JP2005513193A - ２つの物体を接続する方法 - Google Patents

Abstract

本発明は、２つの物体（１、３）を接続する方法に関し、接続される２つの物体の接続面間に接続手段（２）を配置する。各接続面とその間に配置される接続手段（２）が互いに接触した状態で保持される。物体（１、３）の少なくとも一方を機械的に刺激して、摩擦および摩擦熱を生じさせる。接続手段（２）は、少なくとも１の架橋可能なポリマー、または重合化および架橋化が可能な樹脂を含んでいる。当該ポリマーまたは樹脂は、発生した摩擦熱によって熱可塑性材料に変換される。これにより、接続手段（２）および２物体（１、３）からなる複合体はかなりの耐熱性を有することとなる。

Description

本発明は、独立請求項１の前段部分に記載したような、２つの物体を接続する方法に関する。

木製またはそれと同等の材料からなる物体は、例えば、スクリューやネジ等の機械的な連結手段、あるいは接着剤を用いて接続することができる。
接着剤を用いる場合、通常は、両方の接続面に接着剤を塗布した後、乾燥するまで両者が押し合わされる。乾燥または硬化に必要な時間は、接着剤によって異なる。
同様の方法で、木製またはそれと同等の材料からなる物体を、合成材料からなる物体に接続することができる。

これらの接続方法は、ある用途においては不利である。例えば、光沢層や着色層にダメージを与えたり、あるいはそれらを変色させたりすることがあるからである。また、乾燥時間または硬化時間が長い。

国際公開公報ＷＯ ９６／０１３７７号には、そのような物体を接続する別の方法が開示されている。その方法においては、接続される各物体の接続面間に、接続手段としての熱可塑性層が配置される。その後、各接続面およびその間に配置された接続手段が一体保持され、両物体の少なくとも一方が機械的に刺激される。こうして生じた摩擦および摩擦熱により、熱可塑性層が溶ける。機械的刺激を停止した後、物体の周囲部分の熱を奪うことで、溶けて両接続面に貼り付いた熱可塑性層が冷却されて、凝集状態が変化し、再度硬化する。

このような接続方法における不利な点は、接続手段が熱可塑性層であって、耐熱性が低いということである。また、多くの熱可塑性樹脂は、湿気や紫外線放射等の気候的要素に対する耐性が低い。さらに、接続時に化学変化が生じていないので、引き剥がすためのエネルギが比較的小さい。最後に、溶融行程で必要とされた熱量を、溶けた熱可塑性樹脂が硬化できるように、溶融箇所の領域から除去する必要がある。この行程の間、接続面を一体に保持しておく必要がある。すなわち、機械的な刺激を停止した後に、一定の休止期間が必要となる。休止期間は、熱可塑性樹脂の特性によって異なり、ユーザが簡単に影響を与えることはできない。

以前から知られていた上述の接続方法における不利益に鑑み、本発明は、冒頭で説明したようなタイプの２つの物体を接続する方法を提供することを目的とする。本発明の方法によれば、国際公開公報ＷＯ ９６／０１３７７号で提案された方法で製造される複合体よりも耐熱性の高い複合体を製造することができる。さらに、そのような接続方法は、ユーザによって最適化可能なものが好ましく、迅速な接続が可能である。

課題を解決するための手段、および発明の効果

この目的は、独立請求項１に記載された本願発明の方法により達成される。好ましい具体例は、従属請求項に規定されている。本発明よる２つの物体からなる複合体は、請求項１４に記載されている。

本発明の本質は以下の点にある。２つの物体を接続する方法において、接続されるべき物体の接続面間に接続手段を配置する。接続面とその間に横たわる接続手段とを一体に保持して、少なくとも一方の物体を機械的に刺激して摩擦熱を生じさせる。本発明によれば、接続手段は、摩擦熱でデュロプラスチックに変換される、架橋可能なポリマー、または重合化および架橋化が可能な樹脂を少なくとも１つ含んでいる。

