CN101815612B - 制备轻质金属板的方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种复合部件，其包括至少一个第一片状金属板和至少一个第二片状金属板，并且在所述第一片状金属板与所述第二片状金属板之间设置有至少一个聚合物层，本发明还涉及制备相应的复合部件的方法及其应用。使复合部件的重量得以优化、并同时使制造简化这一技术问题通过本发明得以解决：聚合物层包括至少一个由热塑性聚合物形成的泡沫聚合物层(4)，其中所述泡沫聚合物层(4)所含气泡的体积百分比为1％至80％、尤其为5％至70％。

Description

制备轻质金属板的方法

本发明涉及一种复合部件，该复合部件包括至少一个第一片状金属板以及至少一个第二片状金属板，在第一片状金属板与第二片状金属板之间设置有至少一个聚合物层，本发明还涉及制备相应的复合部件的方法，以及这种复合部件的使用。

在汽车工业中，轻质部件的使用范围很广，轻质部件除了要有较轻的质量，而且还必须具有高强度和高刚度。(例如)车身中的相应的轻质部件常常还会被用作外层面板，因此其表面必须还要满足相应的高标准。达到这一目的的一种手段是将不同种类的材料组合在一起。因此，(例如)德国专利申请DE 102004022677A1披露了这样复合部件，该复合部件具有三明治结构，其由两个外部片状金属板和一个内部聚合物层构成，该聚合物层设计为泡沫材料。然而，为了将金属件结合至聚合物层上，必须仔细地涂敷黏合剂或助黏剂。另外，还披露了一种双层传送装置，其可用于限制反应性泡沫层的厚度，并且借助可加热部分来辅助反应性发泡工艺。

此外，已公开的欧洲专利申请EP 1504892A1披露了在两个片状金属板之间设置聚合物层，该聚合物层由聚酰胺或聚酰胺-聚乙烯共混物构成。然而，该复合部件的重量能够得以改进。

在这一基础上，本发明的目的在于提出这样一种复合部件，该复合部件在重量方面得以优化，同时可简单地制备该复合部件。

本发明的第一方面教导中所述的一般性的复合部件达到了上述目标，在该复合部件中，聚合物层具有至少一个由热塑性聚合物制成的泡沫聚合物层，其中该泡沫聚合物层含有气泡，该气泡体积为1％至80％、尤其为5％至70％。

结果表明，泡沫聚合物层的使用非常有助于减轻复合部件的重量，同时复合部件的强度和刚度保持不变。在制备泡沫层的过程中，通过在泡沫聚合物层中引入或者形成气泡，复合部件的重量以及聚合物的消耗量由于相应体积百分比的替代而减小，因此还使生产成本降至最低。另外，通过使用热塑性聚合物，则不需要使用黏合剂作为助黏剂，这是因为可通过加热而后冷却热塑性聚合物以达到与金属部件的结合。

在本发明复合部件的第一实施方案中，泡沫聚合物层由耐热的热塑性聚合物构成。本发明中所说的耐热的热塑性聚合物为(例如)这样的聚合物：将该聚合物加热至210℃时，其在短时间内不会发生形状的改变，并且当将该聚合物加热至190℃时，其在至少20分钟内不会发生形状的改变。因此，该复合部件尤其能够安全地经受随后的涂底漆阶段(priming stage)，确保底漆层的硬化。

如果泡沫聚合物层含有聚酰胺或聚酰胺共混物，则可将泡沫聚合物层的材料成本降至最低。另外，聚酰胺以及相应的聚酰胺共混物是耐热材料。例如，优选的聚合物共混物为聚酰胺-聚乙烯共混物，尤其是具有一定比例的接枝聚乙烯和反应性共聚物的PA6聚酰胺。

在接下来的本发明复合部件的一个示例性实施方案中，聚合物层的层厚为50μm至5000μm，优选为200μm至1000μm。在具有这样的层厚时，一方面，可确保该复合材料具有所需的强度和刚度。另一方面，可充分降低固体材料的重量。

在接下来的本发明复合部件的另一较佳实施方案中，所使用的片状金属板的厚度为0.15μm至3.0μm。优选的是，所使用的片状金属板的厚度为0.2μm至0.5μm、尤其为0.2μm至0.4μm，这是因为(例如)在本发明的复合部件用作车身的外层面板的情况下，当其厚度位于该范围内时，可确保其具有最佳的变形性能。

