CN116791173A - Sus表面处理方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种用于制造具有优异的结合强度的聚合物‑SUS结合结构的SUS表面处理方法。用于与聚合物复合材料相结合的SUS表面处理方法包括：(a)第一蚀刻步骤，其中，以酸性溶液蚀刻所述SUS表面；(b)表面处理步骤，其中，对SUS表面进行超声波处理；(c)第二蚀刻步骤，其中，以酸性溶液再次蚀刻所述SUS表面；(d)第一硅烷偶联处理步骤，其中，对所述SUS表面进行阳极氧化处理；(e)第三蚀刻步骤，其中，以酸性溶液蚀刻所述SUS表面；(f)第二硅烷偶联处理步骤，其中，对所述SUS表面进行阳极氧化处理。
Description
技术领域
本发明涉及一种SUS(不锈钢)表面处理方法，具体涉及一种用于粘接聚合物-SUS结合结构的SUS表面处理方法，其中，通过对所述SUS表面的一次和二次硅烷偶联处理，最大限度地提高所述SUS表面和所述聚合物之间的结合。
背景技术
聚合物和SUS之间的结合广泛应用于需要防水的电子部件以及智能手机和电动汽车的锂离子电池，但也注意到，聚合物与SUS之间结合强度的可靠性很低。
因此，通过使用酸性溶液的蚀刻处理对SUS进行表面处理，以制造聚合物-SUS组件，以提高SUS表面的活性和摩擦力，并牢固地附着到聚合物上。然而，仅通过使用酸性溶液蚀刻的SUS表面处理难以在聚合物和SUS之间获得足够的附着力和密封性。
发明内容
【本发明要解决的技术问题】
本发明旨在解决上述技术问题，其目的在于提供一种用于制造具有优异的结合强度的聚合物-SUS结合结构的SUS表面处理方法。
【解决技术问题的技术手段】
一种用于与聚合物复合材料相结合的SUS表面处理方法，其包括：
(a)第一蚀刻步骤，其中，以酸性溶液蚀刻所述SUS表面；
(b)表面处理步骤，其中，对SUS表面进行超声波处理；
(c)第二蚀刻步骤，其中，以酸性溶液再次蚀刻SUS表面；
(d)第一硅烷偶联处理步骤，其中，对所述SUS表面进行阳极氧化处理；
(e)第三蚀刻步骤，其中，以酸性溶液蚀刻所述SUS表面；
(f)第二硅烷偶联处理步骤，其中，对所述SUS表面进行阳极氧化处理。
根据权利要求1所述的SUS表面处理方法，其包括：
步骤(d)在含有1～50wt％的电解质溶液、并加入0.1～1wt％的第一硅烷偶联剂作为添加剂的溶液中，利用整流器，在30-70℃下以0.1-3A/dm2的电流密度、500ms脉冲的正持续时间(施加时间)处理10～300秒，其中，所述电解质溶液为含有硫酸(浓度为1～50％)、磷酸(浓度为1～50％)和硝酸(浓度为1～50％)中的至少两种或更多种的混合物的酸性溶液，或者，所述电解质溶液为含有苛性钠(浓度为1～50％)、碳酸钠(浓度为1～50％)和氮化铵(浓度为1～50％)中的至少两种或更多种碱的混合物的碱性溶液。
根据权利要求1所述的SUS表面处理方法，其包括：
步骤(e)在含有常规硫酸、磷酸和痕量硝酸的酸性溶液中，在30～70℃下进行10～300秒，以去除SUS表面40～60％的氧化膜。
根据权利要求1所述的SUS表面处理方法，其包括：
