專利名稱：鎂合金與聚苯硫醚塑料直接接合的方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及金屬材料與聚苯硫醚塑料(PPS)的接合方法和表面改性技術(shù)，特別是指
通過功能納米有機功能薄膜實現(xiàn)鎂合金與工程塑料直接接合的方法。
背景技術(shù)：
隨著當今能源問題的日益突出，節(jié)能與環(huán)保是當今科技發(fā)展的主要方向。鎂合金是重 要的輕質(zhì)金屬結(jié)構(gòu)材料，以其高的比強度、比剛度，良好的成形加工性及易于回收再利用
等特點，被人們認為是21世紀的綠色結(jié)構(gòu)材料。與此同時，塑料也是重要的輕質(zhì)材料， 被廣泛應用于人們的日常生活中，而作為特種工程塑料之一的聚苯硫醚(PPS)以其優(yōu)異 的高溫穩(wěn)定性、阻燃性、耐化學腐蝕性及良好的機械和電學性能，而被廣泛地應用于汽車、 電子電氣、機械及化工等領(lǐng)域。因此，將鎂合金和PPS塑料相接合制得的具有不同構(gòu)型 和特性的復合件，更好地發(fā)揮它們各自的優(yōu)異性能，使其能夠滿足各種環(huán)境下的應用，特 別是適用于輕量化的精密產(chǎn)品中，如3C產(chǎn)品中的數(shù)碼相機、手機、筆記本電腦等。
然而，鎂合金與PPS塑料之間接合是一個較難解決的問題，這是由于鎂合金件表面 易于形成屬于弱界面層的氧化膜，接合性能較差的原因所致。目前，能夠適用于金屬與塑 料之間接合的方法有很多，通過膠粘劑實現(xiàn)金屬與塑料之間的接合是一種常用方法，例如， 中國發(fā)明專利200310121347.3，提供了一種金屬塑料復合板的粘合劑，用來結(jié)合鋁合金板 與聚氯乙烯。由于在接合界面涂覆膠粘劑的過程中，難以保證接合劑涂覆均勻，尤其難以 適合表面形狀特殊、結(jié)構(gòu)復雜的零部件，金屬與塑料之間的接合性能難以保證；同時大部 分為溶劑型物質(zhì)，對環(huán)境有害，導致勞動條件惡劣，而且大部分膠粘劑會加重對鎂合金表 面的腐蝕，影響到日后的使用性能，嚴重時導致失效，因此不適合用于鎂合金與塑料的接合。
為了更好的解決金屬與塑料之間的接合問題，人們進行了大量的研究，許多方法被報 道，例如，中國發(fā)明專利申請?zhí)枮?00510058864.X公開了一種金屬與塑料復合面殼的粘 接方法，它是通過先于塑料面殼的粘接面上粘貼固態(tài)膠片，再將金屬面殼放置在己經(jīng)貼有 固態(tài)膠片的塑料內(nèi)面殼上，加力粘接后熱融固化的方法來實現(xiàn)塑料與金屬之間的接合。盡 管該方法解決了通過膠粘劑實現(xiàn)塑料與金屬接合過程中對環(huán)境有害的問題，但是該方法中 粘貼固態(tài)膠片的過程中難以保證粘貼位置的準確，且不適合大面積塑料與金屬之間的接合，同時該方法只提及到不銹鋼和鋁合金，不適用于鎂合金。中國發(fā)明專利申請?zhí)?91108158.5則公開了一種通過在塑料表面沉積一層極薄的金屬銅，用以提高塑料的表面能， 隨后用膠粘劑實現(xiàn)鍍銅后塑料與金屬的緊密接合的方法，然而該方法仍舊需要使用與環(huán)境 有害的膠粘劑，且膠粘劑的涂覆及固化工藝將影響塑料與金屬之間的接合性能，同時該方 法亦未具體提及鎂合金的接合。
本發(fā)明的目的在于針對現(xiàn)有金屬與塑料材料接合方法中的缺點，提供一種能夠適用于 鎂合金與PPS塑料直接接合的方法，能夠得到接合緊密的鎂合金/ PPS塑料接合件。 本發(fā)明的目的是通過以下方法實現(xiàn)的。
