JP2017121750A - 繊維強化熱可塑性樹脂部材の接合方法 - Google Patents

Abstract

【課題】繊維強化熱可塑性樹脂部材同士の接合強度を向上させることが可能な繊維強化熱可塑性樹脂部材の接合方法を提供する。【解決手段】熱可塑性樹脂と前記熱可塑性樹脂中にランダムに配向された繊維とを含む繊維強化熱可塑性樹脂部材である、第一部材及び第二部材について、前記第一部材の端部を前記第二部材につき合わせて形成された前記第一部材の端部と前記第二部材との接触面の長手方向に沿って、前記第一部材及び前記第二部材の少なくとも一方を振動させ、前記第一部材と前記第二部材とを振動溶着により接合する繊維強化熱可塑性樹脂部材の接合方法。【選択図】図１

Description

本発明は、繊維強化熱可塑性樹脂部材の接合方法に関する。

繊維が添加された熱可塑性樹脂（繊維強化熱可塑性樹脂）同士を接合して得られる樹脂接合体の接合強度を向上させるため、繊維強化熱可塑性樹脂同士の接合方法として種々の方法が検討されている。

例えば、二つの繊維強化熱可塑性樹脂を接合する際に、少なくとも一方の繊維強化熱可塑性樹脂の被接合面に熱可塑性樹脂材料を予め配置させ、その後、二つの繊維強化熱可塑性樹脂を接合する繊維強化熱可塑性樹脂の接合方法が開示されている（例えば、特許文献１を参照）。

特開２０１３−０４３３２１号公報

特許文献１に記載の繊維強化熱可塑性樹脂の接合方法では、繊維強化熱可塑性樹脂同士を部分的に重ね合わせて接合するため、重ね合わせる部位が必要となる。そのため、質量が大きくなり、かつコストがかかるという問題がある。特許文献１に記載の接合方法と異なる方法で、繊維強化熱可塑性樹脂を含む部材同士を接合させることが好ましい。

さらに、熱可塑性樹脂と熱可塑性樹脂中にランダムに配向された繊維とを含む繊維強化熱可塑性樹脂部材同士を特許文献１に記載の接合方法で接合させる場合、繊維強化熱可塑性樹脂部材同士の接合強度が不十分であり、接合強度をより向上させる必要がある。

本発明は、上記従来の問題点に鑑みてなされたものであり、繊維強化熱可塑性樹脂部材同士の接合強度を向上させることが可能な繊維強化熱可塑性樹脂部材の接合方法を提供することを目的とする。

請求項１に記載の繊維強化熱可塑性樹脂部材の接合方法では、熱可塑性樹脂と前記熱可塑性樹脂中にランダムに配向された繊維とを含む繊維強化熱可塑性樹脂部材である、第一部材及び第二部材について、前記第一部材の端部を前記第二部材につき合わせて形成された前記第一部材の端部と前記第二部材との接触面の長手方向に沿って、前記第一部材及び前記第二部材の少なくとも一方を振動させ、前記第一部材と前記第二部材とを振動溶着により接合する。

上記構成によれば、第一部材の端部を第二部材につき合わせ、第一部材と第二部材とを振動溶着により接合している。そのため、第一部材と第二部材とを部分的に重ね合わせて接合する場合と異なり、重ね合わせる部位が不要となり、軽量化を図ることができる。

さらに、上記構成のようにして第一部材と第二部材とを接合することで、熱可塑性樹脂と熱可塑性樹脂中にランダムに配向された繊維とを含む部材同士を接合に用いた場合であっても、部材同士の接合強度を向上させることができる。

