JP2005001350A - 樹脂成形体の接合方法 - Google Patents
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Abstract
【課題】無機充填剤を含有する成形体をレーザー光照射側となる成形体として用いた、レーザー溶着法による接合方法の提供。
【解決手段】ポリプロピレン成形体と熱可塑性樹脂成形体とをレーザー溶着法を適用して接合する方法であり、ポリプロピレン成形体がポリプロピレン及び無機充填剤を含有するレーザー光透過性の成形体で、無機充填剤がポリプロピレンと屈折率の近似したもので、ポリプロピレン１００質量部に対して１〜５００質量部配合されており、熱可塑性樹脂成形体が、熱可塑性樹脂と着色料を含有するレーザー光吸収性の成形体であり、ポリプロピレン成形体側からレーザー光を照射して、ポリプロピレン成形体と熱可塑性樹脂成形体とを溶着させる接合方法。
【選択図】 なし
【解決手段】ポリプロピレン成形体と熱可塑性樹脂成形体とをレーザー溶着法を適用して接合する方法であり、ポリプロピレン成形体がポリプロピレン及び無機充填剤を含有するレーザー光透過性の成形体で、無機充填剤がポリプロピレンと屈折率の近似したもので、ポリプロピレン１００質量部に対して１〜５００質量部配合されており、熱可塑性樹脂成形体が、熱可塑性樹脂と着色料を含有するレーザー光吸収性の成形体であり、ポリプロピレン成形体側からレーザー光を照射して、ポリプロピレン成形体と熱可塑性樹脂成形体とを溶着させる接合方法。
【選択図】 なし
Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、ポリプロピレン成形体と熱可塑性樹脂成形体とをレーザー溶着法を適用して接合する方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
樹脂成形体の接合方法として汎用されている、超音波溶着法、熱板工法、接着工法、ネジ止め工法等が有する問題点を解消する方法として、レーザー溶着法が注目されている。レーザー溶着法を適用した場合、接合しようとする２つの樹脂成形体の色が異なる場合にしか適用できないとの問題があり（特許文献１）、この問題を解決するものとして、特許文献２が知られている。
【０００３】
特許文献２には、第一樹脂部材と第二樹脂部材とをレーザー光で溶着する技術が開示されており、実施例では、汎用されている染料及びカーボンブラックを用いて着色された、黒色同士の樹脂部材を溶着する方法が開示されている。
【０００４】
しかし、第一樹脂部材は、照射されるレーザー光に対して９５％以上の透過率を有することが好ましいと記載され、第二樹脂部材は、レーザー光に対して十分な吸収性を示す樹脂であり、無機又は有機物よりなるフィラー等を配合できることが記載されているとおり、高いレーザー光透過率を維持するため、第一樹脂部材には無機充填剤等を配合することができないことが、幅広い用途への適用を制限する要因になっている。
【０００５】
【特許文献１】
特公昭６２−４９８５０号公報
【特許文献２】
特開２００１−７１３８４号公報
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
本発明は、レーザー光の照射側に位置する成形体に無機充填剤や有機繊維充填剤を配合した場合であっても、２つの成形体を強固に接合できる、レーザー溶着法を適用した接合方法を提供することを課題とする。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
本発明者は、ポリプロピレン成形体と熱可塑性樹脂成形体とをレーザー溶着法を適用して接合する際、レーザー光透過性であるポリプロピレン成形体中に、本来はレーザー光の透過を阻害する成分である無機充填剤や有機繊維充填剤を配合した場合であっても、良好なレーザー溶着ができる組み合わせを見出し、本発明を完成したものである。
【０００８】
本発明は、課題を解決する手段として、ポリプロピレン成形体と熱可塑性樹脂成形体とをレーザー溶着法を適用して接合する方法であり、
ポリプロピレン成形体がポリプロピレン及び無機充填剤を含有するレーザー光透過性の成形体で、無機充填剤がポリプロピレンと屈折率の近似したもので、ポリプロピレン１００質量部に対して１〜５００質量部配合されており、
熱可塑性樹脂成形体が、熱可塑性樹脂と着色料を含有するレーザー光吸収性の成形体であり、
ポリプロピレン成形体側からレーザー光を照射して、ポリプロピレン成形体と熱可塑性樹脂成形体とを溶着させる接合方法を提供する。
【０００９】
「レーザー光透過性」及び「レーザー光吸収性」とは、下記基準で成形体に対してレーザー光を照射したときに、下記式から求められるレーザー光の透過率（％）で表されるものである。
【００１０】
レーザー光の波長：１０６４ｎｍ（ＹＡＧレーザー）
レーザー光の透過率（％）＝〔成形体を透過したレーザー光の強度（Ｖ）／成形体に照射したレーザー光の強度（Ｖ）〕×１００
【００１１】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の接合方法を工程順に説明するが、工程の順序や操作法は以下の説明に限定されるものではなく、適宜改変することができる。
【００１２】
