JP2007112882A - レーザ溶着用樹脂組成物、該組成物を用いた樹脂部材および該樹脂部材の製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】本発明は、熱伝導率の高い樹脂材料を含むレーザー溶着用樹脂組成物において、熱伝導性の低い空隙を有する材料を添加することにより、レーザー溶着用樹脂組成物の熱伝導を低下させ、低照射エネルギーでレーザー溶着が可能な樹脂組成物を提供することを目的とする。
【解決手段】本発明の樹脂組成物は、熱可塑性樹脂および空隙を有する材料を含むレーザー溶着用樹脂組成物であり、空隙を有する材料は、例えば中空ガラスまたはシリカである。本発明は、この組成物を用いた成型品および該成型品の製造方法を提供する。
【選択図】図１

Description

本発明は、レーザー溶着用樹脂組成物、特に、熱可塑性樹脂および空隙を有する材料を含むレーザー溶着用樹脂組成物に関する。さらに本発明は、該組成物を用いた樹脂部材および該樹脂部材の製造方法に関する。

従来、合成樹脂材料同士を接合する手段として、超音波、振動、摩擦などにより熱を加えて溶着する物理的接合方法や、接着剤を用いる化学的接合方法が知られている。これらの方法に加えて、螺子などを用いる機械的接合方法などもある。近年は、これらの手段に加え、レーザー光を照射して合成樹脂材料を接合するレーザー溶着方法も注目を集めている。

例えば、特開昭６０−２１４９３１号公報および特開昭６２−１４２０９２号公報（特許文献１および２）には、一方がレーザーに対して透過性を有する異種の合成樹脂を密着させ、透過性を有する合成樹脂側からレーザーを照射して合成樹脂を接着する技術が開示されている。

このようなレーザーを照射して合成樹脂を接着する場合、合成樹脂によっては、レーザー照射による溶着が効率的に進行しない場合がある。このような場合、合成樹脂に種々の添加剤を添加して樹脂の特性を変化させることが行われている。

レーザー溶着溶樹脂組成物に対する添加剤を開示した文献には、例えば以下のようなものがある。

特開２００４−２５０６２１号公報（特許文献３）には、耐熱性、寸法安定性、レーザー溶着性が均衡して優れたレーザー溶着用樹脂材料が開示されている。特にこの文献では、上記の溶着用樹脂材料を用いた複合成形体を得ることにより、製品設計自由度を低下させることなく、金属に近い特性を有し、かつ、レーザー光線透過側成形体として適用することのできるレーザー溶着用樹脂材料を提供している。この樹脂材料は（Ａ）熱可塑性樹脂および（Ｂ）レーザー光を透過するフィラーの合計１００重量％に対して（Ａ）熱可塑性樹脂１〜７０重量％および（Ｂ）レーザー光を透過するフィラー９９〜３０重量％を含有する。この文献は、レーザー光を透過するフィラーをレーザー光透過側の成形体の樹脂組成物に含有させることにより、機械強度の向上とレーザー光の透過性の低減防止の両立を図っている。フィラーの材料としてはガラスなどが開示されている。

特開２００４−２６８４２７号公報（特許文献４）には、波長５００〜１２００ｎｍの光に対する透過率が１５〜８０％の第１の樹脂成形体と、ガラス充填材を含み、発泡成形により透過率を０．１〜１５％に調整した第２の樹脂成形体とからなる樹脂成形体が開示されている。この文献に記載の発明では、レーザー光を照射する側の第１の樹脂成形体については通常の光透過性の樹脂成形体を用い、レーザー光を吸収して発熱する側の第２の樹脂成形体についてはガラス充填材の添加と発泡とにより透過率を調整することによって、光透過性を維持した上で、レーザー光に対する良好な吸収性を付与し、レーザー溶着を可能にしたことが特徴である。よって、該レーザー溶着方法により得られる本発明の樹脂成形品は、第１及び第２の樹脂成形体がいずれも光透過性を有しており、第２の樹脂成形体に着色剤を添加せずに用いることができるため、樹脂の自然色の状態で得ることができる、というものである。