その後に温度が上昇したとしても再度溶けることのないデュロプラスチックへの変換が生じるので、接続手段および２つの物体の複合体は、本質的に、より耐熱性が高まる。さらに、例えば湿度等の気候的要因に対する耐性も向上する。

本発明の方法においては、溶融可能または液体状のポリマーまたは樹脂が特に適している。その場合、架橋可能なポリマー、または重合化および架橋化が可能な樹脂が、それらが未だ液化していない場合には、摩擦熱によってほぼ最初に溶融する。ポリマーまたは樹脂は、このようにして２つの接続面を覆い、孔部が存在する場合（例えば、木の場合）には、その内部へと含浸する。
デュロプラスチックへと変換されることで、架橋、そして重合化が生じ、ひいては、発熱しながら進行可能な化学反応が生じる。擦り合いにより生じた摩擦熱がこの化学変化を促進させ、熱可塑性樹脂の場合のように硬化を妨げることがない。
熱可塑性樹脂の接続手段の場合とは異なり、接続手段を硬化させるために熱を取り除くことを必要とせず、したがって、方法のパラメータを適切に選択することで、休止期間を実質的にゼロとすることができる。ここで休止期間とは、摩擦発生の終了後２つの物体を一体に保持しておかなければならない期間であり、摩擦発生の終了とは、少なくとも一方の物体の機械的刺激の終了を意味する。
このようにして、２つの物体を接続するために必要な時間を、従来技術と比較して、大幅に減じることができる。

本発明による２つの物体の接続方法のさらなる利点は、引き剥がしに必要なエネルギが大きい接続が達成されるということである。熱可塑性樹脂の接続手段を用いる方法と比較して、例えば１０倍である。

最後に、接続手段として、架橋可能なポリマー、または重合化および架橋化が可能な樹脂を使用することができる。これにより、熱可塑性樹脂の場合と比べて、５０％を超えるコスト低減が可能となる場合もある。

樹脂として、重合化および架橋化が可能な樹脂が使用される場合、そのデュロプラスチックへの変換は、重縮合または重付加によってもたらされる。ポリマーまたは樹脂は、初期重合、特に初期縮合されていて、いわゆるＢ段間樹脂またはレジトール樹脂となっていることが有利である。
中断していた重合化および（または）架橋化が、摩擦熱を与えることで再開される。その際、重合化したポリマーまたは樹脂が未だ液化されていない場合は最初に溶けて、その後、反応が非可逆的に進んで完了し、いわゆるＣ段階またはレジトール段階となる。
ポリマーまたは樹脂について、最終的な固体の段階前の、液体の中間段階が存在することにより、２つの接続面を覆うことが容易になり、したがって、接続手段と接続面との強固な接続が可能となる。

接続手段として、次の樹脂がとりわけ適している。ユリアホルムアルデヒド樹脂、メラミンホルムアルデヒド樹脂、メラミンユリアホルムアルデヒド樹脂、メラミンユリアフェノールホルムアルデヒド樹脂、フェノールホルムアルデヒド樹脂、レソルシンホルムアルデヒド樹脂、架橋可能なイソシアネートジオール樹脂、またはこれらの樹脂の２または３以上を混合した樹脂。
これらの樹脂のデュロプラスチックへの変換は、重縮合または重付加によってもたらされる。

同様に、樹脂として好ましいのは、エポキシ樹脂、または架橋可能なポリウレタンに重合可能な樹脂であり、ポリマーとして好ましいのは、架橋可能なポリウレタンである。

好ましい実施形態では、接続手段は、反応系と調和して、デュロプラスチックへの変換を確実とする硬化剤または反応抑制剤を含む。硬化剤は、例えば、塩化アンモニウムまたは硫酸アンモニウムであり、反応抑制剤は、例えば、アンモニアまたはアンモニウム塩溶液である。そのような添加剤を用いることで、接続方法は、特定の使用目的に対して、特に硬化時間またはゲル化時間に関して、最適化できる。

