Способ соединения металлических деталей с пластмассой

Способ соединения металлических деталей с пластмассой

Реферат

Настоящее изобретение относится к способу соединения поверхности металлических деталей с пластмассами. В частности, изобретение относится к способу нанесения на металлические детали покрытий из пластмасс посредством литьевого формования и к изделиям, получаемым при использовании этого способа.

Ряд деталей, используемых во многих областях, характеризуется наличием области соединения пластмассы с поверхностью металлической детали. Для получения таких изделий используется способ настоящего изобретения. Причины создания подобного соединения различны. Например, нанесение покрытия на металлические детали иногда необходимо для предотвращения контактирования поверхности металла с пищей или воздействия химических веществ во время использования. Примерами изделий, получаемых посредством способа настоящего изобретения, являются крышки. Крышки из пластмассы для бутылок присоединяют к металлическому материалу, например к алюминию, для того чтобы не допустить диффузии кислорода в бутылки.

В промышленности также необходимо соединять различные детали, такие как металлические клапаны, металлические фитинги или металлические трубы, с трубами или фитингами из пластмассы.

Уже известны способы соединения пластмасс к поверхностях металлов. В частности, известен способ соединения металлической детали с пластмассами посредством литьевого формования. Такой способ описан в международной патентной заявке WO 96/14533. В соответствии с описанным изобретением способ включает стадии нанесения на металлическую трубу или трубопроводную арматуру органического или неорганического грунтовочного покрытия, далее воздействия тепла на концевую часть металлической трубы или на фитинг и затем погружения металлической трубы или трубопроводной арматуры в горячем состоянии в псевдоожиженный слой пластмассы. Последующая и последняя стадия заключается в формовании на поверхности металлической трубы или трубопроводной арматуры пластмассового покрытия посредством литьевого формования.

Проблема в способе, описанном в упомянутой патентной заявке, заключается в том, что адгезионные силы между металлической трубой и пластмассой являются небольшими.

В настоящее время обнаружен способ, в котором адгезионные силы между поверхностью металла и пластмассой увеличиваются.

В дополнение к этому благодаря способу настоящего изобретения создаются более высокие значения адгезионных сил без повреждения пластмассового покрытия. Фактически химическая деструкция полимера не происходит либо сводится к минимуму.

Более того, настоящий способ даже не приводит к потере формы у сформованного на поверхности изделия пластмассового покрытия под действием тепла.

Соответственно, настоящее изобретение обеспечивает способ соединения между пластмассой и поверхностью металлической детали (поверхностью металла), включающий стадии:

a) нанесения клеевой полимерной композиции на поверхность металла;

b) формования на поверхности металла покрытия из пластмассы посредством литьевого формования; и

c) подвода тепла к поверхности металла.

Поверхность металла может быть всей поверхностью металлической детали или частью ее в зависимости от изготовляемого типа изделия, содержащего это соединение.

Деталь, предназначенная для соединения с пластмассой, может относиться к любому типу металла или металлического сплава. Примерами подходящих металлов и металлических сплавов являются железо, алюминий, медь, сталь и латунь.

На деталь, подвергаемую воздействию способа настоящего изобретения, необязательно может быть нанесено электролитическое покрытие, или же она может быть обработана посредством поверхностной обработки, в общем случае применяемой на современном уровне техники. Поэтому, например, приемлемы также и детали с электролитическим хромовым или цинковым покрытием.

Клеевая полимерная композиция, используемая на стадии (а), предпочтительно совместима с полимером, используемым для формования покрытия на поверхности металла на стадии (b). Например, полимерный клей может быть тем же самым полимером, что и полимер, использованный для формования покрытия на поверхности металла.

Клеевая полимерная композиция предпочтительно содержит полимер, модифицированный прививкой на него модификаторов, содержащих функциональные группы. Могут быть использованы клеевые полимерные композиции, известные в современном уровне техники. Модифицирование полимера достигается, в соответствии с известными способами, в результате смешивания полимера и модификатора (такого как малеиновый ангидрид или изофорон-бисмалеамидокислота или акриловая кислота) либо в расплавленном состоянии, либо в растворе, предпочтительно в присутствии свободно-радикальных инициаторов, таких как органические пероксиды. Проводится частичная или полная прививка модификатора в количествах в диапазоне от 0,5 до 10%.

Примерами подходящих модифицированных полимеров являются следующие (все процентные содержания весовые):

I) статистические сополимеры пропилена с 0,5-10% олефина CH₂=CHR, где R выбирают из Н и линейного или разветвленного С₂-С₄-алкильного радикала, модифицированные полярными группами в количествах от 0,002 до 10%;

II) полиолефиновые композиции, содержащие в весовых процентах:

a) 30-94%, предпочтительно 54-85%, полипропилена или полиэтилена (ПЭВП, ПЭНП или ЛПЭНП) или пропилен/этиленового или пропилен/этилен/C₄-C₁₀ - α-олефинового кристаллического статистического сополимера;

b) 0-70%, предпочтительно 5-40%, этиленпропиленового или этилен/1-бутенового эластомерного сополимера; и

с) 0,5-10%, предпочтительно 2-6%, полипропилена или полиэтилена (ПЭВП, ПЭНП или ЛПЭНП), модифицированного полярными группами в количествах от 0,5 до 10%.