上記文献はいずれも、レーザー光透過側および吸収側の透過率に着目しているが、樹脂組成物やその成分の熱伝導率についての開示はない。
特開昭６０−２１４９３１号公報 特開昭６２−１４２０９２号公報 特開２００４−２５０６２１号公報 特開２００４−２６８４２７号公報

本発明は、低照射エネルギーでレーザー溶着が可能な樹脂組成物を提供することを目的とする。

本発明は、上記課題を解決するものであり、レーザー溶着用樹脂組成物において、熱伝導率の低い空隙を有する材料を添加して、レーザー溶着用樹脂組成物の熱伝導率を低下させることで、効率よくレーザー溶着が行えることを見いだしたことに基づく。

本発明は、熱可塑性樹脂および空隙を有する材料を含むレーザー溶着用樹脂組成物を提供する。さらに、本発明は、この樹脂組成物を準備する工程と、前記組成物を射出成形して樹脂部材を得る工程とを含むレーザー溶着用樹脂部材の製造方法を提供する。

上記組成物および製造方法では、前記空隙を有する材料は中空ガラスまたはシリカであることが好ましく、中空ガラスであることがより好ましい。本発明の組成物は、空隙を有する材料をレーザー溶着用樹脂組成物の全重量に対して１〜５０重量％含むことが好ましい。また、熱可塑性樹脂は、ポリオレフィン、ポリアセタール、およびポリエステルからなる群から選択されることが好ましい。

本発明には、上記製造方法により製造されるレーザー溶着用樹脂部材およびこのレーザー溶着用樹脂部材からなる自動車部品が包含される。

本発明のレーザー溶着用樹脂組成物は、中空ガラスまたはシリカなどの空隙を有する材料を含有することにより、樹脂部材に成形した場合にその熱伝導率を低下させ、効率的なレーザー溶着を可能とする。また、本発明の組成物を使用することで、少ないレーザーエネルギー照射量で高い溶着強度が得られる。従って、レーザー溶着の効率化やコストの削減が可能となる。

本発明は、熱可塑性樹脂および空隙を有する材料を含むレーザー溶着用樹脂組成物に関する。

本発明で用いられる熱可塑性樹脂は、レーザー溶着用組成物に使用可能な樹脂を使用することができる。好ましくは、比較的高い熱伝導率を有する樹脂が使用される。具体的には、例えば、０．０５〜０．６Ｗ／ｍ・Ｋ、好ましくは０．１〜０．４５Ｗ／ｍ・Ｋの熱伝導率を有する樹脂を使用することができる。高い熱伝導性を有する樹脂を用いた場合、空隙を有する材料による少ないレーザーエネルギーでの溶着に関して、より高い効果が得られる。熱伝導率は、ＪＩＳに記載などの公知の方法を用いて測定されうる。測定装置としては、市販されている装置を用いることができる。

本発明では、特に、ポリオレフィン、ポリエステル、ポリアセタールなどの熱可塑性樹脂を好適に使用することができる。これらの熱可塑性樹脂は、レーザー溶着に利用可能なものであれば特に限定されない。

これらの熱可塑性樹脂のより具体的な例には、例えば、ポリオレフィンでは、ポリプロピレン、ポリエチレン等を例に挙げることができる。ポリエステルとしては、脂肪族ポリエステルおよび芳香族ポリエステルが含まれる。例えば、脂肪族ポリエステルの例は、ポリε−カプロラクトン、ポリ乳酸、ポリブチレンサクシネート、ポリエチレンサクシネートであり、芳香族ポリエステルの例は、ポリエチレンテレフタレート、ポリブチレンテレフタレートである。また、ポリアセタールとしては、例えばポリオキシメチレンなどを挙げることができる。

