JP2019123153A - フッ素樹脂の接合方法及び金属樹脂接合体 - Google Patents

Abstract

【課題】接着剤やリベット締結等を用いることなく、フッ素樹脂材同士又はフッ素樹脂材と金属材とを直接接合する簡便な方法であって、被接合材のサイズ及び形状に制限されることなく適用可能であり、２００℃の高温環境下においても接合強度が低下しない接合部を得ることができるフッ素樹脂材の接合方法を提供する。加えて、フッ素樹脂材と金属材とが直接接合された接合部を有し、当該接合部の接着強度が２００℃の高温環境下においても低下しない金属樹脂接合体を提供する。【解決手段】一方の被接合材と他方の被接合材を直接接合する方法であって、一方の被接合材がフッ素樹脂材であり、当該一方の被接合材の表面に、ナトリウムを含む混合溶液を塗布した後、混合溶液が塗布された表面にレーザ照射を施す第一工程と、当該混合溶液を塗布した表面に他方の被接合材を当接させ、被接合界面を形成する第二工程と、レーザ照射によって被接合界面を昇温する第三工程と、を有すること、を特徴とするフッ素樹脂の接合方法。【選択図】図１

Description

本発明はフッ素樹脂材同士又はフッ素樹脂材と金属材とを接合する方法、及びフッ素樹脂材と金属材とが接合された金属樹脂接合体に関し、より具体的には、接着剤やリベット締結等を用いることなく、フッ素樹脂材同士又はフッ素樹脂材と金属材とを強固に直接接合する方法及び強固な接合部を有する金属樹脂接合体に関する。

フッ素樹脂は耐薬品性、耐摩耗性、難燃性及び撥水撥油性に優れ、比誘電率及び誘電正接が低い等の特徴的な電気的特性を有するため、医療機器、食品及び薬品等の関連産業において非常に多く使用されている。また、これらの産業以外にも、発電用のタービンブレード等にも採用され、様々な分野への応用展開が図られている。

しかしながら、フッ素樹脂は分子構造が安定で不活性であることから、フッ素樹脂同士及び他の材料との接着が極めて困難であり、良好な接着部を得るためには基本的に表面処理が不可欠である。

現在、工業用途で汎用されている金属ナトリウムを用いた表面処理の場合、エポキシ系接着剤との組み合わせによって高い接着強度が期待できるが、環境上の問題からクリーンな代替手法が望まれている。また、接着剤は耐熱性が低いため、フッ素樹脂の特徴を活用した高温雰囲気下での連続使用は難しく、比較的低温での使用に限られてしまう。更に、特に医療や食品等の分野では接着剤の使用は極力控えるべきであり、接着剤を用いない直接接合が切望されている。

このような状況下において、例えば、特許文献１（特開２００５−１０４１３２号公報）においては、レーザ透過性を備えた第１の平板状フッ素樹脂材の表面及びレーザ透過性を備えた第２の平板状フッ素樹脂材の裏面に粗面化処理を施す工程と、それぞれの粗面間に液状のレーザ吸収体を介装させた状態で、第１の平板状フッ素樹脂材及び第２の平板状フッ素樹脂材を積層させる工程と、第２の平板状フッ素樹脂材の表面側からレーザビームＬを照射してレーザ吸収体を加熱し、第１の平板状フッ素樹脂材及び第２の平板状フッ素樹脂材の対向面を溶融させる工程と、溶融したフッ素樹脂材同士を融着させる工程とを備えたフッ素樹脂材間の接合方法、が提案されている。

前記特許文献１に記載のフッ素樹脂材間の接合方法においては、予め各フッ素樹脂材の少なくとも一方の表面に粗面を形成することによって濡れ性が向上し、液状のレーザ吸収体がフッ素樹脂材の表面に均一に広がることとなり、溶着むらが生じなくなることから、フッ素樹脂材同士をレーザビームの照射によって安定的に接合することができる、としている。

また、特許文献２（特開２０１６−５６３６３号公報）においては、有機高分子化合物を含む成型体の表面温度を（前記有機高分子化合物の融点−１２０）℃以上にして、当該成型体の表面に大気圧プラズマ処理を行い、過酸化物ラジカルを導入することを特徴とする表面改質成型体の製造方法、が提案されている。

