JP4020234B2 - 接着剤の評価方法と接着方法 - Google Patents
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Description
【発明の属する技術分野】
本発明は、接着剤の性能を評価する方法に関する。さらに詳しくは、実構造物の接着接合に使用される接着剤の性能を評価する方法に関する。
【0002】
【従来の技術】
従来より、構造物の接合方法としては溶接、ボルト接合、ねじ接合などが用いられているが、これら接合部の形成において、より高度な信頼性、コスト低減、作業時間短縮等が要求されており、この目的に適する接合方法として接着剤による接合が注目されている。
【0003】
通常、構造体の接合部に要求される接合強さは、構造体の構造を考慮して求められる。前記の溶接、ボルト接合などの場合は、従来よりある設計指針に従って接合強さの見積もりがなされている。
【0004】
一方、接着剤による接合の場合は、通常は、JIS(K−6850)に示されている接着剤の引張せん断接着強さ試験方法や、一般に二重重ね合わせ継手と呼ばれる、図1に示すような継手による引張せん断試験等によって接着強さの見積もりがなされている。
【0005】
しかしながら、これら通常なされている試験により得られる力学特性は、実際の接合部において接着剤が発揮できる力学特性と同じであるとは言えないので、実際の接合部の接合強さの見積もりは難しく、特に径の大きな管の内面と、径の小さい管または円柱の外面の間隙に接着剤を充填して接着接合する実構造物において、接合強さの見積もりの困難さは顕著であった。
【0006】
そこで、これら通常なされている試験にかえて、実際に適用する実構造物に相当する試験体の大きさで試験して接着剤の選定を行うためには、実構造物に相当する試験体の大きさに見合った試験設備が必要となり、そのような試験設備の設置には、多大な費用と時間を要するとともに、試験体の作成にも多大な費用や時間を必要とする、などの問題があった。
【0007】
【発明が解決しようとする課題】
本発明は、実構造物の接着接合に適した接着剤を選択するための簡便な接着剤の評価方法を提供することを目的とするものである。
【0008】
【課題を解決するための手段】
すなわち、本発明は被着体の間隙に接着剤とともに、その間隔を一定に保つために剛体を存在させて接着した試験体の引張せん断接着強さ(f2)と、被着体の間隙に接着剤を存在させ、その間隔を一定に保つための剛体を存在させずに接着した試験体の引張せん断接着強さ(f1)の比(f2/f1)を求めることを特徴とする接着剤の評価方法である。
【0009】
【発明の実施の形態】
以下、本発明を図を用いて説明する。図1は一般的な二重重ね合わせの構成である。鋼材2と鋼材3を被着体とし、この被着体の間隙に所定の間隔で接着剤を充填したものである。接着剤の引張せん断接着強さは図の矢印の方向に荷重をかけて測定する。
【0010】
この構成において接着剤1の厚さは、実構造物の接着接合における接着剤層の厚さを考慮して任意に決めることができる。被着体の間隙に、所定の厚さの接着剤1の層を形成し、かつ接着剤がもれ出すのを防ぐためにシール材を存在させる。シール材は柔軟でシール性があればどのような材料でも良いが、図1ではシリコンゴム4によるシールを施してある。
【0011】
図2は本発明の試験方法を示すもので、接着剤1、鋼材2、鋼材3、シリコンゴム4の構成は図1と同様であるが、被着体の間隙に、接着剤の硬化収縮に伴う被着体間隔の変化を拘束するために、接着剤1の厚さと同じ厚みを有する剛体を存在させる。剛体の材質は接着剤と反応して変形したり、硬化収縮により変形しない材料で有れば何でもよく金属、セラミックス、ガラス等から選ばれる。
【0012】