熱可塑性樹脂は、融点の低いものを用いることができる。融点が低いと少ないレーザーエネルギーで融解するため、サイクルの短縮、低出力レーザー装置によるコスト減といった効果を得ることができる。

これらの熱可塑性樹脂は、本発明の組成物の全重量に基づいて、５０〜９９重量％、好ましくは７０〜９５重量％で本発明の組成物に含まれる。

本発明で用いられる空隙を有する材料は、熱伝導率が好ましくは２．５Ｗ／ｍ・Ｋ以下、より好ましくは１．０Ｗ／ｍ・Ｋ以下、さらに好ましくは０．３Ｗ／ｍ・Ｋ以下を有する物質から選択することができる。本発明では、このような熱伝導率を有する中空ガラスおよびシリカであることが好ましい。中空ガラス、シリカの形状は、上記熱伝導率を有する限り特に限定されない。中空ガラスの具体的例としては、例えば住友スリーエム（株）製、グラスバブルスＳ６０ＨＳなどを挙げることができる。また、シリカの具体例としては、例えば株式会社龍森製、シリカＭＳＲ−２０００を例として挙げることができる。シリカは、比重が１．８ｇ／ｃｍ^３〜２．３ｇ／ｃｍ^３の多孔質シリカであることが好ましい。また、シリカのタイプとしては、合成シリカや溶融シリカが挙げられる。

空隙を有する材料の形状は、強度維持の観点からは、空隙を有する球状・板状であることが好ましく、中空繊維状の形状を有することがより好ましい。さらには、空隙を有する材料は、樹脂との密着性を向上するために、シランカップリング材またはチタネート系カップリング材で表面処理されていることが好ましい。

空隙を有する材料の大きさは、物性維持の点から、球状の場合、平均粒径５〜５００μｍであることが好ましい。板状、繊維状の場合、厚み７μｍ〜５０μｍ、長さ１００μｍ〜２０００μｍであることが好ましい。平均粒径および長さは、繊維長分布測定器等によって測定されうる。

中空ガラスの材質については、剛性を高める観点からは、無機物であることが好ましい。また、レーザー溶着性の観点からは、透過側材料として利用される場合は無機ガラス（珪素酸化物）であることが好ましい。

空隙を有する材料は、本発明の組成物の全重量に基づいて、１〜５０重量％、好ましくは５〜３０重量％で本発明の組成物に含まれる。

本発明組成物には、上記成分に加えて、カーボンブラック、ニグロシン等の物質を添加することができる。これらの添加量は、本発明の組成物の全重量に基づいて、０．０５〜１重量％、好ましくは、０．１〜０．６重量％である。

本発明の組成物は、本発明の効果を損なわない限り任意の割合で他の成分を添加することができる。例えば、酸化防止剤や耐熱安定剤、耐候剤、離型剤及び滑剤、顔料、染料、結晶核剤、可塑剤、帯電防止剤、難燃剤、他の重合体などを添加することができる。

本発明の組成物は、原材料を任意の配合方法で配合することにより得られる。これらの配合成分は、通常、できるだけ均質化させることが好ましい。具体的には、樹脂組成物は、例えば、全ての原材料をブレンダー、ニーダー、バンバリーミキサー、ロール、単軸若しくは二軸押出機等の混合機で混合して均質化させて得ることができる。または、樹脂組成物は、一部の原材料を混合機で混合した後、残りの成分を加えて更に混合して均質化させて得ることもできる。または、樹脂組成物は、予めドライブレンドされた原材料を、加熱した押出機で溶融混練して均質化した後、針金状に押出し、次いで所望の長さに切断してペレットとして得ることもできる。

なお、本発明のレーザー溶着用樹脂組成物は、レーザー溶着用部材として成形する場合、レーザー透過側およびレーザー吸収側のいずれの部材の材料としても用いることができる。