Предпочтительно клеевая, полимерная композиция также содержит от 0,1 до 0,5% (вес.) зародышеобразователя, такого как дибензилиденсорбит или тальк, и от 0,1 до 10% (вес.) диоксида титана.

Предпочтительно, α-олефин выбирают из 1-бутена, 1-пентена, 1-гексена, 4-метил-1-пентена и 1-октена. В особенности предпочтителен 1-бутен.

Полимерные композиции (II) могут быть получены в результате смешения компонентов или в результате последовательной полимеризации мономеров в присутствии стереоспецифических катализаторов Циглера - Натта, нанесенных на дигалогениды магния в активной форме, как это описано, например, в ЕР-А-483523.

Способ нанесения клеевой полимерной композиции на поверхность металлической детали не является критичным. Например, клеевая полимерная композиция может быть нанесена посредством литьевого формования или погружения детали в псевдоожиженный слой полимерного порошка. Другими подходящими способами нанесения полимерного клея в форме порошка являются газопламенное напыление или напыление на предварительно нагретые детали или использование распылителей, снабженных системой для электростатической зарядки порошков. В альтернативном варианте может быть использован экструзионный способ, если деталь имеет простую форму. В зависимости от способа поверхность металла нагревают до или после нанесения клеевой полимерной композиции.

Пластмасса, покрытие из которой формуется на поверхности металла, может включать термопласты, такие как полиолефины, например гомо- или сополимеры этилена, пропилена и 1-бутена и полиамиды. Примером полиолефинов является гетерофазная полимерная композиция, содержащая (в весовых процентах):

- 30-90% кристаллического пропиленового гомополимера при содержании фракции, нерастворимой в ксилоле при комнатной температуре, превышающем 90, или кристаллического статистического сополимера пропилена с этиленом и/или олефином CH₂=CHR, где R представляет собой С₂-С₆-алкильный радикал, содержащего более 85% пропилена и содержащего нерастворимую фракцию в количестве, превышающем 85%;

- 0-40% полимерной фракции, содержащей этилен, нерастворимой в ксилоле при комнатной температуре (то есть, приблизительно при 23°С); и

- 10-60% аморфного этиленпропиленового сополимера, по выбору содержащего незначительные количества диена, растворимого в ксилоле при комнатной температуре и содержащего 10-70% этилена.

Примеры гетерофазных полимерных композиций описаны в опубликованных европейских патентных заявках №№400333 и 472946.

Пластмасса может включать и другие компоненты, обычно используемые в современном уровне техники, такие как наполнитель и пигменты.

На стадии (с) тепло подводится к поверхности металла, например, под действием индукции. Способ подвода индукционного тепла осуществляют в индукционной печи.

Поверхность металла нагревают вплоть до температуры, которая вызывает размягчение или плавление сформованного на поверхности металла покрытия из пластмассы в месте контакта с металлом. Следовательно, температура зависит от типа использованной пластмассы. Например, если пластмассой является пропиленовый полимер, поверхность металла можно нагревать до температуры 180-220°С.

Для того, чтобы определить, сколько энергии будет необходимо для прогревания поверхности металла с нанесенным покрытием при необходимой температуре, можно определить это для поверхности металла без покрытия.

Способ настоящего изобретения по выбору включает стадию нанесения на поверхность металла органического или неорганического грунтовочного покрытия перед стадией нанесения на поверхность металла клеевой полимерной композиции. Примерами подходящих грунтовок являются эпоксидные смолы и хроматы.

Когда на стадии (с) подводят тепло, то для увеличения адгезии между поверхностью металла и пластмассой к детали и/или сформованному на поверхности металла пластмассовому покрытию возможно приложение давления. Давление прикладывается, например, посредством вальцевания или при помощи прессформ. На величины прилагаемого давления оказывают влияние тип детали и типы использованных полимеров. Прилагаемое давление можно выбирать в диапазоне от 0,01 до 5 МПа. Если давление прикладывается при помощи пресс-формы, давление предпочтительно прикладывают в течение 5 секунд или менее.

Следующие примеры приводятся для иллюстрации, но не для ограничения настоящего изобретения.

Данные, касающиеся композиций и образцов из примеров, определяют при использовании приведенных ниже способов:

- индекс расплава (MIL): ASTM D 1238, условие L.

- растворимость в ксилоле: (смотрите примечание ниже).

- характеристическая вязкость: определенная в тетрагидронафталине при 135°С.

