JP2011026457A - 溶剤型エポキシ接着剤及び接着方法 - Google Patents
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Landscapes
- Adhesives Or Adhesive Processes (AREA)
Abstract
【解決手段】硬化剤としてジシアンジアミド粉体、硬化助剤として2−フェニルイミダゾールを使用し、溶剤としてケトン系溶剤であるメチルイソブチルケトン(MIBK)を使用する。MIBKに溶解しないジシアンジアミド粉体をサンドグラインドミルによって接着剤中に分散させることで、早期に沈殿分離するのを防止する。これをNATの条件に適合する金属合金表面に噴霧し、溶剤成分を揮発させた後に染み込まし処理を行い、接着剤成分を超微細凹凸に侵入させる。その後、当該金属合金表面に被着材を固定して加熱し、接着剤成分を硬化させる。
【選択図】なし
Description
(2)第2の条件は、上記ミクロンオーダーの粗度を有する金属合金表面に、さらに5nm周期以上の超微細凹凸が形成されていることである。当該条件を具備するために、上記金属合金表面に微細エッチングを行い、前述のミクロンオーダーの粗度をなす凹部内壁面に5〜500nm、好ましくは10〜300nm、より好ましくは30〜100nm(最適値は50〜70nm)周期の超微細凹凸を形成する。
(3)第3の条件は、上記金属合金の表層がセラミック質であることである。具体的には、元来耐食性のある金属合金種に関しては、その表層が自然酸化層レベルかそれ以上の厚さの金属酸化物層であることを要し、耐食性が比較的低い金属合金種(例えばマグネシウム合金や一般鋼材等)では、その表層が化成処理等によって生成した金属酸化物又は金属リン酸化物の薄層であることが第3の条件となる。
本発明の1液性エポキシ接着剤に関して、以下詳述する。標準的なエポキシ接着剤は、エポキシ樹脂、硬化剤、及び無機充填材の3成分を少なくとも含んでいる。本発明の1液性エポキシ接着剤では、この他に硬化助剤、超微細無機充填材、熱可塑性樹脂粉体、及びケトン系溶剤を含む。
多種のエポキシ接着剤が市販されているが、エポキシ接着剤の原料は容易に市中から入手できるので自作も可能である。例えば接着剤の原料となるエポキシ樹脂として、ビスフェノール型エポキシ樹脂、多官能ポリフェノール型エポキシ樹脂、脂環型エポキシ樹脂等が市販されている。また、エポキシ基が多官能の化合物(例えば複数の水酸基やアミノ基を有する多官能化合物やオリゴマー等)と結合した多官能エポキシ樹脂も多種市販されている。通常、これらを適当に混ぜ合わせて使用する。
エポキシ樹脂の用途は接着剤用としてはむしろ少なく、CFRPやガラエポのマトリックス樹脂として多く使用される。その他に、半導体の封止用樹脂としても多用されており、また、電子部品を湿気や水分から守るための注型材としても使用されている。それ故、数十種類のエポキシ樹脂が専門メーカーから市販されている。本発明者らは以下に示す代表的なエポキシ樹脂を購入した。
これの粘度は25℃で120〜150Pである。
(2)ビスフェノールA型エポキシ樹脂オリゴマーであって分子量が1000以上の「JER1004(ジャパンエポキシレジン株式会社製)」
これの粘度は25℃でQ〜U(ガードナーホルト粘度)である。
(3)3個以上のエポキシ基を有する多官能型のフェノール樹脂型エポキシ樹脂「JER154(ジャパンエポキシレジン株式会社製)」
これの粘度は52℃で350〜650Pである。
(4)3個以上のエポキシ基を有する多官能型であり、芳香環を有するがフェノール樹脂型でなく、且つ常温で液状のエポキシ樹脂「JER630(ジャパンエポキシレジン株式会社製)」
これの粘度は25℃で5〜10Pである。
32≧c+d≧15 −式(ii)
22≧b≧5 −式(iii)
d≧7 −式(iv)
95≧a+d≧68 −式(v)
30≧c+d≧18 −式(vi)
22≧b≧5 −式(vii)
d≧10 −式(viii)
硬化剤について述べる。1液性エポキシ接着剤と2液性エポキシ接着剤の違いは使用する硬化剤の違いによる。本発明は1液性エポキシ接着剤に関するものである。NATの条件に適合する金属合金表面において、超微細凹凸に接着剤を侵入させようとした場合、2液性エポキシ接着剤では超微細凹凸に侵入する前にゲル化が開始される可能性が高い。ゲル化によって高分子量の巨大分子が増えた後では超微細凹凸に侵入させることが困難である。それ故、NATの表面形状を十分に活用して高い接着力を確保するには1液性エポキシ接着剤の使用が好ましい。1液性エポキシ接着剤の場合、硬化剤として最もよく使用されるのが脂肪族アミン類以外のアミン類や広義のアミン系化合物である。具体的にはジシアンジアミド、芳香族ジアミン類であり、これらはCFRP用マトリックス樹脂としても使用されている。その他には酸無水物類、フェノール樹脂もある。エポキシ樹脂に硬化剤を添加し、混合混練して1液性エポキシ接着剤とすると常温下においては液状物となり、常温(夏場以外)で1ヶ月間は保管できる。また、冷蔵状態であれば1年程度は保管できる。
ジシアンジアミド粉体を単独で硬化剤としてエポキシ樹脂に添加した場合、完全硬化させるためには170℃で1時間以上加熱することが必要であり、硬化条件が厳しい。この硬化温度では、接着剤を硬化させるための設備を簡素化することが困難となる。従って、硬化助剤を使用することによって、より低温(110〜120℃程度)での硬化を図ることとした。