为了使复合部件能够最佳地适合具体的应用，第一片状金属板和第二片状金属板可具有不同的厚度。

类似地，随着应用的不同，所述片状金属板可由钢合金构成，也可由不锈钢、铝、镁和/或钛合金构成。可加工成片状金属板的其他金属也可用于本发明的复合部件。尤其是，还可使用不同金属合金或金属的组合。

为了优化本发明复合部件的性能，可对至少一个片状金属板的一侧或两侧进行涂覆。涂覆层可以为(例如)金属镀层，也可以是有机涂层。针对这一目的，有多种施加金属镀层的方法，例如电解沉积、热浸镀、轧制包覆，也可使用物理气相沉积或化学气相沉积。

如果用黏合底漆对片状金属板进行预处理、或进行其他的预处理，则是有利的。借助于黏合底漆，可使泡沫聚合物层的黏合性能得以改善。为此，可通过卷涂工艺将涂覆层施加于片状金属板上。同样，自然还有其他用以施加有机涂层的方法。通常将用以提高复合材料黏合力的复合部件涂覆层施加在与泡沫聚合物层之间的界面处。该涂敷层也可实现其他功能，如达到装饰目的、防腐蚀目的、或这该涂敷层能够允许无油成型。例如，可通过对片状金属板进行涂油从而达到临时性防腐蚀的目的。然而，通常会在制备复合部件之间将该油完全除去。

如果本发明的复合部件在下游成形工艺中被成形为坯件或具有最终形状，则可将其直接用于汽车制造中。

根据本发明的第二方面的教导，上述关于本发明的制备复合部件的方法的目的通过如下方式而达到：将第一金属带从第一卷盘上展开，将第二金属带从第二卷盘上展开，

-将热塑性泡沫聚合物层施加到至少一个金属带上；

-通过物理手段向聚合物熔体中引入气泡，从而使所述聚合物泡沫层所含气泡的体积百分比为1％至80％、优选为5％至70％；

-通过温度的作用以及施加的压力，从而将第一金属带、热塑性泡沫聚合物层和第二金属带相互结合在一起，并且

-将所制得的条状(linear)复合部件卷绕在卷盘上，或将其切割为片状复合部件。

如上面所说过的那样，结果表明：使用所含气泡的体积百分比为1％至80％、优选为5％至70％的热塑性泡沫聚合物层可大大减轻由两个片状金属板和一个中间聚合物层构成的复合部件的重量，同时不再需要使用作为助黏剂的黏合剂。这大大简化了复合部件的生产，并且能够得到更轻的复合部件。另外，如果通过物理手段向聚合物熔体中引入气泡以制备泡沫聚合物层，且气泡的体积百分比为1％至80％、尤其为5％至70％，则可直接影响所制得的聚合物泡沫的密度。用于发泡的气体可以是(例如)空气、二氧化碳、氮气、或其他任意气体，也可以是多种气体的组合。

在另一实施方案中，将泡沫聚合物层作为预挤压薄膜施加于第一金属带上，或者将泡沫聚合物层直接挤压在第一金属带上，从而使本发明的制备复合部件的方法得以简化。可借助于另一卷盘，从而方便地为金属带的线性加工提供预挤压薄膜，并通过施加压力和热量，从而使预挤压薄膜与金属带相应地结合在一起。如果将泡沫聚合物层直接挤压于第一金属带上，则可使该方法进一步简化，其利用了如下优点：在挤出泡沫聚合物层时，直接获得的泡沫聚合物层当时具有黏合性。

在接下来的本发明方法的另一实施方案中，在施加泡沫聚合物层之前对第一金属带进行加热并且/或者在将第二金属带施加到泡沫聚合物层上之前对第二金属带进行加热。加热会使热塑性泡沫聚合物层在其与金属间的界面处保持为柔软的状态，从而可提高热塑性泡沫聚合物层与片状金属板间的黏合力。由于气泡具有隔热效果，因此可维持为较低的温度，从而可使结合步骤在较宽的温度范围内进行。

另外，通过使用双带压机以将第一金属带、泡沫聚合物层和第二金属带相互结合在一起是有利的，其中在双带压机内部进行温度和压力的调控以及距离的调节。与通常所使用的反向旋转辊不同，借助于双带压机的温度控制以及压力控制，可对将泡沫聚合物层黏合于金属带上这一过程产生特定的影响，由此，可制得得到改善的条形复合部件。特别是，利用该方法可获得更为均匀的泡沫聚合物层厚度，尤其可在整个宽度范围内对该厚度进行精确的调整，因此通过该方法制造的复合部件具有最佳的表面性质，极为适于用作外层面板。

