專利名稱：生產(chǎn)涂覆零件的方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種生產(chǎn)涂覆有熱塑性材料層的零件(Bauteil)的方法。

背景技術(shù)：
鍍有熱塑性材料層的零件在工業(yè)生產(chǎn)成型過程中有著廣泛用途?？梢允褂靡阎臐茶T法來進行制備，其中一般是由模制材料制成塑料成形件。并且，例如可通過澆鑄機來塑煉粉末或顆粒狀的澆鑄材料并以較高壓力澆鑄到澆鑄工件的成型空腔內(nèi)。
另外，澆鑄法也特別適合于在一個操作過程中將多個組分結(jié)合起來，其中既可相互結(jié)合不同的也可相互結(jié)合相同的零件。多個相互連結(jié)的分部件可以預(yù)制成型并接著用塑料接合在一起。這里所指的是所謂的混雜、內(nèi)嵌和外嵌技術(shù)。這種技術(shù)所基于的基本原理是將金屬結(jié)構(gòu)嵌入到澆鑄工件中去并接著用熱塑性塑料涂覆或環(huán)繞澆注金屬結(jié)構(gòu)體。這里值得一提的是代表性例子是汽車結(jié)構(gòu)中的車身部件如車的前端，以熱塑性塑料環(huán)繞澆注的用于各種通電設(shè)備的金屬盒或金屬釘。
當在金屬部件上涂覆了溫度明顯低于熱塑性材料熔點的熱塑性材料熔體時，問題就會接踵而至。熔體中在朝向金屬的界面上會立即產(chǎn)生一層由硬化的，即經(jīng)過淬火的熱塑性材料構(gòu)成的薄層，而其并未粘附在金屬上。由于在進一步冷卻過程中整個熔體還會在澆鑄工件中硬化同時縮小其體積，所以由此就會造成熱塑性材料層至少部分地從金屬表面上松脫。雖然這種效應(yīng)一方面保證了熱塑性材料從金屬澆鑄工件中脫出的良好脫模性，另一方面卻也增大了在插座和控制設(shè)備中對諸如釘?shù)慕饘偾度爰M行隔絕液體或氣體的環(huán)繞注射的難度。與粘附連接或用熱固性環(huán)氧化物成型材料進行的環(huán)繞澆鑄相比，在用熱塑性材料進行環(huán)繞澆鑄時，在熱塑性材料和金屬嵌入件之間并不會構(gòu)成顯著的粘結(jié)。這種可能很小的粘結(jié)力不容傳遞拉伸或剪切應(yīng)力。另外，在環(huán)繞澆鑄的金屬零件和熱塑性材料之間也會形成很薄的縫隙。
因此，就需要在已經(jīng)涂覆的零件上進行后處理過程。通常要使用低粘度的基于環(huán)氧樹脂或硅酮的澆鑄材料，它們會滲入到不理想的縫隙中并在理想情況下粘附于金屬和熱塑性材料上。
另一替代方法是可以首先在熱的金屬零件上涂覆由熱熔粘結(jié)劑構(gòu)成的層，以接著用熱塑性材料環(huán)繞澆鑄該零件。但是這一方案的缺點是熱熔粘結(jié)劑的耐溫性和抗溶劑性很小。雖然采用以熱后交聯(lián)的熱熔粘結(jié)劑可以改善這兩種性質(zhì)，但是在用熱塑性材料環(huán)繞澆鑄了零件之后，整個復(fù)合體零件必須要在更高溫度下放置一段時間。某些情況下，當溫度很高時還會在復(fù)合體零件內(nèi)產(chǎn)生損傷，例如在復(fù)合體零件內(nèi)的電子元件上。
另一解決粘結(jié)性差的問題的方案是，在零件和外熱塑性材料層之間設(shè)置一個粘結(jié)介質(zhì)層。例如在未公開的DE-10361096.0中就記載了一種方法，根據(jù)該方法，在第一步中在金屬零件上涂覆一個粘結(jié)介質(zhì)層。接著在第二步中，在此時已涂有粘結(jié)介質(zhì)層的零件上環(huán)繞澆鑄熱塑性材料層，其中粘結(jié)介質(zhì)層與熱塑性材料層的焊接要使得在金屬零件和熱塑性材料層之間不出現(xiàn)裂縫，并且在熱塑性材料層和粘結(jié)介質(zhì)層之間并因此最后也在熱塑性材料層和金屬零件之間以力連接的方式(kraftschlüssige)結(jié)合。
