JP2021115797A - 接合体の製造方法及び接合体 - Google Patents

Abstract

【課題】製造工程の短縮化が可能で、反りが発生しにくく、寸法精度が高く、且つ十分な接合強度が得られる、金属素形材と発泡樹脂材との接合体の製造方法を提供する。【解決手段】金属素形材１と発泡樹脂材２との接合体１０の製造方法であって、前記発泡樹脂材２の原料２Ａと前記金属素形材１とを同一の金型４内に設置する設置工程と、前記金型内において、前記原料２Ａを発泡させつつ、前記金属素形材１と前記発泡樹脂材２とを接合させて、前記金属素形材１と前記発泡樹脂材２との接合体を得る発泡接合工程と、を含む接合体の製造方法【選択図】図２

Description

本発明は、金属素形材と発泡樹脂材との接合体の製造方法に関する。

近年、各種産業分野において、金属素形材と発泡樹脂材との接合体が用いられている。金属素形材と発泡樹脂材との接合体の製造方法としては種々の方法が用いられる。例えば、接着剤により金属素形材と発泡樹脂材とを接合する接合体の製造方法があるが、接着剤を用いた製造方法は硬化時間等を要し、時間がかかる。

このため、発泡樹脂材に対して接着剤を用いずに接合可能な鋼板として、日鉄日新製鋼株式会社製のプラタイト（登録商標）が開発されている。プラタイトは、発泡樹脂材に接触させた状態で発泡樹脂材の融点まで加熱することにより発泡樹脂材に接合可能であるため、接着剤による接合に比べて短時間で接合が完了する。

プラタイトは、金属素形材と発泡樹脂材との接合体の対象製品が、モバイル端末の内部部品のような小さな物や接合箇所が点である場合、短時間且つ良好に発泡樹脂材と接合される。しかし、接合面積が大きくなると、均一な加熱や冷却が困難になり、部分的な温度差によりプラタイトに反りが発生する可能性があり、高い面精度を有する接合体が得られない場合がある。

加熱領域全体に加圧力を負荷するための大型のプレス機を用いれば、接合面積が大きい場合であっても、反りを発生させずに高い面精度を維持することが可能となるが、装置が高額となる。さらに、加圧・冷却が完了するまで加圧力を保持することが必要となり、接合時間が増加して生産効率が悪くなる。
また、加熱板で複合材を挟みこんで加熱及び加圧を行い、その後一旦除荷して、別の冷却板で加圧及び冷却を行う方法もある（例えば、特許文献１参照）。

特開２０１７−１１４１１１号公報

しかし、特許文献１に記載の従来技術は、一旦除荷する際に鋼板が反り、接合部のはく離が生じて未接合となる可能性がある。また、加熱時と冷却時とで２台以上のプレス機構が必要である。さらに、加熱時には発泡樹脂材が溶融するため板厚方向の寸法精度が悪くなる。
従って、本発明は、製造工程の短縮化が可能で、反りが発生しにくく、寸法精度が高く、且つ十分な接合強度が得られる、金属素形材と発泡樹脂材との接合体の製造方法を提供することを目的とする。

本発明の第１の態様は、上記課題を解決するために、金属素形材と発泡樹脂材との接合体の製造方法であって、前記発泡樹脂材の原料と前記金属素形材とを同一の金型内に設置する設置工程と、前記金型内において、前記原料を発泡させつつ、前記金属素形材と前記発泡樹脂材とを接合させて、前記金属素形材と前記発泡樹脂材との接合体を得る発泡接合工程と、を含む接合体の製造方法を提供する。

前記金属素形材は、前記発泡樹脂材と接合される面に有機樹脂層を有し、前記発泡接合工程は、前記発泡樹脂材を発泡させる加熱工程を備え、前記加熱工程において前記有機樹脂層を溶融することで前記金属素形材と前記発泡樹脂材とを熱融着させることが好ましい。

前記発泡接合工程は、前記加熱工程の後に冷却工程を含むことが好ましい。

前記発泡樹脂材の発泡構造は、独立気泡もしくは連続気泡であることが好ましい。

前記発泡樹脂材の発泡倍率は２倍〜９８倍であることが好ましい。

また、本発明の第２の態様は、上記課題を解決するために、発泡樹脂材と、前記発泡樹脂材が接合された金属素形材とを含む接合体であって、前記発泡樹脂材は、前記金属素形材との接触界面においても、前記接触界面以外の部分と等しい粒形状が保持されている、接合体を提供する。

本発明によると、製造工程の短縮化が可能で、反りが発生しにくく、寸法精度が高く、且つ十分な接合強度が得られる、金属素形材と発泡樹脂材との接合体の製造方法を提供することができる。