前記特許文献２に記載の表面改質成型体の製造方法においては、大気圧プラズマによる処理を行う際に、成型体表面を融点近くの高温とすることによって、有機高分子化合物の高分子の運動性を向上させることができ、成型体表面に過酸化物ラジカルを導入するとともに、有機高分子同士間に炭素−炭素結合が生じ、表面硬さを向上させることができることから、フッ素樹脂などのように接着性の低い有機高分子化合物を含む成型体を被着体と接合する際に、接着剤を用いない場合であっても接合を達成することができる、としている。

特開２００５−１０４１３２号公報 特開２０１６−５６３６３号公報

しかしながら、前記特許文献１に記載の接合方法は、フッ素樹脂材同士の接合を対象としており、フッ素樹脂材と金属材を接合することはできない。また、被接合材はレーザ透過性を有するフッ素樹脂材に限定されることに加え、接合界面強度の向上に直接寄与しないレーザ吸収体が接合界面に残存してしまう。

また、前記特許文献２に記載の表面改質成型体の製造方法では、真空排気系を有するチャンバー内にフッ素樹脂材を配置して大気圧プラズマ処理を施す必要があることに加え、当該フッ素樹脂材の表面温度を規定の温度域に昇温する必要がある。即ち、適用できるフッ素樹脂材のサイズ及び形状が制限されると共に、工程が煩雑になってしまう。更に、フッ素樹脂材と接着できるのは反応性官能基を有する被着体に限られる。

以上のような従来技術における問題点に鑑み、本発明の目的は、接着剤やリベット締結等を用いることなく、フッ素樹脂材同士又はフッ素樹脂材と金属材とを直接接合する簡便な方法であって、被接合材のサイズ及び形状に制限されることなく適用可能であり、２００℃の高温環境下においても接合強度が低下しない接合部を得ることができるフッ素樹脂材の接合方法を提供することにある。

また、本発明は、フッ素樹脂材と金属材とが直接接合された接合部を有し、当該接合部の接着強度が２００℃の高温環境下においても低下しない金属樹脂接合体を提供することも目的としている。

本発明者は上記目的を達成すべく、フッ素樹脂材の接合方法について鋭意研究を重ねた結果、フッ素樹脂材の表面にナトリウムを含む混合溶液を塗布してレーザ加熱すること等が効果的であることを見出し、本発明に到達した。

即ち、本発明は、
一方の被接合材と他方の被接合材を直接接合する方法であって、
前記一方の被接合材がフッ素樹脂材であり、
前記一方の被接合材の表面にナトリウムを含む混合溶液を塗布した後、前記混合溶液が塗布された前記表面にレーザ照射を施す第一工程と、
前記混合溶液を塗布した前記表面に前記他方の被接合材を当接させ、被接合界面を形成する第二工程と、
レーザ照射によって前記被接合界面を昇温する第三工程と、を有すること、
を特徴とするフッ素樹脂の接合方法、を提供する。

本発明のフッ素樹脂の接合方法では、レーザ照射によってフッ素樹脂のＣ−Ｆ結合を分離し、フッ素との結合性が高いナトリウムとフッ素とを結合させることで、分子構造が安定で不活性なフッ素樹脂の接合性を向上させることができる。

ここで、ナトリウムは水酸化ナトリウム、次亜塩素酸ナトリウム及び塩化ナトリウムのうちの少なくとも一つとして、混合溶液に含まれることが好ましい。これらの物質は環境負荷及び人体への影響が極めて小さいことから、本発明のフッ素樹脂の接合方法及び当該接合方法で得られる金属樹脂接合体を医療機器、食品及び薬品等の関連産業において好適に使用することができる。

また、本発明のフッ素樹脂の接合方法においては、前記第一工程において、前記混合溶液を塗布した前記表面にレーザ照射を施すことを特徴としている。第三工程のレーザ照射によっても、条件によってはフッ素樹脂のＣ−Ｆ結合の分離及びフッ素とナトリウムとの結合を進行させることができるが、第一工程でレーザ照射を施すことによって、より確実かつ効率的にフッ素樹脂のＣ−Ｆ結合の分離及びフッ素とナトリウムとの結合を達成することができる。

