聚合物和表面修飾的固體部件的連接的制作方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及表面修飾的固體部件和聚合物的連接。
【背景技術(shù)】
[0002] 聚合物與可例如由金屬、陶瓷或聚合物形成的固體部件的連接與大量的應(yīng)用相 關(guān)，所述應(yīng)用包括在消費(fèi)性電子產(chǎn)品中應(yīng)用涂層和裝飾性包裝，將電線插入電子控制箱，軸 承，等等。
[0003] 所述聚合物和所述固體部件通常通過(guò)機(jī)械連接，例如通過(guò)聯(lián)鎖，或通過(guò)粘附而連 接。在通常使用的粘附方法中，首先將膠粘物施用于將被連接的兩個(gè)部件中的一個(gè)或兩個(gè)。 然后將兩者按壓在一起形成完成的接合處。然而，合適的粘合劑通常與長(zhǎng)的固化時(shí)間、對(duì)環(huán) 境條件例如濕度和溫度的敏感性和對(duì)大量的表面預(yù)處理例如蝕刻或電暈處理的需要相關(guān)。 此外，粘合劑層填充了將被連接的部件間的間隙，且該附加厚度是一些應(yīng)用中不合需要的。 此外，當(dāng)暴露于多種環(huán)境因素例如濕度和高溫時(shí)，用已知粘附方法得到的界面易于隨時(shí)間 降解。因此，可發(fā)生界面處的破壞，導(dǎo)致層離，這對(duì)于工業(yè)應(yīng)用，尤其是醫(yī)療行業(yè)，是不可接 受的。在涂料工業(yè)中，所述粘附通常是基于在例如噴砂和物理粘附后的聯(lián)鎖。
[0004] 此外，存在一系列不能通過(guò)膠合和聯(lián)鎖方法裝配的材料組合。在特別的情況下，依 賴機(jī)械連接，例如帶，也是不合需要的。在該情況下，也允許所述組合經(jīng)得起極端的環(huán)境負(fù) 載的新的和實(shí)際不可見(jiàn)的連接方法將是有高度吸引力的。
[0005] 在 2008 年 2 月出版的 "Arsskrift for iNANO" 中的文章 "The coatings of tomorrow"中呈現(xiàn)了后來(lái)導(dǎo)致本發(fā)明的愿景。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0006] 發(fā)明目的
[0007] 本發(fā)明的一個(gè)目的是提供在固體部件和聚合物之間產(chǎn)生化學(xué)鍵和/或纏結(jié)的方 法，其結(jié)合強(qiáng)度比可用已知的產(chǎn)業(yè)關(guān)聯(lián)性粘附方法得到的更高。
[0008] 本發(fā)明的另一目的是提供在固體部件和聚合物之間產(chǎn)生強(qiáng)的持久化學(xué)鍵的方法。
[0009] 本發(fā)明的另一目的是提供用于連接否則可能是不相容的固體部件和聚合物的方 法。
[0010] 本發(fā)明的另一目的是提供在固體部件和聚合物之間產(chǎn)生化學(xué)鍵/相互作用的方 法，其顯著地限制了液體例如水沿連接界面的輸送。
[0011] 本發(fā)明的另一目的是提供比已知的產(chǎn)業(yè)關(guān)聯(lián)性粘附方法更抗環(huán)境促進(jìn)的降解的 方法。
[0012] 本發(fā)明的實(shí)施方案的另一目的是提供一種方法，使用該方法可在預(yù)定的位置連接 復(fù)雜的三維部件而使其在其它位置不連接。
[0013] 本發(fā)明的進(jìn)一步的目的是提供一種現(xiàn)有技術(shù)的替代選擇。
[0014] 發(fā)明概述
[0015] 因此，上述目的和數(shù)個(gè)其他目的旨在在本發(fā)明的第一方面通過(guò)提供一種連接固體 部件和聚合物的方法得到，所述方法包含步驟：
[0016] -將具有預(yù)定的表面化學(xué)、密度和厚度的底漆層共價(jià)地附著在所述固體部件的至 少部分表面上，
[0017] -用第一預(yù)定溫度曲線加熱所述底漆層直至至少部分所述底漆已被活化，
[0018] -與加熱步驟同時(shí)或在加熱步驟后，將附著在所述固體部件表面上的底漆層與所 述聚合物接觸以得到含所述表面、所述活化的底漆層和與所述底漆相鄰的部分聚合物的界 面，