- тест на отслаивание: NF А 49 711 при комнатной температуре.

Примечание.

Определение процентного содержания фракции, растворимой в ксилоле: готовят раствор образца с концентрацией 1% (вес.), выдерживая температуру на уровне 135°С и перемешивая раствор в течение одного часа и после этого охлаждая раствор до комнатной температуры. После этого раствор фильтруют, и к порции фильтрата добавляют ацетон для проведения осаждения растворенного полимера. После этого полимер извлекают, промывают, высушивают и взвешивают для того, чтобы определить процентное содержание фракции, растворимой в ксилоле.

Полимеры, использованные в примерах.

- Клеевая полимерная композиция, содержащая (в весовых процентах):

a) 74% кристаллического поли(пропилен-со-бутен-1-со-этилена), содержащего приблизительно 8% и 2% повторяющихся звеньев, полученных из бутена-1 и этилена, соответственно, содержащего незначительное количество фракции, растворимой в ксилоле при комнатной температуре;

b) 20% статистического сополимера пропилена с 15% повторяющихся звеньев, полученных из этилена, содержащего фракцию, растворимую в ксилоле при 23°С, в количестве 50%;

c) 5% полипропилена с 1,5% привитого малеинового ангидрида; и

d) 1% TiO₂.

Полимеры получают в результате полимеризации олефиновых мономеров в присутствии катализатора Циглера – Натта, обеспечивающего высокий выход полимера.

Полимерную композицию стабилизируют в отношении термического старения и старения под действием ультрафиолетовых лучей, используя известные добавки, и композицию подвергают легкому крекингу под действием пероксидов вплоть до MIL, равного 140 дг/мин. Ее средний размер частиц составляет 250 мкм, что достигается при использовании криогенного измельчения.

- Гетерофазная полимерная композиция, характеризующаяся величиной MIL 3,5 дг/мин и состоящая из следующих полимеров (в весовых процентах):

- 79% кристаллического пропиленового гомополимера, содержащего 2,5% фракции, растворимой в ксилоле при 23°С; и

- 21% статистического эластомерного сополимера, состоящего из 87% повторяющихся звеньев, полученных из пропилена, и 13% - из этилена.

Фракция, растворимая в ксилоле при 23°С, для гетерофазной композиции характеризуется значением характеристической вязкости 3 дл/г.

Композицию получают в результате последовательной полимеризации при использовании обеспечивающего высокий выход полимера и высокостереоспецифического катализатора Циглера - Натта, нанесенного на хлорид магния.

Сравнительный пример 1с.

Обработанную пескоструйным аппаратом пластину углеродистой стали с размерами 124×124×1,5 мм соединяют с пластмассой в соответствии со следующим способом.

Стадия (а): пластину прогревают в печи при 250°С и после этого погружают в псевдоожиженный слой (на 5 секунд), содержащий порошок клеевой полимерной композиции. Пластину с нанесенным таким образом покрытием оставляют охлаждаться на открытом воздухе. Покрытие имеет толщину 300-400 мкм. Адгезию пластмассового покрытия к металлу относят к классу 5 В в соответствии со способом ASTM D 3359.

Стадия (b): пластину с нанесенным таким образом покрытием вводят в аппарат для литьевого формования. Полость в форме имела размеры 126 мм × 126 мм и толщину 4 мм.

Покрытие в виде слоя гетерофазной полимерной композиции формуют поверх поверхности пластины с покрытием из модифицированного полимера в результате впрыскивания гетерофазной композиции в форму при температуре 260°С. Полученный таким образом слой имеет толщину 2-2,2 мм.

Прочность на отдир пластмассы от листа углеродистой стали составляет 0-2 Н/мм.

Пример 1

Пластину, полученную на стадии (b) сравнительного примера 1с, подвергают обработке на следующей стадии.

Стадия (с): пластину, соединенную с пластмассой, нагревают до температуры 180-220°С, используя индукционную печь, и одновременно подвергают вальцеванию. Прилагаемое давление равно приблизительно 0,1 МПа.

Прочность на отдир пластмассы от пластины углеродистой стали при комнатной температуре составляет 6,5-7 Н/мм.

1. Способ соединения пластмассы с металлической поверхностью, включающий следующие стадии:

a) нанесение адгезивной полимерной композиции на поверхность металла,

b) формование на поверхности металла покрытия из пластмассы посредством литьевого формования,

c) подвод тепла и давления к поверхности металла, при этом давление выбирают в диапазоне 0,01 - 5 МПа и прикладывают его в течение 5 с или менее.

2. Способ по п.1, включающий стадию нагревания поверхности металла до или после нанесения адгезивной полимерной композиции.

3. Способ по п.1 или 2, включающий стадию нанесения органического или неорганического грунтового покрытия на поверхность металла перед нанесением на поверхность металла порошка адгезивной полимерной композиции.

4. Изделие, полученное способом по пп. 1-3.