JP2014151558A - 繊維強化熱可塑性樹脂一体化構造体の製造方法 - Google Patents

繊維強化熱可塑性樹脂一体化構造体の製造方法 Download PDF

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【課題】十分に高い接合部の接合強度を容易にかつ確実に実現できる繊維強化熱可塑性樹脂一体化構造体の製造方法を提供する。
【解決手段】強化繊維がランダムに配向された繊維強化熱可塑性樹脂成形体（Ｉ）と被接着体（ＩＩ）を溶着により接合するに際し、成形体（Ｉ）と被接着体（ＩＩ）の少なくとも一方の接合面に格子状の溝あるいは格子状の凸条を設け、溶着を、格子状の溝の場合には２〜６ＭＰaの面圧、格子状の凸条の場合には０．２〜３ＭＰaの面圧を加えて超音波溶着により行うことを特徴とする繊維強化熱可塑性樹脂一体化構造体の製造方法。
【選択図】図１

Description

本発明は、繊維強化熱可塑性樹脂一体化構造体の製造方法に関し、とくに、一体化構造体を作製するための被接合体間の接合強度を容易にかつ確実に向上することを可能とした繊維強化熱可塑性樹脂一体化構造体の製造方法に関する。
従来から、熱可塑性樹脂（繊維強化熱可塑性樹脂を含む）同士の接合には、接着剤や溶剤による化学的接合や熱溶着する物理的接合が実施されている。化学的接合は大きな設備を使用することなく実施可能であるが、乾燥・硬化時間が必要であることや有機溶剤の気散などの問題がある。一方、物理的接合は接着時間が短く量産に適することから一般に広く使用されており、特に外部加熱方式の熱板溶着や摩擦熱方式の超音波や振動等による溶着が実施されている。外部加熱方式である熱板で熱可塑性樹脂同士を溶着する場合は、接着面を予め溶融させるためシール性などの溶着信頼性が高い。ただ熱板を高温状態で保持しておくことが必要であり、エネルギーコストが高い。また溶着界面の溶融層をいかに残すかが溶着力のアップに寄与しており、高圧で圧着することは好ましくないとされてきた。ただし、圧着力が弱すぎると溶着力の低下を招くので、弱くなりすぎないように適切な条件設定が必要である。
一方超音波や振動による摩擦熱溶着の場合には、あらかじめ基材を予熱しないため、通常、溶着のためのビードを必要とし、あらかじめ接着界面に特別なビードを作製するために、比較的手間のかかる加工が必要であった。
特許文献１には、不連続強化繊維をランダムに配向したマット基材のプリプレグ同士を積層して超音波溶着により接合する技術が開示されており、接合後の成形体全体の機械特性の向上を目的とし、それについては言及されているものの、接合部の接合強度の向上については言及されていない。
特許文献２には、バッテリーケースアセンブリに関して、上板と下板を超音波溶着や熱溶着を含む各種溶着法により接合する技術が開示されており、接合後の成形体のエネルギー吸収性能の向上については言及されているものの、接合部の接合強度の向上については言及されていない。
特開２００７−２６２３６０号公報 特開２０１２−０９４４７６号公報
そこで本発明の課題は、繊維強化熱可塑性樹脂を含む熱可塑性樹脂同士を接合して一体化構造体を作製するに際し、とくに十分に高い接合部の接合強度を容易にかつ確実に実現できる繊維強化熱可塑性樹脂一体化構造体の製造方法を提供することにある。
上記課題を解決するために、本発明に係る繊維強化熱可塑性樹脂一体化構造体の製造方法は、繊維強化熱可塑性樹脂成形体（Ｉ）と被接着体（ＩＩ）を溶着により接合して一体化した繊維強化熱可塑性樹脂一体化構造体を製造する方法において、前記繊維強化熱可塑性樹脂成形体（Ｉ）として強化繊維がランダムに配向された成形体を用い、該繊維強化熱可塑性樹脂成形体（Ｉ）と前記被接着体（ＩＩ）の少なくとも一方の接合面に格子状の溝を設け、前記溶着を、２〜６ＭＰａの面圧を加えて超音波溶着により行うことを特徴とする方法からなる。
