステップの前に前処理ステップをさらに含む。幾つかの実施形態では、前処理はバニッシング、油除去、１回目の水洗浄、アルカリエッチング、２回目の水洗浄、中和、及び３回目の水洗浄からなる群から選択される少なくとも１つのステップを含むことができる。
前処理は通常、表面から目に見える異物を除去するメカニカルバニッシング又はメカニカルラッピング、及び金属表面に付着したプロセス油を除去するアルミニウム合金の脱脂及び洗浄を含む。代替的に、前処理は、ミクロン単位の小さい細孔を生成するために、アルミニウム合金基材の表面のバニッシングを含むことができ、例えば約１００メッシュ〜約４００メッシュのサンドペーパーを使用するか、又は研磨機を使用してアルミニウム合金基材の表面をバニッシングすることを含むことができる。本開示の幾つかの実施形態では、バニッシングしたアルミニウム合金基材は、その後に油除去、水で洗浄するなどの１回目の水洗浄、アルカリエッチング、２回目の水洗浄、中和、及び３回目の水洗浄にかけることができる。
本開示の幾つかの実施形態では、アルミニウム合金は、アルミニウム合金の表面から油汚れを除去するために、任意の周知の溶媒を使用して約０．５時間〜約２時間、超音波によって洗浄することができ、次に、アルミニウム合金基材を酸性／アルカリ性水溶液に入れることができ、アルミニウム合金基材の表面を再び超音波で洗浄することができる。溶媒及び酸性／アルカリ性水溶液のタイプに制限はなく、使用する溶媒はエタノール又はアセトンとすることができ、酸性／アルカリ性水溶液は塩酸、硫酸、水酸化ナトリウム、水酸化カリウムなどからなる群から選択される少なくとも１つでよい。
ある実施形態では、アルミニウム合金は表面から油を除去するために、無水エタノールを使用して油除去処理にかけ、次に、水を使用してアルミニウム合金を洗浄し、拭き取る。次に、拭き取ったアルミニウム合金を、約３０ｇ／Ｌ〜約７０ｇ／Ｌの濃度を有する水酸化ナトリウム溶液に約４０℃〜約８０℃の温度で浸漬し、約１分〜約５分間アルミニウム合金をアルカリエッチングし、脱イオン水を使用して洗浄する。次に、約１０ｗｔ％〜約３０ｗｔ％の濃度を有するＨＮＯ３を使用してアルミニウム合金を中和し、残留アルカリ性溶液を除去して、脱イオン水を使用して洗浄する。このように、数ミクロンの平均直径を有する細孔をアルミニウム合金の表面に形成することができる。本開示の幾つかの実施形態では、細孔の平均直径は約１ミクロン〜約１０ミクロンとすることができる。
本開示の幾つかの実施形態では、本開示に使用するアルミニウム合金に特段の制限はなく、その例は業界標準規格の１０００〜７０００シリーズ、又は成形クラスの様々なアルミニウム合金とすることができる。本開示の実施形態によるアルミニウム合金は、様々な形状及び構造の一般に使用されているアルミニウム合金でよく、本開示では限定されていない。アルミニウム合金の様々な形状及び構造は、機械的処理で達成することができる。
本開示の幾つかの実施形態では、本発明に使用する樹脂に特段の制限はなく、アルミニウム合金と結合することができる任意の樹脂でよい。ある実施形態では、樹脂組成物は熱可塑性樹脂を含む。ある実施形態では、熱可塑性樹脂には主剤樹脂とポリオレフィン樹脂を含めることができる。代替実施形態では、熱可塑性樹脂は、主剤樹脂とポリオレフィン樹脂の混合物とすることができる。