為此必須滿足至少兩個條件環(huán)繞澆鑄時在熱塑性熔體和粘結(jié)介質(zhì)層之間所產(chǎn)生的界面溫度必須要對于焊接過程足夠高。另外，兩個待連接的層相互之間也必須要相容，即基本上可以相互焊接。
另外，在許多使用場合中對于待結(jié)合的材料也還提出了其他一些要求，例如對環(huán)境介質(zhì)的耐受性，特別是在較高溫度時。部分地對于材料使用相反要求的不同條件。一方面，粘結(jié)介質(zhì)層的軟化溫度應(yīng)足夠低以保證能用熱塑性材料環(huán)繞澆鑄法獲得良好的焊接效果，另一方面該溫度也要足夠高，能夠具有良好的耐溫性和耐介質(zhì)性。
最后，粘結(jié)介質(zhì)層也必須是彈性的并且其熱膨脹系數(shù)和其厚度也要與金屬和熱塑性材料層的相應(yīng)值處于特定的關(guān)系。另一替代方式可以是粘結(jié)介質(zhì)層設(shè)計成是可以體積壓縮形式的。
由上述邊界條件，就可以針對粘結(jié)介質(zhì)層和熱塑性材料層而得到明顯的材料選擇范圍。
另外，在US6620517B2中也公開了一種基于金屬零件的層合體，其中為制得該層合體在零件上相繼涂覆橡膠、粘附層和熱塑性材料層。其中也推薦了，在涂覆橡膠層之后將其硫化丙任選在經(jīng)硫化的橡膠層表面上實施等離子處理。這種主要是以稀有氣體等離子體進行的等離子處理是公知的用于對待處理層進行表面清潔的方法，該方法中，待處理的層的分子本身結(jié)構(gòu)并不會改變，而一般是從層上除去雜質(zhì)。


發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明優(yōu)點 如權(quán)利要求1所述的制備涂覆以熱塑性材料層的零件的方法具有如下優(yōu)點，即可實質(zhì)上加強熱塑性材料層在零件上的粘附或者可以實現(xiàn)這種粘附。實驗檢測可以表明，對于一般情況下很難相容的材料組合體本身來說，利用本發(fā)明的方法可以得到良好的粘結(jié)效果。由此也就能增大可用材料的選擇范圍。并且，也能有利地使該方法不需要額外的較大的技術(shù)成本，即能較為經(jīng)濟地進行。制成的零件的高質(zhì)量也對該方法的經(jīng)濟性作出了很大貢獻涂覆以熱塑性材料層的零件在環(huán)繞澆鑄之后是隔絕氣體和液體的，從而也就不必進行后續(xù)處理以密封零件。
此外，該方法也不僅適用于金屬零件，還適用于由熱固性材料制成的零件。
在從屬權(quán)利要求中并且在說明書中描述了該方法的有益的改進方案。



附圖 根據(jù)附圖和以下說明來更詳盡地闡述本發(fā)明的實施方案。附圖分別為 圖1一種根據(jù)本發(fā)明制得的經(jīng)涂覆的零件，其在零件和熱塑性材料層之間具有一個中間層，和 圖2另一根據(jù)本發(fā)明制得的經(jīng)涂覆的零件，其在零件和熱塑性材料層之間具有一個中間層，其中的中間層設(shè)置有薄粘結(jié)劑層。
實施方案的描述 本發(fā)明方法基于如下認識，通過有目的地等離子處理位于零件和熱塑性材料層之間的中間層即可強烈改善熱塑性材料層在零件上的粘結(jié)力或能夠?qū)崿F(xiàn)這種粘結(jié)。圖1顯示了一種用該方法制得的零件。設(shè)計有以下步驟來制備涂覆有熱塑性材料層的零件 a)提供零件(10)， b)在零件(10)的至少一部分上涂覆由塑料構(gòu)成的中間層(20)， c)用等離子氣體對中間層(20)進行等離子處理，該過程中，至少在中間層(20)的表面上，中間層(20)的分子或分子結(jié)構(gòu)會改變，并且 d)澆鑄熱塑性材料層(30)，其方式使得熱塑性材料層(30)和設(shè)置有中間層(20)的零件(10)能相互以力連接的方式粘附。
