Eine kostengünstige und einfache Methode zum Verkleben von Polymeren mit verzinktem Stahl

21. Dezember 2022

von der Universität Tokio

Die Fertigungsindustrie ist ständig auf der Suche nach effizienteren Fertigungsmaterialien, doch die meisten neuen Methoden zur Entwicklung solcher Materialien, die im Labor entwickelt werden, sind für den Einsatz im industriellen Maßstab nicht geeignet. Jetzt haben Forscher vom Institute of Industrial Science an der Universität Tokio eine kostengünstige und einfache Methode entwickelt, Polymere mit verzinktem Stahl zu verbinden – also Stahl mit einer Zinkschicht darüber –, um ein leichtes und langlebiges Material zu schaffen, das dies kann im industriellen Maßstab realisierbar ist.

Da der Fertigungssektor zunehmend dazu angeregt wird, über die Umweltauswirkungen seiner Prozesse nachzudenken, sind neue Techniken erforderlich, um sicherzustellen, dass Teile sowohl nachhaltig (mit einem Minimum an aggressiven Chemikalien und Abfällen) als auch mit einer langen Lebensdauer hergestellt werden können, bevor sie ersetzt werden müssen . Aufgrund seiner hervorragenden mechanischen Eigenschaften und Korrosionsbeständigkeit wird verzinkter Stahl häufig in der Automobilindustrie verwendet. Aufgrund ihres Gewichts werden Polymer-Metall-Verbundwerkstoffe jedoch zunehmend als alternative Leichtbaumaterialien mit hoher Haltbarkeit eingesetzt. Leider sind herkömmliche Techniken zum Verbinden von Polymeren mit verzinktem Stahl für die Massenproduktion ungeeignet, da sie häufig aggressive Chemikalien oder Spezialausrüstung erfordern.

In einer kürzlich im Journal of Manufacturing Processes veröffentlichten Studie demonstrierte ein Forscherteam der Universität Tokio eine Methode, mit der ein Polymer an verzinkten Stahl gebunden werden kann, indem der Stahl einfach mit einer Säurelösung vorbehandelt und in heißes Wasser getaucht wird Wasser. Die Säurewäsche entfernt die äußere „Passivschicht“ auf der Zinkbeschichtung des Stahls, wodurch das heiße Wasser raue nanoskalige Nadelstrukturen auf der wahren Oberfläche bilden kann.

Die Forscher fanden heraus, dass beim Auftragen eines Polymers auf das behandelte Metall (in einem Verfahren, das als spritzgegossene Direktverbindung bezeichnet wird) es die winzigen Lücken und Grate zwischen und innerhalb der Nadelstrukturen ausfüllt und sehr starke mechanische Verbindungen erzeugt. „Wir haben herausgefunden, dass das Eintauchen in heißes Wasser eine einfache und effektive Methode ist, um nanoskalige Strukturen auf der Zinkbeschichtung zu erzeugen, an denen das Polymer haften kann. Allerdings war ein vorheriges Waschen mit Säure zur Entfernung der Passivschicht ein notwendiger Schritt, damit dies geschieht.“ erklärt Hauptautor Weiyan Chen.

Die Gruppe zeigte auch, wie die Zugscherfestigkeit, die angibt, wie viel Kraft das Polymer aushalten kann, bevor es vom Metall abgerissen wird, mit der Komplexität der nanoskaligen Strukturen auf der verzinkten Stahloberfläche zunimmt. Durch die Optimierung der Heißwassertemperatur und der Behandlungszeit, um eine maximale Komplexität bei der nanoskaligen Strukturierung zu erreichen, konnte das Team die Zugscherfestigkeit im Vergleich zu unbehandeltem Metall deutlich steigern.

„Unser Verfahren lässt sich für eine Vielzahl hybrider Verbindungsanwendungen anpassen, bei denen Metall- und Kunststoffteile dauerhaft verbunden werden müssen“, sagt der leitende Autor Yusuke Kajihara. „Darüber hinaus kommt unsere Methode ohne den Einsatz aggressiver Chemikalien oder komplizierter Verfahren aus und eignet sich daher für die für die industrielle Anwendung erforderliche Maßstabsvergrößerung.“ Diese Arbeit könnte zu einer Optimierung der Polymer-Metall-Verbindung führen, was für die Fertigungsindustrie von großem Nutzen wäre.

Mehr Informationen: Weiyan Chen et al., Wirkung einer nanostrukturierten Zinkbeschichtung auf die hohe Verbindungsfestigkeit von Verbundwerkstoffen aus Polymer und verzinktem hochfestem Stahl durch Spritzguss, Journal of Manufacturing Processes (2022). DOI: 10.1016/j.jmapro.2022.11.044

Zur Verfügung gestellt von der Universität Tokio