本発明によれば、繊維強化熱可塑性樹脂部材同士の接合強度を向上させることが可能な繊維強化熱可塑性樹脂部材の接合方法を提供することができる。

本発明の第一実施形態に係る繊維強化熱可塑性樹脂部材の接合方法により得られる樹脂接合体の概略構成図である。 本発明の第一実施形態に係る繊維強化熱可塑性樹脂部材の接合方法を示す概略図である。 本発明の第二実施形態に係る繊維強化熱可塑性樹脂部材の接合方法により得られる樹脂接合体の概略構成図である。 本発明の第二実施形態に係る繊維強化熱可塑性樹脂部材の接合方法を示す概略図である。 本発明の第一実施形態、第二実施形態にて用いる、熱可塑性樹脂中にランダムに配向された繊維を含む繊維強化熱可塑性樹脂部材の概略構成図である。 実施例１に係る繊維強化熱可塑性樹脂部材の接合方法により得られた樹脂接合体の溶着断面図であり、（ｂ）は（ａ）の拡大図であり、（ｃ）は（ｂ）の拡大図である。 比較例１に係る繊維強化熱可塑性樹脂部材の接合方法により得られた樹脂接合体の溶着断面図であり、（ｂ）は（ａ）の拡大図であり、（ｃ）は（ｂ）の拡大図である。 実施例１及び比較例１、２に係る繊維強化熱可塑性樹脂部材の接合方法により得られた樹脂接合体における接合強度を示すグラフである。 本発明の比較対象に係る繊維強化熱可塑性樹脂部材の接合方法により得られる樹脂接合体の概略構成図である。 熱可塑性樹脂中に一方向に配向された繊維を含む繊維強化熱可塑性樹脂部材の概略構成図である。

以下、本発明の繊維強化熱可塑性樹脂部材の接合方法の実施形態について詳細に説明する。

＜第一実施形態＞
以下、本発明の第一実施形態に係る繊維強化熱可塑性樹脂部材の接合方法について、図１、２、５を用いて説明する。図１は、第一実施形態に係る繊維強化熱可塑性樹脂部材の接合方法により得られる樹脂接合体の概略構成図であり、図２は、第一実施形態に係る繊維強化熱可塑性樹脂部材の接合方法を示す概略図であり、図５は、第一実施形態にて用いる、熱可塑性樹脂中にランダムに配向された繊維を含む繊維強化熱可塑性樹脂部材の概略構成図である。図１、２に示すように、樹脂接合体１００は、繊維強化熱可塑性樹脂部材１０、２０を振動溶着により接合することで得られる。

図２に示すように、第一部材である繊維強化熱可塑性樹脂部材１０の端部を第二部材である繊維強化熱可塑性樹脂部材２０の端部につき合わせる。繊維強化熱可塑性樹脂部材１０、２０をつき合わせることで繊維強化熱可塑性樹脂部材１０の端部と繊維強化熱可塑性樹脂部材２０の端部との接触面１（接合面）が形成される。形成された接触面１（接合面）の長手方向である矢印Ｘ方向に、繊維強化熱可塑性樹脂部材１０及び繊維強化熱可塑性樹脂部材２０の少なくとも一方を振動させ、かつ接触面１と直交する方向である矢印Ｙ方向に沿って加圧することで、繊維強化熱可塑性樹脂部材１０、２０を振動溶着により接合する。

繊維強化熱可塑性樹脂部材１０、２０のそれぞれの端部をつき合わせ、振動溶着により接合すること（いわゆる突合せ溶着）で、図１に示す樹脂接合体１００が得られる。

なお、振動溶着は、溶着させる繊維強化熱可塑性樹脂部材１０、２０に対してプレス機等を用いて接触面１と直交する方向に沿って加圧した状態で、繊維強化熱可塑性樹脂部材１０及び繊維強化熱可塑性樹脂部材２０の少なくとも一方を接触面１の長手方向に振動させ、それによって発生する摩擦熱を利用して溶着する方法である。

次に、本発明の比較対象となる繊維強化熱可塑性樹脂部材の接合方法により得られる樹脂接合体について、図９を用いて説明する。図９は、比較対象に係る繊維強化熱可塑性樹脂部材の接合方法により得られる樹脂接合体の概略構成図である。