また、本発明のフッ素樹脂の接合方法においては、前記他方の被接合材が金属材であること、が好ましい。フッ素樹脂材と金属材とを接合することによって、多種多様な金属樹脂接合体を得ることができ、様々な産業分野で活用できる金属樹脂接合体を実現することができる。

また、本発明のフッ素樹脂の接合方法においては、前記第一工程において、前記他方の被接合材の表面にも前記混合溶液を塗布した後、レーザ照射を施すこと、が好ましい。他方の被接合材がフッ素樹脂材の場合は、当該フッ素樹脂材の接合性を高めることができる。また、他方の被接合材が金属材の場合は、第三工程における接合工程をより円滑に進めることができる。

また、本発明のフッ素樹脂の接合方法においては、前記第一工程の前記レーザ照射にパルスレーザを用いること、が好ましく、前記パルスレーザにナノ秒以下のレーザを用いること、がより好ましい。パルスレーザを照射することでフッ素樹脂のＣ−Ｆ結合の分離及びフッ素とナトリウムとの結合を効率的に進めることができ、ナノ秒以下のレーザを用いることでより効率的に進めることができる。

また、本発明のフッ素樹脂の接合方法においては、前記混合溶液に界面活性剤及び／又は増粘剤が含まれること、が好ましい。フッ素樹脂は撥水性のため、混合溶液を均質に塗布することは困難であるが、界面活性剤による濡れ性の改善及び／又は増粘剤による粘性の付与によって、所望する領域に混合溶液を均質に塗布することができる。

更に、本発明のフッ素樹脂材の接合方法においては、前記第三工程において、前記金属材側から前記レーザ照射を施すこと、が好ましい。第三工程で用いるレーザは、本発明の効果を損なわない限りにおいて特に制限されず、従来公知の種々のレーザを用いることができ、例えば、金属材を効率的に加熱できる半導体レーザを好適に用いることができる。

フッ素樹脂材側からレーザ照射を施す場合はフッ素樹脂材にレーザ光透過性等が要求されるが、金属材側からレーザ照射することにより、フッ素樹脂材の種類に依らず被接合材として用いることができる。また、金属材側から加熱することにより、フッ素樹脂材側に空間を設けることができ、必要に応じて当該フッ素樹脂材表面から加圧することができる。

本発明のフッ素樹脂材の接合方法によって得られる接合部は十分に高い強度を有しているが、加圧工程を加えることで、品質のばらつきを小さくすることができる。当該加圧により、例えば、軟化したフッ素樹脂材が金属材の熱影響部の範囲を超えて広がることから、金属材とフッ素樹脂材との接合界面を拡大することができる。

また、本発明は、
フッ素樹脂材と金属材との重ね接合部材であって、
前記フッ素樹脂材と前記金属材とは直接接合されており、
接合部のせん断引張試験において前記フッ素樹脂材が伸長すること、
を特徴とする金属樹脂接合体、も提供する。

本発明の金属樹脂接合体は、本発明のフッ素樹脂材の接合方法によって製造することができ、金属材とフッ素樹脂材は直接接合されており、接着剤やリベット締結によって接合されたものではない。

また、本発明の金属樹脂接合体においては、２００℃における前記接合部の接着強度が、室温における前記接合部の接着強度と比較して低下しないこと、が好ましい。本発明の金属樹脂接合体では接着剤が使用されていないことから、フッ素樹脂材本来の高温特性を発現させることができる。

更に、本発明の金属樹脂接合体においては、前記金属材がステンレス鋼材であること、が好ましい。ステンレス鋼材も優れた耐食性を有しており、フッ素樹脂材との組み合わせによって、医療機器、食品及び薬品等の関連産業において好適に活用することができる。