次に、上記の樹脂組成物を用いた樹脂部材の製造方法について説明する。

本発明の製造方法は、上述の本発明の樹脂組成物を準備する工程と、前記組成物を射出成形して樹脂部材を得る工程とを含む。

レーザー溶着用樹脂組成物の成形は、通常行われる種々の手順により行い得る。例えば、本発明の樹脂組成物ペレットを用いて、射出成形機により成形することができる。本発明では、射出成形が好ましいが、押出成形、圧縮成形、発泡成形、ブロー成形、真空成形、インジェクションブロー成形、回転成形、カレンダー成形、溶液流延等、一般に行われる何れの成形方法を採用することもできる。このような成形により、種々の形状のレーザー溶着用樹脂部材を得ることができる。

本発明は、上記製造方法により製造されるレーザー溶着用樹脂部材を包含する。この樹脂部材は、レーザー光透過側部材および／またはレーザー光吸収側の部材として、レーザー溶着することにより、実用的な製品を与えることができる。例えば、電気・電子用途、自動車用途、一般雑貨用途、建築部材等に有用である。特に本発明では、自動車部品、例えばエンジンルーム内のモジュール部品、インテークマニホールド、アンダーフード部品、ラジエター部品、インパネなどに用いるコックピットモジュール部品に用いることができる。その他の用途としては、例えば、パソコン、液晶プロジェクター、モバイル機器、携帯電話等の電子部品に有用である。

本発明では、レーザー溶着が可能であれば樹脂部材の厚さは特に限定されないが、レーザー透過側部材の厚さ（溶着部分）は、好ましくは１０ｍｍ以下、より好ましくは０．５〜４ｍｍである。

本発明のレーザー溶着用樹脂部材を用いたレーザー溶着は、例えば以下のようにして行うことができる（図１参照）。図１（ａ）および（ｂ）は、本発明の一実施形態のレーザー溶着方法である。

図１（ａ）は溶着される樹脂部材（レーザー透過側部材１０２、レーザー吸収側部材１０４）を、段差部分を突き合わせて固定した様子を表す図であり、突き合わされる段差部分を１０６で表した。図１（ｂ）は溶着の様子を表した図である。図１の各符号は、第１の部材（レーザー透過側部材）１０２、第２の部材（レーザー吸収側部材）１０４、レーザー光照射部１０８、レーザー光をレーザー光源から導くための光ファイバ１１０、レーザー光照射部１０８の移動方向１１２、レーザー光１１４、および溶接される部分１１６を表す。なお、第１の部材および第２の部材は、これらを固定するための固定手段（図示せず）により固定される。

溶接される第１の部材１０２および第２の部材１０４を台座（図示せず）に適切な固定手段（例えば、クランプ、空気圧で第１および第２の部材の厚み方向に圧力をかけて固定する手段など）により所望の部位で固定し、レーザー光照射部を溶着する部分の開始点にセットする。セッティングは、例えば走査経路などの情報がインプットされた産業用ロボットのアーム（図示せず）によって行われる。なお、第１の部材および第２の部材は、先に説明した本発明に係るレーザー溶着用樹脂組成物を使用する。

次に、レーザー光照射部１０８が、例えば産業用ロボットのアーム（図示せず）によって溶着部分１１６に沿って（例えば矢印１１２に沿って）走査されレーザー溶着が行われる。走査の速度は、溶着される材料によって変化するが、例えばポリプロピレン（ＰＰ）のようなポリオレフィン樹脂では、２００〜１０００ｃｍ／分の範囲の走査速度を使用することができる。また、レーザーの出力は、溶着する材料により種々変化するが、例えばポリプロピレン（ＰＰ）のようなポリオレフィン樹脂では、１０〜１８０Ｗの範囲の出力を使用することができる。

なお、図１では、直線状の溶着を説明したが、本方法はこれに限定されず、種々の形状の溶着が可能である。また、溶着される部材（第１の部材および第２の部材）は、図１に示されるような矩形である必要はなく、用途に応じて円形、円筒形、半球形などの種々の形態を取りうる。また、これらの部材は同じまたは異なる厚みを有していてもよく、それぞれ段差を設け、段差部分を互いに接触させて接触させた部分にレーザー光を照射することもできる。

