JP2016534905A - 溶接促進剤を用いる溶接方法 - Google Patents

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マルティン・レンケル
クリスティアン・ホルトグレーヴェ
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ライナー・シェーンフェルト
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Abstract

本発明は、(i)１つあるいは両方のポリマー表面の溶接されるべき領域に溶接促進剤組成物を塗布すること、ここで、溶接促進剤組成物は、0.1〜1000μmの粒度範囲を備えた粒子を含んでなり、該粒子は第1および/または第2のポリマー表面との化学反応に対して不活性である材料で構成され;(ii)第1ポリマー表面、第2ポリマー表面あるいは両方の前記溶接されるべき領域にエネルギーを付与すること、該エネルギーは、該ポリマー表面の溶接されるべき領域におけるポリマーの少なくとも一部を溶融するのに十分であり、及びポリマー表面間の前記溶接されるべき領域を接触させること、及び(iii)溶接されるべき領域で溶融ポリマーを固化させて、溶接ボンドをポリマー表面間に形成することを含んでなる、ポリマー表面間の溶接ボンドを形成する方法に関する。本発明はさらに、このように生成された物品および前記組成物の溶接促進剤としての使用に関する。

Description

本発明は、溶接促進剤を用いてプラスチックを溶接（溶着）するための方法に関する。本発明はさらに、このように生成された物品および本明細書に記載する組成物の溶接促進剤としての使用に関する。
ボルト、接着剤又は溶接技術を用いる異なる材料の溶接は、当分野において確立している。例えば、組み立て製品の製造には、2つの部品、特にポリマーで構成される2つの部品を一緒に溶接することが多くの場合に必要である。熱ガス溶接、熱板溶接、高周波溶接、超音波溶接、摩擦溶接およびレーザー溶接などの適当な溶接技術は既知であるが、複雑な部品が溶接可能な方法でのインターフェースの設計は、いまだ課題のままである。これは、前述した技術はすべて、接合されるべき2つの部品間に高量のエネルギーまたは加熱を引き起こすことにおいて共通するという事実による。インターフェースにエネルギーを向けて、部品の不確定な溶融を避けるためには、接合される部品の特定の設計、又は、とりわけそれらのインターフェースが必要である。通常利用される特別のインターフェース設計形状は「エネルギーディレクター」と呼ばれる。例えば、粗面または小さな突出を有する表面は溶接が非常に良好であるが、それは、より小さな接触域が所望の領域への溶接エネルギーを集中させるのに役立つからである。しかしながら、この特別な表面設計の必要性は、部品設計および製造における高い複雑さを伴う。
そのため、既存技術の上記欠点を克服し、この溶接技術に対してそれらの形状あるいはインターフェースを調節することを要さずに、部品の溶接を可能にする方法に関する必要性が当分野に存在する。このため、溶接可能なインターフェースおよび射出成形方法に関する部品設計のための時間を著しく低下させ得る、という利点があり得る。
接合されるべき2つの部品間のより良い結合を与えるインターフェースで、接合されるべき表面を活性化またはクリーン化するプライマー又は接着剤を用いることは当分野において既知であるが、そのようなものを使用しても、溶接のために設計された2つの部品を接合することを支援するだけであるので、部品設計の問題は克服されない。
（原文に記載なし）
