JP2018122567A

JP2018122567A - 樹脂成型品の接合方法

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Publication number: JP2018122567A
Application number: JP2017018593A
Authority: JP
Inventors: 光宏権田; Mitsuhiro GONDA; 望月　章弘; Akihiro Mochizuki; 章弘望月
Original assignee: Polyplastics Co Ltd
Current assignee: Polyplastics Co Ltd
Priority date: 2017-02-03
Filing date: 2017-02-03
Publication date: 2018-08-09
Anticipated expiration: 2037-02-03
Also published as: JP6861043B2

Abstract

【課題】熱可塑性結晶性樹脂組成物でなる樹脂成型品について、樹脂成型品の変形や中空部の変形を小さく抑え、十分な接合強度が得られるように接続する。【解決手段】第１成型品１０１及び第２成型品１０２の少なくとも一方の照射面１０１ａ、１０２ａに、下記式（１）を満たす条件でレーザー光を照射し、第１成型品１０１及び第２成型品１０２の少なくとも一方の照射面１０１ａ、１０２ａに紫外光を照射し、第１成型品１０１及び第２成型品１０２の照射面１０１ａ、１０２ａが対向して接触するように、第１成型品１０１及び第２成型品１０２を位置決めし、第１成型品１０１及び第２成型品１０２の照射面１０１ａ、１０２ａが互いに接合するように、第１成型品１０１及び第２成型品１０２を加圧することを含む。エネルギー密度≧樹脂の溶融に必要なエネルギー・・・（１）【選択図】図１

Description

本発明は、光線を照射して樹脂成型品を接合する樹脂成型品の接合方法に関する。

従来、分析機器の流路、配管部品、エンジンコントロールユニット（ＥＣＵ）のケースカバー等に、樹脂組成物によって作製され、内部に中空部が形成された三次元中空体が利用されている。三次元中空体の多くは、樹脂組成物でなる樹脂成型品の複数の構成部材が、互いに接合されて構成されている。

樹脂成型品の構成部材を接合するためには、接着剤や熱溶着など、各種の接合技術が提供されている。ただし、樹脂成型品を接着剤で接合する技術は、樹脂成型品を変形させることなく接合することができるが、一般的に接着剤の硬化には数時間かかるため生産性に劣る上、接着剤が中空部に漏出して溝が埋没するといった問題から微細な流路部品の接合には適さないものであった。そして、樹脂成型品を熱溶着する技術は、数分で接合することが可能であるが、接合した樹脂成型品にバリが発生したり、中空部が熱変形したりすることがあった。

また、真空紫外光（ＶＵＶ）により樹脂成型品を処理して接合する技術が提供されている（特許文献１−４、非特許文献１を参照）。この技術によると、樹脂成型品の接合に数分から数十分程度の時間を要するが、接合した樹脂成型品の変形は小さく、中空部の変形も小さい。特許文献１、２、非特許文献１は、樹脂成型品にポリメタクリル酸メチル（ＰＭＭＡ）樹脂や環状オレフィン樹脂等の非晶性樹脂でなるものを想定し、接合強度は１ＭＰａ以下である。特許文献３、４は、シリコーン接着を想定している。

特開２００６−１８７７３０号公報特開２００９−１７３８９４号公報特開２０１１−１４８１０４号公報特開２０１３−１４７０１８号公報

谷口義尚、他４名、「光表面活性化によるシクロオレフィンポリマーの接合：接合強度評価とマイクロ流路への応用」、表面技術、表面技術協会、２０１４、第６５巻、第５号、ｐ．３６−４１

一方、ウォーターポンプ部品等の長期間にわたり大きな機械的応力が加わる成型品（特に三次元中空体）には、堅牢で安定した性質を有するポリブチレンテレフタレート（ＰＢＴ）樹脂やポリフェニレンサルファイド（ＰＰＳ）樹脂のような熱可塑性結晶性樹脂を利用することができる。また、熱可塑性結晶性樹脂でなる樹脂成型品を接合することにより三次元中空体を作製する際には、接合による樹脂成型品の変形が小さく、中空部の変形も小さくすることが求められる。