一種鎂合金與PPS塑料直接接合的方法，采用三電極工作方式有機鍍膜，具體步驟 及其工藝條件如下-
步驟一有機鍍膜
1) 電解質(zhì)溶液含有三氮雜嗪類有機化合物鹽0.5 30 mmol/L、支持電解質(zhì)0.1 5 mol/L;
2) 有機鍍膜工藝條件為
鍍液PH值為8 13，電流密度為0.5 5 A/m2，鍍膜時間為3 50 min，鍍膜溫度為 5 30 。C;
3) 經(jīng)過現(xiàn)有常規(guī)技術(shù)拋光、除油處理的鎂合金工件放入到電解質(zhì)溶液中進行處理， 在其表面制備出一層致密的功能納米有機薄膜，并且有機膜層厚度隨電流密度和鍍膜時間 變化在10 80nm范圍內(nèi)可控；
電解質(zhì)溶液所用的三氮雜嗪類化合物單體結(jié)構(gòu)如下
結(jié)構(gòu)中的R為下列原子之一N， S;
當R為S原子時，Ri和R2之一為H原子，并且兩者不共存；當R為N原子時，結(jié)
構(gòu)中的&為下列功能基團之一-
烷基類CH3-， C2H5-， C4Hg-， C6H13-, C8H17-， C10H21-， C12H25-， C4H9(C2H5)CHCH2-，
烯基類CH2=CHCH2-， CH2=CH(CH2)r， CH2=CH(CH2)9-， C8H17CH=CHC8H16-;

發(fā)明內(nèi)容
R—R2 、N
n-C8Hi7-， n-Ci8H37-， iso-CgHn-, iso-Ci8H37-;
芳基類C6H5-， C6H5CH2-， C6H5CH2CH2-;
其它H-;
結(jié)構(gòu)中的R2為下列功能基團之一
垸基類CH3-， C2H5-， C4H9-， C6H13-， C8H17-， C1()H21-， C12H25-， iso-C8H17-， iso-C18H37-， n-C8Hn-， n-C18H3r;
烯基類CH2=CHCH2-， CH2=CH(CH2)8-， CH2=CH(CH2)9-， C8H17CH=CHC8HI6-， C6Hu-; 芳基類C6H5-， C6H5CH2-， C6H5CH2CH2-;
其它H-;
結(jié)構(gòu)中的N^和M2均為下列原子之一氫、鈉、鉀。
電解質(zhì)溶液中所用的支持電解質(zhì)優(yōu)選碳酸鈉、氫氧化鉀、氫氧化鈉、亞硝酸鈉、亞硼 酸鈉、硼酸鈉其中一種。
步驟二鎂合金/PPS接合件的制備
首先，將經(jīng)過有機鍍膜處理后鎂合金工件置于注射模具中；其次，將顆粒狀PPS原
料放入注射機料斗，經(jīng)過熔融和保溫后，以100 MPa的注射壓力和30 cm3/s的注射速率， 通過噴嘴注射于鎂合金板所處的閉合模具中；注射過程中氣缸的溫度在280 340 °C，模 具的溫度在80 150 °C。
本發(fā)明特別適用于下列鎂合金系列Mg-Al系合金、Mg-Zn系合金、Mg-Mn系合金、 Mg-Al-Zn系合金、Mg-Al-Mn系合金。
本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比，具有如下優(yōu)點。
1、 本發(fā)明中由于有機薄膜是通過三氮雜嗪類有機化合物中所含的功能基團與鎂合金 表面原子反應生長得到，因此該有機鍍膜得到的鍍層可以作為鎂合金單獨的保護層，也可 以作為普通化學鍍和噴涂的基底；另外，鎂合金表面的有機薄膜同PPS塑料之間是以化 學反應接合，因而可以獲得接合緊密的鎂合金/ PPS塑料的接合件。
