一种聚合物基复合材料及其制备工艺的制作方法

本发明涉及复合材料领域，更具体地说，本发明涉及由高分子材料和金属制备的导电复合材料，这种复合材料可用于制作电触点，特别是橡胶按键中的电触点。

背景技术：

金属和聚合物的层状复合导电材料综合了金属材料的导电性能和聚合物的易加工性能。申请号为201110027418.8的专利文献“橡胶导电粒及其制备方法”公开了一种含有橡胶基材和其表面上的金属镀膜的橡胶导电粒，金属镀膜覆盖于整个橡胶基材的表面。申请号为201110193369.5的专利文献“麻面金属与橡胶复合导电粒”公开了一种由具有凹坑、凸点的麻面金属面层与橡胶基体粘合而成的复合导电粒，这种导电粒在相同的按压力下产生较大的压强，作为按键的导电部件具有较为稳定导电性和较为可靠电导通性能，但这种导电粒整体偏硬，整体机械强度不易在大范围内调控。

申请号为201010592410.1的专利文献“复合导电片材”公开了由高分子基体和复合在其中的金属箔构成的复合导电片材。这里的金属箔是指含有孔洞的镍箔、铜箔、铝箔、不锈钢箔、金箔、银箔或者编织网，高分子基体是指硅橡胶、丁腈橡胶、乙丙橡胶、天然橡胶、橡塑材料、热塑性塑料、热固性塑料或者纤维增强塑料等。值得指出的是，该发明中所述的复合导电片材中的金属箔或编织网中的孔洞或缝隙，为高分子基体所填充。将由连续的金属材料和聚合物制备的复合材料作为电触点时，由于聚合物的热膨胀系数通常比常见金属材料大得多，有时甚至高达十倍以上(例如，硅橡胶的热膨胀系数大约是纯镍的15倍)，在温度升高的时候，这些复合材料中的高分子材料将因较大的热膨胀系数而突出于复合材料表面，使得电触点的表面接触电阻变大，甚至可能使得电触点变得不导通而完全失效。事实上，含有这样的电触点的按键如用到汽车上，可能会产生安全问题。

因此，如何获得更为可靠的材料制备按键上用的电触点，以及如何有效地解决由聚合物和连续的金属材料的复合材料制备的电触点在高温下失效的问题的方法，是生产行业所急需的。

技术实现要素：

发明目的：本发明提供一种的整体硬度易于调节的金属和聚合物的复合材料，用于制备具有可靠导通性能的按键电触点，这种电触点在升高温度的条件下也不失效，同时也提供这种电触点的制备方法。

电触点是按键中的关键组成部分，它通常用来与印刷电路板(PCB)的触点开关配对使用。它必须有低的接触电阻。如果接触电阻过大，就会造成按键开关功能失效、误判。

以下是一个电触点导通功能失效的例子：橡胶和金属板网制备的复合材料，作为橡胶按键上的电触点时，在温度升高时，比如由25℃升高到80℃，将出现橡胶胀大而凸出于金属面的现象，从而影响导通，如图1所示。

技术方案：本发明公开一种复合材料和由这种复合材料制备的电触点，以及它们的制备工艺：将0.01-10mm厚的聚合物基体和0.005-2.0mm厚的金属层复合成层状复合片材，然后通过蚀刻该层状复合片材中的金属层，使得金属层具有一个或一个以上的外接圆直径为0.05-5mm的孔洞，孔洞的形状是圆形、椭圆形、三角形、正方形、长方形、多边形或其它几何形状，从而得到一种可用于制备电触点的复合材料。将此复合材料加以冲切或分割成外接圆直径为1.0-10.0mm的圆形、椭圆形、正方形或其它几何形状的小片，每一个小片上有一个或多个完整的孔洞；孔洞垂直于金属片材，或者孔洞轴心与金属片材之间的夹角大于60°。这种小片可以作为聚合物基电触点，用在由聚合物制备的按键上。由于复合材料的金属层中有孔洞，使所制得的聚合物基电触点有良好的抗尘性、抗颗粒性和抗油污性能。

聚合物基材和金属层之间，可以有厚度小于1μm的粘合剂层，以增加聚合物基材和金属层之间的粘合力。如果聚合物基材本身与金属层之间有较好的粘合强度，则无需用粘合剂层来粘合聚合物基材和金属层。

金属层可以是表面光滑或粗糙的，也可以是压花的。具体地说，金属层是由两面或单面的表面粗糙度Ra为0.025-100的金属片材制成的，或者由有凸点、凸面、凹点、凹面、凸线条或凹线条的金属片材制成的；凸点、凸面、凹点和凹面的外接圆直径不大于2.0mm，凸线条、凹线条的宽度不大于2.0mm。

举例来说，金属层为表面粗糙度Ra为0.2-12.5的、025-0.25mm厚的、孔洞在金属层均匀分布的、孔径为50μm-1.0mm、孔间距为25μm-1.0mm的、孔型为圆形、正多边形或其它几何形状的金属片材。