また、もう一つの本発明に係る繊維強化熱可塑性樹脂一体化構造体の製造方法は、繊維強化熱可塑性樹脂成形体（Ｉ）と被接着体（ＩＩ）を溶着により接合して一体化した繊維強化熱可塑性樹脂一体化構造体を製造する方法において、前記繊維強化熱可塑性樹脂成形体（Ｉ）として強化繊維がランダムに配向された成形体を用い、該繊維強化熱可塑性樹脂成形体（Ｉ）と前記被接着体（ＩＩ）の少なくとも一方の接合面に格子状の凸条を設け、前記溶着を、０．２〜３ＭＰaの面圧を加えて超音波溶着により行うことを特徴とする方法からなる。
このような本発明に係る繊維強化熱可塑性樹脂一体化構造体の製造方法においては、繊維強化熱可塑性樹脂成形体（Ｉ）として強化繊維がランダムに配向された成形体を用いることにより、先ず、該繊維強化熱可塑性樹脂成形体（Ｉ）は、プレス成形や射出成形により、容易に所望の形状に成形され、最終的な一体化構造体の機械特性とこの部分の形状とが容易にかつ確実に所望の特性と形状に確保される。そして、繊維強化熱可塑性樹脂成形体（Ｉ）と被接着体（ＩＩ）の接合部において、少なくとも一方の接合面に格子状の溝あるいは格子状の凸条を設け、前記溶着を、格子状の溝の場合には比較的高い２〜６ＭＰａの面圧を加え、格子状の凸条の場合には比較的低い０．２〜３ＭＰaの面圧を加え、それぞれの場合に最適な面圧を加えて、超音波溶着により行うことにより行う。前記溶着を、格子状の溝で実施する場合には、摩擦を受け溶融する面積が大きくなるため、繊維強化熱可塑性樹脂のスプリングバックによる溶着面の膨れを防止する観点から２ＭＰａ以上が好ましく、６ＭＰａを超えると溶融層が薄くなるため好ましくない。更に好ましい溶着圧力は３ＭＰａ〜５ＭＰａである。前記溶着を格子状の凸条で実施する場合には、凸条の繊維強化熱可塑性樹脂が溶融して接着面に広がり、接着層として働くため、溶着圧力は比較的低い０．２〜３ＭＰａが好ましい。０．２ＭＰａより低いと摩擦熱による発熱が小さく溶着不良を生じる懸念があり、３ＭＰａを超えると溶着層が薄くなり溶着強度が低下する懸念があり好ましくない。
そして、接合面に格子状の溝あるいは格子状の凸条を設けて最適な面圧条件で超音波溶着することにより、このような溝あるいは凸条がない場合に比べ、高い接合強度が確実に得られ、しかもそれが超音波溶着によって達成されるので、熱板溶着の場合のようなエネルギーコストを用いることなく容易に実施できる。また、従来のように溶着のための特別なビードを形成する場合に比べ、接着界面に特別なビードを作製するための手間のかかる加工は不要になり、下記に述べるような容易に形成できるサイズの小さい溝や凸条を設けておくだけでよいため、特別な手間をかけることなく、容易に所定の超音波溶着を行うことが可能になる。したがって、従来通常の接合方法に比べ、十分に高い接合強度を有する繊維強化熱可塑性樹脂一体化構造体を容易にかつ確実に製造できるようになる。
本発明において、接合面に格子状の溝を設ける場合には、格子状の溝の幅および深さが０．１〜１ｍｍの範囲にあることが好ましく、格子状の凸条を設ける場合には、格子状の凸条の幅および高さが０．５〜２ｍｍの範囲にあることが好ましい。このようなサイズの小さい格子状の溝や凸条は、特別に手間のかかる加工を施すことなく、簡単に形成可能であり、例えば、繊維強化熱可塑性樹脂成形体（Ｉ）や被接着体（ＩＩ）を成形する段階で所定の溝や凸条を一体成形しておく方法や、成形後に溝を格子状に切り込む方法等により、形成することが可能である。
また、本発明においては、上記繊維強化熱可塑性樹脂成形体（Ｉ）の強化繊維の数平均繊維長が１０〜１００ｍｍの範囲にあることが好ましい。強化繊維の数平均繊維長が１０ｍｍ未満であると、強化繊維による補強効果が十分でなく、得られる繊維強化熱可塑性樹脂一体化構造体の機械強度が不足するおそれがあり、数平均繊維長が１００ｍｍを超えると、成形体（Ｉ）を成形する際の強化繊維含有樹脂の流動性が悪くなるおそれがある。