2、 本發(fā)明由于采用的是電化學方法，因而能夠?qū)哂胁煌瑯?gòu)型、復雜形狀的零部件 進行處理，能夠?qū)崿F(xiàn)了復雜零部件與PPS塑料的直接接合，擴大了接合件的應用范圍。
3、 本發(fā)明涉及的鍍液不含有對環(huán)境和人類身體健康有毒有害成分的特點，無毒無害 無環(huán)境污染，屬于環(huán)保型配方。
4、 本發(fā)明工藝簡便、接合件接合緊密，鎂合金/PPS塑料的接合件質(zhì)量穩(wěn)定，易于 推廣應用。
具體實施例方式
下面通過實施例對本發(fā)明作進一步說明。 實施例一
用于有機鍍膜的基板金屬為Mg-Al-Zn系鎂合金，尺寸為50xl0xl(mm)。 步驟一有機鍍膜
首先，對鎂合金試樣預先進行拋光處理，隨后在溫度為3(TC的條件下，于丙酮溶液 中超聲波除油30min，再進行有機鍍膜處理，其具體工藝條件和步驟如下
1、 有機鍍膜采用三電極工作方式，工作電極為鎂合金試樣，輔助電極為不銹鋼薄片， 參比電極為飽和甘汞電極(SCE);
2、 有機鍍膜中使用的電解質(zhì)溶液由以下物質(zhì)組成-
2mmol/L含有上述功能基團的三氮雜嗪類有機化合物鹽，lmol/L亞硼酸鈉，其余為蒸餾 水；
3、有機鍍膜條件如下
鍍液的PH值為8.7,電流密度為lA/m2,鍍膜時間為15min,鍍膜溫度為15'C，經(jīng) 有機鍍膜后，鎂合金工件表面所獲得的有機薄膜的厚度為15.2 nm。 步驟二鎂合金/PPS塑料接合件的制備
首先，將經(jīng)過有機鍍膜處理后鎂合金工件置于注射模具中；其次，將PPS原料(顆 粒狀)放入注射機料斗，經(jīng)過熔融和保溫后，以100 MPa的注射壓力和30 cm"s的注射 速率，通過噴嘴注射于鎂合金板所處的閉合模具中；注射過程中氣缸的溫度在285 t:，模 具的溫度在120 'C。
在2(TC恒溫條件下，通過拉伸測試(拉伸速率為2mm/min)來測定接合體(寬度為 12 mm)的剝離強度。測試表明，接合件的拉伸剪切強度達到7.9MPa。 實施例二
用于有機鍍膜的基板金屬為Mg-Zn系鎂合金，尺寸為50xi0xl(mm)。 步驟一有機鍍膜
首先，對鎂合金試樣預先進行拋光處理，隨后在溫度為30"C的條件下，于丙酮溶液 中超聲波除油30min，再進行有機鍍膜處理，其具體工藝條件和步驟如下
1、有機鍍膜采用三電極工作方式，工作電極為鎂合金片，輔助電極為不銹鋼薄片，
C2H5— N—CH2CH2C6H5
參比電極為飽和甘汞電極(SCE);
2、有機鍍膜中使用的電解質(zhì)溶液由以下物質(zhì)組成:
<formula>formula see original document page 8</formula>10 mmol/L含有上述功能基團的二氮雜嗪類有機化合物鹽，2mol/L氫氧化鈉，其余為蒸 餾水；
3、有機鍍膜條件如下-
鍍液的PH值為11.5，電流密度為2A/m2，鍍膜時間為10min，鍍膜溫度為1(TC， 經(jīng)有機鍍膜后，鎂合金工件表面所獲得的有機薄膜的厚度為23.7 nm。 步驟二鎂合金/PPS塑料接合件的制備
首先，將經(jīng)過有機鍍膜處理后鎂合金工件置于注射模具中；其次，將PPS原料(顆 粒狀)放入注射機料斗，經(jīng)過熔融和保溫后，以100 MPa的注射壓力和30 cm"s的注射 速率，通過噴嘴注射于鎂合金板所處的閉合模具中；注射過程中氣缸的溫度在31(TC，模 具的溫度在95 °C。
在20 r恒溫條件下，通過拉伸測試(拉伸速率為2mm/min)來測定接合體(寬度為 12 mm)的剝離強度。測試表明，接合體的剝離強度達到8.3MPa。 實施例三-