步驟a)中提供待涂覆的零件(10)。通常，該零件由金屬材料構(gòu)成，但也可以是由熱固性材料構(gòu)成的。
以下，在步驟b)中，將零件(10)的至少一部分上涂覆由塑料構(gòu)成的中間層(20)。塑料可以是諸如聚酰胺的熱塑性材料，諸如聚醚嵌段酰胺(PEBA)的熱塑性彈性體(TPE)，諸如經(jīng)硫化的橡膠或交聯(lián)硅酮的彈性體。其中特別重要的是熱塑性彈性體(TPE)、氟橡膠或氟硅酮。這些材料是非常令人感興趣的，因為他們能耐受介質(zhì)和高溫。中間層(20)較理想地應(yīng)具有10μm至幾個100μm的厚度，最大約1mm。這種對于中間層(20)的材料并因此也是對于材料組合體中間層(20)/熱塑性材料層(30)的材料的大范圍選擇，只有通過接著對中間層(20)進行等離子處理而實現(xiàn)。
步驟c)中進行等離子處理期間，至少在中間層(20)的表面上，中間層(20)的分子或其分子結(jié)構(gòu)會改變。一般，可以用低壓或大氣壓等離子體來處理中間層(20)。第一種情況下，過程壓力優(yōu)選為約0.1至0.5mbar，特別是0.3mbar。相反，如果以大氣壓等離子體來加工，則就可以舍棄真空室并且使零件直接在例如帶有機械手的澆鑄機器上運動穿過等離子噴槍。作為用于等離子處理的等離子氣體可以采用含有例如硅烷的氣體混合物或純氧。另外，還可以添加氬氣作為保護氣。
塑料表面的改性可以根據(jù)等離子氣體組成的不同而不同地進行。對于反應(yīng)性等離子體則可以形成由等離子氣體成分構(gòu)成的表面層。通過等離子處理可以使等離子氣體的成分，例如氧(氧化作用)滲入到至少中間層(20)的表面區(qū)域內(nèi)。通過從等離子氣體中使雜原子或分子基團滲入到塑料表面內(nèi)，也就可以由等離子處理而使中間層(20)的分子轉(zhuǎn)化為具有更高極性的狀態(tài)。若中間層(20)的分子結(jié)構(gòu)具有線性的分子鏈，則通過等離子處理可以縮短分子鏈。最后，也可以通過等離子處理而使得至少在中間層(20)的表面區(qū)域內(nèi)自行產(chǎn)生活性基團如反應(yīng)性離子，或自由基，而它們會與上面澆鑄的熱塑性材料層發(fā)生化學結(jié)合。等離子氣體的使用也要使得等離子氣體成分能夠在塑料表面上形成活性基團或促進粘附的基團。
這種采用等離子體表面處理后的中間層(20)在其后的步驟d)用熱塑性材料澆鑄其上的過程中，會表現(xiàn)出更好的力連接方式的結(jié)合。特別是，通過這種方法可得到隔絕氣體和液體的零件。
該方法的另一實施方式如圖2所示，需要時可以在步驟c)和d)之間于經(jīng)等離子體處理后的中間層(20)上設(shè)置一層厚度為幾個μm的薄的反應(yīng)性粘結(jié)劑層(25)(“澆鑄粘結(jié)”)。粘結(jié)劑層(25)應(yīng)較好地由環(huán)氧粘結(jié)劑構(gòu)成。在步驟d)之后粘結(jié)劑層(25)開始硬化。如果是雙成分粘結(jié)劑的情況，則這一過程通常在室溫下即已可能發(fā)生。硬化后，粘結(jié)劑同樣滿足耐溫和耐介質(zhì)性方面的要求。
與未經(jīng)等離子體處理的中間層(20)相比，經(jīng)等離子處理后的中間層(20)的粘附性至少是顯著改善了，這可通過粘附性試驗來反復(fù)證實。這里，值得一提的所有可能實施方式的幾個代表性例子是氧等離子體處理法。材料名稱是可市售得到的塑料的種類名稱。
在實施例1至5中測試了未用等離子處理的不相容的材料結(jié)合，即它們相互間沒有或只表現(xiàn)出小到可忽略不計的粘附力。但在等離子處理之后，可測得良好的粘附力。