また、本発明においては、上記繊維強化熱可塑性樹脂成形体（Ｉ）、または上記繊維強化熱可塑性樹脂成形体（Ｉ）および上記被接着体（ＩＩ）が、シート形状に形成されている形態を採用することができる。このような形態はスタンパブル基材の接合に多く見られ、本発明をとくに有効に適用できる代表的な形態として挙げることができる。
また、本発明において上記繊維強化熱可塑性樹脂成形体（Ｉ）を構成する強化繊維としてはとくに限定されず、例えば、炭素繊維、ガラス繊維、アラミド繊維のいずれか、あるいはこれらを組み合わせた形態から選ぶことができる。
さらに、本発明において、上記繊維強化熱可塑性樹脂成形体（Ｉ）と被接着体（ＩＩ）を構成する熱可塑性樹脂としては、とくに限定されないが、成形容易性の面から、さらには本発明における超音波溶着の容易性の面から、ポリアミド、ポリフェニレンスルフィド、ポリプロピレン、ポリカーボネート、ポリエーテルエーテルケトン、ポリエーテルイミドのいずれかから選ばれる少なくとも１つからなることが好ましい。
このように、本発明に係る繊維強化熱可塑性樹脂一体化構造体の製造方法によれば、繊維強化熱可塑性樹脂成形体（Ｉ）と被接着体（ＩＩ）の接合面に格子状の溝あるいは格子状の凸条を設け、各場合にそれぞれ適切な面圧条件で超音波溶着により接合するようにしたので、十分に高い接合部の接合強度を容易にかつ確実に実現でき、全体として高い機械特性も達成可能な繊維強化熱可塑性樹脂一体化構造体を得ることができる。
本発明における代表的な実施形態を示す繊維強化熱可塑性樹脂一体化構造体の概略構成図（概略平面図と概略側面図）である。 図１（Ａ）の場合（図２（Ｃ））と従来方法（図２（Ａ）、（Ｂ））とを比較して示した概略構成図である。 図２（Ａ）、（Ｂ）、（Ｃ）の場合の接合部における引張強さを比較した概略特性図である。 本発明における接合強度を測定するラップシア試験の説明図である。
以下に、本発明の実施の形態について、図面を参照しながら説明する。
本発明に係る繊維強化熱可塑性樹脂一体化構造体の製造方法は、例えば図１（Ａ）、（Ｂ）に示すように、繊維強化熱可塑性樹脂成形体（Ｉ）１と被接着体（ＩＩ）２を溶着により接合して一体化した繊維強化熱可塑性樹脂一体化構造体３、４を製造する方法であって、繊維強化熱可塑性樹脂成形体（Ｉ）１として強化繊維がランダムに配向された成形体を用い、該繊維強化熱可塑性樹脂成形体（Ｉ）１と被接着体（ＩＩ）２の少なくとも一方の接合面に（図示例では被接着体（ＩＩ）２の接合面に）格子状の溝５（図１（Ａ））あるいは格子状の凸条６（図１（Ｂ））を設け、上記溶着を、格子状の溝５の場合には３ＭＰa以上の面圧、格子状の凸条６の場合には０．２〜３ＭＰaの面圧を加えて超音波溶着により行うことを特徴とする方法である。
すなわち、図２に、上記図１（Ａ）に示した本発明に係る繊維強化熱可塑性樹脂一体化構造体の製造方法の場合（図２（Ｃ））と従来の接着面処理なしの場合（図２（Ａ））および接着面に特別なビード１１を設ける場合（図２（Ｂ））とを比較して示すように、本発明ではサイズの小さい溝あるいは凸条を格子状に設けておき、それを介して適切な面圧条件にて超音波溶着する。
このような格子状の溝あるいは格子状の凸条を設けて超音波溶着することにより、図３に、図２（Ａ）、（Ｂ）、（Ｃ）の場合の接合部における接合強度（引張強さで表している。）を比較して示すように、本発明では接合部における接合強度が容易にかつ確実に大幅に向上される。