被着体間隔すなわち接着剤層の厚さを一定に保つために存在させる剛体は、接着面積をできる限り減少させないようにする必要があり、このために、剛体はできる限り接着面積を阻害しない形状で有ることが好ましく、球形が特に好ましい。 また、全接着面積に対し剛体がしめる割合は多くとも50%以下で有ることが好ましく、10%以下であることが特に好ましい。図2においては剛体として鋼球5を用いた例を示している。
【0013】
剛体は、被着体間隔を一定に保つために、どのような配置で接着面上に存在させても良いが、被着体の接着面全体にわたって被着体間隔を一定とすることが好ましく、そのためには剛体は2面からなる被着体間隙に2個以上入れる事が好ましい。図2では四つの2面からなる被着体間隙にそれぞ2個の剛球を存在させた場合の例を示している。
【0014】
更に、図1,2に示したような二重重ね合わせの構成の継手の、引張せん断接着強さ試験では接着剤の破壊が接着端部から起こることが予想できる。したがって、接着剤の破壊の状態に剛体の影響ができる限り少なくなるよう、接着端部から離れた場所に剛体を配置する事が好ましい。
【0015】
つぎに、接着剤の硬化収縮に伴う被着体間隔の変化と、その被着体間隔の変化の拘束について説明する。接着剤が化学反応等により硬化して接着剤1の層を形成するとき、通常の接着剤は硬化にともない収縮する。接着剤が収縮すると、被着体間隔すなわち接着剤厚さ方向の間隔を狭めようとする力が働く。しかしながら図2の試験体では剛体(鋼球5)の存在によって接着剤の硬化収縮に伴う被着体間隔の変化を拘束することができる。
【0016】
図2の構成は、実際に接着剤を使用して接合する構造物において、被着体の間隙に接着剤を充填して接着接合する際、接着剤の硬化収縮に伴う被着体間隔の変化が拘束されている場合に、ほぼ対応すると考えられる。
【0017】
例えば、鋼管の接着接合においては接着剤の硬化収縮に伴う被着体間隔の変化が拘束されている。このような場合、図2の構成は、実際に接着剤を使用して接合する鋼管の接合構造に、ほぼ対応すると考えられる。したがって、鋼管の接着接合において接着剤の選定に際しては、図2のように被着体間隔が拘束される本発明の試験法による試験結果を使用することが有効である。
【0018】
また、通常は接着強さは接着面の状態に依存して変わる可能性がある。本発明の試験法においては図1と図2の試験法によるせん断接着強さの比をもって接着剤の性能を評価するので、被着体の表面状態は、図1と図2の試験で同等である必要がある。また、本発明の試験法では被着体に表面処理や接着樹脂の下塗り等が施してあっても、被着体の表面状態が図1と図2の試験で同等であればよい。したがって、これらの異なる表面状態の被着体に対する接着剤の接着性能も、本発明の試験法で評価することが可能である。
【0019】
さらに、接着剤の硬化収縮に伴う被着体間隔の変化を拘束して得られる引張せん断接着強さ(f2)と、接着剤の硬化収縮に伴う被着体間隔の拘束をせずに測定して得られる引張せん断接着強さ(f1)の比(f2/f1)を求め、接着剤の性能を評価する方法も本発明の重要なポイントである。
例えば、径の異なる鋼管の場合は接着剤硬化時に被着体間隔は拘束されることになるので、本発明の試験法によりこれに適した接着剤の選定が可能となる。
【0020】
本発明の手法を用いて、例えばいろいろなアクリル系接着剤の拘束の有無による引張せん断接着強さの比(f2/f1)を測定し、被着体間隔の変化が拘束されている接着接合された実構造物の引張せん断接着強さと比較した結果、f2/f1が0.7〜1.0である場合、被着体間隔の変化が拘束されている接着接合された実構造物の接着材として高い強さを示し、好ましい接着剤であった。またf2/f1が0.8〜1.0である場合は、より高い強さを示し、より好ましい接着剤であった。