步骤(f)在含有1～50wt％的电解质溶液、并加入0.1～1wt％的第二硅烷偶联剂作为添加剂的溶液中，利用整流器，在10～70℃下以0.1-10A/dm2的电流密度、500ms脉冲的正持续时间(施加时间)处理10～300秒，其中，所述电解质溶液为含有硫酸(浓度为1～50％)、磷酸(浓度为1～50％)和硝酸(浓度为1～50％)中的至少两种或更多种的混合物的酸性溶液，或者，所述电解质溶液为含有苛性钠(浓度为1～50％)、碳酸钠(浓度为1～50％)和氮化铵(浓度为1～50％)中的至少两种或更多种碱的混合物的碱性溶液。
根据权利要求2或4所述的SUS表面处理方法，其包括：
所述硅烷偶联剂是(RO)3Si-(CH2)3-NH2、(RO)3Si-(CH2)2-Si(OC2H5)3、(RO)3Si-(CH2)3-SH、(RO)3Si-CH＝CH2、(RO)3Si-(CH3)3-OOC(CH3)C＝CH2、(RO)3Si-(CH3)3-O-CHCH2O和(RO)3Si-(CH2)15CH3中的至少两种或更多种的混合物。
根据权利要求5所述的SUS表面处理方法，其包括：
所述第二硅烷偶联剂为与所述第一硅烷偶联剂相同种类但不同混合比的混合物。
根据权利要求5所述的SUS表面处理方法，其包括：
步骤(d)中，在SUS表面形成的氧化膜的厚度为50～100nm，以及，步骤(f)中，在SUS表面形成的氧化膜的厚度为100～150nm。
【有益技术效果】
使用酸性溶液对SUS合金表面进行蚀刻，使SUS合金的表面粗糙化，并且通过超声波的一次表面处理使表面与微裂纹一起粗糙化。
然后，通过超声波的一次和二次硅烷偶联处理，在表面上形成大量的细裂纹，并且，硅烷偶联剂渗透到所产生的裂纹中，以最大限度地提高聚合物和SUS之间的结合力。
附图说明
图1根据本发明，示出了不锈钢表面处理的各步骤的SUS表面的照片；其中，1A为SUS表面的照片，1B为第一硅烷偶联处理的阳极氧化步骤之后的SUS表面的照片，1C为第二硅烷偶联处理的阳极氧化步骤之后的SUS表面的照片；
图2根据本发明，示出了用于SUS表面处理的阳极氧化设备；其中，2A为阳极氧化装置，2B为阳极氧化装置的脉冲模式图；
图3示出了用于传统产品和本发明的产品之间的对比测试的SUS样品的照片以及拉伸测试方法；其中，3A示出了传统产品和本发明产品的各SUS样品，3B示出了传统产品和本发明的产品分别与聚合物结合的SUS样品，3C示出了传统产品和本发明的产品在每次恒温恒湿试验之后的拉伸测试方法；
图4根据本发明，示出了用于SUS样品的表面处理的工具；
图5分别示出了传统产品和本发明的产品在恒温恒湿试验后的拉伸试验结果；
图6示出了传统产品和本发明的产品在每次恒温恒湿试验之后的拉伸试验的断裂表面的照片；
图7示出了传统产品和本发明产品之间的拉伸试验的每一独立时间(neglecttime)的对比图；
图8示出了恒温恒湿试验测试机和试件；
图9示出了传统产品和本发明产品的各恒温恒湿试验结果的对比图。
具体实施方式
下面结合附图描述聚合物SUS结合结构的制造方法。
一种用于与聚合物复合材料相结合的SUS表面处理方法，其包括：
(a)第一蚀刻步骤，其中，以酸性溶液蚀刻所述SUS表面；
(b)表面处理步骤，其中，对SUS表面进行超声波处理；
(c)第二蚀刻步骤，其中，以酸性溶液再次蚀刻SUS表面；
(d)第一硅烷偶联处理步骤，其中，对所述SUS表面进行阳极氧化处理；
(e)第三蚀刻步骤，其中，以酸性溶液蚀刻所述SUS表面；
(f)第二硅烷偶联处理步骤，其中，对所述SUS表面进行阳极氧化处理。
