JP2016502475A - 熱可塑性材料接合相手材とガラス接合相手材の接合方法 - Google Patents

熱可塑性材料接合相手材とガラス接合相手材の接合方法 Download PDF

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JP2016502475A
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ブルンエッカー フランク
ブルンエッカー フランク
ジーベン マヌエル
ジーベン マヌエル
ヤウス トビアス
ヤウス トビアス
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エル・ピー・ケー・エフ・レーザー・ウント・エレクトロニクス・アクチエンゲゼルシヤフト
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Abstract

【課題】接着剤を必要とせずに高い信頼性の熱可塑性材料・ガラス接合を簡単な処理手順を用いて形成させる。【解決手段】熱可塑性材料の接合相手材をガラスの接合相手材に接合するための接合方法であって、以下のステップを含む。レーザー吸収熱可塑性材料の熱可塑性接合相手材（２）を設けること、レーザー透過性ガラス材料のガラス接合相手材（１）を設けること、熱可塑性接合相手材（２）及びガラス接合相手材（１）を一方が他方の上に載置して、接合力（Ｆ）を両接合相手材（１、２）に印加すること、ガラス接合相手材（１）の温度を特に放射線（１５）を用いて上昇させること、レーザー加工ビーム（３）をガラス接合相手材（１）に貫通し、熱可塑性接合相手材（２）との境界面（２０）上の接合ゾーン（１８）内に照射し、熱可塑性接合相手材（２）を溶融して、接着結合を両接合相手材（１、２）間で接合ゾーン（１８）内にその冷却中に形成すること。【選択図】図１

Description

本発明は、熱可塑性材料の接合相手材（パートナー）をガラスの接合相手材（パートナー）に接合するための方法に関する。
発明の背景に関して、現在、ガラス・プラスチック接合は、典型的には、接着剤を用いて製造されることに注意しなければならない。その実例は、例えばＰＣ（ポリカーボネート）又はＰＣ／ＡＢＳ（ポリカーボネート／アクリルニトリルブタジエンスチレン）ケーシングに接合されたガラス材料からなる携帯電話ディスプレイである。第１の工程において、接着剤が塗布され、第２の工程において、ガラスパネルがその上に載置される。このプロセスにおいて、接着剤を逃散してしまうという大きなリスクが存在し、ガラス上に配置されたＩＴＯ（インジウムスズ酸化物）層間に「短絡」をもたらし、したがってタッチスクリーンに取り返しがつかない損傷をもたらす。この製造不良のリスクに加えて、この技術の別の欠点は、接合部が好ましい外観を呈することがなく、かつディスプレイ上に黒色の印刷によってカバーされる必要があることである。
この接合技術の他の用途は、自動車産業で使用される車両窓ガラス、例えばプラスチック担持体におけるサンルーフが挙げられる。この分野では、熱可塑性接合相手材は、好ましくは、経済的な理由のためにＰＰ（ポリプロピレン）で作られている。その非極性構造に因り、対応する処理がＰＰに加えられない限り、ＰＰは接着結合を形成することができず、この場合追加コストがかかる。
３番目の利用分野は太陽電池パネルの基板の裏面に直接取り付けられた制御機器／周波数コンバータである。
特許文献１は、熱可塑性ポリマー材料を、使用レーザー光が透過性である第２の材料にレーザー溶接する方法に関し、ここでレーザー溶接についてレーザー光は、溶接スポットにおいて、第２の材料を貫通して第１の材料上に照射され、少なくとも第１の材料は溶接スポットにおいてレーザー光の影響下で軟化する。特許文献１にしたがう第２の材料は、非軟化材料であってもよく、軟化した第１の材料は硬化後に第２の材料に接着する。例えば、特許文献１にしたがうレーザー溶接方法は、熱可塑性ポリマー材料（第１の材料）をガラスに接合させる。