まず、接合対象となるポリプロピレン成形体と熱可塑性樹脂成形体とを重ね合わせた後、クランプのような固定手段等により固定する。ここで、ポリプロピレン成形体と熱可塑性樹脂成形体との接触面の一部又は全部が溶着されて接合する部分となる。
【００１３】
ポリプロピレン成形体は、ポリプロピレン及び無機充填剤を含有するレーザー光透過性の成形体である。また、ポリプロピレン成形体には、無機充填剤に替えて有機繊維充填剤を配合することができる。
【００１４】
ポリプロピレン成形体のレーザー光透過率は、１０％以上が好ましく、１５％以上がより好ましく、２０％以上が更に好ましい。
【００１５】
ポリプロピレン成形体の形状、大きさ、厚み等は、接合後の用途及び上記したレーザー透過率を満たす範囲で適宜設定することができる。
【００１６】
ポリプロピレンはホモポリマーが好ましいが、エチレンのような他のオレフィン単量体、（メタ）アクリル酸エステル等のその他の単量体との共重合体でも良い。共重合体にするときは、ポリプロピレン以外の単量体の使用量（原料基準）が５０質量％以下であることが好ましい。
【００１７】
無機充填剤は、ポリプロピレン成形体のレーザー光透過性を損なわせないため、ポリプロピレン（ホモポリマーの屈折率１．４９；共重合体としたときには、前記屈折率に近い値になるようにすることが望ましい。）と屈折率の近似したものが好ましく、屈折率が１．４〜１．７のものがより好ましく、屈折率が１．４５〜１．５５のものが更に好ましい。
【００１８】
このようにポリプロピレン成形体の屈折率と近似した屈折率を有する無機充填剤を配合することにより、ポリプロピレン成形体のレーザー光透過率の低下を抑制した上で、ポリプロピレン成形体の機械的強度等を向上させることができるので、レーザー溶着性能を損なうことなく、接合後の成形体の用途を広げることができる。
【００１９】
無機充填剤としては、タルク（屈折率１．５４〜１．５９）、マイカ（屈折率１．５５〜１．５９）、重炭酸カルシウム（屈折率１．４７〜１．６９）、軽炭酸カルシウム（屈折率１．４７〜１．６９）、ガラス繊維（屈折率１．４６〜１．５６）、ガラスフレーク（屈折率１．４６〜１．５６）、ガラスビーズ（屈折率１．４６〜１．５６）、ウォラストナイト（屈折率１．６３）、硫酸バリウム（屈折率１．６４〜１．６５）、アルミナ（屈折率１．５６）、水酸化マグネシウム（屈折率１．５４）、ベントナイト（屈折率１．５２）、硫酸カルシウム（２水塩）（屈折率１．５２〜１．５３）、塩基性炭酸マグネシウム（屈折率１．５０〜１．５３）、含水ケイ酸カルシウム（屈折率１．４７〜１．５０）、湿式法ホワイトカーボン（屈折率１．４４〜１．５０）から選ばれる１又は２以上のものが好ましい。
【００２０】
無機充填剤は、粒状、繊維状、フレーク状等の不定形のものを用いることができる。粒状のものを用いるとき、平均粒径は０．０１〜１００μｍのものが好ましい。繊維状のものを用いるとき、直径０．１〜１００μｍ、長さ１〜１００μｍのものが好ましい。フレーク状のものを用いるとき、最大長さが５０００μｍ以下であるものが好ましい。
【００２１】
無機充填剤の配合量は、接合後の成形体の用途（求められる物理的性質等を含む）及び上記したレーザー透過率を考慮して決定されるが、ポリプロピレン１００質量部に対して、１〜５００質量部、好ましくは５〜３００質量部、より好ましくは５〜１００質量部、更に好ましくは１０〜５０質量部である。
【００２２】
無機充填剤に替えて有機繊維充填剤を配合することは、本発明を適用した接合後の成形体を使用後に燃焼処理するような場合、ガラス繊維のような無機繊維を使用したときのような燃焼残渣が生じないので、廃棄処理が容易となる点で好ましい。
【００２３】
有機繊維充填剤は、ポリプロピレン成形体のレーザー光透過率を損なわないものであれば特に制限されるものではなく、例えば、特開２００３−１０５２０３号公報に開示された水不溶性繊維を用いることができ、特にセルロース系繊維が好ましい。セルロース系繊維としては、平均直径が、好ましくは０．１〜１０００μｍ、より好ましくは５〜１００μｍ、更に好ましくは１０〜５０μｍ、特に好ましくは２０〜３０μｍであり、平均長さが、好ましくは０．１〜１０００ｍｍ、より好ましくは０．２〜５００ｍｍ、更に好ましくは０．３〜５０ｍｍ、特に好ましくは０．５〜５ｍｍのものを挙げることができる。
【００２４】
また、有機繊維充填剤の配合方法は、押出成形機等にポリプロピレンとパルプシートの小片（正方形の場合又は同面積の正方形に換算した場合の一辺の長さが、好ましくは１〜１００ｍｍ、より好ましくは２〜１０ｍｍ、更に好ましくは２〜５ｍｍのもの）を同時に供給する方法を適用できる。
【００２５】
有機繊維充填剤の配合量は上記した無機充填剤と同程度であり、有機繊維充填剤と無機充填剤を併用していも良い。
【００２６】
ポリプロピレン成形体には、レーザー光透過性を損なわない種類及び範囲の着色料を配合することができる。
【００２７】
熱可塑性樹脂成形体は、熱可塑性樹脂と着色料を含有するレーザー光吸収性の成形体である。熱可塑性樹脂成形体のレーザー光透過率は０％が好ましい。
【００２８】