上記のような接合部における接合強度（引張強さ）は、例えば図４に示すようなラップシア試験（せん断試験）（ＪＩＳ Ｋ６８５１（１９９４））によって測定することができる。図４に示す試験方法においては、シート状の繊維強化熱可塑性樹脂成形体（Ｉ）１と被接着体（ＩＩ）２とを接合部２１で超音波溶着により接合一体化し、繊維強化熱可塑性樹脂成形体（Ｉ）１の端部および被接着体（ＩＩ）２の端部を引張試験機のチャック部２２、２３で把持して、引張試験機により接合部２１にせん断荷重を加えるように、繊維強化熱可塑性樹脂成形体（Ｉ）１と被接着体（ＩＩ）２を互いに反対方向に引っ張り、接合部２１に破断あるいは所定量以上の変形（例えば界面破壊）が生じるときの引張強さを測定することにより、接合強度を定量的に測定することが可能である。シート状の繊維強化熱可塑性樹脂成形体（Ｉ）１と被接着体（ＩＩ）２とのラップ代（接合代）、各試験片の長さ、幅、厚さ、各チャック部の長さは図に示した寸法に設定した。
本発明に係る繊維強化熱可塑性樹脂一体化構造体の製造方法は、あらゆる繊維強化熱可塑性樹脂一体化構造体に適用でき、とくに、シート状のスタンパブル基材同士の接合一体化に好適なものである。
１ 繊維強化熱可塑性樹脂成形体（Ｉ）
２ 被接着体（ＩＩ）
３、４ 繊維強化熱可塑性樹脂一体化構造体
５ 格子状の溝
６ 格子状の凸条
１１ ビード
２１ 接合部
２２、２３ 引張試験機のチャック部

Claims (8)

  1. 繊維強化熱可塑性樹脂成形体（Ｉ）と被接着体（ＩＩ）を溶着により接合して一体化した繊維強化熱可塑性樹脂一体化構造体を製造する方法において、前記繊維強化熱可塑性樹脂成形体（Ｉ）として強化繊維がランダムに配向された成形体を用い、該繊維強化熱可塑性樹脂成形体（Ｉ）と前記被接着体（ＩＩ）の少なくとも一方の接合面に格子状の溝を設け、前記溶着を、２〜６ＭＰaの面圧を加えて超音波溶着により行うことを特徴とする、繊維強化熱可塑性樹脂一体化構造体の製造方法。
  2. 前記格子状の溝の幅および深さが０．１〜１ｍｍの範囲にある、請求項１に記載の繊維強化熱可塑性樹脂一体化構造体の製造方法。
  3. 繊維強化熱可塑性樹脂成形体（Ｉ）と被接着体（ＩＩ）を溶着により接合して一体化した繊維強化熱可塑性樹脂一体化構造体を製造する方法において、前記繊維強化熱可塑性樹脂成形体（Ｉ）として強化繊維がランダムに配向された成形体を用い、該繊維強化熱可塑性樹脂成形体（Ｉ）と前記被接着体（ＩＩ）の少なくとも一方の接合面に格子状の凸条を設け、前記溶着を、０．２〜３ＭＰaの面圧を加えて超音波溶着により行うことを特徴とする、繊維強化熱可塑性樹脂一体化構造体の製造方法。
  4. 前記格子状の凸条の幅および高さが０．５〜２ｍｍの範囲にある、請求項３に記載の繊維強化熱可塑性樹脂一体化構造体の製造方法。
  5. 前記繊維強化熱可塑性樹脂成形体（Ｉ）の強化繊維の数平均繊維長が１０〜１００ｍｍの範囲にある、請求項１〜４のいずれかに記載の繊維強化熱可塑性樹脂一体化構造体の製造方法。
  6. 前記繊維強化熱可塑性樹脂成形体（Ｉ）、または前記繊維強化熱可塑性樹脂成形体（Ｉ）および前記被接着体（ＩＩ）が、シート形状に形成されている、請求項１〜５のいずれかに記載の繊維強化熱可塑性樹脂一体化構造体の製造方法。
  7. 前記繊維強化熱可塑性樹脂成形体（Ｉ）を構成する強化繊維が炭素繊維、ガラス繊維、アラミド繊維のいずれかから選ばれる１つ以上からなる、請求項１〜６のいずれかに記載の繊維強化熱可塑性樹脂一体化構造体の製造方法。
  8. 前記繊維強化熱可塑性樹脂成形体（Ｉ）と被接着体（ＩＩ）を構成する熱可塑性樹脂がポリアミド、ポリフェニレンスルフィド、ポリプロピレン、ポリカーボネート、ポリエーテルエーテルケトン、ポリエーテルイミドのいずれかから選ばれる少なくとも１つからなる、請求項１〜７のいずれかに記載の繊維強化熱可塑性樹脂一体化構造体の製造方法。
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