特許文献２は、少なくとも部分的に半透明の基材及びプラスチック基材を含み、ランプハウジング及びランプ基体を形成するランプの生産方法に関する。少なくとも１つの接合スポットにおいて、プラスチック基材及び少なくとも部分的に半透明の基材の間に、表面対表面結合又は確実な結合が、少なくともプラスチック基材を溶融することによりレーザービームによって生成される。
特許文献２の実施例において、少なくとも部分的に半透明であるランプの基材はガラス製である。プラスチック基材の少なくとも１つの接合スポットを溶融することによって、確実な接合がプラスチック基材及びガラス基材の間で得られる。特許文献２にしたがう方法において、レーザービームは溶融中に少なくとも部分的に半透明の基材を貫通し、したがって、最初に、プラスチック基材を実質的に発熱させる。プラスチック基材は、好ましくは、ポリカーボネート、ポリプロピレン、アクリルニトリルブタジエンスチレン又はポリブチレンテレフタレート製である。
特許文献３は、熱可塑性材料をガラス製基板材料に接合するための方法に関する。基板材料は、そのエッジ領域において、プラスチック基体に溶接される。このプロセスにおいて、レーザーは基板材料を貫通して放射線を照射し、したがってプラスチック材料の接触面を加熱させる。特許文献３にしたがえば、プラスチック本体は基体として使用され、ガラス基板材料はカバーとして使用される。基板材料がプラスチック本体に溶接されていない領域において、半導体材料は基体及び基板材料の間に配置される。
EP 1 763 431 B1 DE 10 2009 034 226 A1 特開2011-207056
上記で引用された文献の各々は、レーザー誘導ホットメルト接着結合の原理を開示している。しかしながら、この分野において本願出願人によって行なわれた実験で、ホットメルト接着結合は、両接合相手材が冷却するとき、２つの異なる材料、即ち、熱可塑性材料及びガラスに誘起される応力に因り、特に強度を欠くことを示している。
本発明は、熱可塑性材料製接合相手材をガラス製接合相手材に接合するための方法を提供するという目的に基づいており、この方法は、高い信頼性の熱可塑性材料・ガラス接合を簡単な処理手順を用いて形成させ、接着剤を必要としない。
請求項１の特徴部分によれば、この目的は、以下の方法ステップによって達成される：
レーザー吸収性熱可塑性材料の熱可塑性接合相手材を設けること、
レーザー透過性ガラス材料のガラス接合相手材を設けること、
熱可塑性接合相手材及びガラス接合相手材を一方が他方の上に載置して、接合力を両接合相手材に押加すること、
放射線を使用してガラス接合相手材の温度を上昇させること、
レーザー加工ビームをガラス接合相手材に貫通し、熱可塑性接合相手材との境界面上の接合ゾーン内に照射し、熱可塑性接合相手材を溶融して、接着結合を両接合相手材間で接合ゾーン内にその冷却中に形成すること。
換言すれば、本発明にしたがう方法は、一般的に知られているレーザー透過溶接原理に基づいて、加工ビームはレーザー透過性接合相手材を貫通し、レーザー吸収性接合相手材上に出射され、レーザー吸収性接合相手材を溶融して、ガラス製のレーザー透過性接合相手材の場合には、溶融領域内でレーザー透過性接合相手材に接着する。
現在の知識によれば、３つの異なる動作機構が、この形式の接着結合の形成に関与している。一方、副原子価結合が、互いに当接する複数の分子表面内に形成される。この効果は主に水素結合に基づいており、約０．５ｎｍの有効距離を有する。したがって、溶融される両接合相手材の一方にとって、表面の不規則性を補償することは必須である。それに加えて、溶融された接合相手材は、固体相手材の表面に広がる必要があり、言い換えれば、表面張力は可能な限り低くすべきである。一方、この動作機構は溶融媒体の極性を必要とし、言い換えれば、表面張力はゼロに等しくないことが必要である。最適には、表面張力は極性表面エネルギーの本質的に必要な量に相当するように選択される。