熱可塑性樹脂としては、スチレン系樹脂（ホモポリマー、ＡＳ樹脂、ＨＩＰＳ等）、ゴム含有スチレン系樹脂（ＡＢＳ樹脂、ＡＥＳ樹脂、ＡＢＳＭ樹脂、ＡＡＳ樹脂等）、ポリアミド樹脂、ポリエチレン樹脂、ポリプロピレン樹脂、ポリブチレンテレフタレート樹脂、ポリフェニレンスルフィド樹脂、ポリエーテルエーテルケトン樹脂、ポリエチレンテレフタレート樹脂、ポリブチレンテレフタレート樹脂、ポリフェニレンスルフィド樹脂、ポリカーボネート樹脂、非結晶（透明）ナイロン、液晶ポリマー、（メタ）アクリル系樹脂、ポリアセタール樹脂、ポリフェニレンエーテル樹脂、アクリロニトリル・スチレン共重合樹脂等を挙げることができ、これらの熱可塑性樹脂は、単独で又は２種類以上を混合して用いることができる。また、これらの重合体を主体とする共重合体若しくは混合物、これらにゴム又はゴム状樹脂等のエラストマーを配合した熱可塑性樹脂、及びこれらの樹脂を１０重量％以上含有するポリマーアロイ等も挙げることができる。
【００２９】
着色料としては、カーボンブラック、無機顔料、有機顔料、染料等を挙げることができる。
【００３０】
熱可塑性樹脂に対する着色料の配合量は、接合後の成形体の用途、レーザー光の透過率等との関連において決定されるものであるが、熱可塑性樹脂１００質量部にして、好ましくは０．００１〜１０質量部、より好ましくは０．０１〜５質量部、更に好ましくは０．０５〜５質量部である。
【００３１】
熱可塑性樹脂成形体には、必要に応じて上記した無機充填剤及び有機繊維充填剤を配合することができ、ポリプロピレン成形体及び／又は熱可塑性樹脂成形体には、必要に応じて助色剤、分散剤、安定剤、可塑剤、改質剤、紫外線吸収剤又は光安定剤、酸化防止剤、帯電防止剤、潤滑剤、離型剤、結晶促進剤、結晶核剤、及び耐衝撃性改良用のエラストマー等を配合することができる。
【００３２】
ポリプロピレン成形体に染料を配合するとき、前記染料と熱可塑性樹脂成形体に含まれる着色料は同色であることが好ましいが、黒色である必要はなく、黒色以外の組み合わせも用途に合わせて使用することができる。
【００３３】
次に、重ね合わせたポリプロピレン成形体と熱可塑性樹脂成形体の接触部分に対して、ポリプロピレン成形体側からレーザー光を照射して、ポリプロピレン成形体と熱可塑性樹脂成形体とを、それらの接触面において溶着させる。
【００３４】
本発明で用いるレーザーとしては、８００〜１２００ｎｍに発振波長を有するものを用いることができ、ＹＡＧレーザー、半導体レーザー、ガラスレーザー、ルビーレーザー、Ｈｅ−Ｎｅレーザー、窒素レーザー、キレートレーザー、色素レーザー等の公知のレーザーを適用できる。これらのレーザーの出力は、５〜３０Ｗ程度であることが好ましい。
【００３５】
レーザーの照射時間及びレーザーと被照射体（ポリプロピレン成形体及び熱可塑性樹脂成形体）との間隔は、レーザーの出力、成形体の厚み、成形体のレーザー透過率等を考慮して調整する。
【００３６】
本発明の樹脂成形体の接合方法による接合機構について説明する。ポリプロピレン成形体と熱可塑性樹脂成形体とを重ね合わせた状態で、ポリプロピレン成形体側からレーザー光を照射すると、レーザー光はポリプロピレン成形体を透過した後、熱可塑性樹脂成形体の表面に到達する。熱可塑性樹脂成形体はレーザー光吸収性であるため、レーザー光は熱可塑性樹脂成形体中を透過せずに、ポリプロピレン成形体と熱可塑性樹脂成形体との界面にエネルギーとして滞留する。その結果、ポリプロピレン成形体と熱可塑性樹脂成形体との界面で温度上昇に伴う溶融が生じるため、両成形体が強固に接合される。そして、ポリプロピレン成形体には、無機充填剤が配合されており、機械的強度等の性質を付与調節することができるので、より広い分野への様々な用途への適用ができるようになる。
【００３７】
【実施例】
（レーザー光透過率の測定法）
成形体に対して垂直方向からレーザー光を照射（波長１０６４ｎｍ，ＹＡＧレーザー，出力１．５Ｗ）（レーザーマーカー，ＮＥＣ製，マーカーエンジンＳＬ４７５Ｈ）したときにおいて、成形体を通過したレーザー光と成形体を置かない場合のレーザー光をレーザーパワーメーター（ＣＯＨＥＲＥＮＴ製，ＬＡＳＥＲＭＡＴＥ１０）により受け、レーザーパワーメーターに連結したテスターにより電圧（Ｖ）を測定して、電圧をレーザー光の強度とし、下記式より求めた。
【００３８】
レーザー光の透過率（％）＝〔成形体を透過したレーザー光の強度（Ｖ）／成形体に照射したレーザー光の強度（Ｖ）〕×１００
実施例１
ポリプロピレン（商品名ＰＭ６００Ａ，屈折率１．４９，サンアロマー社製）２１００ｇに対して、無機充填剤としてタルク（商品名ＦＵ５１，屈折率１．５４，林化成社製）９００ｇを配合して混合後、二軸押出機（スクリュー径３０ｍｍ）を用いて、１８０℃のシリンダー温度で溶融混練し、ペレットを得た。
【００３９】
このペレットを用い、射出成形機により設定温度１８０℃で射出成形して、縦１２ｃｍ、横１２ｃｍ、厚さ１ｍｍの板（レーザー光透過率４０％）及び物性測定用のテストピースを得た。このテストピースを用い、ＩＳＯ１７８に準拠して曲げ弾性率を測定したところ、３８００ＭＰａであった。
【００４０】
一方、上記と同じポリプロピレン３０００ｇ及びカーボンブラック（商品名 ＢＦ−３１１５０，ＤＩＣ社製）２１ｇを用い、上記と同様に押出成形後に射出成形して、同寸法の板（レーザー光透過率０％）を得た。
【００４１】
２枚のポリプロピレン板（１はレーザー光透過率４０％のポリプロピレン板、２はレーザー光透過率０％のポリプロピレン板）を図１に示すようにして組み合わせた状態でクランプや支持部材（図示せず）で固定した後、接触部分に対して垂直方向（図中の矢印方向）より、コーヒレント社製の２５Ｗレーザー溶着機（半導体レーザー，出力２５Ｗ）を用いて、５００ｍｍ／ｍｉｎでレーザー光を照射した。