したがって、この手法を用いていろいろな接着剤の拘束の有無による引張せん断接着強さの比を調べ、実際の構造物の接着接合に適する接着剤を選択することができる。
【0021】
実際に接着剤を使用して接合する構造物において、被着体の間隙に接着剤を充填して接着接合する際、接着剤の硬化収縮に伴う被着体間隔の変化が拘束されている場合の接着接合に適した接着剤は、本発明の接着剤の評価方法により被着体間隔が拘束されている場合の引張せん断接着強さ(f2)と、被着体間隔が拘束されていない場合の引張せん断接着強さ(f1)の比(f2/f1)が0.7〜1.0が好ましく、より好ましくは0.8〜1.0である。
【0022】
また、径の異なる鋼管または鋼柱の接着接合において、径の大きな鋼管の内面と径の小さい鋼管または鋼柱の外面の間隔に接着剤を充填し接着接合する場合は、接着剤の硬化収縮に伴う被着体間隔の変化が拘束されている場合の接着接合に該当し、このような鋼管の接着接合に適した接着剤は、本発明の接着剤の接着強さ試験方法により被着体間隔が拘束されている場合の引張せん断接着強さ(f2)と、被着体間隔が拘束されていない場合の引張せん断接着強さ(f1)の比(f2/f1)が0.7〜1.0が好ましく、より好ましくは0.8〜1.0である。
【0023】
以下実施例により本発明を更に説明する
【0024】
【実施例】
〔実施例1〕
図1、図2において、鋼材2は厚さ9mm、幅25mm、長さ200mm、鋼材3は厚さ9mm、幅25mm、長さ25mm、接着剤1の塗布厚は3mmとした。鋼材にはSS400材を用い、接着剤にはアクリル系接着剤3種類を用いた。図2の鋼球5は接着端部から10mmのところに配置した。鋼材3の幅方向に2個配し、鋼材2と鋼材3の接着間隔の拘束が保たれるようにした。これらにより図1、図2の重ね合わせ継手を構成し、引張せん断試験を行った。試験の引張速度は10mm/分とした。
【0025】
試験結果を表1に示す。表1の結果はそれぞれの場合について3回行った平均値を示している。また表1では図1の鋼球5のない試験体を用いた場合を試験法1、図2の鋼球5のある場合の試験体を用いた場合を試験法2としている。また引張せん断接着強さは引張最大荷重を接着面積で割ることにより求めた。
【0026】
【表1】
【0027】
表1でf1、f2は引張せん断接着強さであり、f2/f1はその強さ比である。表1よりいずれの接着剤においても、鋼球5により被着体間隔を拘束した場合の方が引張せん断接着強さが小さい。この結果から、被着体の拘束がある方が拘束がない場合より引張せん断接着強さが小さくなることが明らかである。したがってf2/f1は1.0を越えないと考えてもよい。しかし、測定値のばらつきにより、f2/f1が大きい領域でf2/f1が1.0を越えることもある。したがって、基本的に、f2/f1は1.0を越えないが、測定値のばらつきを考慮し、本実施例に示したように、複数の測定値の平均値で判断することが好ましい。
【0028】
〔実施例2〕
図1、図2において、鋼材2は厚さ9mm、幅25mm、長さ200mm、鋼材3は厚さ9mm、幅25mm、長さ25mm、接着剤1の塗布厚は3mmとした。鋼材にはSS400材を用い、接着剤にはアクリル系接着剤2種類を用いた。図2の鋼球5は接着端部から10mmのところに配した。鋼材3の幅方向に2個配し、鋼材2と鋼材3の接着間隔の拘束が保たれるようにした。これらにより図1、図2の重ね合わせ継手を構成し、引張せん断試験を行った。試験の引張速度は1mm/分とした。
【0029】
試験結果を表2に示す。表2の結果はそれぞれの場合について3回行った平均値を示している。試験法1、試験法2及び引張せん断接着強さの求め方は実施例1と同じである。表2より引張速度が違う場合でも実施例1と同様の傾向であった。
【0030】
【表2】