在步骤(a)中，在含有通常为硫酸、磷酸和痕量硝酸的酸性溶液中，在30～60℃下进行第一蚀刻处理10～180秒。
在所述第一蚀刻步骤中，在SUS表面上形成蚀刻痕迹，并使SUS表面变得粗糙。
在步骤(b)中，使用超声波进行的表面处理是在常规碱性溶液中、在30～60℃以及400W的输出下，以24～100kHz的频率进行10～180秒。
通过所述利用超声波的表面处理在已经蚀刻的SUS表面上形成了微裂纹。
在步骤(c)中，在含有常规硫酸、磷酸和痕量硝酸的酸性溶液中，在30～60℃下进行第二蚀刻处理10～180秒。
在所述第二蚀刻步骤中，在SUS表面上形成进一步的蚀刻痕迹，并使SUS表面变得更加粗糙。
在步骤(d)中，第一硅烷偶联处理是在含有1～50wt％的电解质溶液、并加入0.1～1wt％的第一硅烷偶联剂作为添加剂的溶液中，利用整流器，在30-70℃下以0.1-3A/dm2的电流密度、500ms脉冲的正持续时间(施加时间)处理10～300秒，其中，所述电解质溶液为含有硫酸(浓度为1～50％)、磷酸(浓度为1～50％)和硝酸(浓度为1～50％)中的至少两种或更多种的混合物的酸性溶液，或者，所述电解质溶液为含有苛性钠(浓度为1～50％)、碳酸钠(浓度为1～50％)和氮化铵(浓度为1～50％)中的至少两种或更多种碱的混合物的碱性溶液。
该步骤在经蚀刻的SUS表面上形成具有许多洞(孔)的氧化膜，并且，硅烷偶联剂与所形成的多孔一起渗入到孔中。
因此，提高了SUS和聚合物之间的结合强度，从而改善结合性能。
经第一硅烷偶联处理的SUS表面的氧化膜的厚度为50～100nm，且所述表面有大量的洞(孔)。
在步骤(d)中，第一硅烷偶联剂为(RO)3Si-(CH2)3-NH2、(RO)3Si-(CH2)2-Si(OC2H5)3、(RO)3Si-(CH2)3-SH、(RO)3Si-CH＝CH2、(RO)3Si-(CH3)3-OOC(CH3)C＝CH2、(RO)3Si-(CH3)3-O-CHCH2O和(RO)3Si-(CH2)15CH3中的至少两种或更多种的混合物。
在步骤(e)中，所述第三蚀刻处理是在含有常规硫酸、磷酸和痕量硝酸的酸性溶液中，在30～70℃下进行10～300秒，以去除SUS表面50～60％的氧化膜。
第二硅烷偶联处理的目的是通过用蚀刻去除渗透到微裂纹中的含有硅烷偶联剂的SUS的表面氧化膜的约60％，以去除剩余孔中的除阳极氧化处理之外的一些孔。
在步骤(f)中，第二硅烷偶联处理在含有1～50wt％的电解质溶液、并加入0.1～1wt％的第二硅烷偶联剂作为添加剂的溶液中，利用整流器，在30～70℃下以0.1-10A/dm2的电流密度、500ms脉冲的正持续时间(施加时间)处理10～300秒，其中，所述电解质溶液为含有硫酸(浓度为1～50％)、磷酸(浓度为1～50％)和硝酸(浓度为1～50％)中的至少两种或更多种的混合物的酸性溶液，或者，所述电解质溶液为含有苛性钠(浓度为1～50％)、碳酸钠(浓度为1～50％)和氮化铵(浓度为1～50％)中的至少两种或更多种碱的混合物的碱性溶液。
该步骤在经蚀刻的SUS表面上形成具有许多洞(孔)的氧化膜，并且，硅烷偶联剂与所形成的多孔一起渗入到孔中。因此，提高了SUS和聚合物之间的结合强度，从而改善结合性能。
SUS表面的氧化膜的厚度为100～150nm，且所述表面有大量的洞(孔)。