【００４２】
レーザー光の照射後、２枚のポリプロピレン板が強固に接合されていることを確認した。ポリプロピレン板１は無機充填剤が含有されており、曲げ弾性率も高いため、より広い用途への適用ができる。
【００４３】
実施例２
実施例１と同じポリプロピレン２１００ｇに対して、無機充填剤として白マイカ（商品名 クラライトマイカ２００Ｄ，屈折率１．５６，クラレ社製）９００ｇを配合して混合後、実施例１と同様にして押出成形及び射出成形を経て、縦１２ｃｍ、横１２ｃｍ、厚さ１ｍｍの板（レーザー光透過率３５％）及び物性測定用のテストピースを得た。このテストピースを用い、ＩＳＯ１７８に準拠して曲げ弾性率を測定したところ、４８００ＭＰａであった。
【００４４】
一方、ポリアミド（商品名 ＮＯＶＡＭＩＤ １０２０Ｊ，三菱エンジニアリングプラスチック社製）３０００ｇ及びカーボンブラック（商品名 Ａ１−１０００，ＤＩＣ社製）２１ｇを用い、実施例１と同様に押出成形後に射出成形して、同寸法の板（レーザー光透過率０％）を得た。
【００４５】
これらの２枚の板を用い、実施例１と同様にしてレーザー溶着を行い、ポリプロピレン板とポリアミド板が強固に接合されていることを確認した。ポリプロピレン板は無機充填剤が含有されており、曲げ弾性率も高いため、より広い用途への適用ができる。
【００４６】
実施例３
実施例１と同じポリプロピレン２１００ｇに対して、有機繊維充填剤として溶解パルプ（商品名 ＮＤＰ−Ｔ，日本製紙社製）のシートを５ｍｍ角のチップに切断したもの９００ｇ、及び酸変性ポリプロピレン（商品名 ユーメックス１０１０，三洋化成社製）６０ｇを配合して混合後、実施例１と同様にして押出成形及び射出成形を経て、縦１２ｃｍ、横１２ｃｍ、厚さ１ｍｍの板（レーザー光透過率６０％）及び物性測定用のテストピースを得た。このテストピースを用い、ＩＳＯ１７８に準拠して曲げ弾性率を測定したところ、３８００ＭＰａであった。
【００４７】
一方、上記と同じポリプロピレン３０００ｇ及びカーボンブラック（商品名 ＢＦ−３１１５０，ＤＩＣ社製）２１ｇを用い、上記と同様に押出成形後に射出成形して、同寸法の板（レーザー光透過率０％）を得た。
【００４８】
２枚のポリプロピレン板を用い、実施例１と同様にしてレーザー溶着を行い、ポリプロピレン板１とポリプロピレン板２（図１）が強固に接合されていることを確認した。ポリプロピレン板１は有機繊維充填剤が含有されており、曲げ弾性率も高いため、より広い用途への適用ができる。更に、有機繊維充填剤を用いているため、後の廃棄時において焼却処理した場合であっても、燃焼残渣が生じることがなく、廃棄処理が容易となる。
【００４９】
実施例４
ポリプロピレン（商品名ＰＭ８７０Ｌ，屈折率１．４９，サンアロマー社製）２１００ｇに対して、有機繊維充填剤として溶解パルプ（商品名 ＮＤＰ−Ｔ，日本製紙社製）のシートを５ｍｍ角のチップに切断したもの９００ｇ、及び酸変性ポリプロピレン（商品名 ユーメックス１０１０，三洋化成社製）６０ｇを配合して混合後、実施例１と同様にして押出成形及び射出成形を経て、縦１２ｃｍ、横１２ｃｍ、厚さ１ｍｍの板（レーザー光透過率５５％）及び物性測定用のテストピースを得た。このテストピースを用い、ＩＳＯ１７８に準拠して曲げ弾性率を測定したところ、３０００ＭＰａであった。
【００５０】
一方、上記と同じポリプロピレン３０００ｇ及びカーボンブラック（商品名 ＢＦ−３１１５０，ＤＩＣ社製）２１ｇを用い、上記と同様に押出成形後に射出成形して、同寸法の板（レーザー光透過率０％）を得た。
【００５１】
２枚のポリプロピレン板を用い、実施例１と同様にしてレーザー溶着を行い、ポリプロピレン板１とポリプロピレン板２（図１）が強固に接合されていることを確認した。ポリプロピレン板１は有機繊維充填剤が含有されており、曲げ弾性率度も高いため、より広い用途への適用ができる。更に、有機繊維充填剤を用いているため、後の廃棄時において焼却処理した場合であっても、燃焼残渣が生じることがなく、廃棄処理が容易となる。
【００５２】
【発明の効果】
本発明の接合方法によれば、レーザー光透過側となるポリプロピレン成形体中に、本来はレーザー光の透過阻害要因となる無機充填剤又は有機繊維充填剤を配合したにも拘わらず、高いレーザー光透過率を維持することができ、その結果、ポリプロピレン成形体と熱可塑性樹脂成形体とを強固に接合させることができる。更に、所望により、ポリプロピレン成形体と熱可塑性樹脂成形体を同色又は異なる色に着色することができる。
【００５３】
本発明の接合方法を適用して得られた成形体は、無機充填剤や有機繊維充填剤を含有しており、無機充填剤や有機繊維充填剤を含有していないものに較べて曲げ弾性率等の機械的性質が優れているため、従来と較べると、より幅広い用途への適用ができる。
【００５４】
更に本発明の接合方法において、特にポリプロピレンに配合する有機繊維充填剤としてセルロース系繊維を使用した場合、成形体に対して高いレーザー透過率と高い曲げ弾性率をバランス良く付与できることに加えて、燃焼後において燃焼残渣を生じさせない点においても優れている。
【図面の簡単な説明】
【図１】樹脂成形体の接合方法の説明図。
【符号の説明】
１ ポリプロピレン成形体
２ 熱可塑性樹脂成形体
【発明の属する技術分野】