前述の真空紫外光で樹脂成型品を処理して接合する技術は、樹脂成型品の変形や中空部の変形を小さく抑えることができたが、非晶性樹脂でなる樹脂成型品の接合やシリコーン接着剤の硬化を想定したものであり、十分な接合強度を確保することもできなかった。

本発明は、上述の実情に鑑みて提案されるものであって、熱可塑性結晶性樹脂組成物でなる樹脂成型品についても、樹脂成型品の変形や中空部の変形を小さく抑えることができ、高い接合強度（１ＭＰａ以上）が得られるような樹脂成型品の接合方法を提供することを目的とする。

上述の課題を解決するために、本発明に係る樹脂成型品の接合方法は、樹脂組成物からなる樹脂成型品を接合する接合方法であって、第１成型品及び第２成型品の表面において互いに接合が予定される領域について、第１成型品及び第２成型品の少なくとも一方の前記領域に、下記式（１）を満たす条件でレーザー光を照射し、前記第１成型品及び前記第２成型品の少なくとも一方の前記領域に紫外光を照射し、前記第１成型品及び前記第２成型品の前記領域が対向して接触するように、前記第１成型品及び前記第２成型品を位置決めし、前記第１成型品及び前記第２成型品の前記領域が互いに接合するように、前記第１成型品及び前記第２成型品を加圧することを含んでいる。

エネルギー密度≧樹脂の溶融に必要なエネルギー・・・（１）
前記紫外光は、真空紫外光であってもよい。前記第１成型品及び前記第２成型品を加圧することは、前記第１成型品及び前記第２成型品を加熱することを含んでもよい。前記樹脂組成物は、熱可塑性結晶性樹脂を含んでもよい。

本発明によると、樹脂成型品の変形、特に三次元中空体を構成する樹脂成型品における中空部の変形を小さく抑えて樹脂成型品を接合することができる。また、接合した樹脂成型品は、高い接合強度を有する。

樹脂成型品の接合方法の一連の工程を概略的に示す図である。紫外光照射装置の写真である。接合試験片の写真である。レーザー光及び紫外光の照射条件と接合強度との関係を示すグラフである。

以下、本発明に係る樹脂成型品の接合方法の実施の形態について、図面を参照して詳細に説明する。本実施の形態では、樹脂組成物として、熱可塑性結晶性樹脂を想定している。

熱可塑性結晶性樹脂には、例えば、ポリオキシメチレン（ＰＯＭ）やポリブチレンテレフタレート（ＰＢＴ）、ポリエチレンテレフタレート（ＰＥＴ）、ポリフェニレンサルファイド（ＰＰＳ）、液晶ポリマーを使用してもよい。熱可塑性結晶性樹脂は、一般的に不透明であるが、結晶化度が低い樹脂では半透明ないしは透明であってもよい。また、熱可塑性結晶性樹脂にはガラス繊維などの充填剤、酸化防止剤や安定剤、核剤、滑剤、可塑剤、離型剤、着色剤といった、一般的に樹脂組成物に添加される各種添加剤を添加してもよい。

本実施の形態では、樹脂組成物によって作製された第１成型品及び第２成型品を用い、これらを互いに接合する。第１成型品及び第２成型品には、表面に互いに接合が予定される領域となる対向面が含まれ、これらの対向面は対応するような形状に形成されている。例えば、第１成型品及び第２成型品の対向面は、それぞれ略平坦に形成されていてもよい。また、対向面は、凹凸を有する面であっても第１成型品の凹部と第２成型品の凸部（または第１成型品の凸部と第２成型品の凹部）が対応して密着可能な面であればよい。

図１は、本実施の形態の一連の工程を概略的に説明する図である。図１（ａ）に示すように、第１成型品１０_１を用意し、集光レンズ２２を介してレーザー発生源２１から放出されたレーザー光を第１成型品１０_１の略平坦な照射面１０_１ａに向けて集光して照射する。第１成型品１０_１は、照射面１０_１ａを第２成型品１０_２と接合される対向面としている。