實施例1 中間層(20)TPE-E-層，厚度為1.0mm的“Arnitel PL 380” 熱塑性材料層(30)PA66-GF35，“Ultramid A3HG7” 等離子體處理O2-等離子體，在0.3mbar下處理2次180秒 經(jīng)等離子預(yù)處理的拉伸剪切強度大于1.5Mpa 未經(jīng)等離子預(yù)處理的拉伸剪切強度0Mpa 實施例2 中間層(20)TPE-E-層，厚度為1.0mm的“Hytrel 5555 HS” 熱塑性材料層(30)PA66-GF35，“Ultramid A3HG7” 等離子體處理O2-等離子體，在0.3mbar下處理2次180秒 經(jīng)等離子預(yù)處理的拉伸剪切強度大于6Mpa 未經(jīng)等離子預(yù)處理的拉伸剪切強度0Mpa 實施例3 中間層(20)Polyamid 12-GF15，厚度為1.0mm的“Vestamid L-GF15” 熱塑性材料層(30)聚苯硫醚(PPS)，“Ryton R4-200” 等離子體處理O2-等離子體，在0.3mbar下處理2次180秒 經(jīng)等離子預(yù)處理的拉伸剪切強度12.7Mpa 實施例4 中間層(20)Polyamid 12-GF15，厚度為1.0mm的“Vestamid L-GF15” 熱塑性材料層(30)Polyamid 46，“Stanyl TW 300” 等離子體處理O2-等離子體，在0.3mbar下處理2次180秒 經(jīng)等離子預(yù)處理的拉伸剪切強度15.9Mpa 實施例5 中間層(20)Polyamid 12-GF15，厚度為1.0mm的“Vestamid L-GF15” 熱塑性材料層(30)聚苯硫醚(PPS)，“Ryton R4-200” 等離子體處理O2-等離子體，在0.3mbar下處理2次180秒 經(jīng)等離子預(yù)處理的拉伸剪切強度4.1Mpa 實施例6 中間層(20)Polyamid 12-GF15，厚度為1.0mm的“Vestamid L-GF15” 熱塑性材料層(30)Polyamid 46，“Stanyl TW 300” 等離子體處理O2-等離子體，在0.3mbar下處理2次180秒 經(jīng)等離子預(yù)處理的拉伸剪切強度4.7Mpa 在以下實施例7和8中對不具有和具有另一幾個μm厚的粘結(jié)劑層(25)進行可對比的測量。粘結(jié)劑由“EP1”，“Araldit LY 1413 BD”和“HY 840-1”組成的混合物按照1∶1的比例構(gòu)成。在環(huán)繞澆鑄熱塑性材料層(30)之后，在80℃下固化粘結(jié)劑層(25)約4小時。如測試結(jié)果所示，在對中間層(20)等離子處理了之后，額外的粘結(jié)劑層(25)可以進一步改善粘附力。
實施例7 中間層(20)氟硅酮層，厚度為1.0mm的Dow Corning公司的“Typ4-9060” 熱塑性材料層(30)Polyamid 46，“Stanyl TW 300” 等離子體處理O2-等離子體，在0.3mbar下處理2次180秒 不含粘結(jié)劑的拉伸剪切強度2.6Mpa 含有粘結(jié)劑的拉伸剪切強度3.2MPa 實施例8 中間層(20)Viton層，厚度為1.0mm的Parker公司的“Typ V747” 熱塑性材料層(30)聚苯硫醚(PPS)，“Ryton R4-200” 等離子體處理O2-等離子體，在0.3mbar下處理2次180秒 不含粘結(jié)劑的拉伸剪切強度0Mpa 含有粘結(jié)劑的拉伸剪切強度2.5MPa
權(quán)利要求
1.制備一種涂覆有熱塑性材料層(30)的零件(10)的方法，該方法包括
e)提供零件(10)，
f)在零件(10)的至少一部分上涂覆由塑料構(gòu)成的中間層(20)，
g)用等離子氣體對中間層(20)進行等離子處理，該過程中，至少在中間層(20)的表面上，中間層(20)的分子或分子結(jié)構(gòu)會改變，并且
h)澆鑄熱塑性材料層(30)，其方式使得熱塑性材料層(30)和設(shè)置有中間層(20)的零件(10)能相互以力連接的方式粘附。
