层压有钢板和导入官能团的塑料层的复合材料及其制造方法与流程

相关申请的交叉引用

本申请要求于2017年12月21日提交的韩国专利申请第10-2017-0177109号的优先权，该韩国专利申请文献中公开的所有内容作为本说明书的一部分包括在本说明书中。

本发明涉及一种层压有钢板和导入官能团的塑料层的复合材料及其制造方法。

背景技术：

在过去的20年中，过度使用能源的问题成为焦点，为了减少能源的使用，整个工业正在积极地进行材料的轻量化。对于严重消耗能源所引起的环境污染问题和汽车需求的剧增所引起的能源资源的枯竭的担忧日渐加剧。因此，正在对材料的轻量化进行积极的研究，并且诸如铝等轻质材料的使用量也逐年增加。

特别是在汽车工业中，汽车材料的轻量化是长期关注的事项，并且是所有汽车企业的下一代开发目标。世界知名的汽车制造商以及部件和材料相关公司的目标在于通过开发和应用用于汽车轻量化的新材料来生产具有高燃油效率的汽车，并且正在开展激烈的技术竞争。

在轻质材料中，在非铁系材料中铝最广泛地被用作汽车材料，特别是被用作汽车外板的比例正在增加。但是，铝的问题在于，在加工过程中消耗大量能源，并且在价格方面不利。

作为对应于铝的材料，备受关注的有厚度薄的高强度钢板。当使用高强度钢板时，随着厚度变薄，存在外板的刚性不足的问题。此外，一定厚度以下的高强度钢板具有在加工过程中发生微细褶皱或回弹现象的局限性。

作为替代方案，正在研究在钢板之间插入具有粘合性质的轻质高分子层的轻质夹层钢板。但是，这种插入塑料层的形式的复合钢板中，进行如下工艺，即为了粘合塑料层与钢板，在涂覆粘合剂后进行层压，或者对钢板的表面进行等离子体处理后进行层压的工艺等。但是，涂覆粘合剂的方法存在产生有害物质或者由于加工或温度变化而导致界面分离的问题，并且对钢板的表面进行等离子体处理的方法具有无法确保塑料层与钢板之间的充分的粘合力的局限性。

[现有技术文献]

美国专利公开第2016-0318294号

技术实现要素：

要解决的技术问题

本发明的目的在于提供一种轻量化的复合材料及其制造方法，所述复合材料中通过塑料层的表面改性来导入极性官能团，由此向塑料层与钢板之间赋予充分的粘合力。

技术方案

本发明的一个实施方案提供一种复合材料，所述复合材料包括：塑料层；以及钢板，所述钢板层压在所述塑料层的一面或两面上，并且所述塑料层的与钢板层压的一侧的表面是导入极性官能团的结构。

本发明的另一个实施方案提供一种制造复合材料的方法，所述方法包括以下步骤：用极性官能团对塑料层的一面或两面进行表面改性；以及在加热或加压的条件下，将钢板层压在所述塑料层的经过表面改性的表面上。

有益效果

本发明的复合材料中通过在塑料层的表面导入极性官能团，向钢板和塑料层之间提供充分的粘合力，并且可以用作汽车用部件或汽车用结构体等。

附图说明

图1是示出在塑料层表面导入极性官能团的过程的示意图。

图2是示出本发明的一个实施例的制造复合材料的过程的示意图。

图3是拍摄实施例和比较例的复合材料的弯曲实验结果的照片。

最佳实施方式

本发明的一个实施方案的复合材料包括：塑料层；以及钢板，所述钢板层压在所述塑料层的一面或两面上，并且所述塑料层的与钢板层压的一侧的表面是导入极性官能团的结构。

本发明的复合材料中通过使用薄型高强度钢板，赋予抗凹痕性，并且可以确保优异的价格竞争力。通过所述钢板和塑料层的层压结构，弥补使用薄型钢板时的外板刚性，并且可以实现轻量化。此外，通过将薄型高强度钢板和塑料层进行层压，可以防止加工过程中发生的微细褶皱或回弹等现象。所述复合材料的结构包括将钢板和塑料层进行层压的两层结构，或者将钢板、塑料层和钢板依次进行层压的三层结构。