本発明は、溶接促進剤組成物を用いる溶接には具体的に適していない2つのポリマー表面を溶接する方法（ここで、該溶接促進剤は、表面ポリマーとの化学反応に対して不活性で、2つの接合すべき表面間の接着を増加させない）を提供することによって、この接合技術へそれらの形状あるいはインターフェースを調節することを要さずに、部品の溶接を可能にする溶接法に対する上記の要請を満たす。より具体的には、驚くべきことに、粉末、ゲル又は分散体の形態で化学的に不活発な粒子を溶接促進剤として用いると、該粒子がこの機能を引き受けることができ、溶接されるべき表面の具体的な領域に溶接エネルギーを向けることができるため、エネルギーディレクターとして機能する表面構造の必要性を除去することが、本発明の発明者によって見だされた。
したがって、第1の態様において、本発明は、第1及び第2のポリマー表面間に溶接ボンドを形成する方法であって、次のもの:
(i)第1ポリマー表面、第2ポリマー表面あるいは両方の溶接されるべき領域に溶接促進剤組成物を塗布すること、ここで、溶接促進剤組成物は、0.1〜1000μmの粒度範囲を備えた粒子を含んでなり、該粒子は第1および/または第2のポリマー表面との化学反応に対して不活性である材料で構成され;
(ii) 第1ポリマー表面、第2ポリマー表面あるいは両方の前記溶接されるべき領域にエネルギーを付与し、ここで、該エネルギーは、第1ポリマー表面、第2ポリマー表面あるいは両方の前記溶接されるべき領域におけるポリマーの少なくとも一部を溶融するのに十分であり、及び第1及び第2ポリマー表面の前記溶接されるべき領域を一緒に接触させること、ここで、エネルギーを付与するステップは、第1及び第2ポリマー表面の溶接されるべき領域を接触させる前および/または接触中に行なってよい;および
(iii) 第1ポリマー表面、第2ポリマー表面あるいは両方の前記溶接されるべき領域における溶融ポリマーを固化し、第1及び第2ポリマー表面間に溶接ボンドを形成させること
を含んでなる。
本発明の別の態様は、上記方法によって得られる溶接ボンドを含んでなる物品に関する。
また別の態様では、本発明は、溶接促進剤として粒子を含んでなる組成物の、2つのポリマー表面間の溶接ボンドを形成するための使用であって、該粒子は前記ポリマー表面との化学反応に対して不活性である材料で作られ、第1及び第2ポリマー表面間の接着を強化せず、ここで、該粒子は0.1〜1000μmの粒度範囲を有する、上記使用をも包含する。
以下に、本発明をより詳しく記載する。しかしながら、本発明は下記の態様に限定されないが、他のポリマーおよび粒子材料を用いるために容易に適合させ得るものと理解される。そのような他の態様もまた、本発明の範囲に包含される。
溶接ボンドを形成する方法の第１ステップでは、第1ポリマー表面、第2ポリマー表面あるいは両方の溶接されるべき領域に溶接促進剤組成物が塗布される。これに関して用いられる用語「ポリマー表面」は、接合されるべき部品の表面を構成するポリマー材料に関する。好ましくは、部品はこの高分子材料からなる、即ち、ポリマー表面はポリマーのボディ又は部品(例えば樹脂体)の表面である。本明細書で用いられる「ポリマー材料」又は「高分子材料」は、ポリマーに加えて、充填剤、添加剤およびその他の追加成分を含んでなるポリマー組成物に関する。接合されるべき2つの表面の2つのポリマー、又は、より特殊な態様において、接合されるべき2つのボディ又は部品の材料は、同一であってよく又は異なっていてよい。それらが異なる場合、そのような異なる材料は、既存の方法を備えた溶接法を複雑にするであろう異種の溶融温度範囲を有してよいが、本明細書に記載された方法を使用する場合にはそれほど問題でない。本明細書で用いられる「異種の溶融温度範囲」は、2つのポリマー材料がその溶融温度範囲で検出可能に相違することを意味する。
接合されるべき表面又は部品を構成するポリマーは、好ましくは熱可塑性ポリマーである。両方の表面のポリマーが熱可塑性であることは好適であるが、ある態様では、２つのポリマーのいずれか一方が熱可塑性材料で構成されてよく、他方は例えば熱硬化性ポリマーなどの異なるポリマー材料で構成されてよい。