レーザー光は、照射面１０_１ａの全体を照射するように、照射面１０_１ａを所定の走査速度、ピッチ等で走査する。このような照射処理によって、第１成型品１０_１の照射面１０_１ａには、照射面１０_１ａから所定深さまで樹脂組成物の性状が変化した処理層１１_１が形成される。

ここで、レーザー光の照射条件は、少なくとも照射面１０_１ａにおいて、表層の樹脂を溶融させる程度のエネルギーを与えられるよう適宜設定することができる。すなわち、レーザー光の強度、照射回数、照射時間、照射面積から下記式（化１）によって求められるエネルギー密度が、第１成型品１０_１に用いられる樹脂組成物の比熱、融点、及び処理層１１_１の深さから求められる照射面１０_１ａを所定深さまで溶融させるのに必要なエネルギー（化２）以上となるように、下記式（２）を満たすように設定する。

＊１：レーザー強度はＮＯＶＡＩＩＤＩＳＰＬＡＹＡＳＳＹＲｏＨＳ（株式会社オフィールジャパン製）にて実測した値である。

エネルギー密度≧樹脂の溶融に必要なエネルギー・・・（２）
例えば、ポリフェニレンサルファイド樹脂の場合、３．３×１０^６Ｊ／ｍ^２（比熱９６０Ｊ／ｋｇ・Ｋ、密度１．３５ｋｇ／ｍ^３、融点５５３Ｋ、処理深さ０．１ｍｍにて計算）以上であることが好ましい。ただし、レーザー光を、照射面１０_１ａ全面に対し同時に照射するのでなく、光線の幅を絞って走査して照射する場合は、レーザー光が照射されていない間の放熱の影響を見込んで、より高いエネルギーを与える必要がある。放熱の影響は、樹脂の熱伝達係数及びレーザー光の照射サイクル（ある箇所に照射されたレーザー光が、走査して再度同じ箇所に照射されるまでの間隔）から見積ることが可能である。

本実施の形態において、レーザー発生源２１には、チタン添加サファイア結晶、ネオジウム添加イットリウム・アルミニウム・ガーネット結晶、イッテルビウム添加イットリウム・アルミニウム・ガーネット結晶、イッテルビウム添加カリウム・ガドリニウム・タングステン結晶、イッテルビウム添加カリウム・イットリウム・タングステン結晶、エルビウム添加光ファイバ、または、イッテルビウム添加ファイバなどをレーザー媒体として使用することができる。

同様に、第２成型品１０_２を用意し、集光レンズ２２を介してレーザー発生源２１から放出されたレーザー光を第２成型品１０_２の略平坦な照射面１０_２ａに向けて照射する。第２成型品１０_２は、照射面１０_２ａを第１成型品１０_１と接合される対向面としている。

レーザー光は、照射面１０_２ａの全体を照射するように、照射面１０_２ａを所定の走査速度、ピッチ等で走査する。このような照射処理によって、第２成型品１０_１の照射面１０_２ａにも、照射面１０_２ａから所定深さまで樹脂組成物の性状が変化した処理層１１_２が形成される。ここで、レーザー光の照射条件は、少なくとも照射面１０_２ａにおいて、表層の樹脂を溶融させる程度のエネルギーを与えられるよう、上記照射面１０_１ａにおける場合と同様に適宜設定することができる。

図１（ｂ）に示すように、紫外光照射装置３０を用いて第１成型品１０_１の照射面１０_１ａに紫外（ＵＶ）光を照射する。第１成型品１０_１の照射面１０_１ａには、レーザー光の照射により所定深さまで樹脂組成物の性状が変化した処理層１１_１が形成されている。

ここで、紫外光とは、波長が３８０ｎｍ以下のものを指す。特に紫外光の内で波長が２００ｎｍ以下のものは真空紫外光（ＶＵＶ）という。なお、真空紫外光は、必ずしも真空中で照射しなければならないものではないが、当該波長域の紫外光は空気による吸収が大きいため、空気中で照射する場合は、真空紫外光が伝播する距離を短くする必要がある。

