JP5787150B2 - 繊維強化熱可塑性樹脂の接合方法 - Google Patents

Description

本発明は、繊維強化熱可塑性樹脂の接合方法に関する。

繊維強化熱可塑性樹脂同士の接合強度の向上方法として、特許文献１には、接合部において繊維強化熱可塑性樹脂に含まれる強化繊維が露出するように加熱溶融した後、加圧して溶着する方法が開示されている。しかしながら、この方法では、接合部を加熱溶融させ強化繊維を露出させる必要があり、接合の際に煩雑な操作が必要であった。

一方、繊維強化熱可塑性樹脂と樹脂シートを、熱可塑性樹脂フィルムを介して接合する方法が知られている。例えば、特許文献２では、ガラス繊維を含む繊維強化熱可塑性樹脂材の表面の感触や見栄えを向上することを目的として、そのガラス繊維強化熱可塑性樹脂材とゴムを含有するポリフェニレンエーテルの樹脂シート等を、ポリプロピレン等の熱可塑性樹脂フィルムを介して接合する方法を開示している。特許文献２が熱可塑性樹脂フィルムを用いている目的は、繊維強化熱可塑性樹脂と樹脂シートを一体化させ外観を向上させることであって、その接合強度の向上が目的ではなかった。

特開平１１−９０９８６号公報 特開平５−３０１２４２号公報

本発明は上記事情に鑑みてなされたもので、繊維強化熱可塑性樹脂同士の接合方法であって、その接合強度を向上する方法を提供する。特に、被接合面に含まれる強化繊維が連続繊維、あるいは数平均繊維長が１０ｍｍ以上の非連続繊維である繊維強化熱可塑性樹脂の接合方法であって、その接合強度を向上するための方法を提供する。

本発明の繊維強化熱可塑性樹脂の接合方法は、二つの繊維強化熱可塑性樹脂を接合する際に、予め少なくとも一方の繊維強化熱可塑性樹脂の被接合面に熱可塑性樹脂材料を配置させ、超音波溶着機を用いて、熱可塑性樹脂材料を繊維強化熱可塑性樹脂の被接合面に接合し、その後、接合を行うことを特徴とする。

本発明の繊維強化熱可塑性樹脂の接合方法は、接合強度を向上することができる方法である。特に、被接合面に含まれる強化繊維が連続繊維、あるいは数平均繊維長が１０ｍｍ以上の非連続繊維である場合に、その接合強度を向上することができるものである。

接合前の繊維強化熱可塑性樹脂の一例を示す斜視図である。 接合前の繊維強化熱可塑性樹脂の一例を横から見た図である。

本発明の方法は特に、接合しようとする繊維強化熱可塑性樹脂の少なくともひとつが、その被接合面に含まれる強化繊維が連続繊維である場合、或いは、含まれる強化繊維の数平均繊維長が１０ｍｍ以上の非連続繊維である場合に効果がある。繊維強化熱可塑性樹脂の被接合面に含まれる強化繊維が連続繊維である物や、繊維強化熱可塑性樹脂の被接合面に含まれる強化繊維が長さ１０ｍｍ以上の非連続繊維ある物は、繊維長が長いために他の繊維強化熱可塑性樹脂と接合しようとしても接合できなかったり、接合できたとしてもその強度が不十分であったりした。

（繊維強化熱可塑性樹脂）
接合しようとするに含まれる強化繊維としては、例えばガラス繊維、炭素繊維、アラミド繊維などが挙げられる。強化繊維の繊維長としては、連続繊維、或いは数平均繊維長１０ｍｍ以上において、本発明の効果が顕著である。

繊維強化熱可塑性樹脂を構成する強化繊維が連続繊維である場合、繊維強化熱可塑性樹脂として、一方向に引き揃えた強化繊維に熱可塑性樹脂を含浸したシート、または該シートを２枚以上積層した積層物；一方向に引き揃えた強化繊維に熱可塑性樹脂を含浸したテープからなる織物、または該織物を２枚以上積層した積層物；強化繊維織物に熱可塑性樹脂を含浸したシート、または該シートを２枚以上積層した積層物などが例示される。
積層物としては、全ての層において強化繊維の方向が同じ一方向材や、各層で強化繊維の方向が直交した直交積層体が挙げられる。また、各層の強化繊維の方向が任意の角度になるように各層を積層させてもよい。一方、織物としては、平織、綾織、朱子織、三軸織等が例示される。