実施形態の金属素形材１と発泡樹脂材２との接合体１０の製造方法によって製造された接合体１０の斜視図である。 実施形態に係る、金属素形材１と発泡樹脂材２との接合体１０の製造方法を説明する図であり、（ａ）は設置工程、（ｂ）は発泡接合工程の加熱工程、（ｃ）は発泡接合工程の冷却工程である。 製造された接合体１０において、金属素形材１から発泡樹脂材２を一部はがしたときの、金属素形材１の破断面の状態を示した写真である。 図３の金属素形材１の破断面の拡大写真で発泡倍率５５倍のときの結果である。 金属素形材１の破断面の拡大写真で発泡倍率２０倍のときの結果である。 接合体の模式的な部分断面図であり、（ａ）は実施形態の接合体１０、（ｂ）は比較形態の接合体１１０である。

以下、本発明の実施形態に係る、金属素形材１と発泡樹脂材２との接合体１０の製造方法について説明する。図１は、実施形態の金属素形材１と発泡樹脂材２との接合体１０の製造方法によって製造された接合体１０の斜視図である。図示するように、接合体１０は、発泡樹脂材２の少なくとも一方の表面に金属素形材１が接合されたものである。
なお、金属素形材１と発泡樹脂材２とが接合しているとは、両者が密着して、容易に剥離しない状態、例えば、発泡樹脂材２を下向きにして接合体１０を持ち上げても、発泡樹脂材２が自重で剥離することがないことを意味する。

（金属素形材１）
金属素形材１の材料は、実施形態では、日鉄日新製鋼株式会社製の溶融亜鉛−アルミニウム−マグネシウム合金めっき鋼板（ＺＡＭ（登録商標））であるが、これに限定されない。例えば、金属素形材１の材料は、鉄であってもよいし、鉄以外の金属であってもよいし、他の合金であってもよい。金属素形材１の例としては、冷延鋼板、亜鉛めっき鋼板、Ｚｎ−Ａｌ合金めっき鋼板、Ｚｎ−Ａｌ−Ｍｇ合金めっき鋼板、アルミニウムめっき鋼板、ステンレス鋼板（オーステナイト系、マルテンサイト系、フェライト系、フェライト・マルテンサイト二相系を含む）、アルミニウム板、アルミニウム合金板、銅板等の金属素形材１や、そのプレス加工品、あるいは、アルミダイカスト、亜鉛ダイカスト等の鋳造・鍛造物や、切削加工、粉末冶金等により成形された各種金属部材等が含まれる。金属素形材１は、必要に応じて、脱脂、酸洗等の公知の塗装前処理が施されていてもよい。

（有機樹脂層３）
金属素形材１は、少なくとも発泡樹脂材２と接する表面に有機樹脂層３が設けられている、日鉄日新製鋼株式会社製のプラタイト（登録商標）である。プラタイトは、接着剤やねじといった副資材を用いず、射出成形・熱圧着のみで熱可塑性プラスチックと直接接合可能である。
有機樹脂層３は、金属素形材１と発泡樹脂材２との密着性を向上させるものある。有機樹脂層３の樹脂としては、ポリプロピレン等のオレフィン系樹脂、ポリウレタン、アクリル系樹脂、アクリル・スチレン系樹脂、酢酸ビニル、ＥＶＡ（エチレンー酢酸ビニル共重合）、エステル系樹脂を使用することができる。

（発泡樹脂材２）
発泡樹脂材２は、実施形態においてはＥＰＳ（ビーズ法ポリスチレンフォーム）の発泡スチロールであるが、これに限定されない。発泡樹脂材２としては、ポリエチレン樹脂、ポリプロピレン樹脂、ポリブチレンテレフタレート樹脂、ポリアミド樹脂、ポリフェニレンサルファイド樹脂、アクリロニトリル−ブタジエン−スチレン樹脂、ポリ塩化ビニル樹脂、ポリカーボネート樹脂、等を用いることができる。
発泡樹脂材２の発泡倍率は２倍〜９８倍であり、実施形態では２０倍又は５５倍である。
また、発泡樹脂材２は、原料ビーズに蒸気を当てて一次発泡させた一次発泡粒を原料とし、この原料をさらに金型内で膨張させて粒同士を融着させたものである。発泡樹脂材２の発泡構造は独立気泡もしくは連続気泡であり、発泡倍率は２倍〜９８倍である。
なお、ここで、発泡倍率とは、原料ビーズの体積を基準とした最終製品（発泡樹脂材２）の体積の倍率を示す。

図２は、実施形態に係る、金属素形材１と発泡樹脂材２との接合体１０の製造方法を説明する図である。
図２（ａ）は設置工程を示す。設置工程では、金属素形材１と、発泡樹脂材の原料２Ａである一次発泡粒とを、一つの金型４内に設置する。
金型４は、金型本体４１と上蓋４２とを備える。金型本体４１及び上蓋４２には、それぞれ、複数のスチームベント４３が設けられている。金属素形材１は金型本体４１の内側の底面よりも小さく、金属素形材１を金型本体４１の底面に接するようにして配置する。このとき、金属素形材１の有機樹脂層３が内側（金型本体４１の内面に対向しない側）を向くように金属素形材１を配置する。