図１（ｂ）において、紫外光照射装置３０は、Ｘｅエキシマランプなどの光源３１と、光源３１から放出された光を照射物に向けて反射する反射板３２とを有している。図２は、紫外光照射装置の一例を示す写真である。この写真に示す紫外光照射装置は、筐体上面に形成された開口から上部に向けて紫外光を照射することができる。

本実施の形態では、紫外光照射装置３０から第１成型品１０_１の照射面１０_１ａに向けて２分間にわたって紫外光を照射する。このような照射処理によって、レーザー光の照射により照射面１０_１ａから所定深さまで樹脂組成物の性状が変化した処理層１１_１は、さらに性状が変化する。

同様に、第２成型品１０_２を用意し、紫外光照射装置３０から第２成型品１０_２の照射面１０_２ａに向けて２分間にわたって紫外光を照射する。第２成型品１０_２の照射面１０_２ａには、レーザー光の照射により所定深さまで樹脂組成物の性状が変化した処理層１１_２が形成されている。紫外光の照射処理によって、レーザー光の照射により照射面１０_２ａから所定深さまで樹脂組成物の性状が変化した処理層１１_２は、さらに性状が変化する。

本実施の形態では、第１成型品１０_１及び第２成型品１０_２への紫外光の照射は、２分に限られることはなく、０分を超え１５分以下の時間であってもよい。また、３０秒以上１０分以下（例えば１分以上７分以下）の時間であってもよい。紫外光の照射により、第１成型品１０_１の照射面１０_１ａと第２成型品１０_２の照射面１０_２ａの劣化が進むことで、かえって接合強度が低下する場合があるため、第１成型品１０_１及び第２成型品１０_２への紫外光の照射は所定の時間内であることが好ましい。

なお、第１成型品１０_１と第２成型品１０_２に対する紫外光の照射は、同一の紫外光照射装置を用いて同時に行ってもよい。また、上記の順番とは逆に、第２成型品１０_２への紫外光の照射を先に行い、その後で第１成型品１０_１へ紫外光を照射してもよい。

図１（ｃ）に示すように、第１成型品１０_１の照射面１０_１ａと第２成型品１０_２の照射面１０_２ａが対向して接触するように、第１成型品１０_１及び第２成型品１０_２とを位置決めする。すなわち、第１成型品１０_１の対向面と第２成型品１０_２の対向面とが対応して密着するようにする。位置決めされた状態では、第１成型品１０_１の略平坦な照射面１０_１ａと第２成型品１０_２の略平坦な照射面１０_２ａとは、互いにその略全体で接触している。

ここで、より高い接合強度を確保するためには、第１成型品１０_１及び第２成型品１０_２を位置決めする操作は、第１成型品１０_１及び第２成型品１０_２に紫外光を照射する工程（図１（ｂ）を参照）を終えてから、できるだけ短時間（好ましくは５分以内、例えば１分以内）で行うことが望ましい。なお、紫外光として真空紫外光を照射する場合は、照射を終えてから位置決めする操作を行う時間を比較的長くした場合（例えば３時間、好ましくは１時間以内、より好ましくは３０分以内）でも、高い接合強度を得やすいため有利である。

図１（ｄ）に示すように、位置決めされた第１成型品１０_１及び第２成型品１０_２を第１プレス部材４１及び第２プレス部材４２により挟持する。そして、第１プレス部材４１及び第２プレス部材４２によって、第１成型品１０_１及び第２成型品１０_２を加圧する。