本発明は、ポリプロピレン成形体と熱可塑性樹脂成形体とをレーザー溶着法を適用して接合する方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
樹脂成形体の接合方法として汎用されている、超音波溶着法、熱板工法、接着工法、ネジ止め工法等が有する問題点を解消する方法として、レーザー溶着法が注目されている。レーザー溶着法を適用した場合、接合しようとする２つの樹脂成形体の色が異なる場合にしか適用できないとの問題があり（特許文献１）、この問題を解決するものとして、特許文献２が知られている。
【０００３】
特許文献２には、第一樹脂部材と第二樹脂部材とをレーザー光で溶着する技術が開示されており、実施例では、汎用されている染料及びカーボンブラックを用いて着色された、黒色同士の樹脂部材を溶着する方法が開示されている。
【０００４】
しかし、第一樹脂部材は、照射されるレーザー光に対して９５％以上の透過率を有することが好ましいと記載され、第二樹脂部材は、レーザー光に対して十分な吸収性を示す樹脂であり、無機又は有機物よりなるフィラー等を配合できることが記載されているとおり、高いレーザー光透過率を維持するため、第一樹脂部材には無機充填剤等を配合することができないことが、幅広い用途への適用を制限する要因になっている。
【０００５】
【特許文献１】
特公昭６２−４９８５０号公報
【特許文献２】
特開２００１−７１３８４号公報
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
本発明は、レーザー光の照射側に位置する成形体に無機充填剤や有機繊維充填剤を配合した場合であっても、２つの成形体を強固に接合できる、レーザー溶着法を適用した接合方法を提供することを課題とする。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
本発明者は、ポリプロピレン成形体と熱可塑性樹脂成形体とをレーザー溶着法を適用して接合する際、レーザー光透過性であるポリプロピレン成形体中に、本来はレーザー光の透過を阻害する成分である無機充填剤や有機繊維充填剤を配合した場合であっても、良好なレーザー溶着ができる組み合わせを見出し、本発明を完成したものである。
【０００８】
本発明は、課題を解決する手段として、ポリプロピレン成形体と熱可塑性樹脂成形体とをレーザー溶着法を適用して接合する方法であり、
ポリプロピレン成形体がポリプロピレン及び無機充填剤を含有するレーザー光透過性の成形体で、無機充填剤がポリプロピレンと屈折率の近似したもので、ポリプロピレン１００質量部に対して１〜５００質量部配合されており、
熱可塑性樹脂成形体が、熱可塑性樹脂と着色料を含有するレーザー光吸収性の成形体であり、
ポリプロピレン成形体側からレーザー光を照射して、ポリプロピレン成形体と熱可塑性樹脂成形体とを溶着させる接合方法を提供する。
【０００９】
「レーザー光透過性」及び「レーザー光吸収性」とは、下記基準で成形体に対してレーザー光を照射したときに、下記式から求められるレーザー光の透過率（％）で表されるものである。
【００１０】
レーザー光の波長：１０６４ｎｍ（ＹＡＧレーザー）
レーザー光の透過率（％）＝〔成形体を透過したレーザー光の強度（Ｖ）／成形体に照射したレーザー光の強度（Ｖ）〕×１００
【００１１】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の接合方法を工程順に説明するが、工程の順序や操作法は以下の説明に限定されるものではなく、適宜改変することができる。
【００１２】
まず、接合対象となるポリプロピレン成形体と熱可塑性樹脂成形体とを重ね合わせた後、クランプのような固定手段等により固定する。ここで、ポリプロピレン成形体と熱可塑性樹脂成形体との接触面の一部又は全部が溶着されて接合する部分となる。
【００１３】
ポリプロピレン成形体は、ポリプロピレン及び無機充填剤を含有するレーザー光透過性の成形体である。また、ポリプロピレン成形体には、無機充填剤に替えて有機繊維充填剤を配合することができる。
【００１４】
ポリプロピレン成形体のレーザー光透過率は、１０％以上が好ましく、１５％以上がより好ましく、２０％以上が更に好ましい。
【００１５】
ポリプロピレン成形体の形状、大きさ、厚み等は、接合後の用途及び上記したレーザー透過率を満たす範囲で適宜設定することができる。
【００１６】
ポリプロピレンはホモポリマーが好ましいが、エチレンのような他のオレフィン単量体、（メタ）アクリル酸エステル等のその他の単量体との共重合体でも良い。共重合体にするときは、ポリプロピレン以外の単量体の使用量（原料基準）が５０質量％以下であることが好ましい。
【００１７】
無機充填剤は、ポリプロピレン成形体のレーザー光透過性を損なわせないため、ポリプロピレン（ホモポリマーの屈折率１．４９；共重合体としたときには、前記屈折率に近い値になるようにすることが望ましい。）と屈折率の近似したものが好ましく、屈折率が１．４〜１．７のものがより好ましく、屈折率が１．４５〜１．５５のものが更に好ましい。
【００１８】
このようにポリプロピレン成形体の屈折率と近似した屈折率を有する無機充填剤を配合することにより、ポリプロピレン成形体のレーザー光透過率の低下を抑制した上で、ポリプロピレン成形体の機械的強度等を向上させることができるので、レーザー溶着性能を損なうことなく、接合後の成形体の用途を広げることができる。