本発明らは、上述したように当初は硬化温度を低下させることを目的として硬化助剤を選択したが、結果として、前述した4つの硬化助剤(i)3−(3,4−ジクロルフェニル)−1,1−ジメチルウレア、(ii)N,N’−ジメチルピペラジン、(iii)2−メチルイミダゾール、及び(iv)2−フェニルイミダゾールのいずれを使用した場合であっても、硬化助剤を使用しない場合と比較して常温下における接着力が劇的に向上するという効果があった。
1液性エポキシ接着剤は通常、前述のエポキシ樹脂と硬化剤の他に、少なくとも無機充填材を含む。無機充填材が担う役割を以下に示す。接着剤硬化物層が破壊に至る経緯は、応力が集中している領域近辺の強度の弱い部分で微小な局所破壊が最初に起こり、この局所破壊が隣接する微小部分の応力集中を高めて局所破壊の連鎖が生じることにある。この局所破壊の連鎖は拡大し、破壊部の大きさは微小でなくなり大きなヒビとなり、最終的に完全破壊、即ち接着対象同士の破断に至る。実際、接着剤硬化物層の強度は全ての領域で同一ということはない。従って、仮に局所破壊が連鎖し易ければ容易に完全破壊に至る。それ故、完全破壊は接着剤硬化物層の強度の弱い部分における当該強度で決まることになる。このことことから、局所破壊が起こったとしても、これが連鎖しないようにすれば結果的に接着力は向上することになる。
本発明者らは、以下の実験例においてタルク(接着剤1〜9)又はアルミニウム合金粉体(接着剤10)を無機充填材として添加した1液性エポキシ接着剤を作成した。特に、純アルミニウムに近いアルミニウム合金、例えばアルミニウムが99.0質量%以上を占めるのようなもの(1050、1080、1100等の1000番台のもの)は、他のアルミニウム合金と比較して柔らかいという特徴を有する。金属の結晶粒径は焼入れ及び焼き鈍し等の熱履歴で大きく変わり、同時に硬度も大きく変化する。高純度金属は一般に結晶粒径が大きく、熱履歴によって結晶粒径は変化するものの全般に硬度が低い。かかる点から本発明者らは、柔らかい純アルミニウム系アルミニウム合金粉体であれば、タルク以上の効果を奏しうると予期した。
超微細無機充填材とは粒径が100nm以下の超微細な無機物粉体である。本発明者らは、1液性エポキシ接着剤に超微細無機充填材を添加することで高温下での接着力が向上する場合があることを発見した。NATの条件に適合する表面とした金属合金同士を超微細無機充填材(ヒュームドシリカ)添加の1液性エポキシ接着剤によって接着させた場合、常温下での接着力は超微細無機充填材を添加していない接着剤と同等であったが、100℃以上の高温下での接着力は明確に向上した。一方で、CFRP部材同士を接着させる場合、又は脱脂処理のみを施した金属合金同士を接着させるような場合には、1液性エポキシ接着剤に超微細無機充填材を添加する効果は殆ど認められない。
本発明では、1液性エポキシ接着剤に、熱可塑性樹脂粉体としてエラストマー成分を添加した。少なくとも接着剤にエラストマー成分を添加することで、常温下及び高温下において接着力が大きく低下することはなかった。また、硬化条件に影響を与えることもなかった。しかし接着対象及び接着物がおかれる環境によっては、このようなエラストマー成分の添加が必要な場面がある。例えば、変形し易い金属合金同士を接着する場合にはエラストマー成分の添加が好ましい。また、振動や衝撃が加わる環境下で使用される接着物については、接着剤の弾性化は全体としての性能向上に寄与する。そのため、少なくとも接着力が低下しないという事実は重要である。
本発明の1液性エポキシ接着剤に含めるケトン系溶剤としては、アセトン、MEK、MIBK等を使用できるが、特にMEK、MIBKが適している。アセトンも使用できるが、ジシアンジアミドの溶解度がMEK、MIBKより僅かに高いためゲル化が進む可能性があり、完成した1液性エポキシ接着剤は常温以下で保管する必要がある。ケトン系溶剤は、エポキシ樹脂100質量部に対して30質量部以上使用できる。噴霧器の能力や、得られる接着剤の粘度によって添加量を調整する。本発明者らが作成した1液性エポキシ接着剤の組成であれば、エポキシ樹脂100質量部に対してケトン系溶剤30質量部以上を添加することで、通常の噴霧器によって噴霧可能となる。
溶剤としてMIBKを使用した1液性エポキシ接着剤の作成方法について説明する。但し、作成方法は以下に示す方法に限られるものではない。先ず、選択した各種エポキシ樹脂を大型ビーカーに取って、そのビーカーを熱風乾燥機に入れ、140〜170℃に加熱し、各種エポキシ樹脂をガラス棒で攪拌して溶解させつつ均一化する。さらに、このエポキシ樹脂の混合物にMIBKを混合し、溶解させて透明な低粘度の混合液とする。次いで、この混合液をサンドグラインドミルに充填する。さらに混合液を循環させつつ湿式粉砕処理を開始し、この状態で順次充填材を添加して分散を進める。即ち、無機充填材、超微細無機充填材、及び熱可塑性樹脂粉体を添加する。超微細無機充填材を添加した後、添加後に15〜30分は粉砕を続けた方がよい。その後、硬化剤であるジシアンジアミド粉体を添加し、湿式粉砕処理を10分以上続けてジシアンジアミド粉体の破壊及び分散を行った後、混合液をサンドグラインドミルから回収する。この混合液は低粘度であり、粉砕室を水冷しておけばサンドグラインド内でゲル化が生じることはない。
本発明の溶剤型エポキシ接着剤は、接着対象を特に限定するものではない。しかし、本発明者らが開発した無溶剤型の1液性エポキシ接着剤は、接着対象がNATの条件に適合する金属合金である場合に極めて高い接着力を発揮するものであったため、これとの比較を行う上で同じ接着対象を選択した。