在本发明中，为了提高钢板与塑料层的粘合力，应用在塑料层的表面导入极性官能团的结构。所述极性官能团的含义与非极性官能团的含义相反，可以解释为亲水性官能团。例如，所述极性官能团包含羟基(-oh)、羧基(-cooh)、羰基(-co-)、氨基(-nh2)、过氧化羟基(-ooh)、过氧基(-oo-)、硫醇基(-sh)和异氰酸酯基(-nco)中的一种以上。

此外，在本发明中，应用于塑料层的材料由工程塑料形成。工程塑料是指用作工业材料和结构材料的高强度塑料的总称。工程塑料是分子量为几十万至几百万范围的高分子物质，在这一方面是区别于分子量为几十至几百左右的低分子物质的现有的塑料的概念。工程塑料的性能和特征根据其化学结构而不同，主要包括聚酰胺、聚乙酰聚碳酸酯、聚苯醚、聚对苯二甲酸丁二醇酯等，还包括聚乙烯、聚丙烯、聚酯或聚氨酯等。例如，所述聚酰胺树脂具有优异的表面硬度、弯曲强度和耐碱性，已知的有尼龙6或尼龙66等。

在另一个实例中，本发明的复合材料中，将钢板和塑料层进行层压时不需要额外的粘合剂层。所述塑料层的表面是经过改性的状态，以导入极性官能团，并且在所述塑料层的表面导入的极性官能团赋予与钢板的粘合力。因此，为了钢板与塑料层之间的层压，即使不形成额外的粘合剂层，也可以实现粘合力优异的复合材料。

此外，本发明的复合材料中，通过在钢板的一面或者在钢板与钢板之间层压塑料层，从而可以实现材料的轻量化。例如，所述塑料层与层压在所述塑料层上的钢板的厚度的比例可以为3:1-1:5的范围，或者可以为2:1-1:2的范围。通过将钢板和塑料层的厚度控制在上述范围，从而可以同时实现复合材料的刚性和轻量化。

在另一个实例中，应用于本发明的复合材料的钢板的表面可以是分散塑料微细颗粒的结构。例如，与塑料层相接的一侧的钢板表面是分散塑料颗粒的结构。

在一个实例中，所述塑料层和塑料颗粒可以由相同种类的树脂形成。例如，所述塑料层是由聚酰胺树脂形成的结构，具体是由尼龙6树脂形成的结构，所述塑料颗粒也是由相同种类的树脂形成的结构。通过使分散在钢板表面的塑料颗粒和形成塑料层的树脂的种类相同，在加热和加压的条件下粘合两个层的过程中可以实现相同种类的树脂之间的优异的粘合力。在本发明中，相同种类的树脂是指由相同系列的树脂形成的情况，并且包括以下情况，即根据需要，形成树脂的主链相同，但被相互不同的官能团取代或部分改性的情况，或者设定不同熔点等的情况。

在一个实例中，所述钢板的与塑料层相接的一面是形成镀层的结构，所述塑料颗粒是分散在镀层的表面的形式，所述镀层的表面的算术平均粗糙度(ra)为0.01-5μm的范围。对镀层不作特别限制，例如可以形成锌镀层。具体地，所述镀层的表面的算术平均粗糙度(ra)可以为0.01-4μm、0.1-0.8μm或0.05-0.5μm的范围。通过在形成一定水平的粗糙度的镀层上分散微细塑料颗粒，提高镀层与微细塑料颗粒之间的结合力，而且可以提高钢板与塑料层之间的粘合力。在一个实例中，形成镀层的钢板可以是镀锌钢板，例如可以是用0.11al％-0.05pb％-zn的镀覆组成进行热浸镀的热浸镀锌钢板。

此外，所述塑料颗粒的平均粒径为0.2-50μm的范围。具体地，所述塑料颗粒的平均粒径可以为0.2-0.5μm或15-30μm的范围。塑料颗粒的粒径是考虑了钢板表面的粗糙度。与钢板表面的粗糙度相比，当塑料颗粒过大时，塑料颗粒无法很好地位于钢板表面的弯曲之间，由此会发生钢板与塑料颗粒分离或者粘合力降低的问题。另一方面，当塑料颗粒过小时，由于颗粒之间的相互作用，发生凝聚的现象，存在颗粒无法均匀地分散在钢板表面的问题。

