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当铝合金被浸没在一定胺类挥发性溶液中时，合金表面会经历纳米级超细的蚀刻。已经经历此过程的铝合金被嵌入到注射模具当中。PBT(聚对苯二甲酸丁二醇酯 )或PPS（聚苯硫醚）被注入，聚合材料与铝合金牢固地结合。日本大成塑料（Taiseiplas）株式会社把这种技术称作纳米成型技术（NMT）。这种技术实现商业化花了三年的时间，并于2004年4月开始了利用这种技术的批量生产。除了铝合金溶液加工技术以外，嵌件注塑模具的开发、聚合材料的开发和阳极电镀方法的开发也是必需的。本文对所遇各类问题以及从评估测试中所得收获予以报告。
特别的效果
几年前，日本JSR公司将一种新技术转让给了大成塑料。用这种技术，专门的油墨被“烘焙”到注塑产品中，产品被镶嵌到注塑模当中，与热塑性弹性体（TPE）一起注塑。覆层与TPE可以通过反应而被粘附在一起。覆层能让TPE与任何类型的聚合物注射粘着。按此方法，大成塑料成功以金属取代了聚合物。大成以专门的涂覆层把不锈钢产品进行涂覆，并以TPE将它们注射粘着。制造它们是用作个人数据助理（PDA）的LCD显示器的防护性密封件。
下一个开发步骤是尝试着把热塑性材料注射粘接到金属上。在涂覆用法上大成经历了多得令人吃惊的失败，就在他们将要放弃时，又有了发现。把PBT注射到铝合金中已经经过简单的过程，被当作预处理，它表现出极强的粘接力。这是一个特别的效果。在类似材料上已经做了许多的试验，看是否会发生注射粘接，但只有在所讨论金属为铝、聚合物为PBT或PPS的情况下才会获得这样的效果。显得没必要考虑市场需求和潜在的用途。
技术的关键
首先把铝合金浸没在脱脂剂水溶液中几分钟时间，并用水漂洗。接下来，铝又被浸没在酸性稀释水溶液中，并用水漂洗。合金与氧化层表面上的灰尘被化学方法清除掉。这是溶解过程之前的基本步骤。接下来进行T工艺（T代表大成塑料公司）。铝被浸没在含有T材料（一种胺类化合物）的水溶液中，用水漂洗，并被干燥。这种工艺是整个技术的关键所在。
在T工艺中，铝合金的表面要经历超细蚀刻，被覆盖上直径20-40nm的超细凹陷。用电子显微镜观察表面，它看起来就象呈小锯齿状覆盖的区域（图1）。多孔聚苯乙烯（XPS）释放出氮原子可以在表面上看到。这个氮来自于T工艺过程中所使用的T材料。看起来T材料能承受水漂洗、干燥和后面的储存（如果是密封就要超过三个月），并停留在铝的表面。显得当铝合金被浸没在T材料中时，T材料的弱碱性会引起合金表面上出现超细蚀刻和化学性吸收。 （图片）
图1：水溶液中预处理前（左）和预处理后（右）
铝材表面的电子显微图溶液处理过的铝合金被嵌入到注射模具中。PBT和PPS被注射，得到一种集成式的产品。把所得到的一体式产品切开，并用电子显微镜观察其剖面，可以看到在合金表面上熔体会进入到凹陷处的底部，弯曲直径为1mm或更小。还可以看到树脂和合金之间分界线上有100nm或更小的锯齿边，树脂也进入到这些凹陷的底部（图2）。这明显就是粘接强度的起因，因为它有着超细的固定作用。（图片）
图2：注射粘接后铝与聚合物材料（PBT）的垂直剖面聚合物熔体在注塑模内迅速变硬，所以它不会和注塑模表面的细微轮廓相符合。树脂最多只能与直径达几个微米的轮廓相符合。然而，在纳米成型技术中，树脂进入到超细凹陷的底部中。这确实是一个神秘的现象，以下要进行解释。（图片）
图3：为了发现有多少树脂存在于分界线接合表面上，
铝在盐酸稀释液中分解，对残余物进行分析神秘现象
假设T材料（胺类化合物）已被化学性吸收到铝合金表面之中，当胺类化合物与被塑化的PBT在高温下相互接触时，就会产生反应热。众所周知，在胺和酯之间会出现放热反应，它们变成氨基酸和酒精。有理由承认因为PBT是聚酯和一种酯类，当它与胺类化合物接触时就会反应并产生热量。如果塑料件被强行从注射粘接样板中扯下来，聚合物材料的位置仍然附着在合金的表面上。通过红外吸收对这个表面进行仔细分析，显示出红外吸收频谱与氨基酸的相一致。当产生热量时，尚未经历冷凝固化的被塑化材料的固化被延迟，我们相信在它进入到超细凹陷之中以后它就固化下来了。
我们预计，除了PBT以外，PPS将具有类似潜力的又一种材料。我们相信卤素将保留在PPS分子的末端，PPS是由二氯苯合成而来，这个氯将是酸性的。我们假设当它与胺类化合物接触时，将会出现中和热的产生。我们测试了几种商用类型的PPS。不同的品种有着各自的优势和弱点，但它们都可进行注塑粘接。目前，我们还不能肯定我们有关中和热的理论是否正确，但关于反应热的假设看起来是正确的。