前述の「NAT」に基づく表面構造を具備する金属合金としては、理論上特にその種類に制限はない。しかし、実際に「NAT」を適用できるのは、硬質で実用的な金属合金である。本発明者等は、アルミニウム、マグネシウム、銅、チタン、及び鉄を主成分とする金属合金種に関して「NAT」が適用可能であることを確認した。特許文献1にアルミニウム合金に関する記載をした。特許文献2にマグネシウム合金に関する記載をした。特許文献3に銅合金に関する記載をした。特許文献4にチタン合金に関する記載をした。特許文献5にステンレス鋼に関する記載をした。特許文献6に一般鋼材に関する記載をした。しかし、「NAT」ではアンカー効果により接着力の向上を図っているので、少なくともこれらの金属合金種に限定されるものではない。以下、金属合金表面を「NAT」の条件に適合する表面構造とするための表面処理工程について述べる。
この表面処理工程における化学エッチングは、金属合金表面にミクロンオーダーの粗度を生じさせることを目的とする。腐食には全面腐食、孔食、疲労腐食など種類があるが、その金属合金に対して全面腐食を生じる薬品種を選んで試行錯誤し、適当なエッチング剤を選ぶことができる。文献記録(例えば「化学工学便覧(化学工学協会編集)」)によれば、アルミニウム合金は塩基性水溶液、マグネシウム合金は酸性水溶液、ステンレス鋼や一般鋼材全般は、塩酸等ハロゲン化水素酸、亜硫酸、硫酸、これらの塩、等の水溶液で全面腐食するとの記録がある。
また上記表面処理工程における微細エッチングは、金属合金表面に超微細凹凸を形成することを目的とする。また本発明における表面硬化処理は、金属合金の表層を金属酸化物又は金属リン酸化物の薄層とすることを目的とする。金属合金種によっては前記化学エッチングを行っただけで同時にナノオーダーの微細エッチングもなされ、超微細凹凸が形成される場合がある。さらに、金属合金種によっては表面の自然酸化層が元よりも厚くなって表面硬化処理も完了している場合もある。例えば、純チタン系のチタン合金は化学エッチングだけを行うことで、表面がミクロンオーダーの粗度を有し、且つ超微細凹凸も形成される。即ち、化学エッチングと併せて微細エッチングもなされる。しかし、多くは化学エッチングによりミクロンオーダーの大きな凹凸面を作った後で微細エッチングや表面硬化処理を行う必要がある。
接着対象がNATの条件に適合する表面を有する金属合金である場合、その表面の必要箇所に上記1液性エポキシ系接着剤を塗布する。本発明の溶剤型エポキシ接着剤をスプレーガン等の噴霧器に取り、塗装と同様にして金属合金表面の必要箇所に噴霧し、薄い接着剤層(塗装膜)を形成する。その後、約50℃の温風下に30分程度放置して溶剤を揮発させる。次いでオートクレーブに金属合金を入れ、内部を70〜80℃に昇温してから真空近く(100mmHg以下であり、好ましくは30mmHg)まで減圧する操作を行うのが好ましい。減圧させた状態に数十秒以上おいた後に常圧に戻してオートクレーブから取り出す。この一連の操作を染み込まし処理という。染み込まし処理において、この減圧/常圧戻しを複数回繰り返すことがさらに好ましい。金属合金を70〜80℃にすることで溶剤が完全に揮発したとしても、残ったエポキシ接着剤の粘度は50P以下の低粘度になるので、減圧/常圧戻しによってエポキシ接着剤は金属合金表面の超微細凹凸に侵入し得る。
以下、本発明の溶剤型エポキシ接着剤を使用した接着実験の結果を示す。
(a)X線表面観察(XPS観察)
数μm径の表面を深さ1〜2nmまでの範囲で構成元素を観察する形式のESCA「AXIS−Nova(クレイトス(米国)/株式会社 島津製作所(日本国京都府)製)」を使用した。
(b)電子顕微鏡観察
SEM型の電子顕微鏡「S−4800(株式会社 日立製作所製)」及び「JSM−6700F(日本電子株式会社(日本国東京都)製)」を使用し1〜2KVにて観察した。
(c)走査型プローブ顕微鏡観察
ダイナミックフォース型の走査型プローブ顕微鏡「SPM−9600(株式会社 島津製作所製)」を使用した。
(d)X線回折分析(XRD分析)
「XRD−6100(株式会社 島津製作所製)」を使用した。
(e)複合体の接合強度の測定
引っ張り試験機「AG−10kNX(株式会社 島津製作所製)」を使用し、引っ張り速度10mm/分でせん断破断力を測定した。
(f)充填材の分散(湿式粉砕機の使用)
直径0.1〜0.5mmのジルコニアビーズをサンドとするサンドグラインドミル「ミニツエア(アシザワ・ファインテック株式会社製)」を使用した。
次に金属合金の表面処理について説明する。
市販の厚さ3mmのアルミニウム合金板材「A7075」を入手し、切断して45mm×18mmの長方形のA7075片を多数作成した。槽の水に市販のアルミニウム合金用脱脂剤「NE−6(メルテックス株式会社(日本国東京都)製)」を投入して濃度7.5%の水溶液(60℃)とした。これに前記A7075片を7分浸漬し、よく水洗した。続いて別の槽に1%濃度の塩酸水溶液(40℃)を用意し、これに前記A7075片を1分浸漬してよく水洗した。次いで別の槽に1.5%濃度の苛性ソーダ水溶液(40℃)を用意し、これに前記A7075片を4分浸漬してよく水洗した。続いて別の槽に3%濃度の硝酸水溶液(40℃)を用意し、これに前記A7075片を1分浸漬し、水洗した。次いで別の槽に一水和ヒドラジンを3.5%含む水溶液(60℃)を用意し、これに前記A7075片を2分浸漬し、水洗した。次いで5%濃度の過酸化水素水溶液(40℃)を用意し、これに前記A7075片を5分浸漬し、水洗した。次いで前記A7075片を、67℃にした温風乾燥機に15分入れて乾燥した。