目数在80目以上的金属网或烧结金属网，也可以用作上述复合材料和聚合物基电触点中的金属层。金属网或烧结金属网可以是单层的、两层的或多层的。目数小于80目的金属网或烧结金属网，不适用于制备本发明中所述的聚合物基复合材料。这是因为它们太大的孔径，可使聚合物基体填充和穿透金属网或烧结金属网。

金属层的材质可以是多种多样的，可以由铝、铁、钴、镍、铜、锌、锡、钛、锰、钨、银、金或它们的合金构成；金属层是由均质的或非均质的金属材料构成的；进一步地说，所述的金属层的表面及其中的孔洞的内表面可以是有金属镀层的，金属镀层可以全部地或部分的覆盖着多孔金属的表面和多孔金属孔洞的内表面。优选镀金或镀银。金和银有比较良好的导电率，作为金属材料外层的镀层，可以提高电触点的表面导电率，降低电触点的接触电阻，提高电触点的电导通能力或使用寿命。

本发明中，不仅金属层的选材可以是多种多样的，而且聚合物基体的选材范围也是很宽广的。聚合物基体可以由热固性橡胶、热塑性橡胶、热固性塑料、热塑性塑料、辐射固化材料、粘合剂、油墨或涂料制备而成。

由于很多按键是由橡胶制备的，所以聚合物基复合材料中的聚合物基材，可以选由橡胶来制备，可以由二烯类液体橡胶、链烯烃类液体橡胶、聚氨酯类液体橡胶、丙烯酸酯液体橡胶、液体聚硫橡胶、硅系液体橡胶、氟系液体橡胶制备的，或者由这些类别的相应的固体生胶来制备。

在选定橡胶的种类时，应考虑这些复合材料的后续用途。如果用这些复合材料制备橡胶按键上的电触点，就应了解橡胶按键是用哪一种橡胶制备的，以使得在热硫化成型或辐射固化成型时，电触点和按键基体之间有良好的粘合。同类橡胶易于热硫化粘结。用链烯烃类的三元乙丙橡胶制备的聚合物基电触点，可用来制备含有聚合物基电触点的三元乙丙橡胶按键。用硅橡胶制备的聚合物基电触点，可用来制备含有聚合物基电触点的硅橡胶按键。

聚合物基体的配方中可含有各种助剂，如颜料、填料或导电填料等，也就是说，聚合物基材可以是导电的。聚合物基材可以是导电塑料、导电橡胶、导电粘合剂、导电油墨或导电涂料。导电的聚合物基材，为聚合物基电触点的导电性能，提供进一步的保证。

本发明中聚合物基复合材料的制备工艺是：通过注入、叠合、移印、丝印、刷涂、辊刷涂、刮涂、喷涂、浸涂、淋涂、抽涂的方式，使聚合物和金属片材在一起，或者通过热塑性成型工艺、热固性成型工艺或辐射固化工艺固化成型，制成由聚合物和金属片材组成的两层结构的复合材料，然后，再将复合材料中的金属层通过蚀刻工艺制成具有一个或一个以上的外接圆直径为0.05-5mm的孔洞；所制得的复合材料可进一步冲切或分割成外接圆直径为1.0-10.0mm的圆形、椭圆形、正方形或其它几何形状的小片，每一个小片中含有一个以上的完整的孔洞。这种小片可用来作为按键的电触点。机械冲切制备小片是快速高效的方法。特殊场合，比如在制备样品或小批量生产的情况下，也可采用激光分割法。

蚀刻工艺是制备聚合物基复合材料的一个重要步骤。可以采用湿蚀刻工艺或干蚀刻工艺。湿蚀刻工艺是使用化学溶液，经由化学反应而移除部分金属而形成孔洞，干蚀刻是利用等离子体、电子束或激光移除部分金属而形成孔洞。

有益效果：本发明的有益效果如下：

(1)由本发明中制备的聚合物基复合材料所制得的电触点，在温度升高的时候，仍具有良好的导通性能。如图1所示，聚合物填充的多孔材料，在稳定升高的时候，可能由于聚合物有较高的热膨胀系数而凸出于电触点的表面。图2表明，本发明中的电触点，在温度升高的情况下，比如由25℃升到80℃，金属层的厚度抵消了聚合物的热膨胀，不会产生聚合物凸出于电触点的表面这样的问题。

(2)和表面平整的电触点相比，由本发明中制备的聚合物基复合材料所制得的电触点由于表面存在孔洞，在相同的按压力下，可产生较大的压强，从而可增强电触点的导通稳定性。

(3)由本发明中制备的聚合物基复合材料所制得的电触点，由于电触点表面有孔洞，具有一定的抗尘性、抗颗粒性和抗油污性。

(4)由本发明中制备的聚合物基复合材料所制得的电触点，整体硬度可在更大范围内调控，可制得电触点可以足够软而又有一定使用寿命。电触点整体硬度软，可以进一步增加电触点的抗尘性。