本発明のフッ素樹脂の接合方法によれば、接着剤やリベット締結等を用いることなく、フッ素樹脂材同士又はフッ素樹脂材と金属材とを直接接合する簡便な方法であって、被接合材のサイズ及び形状に制限されることなく適用可能であり、２００℃の高温環境下においても接合強度が低下しない接合部を得ることができるフッ素樹脂材の接合方法を提供することができる。加えて、フッ素樹脂材と金属材とが直接接合された接合部を有し、当該接合部の接着強度が２００℃の高温環境下においても低下しない金属樹脂接合体を提供することができる。

本発明のフッ素樹脂の接合方法の工程図である。 本発明の金属樹脂接合体の一例を示す概略断面図である。 実施例１でせん断引張試験を施した金属樹脂接合体の代表的な外観写真である。 実施例２で得られた金属樹脂接合体の剥離荷重を示すグラフである。

以下、図面を参照しながら本発明のフッ素樹脂の接合方法及び金属樹脂接合体の代表的な実施形態について詳細に説明するが、本発明はこれらのみに限定されるものではない。なお、以下の説明では、同一または相当部分には同一符号を付し、重複する説明は省略する場合がある。また、図面は、本発明を概念的に説明するためのものであるから、表された各構成要素の寸法やそれらの比は実際のものとは異なる場合もある。

（１）フッ素樹脂の接合方法
図１は、本発明のフッ素樹脂の接合方法の工程図である。本発明のフッ素樹脂の接合方法は、フッ素樹脂材同士又はフッ素樹脂材と金属材とを直接接合する方法であって、フッ素樹脂材である一方の被接合材の表面に、ナトリウムを含む混合溶液を塗布した後にレーザを照射する第一工程（Ｓ０１）と、混合溶液を塗布した一方の被接合材の表面に他方の被接合材を当接させ、被接合界面を形成する第二工程（Ｓ０２）と、レーザ照射によって被接合界面を昇温する第三工程（Ｓ０３）と、を有している。以下、各工程について詳述する。

（１−１）第一工程（Ｓ０１：混合溶液塗布工程）
第一工程（Ｓ０１）は、ナトリウムを含む混合溶液をフッ素樹脂材（一方の被接合材）の表面に塗布した後にレーザを照射するための工程である。

ナトリウムは水酸化ナトリウム、次亜塩素酸ナトリウム及び塩化ナトリウムのうちの少なくとも一つとして、混合溶液に含まれることが好ましい。従来、フッ素樹脂材を接着する際に一般的に用いられている金属ナトリウム処理は環境負荷が大きいが、本発明のフッ素樹脂の接合方法においては、水酸化ナトリウム、次亜塩素酸ナトリウム及び塩化ナトリウムのいずれか又はこれらを組み合わせたものを被接合面に少量塗布するだけであり、環境負荷を大幅に低減することができる。

混合溶液中のナトリウムの量は、本発明の効果を損なわない限りにおいて特に限定されないが、例えば、水酸化ナトリウムのみを添加する場合は２重量％以上、次亜塩素酸ナトリウムのみを添加する場合は３．７２重量％以上、塩化ナトリウムのみを添加する場合は２．９２重量％以上とすることが好ましい。これらの濃度とすることで、混合溶液１００ｇ中に１．１５ｇ以上のナトリウムが含まれ、レーザ照射によって分断されたフッ素と十分に結合することができる。なお、混合溶液中のナトリウム量は多い程効果が高く、飽和状態とすることが最も好ましい。

ここで、ナトリウム源として、最も環境負荷が小さい塩化ナトリウムのみを混合溶液に添加する場合、最も好ましい混合溶液は、飽和（２５℃）状態である塩化ナトリウム２６．３重量％（混合溶液１００ｇ）に対し、増粘剤としてデキストリンを２．８〜５ｇ程度添加したものである。

フッ素樹脂は撥水性のため、混合溶液を均質に塗布することは困難であるが、界面活性剤による濡れ性の改善及び／又は増粘剤による粘性の付与によって、所望する領域に混合溶液を均質に塗布することができる。