市販の厚さ1.6mmのアルミニウム合金板材「A5052」を入手し、切断して45mm×18mmの長方形のA5052片を多数作成した。槽の水に市販のアルミニウム合金用脱脂剤「NE−6」を投入して濃度7.5%の水溶液(60℃)とした。これに前記A5052片を7分浸漬し、よく水洗した。続いて別の槽に1%濃度の塩酸水溶液(40℃)を用意し、これに前記A5052片を1分浸漬してよく水洗した。次いで別の槽に1.5%濃度の苛性ソーダ水溶液(40℃)を用意し、これに前記A5052片を2分浸漬してよく水洗した。続いて別の槽に3%濃度の硝酸水溶液(40℃)を用意し、これに前記A5052片を1分浸漬し、水洗した。次いで別の槽に一水和ヒドラジンを3.5%含む水溶液(60℃)を用意し、これに前記A5052片を2分浸漬し、水洗した。次いで前記A5052片を、67℃にした温風乾燥機に15分入れて乾燥した。
市販の厚さ1mmのマグネシウム合金板材「AZ31B」を入手し、切断して45mm×18mmの長方形のAZ31B片を多数作成した。槽の水に市販のマグネシウム合金用脱脂剤「クリーナー160(メルテックス株式会社製)」を投入して濃度7.5%の水溶液(65℃)とした。これに前記AZ31B片を5分浸漬し、よく水洗した。続いて別の槽に1%濃度の水和クエン酸水溶液(40℃)を用意し、これに前記AZ31B片を6分浸漬してよく水洗した。次いで別の槽に1%濃度の炭酸ナトリウムと1%濃度の炭酸水素ナトリウムを含む水溶液(65℃)を用意し、これに前記AZ31B片を5分浸漬してよく水洗した。続いて別の槽に15%濃度の苛性ソーダ水溶液(65℃)を用意し、これに前記AZ31B片を5分浸漬し、水洗した。次いで別の槽に0.25%濃度の水和クエン酸水溶液(40℃)を用意し、これに前記AZ31B片を1分浸漬して水洗した。次いで過マンガン酸カリを2%、酢酸を1%、水和酢酸ナトリウムを0.5%含む水溶液(45℃)を用意し、これに前記AZ31B片を1分浸漬し、15秒水洗した。次いで前記AZ31B片を、90℃にした温風乾燥機に15分入れて乾燥した。
市販の厚さ1.4mmの純銅系銅合金であるタフピッチ銅板材「C1100」を入手し、切断して45mm×18mmの長方形のC1100片を多数作成した。槽に市販のアルミニウム合金用脱脂剤「NE−6」を7.5%含む水溶液(60℃)を用意し、これに前記C1100片を5分浸漬して水洗した。次いで1.5%濃度の苛性ソーダ水溶液(40℃)に前記C1100片を1分浸漬して水洗することで予備塩基洗浄した。次いで銅合金用エッチング材「CB−5002(メック株式会社(日本国兵庫県)製)」を20%、30%過酸化水素を18%含む水溶液(25℃)をエッチング用水溶液として用意し、これに前記C1100片をを10分浸漬し、水洗した。次いで別の槽に苛性ソーダを10%、亜塩素酸ナトリウムを5%含む水溶液(65℃)を酸化用水溶液として用意し、これに前記C1100片を1分浸漬してよく水洗した。次いで、前記C1100片を再び前記エッチング用水溶液に1分浸漬して水洗した後、前記酸化用水溶液に1分浸漬し、よく水洗した。その後、前記C1100片を、90℃とした温風乾燥機に15分入れて乾燥した。
市販の厚さ1mmのリン青銅板材「C5191」を入手し、切断して45mm×18mmの長方形のC5191片を多数作成した。槽に市販のアルミ合金用脱脂剤「NE−6」を7.5%含む水溶液(60℃)を用意し、これを脱脂用水溶液とした。この脱脂用水溶液に前記C5191片を5分浸漬して脱脂し、よく水洗した。続いて別の槽に銅合金用エッチング材「CB−5002」を20%分、30%過酸化水素水を18%分含む水溶液(25℃)をエッチング用水溶液として用意し、これに前記C5191片を15分浸漬し、水洗した。次いで別の槽に苛性ソーダを10%、亜塩素酸ナトリウムを5%含む水溶液(65℃)を酸化用水溶液として用意し、これに前記C5191片を1分浸漬してよく水洗した。次いで、前記C5191片を再び前記エッチング用水溶液に1分浸漬して水洗した後、前記酸化用水溶液に1分浸漬し、水洗した。その後、前記C5191片を、90℃にした温風乾燥機に15分入れて乾燥した。
市販の厚さ1mmの鉄含有銅合金板材「KFC(株式会社 神戸製鋼所製)」を入手し、切断して45mm×18mmの長方形のKFC片を多数作成した。槽に市販のアルミニウム合金用脱脂剤「NE−6」を7.5%含む水溶液(60℃)を用意し、これに前記KFC片を5分浸漬し、水洗した。次いで1.5%濃度の苛性ソーダ水溶液(40℃)に前記KFC片を1分浸漬して水洗することで予備塩基洗浄した。次いで銅合金用エッチング材「CB5002」を20%分、30%過酸化水素水を18%分含む水溶液(25℃)をエッチング用水溶液として用意し、これに前記KFC片を8分浸漬し、水洗した。次いで別の槽に苛性ソーダを10%、亜塩素酸ナトリウムを5%含む水溶液(65℃)を酸化用水溶液として用意し、これに前記KFC片を1分浸漬してよく水洗した。次いで、前記KFC片を再び前記エッチング用水溶液に1分浸漬して水洗した後、前記酸化用水溶液に1分浸漬してよく水洗した。その後、前記KFC片を、90℃とした温風乾燥機に15分入れて乾燥した。
市販の厚さ0.4mmの特殊銅合金板材「KLF5(株式会社 神戸製鋼所製)」を入手し、切断して45mm×18mmの長方形のKLF5片を多数作成した。槽に市販のアルミニウム合金用脱脂剤「NE−6」を7.5%含む水溶液(60℃)を用意し、これに前記KLF5片を5分浸漬し、水洗した。次いで1.5%濃度の苛性ソーダ水溶液(40℃)に前記KLF5片を1分浸漬して水洗することで予備塩基洗浄した。次いで銅合金用エッチング材「CB5002」を20%分、30%過酸化水素水を18%分含む水溶液(25℃)をエッチング用水溶液として用意し、これに前記KLF5片を8分浸漬し、水洗した。次いで別の槽に苛性ソーダを10%、亜塩素酸ナトリウムを5%含む水溶液(65℃)を酸化用水溶液として用意し、これに前記KLF5片を1分浸漬してよく水洗した。次いで、前記KLF5片を再び前記エッチング用水溶液に1分浸漬して水洗した後、前記酸化用水溶液に1分浸漬してよく水洗した。その後、前記KLF5片を、90℃とした温風乾燥機に15分入れて乾燥した。