2.如權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，在步驟a)中提供由金屬或熱固性材料構(gòu)成的零件(10)。
3.如權(quán)利要求1或2所述的方法，其特征在于，在步驟b)中覆上由熱塑性材料，熱塑性彈性體(TPE)，彈性體或交聯(lián)硅酮構(gòu)成的中間層(20)。
4.如權(quán)利要求3所述的方法，其特征在于，步驟b)中覆上由氟橡膠構(gòu)成的中間層(20)。
5.如權(quán)利要求3所述的方法，其特征在于，步驟b)中覆上由氟硅酮構(gòu)成的中間層(20)。
6.如權(quán)利要求3所述的方法，其特征在于，在步驟b)中覆上由硫化橡膠構(gòu)成的中間層(20)。
7.如權(quán)利要求1至6之一所述的方法，其特征在于，步驟b)中覆上厚度為10μm至幾個100μm的中間層(20)。
8.如權(quán)利要求1至7之一所述的方法，其特征在于，步驟c)中用低壓等離子體處理中間層(20)。
9.如權(quán)利要求8所述的方法，其特征在于，步驟c)中壓力為0.1至0.5mbar，特別是0.3mbar。
10.如權(quán)利要求1至7之一所述的方法，其特征在于，步驟c)中用大氣壓等離子體處理中間層(20)。
11.如權(quán)利要求1至10之一所述的方法，其特征在于，步驟c)中對于等離子處理使用氣體混合物或純氧。
12.如權(quán)利要求11所述的方法，其特征在于，步驟c)中采用由惰性載氣如氬氣和揮發(fā)性化合物如硅烷組成的氣體混合物。
13.如權(quán)利要求11或12所述的方法，其特征在于，步驟c)中通過等離子處理使等離子氣體的成分或氧至少嵌入到中間層(20)的表面區(qū)域內(nèi)。
14.如權(quán)利要求1至13之一所述的方法，其特征在于，步驟c)中通過等離子處理使中間層(20)的分子轉(zhuǎn)化為具有更高極性的狀態(tài)。
15.如權(quán)利要求1至12之一所述的方法，其特征在于，步驟c)中，中間層(20)的分子結(jié)構(gòu)所具有的分子鏈通過等離子處理而縮短。
16.如權(quán)利要求1至12之一所述的方法，其特征在于，步驟c)中，通過等離子處理而至少在中間層(20)的表面區(qū)域內(nèi)形成活性基團。
17.如權(quán)利要求1至16之一所述的方法，其特征在于，在步驟c)與d)之間設(shè)置具有厚度為幾個μm的薄粘結(jié)劑層(25)的中間層(20)。
18.如權(quán)利要求17所述的方法，其特征在于，粘結(jié)劑層(25)由環(huán)氧粘結(jié)劑構(gòu)成。
19.如權(quán)利要求17或18所述的方法，其特征在于，步驟d)之后固化粘結(jié)劑層(25)。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種制備涂覆有熱塑性材料層(30)的零件(10)的方法，其中該方法包括a)提供零件(10)，b)在零件(10)的至少一部分上涂覆由塑料構(gòu)成的中間層(20)，c)用等離子氣體對中間層(20)進行等離子處理，該過程中，至少在中間層(20)的表面上，中間層(20)的分子或分子結(jié)構(gòu)會改變，并且d)澆鑄熱塑性材料層(30)，其方式使得熱塑性材料層(30)和設(shè)置有中間層(20)的零件(10)能相互以力連接的方式粘附。
文檔編號B29C45/14GK101218082SQ200680024638
公開日2008年7月9日 申請日期2006年6月14日 優(yōu)先權(quán)日2005年7月6日
發(fā)明者W·艾徹勒, P·勒托嫩 申請人:羅伯特·博世有限公司