上記方法によって溶接することのできる適当なベースポリマーとして下記が挙げられるが、これらに限定されない。ポリプロピレン(PP)、ポリエチレン(PE)、ポリオクテン、ポリ(スチレン-ブタジエン-スチレン)(SBS)、ポリ(スチレン-イソプレン-スチレン)(SIS)、ポリ(スチレン-エチレン/ブチレン-スチレン)(SEBS)、ポリ(スチレン-エチレン/プロピレン-スチレン)(SEPS)、ポリエチレン-酢酸ビニル(EVA)、アクリロニトリル・ブタジエン・スチレン(ABS)、ポリ(メチルメタクリレート)(PMMA)、ポリメタクリレート、ポリアクリレート、ポリカーボネート(PC)、ポリスチレン(PS)、ポリアミド(PA)、ポリ塩化ビニル(PVC)、及びそれらのコポリマーおよびブレンド。適当なブレンドとしては、例えば、PC/ABSブレンドおよびPA/ABSブレンドが挙げられる。好適な態様では、第1表面のポリマーはPPまたはPAであり、また、第2表面のポリマーは、PA、PP、PC/ABS、ABS、PMMA、PA/ABS又はPCである。本明細書で用いられる「ベースポリマー」は、ポリマーが当該ポリマー組成物の主要ポリマー成分であること、即ち、組成物中の全ポリマーの50重量%がベースポリマーであることを意味する。上記のコポリマーには、1つのモノマー単位又はプレポリマーが、別のモノマー単位又はプレポリマーと共重合される上記のもののうちの1つであるコポリマーが含まれる。
接着されるべき表面は、水平または平面的であり得るが、曲線を有していてもよい。
溶接促進剤組成物は、所定仕様の個別粒子の存在を考慮に入れるあらゆる形態であってよい。適当な形態は、粉末、ゲルおよび分散体を含むが、これらに限定されない。粒子は通常固形であるため、ゲル又は分散体の形態で用いる場合には、適当なマトリックス中に分散される。マトリックスは任意の適当な材料であってよく、第1および/または第2のポリマー表面との化学反応に対して不活性でもあることが好ましい。より具体的には、溶接促進剤組成物は既知のプライマー、例えば表面をクリーン化または活性化するプライマー、又は接着剤、例えば表面ポリマーと科学的に反応し、硬化後に2つの表面間の化学結合を形成する接着剤を含まないことが好適である。粒子は、エネルギーディレクターとしてのみ機能すること、即ち、溶接されるべき領域に溶接エネルギーを移動させ、ポリマー表面の少なくとも部分的な溶融を生じさせることが好ましい。粒子および溶接組成物は、第1及び第2ポリマー表面の間の接着を増強しないこと、即ち、接着作用がないことは、さらに好適である。
本明細書で用いる「不活性」は、上記のように指定される材料が溶接条件下で、上記方法のどのステップ中にも接合されるべき表面のポリマーと化学反応をしないことを意味する。本明細書で用いる「化学反応する」とは、溶接組成物の材料間、即ち、特に粒子間、及びポリマー表面間で共有結合が形成されないことを意味する。
上記の塗布は、溶接促進剤組成物の形態に応じて、本目的にとって適する任意の既存の技術によって行い得る。適当な塗布技術には、非限定的に、印刷、散布、吹付塗、スピンコーティング、浸し塗などが含まれる。
様々な態様では、溶接促進剤組成物は、溶接されるべき表面の上記領域への塗布だけがなされる。そのような態様では、それは、上記の特定領域に付与された溶接エネルギーを管理する目的に役立ち、エネルギーを受けると溶融して不確定で制御されないポリマー表面の溶融が回避される。