市販の厚さ1mmの純チタン型チタン合金板材「KS40(株式会社 神戸製鋼所製)」を入手し、切断して45mm×18mmの長方形のKS40片を多数作成した。槽に市販のアルミニウム合金用脱脂剤「NE−6」を7.5%含む水溶液(60℃)を用意し、これを脱脂用水溶液とした。この脱脂用水溶液に前記KS40片を5分浸漬して脱脂し、よく水洗した。次いで別の槽に1水素2弗化アンモニウムを40%含む万能エッチング材「KA−3(株式会社 金属化工技術研究所(日本国東京都)製)」を2%含む水溶液(60℃)を用意し、これに前記KS40片を3分浸漬し、イオン交換水でよく水洗した。次いで前記KS40片を3%濃度の硝酸水溶液に1分浸漬し、水洗した。その後、前記KS40片を、90℃とした温風乾燥機に15分入れて乾燥した。
市販の厚さ1mmのα−β型チタン合金板材「KSTi−9(株式会社 神戸製鋼所製)」を入手し、切断して45mm×18mmの長方形のKSTi−9片を多数作成した。槽に市販のアルミニウム合金用脱脂剤「NE−6」を7.5%含む水溶液(60℃)を用意し、これを脱脂用水溶液とした。この脱脂用水溶液に前記KSTi−9片を5分浸漬して脱脂し、よく水洗した。次いで別の槽に苛性ソーダ1.5%濃度の水溶液(40℃)を用意し、これに前記KSTi−9片を1分浸漬し、水洗した。次いで別の槽に、市販汎用エッチング試薬「KA−3」を2重量%溶解した水溶液(60℃)を用意し、これに前記KSTi−9片を3分浸漬し、イオン交換水でよく水洗した。このKSTi−9片には黒色のスマットが付着していたので、3%濃度の硝酸水溶液(40℃)に3分浸漬し、次いで超音波を効かしたイオン交換水に5分浸漬してスマットを落とし、再び3%硝酸水溶液に0.5分浸漬し、水洗した。次いで前記KSTi−9片を、90℃とした温風乾燥機に15分入れて乾燥した。乾燥後のKSTi−9片に金属光沢はなく暗褐色であった。
市販の厚さ1mmのステンレス鋼板材「SUS304」を入手し、切断して45mm×18mmの長方形のSUS304片を多数作成した。槽に市販のアルミニウム合金用脱脂剤「NE−6」を7.5%含む水溶液(60℃)を用意し、これを脱脂用水溶液とした。この脱脂用水溶液に前記SUS304片を5分浸漬して脱脂し、よく水洗した。続いて別の槽に1水素2弗化アンモニウムを1%と98%硫酸を5%含む水溶液(65℃)を用意し、これに前記SUS304片を4分浸漬し、イオン交換水でよく水洗した。次いで、前記SUS304片を、3%濃度の硝酸水溶液(40℃)に3分浸漬して水洗した。次いで前記SUS304片を、90℃とした温風乾燥機に15分入れて乾燥した。
市販の厚さ1.6mmの冷間圧延鋼板材「SPCC」を入手し、切断して45mm×18mmの長方形のSPCC片を多数作成した。槽にアルミニウム合金用脱脂剤「NE−6」を7.5%を含む水溶液(60℃)を用意し、これに前記SPCC片を5分浸漬して水道水(群馬県太田市)で水洗した。次いで別の槽に1.5%苛性ソーダ水溶液(40℃)を用意し、これに前記SPCC片を1分浸漬し、水洗した。次いで別の槽に98%硫酸を10%含む水溶液(50℃)を用意し、これに前記SPCC片を6分浸漬し、イオン交換水で十分に水洗した。次いで前記SPCC片を、1%濃度のアンモニア水(25℃)に1分浸漬して水洗した。次いで前記SPCC片を、2%濃度の過マンガン酸カリ、1%濃度の酢酸、及び0.5%濃度の水和酢酸ナトリウムを含む水溶液(45℃)に1分浸漬して十分に水洗した。その後、前記SPCC片を、90℃とした温風乾燥機内に15分入れて乾燥した。
市販の厚さ1.6mmの熱間圧延鋼材「SPHC」を入手し、切断して45mm×18mmの長方形のSPHC片を多数作成した。槽にアルミニウム合金用脱脂剤「NE−6」を7.5%を含む水溶液(60℃)を用意し、これに前記SPHC片を5分浸漬して水道水(群馬県太田市)で水洗した。次いで別の槽に1.5%苛性ソーダ水溶液(40℃)を用意し、これに前記SPHC片を1分浸漬し、水洗した。次いで別の槽に98%硫酸を10%と1水素2弗化アンモニウム1%を含む水溶液(65℃)を用意し、これに前記SPHC片を2分浸漬し、イオン交換水で十分に水洗した。次いで前記SPHC片を、1%濃度のアンモニア水(25℃)に1分浸漬して水洗した。次いで前記SPHC片を、80%正リン酸を1.5%、亜鉛華を0.21%、珪弗化ナトリウムを0.16%、塩基性炭酸ニッケルを0.23%含む水溶液(55℃)に1分浸漬して十分に水洗した。その後、前記SPHC片を、90℃とした温風乾燥機内に15分入れて乾燥した。
ビスフェノールA型エポキシ樹脂の単量体が主成分の分子量約370のエポキシ樹脂「JER828(ジャパンエポキシレジン株式会社製)」、固体である分子量約1600の多量体のビスフェノールA型エポキシ樹脂「JER1004(ジャパンエポキシレジン株式会社製)」、多官能型のフェノールノボラック型エポキシ樹脂「JER154(ジャパンエポキシレジン株式会社製)」、アニリン型の3官能エポキシ樹脂「JER630(ジャパンエポキシレジン株式会社製)」、平均粒径が十数μm程度のPES粉体「PES4100MP(住友化学株式会社製)」、平均粒径が8〜12μmの微粉タルク「ハイミクロンHE5(竹原化学工業株式会社(日本国兵庫県)製)」、ヒュームドシリカ「アエロジルR805(日本アエロジル株式会社製)」、エポキシ樹脂の硬化剤である微粉型ジシアンジアミド「DICY7(ジャパンエポキシレジン株式会社製)」、2−メチルイミダゾールの微粉「2MI(日本合成化学工業株式会社製)」、2−フェニルイミダゾールの顆粒「2PI(日本合成化学工業株式会社製)」、N,N’−ジメチルピペラジン「ジメチルピペラジン(昭和化学株式会社(日本国東京都)製)」、及び、3−(3,4−ジクロルフェニル)−1,1−ジメチルウレアの微粉「DCMU99(保土谷化学工業株式会社(日本国東京都)製)」を入手した。