第２の動作機構は、極性とは独立しており、可塑化材料と固体接合相手材の表面構造との間の機械的結合である。この動作機構は、両材料の極性とは無関係であるが、それはまだ少量の表面エネルギーを必要として、溶融された接合相手材を最大限にその面上に広げる。
第３の潜在的動作機構は共有結合である。この結合形式は高い接着力を提供する。しかしながら、それは、多くの場合、プラスチック表面を官能化する必要がある。ガラスの側部では、通常、Ｓｉ（シリコン）分子が存在し、ＳｉＯＨ（シラノール）の形の共有結合を発現させる。つまり、これは、Ｈ（水素）分子が熱可塑性材料の表面上で利用可能であり、この反応が生起できるようにする必要があることを意味する。これらの分子は、プラスチック材料中に本来含まれていてもよく又は官能化プロセスにおいて導入することができる。
上述のすべての動作機構は、ガラスの熱膨張率が熱可塑性材料のそれに比べてより低いことに因り、接合ゾーン内における熱可塑性材料の高い収縮に因るホットメルト接着又は結合接合、即ち、こうして生成されたホットメルト接着シームは内部応力が発生するという事実に陥る。これらの応力は、こうして生成された接着力と重なり、かつ幾つかの接合部において複数の層を完全に互いに分離させる程度に接着力を減少させ、シームの内部応力が生成された接着力を上回るという結論をもたらす。
この問題は、このプロセスにしたがって提供されたガラス接合相手材の温度上昇によって解決される。この措置により、その温度は、熱可塑性接合相手材の温度と共に上昇され、両接合相手材がより均一な冷却挙動及び内部応力の大幅に低減した展開を示す結果となる。対応する実験で、このプロセスは、信頼性のある高強度結合が上述の２つの接合相手材の間で作成されることを示している。
本発明にしたがう方法の好ましい他の展開は、従属請求項に記載されている。例えば、熱可塑性接合相手材の材料は、以下の熱可塑性材料の１つ又は複数から選択することができる。
ポリプロピレン（ＰＰ）、ポリエチレン（ＰＥ）、アクリルニトリルブタジエンスチレン（ＡＢＳ）、アクリルエステルスチレンアクリルニトリル（ＡＳＡ）、ポリメチルメタクリレート（ＰＭＭＡ）、ポリカーボネート（ＰＣ）、ポリエチレンテレフタレート（ＰＥＴ）、ポリエーテルイミド（ＰＥＩ）、ポリアミド（ＰＡ）又はシクロオレフィンコポリマー（ＣＯＣ）。
ガラス接合相手材の好ましい材料は、ホウケイ酸ガラス、溶融石英、フッ化マグネシウム、イオン交換法によって得られた硬質ガラス又は好ましくはホウケイ酸ガラス製の強化ガラスである。
レーザー加工ビームは、好ましくは赤外線レーザービームであり、８０８ｎｍ又は２０００ｎｍの波長を有し、１０ｗ乃至２００ｗのレーザーパワーで供与される。この目的のために、慣用のレーザービーム加工設備、例えば、レーザー透過溶接のような用途のために本出願人によって製造販売されたものを使用することができる。
ガラス接合相手材を加熱するための好ましい放射線源は、少なくとも１つのハロゲンラジエーターによって形成することができ、例えば５００ｗ及び２０００ｗの間で、好ましくは１０００ｗの電力で短波ＩＲ放射線を照射するものである。この比較的広帯域二次放射線は、レーザー加工ビームの前に及び／又はそれと同時にガラス接合相手材上に照射することができて、ガラス材料を集中的に加熱する。
