JP2021072156A - 接合体の処理方法 - Google Patents

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Abstract

【課題】被接合部材を損傷せずに回収できる接合体の処理方法を提供する。【解決手段】本発明は、第1部材と第2部材が接合された接合体を加熱して分解する解体工程を備える接合体の処理方法である。第1部材は、少なくとも第2部材側にある被接合面が金属材からなる。第1部材の被接合面は、金属材と樹脂材の接合界面となっている。解体工程は、樹脂材を変態させずに第1部材の金属材を電磁誘導加熱して、接合界面で金属材と樹脂材を熱応力により分離させる。本発明によれば、接合体を効率的に解体して、接合されていた各被接合部材を破損等せずに回収等できる。これにより、接合体のリサイクル性の向上が図られる。なお、金属材は鋼材等の磁性材でもよいし、アルミニウム合金等の非磁性材でもよい。樹脂材は、熱可塑性樹脂でも熱硬化性樹脂でもよい。【選択図】図1

Description

本発明は、接合体を解体する処理方法等に関する。
製品の仕様(特性や機能等)や生産性等を考慮して、複数の部材を接合した製品(接合体)が用いられる。接合される部材同士は、異種材の場合もあれば、同種材の場合もある。接合は、接着剤による場合もあれば、接着剤によらない場合もある。いずれにしても、様々な接合体が各種分野で用いられている。
従来、接合体の用途拡大や信頼性向上等を図るため、その接合強度や耐久性等の向上を図る提案がなされてきた。しかし、最近では、環境負荷低減を図るため、使用後の接合体の解体性やリサイクル性を高める提案がなされており、例えば、下記の特許文献に関連する記載がある。
特許第3827971号 特許第4855387号 特許第4038964号 特許第5250185号 特許第4617566号 特許第5394130号 特許第5816179号 特開2010−106193 特開2010−59385 特開2019−147874
特許文献1〜4には、電磁誘導加熱(高周波誘導加熱)により接着層を溶融または分解する接合体の処理方法に関する記載がある。特許文献5〜10には、剥離性や解体性等を考慮した接着剤に関する記載がある。
しかし、接着剤を破壊や溶融等させずに、接合体を解体したり、接合されていた部材(「被接合部材」という。)を分離・回収することは、いずれの特許文献にも記載されていない。
本発明はこのような事情下で為されたものであり、従来とは異なる手法により、接合体を解体できる方法等を提供することを目的とする。
本発明者はこの課題を解決すべく鋭意研究した結果、衝撃的(非定常的または過渡的)な熱応力を接合界面に作用させて接合体を解体することを着想した。これを具体化させると共に発展させることにより、以降に述べる本発明が完成されるに至った。
《接合体の処理方法》
(1)本発明は、第1部材と第2部材が接合された接合体を加熱して分解する解体工程を備える接合体の処理方法であって、該第1部材は、少なくとも該第2部材側にある被接合面が金属材からなり、該第1部材の被接合面は、該金属材と樹脂材の接合界面であり、
該解体工程は、該樹脂材を変態させずに該第1部材の金属材を電磁誘導加熱して、該接合界面で該金属材と該樹脂材を熱応力により分離させる接合体の処理方法である。
(2)本発明の場合、接合界面を構成している第1部材の被接合面にある金属材が電磁誘導加熱(高周波誘導加熱)され、その被接合面近傍は表皮効果により高温となる。このとき、接合界面を構成している樹脂材は、基本的に非磁性で低導電性であるため、金属材よりも遙かに電磁誘導加熱がされ難い。また、樹脂材は熱伝導性や金属材からの熱伝達性が低いため、高温な金属材に接していても、短時間内に高温とはなり難い。
