Обрабатывающая промышленность постоянно находится в поиске более эффективных производственных материалов, но большинство новых методов разработки таких материалов, созданных в лаборатории, не подходят для использования в промышленных масштабах. Теперь исследователи из Института промышленных наук Токийского университета разработали дешевый и простой метод соединения полимеров с оцинкованной сталью - сталью с нанесенным поверх нее цинковым покрытием - для создания легкого и прочного материала, который можно производить в промышленных масштабах.

Поскольку производственный сектор получает все больше стимулов задумываться о воздействии своих процессов на окружающую среду, необходимы новые технологии, гарантирующие, что детали могут изготавливаться как устойчиво (с минимумом агрессивных химикатов и отходов), так и с длительным сроком службы до необходимости замены. Оцинкованная сталь широко используется в автомобильной промышленности благодаря своим превосходным механическим свойствам и коррозионной стойкости. Однако из-за своего веса полимерно-металлические композиты все чаще применяются в качестве альтернативных легких материалов с высокой прочностью. К сожалению, традиционные методы соединения полимеров с оцинкованной сталью непригодны для массового производства, поскольку для них часто требуются агрессивные химикаты или специализированное оборудование.

В исследовании, опубликованном недавно в Журнал производственных процессов Группа исследователей из Токийского университета продемонстрировала метод, с помощью которого полимер может быть прикреплен к оцинкованной стали просто путем предварительной обработки стали кислотной промывкой и погружения ее в горячую воду. Кислотная промывка удаляет внешний "пассивный слой" на цинковом покрытии стали, что позволяет горячей воде формировать грубые наноразмерные игольчатые структуры на истинной поверхности. Исследователи обнаружили, что когда полимер наносился на обработанный металл (в процессе, называемом прямым соединением методом литья под давлением), он заполнял крошечные зазоры и выступы между игольчатыми структурами и внутри них, создавая очень прочные механические связи. "Мы обнаружили, что погружение в горячую воду было простым и эффективным методом получения наноразмерных структур на цинковом покрытии для прилипания полимера, но для этого необходима предварительная промывка кислотой для удаления пассивного слоя", - объясняет ведущий автор Вэйян Чен.

Группа также показала, как прочность на растяжение-сдвиг, которая показывает, какое усилие может выдержать полимер перед отрывом от металла, увеличивается со сложностью наноразмерных структур на поверхности оцинкованной стали. Оптимизировав температуру горячей воды и время обработки для достижения максимальной сложности наноразмерного структурирования, команда смогла значительно увеличить прочность на растяжение и сдвиг по сравнению с необработанным металлом. "Наш процесс может быть адаптирован для широкого спектра применений гибридного соединения, в которых металлические и пластиковые детали должны быть постоянно соединены", - говорит старший автор Юсуке Кадзихара. "Кроме того, наш метод не использует агрессивных химикатов или сложных процедур и, таким образом, подходит для масштабирования, необходимого для промышленного применения". Эта работа могла бы привести к оптимизации соединения полимера с металлом, что стало бы значительным преимуществом для обрабатывающей промышленности.