熱可塑性接合相手材及びガラス接合相手材の間の結合強度は、熱可塑性接合相手材が少なくとも接合ゾーンの領域内でプラズマ又は火炎処理によって表面活性化されることで、さらに最適化することができる。前記プラズマ処理は、好ましくは、プロセスガスとして、空気、酸素又は窒素を用いて実行することができる。このプラズマ処理プロセス中に、ＯＨ基が熱可塑性接合相手材の表面上に蓄積される。これらのＯＨ基は、その後続の接合プロセスにおいて水素結合を形成するために利用可能である。これらの副原子価結合の形成とともに、共有結合は、ガラス内のＳｉ分子とプラスチック材料の官能化された表面上のＯＨ基との間に形成される。
結合の強度は、少なくとも接合ゾーンの領域において、ガラス接合相手材の表面を粗面化することにより、さらに増加させることができる。この構造は、例えばパルス持続時間＜１０ｎｓの超短波パルスレーザーによって形成され、結合プロセスに関与した表面積を実質的に増加させ、したがって溶融した熱可塑性材料及びこれらの表面微細構造の間で結合効果が増加し、よって結合の接合強度が増加する結果をもたらす。
他の好ましい方法は、２つの接合相手材が互いに接合されるときに発生する設定距離（setting path）を測定することである。これは接合方法の再現性を容易にする。
シーム状の接合ゾーンの好適なパラメータ又は生成要因はレーザー加工ビームを熱可塑性材料の境界面を横切って２ｍｍ／ｓ〜１００ｍｍ／ｓの供給速度で移動させることである。このプロセスで２つの接合相手材に適用される接合力は、２００Ｎ〜８００Ｎの間、好ましくは４００Ｎである。
本発明の最も本質的な利点のいくつかは、再度、以下のように要約することができる。
消耗品、例えば特定の接着剤は必要がない。
接合プロセスは容易に制御可能である。
１つのプロセスステップのみが必要である。
この方法は、微細な、規定された構造を生成することができる。
オンラインプロセス制御システムは、接合装置に統合することができる。
本発明の他の特徴、詳細及び利点は、実施例について以下の説明と図面から明らかになる。
図１は、レーザー接合装置及び２つの接合相手材の概略の破断展開斜視図を示す。 図２は、両接合相手材のそのままの接着シームとの平面図を示す。 図３は、接着シームの強制分離後の熱可塑性接合相手材の平面図を示す。
以下、本発明の熱可塑性材料接合相手材とガラス接合相手材の接合方法における実施例について図面を参照して詳述する。
図１は、一緒に結合される２つの接合相手材、即ち第１のガラス接合相手材１及び第２の熱可塑性相手材２を示す。この結合プロセスを実行するために、レーザー透過溶接にも使用される装置が使用される。上部のガラス接合相手材１はレーザー加工ビーム３が透過性であり、下部の熱可塑性接合相手材２はレーザー加工ビーム３が吸収性である。
レーザー加工ビーム３は、参照番号４によりその全体が示された加工ヘッドによって、固定レーザービーム源から光ファイバシステムを介して集束光学系５に案内される。レーザービーム源及び光ファイバシステムの両者は明瞭にするために図面においては省略する。集束光学系５は加工ヘッド４のキャリア６上に配置され、加工ヘッド４は、例えば産業用ロボットの操作アームにフランジ止めされる。
アーム８を介して、テンションローラ１０はレーザー加工ビーム３の光軸９の側面に装着され、テンションローラ１０は上部のガラス接合相手材１上をその周囲で転動し、したがって対応する接合力Ｆを印加することによって形成される結合の領域において両接合相手材１、２を一緒にクランプする。明瞭にするために、溶接輪郭の下に装着されたローラーの対応するカウンタホルダはいずれも図１には示されていない。
さらに、ＩＲハロゲンラジエータ１４が加工ヘッド４のキャリア６に装着され、ラジエータ１４は短波の二次赤外線放射線１５を生成する。ＩＲハロゲンラジエータ１４はキャリア６上で二次ビーム反射器１６に装着される。反射器１６に因り、二次放射線１５は、集束された形態で接合ゾーン１８上に照射される。図１から分かるように、二次放射線１５の焦点領域１９はレーザー接合ビーム３の焦点２１よりも広く、その結果、接合ゾーン１８において二次放射線１５は上部のガラス接合相手材１を焦点２１の周囲で同心円状に加熱する。