被接合材として用いるフッ素樹脂は、本発明の効果を損なわない限りにおいて特に限定されず、従来公知のフッ素樹脂を用いることができる。当該フッ素樹脂としては、例えば、ポリテトラフルオロエチレン（ＰＴＦＥ、融点：３２７℃）、ポリクロロトリフルオロエチレン（ＰＣＴＦＥ、融点：２２０℃）、ポリビニリデンフルオライド（ＰＶＤＦ、融点：１５１〜１７８℃）、ポリビニルフルオライド（ＰＶＦ、融点２０３℃）、テトラフルオロエチレン−ヘキサフルオロプロピレン共重合体（ＦＥＰ、融点：２５０〜２７５℃）、テトラフルオロエチレン−パーフルオロアルキルビニルエーテル共重合体（ＰＦＡ、融点：３０２〜３１０℃）、テトラフルオロエチレン−エチレン共重合体（ＥＴＦＥ、融点：２１８〜２７０℃）、テトラフルオロエチレン−パーフルオロジオキソール共重合体（ＴＦＥ／ＰＤＤ）、クロロトリフルオロエチレン−エチレン共重合体（ＥＣＴＦＥ、融点：２４５℃）などを挙げることができるが、本発明のフッ素樹脂の接合方法では接着剤を用いることなく高温強度に優れた接合部を得ることができることから、融点の高いポリテトラフルオロエチレン（ＰＴＦＥ、融点：３２７℃）を用いることが好ましい。

また、本発明のフッ素樹脂の接合方法においては、前記他方の被接合材が金属材であること、が好ましい。フッ素樹脂材と金属材とを接合することによって、多種多様な金属樹脂接合体を得ることができ、様々な産業分野で活用できる金属樹脂接合体を実現することができる。

被接合材として用いる金属材は、本発明の効果を損なわない限りにおいて特に限定されず、従来公知の種々の金属材を用いることができ、例えば、ステンレス鋼、チタン、チタン合金、アルミニウム、アルミニウム合金、マグネシウム、マグネシウム合金、銅、銅合金等を用いることができるが、耐食性等の観点からは、ステンレス鋼、チタン及びチタン合金を用いることが好ましい。

第一工程（Ｓ０１）では、混合溶液を塗布した表面にレーザ照射を施すことを特徴としている。混合溶液を塗布した表面にレーザ照射することによって、フッ素樹脂のＣ−Ｆ結合の分離及びフッ素とナトリウムとの結合を進行させることができ、第三工程（Ｓ０３）においてより強固な継手を確実に得ることができる。

また、第一工程（Ｓ０１）におけるレーザ照射にはパルスレーザを用いることが好ましく、ナノ秒以下のレーザを用いることがより好ましい。パルスレーザを照射することでフッ素樹脂のＣ−Ｆ結合の分離及びフッ素とナトリウムとの結合を効率的に進めることができ、ナノ秒以下のレーザを用いることでより効率的に進めることができる。

なお、第一工程（Ｓ０１）においては、他方の被接合材の表面にも混合溶液を塗布した後、レーザ照射を施すこと、が好ましい。他方の被接合材がフッ素樹脂材の場合は、当該フッ素樹脂材の接合性を高めることができる。また、他方の被接合材が金属材の場合は、第三工程（Ｓ０３）における接合工程をより円滑に進めることができる。

（１−２）第二工程（Ｓ０２：被接合界面形成工程）
第二工程（Ｓ０２）は、第一工程（Ｓ０１）で混合溶液を塗布した一方の被接合材の表面に他方の被接合材を当接させ、被接合界面を形成する工程である。

ここで、一方の被接合材と他方の被接合材とは、平面同士を当接させて一般的な重ね合わせの状態としてもよく、例えば、一方の被接合材の表面に他方の被接合材の端面を当接させ、所謂Ｔ字継手の状態としてもよい。

また、一方の被接合材と他方の被接合材とを重ね継手の状態とする場合、どちらか一方又は両方の被接合材の表面に耐熱性ガラス板等を当接させて全面拘束することで、被接合材同士をより密着させることができ、レーザ照射時の被接合界面のずれ等を抑制することができる。なお、耐熱性ガラスはレーザの透過性に優れたものを用いることが好ましい。