「JER828」を400g(100質量部)使用して1液性エポキシ接着剤を作成した。直径0.3mmのジルコニアビーズを粉砕室容量の80%充填したサンドグラインドミル「ツエア(アシザワ・ファインテック株式会社製)」を用意し、その入口側に循環ポンプと撹拌機付きのオープンタンクを繋いだ。一方、サンドグラインドミルの出口はオープンタンクに開放した。「JER828」100質量部(400g)をオープンタンクに投入し、循環ポンプで粉砕室を完全に満たしてからミルの運転を開始した。ミルには水冷ラインがあるので通水を調整して粉砕室内が60℃以下になるようにした。ミル回転子の周速は11〜12m/秒とした。
「JER828」200質量部(800g)とMIBK100質量部(400g)をビーカー内で混合して均一化し、低粘度の混合液300質量部(1200g)を作成した。直径0.3mmのジルコニアビーズを粉砕室容量の80%充填したサンドグラインドミル「ツエア(アシザワ・ファインテック株式会社製)」を用意し、その入口側に循環ポンプと撹拌機付きのオープンタンクを繋いだ。一方、サンドグラインドミルの出口はオープンタンクに開放した。前記混合液のうち75質量部(300g)をオープンタンクに投入し、循環ポンプで粉砕室を完全に満たしてからミルの運転を開始した。ミルには水冷ラインがあるので通水を調整して粉砕室内が50℃以下になるようにした。ミル回転子の周速は11〜12m/秒とした。
実験例14に示した方法により作成した接着剤2(MIBK、A、PES、DICY)160質量部に対して、硬化助剤として3−(3,4−ジクロルフェニル)−1,1−ジメチルウレアの微粉「DCMU99」2質量部をよく混練した。この接着剤の名称を接着剤3(MIBK、A、PES、DICY、DCMU)とした。この接着剤の組成を表1に示す(実験例15)。
実験例1の表面処理を施したA7075片12枚に対して接着剤1(A、PES、DICY、DCMU)をヘラによって塗布した後、これらをデシケータに入れて蓋をした。このデシケータは予め温風乾燥機内で60℃に暖めておいたものである。その後、A7075片を入れたデシケータ内を真空ポンプで減圧し、3分ほど置いてから常圧に戻した。この減圧/常圧戻し操作を計3回行った(これは染み込まし処理である)。その後、A7075片をデシケータから取り出し、A7075片2枚の接着剤塗布範囲同士を密着させて対にする。その際、接着面積が0.6〜0.7cm2となるようにする。この対をクリップで固定し、図13に示す試験片の形状とした。このようにしてA7075片同士の対を6組作成した。熱風乾燥機内を90℃とし、これに対としたA7075片を入れて、5分加熱した。次いで、熱風乾燥機内を135℃に昇温し、135℃で40分加熱した。次いで、熱風乾燥機内を165℃に昇温し、165℃で20分加熱した。その後放冷してA7075片同士の接合体である試験片を6組得た。翌日に試験片を引っ張り試験機にかけて破断させた。この試験は常温下及び150℃下において、それぞれ3組の試験片に対して行った。その際のせん断破断力(3組の平均値)を表2に示す(実験例16)。
実験例1の表面処理を施したA7075片12枚を厚紙上に並列に配置し、これら全てのA7075片の接着剤塗布領域以外を別の厚紙によって覆った。これにより接着剤塗布領域のみが表出した状態となっている。その後、これらの接着剤塗布領域に、噴霧器によって接着剤2(MIBK、A、PES、DICY)を噴霧した。その後、A7075片を30分間放置して、溶剤分を殆ど揮発させてから、これらをデシケータに入れて蓋をした。このデシケータは予め温風乾燥機内で60℃に暖めておいたものである。その後、A7075片を入れたデシケータ内を真空ポンプで減圧し、3分ほど置いてから常圧に戻した。この減圧/常圧戻し操作を計3回行った(これは染み込まし処理である)。その後、A7075片をデシケータから取り出し、A7075片2枚の接着剤塗布範囲同士を密着させて対にする。その際、接着面積が0.6〜0.7cm2となるようにする。この対をクリップで固定し、図13に示す試験片の形状とした。このようにしてA7075片同士の対を6組作成した。熱風乾燥機内を90℃とし、これに対としたA7075片を入れて、5分加熱した。次いで、熱風乾燥機内を135℃に昇温し、135℃で40分加熱した。次いで、熱風乾燥機内を170℃に昇温し、170℃で60分加熱した。その後放冷してA7075片同士の接合体である試験片を6組得た。翌日に試験片を引っ張り試験機にかけて破断させた。この試験は常温下及び150℃下において、それぞれ3組の試験片に対して行った。その際のせん断破断力(3組の平均値)を表2に示す(実験例17)。
接着剤2(MIBK、A、PES、DICY)に代えて、接着剤3(MIBK、A、PES、DICY、DCMU)を使用して実験例17と同様の実験を行った。その結果を表2に示す(実験例18)。
実験例14に示した方法により作成した接着剤2(MIBK、A、PES、DICY)160質量部に対して、硬化助剤として2−フェニルイミダゾール「2PI」2質量部をよく混練した。この接着剤の名称を接着剤4(MIBK、A、PES、DICY、2PI)とした。この接着剤の組成を表1に示す(実験例19)。
実験例14に示した方法により作成した接着剤2(MIBK、A、PES、DICY)160質量部に対して、硬化助剤として2−メチルイミダゾール「2MI」2質量部をよく混練した。この接着剤の名称を接着剤5(MIBK、A、PES、DICY、2MI)とした。この接着剤の組成を表1に示す(実験例20)。