上記の溶接促進剤組成物は粒子を含んでなり、該粒子は第1および/または第2のポリマー表面との化学反応に対して不活性である材料からなり、第1及び第2のポリマー表面間の接着を増強しない。粒子は、好ましくは0.1〜20g/cm3、より好ましくは約1〜約4g/cm3の比重を有する。嵩密度は1〜10g/cm3の範囲であってよい。上記粒子の粒度（サイズ）は、0.1〜1000μm、好ましくは10〜500μmの範囲である。これに関して用いられる「サイズ」は、粒子の最大寸法に沿った伸長（エクステンション）に関する。粒子は、任意の形状も有してよいが、形状が本質的に球状か立方体であることが好ましい。粒子は、本質的に単分散又は多分散であり得る。上記粒子の平均粒度（サイズ）は、1〜1000、好ましくは10〜500、より好ましくは50〜400μmの範囲である。「平均サイズ」は、粒子の相加平均サイズに関する。粒度を決定するための様々な技術は、当分野において既知である。具体例に過ぎないが、それらは、ふるい分け技術、動的光散乱およびレーザー回折を含む。好ましくは、粒度はふるい分け技術によって決定される。平均粒度は、動的光散乱によって決定することが好ましい。
様々な態様において、粒子は、少なくとも2.5、好ましくは少なくとも3、より好ましくは少なくとも3,5、最も好ましくは少なくとも4のモース硬度を有する。
様々な態様において、粒子は、ガラス、シリカ、セラミック、金属、金属化合物などの無機材料を含んでなり、該無機材料から本質的になり、または該無機材料からなる。金属化合物は、金属酸化物、金属塩および金属の非金属との反応生成物、例えばリン化物、窒化物などを含む。好適な無機材料には、非限定的であるが、シリカ、アルミナ、酸化鉄、酸化チタン、酸化マグネシウム、リン化第二鉄、及びガラス、例えばソーダ石灰ホウケイ酸ガラスなどが含まれる。上記材料の混合物も考慮される。
粒子は、任意に中空であり得るミクロスフェアであってよい。「ミクロスフェア」は、μm範囲(1〜1000μm)内の直径を有する球状粒子に関する。
用いることができる適当な材料には、限定的ではないが、好ましくは約200μmの直径を有する(Spheriglass、Potters Europe)ガラスビーズ、Ferrophos 2132(Occidental Chemical Corporation)、Cenospheres S500及びCab-o-Silが含まれる。材料の選択については、材料が表面間の増加した摩擦を与えると、有用である。
本明細書に記載する前記方法の次ステップでは、第1および/または第2ポリマー表面の溶接されるべき領域へエネルギーが付与される。エネルギー量は、溶接される領域の表面でポリマーを少なくとも部分的に溶融するのに十分な量である。溶接促進剤組成物、特にこれに含まれる粒子は、これらの特定領域に溶接エネルギーを向けて、かつポリマー表面の不確定で非制御の融解を回避する目的に役立つ。
溶接ボンドを形成するために、エネルギーはまずポリマーを表面で溶融するために塗布することができ、溶融が起こった後、溶接されるべき領域を一緒に接触させることができる。あるいは、両方のステップを同時に行なうことができる、即ち、2つの領域を一緒に接触されながらエネルギーを付与してよい。接触は加圧であってよい、即ち、2つの表面を力の利用によって能動的に一緒にプレスする。接触、特に加圧中、付与する力は、時間が経過するうちに変化させることができる。エネルギーを付与するステップは、一度又は複数回繰り返すことができる。例えば、溶融を引き起こすためにエネルギーを一方又は両方の表面に付与することができ、その後、2つの表面を接触させ、この接触中および/または接触後に、再びエネルギーを付与する。
付与するエネルギーは、熱、超音波、振動、照射または摩擦の形態であってよい。換言すると、接合されるべき表面を加熱してよく、超音波又は照射、特に赤外線又はレーザーの照射を施してよく、又は一緒に擦り合わせてよい。この処理の目的は、溶接されるべき領域の表面でポリマーを少なくとも部分的に溶融することである。系へエネルギーを導入し、かつポリマー表面を溶融させる既知の技術には、非限定的に、熱ガス溶接、熱板溶接、高周波溶接、超音波溶接、摩擦溶接およびレーザー溶接、並びに赤外線溶接が含まれる。少なくとも2つ、特に2つのエネルギー源の組み合わせを用いることが好ましいことがある。ある実施形態では、赤外線溶接を振動溶着または超音波溶接と組み合わせる。