好ましい実施形態では、接続手段は、充填および増量手段（好ましくは、石粉、木粉またはホイート粉）を含む。これにより、接続手段のコストを下げること、および接続手段の適用を容易にすることができる。

本発明の方法の好ましい実施形態においては、接続手段は、一方の接続面上に、液体状、ペースト状、または粉体状に塗布される。特に粉体状の接続手段の場合は、接続されるべき接続面は、接続手段が飛び散るのを防止するため、互いに接近する方向にあまり速く移動させてはならない。その場合にも、迅速な接近を可能とするために、加熱または粘着剤の添加により、粉体の粒子間の接着性を高めることができる。このようにして、飛び散りを減じ、または全体として避けることができる。

別の構成として、接続手段内の少なくとも１のポリマーまたは樹脂は、平坦状またはロープ状の物体内（特に、紙またはフリース）に含浸させることができる。
紙の重さはほぼ１０〜１８０ｇ／ｍ^２であり、ポリマーまたは樹脂の含有量は、紙の重さに対して２０〜３５０％であることが好ましい。
フリースの重さはほぼ１０〜１２０ｇ／ｍ^２であり、ポリマーまたは樹脂の含有量は、フリースの重さに対して４０〜２００％であることが好ましい。
そのような平坦状またはロープ状の物体は、取扱いが容易な点で有利である。

他の好ましい実施形態においては、接続手段は、一方の物体に対して、当該物体の一要素としてその接続面上に一体的に構成される。そして、接続されるべき物体とは独立した接続手段を適用することができる。これにより、取扱いが容易となる。

使用目的に応じて、接続手段は、接続されるべき接続面間において、平面状、ロープ形状、またはドット形状に配置することができる。

遅くとも少なくとも１のポリマーまたは樹脂のデュロプラスチックへの変換が完了するときまでに、少なくとも一方の物体の機械的刺激を停止することが有利である。このようにして、機械的な破損を避けることができる。

少なくとも一方の物体が機械的刺激を受けている間、接続されるべき接続面は、面平行に移動させられることが好ましい。これにより、比較的大きな摩擦が生じ、したがって、大きな摩擦熱が生じる。

好ましい実施形態では、少なくとも一方の物体が機械的刺激を受けている間、接続されるべき接続面は、相対的に円移動、直線移動、または楕円移動させられる。これらの移動動作は、この分野で知られている装置と類似のものを使用して実現できる。

機械的刺激が行われている間、接続面とその間に横たわる接続手段とは、互いに押圧されることが好ましい。このようにして、接続手段と接続面との強固な接触が保証される。多孔性の物体（例えば木）の場合には、接続手段が孔部内に押し込まれて、接着性が向上する。

２つの物体を接続する本発明の方法は、幾つかの段階で進行する。例えば、第１段階（接近段階）において、一方の物体が、上面に接続手段を備える他方の物体に導かれる。２つの物体間の圧力は最初はゼロであるが、第２の物体が接続手段に接触すると直ぐに、圧力は、急激に増加して例えば０．２〜２．５ＭＰａに達する。この接近時間は、約０．１〜１０秒である。

第２段階（溶融段階）では、少なくとも一方の物体が機械的に刺激される。実際には、周波数約５０〜４００Ｈｚ、および振幅約０．５〜２ｍｍの振動が好ましい。こうして、２つの物体と接続手段との間に摩擦が生じて熱が発生し、接続手段の温度は最大値（約１５０〜３５０度）まで上昇する。この結果、接続手段はそれが固形の場合には溶ける。この溶融時間は、約０．５〜２０秒である。

第３段階（静止期間）では、２つの物体間の圧力はそのまま維持されるが、物体は機械的刺激を受けない。したがって、摩擦熱がさらに生じることはなく、接続手段はゆっくりと冷却される。このとき、接続手段の重合化および架橋化が終了し、デュロプラスチックへと変換される。接続手段にもよるが、静止時間は、通常０〜１５秒であって、なるべく短いことが好ましい。