在一个有利的实施方案中，双带压机具有至少一个加热区和冷却区，任选地还可具有可施压区。加热区和冷却区确保在双压区域内进行受控结合过程。对于加热区和冷却区，优选的是，在每种情况中均设置有用以传送条状复合部件的独立传动带，以进一步改善温度控制。任选设置的施压区可用于校准，例如其可通过成对的辊得以实现。可借助于成对的辊来对较高的压力进行极为精确的调节，从而获得具有更高的厚度均匀性的条状复合部件。结果，该条状复合部件的表面也得到改善。

为了对温度进行最优的控制，优选的是，在将第二金属带与泡沫聚合物层以及第一金属带结合之前对第二金属带进行加热，这样便无需在下游施加压力的过程中对第二金属带进行彻底加热。

在另一个实施方案中，将至少一种极性气体或者含有至少一种极性气体的气体混合物用于发泡操作中，这样在泡沫聚合物层的发泡操作过程中可提高泡沫形成的稳定性。

在本发明的另一有利的实施方案中，如果在双带压机中使用层压带，并且该层压带的与条状复合部件接触的外表面被涂覆(并且可经过任选的表面处理)，则可保护条状复合部件的外表面，使其不会受到负面生产因素以及生产瑕疵的影响。例如，经喷砂且涂覆了有机硅的层压带可使条状复合部件的表面获得极为优良的质量。

最后，可通过如下方式进一步将本发明方法设计的更为有利：在条状复合部件分割为片状复合部件之前和/之后，对条状复合部件进行转换(convert)。这样便可得到一种极为经济的制备本发明复合部件的方法。

在本发明的第三项教导中，可将本发明的复合部件有利地用在汽车、飞机、轮船、潜艇、有轨车辆制造、航天工业或建筑工业。

只要当轻质结构设想(lightweight construction concept)需要减轻重量时，则本发明的复合部件便会显现出优势。

对于本发明的复合部件、其制备方法及应用，目前有多种可能的设计及改进方式。关于这一点，一方面可以参照权利要求1和10的从属权利要求，另一方面可以参看结合附图对两个示例性实施方案所作的详细阐述。附图为：

图1：本发明复合部件的第一示例性实施方案的示意性剖视图；

图2：示意性地示出了执行本发明方法的第一示例性实施方案的装置，其中该方法用以制备复合部件，并且

图3：示意性地示出了执行第二示例性实施方案的装置。

图1中示出的复合部件1由第一片状金属板2、第二片状金属板3、以及位于这两个片状金属板之间的泡沫聚合物层4构成。本发明复合部件1的这一示例性实施方案中的泡沫聚合物层4由耐热的聚合物泡沫构成，该聚合物泡沫由含有40体积％的气泡的聚酰胺-聚乙烯共混物形成。通过使用聚合物泡沫而不损害其物理性能，从而使这两个片状金属板之间的聚合物质量得以大幅降低。由于降低了重量，因此本发明复合部件1可特别令人满意地用于汽车、飞机、或有轨车辆制造工业中的轻质制造设想方面。然而，基于该复合部件的性能，其也可用于本发明中所未描述的其他轻质结构制造领域中。

图2中示意性地示出了本发明复合部件1的一个示例性实施方案的制备装置。借助于第一卷盘5提供第一金属带6，并且第一金属带6在加热区7内被预加热。金属带6可由多种不同的金属或合金构成，例如由钢、铝、钛等制成。当金属带6为钢合金时，该金属带的厚度优选为0.15mm至0.8mm，这样其可特别令人满意地在车身制造中用作车身的外壳。当使用其他金属来制备复合部件时，也可使用具有其他厚度的片状金属板。

在该用于说明本发明方法的示例性实施方案中，泡沫聚合物层由挤出机8直接挤压至第一金属带6上，其中挤出机8由(例如)三个单元构成。第一单元9将聚合物颗粒熔化，第二单元10优选通过物理手段向聚合物熔体内引入气泡(例如空气气泡)，从而制得聚合物泡沫。最终借助于挤出口11将已引入了气泡的聚合物熔体挤压于金属带6上，从而形成泡沫聚合物层4。通过展开卷盘13以提供第二金属带12，在第二金属带12与泡沫聚合物层4接触之前，在加热部分14内对第二金属带12进行加热。与加热区7类似，加热部分14与待加热的金属相匹配。例如，当使用钢合金时，对金属带进行感应加热是适合的。然而，也可使用其他方法来加热金属带。