通过第一硅烷偶联处理和第二硅烷偶联处理，在SUS表面上的第一硅烷偶联处理期间形成的氧化膜的孔中再次形成细孔，并且形成了形状像蜥蜴脚的皮毛的氧化膜的形状，以最大限度地提高聚合物和SUS的接触面积和结合强度。
特别地，所述第二硅烷偶联剂进一步渗透SUS的表面，并且在与聚合物结合时具有较强的结合力。
在步骤(f)中，所述第二硅烷偶联剂为(RO)3Si-(CH2)3-NH2、(RO)3Si-(CH2)2-Si(OC2H5)3、(RO)3Si-(CH2)3-SH、(RO)3Si-CH＝CH2、(RO)3Si-(CH3)3-OOC(CH3)C＝CH2、(RO)3Si-(CH3)3-O-CHCH2O和(RO)3Si-(CH2)15CH3中的至少两种或更多种的混合物。
步骤(g)中的第二硅烷偶联剂与步骤(e)中的第一硅烷偶联剂是相同种类但不同混合比的混合物。
通过硅烷偶联剂的不同配比，使得SUS表面与聚合物之间的结合力更强。
通过第一和第二硅烷偶联处理，提高SUS表面的表面粗糙度，形成大量的细孔，硅烷偶联剂渗入到形成的孔中，且硅烷偶联剂和聚合物通过化学反应结合。
图1中示出了在SUS合金的表面处理的各步骤中，SUS合金的表面的照片。
图1A示出了SUS表面的照片。
图1B示出了第一硅烷偶联处理的阳极氧化步骤之后的SUS表面的照片。
图1C示出了第二硅烷偶联处理的阳极氧化步骤之后的SUS表面的照片。
下面描述具体实施例以及附图。
为了证明本发明的效果，通过对传统实施例以及实施例1-2的每一试验制作10个试样来进行实验。
作为可用的SUS金属，可以使用SUS2XX、SUS 3XX、SUS 4XX和SUS 6XX的SUS合金。
实验中使用的样品为SUS 316的SUS合金试样。
SUS 316的成分如下表1所示：
表1
| C | Mn | Si | P | S | Cr | Ni | Mo | Fe |
| ～0.08％ | ～2.0％ | ～1.0％ | ～0.045％ | ～0.030％ | 16.0～18.0％ | 10.0～14.0％ | 2.0～3.0％ | 余量 |
可用于本发明的聚合物是复合树脂、聚乙烯、聚丙烯、聚氯乙烯、聚乙酸乙烯酯、聚丙烯酸酯、聚甲基丙烯酸酯、不饱和聚合物、聚酰胺、聚醚、聚苯乙烯、聚酯、聚苯乙烯、聚苯醚、聚苯硫醚、聚丁二烯、聚对苯二甲酸丁二醇酯、聚甲基戊烯、液晶聚合物等。
实验中所使用的聚合物样品是如下表2所示的日本宝理塑料公司(PolyplasticsCo.,Ltd.)的聚苯硫醚(PPS)，其玻璃纤维含量为30％。
下面的表2示出了所使用的PPS树脂的物理性质。
表2
【传统实施例】
通过传统方法制备试样。传统方法进行以下步骤：
在步骤(a)，在含有常规硫酸、磷酸及痕量硝酸的酸性溶液中，在40℃下进行第一蚀刻处理处理90秒。
在步骤(b)，使用超声波的表面处理是在常规碱性溶液中，在40℃下、以50kHz的频率、400W的输出进行90秒。
在步骤(c)，在含有常规硫酸、磷酸及痕量硝酸的酸性溶液中，在40℃下进行第二蚀刻处理处理90秒。
【实施例1】
在步骤(a)～步骤(c)之后，通过本发明如下的方法制备试样。在步骤(d)，在含有25wt％的电解质溶液以及作为添加剂的0.5wt％的第一硅烷偶联剂((RO)3Si-(CH2)2-Si(OC2H5)3和(RO)3Si-(CH2)3-SH以比例1:3混合的混合物)的溶液中、利用整流器，在50℃下以1.5A/dm2的电流密度、500ms脉冲的正持续时间(施加时间)进行第一硅烷偶联处理150秒，其中，所述电解质溶液中，苛性钠(浓度为5％)、碳酸钠(浓度为5％)和氮化铵(浓度为5％)以3:1:1的比例混合。