【００１９】
無機充填剤としては、タルク（屈折率１．５４〜１．５９）、マイカ（屈折率１．５５〜１．５９）、重炭酸カルシウム（屈折率１．４７〜１．６９）、軽炭酸カルシウム（屈折率１．４７〜１．６９）、ガラス繊維（屈折率１．４６〜１．５６）、ガラスフレーク（屈折率１．４６〜１．５６）、ガラスビーズ（屈折率１．４６〜１．５６）、ウォラストナイト（屈折率１．６３）、硫酸バリウム（屈折率１．６４〜１．６５）、アルミナ（屈折率１．５６）、水酸化マグネシウム（屈折率１．５４）、ベントナイト（屈折率１．５２）、硫酸カルシウム（２水塩）（屈折率１．５２〜１．５３）、塩基性炭酸マグネシウム（屈折率１．５０〜１．５３）、含水ケイ酸カルシウム（屈折率１．４７〜１．５０）、湿式法ホワイトカーボン（屈折率１．４４〜１．５０）から選ばれる１又は２以上のものが好ましい。
【００２０】
無機充填剤は、粒状、繊維状、フレーク状等の不定形のものを用いることができる。粒状のものを用いるとき、平均粒径は０．０１〜１００μｍのものが好ましい。繊維状のものを用いるとき、直径０．１〜１００μｍ、長さ１〜１００μｍのものが好ましい。フレーク状のものを用いるとき、最大長さが５０００μｍ以下であるものが好ましい。
【００２１】
無機充填剤の配合量は、接合後の成形体の用途（求められる物理的性質等を含む）及び上記したレーザー透過率を考慮して決定されるが、ポリプロピレン１００質量部に対して、１〜５００質量部、好ましくは５〜３００質量部、より好ましくは５〜１００質量部、更に好ましくは１０〜５０質量部である。
【００２２】
無機充填剤に替えて有機繊維充填剤を配合することは、本発明を適用した接合後の成形体を使用後に燃焼処理するような場合、ガラス繊維のような無機繊維を使用したときのような燃焼残渣が生じないので、廃棄処理が容易となる点で好ましい。
【００２３】
有機繊維充填剤は、ポリプロピレン成形体のレーザー光透過率を損なわないものであれば特に制限されるものではなく、例えば、特開２００３−１０５２０３号公報に開示された水不溶性繊維を用いることができ、特にセルロース系繊維が好ましい。セルロース系繊維としては、平均直径が、好ましくは０．１〜１０００μｍ、より好ましくは５〜１００μｍ、更に好ましくは１０〜５０μｍ、特に好ましくは２０〜３０μｍであり、平均長さが、好ましくは０．１〜１０００ｍｍ、より好ましくは０．２〜５００ｍｍ、更に好ましくは０．３〜５０ｍｍ、特に好ましくは０．５〜５ｍｍのものを挙げることができる。
【００２４】
また、有機繊維充填剤の配合方法は、押出成形機等にポリプロピレンとパルプシートの小片（正方形の場合又は同面積の正方形に換算した場合の一辺の長さが、好ましくは１〜１００ｍｍ、より好ましくは２〜１０ｍｍ、更に好ましくは２〜５ｍｍのもの）を同時に供給する方法を適用できる。
【００２５】
有機繊維充填剤の配合量は上記した無機充填剤と同程度であり、有機繊維充填剤と無機充填剤を併用していも良い。
【００２６】
ポリプロピレン成形体には、レーザー光透過性を損なわない種類及び範囲の着色料を配合することができる。
【００２７】
熱可塑性樹脂成形体は、熱可塑性樹脂と着色料を含有するレーザー光吸収性の成形体である。熱可塑性樹脂成形体のレーザー光透過率は０％が好ましい。
【００２８】
熱可塑性樹脂としては、スチレン系樹脂（ホモポリマー、ＡＳ樹脂、ＨＩＰＳ等）、ゴム含有スチレン系樹脂（ＡＢＳ樹脂、ＡＥＳ樹脂、ＡＢＳＭ樹脂、ＡＡＳ樹脂等）、ポリアミド樹脂、ポリエチレン樹脂、ポリプロピレン樹脂、ポリブチレンテレフタレート樹脂、ポリフェニレンスルフィド樹脂、ポリエーテルエーテルケトン樹脂、ポリエチレンテレフタレート樹脂、ポリブチレンテレフタレート樹脂、ポリフェニレンスルフィド樹脂、ポリカーボネート樹脂、非結晶（透明）ナイロン、液晶ポリマー、（メタ）アクリル系樹脂、ポリアセタール樹脂、ポリフェニレンエーテル樹脂、アクリロニトリル・スチレン共重合樹脂等を挙げることができ、これらの熱可塑性樹脂は、単独で又は２種類以上を混合して用いることができる。また、これらの重合体を主体とする共重合体若しくは混合物、これらにゴム又はゴム状樹脂等のエラストマーを配合した熱可塑性樹脂、及びこれらの樹脂を１０重量％以上含有するポリマーアロイ等も挙げることができる。
【００２９】
着色料としては、カーボンブラック、無機顔料、有機顔料、染料等を挙げることができる。
【００３０】
熱可塑性樹脂に対する着色料の配合量は、接合後の成形体の用途、レーザー光の透過率等との関連において決定されるものであるが、熱可塑性樹脂１００質量部にして、好ましくは０．００１〜１０質量部、より好ましくは０．０１〜５質量部、更に好ましくは０．０５〜５質量部である。
【００３１】
熱可塑性樹脂成形体には、必要に応じて上記した無機充填剤及び有機繊維充填剤を配合することができ、ポリプロピレン成形体及び／又は熱可塑性樹脂成形体には、必要に応じて助色剤、分散剤、安定剤、可塑剤、改質剤、紫外線吸収剤又は光安定剤、酸化防止剤、帯電防止剤、潤滑剤、離型剤、結晶促進剤、結晶核剤、及び耐衝撃性改良用のエラストマー等を配合することができる。
【００３２】
ポリプロピレン成形体に染料を配合するとき、前記染料と熱可塑性樹脂成形体に含まれる着色料は同色であることが好ましいが、黒色である必要はなく、黒色以外の組み合わせも用途に合わせて使用することができる。