（発泡接合工程）
発泡接合工程は、金型４の内部において、原料２Ａである一次発泡粒が発泡して最終的な発泡樹脂材２となる工程であり、加熱工程と、冷却工程とを含む。
発泡接合工程において、金属素形材１と発泡樹脂材２とが接合され、金属素形材１と発泡樹脂材２との接合体１０が得られる。

（加熱工程）
図２（ｂ）は発泡接合工程に含まれる加熱工程を示す。加熱工程では、複数のスチームベント４３から蒸気が流入されて金型４の内部が加熱される。
複数のスチームベント４３より流入される蒸気の蒸気圧は、実施形態では、０．０３ＭＰａから０．０９ＭＰａであり、加熱時間は約１６０秒である。流入された蒸気によって、一次発泡粒である原料２Ａは、温度が上昇して発泡する。原料２Ａが発泡すると、体積が増加し、発泡樹脂材２が金型４内の内壁及び金属素形材１の有機樹脂層３を押圧するとともに、金属素形材１の有機樹脂層３を溶融させて金属素形材１と発泡樹脂材２とが熱融着される。

（冷却工程）
図２（ｃ）は発泡接合工程に含まれる冷却工程を示す。冷却工程では、金型４の外周に水が流入されることで金型４が冷却される。実施形態においては、３０秒間金型４が水冷される。

次に、実際に接合体１０を製造し、金属素形材１と発泡樹脂材２との接合状態を確認した結果について述べる。
金型４は内寸の幅１７０ｍｍ×長さ３００ｍｍ×高さ２０ｍｍのものを用いた。金型４の上面及び下面には、それぞれ、スリット状の開口部を設けた径が約１０ｍｍのスチームベント４３が２４個設けられている。金属素形材１は、幅１６０ｍｍ×長さ２９０ｍｍのＺＡＭ原板を用いたプラタイトであり、厚みは０．４，０．６，０．８ｍｍの３種類を用いた。

図３は製造された接合体１０において、金属素形材１から発泡樹脂材２を一部はがしたときの、金属素形材１の破断面の状態を示した写真である。
なお、金属素形材１の両面に、特定温度で変色して一度変色すると元の色に戻らない不可逆性示温材であるサーモラベル（登録商標）を貼り、金属素形材１における発泡樹脂材２との接合されている側の面（内面）の温度と、逆側の面（外面）の温度とを測定した。図中、右側に内面温度と外面温度とを表記する。

図３（ａ）は、金属素形材１の板厚０．４ｍｍ、蒸気圧０．０３ＭＰａで製造した接合体１０である。内面温度は１００℃、外面温度は１０５℃であった。
図３（ｂ）は、金属素形材１の板厚０．４ｍｍ、蒸気圧０．０４ＭＰａで製造した接合体１０である。内面温度は１１０℃、外面温度は１１５℃であった。
図３（ｃ）は、金属素形材１の板厚０．４ｍｍ、蒸気圧０．０７ＭＰａで製造した接合体１０である。内面温度は１１５℃、外面温度は１２５℃であった。
図３（ｄ）は、金属素形材１の板厚０．４ｍｍ、蒸気圧０．０９ＭＰａで製造した接合体１０である。内面温度は１２０℃、外面温度は１２５℃であった。

図３（ｅ）は、金属素形材としてプラタイトではない、無機系クロムフリー処理をした板厚０．８ｍｍのＺＡＭ鋼板を用い、蒸気圧０．０９ＭＰａで製造した比較例の接合体である。図３（ｅ）の場合、図示するように、金属素形材であるＺＡＭ鋼板は、発泡樹脂材２と接合されず、発泡樹脂材２から容易にはがれた。

図４は図３の金属素形材１の破断面の拡大写真で発泡倍率５５倍のときの結果であり、図５は金属素形材１の破断面の拡大写真で発泡倍率２０倍のときの結果である。
図４に示すように、蒸気圧が０．０９ＭＰａの場合、金属素形材１の板厚０．４ｍｍ、０．６ｍｍ，０．８ｍｍのいずれの場合においても、発泡樹脂材２の個々の粒が金属素形材１に対して固着している。
すなわち、金属素形材１から発泡樹脂材２を剥がそうとしたときに、発泡樹脂材２と金属素形材１との間が剥離するのではなく、発泡樹脂材２の内部での破壊である凝集破壊が生じていることが示されている。
これにより、発泡樹脂材２と金属素形材１とは、有機樹脂層３を介して強固に接合されていることがわかる。