上述の特許文献１（特開２０１３−０４３３２１号公報）に記載の方法にて、熱可塑性樹脂中にランダムに配向された繊維を含む繊維強化熱可塑性樹脂部材４０、５０を部分的に重ね合わせて接合すること、すなわち、繊維強化熱可塑性樹脂部材４０、５０のそれぞれの主面（最も面積が大きな面）の一部を重ね合わせて接合すること（いわゆるフランジ溶着）で、図９に示す樹脂接合体３００が得られる。

図９に示す樹脂接合体３００を得るためには、繊維強化熱可塑性樹脂部材４０、５０を部分的に重ね合わせて接合するため、重ね合わせる部位が必要となる。そのため、得られた樹脂接合体の質量が大きくなり、かつコストがかかるという問題がある。

また、図９に示す樹脂接合体３００を得るために繊維強化熱可塑性樹脂部材４０、５０を重ね合わせる部位が必要となるため、得られる樹脂接合体３００には構造上の制約がある。

さらに、熱可塑性樹脂中にランダムに配向された繊維を含む繊維強化熱可塑性樹脂部材４０、５０を部分的に重ね合わせて接合する場合、繊維強化熱可塑性樹脂部材４０、５０の接合強度が不十分であり、接合強度をより向上させる必要がある。

一方、本実施形態に係る繊維強化熱可塑性樹脂部材の接合方法では、繊維強化熱可塑性樹脂部材１０の端部を繊維強化熱可塑性樹脂部材２０の端部につき合わせ、繊維強化熱可塑性樹脂部材１０、２０を振動溶着により接合している。そのため、繊維強化熱可塑性樹脂部材同士を部分的に重ね合わせて接合する場合と異なり、重ね合わせる部位が不要である。したがって、樹脂接合体１００において、溶着面積を低減させることができ、かつ軽量化を図ることができる。

本実施形態に係る繊維強化熱可塑性樹脂部材の接合方法では、繊維強化熱可塑性樹脂部材１０、２０を重ね合わせる部位が不要であるため、得られる樹脂接合体１００の構造の自由度が増す。

また、本実施形態に係る繊維強化熱可塑性樹脂部材の接合方法では、熱可塑性樹脂中にランダムに配向された繊維を含む繊維強化熱可塑性樹脂部材１０、２０を接合に用いた場合であっても、部材同士の接合強度を向上させることができる。

さらに、本実施形態に係る繊維強化熱可塑性樹脂部材の接合方法では、図１０に示すような熱可塑性樹脂中に一方向に配向された繊維を含む繊維強化熱可塑性樹脂部材４０を、熱可塑性樹脂中にランダムに配向された繊維を含む繊維強化熱可塑性樹脂部材１０、２０の代わりに用いて得られる樹脂接合体とほぼ同等の接合強度を有する樹脂接合体１００を得ることができる。この理由は、繊維強化熱可塑性樹脂部材１０、２０をつき合わせることで形成される接触面１（接合面）にて、繊維強化熱可塑性樹脂同士が混ざりやすくなっており、繊維の絡み合いにより部材同士の接合強度が向上しているためであると推測される。

繊維が一方向に配向された繊維強化熱可塑性樹脂部材を用いた場合、一般的に部材同士の接合強度に優れる樹脂接合体を得ることが可能であるが、繊維が一方向に配向された繊維強化熱可塑性樹脂部材は高コストであるという問題がある。

さらに、本実施形態に係る繊維強化熱可塑性樹脂部材の接合方法にて繊維が一方向に配向された繊維強化熱可塑性樹脂部材を用いた場合、接合面にて、繊維強化熱可塑性樹脂同士が混ざりにくく、繊維の絡み合いが生じにくい。そのため、接合面にてボイドが発生しやすくなり、かつ繊維強化熱可塑性樹脂部材同士の接合強度の安定性に欠けることが推測される。

一方、本実施形態に係る繊維強化熱可塑性樹脂部材の接合方法では、熱可塑性樹脂中にランダムに配向された繊維を含む繊維強化熱可塑性樹脂部材を用いてコストを削減しつつ、部材同士の接合強度を繊維が一方向に配向された繊維強化熱可塑性樹脂部材を用いた場合とほぼ同等の接合強度が得られるため、非常に有用である。