本開示の幾つかの実施形態では、主剤樹脂は非晶性樹脂を含むことができ、それは先行技術の高結晶性樹脂よりも優れた表面光沢及び靱性の両方を有し、射出成形材料として使用され、融点が約６５℃〜約１０５℃のポリオレフィン樹脂も使用することができる。したがって、成形ステップ中には射出成形を特定の金型温度で実行する必要がないことがあり、したがって成形プロセスを簡略化することができ、得られた金属樹脂複合材（例えばアルミニウム合金樹脂複合材）が高い機械的強度及び良好な表面処理特性を確実に有することができ、したがってプラスチック製品の表面装飾の問題を解決し、顧客の多様な要件に応じることができる。
約６５℃〜約１０５℃の融点を有するポリオレフィン樹脂を非晶性主剤樹脂に適用する方法で、樹脂は金属（例えばアルミニウム合金又はアルミニウム合金基材）の表面にあるナノ規模の細孔中により容易に流入し、したがって最終複合材に金属とプラスチック（例えば樹脂又は樹脂組成物）の間の強力な接着力、さらに高い機械的強度を提供することができる。
本開示の幾つかの実施形態では、熱可塑性樹脂の１００重量部ベースで、熱可塑性樹脂は約７０重量部〜約９５重量部の主剤樹脂、及び約５重量部〜約３０重量部のポリオレフィン樹脂を含む。
本開示の幾つかの実施形態では、熱可塑性樹脂は流動改質剤をさらに含むことができる。流動改質剤があれば、熱可塑性樹脂の流動性及び射出成形性能を改良することができ、さらに金属と樹脂の間の接着を改良することができる。ある実施形態では、熱可塑性樹脂の１００重量部ベースで、熱可塑性樹脂は約１重量部〜約５重量部の流動改質剤を含み、流動改質剤は環状ポリエステルである。
本開示の幾つかの実施形態では、主剤樹脂はポリフェニレンオキシド（ＰＰＯ）及びポリフェニレンスルフィド（ＰＰＳ）を含むことができる。幾つかの実施形態では、主剤樹脂はＰＰＯとＰＰＳの混合物である。ある実施形態では、ＰＰＯ対ＰＰＳの重量比は約３：１〜約１：３、あるいは約２：１〜約１：１である。
本開示の幾つかの実施形態では、主剤樹脂はポリフェニレンオキシド（ＰＰＯ）及びポリイミド（ＰＡ）を含むことができる。幾つかの実施形態では、主剤樹脂はＰＰＯとＰＡの混合物である。ある実施形態では、ＰＰＯ対ＰＡの重量比は約３：１〜約１：３、あるいは約２：１〜約１：１である。
本開示の幾つかの実施形態では、主剤樹脂はポリカーボネート（ＰＣ）を含むことができる。幾つかの実施形態では、主剤樹脂はＰＣである。主剤樹脂は直鎖状ＰＣ及び／又は分岐状ＰＣとすることができ、本開示に特段の制限はない。
本開示の幾つかの実施形態では、ポリオレフィン樹脂は約６５℃〜約１０５℃の融点を有することができる。幾つかの実施形態では、ポリオレフィン樹脂は分岐状ポリエチレンである。あるいは、ポリオレフィン樹脂は約１００℃〜約１０５℃の融点を有する分岐状ポリエチレンである。
本開示の幾つかの実施形態では、樹脂組成物は、本開示の特段の制限なく、要件に従って他の添加剤をさらに含むことができる。幾つかの実施形態では、樹脂組成物はフィラーをさらに含むことができる。フィラーは当業者によく知られており、例えば繊維フィラー又は粉末フィラーである。幾つかの実施形態では、繊維フィラーはガラス繊維、炭素繊維、芳香族ポリアミド繊維などのポリアミド繊維からなる群から選択される少なくとも１つでよい。幾つかの実施形態では、粉末フィラーはシリカ、タルク、水酸化アルミニウム、水酸化マグネシウム、炭酸カルシウム、炭酸マグネシウム、ガラス、カオリン、重硫酸バリウム、及び粘土からなる群から選択される少なくとも１つでよい。
本開示の幾つかの実施形態では、主剤樹脂の１００重量部ベースで、樹脂組成物は、約５０重量部〜約１５０重量部の繊維フィラー、及び約５０重量部〜約１５０重量部の粉末フィラーを含むことができる。したがって、樹脂組成物は、水平方向と垂直方向の両方でアルミニウム合金基材と同様の線膨張率を有することができる。