さらに、接合界面を構成している金属材と樹脂材は、通常、熱膨張係数(CTE:Coefficient of Thermal Expansion)差も大きい。このため、温度差と熱膨張係数差から求まる熱膨張量差に起因した大きな熱応力が、樹脂材が高温になる前の短時間内に、それらの接合界面に作用し得る。この熱応力が当初の接合力を超えたとき、金属材と樹脂材は分離する。こうして、樹脂材を変態させる間もなく接合体は解体され、第1部材と第2部材は実質的な損傷等を殆ど受けずに回収可能となる。
なお、本明細書でいう樹脂材の「変態」は、樹脂材の焼損(熱分解、焦げ、炭化等)、溶融や軟化等による金属材側への付着や残存等を意味する。接合界面で金属材と樹脂材が綺麗に分離される限り、樹脂材が接合界面において僅かに溶融や軟化等することは許容され得る。
《その他》
(1)本明細書でいう「第1」と「第2」は、説明の便宜上の呼称であり、各部材の形態(形状や大きさ等)や主従等とは関係ない。本明細書では、便宜上、電磁誘導加熱される金属材側を第1部材とする。電磁誘導加熱は、接合界面となる被接合面以外からなされる。電磁誘導加熱は第1部材の他面側(接合界面以外の面側)からなされても、第2部材の他面側からなされてもよい。接合界面にある金属材を効率的に加熱(急速加熱)できるところから、電磁誘導加熱されるとよい。
(2)接合界面を構成する樹脂材は、例えば、第1部材と第2部材を接合する接着剤(第3部材)でもよい。このとき第2部材は金属体でもよいし、樹脂体でもよい。第2部材が樹脂体のとき、接着剤を介さず、その樹脂体を構成する樹脂材が接合界面を構成してもよい。
接合界面を構成する金属材は、純金属、合金または複合材を含む。それらは、溶製材(展伸材、鋳造材)でも焼結材でもよく、製造過程を問わない。第1部材と第2部材は、共に金属体でもよい。それらを構成する金属材は同種でも異種でもよい。
(3)特に断らない限り本明細書でいう「x〜y」は下限値xおよび上限値yを含む。本明細書に記載した種々の数値または数値範囲に含まれる任意の数値を新たな下限値または上限値として「a〜b」のような範囲を新設し得る。また、本明細書でいう「x〜ykHz」はxkHz〜ykHzを意味する。他の単位系(MPa等)についても同様である。
接合体の高周波誘導加熱を例示する模式図である。 第1部材(SPCC)の加熱速度と第2部材の分離時の温度との関係を例示する散布図である。 第1部材の加熱速度(A6061)と第2部材の分離時の温度との関係を例示する散布図である。 解体された第1部材(SPCC)と第2部材(樹脂体)を例示する写真である。 解体された第1部材(A6061)と第2部材(樹脂体)を例示する写真である。
上述した本発明の構成要素に、本明細書中から任意に選択した一以上の構成要素を付加し得る。製造方法に関する構成要素は、物に関する構成要素ともなり得る。なお、いずれの実施形態が最良であるか否かは、対象、要求性能等によって異なる。
《接合体》
接合体は、少なくとも二つの部材(第1部材と第2部材)が接合されてなる。少なくとも一方の部材の表面からなる接合界面が、金属材と樹脂材で構成されている限り、各部材の具体的な材質や形態等は問わない。
接合体は、例えば、金属材からなる第1部材と第2部材とが接着剤により接合されたものでも、金属材からなる第1部材と樹脂材からなる第2部材とが接着剤を介さずに直接的に接合されたものでもよい。接着剤を用いる場合、接着剤が接合界面を構成する樹脂材となるため、第2部材は樹脂製、金属製、セラミックス製等のいずれでもよい。
接合界面を構成する被接合面は、化学的または物理的な表面処理がなされていてもよい。例えば、金属材の被接合面は、アンカー効果を高める粗面化がされていてもよい。特に、接着剤を用いないで異種部材を接合した接合体の場合、接合強度を確保するために、表面処理がなされていることが多い。
《金属材》
金属材は、電磁誘導加熱が可能であれば、純金属、合金、金属を基材(マトリックス)とする複合材(MMC:Metal Matrix Composites)等のいずれでもよい。また金属材は、電磁誘導加熱が可能である限り、溶製材(展伸材や鋳造材)でも焼結材でもよく、結晶質でも非晶質でもよい。さらに金属材は、少なくとも接合界面近傍にあればよいため、第1部材は、必ずしも全体が金属材である必要はない。