実験例14に示した方法により作成した接着剤2(MIBK、A、PES、DICY)160質量部に対して、硬化助剤としてN,N’−ジメチルピペラジン「ジメチルピペラジン」、2質量部をよく混練した。この接着剤の名称を接着剤6(MIBK、A、PES、DICY、DMP)とした。この接着剤の組成を表1に示す(実験例21)。
接着剤2(MIBK、A、PES、DICY)に代えて、接着剤4(MIBK、A、PES、DICY、2PI)を使用して実験例17と同様の実験を行った。その結果を表2に示す(実験例22)。
接着剤2(MIBK、A、PES、DICY)に代えて、接着剤5(MIBK、A、PES、DICY、2MI)を使用して実験例17と同様の実験を行った。その結果を表2に示す(実験例23)。
接着剤2(MIBK、A、PES、DICY)に代えて、接着剤6(MIBK、A、PES、DICY、DMP)を使用して実験例17と同様の実験を行った。その結果を表2に示す(実験例24)。
「JER828」を60質量部、「JER1004」を15質量部、「JER154」を8質量部、及び「JER630」17質量部をビーカーに取り、165℃とした熱風乾燥機内に放置して加熱し、固体型「JER1004」を溶融すると同時によく撹拌し、全体を均一化した。その後、放冷し、エポキシ樹脂液として保管した。このエポキシ樹脂の組成比は、前述した式(i)〜式(iv)の全ての条件に合致する。
「JER828」を60質量部、「JER1004」を15質量部、「JER154」を8質量部、及び「JER630」17質量部をビーカーに取り、165℃とした熱風乾燥機内に放置して加熱し、固体型「JER1004」を溶融すると同時によく撹拌し、全体を均一化した。その後、放冷し、エポキシ樹脂液として保管した。このエポキシ樹脂の組成比は、前述した式(i)〜式(iv)の全ての条件に合致する。このエポキシ樹脂液を200質量部(800g)とMIBK100質量部(400g)をビーカー内で混合して均一化し、低粘度の混合液300質量部(1200g)を作成した。直径0.3mmのジルコニアビーズを粉砕室容量の80%充填したサンドグラインドミル「ツエア(アシザワ・ファインテック株式会社製)」を用意し、その入口側に循環ポンプと撹拌機付きのオープンタンクを繋いだ。一方、サンドグラインドミルの出口はオープンタンクに開放した。前記混合液のうち75質量部(300g)をオープンタンクに投入し、循環ポンプで粉砕室を完全に満たしてからミルの運転を開始した。ミルには水冷ラインがあるので通水を調整して粉砕室内が50℃以下になるようにした。ミル回転子の周速は11〜12m/秒とした。
実験例26で得た接着剤8(MIBK、A、PES、DICY)160質量部に対して、硬化助剤として「2PI」2質量部をよく混練した。この接着剤の名称を接着剤9(MIBK、A、PES、DICY、2PI)とした。この接着剤の組成を表1に示す(実験例27)。
接着剤1(A、PES、DICY、DCMU)に代えて、接着剤7(A、PES、DICY、2PI)を使用して実験例16と同様の実験を行った。その結果を表2に示す(実験例28)。
接着剤2(MIBK、A、PES、DICY)に代えて、接着剤8(MIBK、A、PES、DICY)を使用して実験例17と同様の実験を行った。その結果を表2に示す(実験例29)。
接着剤2(MIBK、A、PES、DICY)に代えて、接着剤9(MIBK、A、PES、DICY、2PI)を使用して実験例17と同様の実験を行った。その結果を表2に示す(実験例30)。
実験例2〜12の表面処理を施した各々の金属合金について、実験例28と同様の実験を行った。即ち、無溶剤型の接着剤7(A、PES、DICY、2PI)を使用した接着実験を行った。その結果を、表3に示す。また、実験例2〜12の表面処理を施した各々の金属合金について、実験例30と同様の実験を行った。即ち、溶剤型の接着剤9(MIBK、A、PES、DICY、2PI)を使用した接着実験を行った。その結果を、表3に示す。いずれの金属合金が接着対象となった場合でも、本発明に係る溶剤型の1液性エポキシ接着剤である接着剤9は常温下において高い接着力を示し、150℃下における高い耐熱性を示した。本発明の溶剤型エポキシ接着剤は、実用面で十分に強固な接着を可能とするものであり、かつ耐熱性を兼備するものである。特に、接着対象がA7075アルミニウム合金、A5052アルミニウム合金、KFC銅合金、KLF5銅合金、SPCC冷間圧延鋼材、及びSPHC熱間圧延鋼材の場合には、無溶剤型の接着剤7と同等の接着力及び耐熱性が得られることを確認できた。
「JER828」200質量部(800g)とMIBK100質量部(400g)をビーカー内で混合して均一化し、低粘度の混合液300質量部(1200g)を作成した。直径0.3mmのジルコニアビーズを粉砕室容量の80%充填したサンドグラインドミル「ツエア」を用意し、その入口側に循環ポンプと撹拌機付きのオープンタンクを繋いだ。一方、サンドグラインドミルの出口はオープンタンクに開放した。前記混合液のうち75質量部(300g)をオープンタンクに投入し、循環ポンプで粉砕室を完全に満たしてからミルの運転を開始した。ミルには水冷ラインがあるので通水を調整して粉砕室内が50℃以下になるようにした。ミル回転子の周速は11〜12m/秒とした。
実験例27で作成した接着剤9(MIBK、A、PES、DICY、2PI)の無機充填材であるタルク「ハイミクロンHE5」に代えて、アルミニウム粉体を使用したものを作成した。「JER828」を60質量部、「JER1004」を15質量部、「JER154」を8質量部、及び「JER630」17質量部をビーカーに取り、165℃とした熱風乾燥機内に放置して加熱し、固体型「JER1004」を溶融すると同時によく撹拌し、全体を均一化した。その後、放冷し、エポキシ樹脂液として保管した。このエポキシ樹脂の組成比は、前述した式(i)〜式(iv)の全ての条件に合致する。