【００３３】
次に、重ね合わせたポリプロピレン成形体と熱可塑性樹脂成形体の接触部分に対して、ポリプロピレン成形体側からレーザー光を照射して、ポリプロピレン成形体と熱可塑性樹脂成形体とを、それらの接触面において溶着させる。
【００３４】
本発明で用いるレーザーとしては、８００〜１２００ｎｍに発振波長を有するものを用いることができ、ＹＡＧレーザー、半導体レーザー、ガラスレーザー、ルビーレーザー、Ｈｅ−Ｎｅレーザー、窒素レーザー、キレートレーザー、色素レーザー等の公知のレーザーを適用できる。これらのレーザーの出力は、５〜３０Ｗ程度であることが好ましい。
【００３５】
レーザーの照射時間及びレーザーと被照射体（ポリプロピレン成形体及び熱可塑性樹脂成形体）との間隔は、レーザーの出力、成形体の厚み、成形体のレーザー透過率等を考慮して調整する。
【００３６】
本発明の樹脂成形体の接合方法による接合機構について説明する。ポリプロピレン成形体と熱可塑性樹脂成形体とを重ね合わせた状態で、ポリプロピレン成形体側からレーザー光を照射すると、レーザー光はポリプロピレン成形体を透過した後、熱可塑性樹脂成形体の表面に到達する。熱可塑性樹脂成形体はレーザー光吸収性であるため、レーザー光は熱可塑性樹脂成形体中を透過せずに、ポリプロピレン成形体と熱可塑性樹脂成形体との界面にエネルギーとして滞留する。その結果、ポリプロピレン成形体と熱可塑性樹脂成形体との界面で温度上昇に伴う溶融が生じるため、両成形体が強固に接合される。そして、ポリプロピレン成形体には、無機充填剤が配合されており、機械的強度等の性質を付与調節することができるので、より広い分野への様々な用途への適用ができるようになる。
【００３７】
【実施例】
（レーザー光透過率の測定法）
成形体に対して垂直方向からレーザー光を照射（波長１０６４ｎｍ，ＹＡＧレーザー，出力１．５Ｗ）（レーザーマーカー，ＮＥＣ製，マーカーエンジンＳＬ４７５Ｈ）したときにおいて、成形体を通過したレーザー光と成形体を置かない場合のレーザー光をレーザーパワーメーター（ＣＯＨＥＲＥＮＴ製，ＬＡＳＥＲＭＡＴＥ１０）により受け、レーザーパワーメーターに連結したテスターにより電圧（Ｖ）を測定して、電圧をレーザー光の強度とし、下記式より求めた。
【００３８】
レーザー光の透過率（％）＝〔成形体を透過したレーザー光の強度（Ｖ）／成形体に照射したレーザー光の強度（Ｖ）〕×１００
実施例１
ポリプロピレン（商品名ＰＭ６００Ａ，屈折率１．４９，サンアロマー社製）２１００ｇに対して、無機充填剤としてタルク（商品名ＦＵ５１，屈折率１．５４，林化成社製）９００ｇを配合して混合後、二軸押出機（スクリュー径３０ｍｍ）を用いて、１８０℃のシリンダー温度で溶融混練し、ペレットを得た。
【００３９】
このペレットを用い、射出成形機により設定温度１８０℃で射出成形して、縦１２ｃｍ、横１２ｃｍ、厚さ１ｍｍの板（レーザー光透過率４０％）及び物性測定用のテストピースを得た。このテストピースを用い、ＩＳＯ１７８に準拠して曲げ弾性率を測定したところ、３８００ＭＰａであった。
【００４０】
一方、上記と同じポリプロピレン３０００ｇ及びカーボンブラック（商品名 ＢＦ−３１１５０，ＤＩＣ社製）２１ｇを用い、上記と同様に押出成形後に射出成形して、同寸法の板（レーザー光透過率０％）を得た。
【００４１】
２枚のポリプロピレン板（１はレーザー光透過率４０％のポリプロピレン板、２はレーザー光透過率０％のポリプロピレン板）を図１に示すようにして組み合わせた状態でクランプや支持部材（図示せず）で固定した後、接触部分に対して垂直方向（図中の矢印方向）より、コーヒレント社製の２５Ｗレーザー溶着機（半導体レーザー，出力２５Ｗ）を用いて、５００ｍｍ／ｍｉｎでレーザー光を照射した。
【００４２】
レーザー光の照射後、２枚のポリプロピレン板が強固に接合されていることを確認した。ポリプロピレン板１は無機充填剤が含有されており、曲げ弾性率も高いため、より広い用途への適用ができる。
【００４３】
実施例２
実施例１と同じポリプロピレン２１００ｇに対して、無機充填剤として白マイカ（商品名 クラライトマイカ２００Ｄ，屈折率１．５６，クラレ社製）９００ｇを配合して混合後、実施例１と同様にして押出成形及び射出成形を経て、縦１２ｃｍ、横１２ｃｍ、厚さ１ｍｍの板（レーザー光透過率３５％）及び物性測定用のテストピースを得た。このテストピースを用い、ＩＳＯ１７８に準拠して曲げ弾性率を測定したところ、４８００ＭＰａであった。
【００４４】
一方、ポリアミド（商品名 ＮＯＶＡＭＩＤ １０２０Ｊ，三菱エンジニアリングプラスチック社製）３０００ｇ及びカーボンブラック（商品名 Ａ１−１０００，ＤＩＣ社製）２１ｇを用い、実施例１と同様に押出成形後に射出成形して、同寸法の板（レーザー光透過率０％）を得た。
【００４５】
これらの２枚の板を用い、実施例１と同様にしてレーザー溶着を行い、ポリプロピレン板とポリアミド板が強固に接合されていることを確認した。ポリプロピレン板は無機充填剤が含有されており、曲げ弾性率も高いため、より広い用途への適用ができる。
【００４６】
実施例３