（１−３）第三工程（Ｓ０３：昇温工程）
第三工程（Ｓ０３）は、レーザ照射によって第二工程（Ｓ０２）で形成させた被接合界面を昇温し、接合を達成する工程である。

第三工程（Ｓ０３）においては、金属材側からレーザ照射を施すことが好ましい。第三工程（Ｓ０３）で用いるレーザは、本発明の効果を損なわない限りにおいて特に制限されず、従来公知の種々のレーザを用いることができるが、金属材を効率的に加熱できる半導体レーザを好適に用いることができる。

フッ素樹脂材側からレーザ照射を施す場合はフッ素樹脂材にレーザ光透過性等が要求されるが、金属材側からレーザ照射することにより、フッ素樹脂材の種類に依らず被接合材として用いることができる。また、金属材側から加熱することにより、フッ素樹脂材側に空間を設けることができ、必要に応じて当該フッ素樹脂材表面から加圧することができる。

被接合界面を加圧する場合、第二工程（Ｓ０２）において、どちらか一方又は両方の被接合材の表面に耐熱性ガラス板等を当接させて全面拘束することで、より容易に被接合界面を押圧することができる。

本発明のフッ素樹脂材の接合方法によって得られる接合部は十分に高い強度を有しているが、加圧工程を加えることで、品質のばらつきを小さくすることができる。当該加圧により、例えば、軟化したフッ素樹脂材が金属材の熱影響部の範囲を超えて広がることから、金属材とフッ素樹脂材との接合界面を拡大することができる。

なお、レーザ出力、走査速度及び焦点距離等のレーザ照射に関するプロセスパラメータについては、被接合材の種類、大きさ、被接合界面の面積及び継手に要求される機械的性質等に応じて適当に選択すればよい。

（２）金属樹脂接合体
図２は、本発明の金属樹脂接合体の一例を示す概略断面図である。金属樹脂接合体２は、フッ素樹脂材４と金属材６との重ね接合部材であって、フッ素樹脂材４と金属材６とは直接接合されており、接合部８を含む引張試験片を用いたせん断引張試験においてフッ素樹脂材４が伸長することを特徴とする金属樹脂接合体である。

金属樹脂接合体２は、フッ素樹脂材４と金属材６とが直接接合されたものであり、接合部８に接着剤やリベット等は使用されていない。なお、金属樹脂接合体２は、上述の本発明のフッ素樹脂の接合方法によって好適に製造することができる。

また、金属樹脂接合体２は、２００℃における接合部の接着強度が、室温における接合部の接着強度と比較して低下しないこと、が好ましい。金属樹脂接合体２では接着剤が使用されていないことから、フッ素樹脂材４本来の高温特性を発現させることができる。

フッ素樹脂材４には、本発明の効果を損なわない限りにおいて特に限定されず、従来公知のフッ素樹脂を用いることができる。当該フッ素樹脂としては、例えば、ポリテトラフルオロエチレン（ＰＴＦＥ、融点：３２７℃）、ポリクロロトリフルオロエチレン（ＰＣＴＦＥ、融点：２２０℃）、ポリビニリデンフルオライド（ＰＶＤＦ、融点：１５１〜１７８℃）、ポリビニルフルオライド（ＰＶＦ、融点２０３℃）、テトラフルオロエチレン−ヘキサフルオロプロピレン共重合体（ＦＥＰ、融点：２５０〜２７５℃）、テトラフルオロエチレン−パーフルオロアルキルビニルエーテル共重合体（ＰＦＡ、融点：３０２〜３１０℃）、テトラフルオロエチレン−エチレン共重合体（ＥＴＦＥ、融点：２１８〜２７０℃）、テトラフルオロエチレン−パーフルオロジオキソール共重合体（ＴＦＥ／ＰＤＤ）、クロロトリフルオロエチレン−エチレン共重合体（ＥＣＴＦＥ、融点：２４５℃）などを挙げることができるが、金属樹脂接合体２では接着剤を用いることなく高温強度に優れた接合部が形成されていることから、融点の高いポリテトラフルオロエチレン（ＰＴＦＥ、融点：３２７℃）を用いることが好ましい。