[0019] 其中將第二預(yù)定溫度曲線至少應(yīng)用至所述界面，導(dǎo)致在所述聚合物和所述底漆間 形成共價(jià)鍵以使所述固體部件和所述聚合物在冷卻后保持連接。
[0020] "底漆"優(yōu)選指被應(yīng)用以促進(jìn)共價(jià)結(jié)合至所述固體部件表面的化合物。
[0021] 使用第一預(yù)定溫度曲線加熱所述底漆層導(dǎo)致其可被認(rèn)為是表面惡化的活化。與底 漆相關(guān)的"活化"優(yōu)選指所述底漆被化學(xué)或物理修飾或轉(zhuǎn)化以得到另一種化學(xué)或物理組合 物或結(jié)構(gòu)。這可為例如所述底漆的部分熱分解，重新排列，自由基形成或類(lèi)似的活化。目的 是在底漆層在留下能與來(lái)料聚合物反應(yīng)或反應(yīng)至來(lái)料聚合物上的活化位點(diǎn)。舉例來(lái)說(shuō)，這 可為例如來(lái)自4-硝基-1-苯基底漆的硝基的均裂，留下附著在所述表面上的高活性的苯基 自由基。
[0022] 或者，上述目的或數(shù)個(gè)其他目的旨在通過(guò)提供一種連接固體部件和聚合物的方法 得到，所述方法包含步驟：
[0023] -將具有預(yù)定的表面化學(xué)、密度和厚度的底漆層共價(jià)地附著在所述固體部件的至 少部分表面上，
[0024] -將第二分子聚合在所述底漆層上以使所述表面至少部分覆蓋有表面固定化的聚 合物刷，
[0025] -使具有聚合物刷的表面與聚合物接觸，以得到含所述表面、所述底漆、所述聚合 物刷和與所述底漆相鄰的部分聚合物的界面，
[0026] -其中將預(yù)定溫度曲線至少應(yīng)用至所述界面，和/或
[0027] -其中在將具有聚合物刷的表面與聚合物接觸的步驟之前，將溶劑應(yīng)用至所述聚 合物刷和/或所述聚合物，
[0028] 以使所述聚合物刷熔融或軟化并與熔融或軟化的聚合物纏在一起，從而使所述固 體部件和聚合物在冷卻后保持連接。
[0029] 詞語(yǔ)"第二分子"的使用在這里指分子也出現(xiàn)在底漆中的事實(shí)。
[0030] 底漆的"預(yù)定的表面化學(xué)"優(yōu)選指根據(jù)被連接的材料對(duì)其選擇。對(duì)于含聚合物刷 的方法，底漆的選擇也與將在其上聚合的聚合物刷有關(guān)，這再次取決于連接至所述固體部 件的聚合物的類(lèi)型。
[0031] 或者，上述目的或數(shù)個(gè)其他目的旨在通過(guò)提供一種連接固體部件和聚合物的方法 得到，所述方法包含步驟：
[0032] -將具有預(yù)定的表面化學(xué)、密度和厚度的底漆層共價(jià)地附著在所述固體部件的至 少部分表面上，
[0033] -將第二分子聚合在所述底漆層上以使所述表面至少部分覆蓋有含能夠經(jīng)受熱重 排、鏈斷裂、破碎等的化學(xué)功能的表面固定化的聚合物刷，
[0034] -用第一預(yù)定溫度曲線加熱所述具有聚合物刷的表面，導(dǎo)致所述聚合物刷和/或 其包含的官能團(tuán)的至少部分活化，
[0035] -與加熱步驟同時(shí)或在加熱步驟之后，使所述表面與所述聚合物接觸，以得到含所 述表面、所述底漆、所述聚合物刷和與所述底漆相鄰的部分聚合物的界面，
[0036] -其中將第二預(yù)定溫度曲線至少應(yīng)用至所述界面，和/或
[0037] -其中在將具有聚合物刷的表面與聚合物接觸的步驟之前，將溶劑應(yīng)用至所述聚 合物刷和/或所述聚合物，
[0038] 以使所述聚合物刷熔融或軟化并與熔融或軟化的聚合物混合，以使在所述底漆、 所述聚合物刷和/或所述聚合物之間形成共價(jià)鍵，從而使所述固體部件和聚合物在冷卻后 保持連接。
[0039] 上述方法被認(rèn)為是可應(yīng)用以達(dá)到本發(fā)明的目的并解決潛在的技術(shù)問(wèn)題的替代方 法。應(yīng)注意的是，在權(quán)利要求和部分說(shuō)明書(shū)中，以另一種順序而不是上述順序提及所述替代 方法。
[0040] 在任一上述方法中，所述第一和第二預(yù)定溫度曲線可重疊或可形成一個(gè)連續(xù)的溫 度曲線。對(duì)一個(gè)給定應(yīng)用和一種材料和幾何形狀的給定組合，例如可通過(guò)實(shí)驗(yàn)和/或可能 包含計(jì)算機(jī)模擬的理論方法確定所使用的實(shí)際溫度曲線。