总之，本发明中的聚合物基复合材料及由此制得的电触点，具有良好的导通稳定性、良好的抗尘性和抗油污性，与此同时，它们可以抵消聚合物基材的较大的热膨胀，因而适合于在各种气象条件下和工作条件下使用。

附图说明

图1是本发明中温度升高时，橡胶凸出于由橡胶和金属板网制备的复合材料的表面示意图；其中，1-硅橡胶，2-金属板网；

图2是本发明中热膨胀不会使橡胶凸出于多孔金属的表面示意图；其中，3-橡胶，4-多孔金属。

具体实施方式

下面结合具体实施例对本发明作进一步说明。

实施例1

将0.2mm厚的表面粗糙度Ra不大于0.8的不锈钢片材用底涂剂或粘合剂(本实施例中选用Lord Chemical公司生产的Chemlok 250粘合剂)处理，然后和三元乙丙橡胶的混炼胶热硫化成型，制成总厚度为1.0mm的金属-橡胶复合片材。用含有三氯化铁的蚀刻液蚀刻，在该复合片材中不锈钢上，蚀刻出遍布于复合片材中的不锈钢层上的孔径为0.4-0.6mm、任何相邻两孔的孔间距为0.2-0.3mm的孔洞，孔洞垂直穿透于不锈钢片材，即得到一种聚合物基复合材料。然后，将有蚀刻孔洞的复合片材冲切成直径1.5-5mm的小圆片，即得到可以于橡胶按键上的聚合物基电触点。这种聚合物基电触点，在温度交变条件下，特别是在温度升高的条件下，仍能提供低的接触电阻。即使橡胶的热膨胀系数比金属大，在温度升高时，比如由25℃升高到80℃，橡胶也不会从金属的孔洞中凸出(如图2所示)，不会产生如图1所示的那种使电触点接触电阻上升的现象。此外，本实施例中制备的聚合物基电触点，还具有良好的抗尘性能、抗颗粒性能和抗油污性能，电触点的整体硬度易于调节。

实施例2

将一个表面镀有5μm的镍镀层的厚度为0.1mm的镀镍不锈钢片材。辊压成正弦波波纹状片材，辊压后片材的总厚度为0.15mm，相邻两峰之间的距离为0.75mm。将没有镍镀层的不锈钢片材的表面和硅橡胶热硫化粘结和热硫化成型，制成总厚度为1.0mm的金属-橡胶复合片材，然后选用只蚀刻金属而不蚀刻硅橡胶的激光蚀刻机，蚀刻出孔径为0.5mm、任何相邻两孔的孔间距为0.25mm的孔洞，即制得一种聚合物基复合材料。然后，将有蚀刻孔洞的复合材料冲切成直径1.5-5mm的小圆片，即得到可以于橡胶按键上的聚合物基电触点。在这种聚合物基电触点中，其金属层中的孔洞，以及表面的正弦波纹，都有利于电触点的抗尘性和抗油污性。

实施例3

本实施例选用光固化材料以提高生产效率。在200目的镍丝网上，分别丝网印刷上一层50μm厚的含有0.5-1％的附着力促进剂的可紫外光固化的液体硅橡胶(本实施例中选用Momentive公司生产的Silopren UV LSR 2060)和可紫外光固化的聚氨酯丙烯酸类胶粘剂(自制的)，用适当的UV光辐照，使可光固化的材料固化，制得镍丝网的复合片材。然后，用等离子体蚀刻机，把复合片材中的镍丝网，蚀刻出均匀排列的边长为0.5mm正方形孔洞，正方形孔洞之间的距离为0.25mm，即得到一种聚合物基复合材料。将所得复合材料冲切成直径2-5mm的小圆片，用做聚合物按键的电触点。选用金属丝网作为电触点中的金属层，有利于电触点的抗尘性和抗油污性。

实施例4

将单组分室温固化硅橡胶油墨，以刮涂的方式，涂覆于0.1mm厚的细晶银AgNi0.15片材的表面。油墨层的干膜厚度是0.25mm。暴露于空气中30分钟完成固化后，用含有过氧化氢的银蚀刻液蚀刻出实施例2中所示的孔型来，然后将此片材冲切成直径为3mm或5mm的小圆片，这种小圆片是具有良好电导通功能的电触点。

实施例5

将以上各实施例1、2和3中所制得的电触点，用化学镀的方法，在电触点中的金属表面和孔洞的内表面，镀一层平均厚度约0.2μm厚的纯度大于99.0％的金镀层。镀金使得电触点有更高的导电率和更长的使用寿命。

本发明不局限于上述最佳实施方式，任何人在本发明的启示下都可得出其他各种形式的产品，但不论在其形状或结构上作任何变化，凡是具有与本申请相同或相近似的技术方案，均落在本发明的保护范围之内。