本開示の幾つかの実施形態では、本開示に使用する樹脂組成物は、主剤樹脂とポリオレフィン樹脂とを混合することによって調製することができる。樹脂組成物は、当技術分野で周知の機械的混合法のいずれかによって調製することができ、例えば樹脂組成物は主剤樹脂をポリオレフィン樹脂と均等に混合し、次に二軸押出機で粒状化することにより調製する。
本開示の幾つかの実施形態では、流動改質剤及びフィラーを主剤樹脂に添加し、均一に混合することができ、したがって得られた樹脂組成物は水平方向及び垂直方向の両方でアルミニウム合金基材と同様の線膨張率を有することができる。
本開示の幾つかの実施形態では、射出成形を実施する条件に制限はない。幾つかの実施形態では、射出成形の条件は、型の温度約５０℃〜約２００℃、ノズル温度約１００℃〜約３５０℃、射出圧力約５０ＭＰａ〜約１４０ＭＰａ、圧力維持時間約１秒〜約１０秒、射出時間約１秒〜約３０秒、及び遅延時間約１秒〜約３０秒とすることができる。幾つかの実施形態では、射出成形した樹脂組成物の重量は約１ｇ〜約２０００ｇとすることができ、調製したアルミニウム合金樹脂複合材の樹脂層は約０．５ｍｍ〜約１０ｍｍの厚さを有することができる。
本開示の実施形態による方法では、生産プロセスが既存の接着技術と比較して簡略化され、腐食時間が短縮される。金属基材のナノ細孔に樹脂を充填するために射出成形−熱間圧縮−射出成形という二重段階を適用する先行技術の方法と比較して、熱間圧縮段階を回避することができる。一方、本開示の実施形態により調製されたアルミニウム合金樹脂複合材は、樹脂とアルミニウム合金の間の接着が向上し、引張剪断強度が向上している。
本開示の別の態様によれば、上記方法のいずれかによって得られるアルミニウム合金樹脂複合材が提供される。アルミニウム合金樹脂複合材は、アルミニウム合金基材と、樹脂組成物を含む樹脂層とを含むことができ、樹脂組成物の少なくとも一部はナノ細孔及び腐食細孔で充填される。アルミニウム合金と結合する樹脂組成物が提供され、これは当業者にはよく知られている。
技術的問題、技術的解決策、及び本開示の有利な効果をさらに明らかにするために、本開示についてその実施例を参照しながらさらに以下で詳細に説明する。本明細書で説明する特定の実施例は、本開示を理解するために使用されているにすぎないことを理解されたい。実施例は、本開示を制限しないものと想定される。実施例及び比較用の実施例で使用する原料は市販されており、特段の制限はない。
実施例１
この実施例では、アルミニウム合金樹脂複合材を以下のステップで調製した。
１）前処理
厚さ１ｍｍの市販のＡ５０５２アルミニウム合金板を１５ｍｍ×８０ｍｍの矩形シートに切断し、次にこれを研磨機で研磨して、無水エタノールで洗浄し、次に４０ｇ／ＬのＮａＯＨ水溶液に浸漬した。２分後、矩形シートを脱イオン水で洗浄し、前処理したアルミニウム合金板を形成した。
２）表面処理１
各アルミニウム合金板（陽極として使用）を２０ｗｔ％のＨ２ＳＯ４溶液を入れた陽極処理槽に入れ、２０Ｖの電圧、２０℃で１０分間電気分解し、次にアルミニウム合金板をブロー乾燥した。
３）表面処理２
ビーカ中で７５ｇのＮＨ３及び２７ｇのＮＨ４Ｃｌを含有する５００ｍＬの水溶液（ｐＨ＝１０．２）を調製した。ステップ２）で得られたアルミニウム合金板を２０℃の水溶液に５分間浸漬し、取り出して、水を入れたビーカ内に配置して、１分間浸漬した。５サイクルの後、最後に水に浸漬した後に結果となるアルミニウム合金板をブロー乾燥した。