[0041] 使用上述任何一種方法，所得到的所述固體部件和所述聚合物之間的結(jié)合強(qiáng)度/ 相互作用優(yōu)選顯著地高于如果用不含與本發(fā)明一致的底漆層和/或聚合物刷的建立的傳 統(tǒng)粘附方法連接的相同材料，例如高出至少30%。比短期強(qiáng)度更重要的結(jié)果是所得到的粘 結(jié)在很長(zhǎng)一段時(shí)間內(nèi)可持久，即使在苛刻的物理和化學(xué)影響下。"可持久"優(yōu)選指強(qiáng)度不隨 時(shí)間顯著下降。
[0042] 實(shí)際可得到的強(qiáng)度和可得到的粘附值[Kp/cm]和相對(duì)于現(xiàn)有技術(shù)的提升百分比 取決于被連接的材料的類(lèi)型和底漆。此外可能通過(guò)仔細(xì)優(yōu)化過(guò)程參數(shù)使結(jié)合強(qiáng)度最大化。 [0043] 在底漆和固體部件的表面之間得到的實(shí)際的粘結(jié)/相互作用將是一個(gè)化學(xué)問(wèn)題， 且其控制對(duì)于本領(lǐng)域技術(shù)人員將是眾所周知的。
[0044] 底漆的表面密度在整個(gè)表面上可能是常數(shù)，或者可能是變化的。例如，可能在表面 的邊緣需要具有較大的密度以與聚合物連接以提升粘結(jié)的撕裂強(qiáng)度。
[0045] 可在與聚合物連接之前和/或之后預(yù)處理所述固體部件，以減少溫度差異并因此 減少粘結(jié)中的熱應(yīng)力的風(fēng)險(xiǎn)。
[0046] 在連接方法中應(yīng)用到材料上的溫度曲線通常分別指加熱、退火和冷卻階段。在加 熱、退火和冷卻階段優(yōu)選控制在接觸界面處的溫度，以確保良好的反應(yīng)產(chǎn)率并使任何不需 要的機(jī)械副作用例如蠕變或翹曲最小化。溫度曲線的一個(gè)實(shí)例是溫度以恒定或變化的速率 傾斜向上至某個(gè)上限，保持一段時(shí)間，然后以恒定或變化的速率傾斜向下。也可包含在第一 保持溫度的退火然后加熱至第二保持溫度。根據(jù)要求預(yù)先確定和調(diào)整實(shí)際溫度、變化速率 和保持恒定溫度的時(shí)間；這些與實(shí)際材料和被連接部件的幾何形狀密切相關(guān)。
[0047] 通常通過(guò)增加所述固體部件和所述聚合物所處的環(huán)境例如在用于應(yīng)用熔融聚合 物層的注塑機(jī)中的溫度來(lái)應(yīng)用所述加熱。然而，所述加熱可能作為一種選擇地由提供被連 接區(qū)域的局部加熱的能源產(chǎn)生，例如由光能或電能產(chǎn)生。覆蓋表面的底漆的加熱可產(chǎn)生逃 逸的副產(chǎn)品。作為一種選擇地或與之相結(jié)合的，所述加熱可產(chǎn)生熱重排或鏈斷裂，其打開(kāi)或 降解所述層內(nèi)或來(lái)自所述刷的側(cè)基的鍵，留下反應(yīng)位點(diǎn)。如果有任何逃逸的副產(chǎn)物，這些副 產(chǎn)物可能例如為氣體，例如N2等。
[0048] 所應(yīng)用的加熱和因此所達(dá)到的溫度應(yīng)優(yōu)選如此低以使避免所述聚合物部件的降 解或至少控制至可接受的范圍。
[0049] 通過(guò)使用上述的方法，可能得到比例如當(dāng)通過(guò)膠合連接金屬和聚合物的情況更清 潔的過(guò)程。
[0050] 除了使用預(yù)定的溫度曲線，在所述過(guò)程中一個(gè)或多個(gè)其它過(guò)程參數(shù)也可變化，優(yōu) 選以一種可控的方式。這些參數(shù)的實(shí)例為：所應(yīng)用的壓力，使用該壓力將聚合物注入模具中 和所述固體部件上，在液體聚合物注入后以允許連接的部件冷卻至預(yù)定范圍的包裝時(shí)間， 被連接的固體部件和/或聚合物的初始溫度，在機(jī)器中的冷卻溫度，在連接過(guò)程中惰性氣 氛的使用，和聚合物涂層和層壓體的厚度。
[0051] 在含聚合所述底漆以得到聚合物刷的本發(fā)明的實(shí)施方案中，聚合步驟可具有持久 性，形成所述聚合物刷的預(yù)定的平均長(zhǎng)度和/或平均密度。長(zhǎng)度和平均密度的實(shí)際值取決 于被連接的材料，且