评估测试的诱人结果
如果有人认为铝合金与聚合物之间的粘接是因为粘接剂而形成的，那么在这个情况中粘接剂就是被注射聚合物自身。因此，粘接强度被认为与聚合物自身强度有关系。这种假设被一系列测试得到确认：一体式物体的剪切断裂强度随着温度渐升而下降，而被测聚合物的强度也随着温度的升高而渐小。PPS夹层结构表现出比PBT结构更高的效果。
大成塑料从这些结果中获得了大量的证据。例如，PPS可以用于达200℃的温度。我们认为如果粘接剂有着这样高的耐热性，与铝合金集成在一起的物体应当能承受高温冲击。问题将是铝合金与聚合物线性膨胀系数的差别。固有的问题是，通过引入玻纤内含物，被塑件的线性膨胀系数可以保持得较低，但已经进入到纳米级铝材凹陷中的聚合物比例太小，不足以容纳玻纤。看起来因为聚合物是一种热塑性材料，具有蠕变的倾向，所以粘接非常的结实。最后，我们在大跨度的温度范围内完成了热冲击测试，对结果进行了汇编。我们相信，我们观察到的180℃下PPS相当强的粘接强度是对温度冲击的良好抵御性的一种暗示。
我们决定进行-55℃至+150℃的热冲击测试，周期超过3000次。
一个测试件样板被取下，进行分段测试。分析显示PPS的粘接强度没有绝对的下降。粘接面也对振动有出奇的抵抗性。
就PPS而言，在高温高湿度测试（85℃，湿度85%，1000小时）、热水浸泡测试（70℃，200小时）和热盐水浸泡测试（70℃，200小时）过程中，粘接强度没有变化。注意到在两种热水浸泡测试中，一体式试样的分界线与特殊涂层对应的。铝合金在这样的环境下逐渐被腐蚀，特别是在分界线位置，铝合金的腐蚀（氧化）越进入到粘接面内部就越厉害。涂层保护铝合金不被氧化。PPS的吸水系数小，这也看起来有着正面的影响。（图片）
图4：在两年半的开发之后，大成塑料公司成功地开发出将
铝和塑料综合的“纳米成型技术（NMT）” 我们与聚合物生产开展联合研究，为的是发现最合适于注射粘接的PPS品种。所以，我们希望获得使注塑更容易并带来更高粘接强度的复合材料。也在对PBT进行改善，我们希望获得与PPS一样的复合材料。
提供耐用性和增添装饰性
铝合金表面通常要经受包括电镀、涂覆和化学处理在内的处置。在T工艺之后，铝合金表面变得在化学性活跃了，对高温潮湿和阳光引起的氧化表现得敏感。涂层容易脱落，粘接剂易受影响。下面我们更近距离地审视电镀和表面装饰问题。
铝合金与聚合物材料显得是被牢靠地粘接，但更近地观察产品，就会看到聚合物与铝合金之间分界线上有微米级的缝隙。分界线上聚合物熔体在注射时未获得足够热量，沿分界线的位置没有粘接上。
电镀涉及到两个过程：碱性蚀刻和化学打磨,被设计用来化学性地剥除铝合金的表面。在这两个过程中，铝被浸没在高温苛性碱浓缩液或强酸性浓缩液中。强化学试剂从分界线进入，这溶化了铝合金，并降低粘接强度。为了防止这种情况出现，分界线在氧化前被涂覆和保护。所用涂层必须能承受这两个过程。花了一年时间才找到合适的涂层。这种方法现在被用于带PBT的电镀集成产品中。带PPS的产品不要求以上方法，因为普通电镀工艺就可用上了。
一体式产品的涂漆可能引起漆层附着性方面的问题。PBT和PPS都以这些困难而出名。我们用各种漆对集成物件进行涂漆，并完成62℃下400小时的耐雨和紫外线测试，能够发现有几种没问题的油漆。
移动电子装置及其它用途用元件
用于电子线路板的集成式产品的生产越来越多了。铝板被压挤，并集成到膝上型电脑外壳、数据相机外壳和遥控器外壳当中，聚合物材料被注射粘接到这些之上。外部被电镀上色或涂漆，而内部成型树脂件如岛状散布在铝合金之上（图5）。（图片）
图5：纳米成型技术的应用实例可能的用途是由铝棒或铝管组成的轻质结构。在装配后，此结构将与注射粘接型PBT或PPS凝固在一起。应用领域可以是主要的电器、机械手、轮椅、自行车、家具、汽车零件和其它产品。
有的合金具备典型的导热系数。如果合金与PPS集成的产品要被电镀或涂覆成黑色，就会从内部有良好的热输送，向外部的散热速率将较高。潜在用途是个人电脑的散热件或汽车上的电子电器装置。
结论：铝合金与聚合物之间的注射粘接是令人难以置信的牢靠。大成塑料公司的目标是把这种新知识介绍和应用在各行各业当中。
本文摘自德国Kunststoffe international杂志
原载国际塑料商情
7/5/2006
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