表面処理１にかけたアルミニウム合金板の断面を電子顕微鏡で観察し、陽極酸化処理で形成された酸化アルミニウム層が５ミクロンの厚さを有することが示された。表面処理１にかけたアルミニウム合金板の表面を（図２に示すように）電子顕微鏡で観察し、酸化アルミニウム層にナノ細孔が形成され、ナノ細孔が約４０ｎｍ〜約６０ｎｍの平均直径、及び約４．５ミクロンの深さを有することが示された。
表面処理２にかけたアルミニウム合金板の表面を（図３ａ及び図３ｂに示すように）電子顕微鏡で観察し、アルミニウム合金板の表面に腐食細孔が形成され、腐食細孔が約２００ｎｍ〜約８００ｎｍの平均直径、及び約０．５ミクロンの深さを有することが示された。酸化アルミニウム層に図１に示した構造と同様の２層空間細孔構造が形成され、ナノ細孔が腐食細孔と連通していることも示された。
４）成形
乾燥したアルミニウム合金板を射出成形用金型に挿入し、ポリフェニルスルフィド（ＰＰＳ）樹脂及びガラス繊維（樹脂組成物の総重量に基づき、ガラス繊維の含有率は３０ｗｔ％であった）を含有する樹脂組成物を射出成形した。離型及び冷却の後、アルミニウム合金と樹脂組成物の強固な結合を有するアルミニウム合金樹脂複合材が得られた。
実施例２
この実施例では、以下の例外を除き実施例１の方法と実質的に同じ方法で、アルミニウム合金樹脂複合材を調製した。
表面処理２のステップで、１４４ｇのＮＨ３及び２７ｇのＮＨ４Ｃｌを含有する５００ｍＬの水溶液（ｐＨ＝１１．１）を調製した。ステップ２）で得たアルミニウム合金板を２０℃の水溶液に５分間浸漬し、取り出して、水を入れたビーカ内に配置して、１分間浸漬した。５サイクルの後、最後に水に浸漬した後に結果となるアルミニウム合金板をブロー乾燥した。実施例１で開示したものと同じ方法で測定して、陽極酸化処理によって形成された酸化アルミニウム層は５ミクロンの厚さを有し、酸化アルミニウム層にナノ細孔が形成され、ナノ細孔は約４０ｎｍ〜約６０ｎｍの平均直径、及び約４ミクロンの深さを有することが示された。アルミニウム合金板の表面に腐食細孔が形成され、腐食細孔は約３００ｎｍ〜約１０００ｎｍの平均直径、及び約１ミクロンの深さを有することが測定された。酸化アルミニウム層には、図１に示した構造と同様の２層空間細孔構造が観察され、ナノ細孔は腐食細孔と連通していた。
実施例３
この実施例では、以下の例外を除き実施例１の方法と実質的に同じ方法で、アルミニウム合金樹脂複合材を調製した。
表面処理２のステップで、１５０ｇのＮＨ３及び５７ｇのＮＨ４Ｃｌを含有する５００ｍＬの水溶液（ｐＨ＝１１．４）を調製した。ステップ２）で得たアルミニウム合金板を２０℃の水溶液に５分間浸漬し、取り出して、水を入れたビーカ内に配置して、１分間浸漬した。５サイクルの後、最後に水に浸漬した後に結果となるアルミニウム合金板をブロー乾燥した。実施例１で開示したものと同じ方法で測定して、陽極酸化処理によって形成された酸化アルミニウム層は５ミクロンの厚さを有し、酸化アルミニウム層にナノ細孔が形成され、ナノ細孔は約４０ｎｍ〜約６０ｎｍの平均直径、及び約４ミクロンの深さを有することが示された。アルミニウム合金板の表面に腐食細孔が形成され、腐食細孔は約６００ｎｍ〜約１０００ｎｍの平均直径、及び約１ミクロンの深さを有することが測定された。酸化アルミニウム層には、図１に示した構造と同様の２層空間細孔構造が観察され、ナノ細孔は腐食細孔と連通していた。
実施例４
この実施例では、以下の例外を除き実施例１の方法と実質的に同じ方法で、アルミニウム合金樹脂複合材を調製した。