接着剤2(MIBK、A、PES、DICY)に代えて、接着剤10(MIBK、A、PES、DICY、2PI)を使用して実験例17と同様の実験を行った。その結果を表2に示す(実験例55)。表2に示すように、せん断破断力(3組の平均値)は常温下で63.8MPa、150℃下で37MPaであり、少なくともタルクを使用したもの(接着剤9)と比較して接着力の低下はみられなかった。
31…金属合金片
32…金属合金片
33…接着範囲
40…金属合金
41…セラミック質層
42…接着剤硬化物層
Claims (13)
- エポキシ樹脂を主体とする溶剤型エポキシ接着剤であって、
前記エポキシ樹脂100質量部に対してケトン系溶剤を30質量部以上含み、
硬化剤としてジシアンジアミド粉体を含み、
硬化助剤として2−フェニルイミダゾール、3−(3,4−ジクロルフェニル)−1,1−ジメチルウレア、2−メチルイミダゾール、及びN,N’−ジメチルピペラジンから選択される1種以上を含み、
粒径分布の中心が5〜25μmの無機充填材を1〜15質量部含むことを特徴とする溶剤型エポキシ接着剤。 - 請求項1に記載した溶剤型エポキシ接着剤であって、
前記エポキシ樹脂は、ビスフェノールA型エポキシ樹脂単量体のみからなることを特徴とする溶剤型エポキシ接着剤。 - 請求項2に記載した溶剤型エポキシ接着剤であって、
前記硬化助剤として2−フェニルイミダゾールを含むことを特徴とする溶剤型エポキシ接着剤。 - 請求項1に記載した溶剤型エポキシ接着剤であって、
前記エポキシ樹脂は、
ビスフェノールA型エポキシ樹脂単量体、
分子量1000〜2000のビスフェノールA型エポキシ樹脂オリゴマー、
3個以上のエポキシ基を有する多官能型であって、かつフェノール樹脂型であるエポキシ樹脂、
及び、3個以上のエポキシ基を有する多官能型であって、フェノール樹脂型ではなく、常温で液状であるエポキシ樹脂
を含むことを特徴とする溶剤型エポキシ接着剤。 - 請求項4に記載した溶剤型エポキシ接着剤であって、
前記エポキシ樹脂は、
ビスフェノールA型エポキシ樹脂単量体をa質量部、
分子量1000〜2000のビスフェノールA型エポキシ樹脂オリゴマーをb質量部、
3個以上のエポキシ基を有する多官能型であって、かつフェノール樹脂型であるエポキシ樹脂をc質量部、
3個以上のエポキシ基を有する多官能型であって、フェノール樹脂型ではなく、常温で液状であるエポキシ樹脂をd質量部含むものとし、
前記エポキシ樹脂を100質量部としたときに、a+b+c+d=100であり、
且つ、95≧a+d≧68、32≧c+d≧15、22≧b≧5、及び、d≧7の全ての条件を満たし、
前記硬化助剤として2−フェニルイミダゾールを含むことを特徴とする溶剤型エポキシ接着剤。 - 請求項1ないし5から選択される1項に記載した溶剤型エポキシ接着剤であって、
前記ジシアンジアミド粉体は、当該溶剤型エポキシ接着剤中に分散されており、かつ粒径5μm以下の微粒子となっていることを特徴とする溶剤型エポキシ接着剤。 - 請求項6に記載した溶剤型エポキシ接着剤であって、
前記エポキシ樹脂100質量部に対して、前記硬化剤を2.5〜5.5質量部含み、前記硬化助剤として2−フェニルイミダゾールを1.25〜2.75質量部含むことを特徴とする溶剤型エポキシ接着剤。 - 請求項6に記載した溶剤型エポキシ接着剤であって、
前記ケトン系溶剤はメチルイソブチルケトンであることを特徴とする溶剤型エポキシ接着剤。 - 請求項1に記載した溶剤型エポキシ接着剤を使用した接着方法であって、
金属合金の表面に、輪郭曲線要素の平均長さ(RSm)が0.8〜10μm、最大高さ(Rz)が0.2〜5μmであるミクロンオーダーの粗度を生じさせ、且つ、その粗度を有する面内に、5〜500nm周期の超微細凹凸を形成し、且つ、表層を金属酸化物又は金属リン酸化物の薄層とするための表面処理を行う表面処理工程と、
前記表面処理工程を経た金属合金の表面に、前記溶剤型エポキシ接着剤を噴霧器によって噴霧する噴霧工程と、
前記噴霧工程を経た金属合金表面の溶剤成分を揮発させる揮発工程と、
前記揮発工程を経た金属合金の前記溶剤型エポキシ接着剤が噴霧された範囲と、当該金属合金と接着させる被着材を密着させた状態で固定し、前記エポキシ樹脂を硬化させることで両者を一体化する硬化工程と、
を含むことを特徴とする金属合金と被着材の接着方法。 - 請求項9に記載した接着方法であって、
前記金属合金は、アルミニウム合金、マグネシウム合金、銅合金、チタン合金、ステンレス鋼、及び鉄鋼材から選択されるいずれか1種であることを特徴とする接着方法。 - 請求項10に記載した接着方法であって、
前記揮発工程を経た金属合金を密閉容器に封じて、その密閉容器内を一旦減圧後に昇圧する染み込まし工程をさらに含み、
当該染み込まし工程後に前記硬化工程を行うことを特徴とする接着方法。 - 請求項10に記載した接着方法であって、
前記噴霧工程を経た金属合金を密閉容器に封じて、その密閉容器内を一旦減圧後に昇圧する染み込まし工程をさらに含み、
当該染み込まし工程後に前記揮発工程を行うことを特徴とする接着方法。 - 請求項10に記載した接着方法であって、
前記揮発工程を行う際に、前記金属合金を加熱して当該金属合金表面に噴霧された溶剤型エポキシ接着剤の粘度を低下させ、その溶剤成分を揮発させると共に、そのエポキシ接着剤成分を前記超微細凹凸に侵入させることを特徴とする接着方法。
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