在本发明中，钢板表面的粗糙度是指钢板自身的表面粗糙度，并且在钢板的表面形成镀层时，钢板表面的粗糙度是指由所述镀层形成的表面粗糙度。

所述钢板是形成锌镀层的情况，并且塑料颗粒位于形成在所述锌镀层的表面的峰与峰之间的谷部分。由此钢板与塑料颗粒稳定地粘合。而且，在塑料层的表面导入的极性官能团通过与镀层或塑料颗粒的结合力可以实现优异的粘合力。例如，与钢板表面的粗糙度相比，当塑料颗粒的粒径过大时，塑料颗粒无法位于钢板表面的粗糙的区域内。另一方面，与钢板表面的粗糙度相比，当塑料颗粒的粒径过小时，由于塑料颗粒的相互作用，塑料颗粒相互凝聚而形成颗粒簇，形成颗粒簇的塑料颗粒无法位于钢板表面的粗糙的区域内。

在一个实例中，在与塑料层相接的钢板的表面上，除了塑料颗粒之外，还包括混合并分散导电颗粒和弹性颗粒中的一种以上的情况。通过分散在钢板表面的颗粒中混合一部分导电颗粒，可以提高复合材料的焊接性，并且根据需要可以赋予抗静电性能。此外，通过与所述塑料颗粒一起混合弹性颗粒并分散，可以减轻振动的冲击，并且可以提高工艺自由度。

所述导电颗粒只要是可以赋予导电性的颗粒状成分，则可以不受限制地应用。例如，所述导电颗粒可以使用炭黑、石墨或石墨烯片等颗粒状的碳成分；金、铜、铁或铝等金属颗粒；以及聚乙烯、聚吡咯或聚噻吩等导电高分子中的一种以上，所述导电高分子可以是根据需要掺杂各种成分的结构。

所述弹性颗粒只要是可以赋予弹性的颗粒状成分，则可以不受限制地应用。所述弹性颗粒可以使用天然弹性高分子或合成弹性高分子，例如可以使用sbs(聚(苯乙烯-b-丁二烯-b-苯乙烯)(poly(styrene-b-butadiene-b-styrene)))树脂颗粒等。

本发明的复合材料的应用领域不受特别限制，例如，可以用作汽车用材料。应用于汽车领域的材料需要同时具有轻量性、加工性和刚性。本发明的复合材料中通过钢板和塑料层的层压，可以同时实现轻量化和刚性。此外，所述复合材料中在钢板与塑料层之间具有高粘合力，因此在加工过程中可以防止层之间分离的现象。例如，本发明的复合材料可以应用于汽车用部件或汽车用结构材料等。

此外，本发明提供一种制造上述复合材料的方法。

在一个实例中，制造所述复合材料的方法包括以下步骤：用极性官能团对塑料层的一面或两面进行表面改性；以及在加热或加压的条件下，将钢板层压在所述塑料层的经过表面改性的表面上。

对所述塑料层进行表面改性的步骤而言，只要可以在塑料层的表面导入极性官能团，则不作特别限制，例如，可以通过uv处理、臭氧处理、自由基反应、接枝反应和交联剂处理中的任一种以上的工艺进行。

例如，通过向塑料层表面照射uv，使聚合物的主链断链(chainscission)，或者通过臭氧处理向塑料层表面赋予亲水性。根据情况，还可以通过用自由基引发剂和/或交联剂进行处理，对塑料层的表面进行改性。图1是示出一个实施例的塑料层的表面改性过程的示意图。参考图1，将塑料层的表面进行加热的同时用自由基引发剂进行处理后添加交联剂，以此对表面进行改性。另一种表面改性方法是可以在高分子量的塑料层的一面或两面涂覆具有极性官能团的低分子量的树脂或者层压树脂层。通过形成低分子量的树脂层，相对于相同的质量，可以增加形成在末端的极性官能团的数量。