上述の接合装置は、本発明にしたがう方法を以下のように実行する。
熱可塑性接合相手材２は、その境界面２０のプラズマ活性化によって調製されて溶融される。使用されたプラズマは圧縮空気プラズマであり、ここで何れの空気の成分がプラズマ生成中にイオン化／ラジカル化されるかは明確に解明されてはいない。このプロセスにおいて、Ｏ２−イオンがプラスチック材料の表面上にＯＨ基（Ｏ−Ｈ；Ｃ−Ｏ−Ｏ−Ｈ；Ｃ−Ｈ−Ｏ、Ｃ−Ｏ−Ｎ−Ｈ２）を形成していることが推定される。この官能化は、一方で表面張力を増加し、他方でＯＨ基の存在に因り共有結合を形成する。
両接合相手材１、２は、その後、図１に示した装置にクランプされる。
いま、加工ヘッド４は、搬送方向１２に、接合輪郭Ｋにわたって移動し、接合輪郭Ｋにおいて結合又は接着シームが両接合相手材の間に形成され、したがってテンションローラ１０を２つの接合相手材１、２上に作用させて、上部のガラス接合相手材１の温度は二次放射線１５によってそれぞれの接合ゾーン１８において局所的に増加される。同時に、レーザー加工ビーム３は、上部のガラス接合相手材１を通して、ガラス接合相手材１に対向している境界面２０上に出射され、熱可塑性接合相手材２を局所的に溶融させる。その結果、密接な接触が２つの接合相手材１、２の間の水素結合及び微小結合の形成に因り得られ、したがって２つの接合相手材１、２の間でホットメルト接着結合をもたらす。２つの接合相手材１、２が互いに接合されるときに発生する設定距離が溶融プロセスのための重要なパラメータとして測定され、プロセス制御システムに入力される。２つの接合相手材１、２が冷却すると、ガラス接合相手材１の温度上昇に因り接合ゾーン１８において無視できる内部応力１が生じ、安定した熱可塑性材料・ガラスホットメルト接着結合が２つの接合相手材１、２の間で得られる。
本発明にしたがう接合方法の実験結果を図２−図３によって説明する。図２は短いホットメルト接着シームの形で接合輪郭Ｋを生成した後の２つの接合相手材１、２の平面図を示し、このホットメルト接着シームはそれ自体、下部の塑性接合相手材２の境界面２０における均一な光沢のある黒いシーム領域として表示している。強固な接着として判断され、言い換えれば、２つの接合相手材１、２の間に安定な接着結合が存在している。図３は上部のガラス接合相手材１を強制的に取除いた後の熱可塑性接合相手材２の境界面２０を示す。知見できるように、熱可塑性材料の破壊が存在し、シーム接合部の安定性を示している。
上述の場合において、ガラス接合相手材１は５ｍｍの厚さを有する標準ＢＫ７ガラスで作成され、熱可塑性接合相手材２はＰＣ／ＡＢＳ材料の組み合わせから構成された。レーザーパワーは２８ｗであり、二次放射のパワーは１０００ｗであった。レーザービームの供給速度ｖは７ｍｍ／ｓに設定され、使用された接合力Ｆは４００Ｎであった。
次表は、異なる熱可塑性材料及びガラス（ＢＫ７、厚さ：５ｍｍ）の間にホットメルト接着のシームを生成するための成功した実験を含み、この実験は以下に示す材料及びパラメータを使用して実施された。
Figure 2016502475
熱可塑性材料の組み合わせＰＣ／ＰＥＴを使用して実施された実験において、追加の実験を実行して、互いに結合された接合相手材１、２上の温度変化の効果を調査した。３０〜６０分間に−２０℃〜６０℃の温度範囲で３つの温度変化の後、接着シームの破壊は観察されなかった。
１・・・ガラス接合相手材
２・・・熱可塑性相手材
３・・・レーザー加工ビーム
４・・・加工ヘッド
５・・・集束光学系
６・・・キャリア
８・・・アーム
９・・・光軸
１０・・・テンションローラ
１２・・・搬送方向
１４・・・ＩＲハロゲンラジエータ
１５・・・二次赤外線放射線
１６・・・二次ビーム反射器
１８・・・接合ゾーン
１９・・・焦点領域
２０・・・境界面
２１・・・焦点
Ｆ・・・接合力
Ｋ・・・接合輪郭