特に、強化繊維を全て一方向に引き揃えた繊維強化熱可塑性樹脂において、本発明の効果が顕著である。

繊維強化熱可塑性樹脂を構成する強化繊維が非連続繊維である場合、繊維強化熱可塑性樹脂として、熱可塑性樹脂中に強化繊維が一本一本開繊された状態で分散したもの；熱可塑性樹脂中に強化繊維の束が分散したものなどが例示される。特に、強化繊維に熱可塑性樹脂を含浸したテープ状の基材（繊維強化熱可塑性樹脂）を切断した切断物の複数が、等方的あるいは擬似等方的に分散したものにおいて、本発明の効果が顕著である。

接合しようとする繊維強化熱可塑性樹脂に含まれる熱可塑性樹脂としては特に制限されないが、例えばポリエチレン、ポリプロピレン等のポリオレフィン、ポリエチレンテレフタレート、ポリブチレンテレフタレート等のポリエステル、ポリスチレン、ＡＢＳ樹脂、アクリル樹脂、塩化ビニル、ポリアミド６等のポリアミド、ポリカーボネート、ポリフェニレンエーテル、ポリエーテルスルフォン、ポリサルフォン、ポリエーテルイミド、ポリケトン、ポリエーテルケトン、ポリエーテルエーテルケトン、およびこれらの変性体やブレンド物などが挙げられる。また、熱可塑性樹脂は、添加剤、フィラー、着色剤等を含んでいてもよい。

接合しようとする繊維強化熱可塑性樹脂の強化繊維の体積含有率（ＪＩＳ Ｋ ７０５２あるいは K ７０７５に準じて測定。）は、１０〜６０％において、本発明の効果が顕著である。強化繊維の体積含有率を１０％以上とすることで、熱可塑性樹脂材料中の強化繊維と接合される繊維強化熱可塑性樹脂中の強化繊維が絡み合ったり、２つの接合される繊維強化熱可塑性樹脂中の強化繊維が絡み合ったりして、接合強度が向上する。強化繊維の体積含有率を６０％以下とすることで、熱可塑性樹脂材料中の熱可塑性樹脂と接合しようとする繊維強化熱可塑性樹脂中の熱可塑性樹脂が溶融しあって一体化する。

（熱可塑性樹脂材料）
被接合面に配置する熱可塑性樹脂材料としては、接合される繊維強化熱可塑性樹脂に含まれる強化繊維の数平均繊維長の最小値よりもその数平均繊維長が短い強化繊維を含む材料、或いは、強化繊維を含まない材料を使用する。配置する繊維強化熱可塑性樹脂材料の強化繊維の体積含有率（ＪＩＳ Ｋ ７０５２あるいは K ７０７５に準じて測定。）は、０〜６０％とすることが好ましい。強化繊維の体積含有率を６０％以下とすることで、熱可塑性樹脂材料中の熱可塑性樹脂と接合しようとする繊維強化熱可塑性樹脂中の熱可塑性樹脂が溶融しあって一体化する。

配置する繊維強化熱可塑性樹脂材料の強化繊維の体積含有率が０％より大きい場合には、接合される繊維強化熱可塑性樹脂に含まれる強化繊維よりも短い強化繊維を含む材料を使用することにより、接合される繊維強化熱可塑性樹脂に含まれる強化繊維と熱可塑性樹脂材料に含まれる強化繊維が絡みあいやすくなり、接合強度が向上する。

配置する繊維強化熱可塑性樹脂材料の強化繊維の体積含有率が０％である場合、すなわち、強化繊維を含まない場合には、その熱可塑性樹脂中に２つの接合される繊維強化熱可塑性樹脂に含まれる強化繊維が浸透していき絡みあいやすくなり、接合強度が向上する。

被接合面に配置する熱可塑性樹脂材料に含まれる強化繊維としては、接合しようとする繊維強化熱可塑性樹脂に含まれる強化繊維として記載した同様の強化繊維が挙げられる。配置する熱可塑性樹脂材料に含まれる強化繊維と、接合しようとする繊維強化熱可塑性樹脂に含まれる強化繊維とは同じであっても良いし、異なっていても良い。

被接合面に配置する熱可塑性樹脂材料に含まれる熱可塑性樹脂としては、接合しようとする繊維強化熱可塑性樹脂に含まれる熱可塑性樹脂として記載した同様の熱可塑性樹脂が挙げられる。配置する熱可塑性樹脂材料に含まれる熱可塑性樹脂と、接合しようとする繊維強化熱可塑性樹脂に含まれる熱可塑性樹脂とは同じであっても良いし、異なっていても良い。それらの樹脂は互いに相溶性があることが好ましい。