金属は、電磁誘導加熱が可能な限り、磁性金属(Fe、Ni、Co等)でも非磁性金属(Al、Cu、Mg、Ti等)でもよい。金属材に磁性金属が含まれていると、電磁誘導加熱による昇温速度が大きくなり、解体工程の効率化(短時間化)や省エネルギー化等が図られる。
本明細書では、磁性金属を含む金属材を磁性材という。なお「磁性」は、強磁性を意味し、「非磁性」は強磁性でないこと、つまり、反磁性、常磁性または反強磁性のいずれかを意味する。敢えていうなら、初透磁率(μ)に対する真空の透磁率(μ0)の比率である比透磁率(μ/μ0)が、5以上さらには50以上である金属材を磁性材という。
《樹脂材》
樹脂材は、全体が樹脂でもよいし、基材である樹脂中にフィラー(繊維や粒子等)が分散した複合材(例えばFRP:Fiber Reinforced Plastics )等でもよい。なお、第2部材が第1部材に直接接合される場合でも、第2部材は、接合界面近傍が樹脂材であれば足り、必ずしもその全体が樹脂材である必要はない。
接着剤が接合界面を構成する樹脂材である場合、接着剤は熱硬化性接着剤、ホットメルト接着剤のような熱可塑性接着剤等のいずれでもよい。熱応力による接合界面の剥離を利用して接合体を解体する場合、接着剤は解体性を考慮した特殊なものである必要はない。
樹脂は、通常、合成樹脂(合成ゴムを含む。)であり、熱可塑性樹脂でも熱硬化性樹脂でもよい。樹脂は、接合界面において金属材と接合可能であれば、その種類を問わない。
《電磁誘導加熱》
(1)電磁誘導加熱は、所定周波数の交番磁界を部材へ印加してなされる。これにより部材(主に金属部分)は、その磁束変化を妨げる向きの渦電流の発生によりジュール加熱される。交番磁界の周波数が大きいほど、表皮効果により部材表面(接合界面)が加熱され易くなる。電磁誘導加熱は、非接触な部位を急速に加熱できる点で、他の加熱方法よりも優れる。
接合界面を構成する金属材は、直接的に電磁誘導加熱されることが望ましい。接合体の形態や大きさ、電磁誘導加熱装置の仕様やその加熱コイルの形態等に応じて、作業し易い部位や方向から、接合界面を構成する金属材が電磁誘導加熱されるとよい。
電磁誘導加熱は、一般的な周波数(5〜30kHz)よりも高い周波数(例えば、100〜500kHzさらには300〜400kHz程度)の交番磁界を印加してなされるとよい。
交番磁界の周波数(f)は、通常、高周波電源回路の共振(角)周波数(f0)近傍であるとよい。高周波電源回路は、直列共振回路でも並列共振回路でもよいが、いずれの場合で、f0=(LC)-1/2/2πであるとよい。LとCは、それぞれ高周波電源回路中にあるコイル(主に加熱コイル)の自己インダクタンスとコンデンサの電気容量である。
交番磁界の周波数が共振周波数近傍のとき、電磁誘導用コイル(単に「加熱コイル」という。)から供給される電力が極大化(最大化)する。このため、高周波電源回路は、所望する共振周波数が得られるように、加熱コイルと電源回路内のコンデンサが選択またはマッチングされるとよい。交番磁界の周波数は、その高周波電源回路(高周波電源、コイル、コンデンサ、抵抗)から定まる共振周波数に対して、±20%以内さらには±10%以内であるとよい。
(2)電磁誘導加熱される金属材は、(比)透磁率と導電率が大きく、熱伝導率が小さいとよい。これにより、加熱部位の温度が急上昇して、接合界面に衝撃的な熱応力が作用し易くなる。
接合界面を構成する金属材が電磁誘導加熱される場合、金属材は磁性材であるとよい。また、金属材は、例えば、アルミニウム基材等よりも熱伝導率が小さい鉄基材(純鉄、鉄合金、複合材等)であるとよい。金属材が磁性材(特に鉄基材)の場合、例えば、その加熱速度は16℃/秒以上、18℃/秒以上さらには20℃/秒以上であるとよい。なお、加熱速度(ΔT/t)は、電磁誘導加熱の開始時から接合界面の分離時(剥離時)までの所要時間(t)で、その開始時から分離時までの第1部材(主に金属材)側の温度変化(ΔT)を除して求まる温度の平均的な時間変化率である(以下同様)。