【实施例2】
在步骤(a)～步骤(d)之后，通过本发明如下的方法制备试样。在步骤(e)，在含有常规硫酸、磷酸和痕量硝酸的酸性溶液中，在40℃下进行第三蚀刻处理90秒，以去除SUS表面55％的氧化膜。以及，在步骤(g)中，在含有25wt％的电解质溶液以及作为添加剂的0.5wt％的第二硅烷偶联剂((RO)3Si-(CH2)2-Si(OC2H5)3和(RO)3Si-(CH2)3-SH以比例3:1混合的混合物)的溶液中、利用整流器，在50℃下以5A/dm2的电流密度、500ms脉冲的正持续时间(施加时间)进行第一硅烷偶联处理150秒，其中，所述电解质溶液中，苛性钠(浓度为5％)、碳酸钠(浓度为5％)和氮化铵(浓度为5％)以3:1:1的比例混合。
对于传统实例和实施例1～2，分别进行以下电阻值测量、拉伸测试、结合力测量和基于放置时间的密封实验。其结果如下。
【测试1】
在传统实例和实施例1-2中使用的试样是如图3A所示的SUS 316的SUS合金，其宽度为12mm，长度为40mm，厚度为3mm，并且如图3B所示，垂直组合通过传统实施例和实施例1-2的方法生产的SUS样品。
如图3C所示，为了测量结合强度，在恒温恒湿1000hr之前/之后进行拉伸测试，其结果如图5所示。
图3A示出了为拉伸实验而制造的试件，图3B是在每一实施例的SUS试件上附加聚合物。
图3C示出了拉伸实验方法的照片。
如图5的曲线图所示，可以看出，实施例1的试样在恒温恒湿试验之前/之后具有比传统实施例的试样更好的拉力。
最后，可以看出，相对于实施例1的试样，实施例2的试样在恒温恒湿试验之前/之后具有最好的拉力。
图6示出了在恒温恒湿试验后完成拉伸试验后，传统实施例和实施例1-2的试样的分离的SUS表面上残留的聚合物量的照片。
对于传统实施例的试样的分离表面，其易于分离，并且可以看出，分离后的SUS表面上的聚合物的量为约30％。
对于实施例1的试样的分离表面的照片，可以看出，分离后的SUS表面上的聚合物的量为约50％。
对于实施例的试样2的分离表面的照片，可以看出，分离后的SUS表面上的聚合物的量为约80％。
【测试2】
图7示出了试样在附加聚合物后1个月-12个月之间随时间变化的抗拉强度试验结果。
这样，可以看出，实施例1的试样在随时间推移而导致的拉力下降方面要优于传统实施例的试样。
另外，可以看出，随着时间的推移，实施例1的试样的拉力相对于传统实施例下降的更多。
最后，可以看出，随着时间的推移，相对于实施例1，实施例2的试样的拉力下降的最多。
【测试3】
为了使用传统实施例和实施例1-2的试样来测试SUS合金和聚合物之间的密封状态，在恒温恒湿1000hr后进行密封实验，其结果如图9所示。
如图8A所示，在传统实例和实施例1-2中使用的试样是SUS316的SUS合金，其宽度为12mm，长度为40mm，厚度为3mm，并且被注模成直径为39.6mm、厚度为1mm，并被结合到通过传统实施例和实施例1～2的工艺制造的SUS样品的中心。
为了测量粘合强度，在恒温恒湿1000hr之后，进行如图8B所示的密封实验，其结果如图9所示。
如图9中的图所示，可以看出，实施例1的密封性优于传统实施例的试样的密封性能。
最后，可以看出，与实施例1的试样相比，实施例2的试样具有最优异的密封性。