好適な実施形態では、エネルギーは超音波エネルギーの形態で用いられる。複数の異なる超音波エネルギー供給施設を、表面へ超音波エネルギーを付与するために用いてよい。典型的な超音波エネルギー施設が超音波エネルギーを提供するように構成され、これは、エネルギー源の2つ以上、例えば電源、発電機、一以上のエネルギープロセッサー、例えばコンバーター、ブースターあるいは両方、およびエネルギー送信機、例えばホーン、を含んでよい。
ポリマーが表面で少なくとも部分的に溶融すると、2つの表面を互いに対して擦り合わせて、表面の溶融ポリマーをブレンドしてよい。これは、2つのポリマーが異なるポリマーであって、両方の表面が少なくとも部分的に溶融した場合に、特に有用である。
上記方法の最終ステップにおいて、溶融ポリマーを、溶接ボンドが2つの表面間で形成されるように再び固化させる。固化は、系へエネルギーの付与を止め、そのために誘導される冷却によって生じ得る。
当業者は本明細書に記載されるように方法を用い、また溶接されるべきボディのポリマーならびにエネルギーディレクターとして用いられる粒子の材料、付与するエネルギーの形態および条件、即ち、溶接促進剤および付与するエネルギーの量、エネルギー付与の時間などを変えることができ、その結果、意図した目的に必要な溶接ボンドを備えた結合物品に到達することになる。
本発明はまた、溶接された物品、即ち、上記方法によって得られあるいは得ることのできる組み立て製品に関する。
また、上記に規定された粒子を含んでなる組成物の、2つのポリマー表面間の溶接ボンドを形成するための使用が包含される。本明細書に記載された方法に関する上記限定はすべて、上記使用に対しても同様に適用可能である。このことは特に、粒子および溶接促進剤組成物、並びに接合されるべきポリマーボディの定義に関する。
実施例
+/-5mmの重なりのラップ剪断形状（lap shear geometry）での2つのポリアミド(PA6.6; Latamid 66H2)ポリマー支持体を選択した。基材は、KLN超音波ジェネレーターのタイプ588を発信器と組み合わせて用い、超音波溶接によって溶接した。0.5−1.6N/mm2の間の範囲で、溶接された領域に垂直な一定圧力を加えた。溶接時間を1秒間絶えず保持した。
表1は、溶接の増強を示すために溶接促進剤として異なる粒子材料を用いて行った、ラップ剪断強さ(LSS)実験の結果を示す。この実験において、5より大きな、好ましくは10より大きなLSS値は、良好な溶接結果を示す。1つの利益は、所望の重なり領域への溶接に集中／これに向かわせることであり、また、他方の利益は、適切な溶接領域を導入することによりLSS値を増大させることである。特に良好な結果が、ガラスビーズ、Ferrophos 2132およびCenospheres S500で得られた。
Figure 2016534905

Claims (15)

  1. (i) 第1ポリマー表面、第2ポリマー表面あるいは両方の溶接されるべき領域に溶接促進剤組成物を塗布すること、
    ここで、溶接促進剤組成物は、0.1〜1000μmの粒度範囲を備えた粒子を含んでなり、該粒子は第1および/または第2のポリマー表面との化学反応に対して不活性である材料で構成され;
    (ii) 第1ポリマー表面、第2ポリマー表面あるいは両方の前記溶接されるべき領域にエネルギーを付与し、
    ここで、該エネルギーは、第1ポリマー表面、第2ポリマー表面あるいは両方の前記溶接されるべき領域におけるポリマーの少なくとも一部を溶融するのに十分であり、
    及び第1及び第2ポリマー表面の前記溶接されるべき領域を一緒に接触させること、