用于有機鍍膜的基板金屬為Mg-Al-Mn系鎂合金，尺寸為50xl0xl(mm)。 步驟一有機鍍膜
首先，對鎂合金試樣預先進行拋光處理，隨后在溫度為3(TC的條件下，于丙酮溶液 中超聲波除油30min，再進行有機鍍膜處理，其具體工藝條件和步驟如下
1、 有機鍍膜采用三電極工作方式，工作電極為鎂合金片，輔助電極為不銹鋼薄片， 參比電極為飽和甘汞電極(SCE);
2、 有機鍍膜中使用的電解質(zhì)溶液由以下物質(zhì)組成<formula>formula see original document page 8</formula>
12 mmol/L含有上述功能基團的三氮雜嗪類有機化合物鹽，5mol/L亞硝酸鈉，其余為蒸
餾水；
3、有機鍍膜條件如下-
鍍液的PH值為10.4,電流密度為0.5 A/m2，鍍膜時間為50 min，鍍膜溫度為20 。C ， 經(jīng)有機鍍膜后，鎂合金工件表面所獲得的有機薄膜的厚度為28.5 nm。 步驟二鎂合金/PPS塑料接合件的制備
首先，將經(jīng)過有機鍍膜處理后鎂合金工件置于注射模具中；其次，將PPS原料(顆 粒狀)放入注射機料斗，經(jīng)過熔融和保溫后，以100 MPa的注射壓力和30 cm"s的注射 速率，通過噴嘴注射于鎂合金板所處的閉合模具中；注射過程中氣缸的溫度在34(TC，模 具的溫度在S0'C。
在20'C恒溫條件下，通過拉伸測試(拉伸速率為2mm/min)來測定接合體(寬度為 12 mm)的剝離強度。測試表明，接合體的剝離強度達到7.7MPa。 實施例四
用于有機鍍膜的基板金屬為Mg-Al系鎂合金，尺寸為50xl0xl(mm)。 步驟一有機鍍膜
首先，對鎂合金試樣預先進行拋光處理，隨后在溫度為3(TC的條件下，于丙酮溶液 中超聲波除油30min，再進行有機鍍膜處理，其具體工藝條件和步驟如下.-
1、 有機鍍膜采用三電極工作方式，工作電極為鎂合金片，輔助電極為不銹鋼薄片， 參比電極為飽和甘汞電極(SCE);
2、 有機鍍膜中使用的電解質(zhì)溶液由以下物質(zhì)組成
C4H9— ——CH2C6H5
20mmol/L含有上述功能基團的三氮雜嗪類有機化合物鹽，2.5mol/L碳酸鈉，其余為蒸餾 水；
3、有機鍍膜條件如下
鍍液的PH值為9.7，電流密度為1.2 A/m2，鍍膜時間為40 min，鍍膜溫度為20 °C ， 經(jīng)有機鍍膜后，鎂合金工件表面所獲得的有機薄膜的厚度為41.8 nm。 步驟二鎂合金/PPS塑料接合件的制備
首先，將經(jīng)過有機鍍膜處理后鎂合金工件置于注射模具中；其次，將PPS原料(顆 粒狀)放入注射機料斗，經(jīng)過熔融和保溫后，以IOO MPa的注射壓力和30 cm"s的注射
速率，通過噴嘴注射于鎂合金板所處的閉合模具中；注射過程中氣缸的溫度在29(TC，模 具的溫度在150 'C。
在20'C恒溫條件下，通過拉伸測試(拉伸速率為2mm/min)來測定接合體(寬度為 12 mm)的剝離強度。測試表明，接合體的剝離強度達到8.2MPa。 實施例五
用于有機鍍膜的基板金屬為Mg-Mn系鎂合金，尺寸為50xlOl(mm)。 步驟一有機鍍膜
首先，對鎂合金試樣預先進行拋光處理，隨后在溫度為30'C的條件下，于丙酮溶液 中超聲波除油30min，再進行有機鍍膜處理，其具體工藝條件和步驟如下
1、 有機鍍膜采用三電極工作方式，工作電極為鎂合金片，輔助電極為不銹鋼薄片，
參比電極為飽和甘汞電極(SCE);
2、 有機鍍膜中使用的電解質(zhì)溶液由以下物質(zhì)組成
