聚合物和表面修饰的固体部件的连接的制作方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及表面修饰的固体部件和聚合物的连接。
【背景技术】
[0002] 聚合物与可例如由金属、陶瓷或聚合物形成的固体部件的连接与大量的应用相 关，所述应用包括在消费性电子产品中应用涂层和装饰性包装，将电线插入电子控制箱，轴 承，等等。
[0003] 所述聚合物和所述固体部件通常通过机械连接，例如通过联锁，或通过粘附而连 接。在通常使用的粘附方法中，首先将胶粘物施用于将被连接的两个部件中的一个或两个。 然后将两者按压在一起形成完成的接合处。然而，合适的粘合剂通常与长的固化时间、对环 境条件例如湿度和温度的敏感性和对大量的表面预处理例如蚀刻或电晕处理的需要相关。 此外，粘合剂层填充了将被连接的部件间的间隙，且该附加厚度是一些应用中不合需要的。 此外，当暴露于多种环境因素例如湿度和高温时，用已知粘附方法得到的界面易于随时间 降解。因此，可发生界面处的破坏，导致层离，这对于工业应用，尤其是医疗行业，是不可接 受的。在涂料工业中，所述粘附通常是基于在例如喷砂和物理粘附后的联锁。
[0004] 此外，存在一系列不能通过胶合和联锁方法装配的材料组合。在特别的情况下，依 赖机械连接，例如带，也是不合需要的。在该情况下，也允许所述组合经得起极端的环境负 载的新的和实际不可见的连接方法将是有高度吸引力的。
[0005] 在 2008 年 2 月出版的 "Arsskrift for iNANO" 中的文章 "The coatings of tomorrow"中呈现了后来导致本发明的愿景。
【发明内容】
[0006] 发明目的
[0007] 本发明的一个目的是提供在固体部件和聚合物之间产生化学键和/或缠结的方 法，其结合强度比可用已知的产业关联性粘附方法得到的更高。
[0008] 本发明的另一目的是提供在固体部件和聚合物之间产生强的持久化学键的方法。
[0009] 本发明的另一目的是提供用于连接否则可能是不相容的固体部件和聚合物的方 法。
[0010] 本发明的另一目的是提供在固体部件和聚合物之间产生化学键/相互作用的方 法，其显著地限制了液体例如水沿连接界面的输送。
[0011] 本发明的另一目的是提供比已知的产业关联性粘附方法更抗环境促进的降解的 方法。
[0012] 本发明的实施方案的另一目的是提供一种方法，使用该方法可在预定的位置连接 复杂的三维部件而使其在其它位置不连接。
[0013] 本发明的进一步的目的是提供一种现有技术的替代选择。
[0014] 发明概述
[0015] 因此，上述目的和数个其他目的旨在在本发明的第一方面通过提供一种连接固体 部件和聚合物的方法得到，所述方法包含步骤：
[0016] -将具有预定的表面化学、密度和厚度的底漆层共价地附着在所述固体部件的至 少部分表面上，
[0017] -用第一预定温度曲线加热所述底漆层直至至少部分所述底漆已被活化，
[0018] -与加热步骤同时或在加热步骤后，将附着在所述固体部件表面上的底漆层与所 述聚合物接触以得到含所述表面、所述活化的底漆层和与所述底漆相邻的部分聚合物的界 面，
[0019] 其中将第二预定温度曲线至少应用至所述界面，导致在所述聚合物和所述底漆间 形成共价键以使所述固体部件和所述聚合物在冷却后保持连接。
[0020] "底漆"优选指被应用以促进共价结合至所述固体部件表面的化合物。
[0021] 使用第一预定温度曲线加热所述底漆层导致其可被认为是表面恶化的活化。与底 漆相关的"活化"优选指所述底漆被化学或物理修饰或转化以得到另一种化学或物理组合 物或结构。这可为例如所述底漆的部分热分解，重新排列，自由基形成或类似的活化。目的 是在底漆层在留下能与来料聚合物反应或反应至来料聚合物上的活化位点。举例来说，这 可为例如来自4-硝基-1-苯基底漆的硝基的均裂，留下附着在所述表面上的高活性的苯基 自由基。
[0022] 或者，上述目的或数个其他目的旨在通过提供一种连接固体部件和聚合物的方法 得到，所述方法包含步骤：
[0023] -将具有预定的表面化学、密度和厚度的底漆层共价地附着在所述固体部件的至 少部分表面上，
[0024] -将第二分子聚合在所述底漆层上以使所述表面至少部分覆盖有表面固定化的聚 合物刷，
[0025] -使具有聚合物刷的表面与聚合物接触，以得到含所述表面、所述底漆、所述聚合 物刷和与所述底漆相邻的部分聚合物的界面，
[0026] -其中将预定温度曲线至少应用至所述界面，和/或
[0027] -其中在将具有聚合物刷的表面与聚合物接触的步骤之前，将溶剂应用至所述聚 合物刷和/或所述聚合物，
[0028] 以使所述聚合物刷熔融或软化并与熔融或软化的聚合物缠在一起，从而使所述固 体部件和聚合物在冷却后保持连接。
[0029] 词语"第二分子"的使用在这里指分子也出现在底漆中的事实。
