金属与塑胶奈米结合技术(NMT) 秘辛– (1)导论

■邱耀弘/ACMT

Nano Molding Technology(NMT)

金属与塑胶奈米化结合技术,先将金属表面经过奈米化处理后,塑胶直接射出成型在金属表面,金属与塑胶一体成形,不仅兼顾金属外观质感,并可简化产品机构件设计,让产品更轻、薄、短、小,可广泛应用在汽、机车、3C、IT产业。
日本多年前已采用NMT技术,该技术具有简化制程工序、缩短工时及提升机械性能等优点,可降低生产成本及高结合强度,及大幅降低相关耗材的使用率。

异种材质的结合一直是人类应用材料的简单模式,纸箱上只要贴上OPP胶带,可以防水又能加强度,秘密 就在OPP上的那层不干胶,但是很多人可能不知道不干胶就如同今天我们要介绍的奈米成形技术(以下简称 NMT, Nano Molding Technology)一样,在无限循环的研发过程得到的一点成功而跃升为当代主流技术,本篇 来为ACMT读者们介绍,也替那些身陷于无限循环的研 发朋友们点个赞!持续努力,注意细节,这样才能驱走 细节中隐藏的魔鬼,黎明才能到来!!!

无限循环 – 痛苦而漫长的开发过程

研发的过程通常是这样,首先设想出一种思路,然后去实验,然后就是失败;对失败进行研究后,重新调整思路,接着再进行实验,失败以后再研究,就这样不断地重复着“调整思路,然后再实验”这样一种“无限回圈”,犹如进到地狱的一般折磨研发团队的心智。相信 这个体验是每一位读者都有的生活经历,如能有正果尚好,很多时候是身心俱疲的失败告终。

NMT的发明公司是日本大成化成(TaisePlas)这家公司,在1997年由原本是在不锈钢表面包覆注射软橡胶开始,当时社长成富正德先生(NMT的发明人) 因为受到”要是塑胶结构能够与不锈钢结合,可以大幅降低金属成本”以及”取代半固溶射出(Thixo -molding)镁合金的构造和提高模具寿命” 的构思, 开始了为期2年的无限循环深渊。

就在1999年公司研发团队快要放弃的时候,剩下最 后几包PBT材料,在一个意外的条件下没有把金属表面清洗干净。 「什么?塑胶射在铝金属上拔不下来?!」

社长接获研发团队的报告,神奇的结果引发 了2014~2016年中国智能手机奈米技术热潮的来袭。

追根究底

由于不清楚接合的原理,大成就把它送到了一家国立 大学的研究室进行研究。结果,该研究室告说:“从 未见过这种现象。你们怎么做的?”金属使用的是铝合金。这种铝合金表面有很多奈米级的细孔,而塑胶就像植物长根一样的注入了这些奈米级的细孔之中。这些细孔直径仅在20~30nm之间。一般来讲,塑 胶是进不到这么小的空间里的。即便是向模槽达到 这么薄的模具中进行射出成形,塑胶也不会流进去。因为空间太狭小,刚一流进去的塑胶会马上硬化”, 也就是说这是一种超越射出成形极限的现象。这种现象当初被命名“锚栓效应”,至于它的基理一直到了2009年终于有了结论。如图(1)所示。

图 1: 上图是日本国立东北大学提出的问题,首先是如何做出奈米级孔洞,然后又如何让塑料注射时进入这些奈米孔洞中?; 下图示发现特殊的酸性液体浸泡后除了形成金属氧化物的微小孔洞之外,这些特殊的药剂还保留在孔洞内并能够在注射高压高热下与塑料发生置换,并融为一体。这个现象就是异重材质结合的简单基理”锚栓效应”。

金属表面的耐米结构 – 铝阳极处理的启发

金属表面要形成奈米结构,怎样是最经济又实惠的作 法?速度快且有效呢?能阳极发色的铝给了我们最好的答案,来看看传统的阳极处理是怎样一回事,请见图(2),由于纯度很高的铝(不纯物低于3wt%以下的铝合金)如受到强酸的作用,表面会产生一层透明的氧化物而且如一根根的空心试管,更重要的是这层结构是由金属表面长出来,氧化物与金属密度相近、界面强度非常高,那么,我们就可以利用酸的作来做为微结构生成的催化剂了,NMT的T处理正是这个基理。大成的实验室采用向下蚀刻的作法,氧化物是因 为时刻过程造成的,所以没有办法像阳极处理话铝有 次序的长出整齐的氧化物,这又给了塑料增加附着力 的好机会。请见左上首图,典型奈米处理的四槽法,让奈米结构出现在金属的表面,化学槽法的表面处理是经济又有效率的,包含电镀、电泳、化学镀、电解与阳极处理,所以连T处理也不例外,四个不同的槽仅代表处理的几个主要程序,虽然该技术在中国已经有雷同做法也早就不是新鲜事,但是差异还是有的。

图 2: 在金属铝表面长出的奈米结构 – 氧化铝管

第一槽通常用硷来去除金属表面的油渍和污物,好比我们用肥皂洗手去油污;第二槽是加速氧化物生成的酸反应,把氧化物结构长出或蚀刻下去;第三槽则为调整氧化物生成的速率,目的是让氧化物产生不同的方向的结构, 不是如阳极处理的氧化铝只单纯垂直生长,以利抓胶结构形成;第四槽通常用来停止氧化反应,由于冲洗照片的定影效果,奈米结构停止反应同时能与胶反应的残酸也保留在奈米孔洞中。

图(3)所示是几种金属 可以处理成的奈米结构,然而铝和铁合金是比较能够 经济的实现其价值,另外三种则因处理费时,没有成 功地进形商业化运转。在中国境内的奈米处理择就只 能针对铝合金,其余的金属都没有多大的进展。

图 3:T 处理成功的将五种金属的奈米结构制作出来,但只有铝和铁合金进入商业运转

今日的奈米技术

日本井化学于2015年买下大成化成NMT专利并将 之改名为POLYMETAC ® ,在中国也和当时与大成签订协议的昱捷科技成立三昱科技挂牌在大中华地区延续之前T处理技术的生意;在中国方面则有多家公司以F, E, C等其他不同技术代号,不尽相同的闪避掉三井的专利,如图(4)最大的不同在于奈米结构的尺 寸与形成方式,中国国内采用长出法不向三井的蚀刻 法,所以结构的尺寸其实有微米级对奈米级的差距。

图 4: 中国和日本在奈米处理等级上的差距

小结

真的要感谢下面这些人和公司,他们是”为人类的梦想实现 – 异种材质的结合的开拓者”:

⃝    成富正德先生 ( 奈米成形技术发明人 )

⃝    日本大成化成株式会社

⃝    日本三井化学株式会社

⃝    台湾昱捷科技股份有限公司

⃝    台湾晟铭电子科技股份有限公司 / 东莞成名电子有

限公司( 第一个智慧手机采用奈米成形技术的量产工厂 )

⃝    台湾宏达电 , 华人手机率先采用 NMT 技术的勇气

谨代表 ACMT 的全体和受惠的人群们,向以上成员致敬。也许这是人类文明的一个小点,有幸,你和我都在其中参与到了。

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