【0031】
〔実施例3〕
図3に示す鋼管接着接合の試験体を、実施例1で用いた3種類の接着剤A、B、Cを用いて作成した。図3の鋼管7、鋼管8は外径が89.1mm、内径が78.1mm、長さ250mm、厚さ5.5mm、鋼管6は外径が114.3mm、内径が102.3mm、長さが65mm、接着剤1の厚さは6.6mmである。図3に示す鋼管接着接合の試験体を用いて4点曲げ試験を行った。載荷点10の二点間の距離は165mm、支点9の二点間の距離は400mmとした。
【0032】
鋼管を接着接合した試験体の4点曲げ試験結果を表3に示す。表3に示す接着剤破壊荷重は、鋼管6と鋼管7、または鋼管6と鋼管8の接着部分の接着剤の一部が破壊して4点曲げ試験の変位荷重の関係が不連続になったときの載荷荷重を指す。
【0033】
一方、表1において、従来の拘束がない場合の引張せん断試験である試験法1による引張せん断接着強さ(f1)は、接着剤B、接着剤C、接着剤Eとも、ほぼ同じ値であるが、表3に示す載荷試験法による接着剤破壊荷重は大きく異なっている。
【0034】
ここで、接着剤B、接着剤C、接着剤D、接着剤Eの引張せん断接着強さの比f2/f1を表1から比較してみると、明らかに接着剤Bの方が接着剤C、接着剤Eより大きく、引張せん断接着強さに対する被着体間隔の拘束の影響が小さいことを示している。
【0035】
表3より接着破壊荷重が大きい(80kN以上)接着剤A、接着剤B、接着剤Dのグループと、接着破壊荷重が小さい(50kN以下)の接着剤C、接着剤Eのグループに分けることができる。これを表1のf2/f1と対応さると、f2/f1が0.61以下と0.7以上のグループに分けられる事が明らかとなった。 したがって本発明の接着剤の接着強さ試験方法である被着体間隔が拘束されている場合とされていない場合の引張せん断接着強さの比が0.7〜1.0であるような接着剤を用いて、接着剤硬化時に接着間隔が拘束される鋼管接着接合を行うことは有効な接着方法であり、引張せん断接着強さの比が更に大きい0.8〜1.0の接着剤はより有効な接着方法であると考えられる。
【0036】
【表3】
【0037】
【発明の効果】
本発明の評価法によれば、接着接合部を有する実構造物の接着接合に適した接着剤を簡便に評価できる。またこの評価法を基準にして実構造物の接着接合に適した接着剤を選定し、実構造物における径の大きな管と、径の小さい管または円柱の接着接合を行うことにより接合部の強さを向上させ、強さの大きい構造物を得ることができるとともに、構造物の高い信頼性が確保できる。
【0038】
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明で比較試験体となる二重重ね合わせ継手の構成の説明図。
【図2】本発明で提案する二重重ね合わせの構成の一例を示す説明図。
【図3】実施例3で行った径の異なる鋼管を接着接合した試験体の4点曲げ試験の構成を示す説明図。
【符号の説明】
1 接着剤
2 鋼材(母材:SS400)
3 鋼材(添接板:SS400)
4 シリコンゴム
5 鋼球(ステンレスボール)
6 径の大きい鋼管(内側が接着面となる鋼管)
7 径の小さい鋼管(外側が接着面となる鋼管)
8 径の小さい鋼管(外側が接着面となる鋼管)
9 4点曲げ試験の支点
10 4点曲げ試験の載荷点
Claims (1)
- 被着体の間隙に接着剤とともに、その間隔を一定に保つために剛体を存在させて接着した試験体の引張せん断接着強さ(f2)と、被着体の間隙に接着剤を存在させ、その間隔を一定に保つための剛体を存在させずに接着した試験体の引張せん断接着強さ(f1)の比(f2/f1)を求めることを特徴とする接着剤の評価方法。
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