更に、金属材６は、本発明の効果を損なわない限りにおいて特に限定されず、従来公知の種々の金属材を用いることができ、例えば、ステンレス鋼、チタン、チタン合金、アルミニウム、アルミニウム合金、マグネシウム、マグネシウム合金、銅、銅合金等を用いることができるが、耐食性等の観点からは、ステンレス鋼、チタン及びチタン合金を用いることが好ましく、価格及び入手容易性等を考慮すると、ステンレス鋼を用いることがより好ましい。ステンレス鋼材とフッ素樹脂材との組み合わせによって、金属樹脂接合体２を医療機器、食品及び薬品等の関連産業において好適に活用することができる。

また、接合工程に加圧を有する場合、金属材６とフッ素樹脂材４との接合界面は熱影響部の外側にまで広がっている。従来の金属材と樹脂材の直接接合体においては、接合されている領域は熱影響部の内側であるが、加圧によってより広い面積で接合が達成されるため、高い接合強度及び信頼性を実現することができる。

以上、本発明の代表的な実施形態について説明したが、本発明はこれらのみに限定されるものではなく、種々の設計変更が可能であり、それら設計変更は全て本発明の技術的範囲に含まれる。

≪実施例１≫
本発明のフッ素樹脂の接合方法を用いて、フッ素樹脂材とステンレス鋼材との直接接合を行った。フッ素樹脂材はポリテトラフルオロエチレン（ＰＴＦＥ）とし、ニチアス株式会社製のナフロンＴＯＭＢＯ Ｎｏ．９０００（板厚１ｍｍ）を２５ｍｍ×５０ｍｍに切断して一方の被接合材とした。また、金属材はＳＵＳ３０４ステンレス鋼（板厚０．５ｍｍ）とし、２５ｍｍ×１００ｍｍに切断して他方の被接合材とした。

ＰＴＦＥ板の表面をエタノールで洗浄・乾燥後、水酸化ナトリウム、次亜塩素酸ナトリウム及びアルキルアミンオキシド（界面活性剤）からなる混合溶液を０．６ｍｌ塗布した。ここで、混合溶液１００ｇ中の水酸化ナトリウムの添加量は４０ｇ、次亜塩素酸ナトリウムの添加量は１０ｇ、アルキルアミンオキシドの添加量は５０ｇとし、混合溶液１００ｇ中のナトリウム量を１．１５ｇとした。次に、塗布表面にナノ秒短パルスレーザを０．５ｍｊのエネルギーにて照射した後、エネルギーを１ｍｊとして再度照射した（第一工程）。ここで、ナノ秒短パルスレーザの照射条件は、スポット径を６０μｍとし、ピッチ及びオフセットを共に６０μｍとして被接合面の全域に対して照射を行った。

その後、当該照射面にＳＵＳ３０４ステンレス鋼板を重ね合わせ（第二工程）、ＳＵＳ３０４ステンレス鋼板側からレーザを照射して金属樹脂接合体を得た（第三工程）。第三工程ではＬａｓｅｒｌｉｎｅ社製の４ｋｗ半導体レーザを用い、光学系にズームホモジナイザーを用いて３ｍｍ×４０ｍｍのラインレーザとし、出力２００ｗ、走査速度０．５ｍｍ／ｓで２５ｍｍ走査させた。金属樹脂接合体の接合部は、板幅２５ｍｍに対して１５ｍｍの接合長となっており、２５ｍｍ×１５ｍｍの接合領域が形成されている。

同様の方法で４本の金属樹脂接合体を作製し、得られた接合体の室温でのせん断引張強度を測定した。なお、せん断引張試験は変位が１５ｍｍとなった時点で終了させた。得られた荷重及び試験終了時の金属樹脂接合体の状況を表１に示す。

全ての金属樹脂接合体でＰＴＦＥ板が伸長し、荷重は３００Ｎ以上となった。せん断引張試験においてＰＴＦＥ板が伸長していることから、素材強度を上回る接合強度が得られていることが分かる。

せん断引張試験を施した金属樹脂接合体の代表的な外観写真を図３に示す。ＰＴＦＥ板はＳＵＳ３０４ステンレス鋼板に強固に接合されており、せん断引張試験によってＰＴＦＥ板が伸長していることが確認できる。