金属材が非磁性材でも、本発明の処理方法による接合体の解体は可能である。非磁性材は、例えば、アルミニウム基材または銅基材である。このような金属材は、熱膨張係数が大きいため、鉄基材のように昇温しなくても、接合界面に大きな熱応力が発生し得る。金属材が非磁性材(特にアルミニウム基材)の場合、その加熱速度は2℃/秒以上、4℃/秒以上さらには6℃/秒以上であるとよい。なお、金属材の近傍に電磁誘導加熱され易い磁性材を配設して、金属材の加熱が熱伝導や熱伝達を介して補助されてもよい。
《処理対象》
本発明の処理方法により解体が可能である限り、接合体の形態や種類等は問わない。接合体は、例えば、自動車や航空機等の各種部品や電子機器等である。
種々の接合体を製作し、それらを電磁誘導加熱して解体した。これらの具体例に基づいて、以下、本発明をさらに詳しく説明する。
《接合体の製作》
表1Aと表1B(両表を合わせて「表1」という。)に示す種々の接合体を製作した。
(1)被接合部材
表1中に示した第1部材には、熱処理型Al−Si−Mg系合金板(A6061/JIS H4040)、または冷間圧延鋼板(SPCC/JIS G3141)を用いた。表1Aに示した試料AR1、AR2を除いて、いずれも、JIS K6850(接着剤の引張せん断接着強さ試験方法)に準じて、短冊状(25mm×100mm×t2mm)にした(第2部材も同様)。
表1中に示した第2部材には、2種類の炭素繊維強化プラスチック(CFRP:Carbon Fiber Reinforced Plastics)、上述したA6061または後述する1種類のガラス繊維強化プラスチック(GFRP:Glass Fiber Reinforced Plastics)を用いた。
表1中に示した「CFRP(エポキシ)」は、連続炭素繊維の平織クロス材(3K:1束あたり炭素繊維3000フィラメント)に、熱硬化性樹脂であるエポキシ樹脂を含浸したプリプレグ(株式会社トピア製)である。表1中に示した「CFRP(PA6)」は、熱可塑性樹脂である6ナイロン(PA6)中に炭素繊維(長さ6〜11mm)を40wt%含む繊維強化樹脂(ダイセルポリマー株式会社製プラストロン)の溶融物を金型(80〜100℃)へ射出成形して製造した複合材である。
(2)接着剤
5種類の接着剤を用意した。すなわち、表1に示した「1液ウレタン」系接着剤、「2液ウレタン」系接着剤、「1液エポキシ」系接着剤、「2液エポキシ」系接着剤、「2液アクリル」系接着剤である。
(3)接着接合
表1Aに示した試料AR1、AR2を除いて、第1部材と第2部材を接着剤で接合した。上述したJIS K6850に準じて、接着域(被接合面):10mm×25mm、接着剤厚:1mmとした。接合は、第1部材の表面に塗布した接着剤に、第2部材を重ね合わせた。厚さ2mmのスペーサを用いて両部材を水平状態にして、接着剤の種類に応じた条件下で接着剤を硬化させた。
(4)直接接合
表1Aに示した試料AR1、AR2の接合体は、上述したA6061からなる板状の第1部材(18mm×45mm×t1.5mm)に、GFRPからなる第2部材(10mm×45mm×t3mm)を直接接合してなる(接着域:5mm×10mm)。これら接合体は、ISO19095−2“Plastics - Evaluation of the adhesion interface performance in plastic-metal assemblies - Part 2: Test specimens”に準じて製作した。具体的にいうと、次の通りである。