静止期間が生じる場合、当該静止期間の後、２つの物体間の圧力は減じられる。

本発明の方法によれば、多様な組成を有する物体（例えば、木、コンクリート、金属、ガラス、石、または合成材料）を短時間でしっかりと接続することができる。少なくとも一方の物体が木製である場合、化学的に木と結合しうる接続手段を使用することが好ましい。例えば、木材中のセルロースのヒドロキシル基と化学的に反応するイソシアネートを含んだ接続手段を使用することができる。

さらに本発明により、デュロプラスチックを介して連結された２つの物体からなる複合体が提供される。この複合体は、上述の方法で製造される。

以下に、本発明による２つの物体を接続する方法を、例示的な具体例を参照して、より詳細に説明する。

図１〜図６に示した第１実施形態においては、２つの物体１および３が、接続手段２によって接続される。２つの物体１、３は、例えば、木、コンクリート、金属、ガラス、または合成材料からなり、それぞれが接続面１１、３１を有する。この接続面１１、３１が接続手段２を介して接続される。

図１を参照すると、接続手段２は、物体３の接続面３１上に平面状に配置されていて、この表面全体を覆っている。ここでは、接続手段２は、接続面３１上にペースト状に塗布されているので、接続面３１に貼り付いて、矢印Ａ方向に接近してくる物体１による風圧で飛ばされることはない。
別例として、接続手段２は、液体または粉体とすることが可能である。しかし、その場合には、液体または粉体が飛ばされることのないように、物体１を矢印Ａ方向に十分にゆっくりと近づけるべきである。その場合でも高速な接近を可能とするために、加熱または粘着剤（sticking material）の添加により、粉体の粒子間の接着性を高めることができる。このようにして、飛び散りを減じ、または全体として避けることができる。
最後に、少なくとも１のポリマーまたは樹脂が含浸された平坦物体形状の接続手段（特に、紙またはフリース）や、物体３に接続手段２を一体的に備えた構成（例えば、物体３との同時押出成形）を採用することも可能である。

接続手段２は、例えば、架橋可能なポリマー、または重合化および架橋化が可能な樹脂で構成されており、熱を加えることでデュロプラスチック（duroplastic）へと変換できる。ポリマーまたは樹脂は、初期重合状態のものが有利であって、中断されていた重合化および（または）架橋化が加熱によって再開される。そこでは、既に液化している場合を除いて、初期重合状態にあるポリマーまたは樹脂が最初溶けて、その後、反応は非可逆的に進行して完了する。
次の樹脂およびポリマーがとくに適している。ユリアホルムアルデヒド樹脂、メラミンホルムアルデヒド樹脂、メラミンユリアホルムアルデヒド樹脂、メラミンユリアフェノールホルムアルデヒド樹脂、フェノールホルムアルデヒド樹脂、レソルシンホルムアルデヒド樹脂、架橋可能なイソシアネートジオール樹脂、エポキシ樹脂、架橋可能なポリウレタンに重合可能な樹脂、および架橋可能なポリウレタン。

接続手段２は、さらに、幾つかの異なる架橋可能なポリマーまたは重合化および架橋化が可能な樹脂を、添加物とともに含んでいてもよい。添加剤としては、例えば、硬化剤（好ましくは、塩化アンモニウムまたは硫酸アンモニウム）や、反応抑制剤（好ましくは、アンモニアまたはアンモニウム塩溶液）、および（または）充填および増量手段（好ましくは、石粉、木粉またはホイート粉）を挙げることができる。