Claims (14)

  1. レーザー吸収熱可塑性材料の熱可塑性接合相手材（２）を設けること、
    レーザー透過性ガラス材料のガラス接合相手材（１）を設けること、
    熱可塑性接合相手材（２）及びガラス接合相手材（１）を一方が他方の上に載置して、接合力（Ｆ）を両接合相手材（１、２）に印加すること、
    ガラス接合相手材（１）の温度を特に放射線（１５）を用いて上昇させること、
    レーザー加工ビーム（３）をガラス接合相手材（１）に貫通し、熱可塑性接合相手材（２）との境界面（２０）上の接合ゾーン（１８）内に照射し、熱可塑性接合相手材（２）を溶融して、接着結合を両接合相手材（１、２）間で接合ゾーン（１８）内にその冷却中に形成することを特徴とする熱可塑性材料の接合相手材をガラスの接合相手材に接合するための接合方法。
  2. 熱可塑性接合相手材（２）の材料は、ポリプロピレン（ＰＰ）、ポリエチレン（ＰＥ）、アクリルニトリルブタジエンスチレン（ＡＢＳ）、アクリルエステルスチレンアクリルニトリル（ＡＳＡ）、ポリメチルメタクリレート（ＰＭＭＡ）、ポリカーボネート（ＰＣ）、ポリエチレンテレフタレート（ＰＥＴ）、ポリエーテルイミド（ＰＥＩ）、ポリアミド（ＰＡ）又はシクロオレフィンコポリマー（ＣＯＣ）の熱可塑性材料の１つ又は複数から選択されることを特徴とする請求項１記載の接合方法。
  3. ガラス接合相手材（１）の材料は、ホウケイ酸ガラス、溶融石英、フッ化マグネシウム、イオン交換法によって得られた硬質ガラス又は好ましくはホウケイ酸ガラス製の強化ガラスのガラス材料の１つ又は複数から選択されることを特徴とする請求項１又は請求項２記載の接合方法。
  4. レーザー加工ビーム（３）は、赤外線レーザービームであり、特に８０８ｎｍ又は２０００ｎｍの波長を有することを特徴とする請求項１乃至請求項３何れか１項記載の接合方法。
  5. レーザー加工ビーム（３）には１０ｗ乃至２００ｗのレーザーパワーが供与されることを特徴とする請求項１乃至請求項４何れか１項記載の接合方法。
  6. ガラス接合相手材（１）の温度を上昇させるための放射線は、少なくとも１つのハロゲンラジエータ（１４）によって生成されることを特徴とする請求項１乃至請求項５何れか１項記載の接合方法。
  7. ハロゲンラジエータ（１４）の電力は、５００ｗ及び２０００ｗの間で、好ましくは１０００ｗであることを特徴とする請求項６記載の接合方法。
  8. 熱可塑性接合相手材（２）は、プラズマ又は火炎処理によって少なくとも接合ゾーン（１８）の領域内で表面活性化されることを特徴とする請求項１乃至請求項７何れか１項記載の接合方法。
  9. プラズマ処理中に空気、特に圧縮空気、酸素又は窒素がプロセスガスとして使用されることを特徴とする請求項８記載の接合方法。
  10. ガラス接合相手材（１）の表面は、少なくとも接合ゾーン（１８）の領域内で粗面化されることを特徴とする請求項１乃至請求項９何れか１項記載の接合方法。
  11. ガラス接合相手材（１）は、レーザー露光により、特にパルス持続時間＜１０ｎｓの超短波レーザーパルスによって粗面化されることを特徴とする請求項１０記載の接合方法。
  12. 両接合相手材（１、２）の接合中に発生する設定距離が測定されることを特徴とする請求項１乃至請求項１１何れか１項記載の接合方法。
  13. シーム状の接合ゾーンを生成するために、レーザー加工ビーム（３）は、熱可塑性接合相手材（２）の境界面（２０）を横切って２ｍｍ／ｓ〜１０ｍｍ／ｓの供給速度で移動されることを特徴とする請求項１乃至請求項１２何れか１項記載の接合方法。
  14. 接合力（Ｆ）は、２００Ｎ〜８００Ｎの間、好ましくは４００Ｎであることを特徴とする請求項１乃至請求項１３何れか１項記載の接合方法。
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