<formula>formula see original document page 10</formula>
25 mmol/L含有上述功能基團的三氮雜嗪類有機化合物鹽，3mol/L氫氧化鉀，其余為蒸 餾水；
3、有機鍍膜條件如下
鍍液的PH值為12.3，電流密度為1.5 A/m2，鍍膜時間為30min，鍍膜溫度為5 'C， 經(jīng)有機鍍膜后，鎂合金工件表面所獲得的有機薄膜的厚度為65.8 nm。 步驟二鎂合金/PPS塑料接合件的制備
首先，將經(jīng)過有機鍍膜處理后鎂合金工件置于注射模具中；其次，將PPS原料(顆 粒狀)放入注射機料斗，經(jīng)過熔融和保溫后，以100 MPa的注射壓力和30 cm"s的注射 速率，通過噴嘴注射于鎂合金板所處的閉合模具中；注射過程中氣缸的溫度在325 'C，模 具的溫度在110 'C。
在2(TC恒溫條件下，通過拉伸測試(拉伸速率為2mm/min)來測定接合體(寬度為 12 mm)的剝離強度。測試表明，接合體的剝離強度達到7.3MPa。 實施例六
用于有機鍍膜的基板金屬為Mg-Mn系鎂合金，尺寸為50xl0xl(mm)。
步驟一有機鍍膜
首先，對鎂合金試樣預先進行拋光處理，隨后在溫度為3(TC的條件下，于丙酮溶液 中超聲波除油30min，再進行有機鍍膜處理，其具體工藝條件和步驟如下
1、 有機鍍膜采用三電極工作方式，工作電極為鎂合金片，輔助電極為不銹鋼薄片， 參比電極為飽和甘汞電極(SCE);
2、 有機鍍膜中使用的電解質(zhì)溶液由以下物質(zhì)組成
SH
N《 N
NaS^NT SH
16 mmol/L含有上述功能基團的三氮雜嗪類有機化合物鹽，2mol/L硼酸鈉，其余為蒸餾 水；
3、有機鍍膜條件如下
鍍液的PH值為8.9，電流密度為1.5 A/m2，鍍膜時間為30 min，鍍膜溫度為25 'C， 經(jīng)有機鍍膜后，鎂合金工件表面所獲得的有機薄膜的厚度為51.8 nm。 步驟二鎂合金/PPS接合件的制備
首先，將經(jīng)過有機鍍膜處理后鎂合金工件置于注射模具中；其次，將PPS原料(顆 粒狀)放入注射機料斗，經(jīng)過熔融和保溫后，以100 MPa的注射壓力和30 cmVs的注射 速率，通過噴嘴注射于鎂合金板所處的閉合模具中；注射過程中氣缸的溫度在305'C，模 具的溫度在95 °C。
在20'C恒溫條件下，通過拉伸測試(拉伸速率為2mm/min)來測定接合體(寬度為 12 mm)的剝離強度。測試表明，接合體的剝離強度達到6.9MPa。
權(quán)利要求
1、一種鎂合金與聚苯硫醚塑料直接接合的方法，采用電化學方法，其特征在于采用三電極工作方式有機鍍膜，具體步驟及其工藝條件如下步驟一有機鍍膜1)電解質(zhì)溶液含有三氮雜嗪類有機化合物鹽0.5～30mmol/L、支持電解質(zhì)0.1～5mol/L；2)有機鍍膜工藝條件為鍍液PH值為8～13，電流密度為0.5～5A/m2，鍍膜時間為3～50min，鍍膜溫度為5～30℃；3)經(jīng)過現(xiàn)有常規(guī)技術(shù)拋光、除油處理的鎂合金工件放入到電解質(zhì)溶液中進行處理，在其表面制備出一層致密的功能納米有機薄膜，并且有機膜層厚度隨電流密度和鍍膜時間變化在10～80nm范圍內(nèi)可控；步驟二鎂合金/PPS接合件的制備首先，將經(jīng)過有機鍍膜處理后鎂合金工件置于注射模具中；其次，將顆粒狀PPS原料放入注射機料斗，經(jīng)過熔融和保溫后，以100MPa的注射壓力和30cm3/s的注射速率，通過噴嘴注射于鎂合金板所處的閉合模具中；注射過程中氣缸的溫度在280～340℃，模具的溫度在80～150℃，即制得接合緊密的鎂合金/PPS接合件。