    ここで、エネルギーを付与するステップは、第1及び第2ポリマー表面の溶接されるべき領域を一緒に接触させる前および/または接触中に行なってよい;
    (iii) 第1ポリマー表面、第2ポリマー表面あるいは両方の前記溶接されるべき領域における溶融ポリマーを固化し、第1及び第2ポリマー表面間に溶接ボンドを形成させること
    を含んでなる、第1及び第2のポリマー表面間に溶接ボンドを形成する方法。
  2. 第1ポリマー表面および/または第2ポリマー表面は樹脂体の表面である、請求項1に記載の方法。
  3. 第1ポリマー表面のポリマーおよび第2ポリマー表面のポリマーは同一又は異なる、請求項1または2に記載の方法。
  4. 第1ポリマー表面のポリマーおよび/または第2ポリマー表面のポリマーは熱可塑性樹脂である、請求項1ないし3のいずれかに記載の方法。
  5. 第1および/または第2の表面のベースポリマーは、ポリプロピレン(PP)、ポリエチレン(PE)、ポリオクテン、ポリ(スチレン-ブタジエン-スチレン(SBS)、ポリ(スチレン-イソプレン-スチレン(SIS)、ポリ(スチレン-エチレン/ブチレン-スチレン(SEBS)、ポリ(スチレン-エチレン/プロピレン-スチレン(SEPS)、ポリエチレン-酢酸ビニル(EVA)、アクリロニトリル・ブタジエン・スチレン(ABS)、ポリ(メチルメタクリレート)(PMMA)、ポリ(メタ)アクリレート、ポリカーボネート(PC)、ポリスチレン(PS)、ポリアミド(PA)、ポリ塩化ビニル(PVC)、及びそれらのコポリマーおよびブレンドからなる群から独立して選択される、請求項1ないし4のいずれかに記載の方法。
  6. 溶接促進剤組成物は、粉末、ゲル又は分散体の形態である、請求項1ないし5のいずれかに記載の方法。
  7. 粒子は、少なくとも2.5、好ましくは少なくとも3、より好ましくは少なくとも4のモース硬度を有する、請求項1ないし6のいずれかに記載の方法。
  8. 溶接促進剤組成物の粒子は、ガラス、金属、金属化合物（金属酸化物と金属塩を含む）、シリカおよびセラミックからなる群から選択される材料を含んでなる、該材料から本質的になる、または該材料からなる、請求項1ないし7のいずれかに記載の方法。
  9. エネルギーは加熱、振動、超音波処理、照射および/または摩擦の形態で付与される、請求項1〜8のいずれかに記載の方法。
  10. エネルギーを付与するステップは、熱ガス溶接、熱板溶接、高周波溶接、超音波溶接、摩擦溶接、赤外線溶接および/またはレーザー照射溶接を含む、請求項9に記載の方法。
  11. 前記方法は、第1および第2ポリマー表面間の溶接ボンドを形成するためのプライマーも接着剤も用いない、請求項1ないし10のいずれかに記載の方法。
  12. 前記溶接促進剤組成物の粒子は、第1および/または第2ポリマー表面の溶接されるべき領域へ付与されたエネルギーを管理するエネルギーディレクターとして機能する、請求項11に記載の方法。
  13. 請求項1〜12のいずれかに記載の方法により得られる溶接ボンドを含んでなる物品。
  14. 溶接促進剤として粒子を含んでなる組成物の、2つのポリマー表面間の溶接ボンドを形成するための使用であって、該粒子は前記ポリマー表面との化学反応に対して不活性である材料で作られ;ここで、該粒子は0.1〜1000μmの粒度範囲を有する、使用。
  15. 前記組成物の粒子は、
    (i) 少なくとも2.5、好ましくは少なくとも3、より好ましくは少なくとも4のモース硬度を有し；
    (ii) ガラス、金属、金属化合物（金属酸化物と金属塩を含む）、シリカおよびセラミックからなる群から選択される材料を含んでなる、該材料から本質的になる、または該材料からなる、
    請求項14に記載の使用。
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