JP4244842B2 - 多孔性樹脂部材のレーザー溶着方法 - Google Patents

多孔性樹脂部材のレーザー溶着方法 Download PDF

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本発明は多孔性樹脂部材のレーザー溶着方法に係り、特に２つの樹脂部材のうち、少なくとも一方が多孔性を有する多孔性樹脂部材をレーザー照射により溶着させる多孔性樹脂部材のレーザー溶着方法に関する。
従来、樹脂部材同士を接合させる方法として、主に化学的方法や物理的方法、化学的及び物理的方法を組み合わせて行なう方法が一般的に用いられている。
化学的な接合方法としては、各樹脂部材の接合部に接着剤を介在させ、接着剤を硬化させることにより接合させる方法が多く採用される。これにより、安価かつ簡易に樹脂部材同士を接合することができる。
物理的な接合方法としては、重ね合わせた各樹脂部材の接合部に対して局部加熱や超音波又は高周波の照射を行なう方法が一般的である。これにより、各樹脂部材の界面を溶融させて溶着させることができるので、短時間で強固かつ確実に樹脂部材同士を接合させることができる。
また、物理的な接合方法には、特許文献１及び２で開示されているように、樹脂部材の一方がレーザー吸収性を有する材質を用い、重ね合わせた各樹脂部材の接合部に対してレーザーを照射することにより、レーザー吸収性を有する樹脂部材の界面を溶融させて溶着させるレーザー溶着方法がある。レーザー溶着方法は、化学的方法で生じる接着部の劣化による強度低下の問題や、従来の物理的方法で生じる溶融温度の異なる樹脂部材に対する溶着安定性の問題を解消できるため、近年あらゆる分野で採用されている。
特開昭６０−２１４９３１号公報 特開２００１−７１３８４号公報
ところで、浸漬用の平膜エレメントを製造する際には、被処理水を濾過する膜シートの外周を濾過した濾過水を集水する支持板に対して高い密着度で接合させる必要がある。また、空気清浄機などに用いられるエアフィルタを製造する際にも、不織布などで構成されたフィルタを支持フレームに高い密着度で接合させる必要がある。
しかしながら、従来の化学的方法では、接着面よりも広範囲に接着剤が膜シートやフィルタを浸透してしまうため、膜シートやフィルタの機能が損失した面積が増加するという問題があった。その上、長期間使用することにより、接着剤が劣化して接着箇所が剥離し易くなるという問題があった。
また、従来の物理的方法では、局部加熱や超音波又は高周波の照射を行なうと、熱や振動によって膜シートやフィルタへの損傷が拡大してしまうという問題があった。その上、溶着にムラが生じやすいため、接合部からのリークが起こる可能性があるという問題もあった。
さらに、特許文献１及び２のレーザー溶着方法を用いて膜シートを支持板に溶着させようとしても、膜シートやフィルタは多孔性を有する樹脂で構成されているため、各接合部の界面同士を溶着することはできるが、溶融した樹脂を膜シートやフィルタの上面まで浸透させて到達させることは困難である。このため、接合部からリークが起こる可能性があるので、リーク防止のために接合部に対するレーザー照射を繰り返し行なわなければならない。したがって、溶着作業に要する手間や時間が増大する上、溶着面積の拡大や接合部の劣化という問題が生じる。
本発明はこのような事情に鑑みてなされたもので、少なくとも一方が多孔性樹脂部材である樹脂部材同士を溶着固定する際に、接合部以外を損傷させることなく簡易かつ強固に溶着可能な多孔性樹脂部材のレーザー溶着方法を提供することを目的とする。
請求項１に記載の発明は前記目的を達成するために、２つの樹脂部材を重ね合わせて、前記樹脂部材同士を接合させる接合部に対してレーザー照射を行なうことにより、前記樹脂部材同士を溶着させるレーザー溶着方法を用いて、前記樹脂部材同士の少なくとも一方が多孔性で構成された多孔性樹脂部材を溶着する多孔性樹脂部材のレーザー溶着方法であり、且つ、前記多孔性樹脂部材は固液分離を行なう膜シートであり、該多孔性樹脂部材と接合する樹脂部材は前記膜シートを支持する支持板である多孔性樹脂部材のレーザー溶着方法であって、前記レーザー照射を行なう前処理として、前記多孔性樹脂部材の接合部を加圧処理し、且つ、前記加圧処理に加熱処理を併用することにより、前記多孔性樹脂部材の接合部を圧縮すると共に溶融することを特徴とする。ここで述べる樹脂部材とは、熱可塑性を有する樹脂で構成された部材のことである。また、多孔性樹脂部材とは、表面及び断面が多孔性を有する樹脂で構成された部材のことであり、不織布や膜、織布等、又はこれらを組み合わせて形成されたものが含まれる。