先ず、第1部材の接合部には予め表面処理を施しておいた。試料AR1の接合部には、特表2016−522310号公報または特開2018−171749号公報の記載に沿った陽極酸化処理を施した。試料AR2の接合部には、ナノ秒パルスレーザ(波長:355nm、周波数:5kHz、出力:500mW)を走査(5mm/秒)して、100μmピッチの溝を60本形成した。
金型(150℃)に載置した第1部材の接合部へ、表中に示したGFRP(PPS)の溶融物(330℃)を射出して、第1部材に第2部材が直接接合された接合体を製造した。このときの接合域(被接合面):5mm×10mmとした。なお、GFRP(PPS)は、熱可塑性樹脂であるポリフェニレンサルファイド樹脂(PPS/耐熱温度:240℃)中にガラス繊維を30wt%含有する繊維強化樹脂(DIC株式会社製FZ−2130)である。
《接合強度》
各試料の接合体について、解体前の接合強度を引張せん断試験により予め評価した。引張せん断試験は、万能材料試験機(インストロン社製)を用いて、引張速度:5mm/minで行った。最大荷重を初期の接合面積で除した値を接合強度とした。各試料の接合強度を表1にまとめて示した。
なお、引張せん断試験後の破壊された接合体の破面を観察したところ、破壊形態は接着剤の凝集破壊または接合界面の剥離であった。また、その剥離した接合界面には、接着剤または第2部材が付着または残存していた。
《解体試験》
(1)各試料の接合体を電磁誘導加熱による解体試験(解体工程)に供した。電磁誘導加熱は、図1に示すように、第1部材の一面(接合界面の反対面)に近接させた加熱コイルへ、高周波通電して行った。図1に示すタイプIは試料AR1、AR2以外の接合体を電磁誘導加熱する場合、タイプIIは試料AR1、AR2の接合体を電磁誘導加熱する場合をそれぞれ模式的に示した。
高周波電源には、アロニクス株式会社製 EASYHEAT0224(出力:2.4kW、周波数:150〜400kHz)を用いた。電磁誘導加熱は、その高周波電源が備える周波数の自動チューニング機能を利用して行った。これにより第1部材(接合界面を構成する金属材)が最速で加熱されるようにし、接合体が解体されるまで加熱を続けた。なお、試料ACの接合体は、高周波電源の出力を60%に低下させて電磁誘導加熱を行った。
(2)本試験中、各部材の温度を放射温度計により測定した。接合界面の延長上にある第1部材の表面には、温度測定のため、予め黒体塗料を塗布しておいた。なお、温度測定は、可能な限り、接合界面付近の温度を測定した。こうして得られた各部材の分離時 の温度(T)を表1に併せて示した。また、本試験の開始時から分離時までに要した時間も計測した。この所要時間(t)も表1に併せて示した。
なお、本試験の開始時の温度(室温)は約25℃であった。本試験の開始時における各部材の温度をその室温(T0)として、分離時までの金属材側(第1部材)の平均加熱速度[ΔT/t=(T−T0)/t]を算出した。その結果も表1に併せて示した。
(3)解体された各接合体の分離面も観察した。各試料の解体形態(分離面の状況)も表1に併せて示した。いずれの接合体も、引張力等を印加することなく、加熱のみで解体された。そして表1に示すように、出力を低下させた試料AC以外は、すべて、第1部材側の接合界面で、損傷なく剥離することも確認された。
(4)比較例として、試料AA1と同じ接合体を、段階的に昇温および保持して、長手方向へ引張った。100℃×1分間、150℃×1分間後および175℃×1分間後に引張っても接合体は解体しなかった。しかし、200℃×1分間後に引張ると接合体は解体した。これを試料ADという。
《評価》
第1部材が鋼材からなる試料S3〜S6について、その第1部材の加熱速度と、CFRP(PA6)からなる第2部材の分離時の温度との関係を図2Aに示した。また、第1部材がAl合金材からなる試料A1〜A5および試料ACについて、その第1部材の加熱速度と、CFRP(エポキシ)からなる第2部材の分離時の温度との関係を図2Bに示した。両図を合わせて「図2」という。