图8A示出了恒温恒湿实验的样品照片。
图8B示出了恒温恒湿实验设备照片。
【工业实用性】
本发明是一种制造聚合物-SUS结合结构的方法，并且，其通过提高聚合物和SUS之间的结合强度和密封性来促进部件重量的减轻和成本的降低。
Claims (7)
1.一种用于与聚合物复合材料相结合的SUS表面处理方法，其包括：
(a)第一蚀刻步骤，其中，以酸性溶液蚀刻所述SUS表面；
(b)表面处理步骤，其中，对所述SUS表面进行超声波处理；
(c)第二蚀刻步骤，其中，以酸性溶液再次蚀刻所述SUS表面；
(d)第一硅烷偶联处理步骤，其中，对所述SUS表面进行阳极氧化处理；
(e)第三蚀刻步骤，其中，以酸性溶液蚀刻所述SUS表面；
(f)第二硅烷偶联处理步骤，其中，对所述SUS表面进行阳极氧化处理。
2.根据权利要求1所述的SUS表面处理方法，其特征在于：
所述步骤(d)在含有1～50wt％的电解质溶液、并加入0.1～1wt％的第一硅烷偶联剂作为添加剂的溶液中，利用整流器，在30-70℃下以0.1-3A/dm2的电流密度、500ms脉冲的正持续时间(施加时间)处理10～300秒，其中，所述电解质溶液为含有硫酸(浓度为1～50％)、磷酸(浓度为1～50％)和硝酸(浓度为1～50％)中的至少两种或更多种的混合物的酸性溶液，或者，所述电解质溶液为含有苛性钠(浓度为1～50％)、碳酸钠(浓度为1～50％)和氮化铵(浓度为1～50％)中的至少两种或更多种碱的混合物的碱性溶液。
3.根据权利要求1所述的SUS表面处理方法，其特征在于：
所述步骤(e)在含有常规硫酸、磷酸和痕量硝酸的酸性溶液中，在30～70℃下进行10～300秒，以去除SUS表面50～60％的氧化膜。
4.根据权利要求1所述的SUS表面处理方法，其特征在于：
步骤(f)在含有1～50wt％的电解质溶液、并加入0.1～1wt％的第二硅烷偶联剂作为添加剂的溶液中，利用整流器，在10～70℃下以0.1-10A/dm2的电流密度、500ms脉冲的正持续时间(施加时间)处理10～300秒，其中，所述电解质溶液为含有硫酸(浓度为1～50％)、磷酸(浓度为1～50％)和硝酸(浓度为1～50％)中的至少两种或更多种的混合物的酸性溶液，或者，所述电解质溶液为含有苛性钠(浓度为1～50％)、碳酸钠(浓度为1～50％)和氮化铵(浓度为1～50％)中的至少两种或更多种碱的混合物的碱性溶液。
5.根据权利要求2或4所述的SUS表面处理方法，其特征在于：
所述硅烷偶联剂为(RO)3Si-(CH2)3-NH2、(RO)3Si-(CH2)2-Si(OC2H5)3、(RO)3Si-(CH2)3-SH、(RO)3Si-CH＝CH2、(RO)3Si-(CH3)3-OOC(CH3)C＝CH2、(RO)3Si-(CH3)3-O-CHCH2O和(RO)3Si-(CH2)15CH3中的至少两种或更多种的混合物。
6.根据权利要求5所述的SUS表面处理方法，其特征在于：
所述第二硅烷偶联剂为与所述第一硅烷偶联剂相同种类但不同混合比的混合物。
7.根据权利要求5所述的SUS表面处理方法，其特征在于：
步骤(d)中，在SUS表面形成的氧化膜的厚度为50～100nm，以及，在步骤(f)中，在SUS表面形成的氧化膜的厚度为100～150nm。
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