表面処理２のステップで、２００ｇのＮＨ３及び１００ｇのＮＨ４Ｃｌを含有する５００ｍＬの水溶液（ｐＨ＝１２．０）を調製した。ステップ２）で得たアルミニウム合金板を２０℃の水溶液に５分間浸漬し、取り出して、水を入れたビーカ内に配置して、１分間浸漬した。５サイクルの後、最後に水に浸漬した後に結果となるアルミニウム合金板をブロー乾燥した。実施例１で開示したものと同じ方法で測定して、陽極酸化処理によって形成された酸化アルミニウム層は５ミクロンの厚さを有し、酸化アルミニウム層にナノ細孔が形成され、ナノ細孔は約４０ｎｍ〜約６０ｎｍの平均直径、及び約２ミクロンの深さを有することが示された。アルミニウム合金板の表面に腐食細孔が形成され、腐食細孔は約８００ｎｍ〜約１２００ｎｍの平均直径、及び約３ミクロンの深さを有することが測定された。酸化アルミニウム層には、図１に示した構造と同様の２層空間細孔構造が観察され、ナノ細孔は腐食細孔と連通していた。
実施例５
この実施例では、以下の例外を除き実施例１の方法と実質的に同じ方法で、アルミニウム合金樹脂複合材を調製した。
表面処理２のステップで、２５０ｇのＮＨ３及び８０ｇのＮＨ４Ｃｌを含有する５００ｍＬの水溶液（ｐＨ＝１２．２）を調製した。ステップ２）で得たアルミニウム合金板を２０℃の水溶液に５分間浸漬し、取り出して、水を入れたビーカ内に配置して、１分間浸漬した。５サイクルの後、最後に水に浸漬した後に結果となるアルミニウム合金板をブロー乾燥した。実施例１で開示したものと同じ方法で測定して、陽極酸化処理によって形成された酸化アルミニウム層は５ミクロンの厚さを有し、酸化アルミニウム層にナノ細孔が形成され、ナノ細孔は約４０ｎｍ〜約６０ｎｍの平均直径、及び約１ミクロンの深さを有することが示された。アルミニウム合金板の表面に腐食細孔が形成され、腐食細孔は約１０００ｎｍ〜約１５００ｎｍの平均直径、及び約４ミクロンの深さを有することが測定された。酸化アルミニウム層には、図１に示した構造と同様の２層空間細孔構造が観察され、ナノ細孔は腐食細孔と連通していた。
実施例６
この実施例では、以下の例外を除き実施例１の方法と実質的に同じ方法で、アルミニウム合金樹脂複合材を調製した。
表面処理２のステップで、２９８ｇのＮＨ３及び８５ｇのＮＨ４Ｃｌを含有する５００ｍＬの水溶液（ｐＨ＝１２．５）を調製した。ステップ２）で得たアルミニウム合金板を２０℃の水溶液に５分間浸漬し、取り出して、水を入れたビーカ内に配置して、１分間浸漬した。５サイクルの後、最後に水に浸漬した後に結果となるアルミニウム合金板をブロー乾燥した。実施例１で開示したものと同じ方法で測定して、陽極酸化処理によって形成された酸化アルミニウム層は５ミクロンの厚さを有し、酸化アルミニウム層にナノ細孔が形成され、ナノ細孔は約４０ｎｍ〜約６０ｎｍの平均直径、及び約１ミクロンの深さを有することが示された。アルミニウム合金板の表面に腐食細孔が形成され、腐食細孔は約１０００ｎｍ〜約１５００ｎｍの平均直径、及び約４ミクロンの深さを有することが測定された。酸化アルミニウム層には、図１に示した構造と同様の２層空間細孔構造が観察され、ナノ細孔は腐食細孔と連通していた。
実施例７
この実施例では、以下の例外を除き実施例１の方法と実質的に同じ方法で、アルミニウム合金樹脂複合材を調製した。
表面処理２のステップで、ビーカ中に１０ｗｔ％の重量パーセントを有するエチレンジアミンの５００ｍＬの水溶液（ｐＨ＝１２．３）を調製した。ステップ２）で得たアルミニウム合金板を２０℃の水溶液に５分間浸漬し、取り出して、水を入れたビーカ内に配置して、１分間浸漬した。５サイクルの後、最後に水に浸漬した後に結果となるアルミニウム合金板をブロー乾燥した。実施例１で開示したものと同じ方法で測定して、陽極酸化処理によって形成された酸化アルミニウム層は５ミクロンの厚さを有し、酸化アルミニウム層にナノ細孔が形成され、ナノ細孔は約４０ｎｍ〜約６０ｎｍの平均直径、及び約１ミクロンの深さを有することが示された。アルミニウム合金板の表面に腐食細孔が形成され、腐食細孔は約１０００ｎｍ〜約１８００ｎｍの平均直径、及び約４ミクロンの深さを有することが測定された。酸化アルミニウム層には、図１に示した構造と同様の２層空間細孔構造が観察され、ナノ細孔は腐食細孔と連通していた。