第1部材が鋼材からなる試料S2および試料S6について、解体後の被接合面を示す写真を図3Aに示した。また、第1部材がAl合金材からなる試料AR1、AA1および試料AC、ADについて、解体後の被接合面を示す写真を図3Bに示した。両図を合わせて「図3」という。
表1、図2および図3から明らかなように、所定条件下で電磁誘導加熱を行うと、接着剤を用いた場合(図1(I)参照)でも接着剤を用いない場合(図1(II)参照)でも、第1部材の接合界面で、綺麗に剥離して接合体が解体されることがわかった。このとき、樹脂材からなる接着剤や第2部材は、実質的に、損傷等したり、第1部材に付着・残存等しないこともわかった。特に試料AR1の接合体は、接合強度が39MPaと非常に大きいにもかかわらず、短時間で綺麗に解体された。
電磁誘導加熱の好適な条件は、接合体の種類や形態等に応じて調整されるため、一律的な規定は困難である。但し、図2Bから明らかなように、接合界面を構成する金属材側の加熱速度(昇温速度)が過小(試料AC参照)であると、樹脂材側の昇温も大きくなる。その結果、樹脂材側(接着剤層または第2部材等)に変態(焼損等の損傷、溶融、軟化など)が生じて、金属材側の接合界面で綺麗な剥離がなされない。これは、接合界面を構成する金属材と樹脂材の間の熱膨張量差が短時間内に大きくならず、接合界面に非定常的または衝撃的な熱応力(接合強度よりも大きな力)が作用しないためと考えられる(試料AC、AD参照)。
逆に図2から明らかなように、接合界面を構成する金属材側の加熱速度が十分に大きくなると、非定常的または衝撃的で大きな熱応力が接合界面に作用して、接合体が綺麗に解体される。同様なことは図3Bに示す試料AA1と試料ADを比較してもわかる。短時間内に急速加熱した試料AA1では、接着剤(樹脂材)が溶融せずに綺麗に剥離した。しかし、段階的に緩やかに加熱した試料ADでは、接着剤(樹脂材)が溶融して第1部材側に付着・残存した。
ちなみに、図2に基づくと、例えば、接合界面を構成する金属材が磁性材なら、加熱速度を16℃/秒以上さらには20℃/秒以上にすればよいといえる。また、接合界面を構成する金属材が非磁性材なら、加熱速度を4℃/秒以上さらには6℃/秒以上にすればよいといえる。
いずれにしても本発明によれば、被接合部材を破損等せずに回収等することができ、接合体のリサイクル性向上も図れることが明らかとなった。
Figure 2021072156
Figure 2021072156

Claims (8)

  1. 第1部材と第2部材が接合された接合体を加熱して分解する解体工程を備える接合体の処理方法であって、
    該第1部材は、少なくとも該第2部材側にある被接合面が金属材からなり、
    該第1部材の被接合面は、該金属材と樹脂材の接合界面であり、
    該解体工程は、該樹脂材を変態させずに該第1部材の金属材を電磁誘導加熱して、該接合界面で該金属材と該樹脂材を熱応力により分離させる接合体の処理方法。
  2. 前記金属材は、磁性材である請求項1に記載の接合体の処理方法。
  3. 前記磁性材は、鉄基材である請求項2に記載の接合体の処理方法。
  4. 前記金属材は、非磁性材である請求項1に記載の接合体の処理方法。
  5. 前記非磁性材は、アルミニウム基材または銅基材である請求項4に記載の接合体の処理方法。
  6. 前記樹脂材は、接着剤からなり、
    前記接合体は、該接着剤により前記第1部材と前記第2部材が接合されてなる請求項1〜5のいずれかに記載の接合体の処理方法。
  7. 前記第2部材は、前記金属材と同種または異種な金属材からなる金属体である請求項6に記載の接合体の処理方法。
  8. 前記第2部材は、前記樹脂材からなる樹脂体であり、
    前記接合体は、前記第1部材と前記第2部材が接着剤を介さずに接合されてなる請求項1〜5のいずれかに記載の接合体の処理方法。
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