さらに、ランダムに配向された繊維を含む繊維強化熱可塑性樹脂は、一方向に配向された繊維を含む繊維強化熱可塑性樹脂よりも成形性が高く、取り扱いが容易である。

以下、本実施形態にて用いる繊維強化熱可塑性樹脂部材１０、２０について説明する。

繊維強化熱可塑性樹脂部材１０は、図５に示すように、熱可塑性樹脂中にランダムに配向された繊維を含む部材である。

また、繊維強化熱可塑性樹脂部材２０も、繊維強化熱可塑性樹脂部材１０と同様に熱可塑性樹脂中にランダムに配向された繊維を含む部材である。繊維強化熱可塑性樹脂部材１０、２０を構成する成分は、互いに同じであってもよく、異なっていてもよい。繊維強化熱可塑性樹脂部材１０、２０を構成する成分が異なる場合、各部材に含まれる、繊維、熱可塑性樹脂及びその他の成分の少なくともいずれかが異なるものであればよい。

繊維強化熱可塑性樹脂部材１０、２０を構成する熱可塑性樹脂は特に限定されるものではなく、目的に応じて公知の各種熱可塑性樹脂を使用可能である。本実施形態において用いられる熱可塑性樹脂としては、例えば、ポリカーボネート樹脂、ポリアミド（ＰＡ）樹脂、ポリウレタン（ＰＵ）樹脂、ポリ塩化ビニル樹脂、アクリロニトリル−ブタジエン−スチレン共重合（ＡＢＳ）樹脂及びポリプロピレン（ＰＰ）樹脂が挙げられる。これらの中でも、ＰＡ樹脂及びＰＰ樹脂が好ましい。

繊維強化熱可塑性樹脂部材１０、２０を構成する樹脂として熱可塑性樹脂を用いることにより、繊維強化熱可塑性樹脂部材１０、２０を接合するときに接着剤が不要である。また、樹脂として熱可塑性樹脂を用いることにより、樹脂のリサイクルが可能である。

また、繊維強化熱可塑性樹脂部材１０、２０を構成する樹脂には、機械的強度を向上させる点から繊維が添加されている。添加される繊維としては、例えば、アラミド繊維、セルロース繊維、ナイロン繊維、ビニロン繊維、ポリエステル繊維、ポリオレフィン繊維、レーヨン繊維等の樹脂繊維、炭素繊維（ＣＦ）、ガラス繊維（ＧＦ）、金属繊維などが挙げられる。中でも、機械的強度をより向上させる点から、炭素繊維及びガラス繊維が好ましい。

さらに、繊維強化熱可塑性樹脂部材１０、２０には、必要に応じて熱可塑性樹脂及び繊維以外に、添加剤、フィラー、着色剤などのその他の成分が含まれていてもよい。

本実施形態にて用いる繊維強化熱可塑性樹脂部材１０、２０は、同じ大きさの部材であってもよく、異なる大きさの部材であってもよい。また、本実施形態では、繊維強化熱可塑性樹脂部材１０の端部全体を繊維強化熱可塑性樹脂部材２０の端部全体につき合わせて接合しているが、これに限定されず、繊維強化熱可塑性樹脂部材１０の端部の少なくとも一部と、繊維強化熱可塑性樹脂部材２０の端部の少なくとも一部とをつき合わせて接合してもよい。

＜第二実施形態＞
次に、本発明の第二実施形態に係る繊維強化熱可塑性樹脂部材の接合方法について、図３、４を用いて説明する。図３は、本発明の第二実施形態に係る繊維強化熱可塑性樹脂部材の接合方法により得られる樹脂接合体の概略構成図であり、図４は、本発明の第二実施形態に係る繊維強化熱可塑性樹脂部材の接合方法を示す概略図である。本実施形態では、図３、４に示すように、繊維強化熱可塑性樹脂部材１０の端部を繊維強化熱可塑性樹脂部材３０の表面の一部につき合わせ、繊維強化熱可塑性樹脂部材１０、３０を振動溶着により接合している点で第一実施形態と相違する。なお、本実施形態で用いる繊維強化熱可塑性樹脂部材１０は、第一実施形態に記載したとおりであり、本実施形態で用いる繊維強化熱可塑性樹脂部材３０は、熱可塑性樹脂中にランダムに配向された繊維を含む部材であればよく、繊維強化熱可塑性樹脂部材１０と同一であってもよく、異なっていてもよい。