优选的是，首先在双带压机15内进行第二金属带12与泡沫聚合物层4之间的接触，这样在(例如)分段加热区域15a内，于210℃至270℃内进行规定的加热，使得已引入了气泡的泡沫聚合物层4与金属带6和金属带12结合在一起。双带压机可在加热区域15a的范围内施加高达30巴的正压。所施加的压力足以抵消热传递，并在泡沫聚合物层4上发生令人满意的熔化。

在下一个阶段，在施压区15b内，(例如)可借助于压力辊(未示出)向条状复合部件1上施加高达20巴的高线压，从而可提高片状金属板6、11以及泡沫聚合物层之间的黏合力。在第三阶段中，随后在分段冷却区域15b内对条状复合部件1进行特定的冷却，从而对复合体的总厚度进行校准。需要时，可在两阶段双带压机的出口侧设置额外的冷却单元16，从而通过(例如)喷淋使条状复合部件1的温度进行一步降低。

随后，可对条状复合部件1进行分割或成型，以制备复合部件成品或者半成品。相应的装置未在图2中示出。

最终，图3示意性地示出了执行本发明方法的第二示例性实施方案的装置，其中第一金属带6通过加热辊17a进行加热。加热辊17a的温度可达(例如)240℃。挤出机18将泡沫聚合物层4直接挤压至第一金属带6上，其中在挤出机内，以物理手段将气体在压力下引入塑性熔体内，当在挤出机18的出口处将压力释放时，被引入塑性熔体内的气体会发生膨胀并形成微小的气泡。气泡所占的体积百分比可为1％至80％、优选为5％至70％。当气泡所占的体积百分比为40％时，可获得极为出色的结果。然而，另一种可替代的方式为：如图3中所示，可借助于卷盘18a将泡沫聚合物层作为薄膜4′进行施加。

通过使用聚酰胺-聚乙烯共混物，并结合使用极性气体(例如氧气)与非极性气体(例如氮气)的混合物，因此在气泡形成过程中获得了较高的工艺稳定性。因此，通过使用空气来形成气泡也获得了良好的结果。

在将泡沫聚合物层送入双带压机20之前，使用装置19将条带边缘进行再次造粒，其中装置19将泡沫聚合物层的残余料除去并对其进行再加工，并且(例如)将其再次粉碎从而将其返回至制备工艺中。

随后通过卷盘13将第二金属带展开，并借助于加热辊17b将其施加在泡沫聚合物层4上。由于第二金属带的温度较高，因此使泡沫聚合物层4熔化，从而使第二金属带与泡沫聚合物层4之间发生结合。为了这一目的，将其上设置有泡沫聚合物层4的第一金属带6与第二金属带12一同供入双带压机20内。

双带压机20具有三个部分，加热区域21、施压区域22以及冷却区域23，冷却区域23和加热区域21各自包括独立的层压带24a、24b、24c、24d。优选的是，层压带的表面经过涂覆和处理。对于该示例性实施方案，当压力较低、为约0.2巴至0.5巴时，可通过流经板25a和25c的温度调节介质从而将加热区域21内的温度调节至约230℃。此外，温度调节介质也可具有(例如)260℃的较高温度。

层压辊22a和22b构成了该示例性实施方案的施压区域，其向经过加热区域21后的条状复合部件1施加压力，所加压力范围(例如)为约12巴。这样便可将不规整性缺陷除去，例如将条状复合部件的厚度上的不规整性缺陷除去。然而，也可设想到通过层压辊向复合部件施加更高的压力。例如，该压力可达50kN或100kN。

优选的是，由加热区域21中的层压带24a和24c形成的间隙以楔形的形状向前延伸，从而可对泡沫聚合物层4进行挤压。为了提高均匀度，将板25a与25c以及25b与25d以相互间偏移半个板的距离进行放置。

在冷却区域23内，将条状复合部件1冷却至低于180℃。借助于板25b和25d，持续向复合部件1上施加约0.2巴至0.5巴的压力。由于压力较低，因此不再需要进行封边(在使用高压时，则目前通常需要进行封边)，从而大大简化了该制备方法。