本発明によれば、溶着する一方の樹脂部材が多孔性を有する多孔性樹脂部材である場合に、レーザーを用いて溶着させる際の前処理としてレーザー照射する箇所に対して加圧することにより、多孔性樹脂部材の多孔性を有する箇所を圧縮して高密度にすることができる。これにより、高密度化することで伝熱性が良くなるので、前処理された箇所にレーザーを照射すると、照射されたレーザーによりレーザー吸収性を有する樹脂部材の界面が溶融し易くなり、その熱によって前処理された範囲の多孔性樹脂を完全に溶融させて混合させることができる。
また、前処理された箇所は凹みが形成されているため、溶融して混合した樹脂は前処理された箇所へ優先的に流れ込んで硬化する。これにより、前処理やレーザー溶着によって変質する各樹脂部材の面積を最低限に抑えることができる。
したがって、本発明のレーザー溶着方法を採用することにより、少なくとも一方が多孔性樹脂部材である場合に、必要最低限の照射及び面積で樹脂部材同士を強固かつ確実に溶着させることができる。
なお、前処理として、加圧処理に加熱処理を併用することにより、前記多孔性樹脂部材の接合部を圧縮すると共に溶融することが好ましい。前処理する際に、加圧された多孔性樹脂部材の箇所は加熱により表面が溶融され、溶けた樹脂が多孔性部分を埋め込むので更に高密度化する。このため、前処理後の接合部を安定した状態に保持することができるので、レーザー溶着をより確実に行なうことができる。
請求項１によれば、被処理水中に浸漬させて濾過を行なう平膜エレメントは、膜シートの周縁部を支持板に溶着固定することにより形成される。平膜エレメントに使用される膜シートは、濾過を行なうために少なくとも一層が多孔性を有する素材で形成されているため、膜シートを支持板に密着固定する際に、本発明のレーザー溶着方法を採用することにより、必要とされる面積を最小限に抑え、かつ膜シートを支持板に強固に接合させることができる。また、レーザー照射により溶融して混合した樹脂は膜シートの前処理箇所の凹みに優先的に流れ込んで硬化するため、膜シートの接合部において横方向からのリークを防止することができるとともに、溶融した樹脂の熱による膜シートの損傷を最小限に抑えることができる。したがって、本発明の多孔性樹脂部材のレーザー溶着方法は、膜シートを支持板に高い密着度で接合させる最適な方法であることがいえる。
以上説明したように本発明に係る多孔性樹脂部材のレーザー溶着方法によれば、少なくとも一方が多孔性樹脂部材である樹脂部材同士をレーザー照射して溶着する際に、前処理として多孔性樹脂部材の接合部に対して加圧又は加圧と加熱を行なうようにしたので、多孔性樹脂部材であっても接合部以外を損傷させることなく、簡易かつ強固に溶着させることができる。また、多孔性樹脂部材のレーザー溶着に要する時間や手間を大幅に低減することができる。
以下添付図面に従って本発明に係る多孔性樹脂部材のレーザー溶着方法の好ましい実施の形態について詳説する。
図１は、本発明の多孔性樹脂部材のレーザー溶着方法を好適に用いた第１の実施の形態である平膜エレメント製造ライン１０を示したブロック図である。また、図２は、多孔性樹脂部材のレーザー溶着方法を説明すると共に平膜エレメント２０の構成を説明する断面図である。
図２に示すように、平膜エレメント２０は、主に膜濾過を行なうための膜シート２２と、膜シート２２を支持するとともに膜シート２２を透過した濾過水を集水する支持板２４とから構成される。したがって、平膜エレメント製造ライン１０では、膜シート製造工程１２で製造され、膜シート前処理工程１６で前処理された膜シート２２と、支持板製造工程１４で製造された支持板２４とを重ね合わせて、レーザー溶着工程１８で接合部に対して膜シート２２側からレーザーを照射することにより、膜シート２２を支持板２４に溶着させて接合した平膜エレメント２０が製品として製造される。