配置する熱可塑性樹脂材料の厚みは、０．０５ｍｍ〜１ｍｍとすることが好ましい。その厚みが０．０５ｍｍ以上で接合強度の向上が発現するし、厚みが１ｍｍもあれば接合強度は十分大きい。

熱可塑性樹脂材料を繊維強化熱可塑性樹脂の被接合面に、超音波溶着機を用いて接合を行うことが好ましい。超音波溶着機で熱可塑性樹脂材料を繊維強化熱可塑性樹脂の被接合面に容易に接合でき、その後に行う繊維強化熱可塑性樹脂同士の接合の際に、熱可塑性樹脂材料がはずれることを防止できる。

繊維強化熱可塑性樹脂同士の接合を、振動溶着機で行うことが好ましい。振動溶着時には、配置した熱可塑性樹脂材料が溶融し、熱可塑性樹脂材料中の強化繊維と接合される繊維強化熱可塑性樹脂中の強化繊維が絡み合ったり、２つの接合される繊維強化熱可塑性樹脂中の強化繊維が絡み合ったりして、接合が行われる。

（被接合サンプルＡ）
繊維強化熱可塑性樹脂に含まれる強化繊維として、連続繊維である炭素繊維（三菱レイヨン社製、製品名：ＴＲ５０Ｓ、直径約７μｍ、１２０００本集束した束状）を使用した。この炭素繊維束を開繊し、熱可塑性樹脂としてポリプロピレン（プライムポリマー社製、製品名：Ｊ１０８Ｍ）を含浸させ、強化繊維の体積含有率（ＪＩＳ Ｋ ７０７５に準拠。）４７％、幅１２ｍｍ、厚み１００μｍの連続炭素繊維強化熱可塑樹脂テープを製造した。ついで、このテープを積層することで炭素繊維方向を一方向に引き揃えたが縦２４０ｍｍ、横２４０ｍｍ、厚み２ｍｍのサンプルを作成し、そこから、炭素繊維方向が長さ方向になるようにして、長さ１２０ｍｍ、幅２５ｍｍ、厚み２ｍｍのサンプルを作成した。このサンプルの強化繊維は連続繊維である。

（被接合サンプルＢ）
被接合サンプルＡと同様にして連続炭素繊維強化熱可塑樹脂テープを製造し、これを２０ｍｍの長さ（繊維長）にカットして、一対の平板状の金型中に、面方向にランダム（無方向的）に分散、堆積させ縦２４０ｍｍ、横２４０ｍｍ、厚み２ｍｍのサンプルを作成し、そこから長さ１２０ｍｍ、幅２５ｍｍ、厚み２ｍｍのサンプルを作成した。このサンプルの強化繊維の数平均繊維長は２０ｍｍであった。

（熱可塑性樹脂材料Ａ）
熱可塑性樹脂材料Ａとして、ポリプロピレン樹脂（プライムポリマー社製、製品名：Ｊ１０８Ｍ）をフィルム状にしたポリプロピレンフィルム（長さ２０ｍｍ、幅２５ｍｍ、厚み０．１ｍｍ）を使用した。

（熱可塑性樹脂材料Ｂ）
熱可塑性樹脂材料Ｂとして、被接合サンプルＡで使用した連続炭素繊維強化熱可塑樹脂テープを２０ｍｍの長さ（繊維長）にカットして、一対の平板状の金型中に、面方向にランダム（無方向的）に分散、堆積させ縦１００ｍｍ、横１００ｍｍ、厚み０．３ｍｍのサンプルを作成し、そこから長さ２０ｍｍ、幅２５ｍｍ、厚み０．３ｍｍのサンプルを切り出し、熱可塑性樹脂材料Ｂとした。このサンプルの強化繊維の数平均繊維長は２０ｍｍであった。

（熱可塑性樹脂材料Ｃ）
連続炭素繊維強化熱可塑樹脂テープのカット長を１０ｍｍとした以外は、熱可塑性樹脂材料Ｂと同様にして、長さ２０ｍｍ、幅２５ｍｍ、厚み０．３ｍｍのサンプルを切り出し、熱可塑性樹脂材料Ｃとした。このサンプルの強化繊維の数平均繊維長は１０ｍｍであった。