比較例１
１）前処理
厚さ１ｍｍの市販のＡ５０５２アルミニウム合金板を１５ｍｍ×８０ｍｍの矩形シートに切断し、次にこれを研磨機で研磨して、無水エタノールで洗浄し、次に２ｗｔ％のＮａＯＨ水溶液に浸漬した。２分後、矩形シートを水で洗浄し、前処理したアルミニウム合金板を形成した。
２）表面処理
前処理したアルミニウム合金板をそれぞれ、５ｗｔ％の濃度を有するヒドラジン水和物溶液（ｐＨ＝１１．２）に浸漬した。５０℃で２分後、アルミニウム合金板を取り出し、脱イオン水で洗浄した。３０サイクル後、その結果であるアルミニウム合金板を取り出し、乾燥炉に入れて６０℃で乾燥した。
３）成形
乾燥したアルミニウム合金板を射出成形用金型に挿入し、ポリフェニレンスルフィド（ＰＰＳ）樹脂及びガラス繊維（樹脂組成物の総重量に基づき、ガラス繊維の含有率は３０ｗｔ％であった）を含有する樹脂組成物を射出成形した。離型及び冷却の後、アルミニウム合金と樹脂組成物の強固な結合を有するアルミニウム合金樹脂複合材が得られた。
比較例２
１）前処理
厚さ１ｍｍの市販のＡ５０５２アルミニウム合金板を１５ｍｍ×８０ｍｍの矩形シートに切断し、次にこれを研磨機で研磨して、無水エタノールで洗浄し、次に２ｗｔ％のＮａＯＨ水溶液に浸漬した。２分後、矩形シートを水で洗浄し、前処理したアルミニウム合金板を形成した。
２）表面処理
前処理した（陽極として使用する）アルミニウム合金板をそれぞれ、２０ｗｔ％のＨ２ＳＯ４溶液を含有する陽極酸化処理槽に入れ、１５Ｖの電圧で１０分間電気分解し、アルミニウム合金板をブロー乾燥した。
３）成形
乾燥したアルミニウム合金板を射出成形用金型に挿入し、ポリフェニルスルフィド（ＰＰＳ）樹脂及びガラス繊維（樹脂組成物の総重量に基づき、ガラス繊維の含有率は３０ｗｔ％であった）を含有する樹脂組成物を射出成形した。離型及び冷却の後、アルミニウム合金と樹脂組成物の強固な結合を有するアルミニウム合金樹脂複合材が得られた。
試験
アルミニウム合金と樹脂の間の結合
実施例１〜７及び比較例１〜２で調製したアルミニウム合金樹脂複合材を、万能材料試験機に固定し、引張試験を実施した。最大負荷より低い試験結果を、アルミニウム合金と樹脂の間の結合力値と見なすことができ、試験結果を表１に要約する。
Figure 0005960847
表１を参照すると、本開示のアルミニウム合金樹脂複合材中の樹脂とアルミニウム合金との間の結合は最大１２６３Ｎを実現することができ、これは既存のアルミニウム合金樹脂複合材と比較して大幅に改良されている。
説明的な実施形態を図示し説明してきたが、当業者であれば、本開示の精神及び原理から逸脱することなく、実施形態に変更、代替及び修正ができることが理解されるであろう。このような変更、代替及び修正はすべて特許請求の範囲及びその同等物の範囲内に入る。

Claims (16)

  1. アルミニウム合金樹脂複合材を調製する方法であって、
    その表面上に酸化物層を有するアルミニウム合金基材を提供するステップであって、前記酸化物層がナノ細孔を有するステップと、
    腐食剤を使用することにより、前記酸化物層の外面に腐食細孔を形成するステップであって、前記腐食剤が、アンモニア、アンモニウム塩、ヒドラジン、ヒドラジン誘導体、及び水溶性アミン化合物からなる群から選択される少なくとも１つであるステップと、