[0030] 底漆的"预定的表面化学"优选指根据被连接的材料对其选择。对于含聚合物刷 的方法，底漆的选择也与将在其上聚合的聚合物刷有关，这再次取决于连接至所述固体部 件的聚合物的类型。
[0031] 或者，上述目的或数个其他目的旨在通过提供一种连接固体部件和聚合物的方法 得到，所述方法包含步骤：
[0032] -将具有预定的表面化学、密度和厚度的底漆层共价地附着在所述固体部件的至 少部分表面上，
[0033] -将第二分子聚合在所述底漆层上以使所述表面至少部分覆盖有含能够经受热重 排、链断裂、破碎等的化学功能的表面固定化的聚合物刷，
[0034] -用第一预定温度曲线加热所述具有聚合物刷的表面，导致所述聚合物刷和/或 其包含的官能团的至少部分活化，
[0035] -与加热步骤同时或在加热步骤之后，使所述表面与所述聚合物接触，以得到含所 述表面、所述底漆、所述聚合物刷和与所述底漆相邻的部分聚合物的界面，
[0036] -其中将第二预定温度曲线至少应用至所述界面，和/或
[0037] -其中在将具有聚合物刷的表面与聚合物接触的步骤之前，将溶剂应用至所述聚 合物刷和/或所述聚合物，
[0038] 以使所述聚合物刷熔融或软化并与熔融或软化的聚合物混合，以使在所述底漆、 所述聚合物刷和/或所述聚合物之间形成共价键，从而使所述固体部件和聚合物在冷却后 保持连接。
[0039] 上述方法被认为是可应用以达到本发明的目的并解决潜在的技术问题的替代方 法。应注意的是，在权利要求和部分说明书中，以另一种顺序而不是上述顺序提及所述替代 方法。
[0040] 在任一上述方法中，所述第一和第二预定温度曲线可重叠或可形成一个连续的温 度曲线。对一个给定应用和一种材料和几何形状的给定组合，例如可通过实验和/或可能 包含计算机模拟的理论方法确定所使用的实际温度曲线。
[0041] 使用上述任何一种方法，所得到的所述固体部件和所述聚合物之间的结合强度/ 相互作用优选显著地高于如果用不含与本发明一致的底漆层和/或聚合物刷的建立的传 统粘附方法连接的相同材料，例如高出至少30%。比短期强度更重要的结果是所得到的粘 结在很长一段时间内可持久，即使在苛刻的物理和化学影响下。"可持久"优选指强度不随 时间显著下降。
[0042] 实际可得到的强度和可得到的粘附值[Kp/cm]和相对于现有技术的提升百分比 取决于被连接的材料的类型和底漆。此外可能通过仔细优化过程参数使结合强度最大化。 [0043] 在底漆和固体部件的表面之间得到的实际的粘结/相互作用将是一个化学问题， 且其控制对于本领域技术人员将是众所周知的。
[0044] 底漆的表面密度在整个表面上可能是常数，或者可能是变化的。例如，可能在表面 的边缘需要具有较大的密度以与聚合物连接以提升粘结的撕裂强度。
[0045] 可在与聚合物连接之前和/或之后预处理所述固体部件，以减少温度差异并因此 减少粘结中的热应力的风险。
[0046] 在连接方法中应用到材料上的温度曲线通常分别指加热、退火和冷却阶段。在加 热、退火和冷却阶段优选控制在接触界面处的温度，以确保良好的反应产率并使任何不需 要的机械副作用例如蠕变或翘曲最小化。温度曲线的一个实例是温度以恒定或变化的速率 倾斜向上至某个上限，保持一段时间，然后以恒定或变化的速率倾斜向下。也可包含在第一 保持温度的退火然后加热至第二保持温度。根据要求预先确定和调整实际温度、变化速率 和保持恒定温度的时间；这些与实际材料和被连接部件的几何形状密切相关。
[0047] 通常通过增加所述固体部件和所述聚合物所处的环境例如在用于应用熔融聚合 物层的注塑机中的温度来应用所述加热。然而，所述加热可能作为一种选择地由提供被连 接区域的局部加热的能源产生，例如由光能或电能产生。覆盖表面的底漆的加热可产生逃 逸的副产品。作为一种选择地或与之相结合的，所述加热可产生热重排或链断裂，其打开或 降解所述层内或来自所述刷的侧基的键，留下反应位点。如果有任何逃逸的副产物，这些副 产物可能例如为气体，例如N2等。
[0048] 所应用的加热和因此所达到的温度应优选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围。
[0049] 通过使用上述的方法，可能得到比例如当通过胶合连接金属和聚合物的情况更清 洁的过程。
[0050] 除了使用预定的温度曲线，在所述过程中一个或多个其它过程参数也可变化，优 选以一种可控的方式。这些参数的实例为：所应用的压力，使用该压力将聚合物注入模具中 和所述固体部件上，在液体聚合物注入后以允许连接的部件冷却至预定范围的包装时间， 被连接的固体部件和/或聚合物的初始温度，在机器中的冷却温度，在连接过程中惰性气 氛的使用，和聚合物涂层和层压体的厚度。
[0051] 在含聚合所述底漆以得到聚合物刷的本发明的实施方案中，聚合步骤可具有持久 性，形成所述聚合物刷的预定的平均长度和/或平均密度。长度和平均密度的实际值取决 于被连接的材料，且