物体１は、物体３および接続手段２の上に配置された後、図２における矢印Ａ方向に向かって、物体３および接続手段２へと押し付けられ、これにより圧力が発生する。これに続いて、物体１の機械的刺激を開始する。すなわち、物体１の接続面１１を、物体３の接続面３１および接続手段２に対して平行な面内で移動させて、これにより、接続面１１、接続手段２、および接続面３１の間に、摩擦およびそれに起因した熱を生じさせる。
摩擦熱によって、接続手段２の全体、または少なくとも上述した少なくとも１のポリマーまたは樹脂がデュロプラスチックに変換される。その際、最初溶融されて、接続面１１および３１を最大限覆うことが好ましい。
例えば木製の多孔性物体１、３に対して、溶けた接続手段２、ポリマーまたは樹脂は、それぞれ、物体１から負荷される圧力によって孔内に入り込み、これによって、接続手段２と物体１、３との接続が大幅に強化される。

接続面１１の面平行移動は、異なる幾つかの方法によって実現できる。接続面１１を有する物体１は、例えば、図２および図３において矢印Ｂ、Ｃで示したように直線移動させることや、図２および図４において矢印Ｅで示したように円移動させることや、図２および図５において矢印Ｄで示したように楕円移動させることができる。
物体１の機械的刺激や、矢印Ａ方向への圧力の負荷は、この分野におけるどのような手段を用いて実現してもよい。

図６には、第１実施形態に係る接続方法の工程を、接続手段２の温度およびそこに負荷される圧力と関連させて示している。曲線６は、接続工程中における接続手段２の温度を示しており、これに対しては左側の目盛が適用される。線７１、７２、７３は、物体１から接続手段２に負荷される圧力を示しており、これに対しては右側の目盛が適用される。
この例では、物体１、３は木製であって、接続手段２は、ユリアホルムアルデヒド樹脂で構成されている。

第１段階（接近段階）では、上面に接続手段２が配置された物体３に、物体１が載せられる。接続手段２の温度は、周囲温度に等しい。圧力７１は最初はゼロであるが、その後、物体１が接続手段２に接触すると、急激に増加して１．５ＭＰａに達する。この接近時間は、約０．５秒である。

第２段階（溶融段階）では、物体１が機械的に刺激され、物体１、接続手段２、および物体３間の摩擦が増大し、熱を生じさせる。こうして、圧力７２が一定のまま、接続手段２の温度６が最大値（ここでは、約２２５度）まで上昇し、接続手段２が溶ける（ここまでに要する時間は、２秒である）。この溶融時間は、約１．５秒である。

第３段階（静止期間）では、圧力７３はつづいて一定に維持されているが、物体１には機械的刺激は与えられていない。よって、摩擦熱がさらに生じることはなく、接続手段２は緩やかに冷却される。このとき、接続手段２の重合化および架橋化が完了して、デュロプラスチックに変換される。

図７に示した第２実施形態においては、接続手段１０２は、物体３の接続面３１上にロープ状に配置されている。その他の点については、上述した第１実施形態の場合と同様である。

図８に示した第３実施形態においては、接続手段２０２は、物体３の接続面３１上にドット状に配置されている。その他の点については、上述した第１実施形態の場合と同様である。

以上に説明した本発明の方法については、種々の変形が可能である。ここで特に強調したいことは、接続手段２、１０２、または２０２を、最初に、物体３の接続面３１ではなく、物体１の接続面１１上に配置してもよい、ということである。

接続手段により２つの物体を接続する、第１実施形態に係る方法を示している。接続手段は、平面状に配置されている。 図１に示した２つの物体を、摩擦溶接により接続する工程を示している。 一方の物体を平面に平行に直線移動させることによる摩擦溶接を示している。 一方の物体を平面に平行に円移動させることによる摩擦溶接を示している。 一方の物体を平面に平行に楕円移動させることによる摩擦溶接を示している。 第１実施形態に係る接続方法の接続工程を、接続手段の温度およびそこに作用する圧力とともに示すグラフである。 ロープ状に配置された接続手段により２つの物体を接続する、第２実施形態に係る方法を示している。 ドット状に配置された接続手段により２つの物体を接続する、第３実施形態に係る方法を示している。

Claims (14)