膜シート製造工程１２では、上から順にスキン層２２ａと、含浸層２２ｂと、支持層２２ｃとから構成されるシートを所定の大きさに裁断することにより膜シート２２が製造される。スキン層２２ａは、高い固液分離能を備え、かつ耐久性及び強度の高い材質が使用され、例えばポレオレフィン等有機高分子が使用される。支持層２２ｃは、膜シート２２全体を支持できる強度を有する材質であることが好ましく、例えばポリエチレン等が用いられる。含浸層２２ｂは、支持層２２ｃの中にスキン層２２ａを構成する材質が入り込んだ状態で形成される。なお、膜シート２２は、スキン層２２ａ、含浸層２２ｂ、及び支持層２２ｃの３層で構成されたもので説明したが、特に限定するものではなく、スキン層２２ａ及び含浸層２２ｂの２層で構成されたものを用いてもよい。また、膜シート２２に使用される材質は、レーザー透過性を有していることが好ましい。
支持板製造工程１４では、膜シート２２の全面に対して均一な圧力を付与するとともに濾過水を集水し易い構造を有した矩体状の板材を成型することにより支持板２４が製造される。支持板２４に使用される材質としては、レーザー吸収性を有し、かつ軽量で高強度を有する熱可塑性樹脂が好ましく、例えばＡＢＳ樹脂等が使用される。支持板２４の製造方法としては、製品精度のばらつきが少なく、生産性に優れた射出成型法を採用することが好ましい。
膜シート前処理工程１６では、膜シート製造工程１２で製造された膜シート２２に対してレーザー溶着する接合部を加圧及び加熱する前処理が行なわれる。加圧及び加熱は、接合部以外の膜シート２２に対する損傷を防止し、かつ接合部の膜シート２２の含浸層２２ｂを安定して圧縮して高密度な状態に保持できるように調整され、例えば加圧される圧力は０．２ＭＰａに、加熱温度は２４０°Ｃに設定される。なお、前処理としては加圧と加熱を兼ねて行なっていたが、特に限定するものではない。膜シート２２の接合部において、含浸層２２ｂを圧縮して高密度に安定した状態にできるのであれば、前処理として加圧のみ行なうようにしてもよい。
レーザー溶着工程１８では、前処理後の膜シート２２と支持板２４とを重ね合わせて、各接合部に対して膜シート２２の上方からレーザー光２６ａが照射される。このレーザー照射に使用されるレーザー照射装置２６としては、例えば半導体製造に用いられる装置が採用されるが、限定するものではない。照射されるレーザー光２６ａは、膜シート２２を透過するとともに支持板２４に吸収される出力であることが好ましく、例えば半導体製造用のレーザー照射装置２６であれば２５Ｗに設定される。照射速度は、支持板２４の界面を効果的に溶融させ、かつ照射した箇所以外に対して影響を与えない速度であり、例えば半導体製造用のレーザー照射装置２６であれば３０ｍｍ／ｓに設定される。なお、レーザー照射を行なう際に、膜シート２２を支持板２４方向に押圧することが好ましい。膜シート２２を押圧する圧力は、例えば０．１ＭＰａに設定される。また、レーザー照射は膜シート２２上方を走行しながら行なうようにすれば、省スペースかつ短時間で効率よくレーザー照射が可能となる。
次に、上記の如く構成される平膜エレメント製造ライン１０を用いて、本発明の多孔性樹脂部材のレーザー溶着方法における作用について説明する。
レーザー溶着法は、比較的狭い接合面積に対して強度及び密着性が高い接合を行なうことができる上、接合部以外に対しての溶融や変形を低減できる特徴を有している。このため、平膜エレメント２０を製造する際に膜シート２２を支持板２４に接合する場合、高い強度や密着性を備えつつ接合面積を最小限に抑えるとともに、接合処理による損傷を少なくする必要がある。したがって、膜シート２２を支持板２４に接合する方法として、レーザー溶着法が適切な方法であるといえる。
しかしながら、膜シート２２は透水性を有するために大部分が低密度の多孔性の樹脂で構成されている一方、支持板２４はその高強度性のために高密度の樹脂が使用されている。レーザーによる溶着はレーザー吸収性を有する樹脂部材がレーザー光２６ａを吸収して発熱することによって行なわれるため、密度や構造が極めて異なる樹脂部材同士を強固に溶着させることは困難である。