図４に示すように、第一部材である繊維強化熱可塑性樹脂部材１０の端部を第二部材である繊維強化熱可塑性樹脂部材３０の表面の一部につき合わせる。繊維強化熱可塑性樹脂部材１０、３０をつき合わせることで繊維強化熱可塑性樹脂部材１０の端部と繊維強化熱可塑性樹脂部材３０の表面の一部との接触面２（接合面）が形成される。形成された接触面２（接合面）の長手方向である矢印Ｘ方向に、繊維強化熱可塑性樹脂部材１０及び繊維強化熱可塑性樹脂部材３０の少なくとも一方を振動させ、かつ接触面２と直交する方向である矢印Ｙ方向に沿って加圧することで、繊維強化熱可塑性樹脂部材１０、３０を振動溶着により接合する。

繊維強化熱可塑性樹脂部材１０、３０を振動溶着により接合することで、図３に示す樹脂接合体１００が得られる。

第二実施形態に係る繊維強化熱可塑性樹脂部材の接合方法では、繊維強化熱可塑性樹脂部材１０の端部を繊維強化熱可塑性樹脂部材３０の表面の一部につき合わせ、繊維強化熱可塑性樹脂部材１０、３０を振動溶着により接合している。そのため、繊維強化熱可塑性樹脂部材同士を部分的に重ね合わせて接合する場合と異なり、重ね合わせる部位が不要である。したがって、樹脂接合体２００において、溶着面積を低減させることができ、かつ軽量化を図ることができる。

第二実施形態に係る繊維強化熱可塑性樹脂部材の接合方法では、熱可塑性樹脂中にランダムに配向された繊維を含む繊維強化熱可塑性樹脂部材１０、３０を接合に用いた場合であっても、部材同士の接合強度を向上させることができる。

本実施形態にて用いる繊維強化熱可塑性樹脂部材１０、３０は、同じ大きさの部材であってもよく、異なる大きさの部材であってもよい。また、本実施形態では、繊維強化熱可塑性樹脂部材１０の端部全体を繊維強化熱可塑性樹脂部材３０の表面の一部につき合わせて接合しているが、これに限定されず、繊維強化熱可塑性樹脂部材１０の端部の少なくとも一部を繊維強化熱可塑性樹脂部材３０の表面の一部につき合わせて接合してもよい。

また、繊維強化熱可塑性樹脂部材３０における繊維強化熱可塑性樹脂部材１０の端部と接触する部位は、繊維強化熱可塑性樹脂部材３０の表面であれば特に限定されない。そのため、繊維強化熱可塑性樹脂部材３０の表面における任意の部位に、繊維強化熱可塑性樹脂部材１０の端部を接触させて接触面２を形成して、繊維強化熱可塑性樹脂部材１０、３０を接合させてもよい。

以下、実施例に基づき、本実施形態をより具体的に説明するが、本実施形態は以下の実施例に限定されるものではない。

［実施例１］
（繊維強化熱可塑性樹脂部材の準備）
熱可塑性樹脂として、東レ株式会社製ＣＦＲＴＰ（ランダム繊維材）を用い、長さ５０ｍｍ、幅２５ｍｍ、厚さ３ｍｍの繊維強化熱可塑性樹脂部材を２つ形成した。

（振動溶着）
得られた２つの繊維強化熱可塑性樹脂部材を、２５±２℃に管理された部屋で１０日以上保管後、振動溶着により接合させた。
振動溶着機として、ブランソン ＭＩＣＲＯ ＰＰＬ（日本エマソン株式会社）を用いた。