≪実施例２≫
ＳＵＳ３０４ステンレス鋼板に対してもＰＴＦＥ板と同様の処理（混合溶液の塗布及びレーザ照射）を行い、第三工程におけるＳＵＳステンレス鋼板側からのレーザ照射に関して、レーザ出力を３１０ｗとしたこと以外は実施例１と同様にして、金属樹脂接合体を得た。

得られた金属樹脂接合体の接着強度及び当該接着強度に及ぼす保持温度の影響を調査するため、接合ままの金属樹脂接合体、１５０℃にて１時間の加熱処理を施した金属樹脂接合体、及び２００℃にて１時間の加熱処理を施した金属樹脂接合体に関して、９０°剥離試験を行った。得られた剥離荷重を図４に示す。

得られた金属樹脂接合体は１５０℃及び２００℃の加熱処理によっても剥離強度が低下しておらず、接合部は極めて優れた耐熱性を有していることが分かる。ここで、三菱電線工業時報（第９９号 ２００２年７月）に、金属ナトリウムを用いた一般的なエッチング後にＰＴＦＥ板（板厚１ｍｍ）と冷間圧延鋼板（板厚１．５ｍｍ）とをエポキシ接着剤又はポリイミド系接着剤で接着した接合体の接着強度が開示されているが、エポキシ系接着剤を用いた場合は１４０℃の保持で大幅に強度が低下し、ポリイミド系接着剤を用いた場合は１６０℃前後の保持で強度の低下が開始する。これらの結果と比較すると、本発明のフッ素系樹脂の接合方法で得られる金属樹脂接合体は優れた高温強度を有していることが分かる。

２・・・金属樹脂接合体、
４・・・フッ素樹脂材、
６・・・金属材、
８・・・接合部。

Claims (11)

1. 一方の被接合材と他方の被接合材を直接接合する方法であって、
   前記一方の被接合材がフッ素樹脂材であり、
   前記一方の被接合材の表面にナトリウムを含む混合溶液を塗布した後、前記混合溶液が 塗布された前記表面にレーザ照射を施す第一工程と、
   前記混合溶液を塗布した前記表面に前記他方の被接合材を当接させ、被接合界面を形成する第二工程と、
   レーザ照射によって前記被接合界面を昇温する第三工程と、を有すること、
   を特徴とするフッ素樹脂の接合方法。
2. 前記ナトリウムが水酸化ナトリウム、次亜塩素酸ナトリウム及び塩化ナトリウムのうちの少なくとも一つとして、前記混合溶液に含まれること、
   を特徴とする請求項１に記載のフッ素樹脂の接合方法。
3. 前記他方の被接合材が金属材であること、
   を特徴とする請求項１又は２に記載のフッ素樹脂の接合方法。
4. 前記第一工程において、前記他方の被接合材の表面にも前記混合溶液を塗布した後、レーザ照射を施すこと、
   を特徴とする請求項１〜３のうちのいずれかに記載のフッ素樹脂の接合方法。
5. 前記第一工程の前記レーザ照射にパルスレーザを用いること、
   を特徴とする請求項１〜４のうちのいずれかに記載のフッ素樹脂の接合方法。
6. 前記パルスレーザにナノ秒以下のレーザを用いること、
   を特徴とする請求項５に記載のフッ素樹脂の接合方法。
7. 前記混合溶液に界面活性剤及び／又は増粘剤が含まれること、
   を特徴とする請求項１〜６のうちのいずれかに記載のフッ素樹脂の接合方法。
8. 前記第三工程において、前記金属材側から前記レーザ照射を施すこと、
   を特徴とする請求項３〜７のうちのいずれかに記載のフッ素樹脂の接合方法。
9. フッ素樹脂材と金属材との重ね接合部材であって、
   前記フッ素樹脂材と前記金属材とは直接接合されており、
   接合部のせん断引張試験において前記フッ素樹脂材が伸長すること、
   を特徴とする金属樹脂接合体。
10. ２００℃における前記接合部の接着強度が、室温における前記接合部の接着強度と比較して低下しないこと、
    を特徴とする請求項９に記載の金属樹脂接合体。
11. 前記金属材がステンレス鋼材であること、
    を特徴とする請求項９又は１０に記載の金属樹脂接合体。