そこで、本発明では、多孔性樹脂部材である膜シート２２を加圧又は加圧と加熱の前処理をしてから、支持板２４にレーザー溶着するようにした。
図２（Ａ）は膜シート２２に前処理を行なわないでレーザー光２６ａを照射した状態を示しており、図２（Ｂ）は膜シート２２に前処理を行なってからレーザー光２６ａを照射した状態を示している。
図２（Ａ）に示すように、図１のレーザー溶着工程１８では、膜シート２２と支持板２４とを重ね合わせてから、レーザー照射装置２６によりレーザー光２６ａが膜シート２２上方から照射される。照射されたレーザー光２６ａはレーザー透過性を有する膜シート２２を透過して、レーザー吸収性を有する支持板２４の界面上で吸収される。
このとき、従来では支持板２４の界面上で溶融した樹脂の熱で膜シート２２の支持層２２ｃを溶融させることができるが、多孔性を有する含浸層２２ｂは溶融した樹脂の熱を分散してしまうため、含浸層２２ｂを上方向に完全に溶融させることは困難である。しかも、含浸層２２ｂに溶融した樹脂を浸透させてスキン層２２ａまで到達させることは困難である。したがって、膜シート２２と支持板２４とは、レーザー溶着法により支持板２４の界面上の溶融した樹脂が膜シート２２の溶融した支持層２２ｃと混合して硬化するが、膜シート２２の大部分を構成するスキン層２２ａ及び含浸層２２ｂは、材質や密度が異なるため極めて不安定な状態で固定される。また、膜シート２２を溶着させた箇所では含浸層２２ｂの横方向が遮蔽されていないため、平膜エレメント２０を浸漬させて濾過を行なう際に、膜シート２２の接合部で横方向からリークが発生する可能性がある。
一方、本発明では図１の膜シート前処理工程１６において、膜シート２２に対する前処理が行なわれるため、図２（Ｂ）で示した膜シート２２のように、溶着個所に前処理部２２ｄとして凹みが形成される。前処理部２２ｄは、前処理の加圧及び加熱によって含浸層２２ｂが圧縮されるとともに表面が溶融された状態となっている。そのため、図１のレーザー溶着工程１８において、照射されたレーザー光２６ａにより溶融された支持板２４の樹脂は、その熱によって膜シート２２の支持層２２ｃを溶融させて混合し、混合した樹脂が前処理部２２ｄに優先的に流れ込んで硬化する。これにより、熱によって接合部以外の膜シート２２に損傷を与えることなく、膜シート２２を支持板２４に前処理部２２ｄの範囲内で安定かつ確実に溶着できるとともに、接合部における横方向からのリークを防止することができる。
また、前処理は、膜シート２２の接合部に対して含浸層２２ｂを圧縮した状態を維持し、かつ接合部の表面を溶融できるように加圧及び加熱するだけでよいので、簡易かつ短時間で行なうことができる。したがって、本発明のレーザー溶着方法を平膜エレメント２０の製造に採用することにより、溶着する面積や溶着処理で損傷する面積を最小限に抑えることができるとともに、膜シート２２を支持板２４に短時間で確実に溶着して接合することができる。
図３は、本発明の多孔性樹脂部材のレーザー溶着方法を好適に用いた第２の実施の形態である平膜エレメント製造ライン５０を示したブロック図であり、膜シート２２と支持板２４との間に中間材３０を介在させてレーザー溶着を行なう一例である。また、図４は、平膜エレメント製造ライン５０のレーザー溶着工程１８における平膜エレメント２０の構成を説明する断面図である。なお、第１の実施の形態と同じ部材や装置は同符号を付すとともに、その説明は省略する。
図３に示したように、平膜エレメント製造ライン５０は第１の実施の形態である平膜エレメント製造ライン１０とほぼ同様であるが、中間材製造工程２８が設けられている。
中間材製造工程２８は、膜シート２２と支持板２４との間に介在させる中間材３０が製造される。中間材３０としては、高いレーザー吸収性を有し、かつレーザーを吸収すると発熱する材質を使用することが好ましく、シート状や板状、又は粘性の高い液状の状態で使用されることが好ましいが、特に限定するものではない。