繊維強化熱可塑性樹脂部材の端部（幅２５ｍｍ×厚さ３ｍｍの面）と、もう一方の繊維強化熱可塑性樹脂部材の端部（幅２５ｍｍ×厚さ３ｍｍの面）と、を図２に示すようにつき合わせ、振動溶着を実施し、樹脂接合体を作製した。溶着条件としては、振動振幅を１．８ｍｍとし、加圧を２５０Ｎとした。溶着時間５秒、７秒、９．９秒での沈込み量は、それぞれ約２ｍｍ、約４ｍｍ、約５ｍｍであった。

図６にて、得られた樹脂接合体の溶着断面図を示す。図６（ｂ）、（ｃ）に示すように、溶着部にて繊維強化熱可塑性樹脂部材に含まれる繊維の絡み合いが生じていることが観察された。

（せん断強度測定）
実施例１にて得た樹脂接合体について、株式会社島津製作所製 オートグラフ ＡＧ−Ｘ１００ＫＮを用い、せん断試験を実施した。せん断強度（接合強度）は１８．５ＭＰａであった。

［比較例１］
熱可塑性樹脂として、三菱レーヨン株式会社製ＣＦＲＴＰ（繊維が一方向に配向された連続繊維材）を用い、かつ溶着条件における加圧を２５０Ｎから５００Ｎに変更したこと以外は、実施例１と同様にして、樹脂接合体を作製した。比較例１では、溶着時間５秒、７秒、９．９秒での沈込み量は、それぞれ約５ｍｍ、約６．５ｍｍ、約８ｍｍであった。

図７にて、得られた樹脂接合体の溶着断面図を示す。図７（ｂ）、（ｃ）に示すように、溶着部では実施例１と異なり、繊維の絡み合いが生じておらず、加圧により繊維が押しつぶされていることが観察された。

（せん断強度測定）
比較例１にて得た樹脂接合体について、実施例１と同様にせん断試験を実施した。せん断強度は１９．８ＭＰａであった。

［比較例２］
実施例１と同様に、熱可塑性樹脂として東レ株式会社製ＣＦＲＴＰ（ランダム繊維材）を用い、繊維強化熱可塑性樹脂部材を２つ形成した。そして、２つの繊維強化熱可塑性樹脂部材を、図９に示すように部分的に重ね合わせて接合し、樹脂接合体を作製した。なお、長さ方向において重なりあいの長さは、２０ｍｍであった。

（せん断強度測定）
比較例２にて得た樹脂接合体について、実施例１と同様にせん断試験を実施した。せん断強度は１４．５ＭＰａであった。

実施例１及び比較例１、２に係る繊維強化熱可塑性樹脂部材の接合方法により得られた樹脂接合体におけるせん断強度（接合強度）の測定結果を図８に示す。

図８に示すように、実施例１にて得られた樹脂接合体では、比較例１にて得られた樹脂接合体とほぼ同等の接合強度を確保することができた。さらに、実施例１にて得られた樹脂接合体では、比較例２にて得られた樹脂接合体と比較して接合強度が約２８％向上していた。

１、２ 接触面
１０、２０、３０ 繊維強化熱可塑性樹脂部材（熱可塑性樹脂中にランダムに配向された繊維を含む繊維強化熱可塑性樹脂部材）
４０、５０ 繊維強化熱可塑性樹脂部材（熱可塑性樹脂中に一方向に配向された繊維を含む繊維強化熱可塑性樹脂部材）
１００、２００、３００ 樹脂接合体

Claims (1)

1. 熱可塑性樹脂と前記熱可塑性樹脂中にランダムに配向された繊維とを含む繊維強化熱可塑性樹脂部材である、第一部材及び第二部材について、前記第一部材の端部を前記第二部材につき合わせて形成された前記第一部材の端部と前記第二部材との接触面の長手方向に沿って、前記第一部材及び前記第二部材の少なくとも一方を振動させ、前記第一部材と前記第二部材とを振動溶着により接合する繊維強化熱可塑性樹脂部材の接合方法。