1. ２つの物体（１、３）を接続する方法であって、
   当該方法は、接続されるべき物体（１、３）の接続面（１１、３１）間に接続手段（２、１０２、２０２）を配置し、
   接続面（１１、３１）とその間に横たわる接続手段（２、１０２、２０２）とを一体に保持して、少なくとも一方の物体を機械的に刺激して摩擦および摩擦熱を生じさせるものであり、
   接続手段（２、１０２、２０２）は、摩擦熱でデュロプラスチックに変換される、架橋可能なポリマー、または重合化および架橋化が可能な樹脂を少なくとも１つを含んでいることを特徴とする、方法。
2. 重合化および架橋化が可能な樹脂が使用され、そのデュロプラスチックへの変換は、重縮合または重付加によってもたらされる、請求項１記載の方法。
3. 上記ポリマーまたは樹脂は、初期重合、特に初期縮合されている、請求項１または２記載の方法。
4. 上記樹脂または少なくとも１つの樹脂が、ユリアホルムアルデヒド樹脂、メラミンホルムアルデヒド樹脂、メラミンユリアホルムアルデヒド樹脂、メラミンユリアフェノールホルムアルデヒド樹脂、フェノールホルムアルデヒド樹脂、レソルシンホルムアルデヒド樹脂、架橋可能なイソシアネートジオール樹脂、またはこれらの樹脂の２または３以上を混合した樹脂であることを特徴とする、請求項１〜３のいずれか１つに記載の方法。
5. 上記樹脂または少なくとも１つの樹脂が、エポキシ樹脂、または架橋可能なポリウレタンに重合可能な樹脂であり、または
   上記ポリマーまたは少なくとも１のポリマーが、架橋可能なポリウレタンであることを特徴とする、請求項１〜４のいずれか１つに記載の方法。
6. 上記接続手段（２、１０２、２０２）は、硬化剤（好ましくは、塩化アンモニウムまたは硫酸アンモニウム）、反応抑制剤（好ましくは、アンモニアまたはアンモニウム塩溶液）、および（または）充填および増量手段（好ましくは、石粉、木粉またはホイート粉）を含んでいることを特徴とする、請求項１〜５のいずれか１つに記載の方法。
7. 上記接続手段（２、１０２、２０２）は、上記接続面（１１、３１）の一方の上に、液体、ペースト、または粉体として提供されることを特徴とする、請求項１〜６のいずれか１つに記載の方法。
8. 上記接続手段（２、１０２、２０２）内の少なくとも１のポリマーまたは樹脂は、平坦またはロープ状の物体（特に、紙またはフリース）内に含浸されていることを特徴とする、請求項１〜６のいずれか１つに記載の方法。
9. 上記接続手段（２、１０２、２０２）は、一方の物体（１、３）に対して、当該物体の一要素としてその接続面（１１、３１）上に一体的に構成されていることを特徴とする、請求項１〜６のいずれか１つに記載の方法。
10. 少なくとも一方の物体（１、３）に対する上記機械的な刺激は、その後、遅くとも、ポリマーまたは樹脂の少なくとも１つのデュロプラスチックへの変換が完了するときまでに停止されることを特徴とする、請求項１〜９のいずれか１つに記載の方法。
11. 少なくとも一方の物体（１、３）に対する上記機械的な刺激が行われている間、接続されるべき接続面（１１、３１）が相対的に面平行に、好ましくは円状に、直線的に、または楕円状に移動させられることを特徴とする、請求項１〜１０のいずれか１つに記載の方法。
12. 上記接続面（１１、３１）およびその間に横たわる接続手段（２、１０２、２０２）は、上記機械的刺激が行われている間、互いに圧接されていることを特徴とする、請求項１〜１１のいずれか１つに記載の方法。
13. 上記物体（１、３）の少なくとも一方が木製であり、木に対して化学的に結合可能な接続手段（２、１０２、２０２）が使用されていることを特徴とする、請求項１〜１２のいずれか１つに記載の方法。
14. 請求項１〜１３のいずれか１つに記載の方法で生成されたデュロプラスチックを介して連結されている、少なくとも２つの物体（１、３）からなる複合体。
    

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