（熱可塑性樹脂材料Ｄ）
連続炭素繊維強化熱可塑樹脂テープのカット長を３０ｍｍとした以外は、熱可塑性樹脂材料Ｂと同様にして、長さ２０ｍｍ、幅２５ｍｍ、厚み０．３ｍｍのサンプルを切り出し、熱可塑性樹脂材料Ｄとした。このサンプルの強化繊維の数平均繊維長は３０ｍｍであった。

（実施例１）
被接合サンプル１、被接合サンプル２の両方に被接合サンプルＡを用いた。２つの被接合サンプル１の片方の端に、熱可塑性樹脂材料Ａを超音波溶着機（ブランソン社製、製品名：２０００ＬＰ）で接合した後、２つの被接合サンプル１，２を重なりあいの長さ（ラップ長）が２０ｍｍとなるようにし、振動溶着機（ブランソン社、製品名：Ｍ６２４、接合圧力６ＭＰａ、振幅１．５ｍｍ、周波数２４０Ｈｚ）で、ラップ部分の厚みが３．８ｍｍになるまで接合した。重なりあいの面積は２５ｍｍ×２０ｍｍ＝５．０×１０^−４ｍ^２である。このサンプルをオートグラフ（島津製作所製、製品名：ＡＧ−Ｘ）を用いて２ｍｍ／分で引張り試験をしたところ、最大荷重は４７５０Ｎであった。せん断強度は４７５０Ｎ／５．０×１０^−４ｍ^２＝９．５ＭＰａであった。

（実施例２）
被接合サンプル１、被接合サンプル２の両方に熱可塑性樹脂材料Ｂを使用した以外は、実施例１と同様な操作を実施した。結果を表１に示す。

（比較例１）
熱可塑性樹脂材料を使用しなかった以外は、実施例１と同様な操作を実施した。結果を表１に示す。

（実施例３）
被接合サンプル１、被接合サンプル２の両方に被接合サンプルＢを用い、ラップ部分の厚みが３．６ｍｍになるまで接合した以外は実施例１と同様な操作を実施した。結果を表１に示す。

（実施例４）
熱可塑性樹脂材料として熱可塑性樹脂材料Ｃを使用した以外は、実施例３と同様な操作を実施した。結果を表１に示す。

（比較例２）
熱可塑性樹脂材料を使用しなかった以外は、実施例３と同様な操作を実施した。結果を表１に示す。

（比較例３）
熱可塑性樹脂材料Ａに替えて熱可塑性樹脂材料Ｂを使用した以外は、実施例３と同様な操作を実施した。結果を表１に示す。

（比較例４）
熱可塑性樹脂材料Ａに替えて熱可塑性樹脂材料Ｄを使用した以外は、実施例３と同様な操作を実施した。結果を表１に示す。

１ 繊維強化熱可塑性樹脂
２ 繊維強化熱可塑性樹脂
３ 熱可塑性樹脂材料

Claims (7)

1. 二つの繊維強化熱可塑性樹脂を接合する際に、少なくとも一方の繊維強化熱可塑性樹脂の被接合面に熱可塑性樹脂材料を予め配置させ、超音波溶着機を用いて、熱可塑性樹脂材料を繊維強化熱可塑性樹脂の被接合面に接合し、その後、二つの繊維強化熱可塑性樹脂を接合する繊維強化熱可塑性樹脂の接合方法。
2. 少なくとも一方の繊維強化熱可塑性樹脂の被接合面に含まれる強化繊維が連続繊維である請求項１に記載の繊維強化熱可塑性樹脂の接合方法。
3. 前記強化繊維が数平均繊維長１０ｍｍ以上の非連続繊維である請求項１に記載の繊維強化熱可塑性樹脂の接合方法。
4. 前記熱可塑性樹脂材料が繊維強化熱可塑性樹脂からなり、熱可塑性樹脂材料に含まれる強化繊維の数平均繊維長が、接合される繊維強化熱可塑性樹脂に含まれる強化繊維の数平均繊維長の最小値よりも短い請求項１〜３のいずれかに記載の繊維強化熱可塑性樹脂の接合方法。
5. 前記熱可塑性樹脂材料が強化繊維を含まない熱可塑性樹脂である請求項１〜３のいずれかに記載の繊維強化熱可塑性樹脂の接合方法。
6. 前記熱可塑性樹脂材料の厚みが、０．０５ｍｍ〜１ｍｍである請求項１〜５のいずれかに記載の繊維強化熱可塑性樹脂の接合方法。
7. 二つの繊維強化熱可塑性樹脂の接合する際に、振動溶着法を用いる請求項１〜６のいずれかに記載の繊維強化熱可塑性樹脂の接合方法。