Die Fertigungsindustrie ist ständig auf der Suche nach effizienteren Fertigungsmaterialien, aber die meisten neuen Methoden zur Entwicklung solcher Materialien, die im Labor erstellt werden, sind nicht für den Einsatz im industriellen Maßstab geeignet. Jetzt haben Forscher des Institute of Industrial Science an der University of Tokyo eine kostengünstige und einfache Methode entwickelt, Polymere mit verzinktem Stahl zu verbinden – d. h. Stahl mit einer darüber liegenden Zinkbeschichtung –, um ein leichtes und haltbares Material zu schaffen, das dies kann im industriellen Maßstab herstellbar.
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 Abfall) als auch mit einer langen Lebensdauer hergestellt werden können, bevor sie ersetzt werden müssen . Verzinkter Stahl wird in der Automobilindustrie aufgrund seiner hervorragenden mechanischen Eigenschaften und Korrosionsbeständigkeit häufig 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 oft scharfe Chemikalien oder Spezialausrüstung erfordern.
In einer kürzlich veröffentlichten Studie in der Zeitschrift für Herstellungsprozesse, demonstrierte ein Forscherteam an der Universität Tokio eine Methode, mit der ein Polymer an galvanisierten Stahl gebunden werden kann, indem der Stahl einfach mit einer Säurewäsche vorbehandelt und in heißes Wasser getaucht wird. Die Säurewäsche entfernt die äußere „Passivschicht“ auf der Zinkbeschichtung des Stahls, wodurch das heiße Wasser raue Nadelstrukturen im Nanomaßstab auf der echten Oberfläche bilden kann.
Die Forscher entdeckten, dass, wenn ein Polymer auf das behandelte Metall aufgetragen wurde (in einem Prozess, der als spritzgegossenes Direktfügen bezeichnet wird), es die winzigen Lücken und Grate zwischen und innerhalb der Nadelstrukturen füllte, wodurch sehr starke mechanische Verbindungen erzeugt wurden. „Wir fanden heraus, 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, aber dass ein vorheriges Waschen mit Säure zum Entfernen der Passivschicht ein notwendiger Schritt dafür war.“ 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 in der nanoskaligen Strukturierung zu erreichen, konnte das Team die Zugscherfestigkeit im Vergleich zu unbehandeltem Metall deutlich erhöhen.
„Unser Verfahren lässt sich für eine Vielzahl von hybriden Fügeanwendungen anpassen, bei denen Metall- und Kunststoffteile dauerhaft verbunden werden müssen“, sagt Seniorautor Yusuke Kajihara. „Darüber hinaus verwendet unsere Methode keine aggressiven Chemikalien oder komplizierten Verfahren und eignet sich daher für das für die industrielle Anwendung erforderliche Scale-up.“ Diese Arbeit könnte zu einer Optimierung der Polymer-Metall-Verbindung führen, was ein bedeutender Vorteil für die Fertigungsindustrie wäre.
Mehr Informationen:
Weiyan Chen et al., Wirkung der nanostrukturierten Zinkbeschichtung auf die hohe Verbindungsfestigkeit von Verbundwerkstoffen aus Polymer/verzinktem hochfestem Stahl durch Spritzgießen, Zeitschrift für Herstellungsprozesse (2022). DOI: 10.1016/j.jmapro.2022.11.044