例えば、第１プレス部材４１及び第２プレス部材４２により、第１成型品１０_１の照射面１０_１ａと第２成型品１０_２の照射面１０_２ａとを互いに押圧する方向に圧力を加えても良い。押圧する圧力は１０から５０ＭＰａの範囲で適宜調整すれば良く、例えば３０ＭＰａで加圧してもよい。加圧時間も２分から１００分の範囲で適宜調整すれば良く、例えば６０分にわたって加圧しても良い。同時に、第１プレス部材４１及び第２プレス部材４２は加熱装置を備えていても良く、当該加熱装置により、第１成型品１０_１の照射面１０_１ａと第２成型品１０_２の照射面１０_２ａとを加熱しても良い。第１成型品１０_１の照射面１０_１ａと第２成型品１０_２の照射面１０_２ａにおける温度は使用する熱可塑性結晶性樹脂に応じ５０℃から２００℃の範囲で適宜調整すればよく、例えば１２０℃で維持されるように加熱してもよい。

このような加熱及び加圧によって、第１成型品１０_１の処理層１１_１と第２成型品１０_２の処理層１１_２とは融合し、単一の接合層１２を形成するようになる。すなわち、第１成型品１０_１と第２成型品１０_２とは、それぞれの対向面において互いに融合されて連結される。これによって、第１成型品１０_１及び第２成型品１０_２は、接合層１２を通じて一体として接続され、単一の成型品（例えば三次元中空体）を構成するようになる。

接合層１２は、レーザー光及び紫外光の照射により活性化された第１成型品１０_１の処理層１１_１と第２成型品１０_２の処理層１１_２とが、所定時間にわたる加熱及び加圧の工程によって融合したものである。したがって、接合層１２による第１成型品１０_１及び第２成型品１０_２の接続は、機械的に堅牢であり、化学的にも安定である。

本実施の形態では、レーザー光及び紫外光の照射により形成した第１成型品１０_１の処理層１１_１と第２成型品１０_２の処理層１１_２とを互いに融合させる接合層１２とすることにより接続するものである。したがって、接合層１２における変形は小さく、バリが発生することもない。また、接合層１２に溝など微細な構造の中空部が存在する場合も、そのような中空部が変形によりつぶれることはない。

本実施の形態は、堅牢で安定した性質を有するポリオキシメチレン（ＰＯＭ）やポリブチレンテレフタレート（ＰＢＴ）樹脂、ポリエチレンテレフタレート（ＰＥＴ）樹脂、ポリフェニレンサルファイド（ＰＰＳ）樹脂、液晶ポリマーのような熱可塑性結晶性樹脂を利用することができる。このような熱可塑性結晶性樹脂は、ウォーターポンプ部品等の長期間にわたり大きな機械的応力が加わる三次元中空体の作製にも利用することができる。

なお、図１（ａ）〜図１（ｄ）に示した一連の工程においては第１成型品１０_１の略平坦な照射面１０_１ａ及び第２成型品１０_２の略平坦な照射面１０_２ａの両方にレーザー光及び紫外光を照射する例を示した。しかしながら、このような一連の工程に限らず、レーザー光及び紫外光の照射は、第１成型品１０_１及び第２成型品１０_２の一方であってもよい。

例えば、第１成型品１０_１及び第２成型品１０_２の両方にレーザー光を照射し、第１成型品１０_１及び第２成型品１０_２の一方に紫外光を照射してもよい。また、第１成型品１０_１及び第２成型品１０_２の一方にレーザー光を照射し、第１成型品１０_１及び第２成型品１０_２の両方に紫外光を照射してもよい。

さらに、第１成型品１０_１及び第２成型品１０_２の一方にレーザー光を照射し、第１成型品１０_１及び第２成型品１０_２の一方に紫外光を照射してもよい。ここで、第１成型品１０_１及び第２成型品１０_２の一方にレーザー光を照射し、当該一方に紫外光を照射してもよい。また、第１成型品１０_１及び第２成型品１０_２の一方にレーザー光を照射し、他方に紫外光を照射してもよい。

上述の本実施の形態を適用した実施例について説明する。図３は、接合試験片を示す写真である。本実施例では、第１成型品及び第２成型品として、図３の写真に示すような接合試験片を用いる。接合試験片は、エラストマーや反応性化合物を含まない非強化ＰＰＳ樹脂であるジュファライド（登録商標）０２２０Ａ９によってＩＳＯ３１６７に準拠した引張試験片Ｔｙｐｅ１Ａを作成した後、それを長手方向の中央で２等分に切断し、それぞれ切断端部から１０ｍｍを接合領域として重ねている。写真では、２つの接合試験片が接合領域で互いに接合されて載置されている。