在另一个实例中，本发明的制造复合材料的方法中可以连续进行以下步骤：用极性官能团对塑料层的一面或两面进行表面改性；以及将钢板层压在所述塑料层的经过表面改性的表面上。通过连续进行用极性官能团对塑料层的一面或两面进行表面改性的步骤和将钢板层压在所述塑料层的经过表面改性的表面上的步骤，可以缩短工艺时间并降低制造成本。在这种情况下，可以包括将一个钢板和塑料层进行层压的情况，但还包括在塑料层的两面分别层压第一钢板和第二钢板的情况。在本发明中，连续进行用极性官能团对塑料层的一面或两面进行表面改性的步骤和将钢板层压在所述塑料层的经过表面改性的表面上的步骤是指在用极性官能团在所述塑料层的一面或两面进行表面改性的步骤之后，接着进行将钢板层压在所述塑料层的经过表面改性的表面上的步骤，并且表示在两个步骤之间不经过形成额外的粘合层或涂覆粘合树脂的过程。

根据情况，所述钢板是在与塑料层层压的表面上喷射平均粒径为10-50μm的范围的塑料颗粒的形式。喷射在钢板表面的塑料颗粒如上所述。例如，形成塑料颗粒的树脂可以使用尼龙6。可以在水(water)中滴加在甲酸溶剂中混合尼龙6树脂的溶液相并搅拌来制造塑料颗粒。作为所述溶剂，除了使用甲酸之外，还可以使用甲醇、乙醇或丙酮等。根据情况，可以商购具有适当的粒径的塑料颗粒。例如，准备的塑料颗粒通过静电喷射的方式喷射到钢板表面。

图2是示出本发明的一个实施例的制造复合材料的过程的示意图。在由尼龙6树脂形成的塑料层10的两面，依次用uv和臭氧处理，导入极性官能团。将钢板20和钢板30层压在导入极性官能团的塑料层10的两面。在加热和加压的条件下进行层压，制造依次层压有钢板20、塑料层10和钢板30的复合材料。

具体实施方式

以下，通过实施例等对本发明进行更详细的说明，但本发明的范畴并不限定于此。

实验例1

利用尼龙6树脂形成塑料层，并在表面导入各种官能团。在加热和加压的条件下，将导入官能团的塑料层和钢板进行层压，制得复合材料(实施例)。

通过与所述实施例相同的方法制造复合材料，但对塑料层的表面没有进行单独的表面改性。而是在钢板与塑料层之间涂覆可商购的一液型环氧粘合剂，然后经过层压的过程制得复合材料(比较例)。

对实施例和比较例中分别制造的复合材料样品进行实验，该实验中对根据弯曲程度是否发生剥离进行评价。进行的结果示于图3中。图3的(a)是拍摄对实施例的复合材料样品进行弯曲评价的结果的照片。在图3的(a)中，可以知道在弯曲180度时钢板与塑料层之间也没有发生剥离现象。

图3的(b)是拍摄对比较例的复合材料样品进行弯曲评价的结果的照片。在图3的(b)中，观察到在弯曲60度时部分钢板与塑料层剥离的现象。将样品弯曲至180度时，观察到在弯曲部位发生钢板与塑料层之间的剥离或者塑料层断裂的现象。

实验例2

利用尼龙6树脂形成塑料层，并在表面导入各种官能团。在加热和加压的条件下，将导入官能团的塑料层和钢板进行层压，制得复合材料(实施例)。通过与所述实施例相同的方法制造复合材料，但在钢板的表面导入官能团，没有对塑料层表面进行单独的表面改性，制得复合材料(比较例)。

对于制造的各个复合材料样品，测量分离钢板与塑料层所需的力，以此评价粘合力。对各个样品重复10次来进行评价。

导入的官能团的种类和评价结果总结在下表1中(单位mpa)。

[表1]

参考表1，可以知道与在钢板导入官能团的比较例相比，在塑料层表面导入官能团的实施例的粘合力显著优异，例如，在钢板表面导入-oh时，重复进行10次实验后的平均数值为6.8mpa，但在塑料层表面导入-oh基团时，10次的平均值为约19.2mpa水平。这表示与比较例相比，实施例的粘合力提高至约2.8倍。在导入其它官能团时，可以知道与比较例相比，实施例的粘合力优异2.5倍以上。

[附图标记的说明]

10：塑料层

20、30：钢板

工业实用性

本发明的复合材料中通过在塑料层的表面导入极性官能团，向钢板和塑料层之间提供充分的粘合力，并且可以用作汽车用部件或汽车用结构体等。