    前記ナノ細孔及び前記腐食細孔が形成された前記アルミニウム合金基材の前記表面に樹脂組成物を射出成形するステップと、
    を含み、
    前記腐食細孔が、前記ナノ細孔が形成された前記アルミニウム合金基材を、前記腐食剤を含む腐食溶液に浸漬することによって形成され、前記腐食溶液が１０〜１３のｐＨを有する、方法。
  2. 前記腐食溶液が、アンモニア、アンモニウム塩、エチレンジアミン、ジエチルアミン、エタノールアミン、トリメチルアミン、メチルアミン、及びジメチルアミンからなる群から選択される少なくとも１つを含む水溶液である、請求項１に記載の方法。
  3. 前記腐食溶液が、アンモニア及びアンモニウム塩を含む水溶液である、請求項２に記載の方法。
  4. 前記腐食溶液が、ＮＨ３−ＮＨ４Ｃｌ、ＮＨ３−（ＮＨ４）２ＳＯ４、ＮＨ３−ＮＨ４ＨＣＯ３、及びＮＨ３−ＮＨ４ＮＯ３からなる群から選択される１つを含む水溶液である、請求項３に記載の方法。
  5. 前記腐食溶液の総重量に基づき、前記アンモニア及びアンモニウム塩の濃度が、重量パーセントで０．１％〜３０％である、請求項３に記載の方法。
  6. 前記腐食溶液が、５０重量部〜９９重量部の前記アンモニア、及び１重量部〜５０重量部の前記アンモニウム塩を含む、請求項５に記載の方法。
  7. 前記腐食細孔が、前記ナノ細孔が形成された前記アルミニウム合金基材を前記腐食溶液に少なくとも１回浸漬することによって形成され、前記浸漬時間が毎回、１分〜６０分間である、請求項１に記載の方法。
  8. 前記腐食細孔が、前記ナノ細孔が形成された前記アルミニウム合金基材を前記腐食溶液に２回〜１０回浸漬することによって形成される、請求項７に記載の方法。
  9. 前記ナノ細孔が１０ｎｍ〜１００ｎｍの平均直径を有し、前記腐食細孔が２００ｎｍ〜２０００ｎｍの平均直径を有し、前記酸化物層が１ミクロン〜５ミクロンの厚さを有する、請求項１に記載の方法。
  10. 前記酸化物層が、陽極酸化によって形成される、請求項１に記載の方法。
  11. 前記陽極酸化を実行する条件が、前記アルミニウム合金の表面上に１ミクロン〜１０ミクロンの厚さを有する前記酸化物層を形成するために、前記アルミニウム合金基材を、１０ｗｔ％〜３０ｗｔ％の濃度を有する硫酸中で、１０℃〜３０℃の温度、１０Ｖ〜１００Ｖの電圧で１分〜４０分間電気分解することである、請求項１０に記載の方法。
  12. 前記陽極酸化のステップの前に前処理ステップをさらに含む、請求項１０に記載の方法。
  13. 前記樹脂組成物が、熱可塑性樹脂を含む、請求項１に記載の方法。
  14. 前記熱可塑性樹脂が、主剤樹脂及びポリオレフィン樹脂を含む、請求項１３に記載の方法。
  15. 前記熱可塑性樹脂の１００重量部ベースで、前記熱可塑性樹脂が１重量部〜５重量部の流動改質剤を含み、前記流動改質剤が環状ポリエステルである、請求項１３に記載の方法。
  16. 前記樹脂組成物が、繊維フィラー及び粉末フィラーを含むフィラーをさらに含み、前記繊維フィラーが、ガラス繊維、炭素繊維及びポリアミド繊維からなる群から選択される少なくとも１つであり、前記粉末フィラーが、シリカ、タルク、水酸化アルミニウム、水酸化マグネシウム、炭酸カルシウム、炭酸マグネシウム、ガラス、カオリン、重硫酸バリウム、及び粘土からなる群から選択される少なくとも１つである、請求項１３に記載の方法。
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