为了这一目的，使冷却剂流经板25b和25d。例如，可使温度为20℃的冷却剂流过板25b和25d，以使复合部件得到大幅冷却。然后使条状复合部件1通过至少一个冷却装置26。通过水喷淋装置26a进行冷却，随后经由挤压辊26b以除去水。

Claims (20)

1.一种制备复合部件的方法，所述复合部件包括至少一个第一片状金属板和至少一个第二片状金属板，并且在所述第一片状金属板与所述第二片状金属板之间设置有至少一个聚合物层，该方法的特征在于将第一金属带从第一卷盘上展开，将第二金属带从第二卷盘上展开，

将热塑性泡沫聚合物层施加于至少一个所述金属带上，所述热塑性泡沫聚合物层包含聚酰胺-聚乙烯共混物或者具有一定比例的接枝聚乙烯和反应性共聚物的PA6聚酰胺；

通过物理手段向所述聚合物熔体中引入气泡以制备所述泡沫聚合物层，从而使所述泡沫聚合物层所含气泡的体积百分比为1％至80％；

通过温度的作用以及施加压力，从而将所述第一金属带、所述热塑性泡沫聚合物层和所述第二金属带相互结合在一起，并且

将所制得的条状复合部件卷绕在卷盘上，或将其切割为片状复合部件。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：将所述泡沫聚合物层作为预挤压薄膜施加于所述第一金属带上，或者将所述泡沫聚合物层直接挤压在所述第一金属带上。

3.根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于：在施加所述泡沫聚合物层之前对所述第一金属带进行加热并且/或者在将所述第二金属带施加于所述泡沫聚合物层之前对所述第二金属带进行加热。

4.根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于：使用双带压机以将所述第一金属带、所述泡沫聚合物层和所述第二金属带相互结合在一起，其中在所述双带压机内部对温度压力进行调控以及对距离进行调节。

5.根据权利要求4所述的方法，其特征在于：所述双带压机具有至少一个加热区和冷却区，还具有任选的施压区。

6.根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于：至少一种极性气体或者含有至少一种极性气体的气体混合物被用于发泡操作中。

7.根据权利要求4所述的方法，其特征在于：所述双带压机使用了层压带，该层压带的与所述条状复合部件接触的外表面被镀覆且经过任选的表面处理。

8.根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于：在将所述条状复合部件分割为片状复合部件之前和/或之后，对所述条状复合部件进行成型。

9.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：所述泡沫聚合物层所含气泡的体积百分比为5％至70％。

10.根据权利要求1至9中任意一项所述的方法制造的复合部件(1)，包括至少一个第一片状金属板和至少一个第二片状金属板(2、3)，并且在所述第一片状金属板与所述第二片状金属板之间设置有至少一个聚合物层(4)，其特征在于：所述聚合物层具有至少一个由热塑性聚合物形成的泡沫聚合物层(4)，所述泡沫聚合物层(4)包含聚酰胺-聚乙烯共混物或者具有一定比例的接枝聚乙烯和反应性共聚物的PA6聚酰胺，其中所述泡沫聚合物层(4)所含气泡的体积百分比为1％至80％。

11.根据权利要求10所述的复合部件，其特征在于所述泡沫聚合物层(4)由耐热的热塑性聚合物构成。

12.根据权利要求10或11所述的复合部件，其特征在于所述泡沫聚合物层(4)的层厚为50μm至5000μm。

13.根据权利要求10或11所述的复合部件，其特征在于所用片状金属板(2、3)的厚度为0.15mm至3.0mm。

14.根据权利要求10或11所述的复合部件，其特征在于所述第一片状金属板与第二片状金属板(2、3)的厚度不同。

15.根据权利要求10或11所述的复合部件，其特征在于所述片状金属板由钢、铝、镁和/或钛合金构成。

16.根据权利要求10或11所述的复合部件，其特征在于至少一个所述片状金属板(2、3)的一侧或两侧被涂覆。

17.根据权利要求10或11所述的复合部件，特征在于至少一个所述片状金属板(2、3)经过黏合底漆的预处理或其他的预处理。

18.根据权利要求10所述的复合部件，其特征在于所述泡沫聚合物层(4)所含气泡的体积百分比为5％至70％。

19.根据权利要求12所述的复合部件，其特征在于，所述泡沫聚合物层(4)的层厚为200μm至1000μm。

20.根据权利要求10或11所述的复合部件的应用，将所述复合部件用于汽车、飞机、轮船、潜艇、有轨车辆制造、航天或建筑工业。