2、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種鎂合金與聚苯硫醚塑料直接接合的方法，其特征在于 電解質(zhì)溶液所用的三氮雜嗪類化合物選自如下單體結(jié)構(gòu)<formula>formula see original document page 2</formula>結(jié)構(gòu)中的R為下列原子之一N， S;當R為S原子時，R,和R2之一為H原子，并且兩者不共存；當R為N原子時，結(jié)構(gòu)中的Ri為下列功能基團之一烷基類CH3-， C2H5-， C4H9-， C6H13-， C8H17-， C10H21-， Cl2H25-， C4H9(C2H5)CHCH2-， n-C8H17-， n-C18H37-， iso-C8H17-， iso-C18H37-;烯基類CH2=CHCH2-， CH2=CH(CH2)8-， CH2=CH(CH2)9-， C8H17CH=CHC8H16-;芳基類C6H5-， C6H5CH2-， C6H5CH2CH2-;其它 H-; 結(jié)構(gòu)中的R2為下列功能基團之一垸基類CH3-， C2H5-， C4H9-， C6H13-， C8H17-， C10H21-， C12H25-， iso-C8H17-， iso-C18H37-， n-C8H17-， n-C18H37-;烯基類CH2=CHCH2-， CH2=CH(CH2)8-， CH2=CH(CH2)9-， C8H17CH=CHC8H16-， C6Hu-;芳基類C6H5-， C6H5CH2-， C6H5CH2CH2-;其它H-;結(jié)構(gòu)中的M,和M2均為下列原子之一氫、鈉、鉀。
3、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種鎂合金與聚苯硫醚塑料直接接合的方法，其特征在于: 電解質(zhì)溶液中所用的支持電解質(zhì)為碳酸鈉、氫氧化鉀、氫氧化鈉、亞硝酸鈉、亞硼酸鈉、 硼酸鈉其中一種。
4、 根據(jù)權(quán)利要求1或2或3所述的一種鎂合金與聚苯硫醚塑料直接接合的方法，其 特征在于本方法適用于下列鎂合金系列Mg-Al系合金、Mg-Zn系合金、Mg-Mn系合 金、Mg-Al-Zn系合金、Mg-Al-Mn系合金。
全文摘要
本發(fā)明是一種鎂合金與聚苯硫醚塑料直接接合的方法。本法采用三電極工作方式有機鍍膜，電解質(zhì)溶液含有三氮雜嗪類有機化合物鹽0.5～30mmol/L、支持電解質(zhì)0.1～5mol/L；鍍液pH值為8～13，電流密度為0.5～5A/m²，鍍膜時間為3～50min，鍍膜溫度為5～30℃，有機膜層厚度隨電流密度和鍍膜時間變化在10～80nm范圍內(nèi)可控；將經(jīng)過有機鍍膜處理后鎂合金工件置于注射模具中，PPS原料通過噴嘴注射于鎂合金板所處的閉合模具中，即制得接合緊密的鎂合金/PPS接合件。本發(fā)明工藝簡便、環(huán)保，能夠?qū)崿F(xiàn)復雜鎂合金零部件與聚苯硫醚塑料的直接緊密結(jié)合，質(zhì)量穩(wěn)定，進一步擴大了鎂合金的應用范圍。
文檔編號B29C45/14GK101186099SQ200710030189
公開日2008年5月28日 申請日期2007年9月11日 優(yōu)先權(quán)日2007年9月11日
發(fā)明者奇 葉, 康志新, 李元元, 簡煒煒, 明 邵 申請人:華南理工大學