実施例１と同じポリプロピレン２１００ｇに対して、有機繊維充填剤として溶解パルプ（商品名 ＮＤＰ−Ｔ，日本製紙社製）のシートを５ｍｍ角のチップに切断したもの９００ｇ、及び酸変性ポリプロピレン（商品名 ユーメックス１０１０，三洋化成社製）６０ｇを配合して混合後、実施例１と同様にして押出成形及び射出成形を経て、縦１２ｃｍ、横１２ｃｍ、厚さ１ｍｍの板（レーザー光透過率６０％）及び物性測定用のテストピースを得た。このテストピースを用い、ＩＳＯ１７８に準拠して曲げ弾性率を測定したところ、３８００ＭＰａであった。
【００４７】
一方、上記と同じポリプロピレン３０００ｇ及びカーボンブラック（商品名 ＢＦ−３１１５０，ＤＩＣ社製）２１ｇを用い、上記と同様に押出成形後に射出成形して、同寸法の板（レーザー光透過率０％）を得た。
【００４８】
２枚のポリプロピレン板を用い、実施例１と同様にしてレーザー溶着を行い、ポリプロピレン板１とポリプロピレン板２（図１）が強固に接合されていることを確認した。ポリプロピレン板１は有機繊維充填剤が含有されており、曲げ弾性率も高いため、より広い用途への適用ができる。更に、有機繊維充填剤を用いているため、後の廃棄時において焼却処理した場合であっても、燃焼残渣が生じることがなく、廃棄処理が容易となる。
【００４９】
実施例４
ポリプロピレン（商品名ＰＭ８７０Ｌ，屈折率１．４９，サンアロマー社製）２１００ｇに対して、有機繊維充填剤として溶解パルプ（商品名 ＮＤＰ−Ｔ，日本製紙社製）のシートを５ｍｍ角のチップに切断したもの９００ｇ、及び酸変性ポリプロピレン（商品名 ユーメックス１０１０，三洋化成社製）６０ｇを配合して混合後、実施例１と同様にして押出成形及び射出成形を経て、縦１２ｃｍ、横１２ｃｍ、厚さ１ｍｍの板（レーザー光透過率５５％）及び物性測定用のテストピースを得た。このテストピースを用い、ＩＳＯ１７８に準拠して曲げ弾性率を測定したところ、３０００ＭＰａであった。
【００５０】
一方、上記と同じポリプロピレン３０００ｇ及びカーボンブラック（商品名 ＢＦ−３１１５０，ＤＩＣ社製）２１ｇを用い、上記と同様に押出成形後に射出成形して、同寸法の板（レーザー光透過率０％）を得た。
【００５１】
２枚のポリプロピレン板を用い、実施例１と同様にしてレーザー溶着を行い、ポリプロピレン板１とポリプロピレン板２（図１）が強固に接合されていることを確認した。ポリプロピレン板１は有機繊維充填剤が含有されており、曲げ弾性率度も高いため、より広い用途への適用ができる。更に、有機繊維充填剤を用いているため、後の廃棄時において焼却処理した場合であっても、燃焼残渣が生じることがなく、廃棄処理が容易となる。
【００５２】
【発明の効果】
本発明の接合方法によれば、レーザー光透過側となるポリプロピレン成形体中に、本来はレーザー光の透過阻害要因となる無機充填剤又は有機繊維充填剤を配合したにも拘わらず、高いレーザー光透過率を維持することができ、その結果、ポリプロピレン成形体と熱可塑性樹脂成形体とを強固に接合させることができる。更に、所望により、ポリプロピレン成形体と熱可塑性樹脂成形体を同色又は異なる色に着色することができる。
【００５３】
本発明の接合方法を適用して得られた成形体は、無機充填剤や有機繊維充填剤を含有しており、無機充填剤や有機繊維充填剤を含有していないものに較べて曲げ弾性率等の機械的性質が優れているため、従来と較べると、より幅広い用途への適用ができる。
【００５４】
更に本発明の接合方法において、特にポリプロピレンに配合する有機繊維充填剤としてセルロース系繊維を使用した場合、成形体に対して高いレーザー透過率と高い曲げ弾性率をバランス良く付与できることに加えて、燃焼後において燃焼残渣を生じさせない点においても優れている。
【図面の簡単な説明】
【図１】樹脂成形体の接合方法の説明図。
【符号の説明】
１ ポリプロピレン成形体
２ 熱可塑性樹脂成形体
Claims (6)
- ポリプロピレン成形体と熱可塑性樹脂成形体とをレーザー溶着法を適用して接合する方法であり、
ポリプロピレン成形体がポリプロピレン及び無機充填剤を含有するレーザー光透過性の成形体で、無機充填剤がポリプロピレンと屈折率の近似したもので、ポリプロピレン１００質量部に対して１〜５００質量部配合されており、
熱可塑性樹脂成形体が、熱可塑性樹脂と着色料を含有するレーザー光吸収性の成形体であり、
ポリプロピレン成形体側からレーザー光を照射して、ポリプロピレン成形体と熱可塑性樹脂成形体とを溶着させる接合方法。 - 無機充填剤の屈折率が１．４〜１．７である、請求項１記載の接合方法。
- 無機充填剤の屈折率が１．４５〜１．５５である、請求項１記載の接合方法。
- 無機充填剤が、タルク、マイカ、重炭酸カルシウム、軽炭酸カルシウム、ガラス繊維、ガラスフレーク、ガラスビーズ、ウォラストナイト、硫酸バリウムから選ばれる１又は２以上のものである、請求項１〜３のいずれかに記載の接合方法。
- ポリプロピレン成形体と熱可塑性樹脂成形体とをレーザー溶着法を適用して接合する方法であり、
ポリプロピレン成形体がポリプロピレン及び有機繊維充填剤を含有するレーザー光透過性の成形体であり、
熱可塑性樹脂成形体が、熱可塑性樹脂と着色料を含有するレーザー光吸収性の成形体であり、
ポリプロピレン成形体側からレーザー光を照射して、ポリプロピレン成形体と熱可塑性樹脂成形体とを溶着させる接合方法。 - 使用するレーザーが、８００〜１２００ｎｍに発振波長を有するものである、請求項１〜５のいずれかに記載の接合方法。
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