蒸気圧が０．０７ＭＰａの場合、蒸気圧が０．０４ＭＰａの場合も同様である。
図５の発泡倍率２０倍においても、蒸気圧が０．０９ＭＰａの場合、０．０７ＭＰａの場合、蒸気圧が０．０４ＭＰａの場合も同様である。
なお、図４及び図５において、蒸気圧が０．０３ＭＰａの場合は、原料２Ａである一次発泡粒が未発泡であった。

以上より、発泡樹脂材２が発泡すれば、実施形態の製造方法により接合された接合体１０は、発泡時の内圧と加熱により、金属素形材１と発泡樹脂材２とが十分に接合することが確認された。このように実施形態の製造方法によると、発泡樹脂材２の発泡時に金属素形材１と発泡樹脂材２とを強固に接合できる。したがって、発泡工程の後で、別途、接合工程を設ける必要がなく、接合体１０の製造工程を短縮可能である。

図６は、接合体１０，１１０の模式的な部分断面図であり、（ａ）は実施形態の接合体１０、（ｂ）は比較形態の接合体１１０である。
比較形態は、実施形態のように発泡樹脂材２の発泡時に金属素形材１と発泡樹脂材２とを接合したものではなく、発泡樹脂材２の発泡後に、発泡樹脂材２と金属素形材１とを熱圧着したものである。
比較形態で発泡樹脂材１０２は、発泡した後で金属素形材１と熱圧着される。このとき、金属素形材１が加熱されるので、図６（ｂ）に示すように、金属素形材１側の発泡樹脂材１０２は、加熱により溶融されて、粒が変形する。
これに対して実施形態の接合体１０において発泡樹脂材２は、発泡の際に金属素形材１と接合されるので、図６（ａ）に示すように金属素形材１との接触界面においても、その接触界面以外の部分と等しい粒形状が保持され、発泡樹脂材２としての劣化が生じない。

なお、ここで、「発泡樹脂材２と金属素形材１との接触界面における発泡樹脂材２の粒形状が接触界面以外の部分の粒形状と等しい」とは、発泡樹脂材２の粒形状が、接触界面においては変形しているが、粒径においては変化がないことを示す。言い換えれば、接触界面近傍において、発泡樹脂材２の複数の粒が溶融して形成された大きな粒形状の発泡樹脂材２の層が形成されていないことをいう。

このように実施形態の製造方法によると、発泡樹脂材２における金属素形材１との接合部分の溶融が生じないので、接合体１０の寸法を精度よく保つことができる。
また、発泡樹脂材２と金属素形材１との接合体１０は、発泡樹脂材２の金型４内において内圧が高い状態で接合され、冷却完了まで金型内にて保持される。したがって、反りが生じず、また、高い面精度の接合体１０が得られる

さらに、接合体１０は、通常行われている発泡樹脂材２の発泡工程の金型４内で完成される。すなわち、発泡工程と別の接合工程が不要であるので、生産タクトを早くすることができる。
そして、接合工程のための設備を発泡工程と別に設ける必要がないので費用がかさむことがない。

１ 金属素形材
２ 発泡樹脂材
２Ａ 原料
３ 有機樹脂層
４ 金型
１０ 接合体
４１ 金型本体
４２ 上蓋
４３ スチームベント

Claims (6)

1. 金属素形材と発泡樹脂材との接合体の製造方法であって、
   前記発泡樹脂材の原料と前記金属素形材とを同一の金型内に設置する設置工程と、
   前記金型内において、前記原料を発泡させつつ、前記金属素形材と前記発泡樹脂材とを接合させて、前記金属素形材と前記発泡樹脂材との接合体を得る発泡接合工程と、
   を含む接合体の製造方法。
2. 前記金属素形材は、前記発泡樹脂材と接合される面に有機樹脂層を有し、
   前記発泡接合工程は、前記発泡樹脂材を発泡させる加熱工程を備え、
   前記加熱工程において前記有機樹脂層を溶融することで前記金属素形材と前記発泡樹脂材とを熱融着させる、
   請求項１に記載の接合体の製造方法。
3. 前記発泡接合工程は、前記加熱工程の後に冷却工程を含む、
   請求項２に記載の接合体の製造方法。
4. 前記発泡樹脂材の発泡構造は、独立気泡もしくは連続気泡である、
   請求項２又は３に記載の接合体の製造方法。
5. 前記発泡樹脂材の発泡倍率は２倍〜９８倍である、
   請求項１から４のいずれか１項に記載の接合体の製造方法。
6. 発泡樹脂材と、前記発泡樹脂材が接合された金属素形材とを含む接合体であって、
   前記発泡樹脂材は、前記金属素形材との接触界面においても、前記接触界面以外の部分と等しい粒形状が保持されている、接合体。

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