図４に示したように、レーザー溶着工程１８において、中間材製造工程２８で製造された中間材３０は、膜シート２２の前処理部２２ｄの下方で膜シート２２と支持板２４との間に挟み込まれた状態でレーザー照射される。レーザー照射装置２６からレーザー光２６ａが照射されると、中間材３０はレーザー光２６ａを吸収して発熱する。中間材３０の発熱により、膜シート２２及び支持板２４と中間材３０との接触面が溶融して混合し、混合した樹脂が膜シート２２の前処理部２２ｄに流れ込んで硬化する。これにより、膜シート２２と支持板２４とを効率よく溶着して接合することができる。また、支持板２４としてレーザー吸収性を有しない樹脂を用いても溶着して接合することができるため、支持板２４側からもレーザー照射を行なうことができる。その上、支持板２４として透明性を有する樹脂を採用することができるので、使用する際にリークの発生を簡単に確認することができる平膜エレメント２０を製造することができる。
なお、上述した平膜エレメント製造ライン１０，５０において、各部材及び装置の個数、形状、及び材質などは特に限定するものではない。
平膜エレメント製造ライン１０，５０において、膜シート２２と支持板２４との間に透水性を有する不織布で構成されたスペーサーを介在させた平膜エレメント２０を製造する場合でも、膜シートとスペーサーとを重ね合わせた状態で前処理を行なえば、本発明の平膜エレメントの製造方法を好適に用いることができる。これにより、濾過処理時に膜シート２２と支持板２４とが密着することを防止でき、かつ効率よく濾過水が流れる流路を形成可能な平膜エレメントを製造することができる。
また、平膜エレメント製造ライン１０において、製造される平膜エレメント２０の濾過方法に関して特に限定はない。吸引ポンプによって支持板２４を吸引力して濾過する平膜エレメントや、サイフォン式に吸引濾過する平膜エレメント、重力によって平膜エレメントの膜面を加圧して濾過する平膜エレメントを製造する際にも、本発明を好適に用いることができる。
さらに、本発明の多孔性樹脂部材のレーザー溶着方法は、平膜エレメント製造ライン１０，５０を実施例として説明したが、平膜エレメント２０の製造に限定するものではない。エアフィルターを製造する際に行なわれるフィルタの溶着にも、本発明の多孔性樹脂部材のレーザー溶着方法を好適に採用することができる。
本発明の多孔性樹脂部材のレーザー溶着方法を好適に用いた第１の実施の形態である平膜エレメント製造ラインを示したブロック図 膜シートをレーザー溶着により支持板に溶着させる状態を示した説明図 本発明の多孔性樹脂部材のレーザー溶着方法を好適に用いた第２の実施の形態である平膜エレメント製造ラインを示したブロック図 第２の実施の形態である平膜エレメント製造ラインのレーザー溶着工程における平膜エレメントの一部を示した断面図
符号の説明
１０，５０…平膜エレメント製造ライン、１２…膜シート製造工程、１４…支持板製造工程、１６…膜シート前処理工程、１８…レーザー溶着工程、２０…平膜エレメント、２２…膜シート、２２ａ…スキン層、２２ｂ…含浸層、２２ｃ…支持層、２２ｄ…前処理部、２４…支持板、２６…レーザー照射装置、２６ａ…レーザー光、２８…中間材製造工程、３０…中間材

Claims (1)

  1. ２つの樹脂部材を重ね合わせて、前記樹脂部材同士を接合させる接合部に対してレーザー照射を行なうことにより、前記樹脂部材同士を溶着させるレーザー溶着方法を用いて、前記樹脂部材同士の少なくとも一方が多孔性で構成された多孔性樹脂部材を溶着する多孔性樹脂部材のレーザー溶着方法であり、且つ、
    前記多孔性樹脂部材は固液分離を行なう膜シートであり、該多孔性樹脂部材と接合する樹脂部材は前記膜シートを支持する支持板である多孔性樹脂部材のレーザー溶着方法であって、
    前記レーザー照射を行なう前処理として、前記多孔性樹脂部材の接合部を加圧処理し、且つ、該加圧処理に加熱処理を併用することにより、前記多孔性樹脂部材の接合部を圧縮すると共に溶融することを特徴とする多孔性樹脂部材のレーザー溶着方法。
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