また、上記の説明では、走査はレーザー光照射部１０８を移動することにより行ったが、台座を、例えばＸＹＺステージとして、台座を走査に合わせて稼働するようにしてもよい。

本発明のレーザー溶着で使用できるレーザー光源は、ＹＡＧレーザー（１０６４ｎｍ）、半導体レーザー（例えば、８０８ｎｍ、９４０ｎｍ、９８０ｎｍなどの近赤外領域の波長を有するもの）などである。

本発明を実施例によりさらに詳細に説明する。以下の実施例は、本発明の例示であり、本発明を制限することを意図するものではない。

実施例１ 熱可塑性樹脂として、ポリプロビレン（日本ポリプロ株式会社製、ノバテック ＰＰ ＭＡ３ＡＨ）を準備した。このポリプロピレンに、組成物の全重量に対する含有量が５重量％となるように中空ガラス（住友スリーエム株式会社製、グラスバブルス Ｓ６０ＨＳ）と０．６重量％のカーボンブラックを混合した。混合物を２軸押出機で溶融混練した後、ベレット化した。

射出成形機を用いて調製したペレットから樹脂部材を得た。樹脂部材１０４の形状は、図２（ａ）に示すように、段差部分１０６を有する短冊状の形状とした。樹脂部材の寸法は長さ８０ｍｍおよび幅１８ｍｍとした。厚みに関しては、全厚３ｍｍ、段差部分１０６の厚さ１．５ｍｍとした。

同様に、ポリプロピレン（日本ポリプロ株式会社製、ノバテック ＰＰ ＭＡ３ＡＨ）を用いた射出成形により、図２（ｂ）に示す樹脂部材を得た。樹脂部材１０２の寸法は長さ８０ｍｍおよび幅１８ｍｍとした。厚みに関しては、全厚３ｍｍ、段差部分１０６の厚さ１．５ｍｍとした。

得られた２枚の樹脂部材を、図２（ｃ）に示すように、段差部分で一直線上に重ね合わせ、空気圧で厚み方向に圧力をかけて固定した。ドイツロフィン−シナール製の半導体レーザー（波長９４０ｎｍ、焦点径３ｍｍ、最大出力５００Ｗ）を使用してレーザー溶着を行った。レーザーは、中空ガラスを有さない樹脂部材側から、樹脂部材の接触部分に向けて照射した。照射するレーザー出力（１０〜４０Ｗ）、または走査速度（３〜７ｃｍ／秒）を変化（本明細書では異なるレーザー照射条件と称する）させて、種々のサンプルを得た。

異なるレーザー照射条件で溶着されたサンプルについて、島津製作所製引張り試験機を用いて、引張り速度２ｍｍ／分で、せん断引張り強度を測定した。レーザーエネルギー量と、せん断引張り強度との関係を調査した。せん断引張強度が最大値を１００とした場合に、レーザーエネルギー量を減らす方向に関して、せん断引張強度が９０となるレーザーエネルギー量（Ｆ_９０）を求めた。せん断引張強度が９０となるレーザーエネルギー量が小さいほど、少ないレーザーエネルギー量で最大値に近いせん断引張り強度が得られることになる。中空ガラスを５ｗｔ％導入した系においては、Ｆ_９０は０．１０Ｊ／ｍｍ^２であった。結果を表１に示す。

実施例２
中空ガラスの含有量を、組成物の全重量に対して１５重量％とした以外は、実施例１と同様にして種々のサンプルを得た。異なるレーザー照射条件で溶着されたサンプルについて、実施例１と同様にして、せん断引張り強度を測定した。中空ガラスを１５ｗｔ％導入した系においては、Ｆ_９０は０．０８Ｊ／ｍｍ^２であった。結果を表１に示す。