図４は、レーザー光及び紫外光の照射条件と接合強度との関係を示すグラフである。このグラフは、図１で説明した工程に従い接合した接合試験片を用い、ＩＳＯ５２７−１，２に準拠して引っ張り試験機によって接合強度を測定した結果を示している。

レーザー照射装置はキーエンス社製ＭＤ−Ｖ９９００（レーザー発生源Ｎｄ：ＹＶＯ_４(ネオジウム添加イットリウム・バナデート結晶)、波長：１０６４ｎｍ）を用いた。レーザー光の照射条件は、エネルギー密度が６．５×１０^６Ｊ／ｍ^２（１％出力）〜５８６．２×１０^６Ｊ／ｍ^２（９０％出力）になるように、周波数５０ｋＨｚ、走査速度１０００ｍｍ／ｓ、照射回数１０回で出力を可変させた。紫外光としては波長１７２ｎｍの真空紫外光を用い、図１（ｃ）に示した接合試験片の位置決めの工程は、真空紫外光の照射終了から５分以内に行った。また、図１（ｄ）に示した加熱及び加圧の工程は、温度１６０℃及び圧力３０ＭＰａであり、１０分にわたり維持した。なお、比較のため、レーザー光を照射せずに、上記の条件で真空紫外光の照射のみを行ってから加熱及び加圧した場合と、真空紫外光を照射せずに、９０％出力でのレーザー光照射のみを行ってから加熱及び加圧した場合の接合試験片についても同様に評価した。

図４中の測定値に見られるように、レーザー光の照射条件を可変し、真空紫外光を照射した場合には、レーザー光のエネルギー密度が所定値よりも大きくなると、レーザー光の強度に応じて接合強度も大きくなっている。図４の結果から、レーザー光のエネルギー密度が３２５．７×１０^６Ｊ／ｍ^２（５０％出力）以上であれば、接合強度は１ＭＰａを超え、実用に十分な接合強度が得られた。ここで、十分な接合強度を得るために必要なエネルギーが、先に述べたＰＰＳの溶融に必要なエネルギー（３．３×１０^６Ｊ／ｍ^２）よりも大きくなった理由は、レーザー光を走査して照射していることで、放熱の影響を受けているためである。なお、レーザー光照射なしの場合や、エネルギー密度５８６．２×１０^６Ｊ／ｍ^２Ｊ／ｍ^２（９０％出力）でも真空紫外光照射なしの場合には、十分な接合強度は得られなかった。

１０_１第１成型品
１０_２第２成型品
２１レーザー発生源
３０紫外光照射装置
４１第１プレス部材
４２第２プレス部材

Claims

樹脂組成物からなる樹脂成型品を接合する接合方法であって、第１成型品及び第２成型品の表面において互いに接合が予定される領域について、
前記第１成型品及び前記第２成型品の少なくとも一方の前記領域に、下記式（１）を満たす条件でレーザー光を照射し、
前記第１成型品及び前記第２成型品の少なくとも一方の前記領域に紫外光を照射し、
前記第１成型品及び前記第２成型品の前記領域が対向して接触するように、前記第１成型品及び前記第２成型品を位置決めし、
前記第１成型品及び前記第２成型品の前記領域が互いに接合するように、前記第１成型品及び前記第２成型品を加圧すること
を含む接合方法。
エネルギー密度≧樹脂の溶融に必要なエネルギー・・・（１）
前記紫外光は、真空紫外光である請求項１に記載の接合方法。
前記第１成型品及び前記第２成型品を加圧することは、前記第１成型品及び前記第２成型品を加熱することを含む請求項１又は２に記載の接合方法。
前記樹脂組成物は、熱可塑性結晶性樹脂を含む請求項１から３のいずれか一項に記載の接合方法。