実施例３
中空ガラスの含有量を、組成物の全重量に対して３０重量％とした以外は、実施例１と同様にして種々のサンプルを得た。異なるレーザー照射条件で溶着されたサンプルについて、実施例１と同様にして、せん断引張り強度を測定した。中空ガラスを３０ｗｔ％導入した系においては、Ｆ_９０は０．０６Ｊ／ｍｍ^２であった。結果を表１に示す。

実施例４
中空ガラスの代わりにシリカ（株式会社龍森製、シリカＭＳＲ−２０００）を、組成物の全重量に対して２０重量％配合した以外は、実施例１と同様にして種々のサンプルを得た。異なるレーザー照射条件で溶着されたサンプルについて、実施例１と同様にして、せん断引張り強度を測定した。シリカを２０ｗｔ％導入した系においては、Ｆ_９０は０．１０Ｊ／ｍｍ^２であった。結果を表１に示す。

比較例１ 中空ガラスを添加しない以外は、実施例１と同様にして種々のサンプルを得た。異なるレーザー照射条件で溶着されたサンプルについて、実施例１と同様にして、せん断引張り強度を測定した。添加剤を導入しない系においては、Ｆ_９０は０．１２Ｊ／ｍｍ^２であった。結果を表１に示す。

上述のように、中空ガラスまたはシリカを添加した場合、より低いレーザーエネルギーで、最大強度に近い溶着強度が得られる。つまり、本発明によって、レーザー溶着の際に照射されるレーザーエネルギー量に関する自由度が高まる。少ないレーザーエネルギー照射量で高い溶着強度が得られる場合には、レーザー溶着の効率化やコスト削減が図れる。

（ａ）はレーザー溶着用部材の一具体例を示す図であり、（ｂ）は、本発明の組成物を使用するレーザー溶着の手順を説明するための図である。 （ａ）は実施例で使用したレーザー溶着用部材を示す図であり、（ｂ）は、実施例におけるレーザー溶着の手順を説明するための図である。

符号の説明

１０２ レーザー透過側部材
１０４ レーザー吸収側部材
１０４ 部材
１０８ レーザー光照射部
１１０ 光ファイバ
１１２ 移動方向
１１４ レーザー光
１１６ 溶着部分

Claims (12)

1. 熱可塑性樹脂、および空隙を有する材料を含むレーザー溶着用樹脂組成物。
2. 前記空隙を有する材料は中空ガラスまたはシリカである、請求項１に記載の樹脂組成物。
3. 前記空隙を有する材料は中空ガラスである請求項１に記載の樹脂組成物。
4. 前記空隙を有する材料はレーザー溶着用樹脂組成物の全重量に対して１〜５０重量％含まれる請求項１に記載の樹脂組成物。
5. 前記熱可塑性樹脂は、ポリオレフィン、ポリアセタール、およびポリエステルからなる群から選択される請求項１に記載の樹脂組成物。
6. 熱可塑性樹脂および空隙を有する材料を含むレーザー溶着用樹脂組成物を準備する工程と、
   前記組成物を射出成形して樹脂部材を得る工程と
   を含む、レーザー溶着用樹脂部材の製造方法。
7. 前記空隙を有する材料は中空ガラスまたはシリカである請求項６に記載の製造方法。
8. 前記空隙を有する材料は中空ガラスである請求項７に記載の製造方法。
9. 前記空隙を有する材料は、前記樹脂組成物の全重量に対して１〜５０重量％含まれる請求項６に記載の製造方法。
10. 前記熱可塑性樹脂は、ポリオレフィン、ポリアセタール、およびポリエステルからなる群から選択される請求項６に記載の製造方法。
11. 請求項６から１０のいずれか１項に記載の製造方法により製造されるレーザー溶着用樹脂部材。
12. 請求項１１に記載のレーザー溶着用樹脂部材からなる自動車部品。
    

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