JP6080222B2 - 構造体の接着および結合を促進する方法およびそれによって製造された構造体 - Google Patents
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ビスマレイミド(BMP)サンプルの比較の表面準備試験。(1)「受け取ったときのまま(As received)」、(2)「抽出(Extracted)」、(3)「払拭(Wiped)」、および(4)「手研磨(Hand sanded)」を含む種々の表面準備処理を使用して、ビスマレイミド(BMI)複合表面の基材の4つのサンプルを準備し、試験し、評価した。(1)「受け取ったときのまま」は、BMI複合表面について表面の準備および曝露を行なっていないことを意味し、(2)「抽出」は、BMI複合表面をアセトン溶媒で洗浄し、次いで乾燥させたことを意味し、(3)「払拭」は、BMI複合表面を手作業にてアセトン絹布で拭ったことを意味し、(4)「手研磨」は、BMI複合表面を黒色の粉塵が生じてBMI複合材料の母体材料の最上層が除かれるまで、60グリットの酸化アルミニウム研磨紙で手作業にて研磨したことを意味する。カリフォルニア州BreaのSurface Sciences Inc.から入手したX線光電子分光(XPS)装置(型番SSX−100)を使用し、各々の表面準備の実行後に存在する炭素(C)、酸素(O)、チッ素(N)、ケイ素(Si)、およびフッ素(F)の濃度を測定した。図10が、種々の表面準備処理「受け取ったときのまま」、「抽出」、「払拭」、および「手研磨」の後のビスマレイミド表面の組成を比較するグラフ114を示している。この試験の結果は、BMI複合表面の手研磨だけで、汚染物質が除去され、BMI複合材料の表面に炭素種が導入されることを示している。
TFAA(テトラフルオロ無水酢酸)の付加を伴うビスマレイミド(BMP)サンプルの表面準備の比較試験。払拭および手研磨の表面準備処理をTFAAへの曝露の前および後に使用して、(1)イソプロピルアルコール(IPA)での「払拭」、(2)「払拭およびTFAAへの曝露」、(3)「手研磨」、および(4)「手研磨およびTFAAへの曝露」を含むビスマレイミド(BMI)複合表面の基材の4つのサンプルを準備し、試験し、評価した。(1)イソプロピルアルコール(IPA)での「払拭」は、イソプロピルアルコール(IPA)で湿らせた絹布にてBMI複合表面を手作業で拭ったことを意味し、(2)「払拭およびTFAAへの曝露」は、イソプロピルアルコール(IPA)で湿らせた絹布にてBMI複合表面を手作業で拭い、次いで拭った後のBMI複合表面を化学誘導体化化合物TFAAで処理したことを意味し、(3)「手研磨」は、BMI複合表面を黒色の粉塵が生じてBMI複合材料の母体材料の最上層が除かれるまで、60グリットの酸化アルミニウム研磨紙で手作業にて研磨したことを意味し、(4)「手研磨およびTFAAへの曝露」は、BMI複合表面を黒色の粉塵が生じてBMI複合材料の母体材料の最上層が除かれるまで、60グリットの酸化アルミニウム研磨紙で手作業にて研磨し、次いで露出したBMI複合表面を化学誘導体化化合物TFAAで処理したことを意味する。カリフォルニア州BreaのSurface Sciences Inc.から入手したX線光電子分光(XPS)装置(型番SSX−100)を使用し、各々の表面準備の実行後に存在する炭素(C)、酸素(O)、チッ素(N)、ケイ素(Si)、およびフッ素(F)の濃度を測定した。図11が、表面準備処理「払拭」、「払拭およびTFAAへの曝露」、「手研磨」、および「手研磨およびTFAAへの曝露」によるBMI表面の組成に関して、TFAAへの曝露前および曝露後のBMI複合表面の組成を比較するグラフ116を示している。この試験の結果は、手研磨によってBMI複合表面がTFAAのグラフト(grafting)に向けて活性化されたことを示している。結果は、TFAAによる処理の後で、一部の炭素が消費され、酸素およびフッ素の濃度が高まったことを示している。TFAA誘導体化プロセスにおける酸素の増加という結果は、複合材料−複合材料の結合プロセスにおけるBMI複合表面における反応種の利用可能性の改善ならびに共有およびファンデルワールス力の改善を実証している。
研磨されたビスマレイミド(BMI)サンプルのフッ素化誘導体化化合物による誘導体化。ビスマレイミド(BMI)複合表面の基材の5つのサンプルを、手研磨の表面準備処理および種々のフッ素化誘導体化化合物への曝露を使用して準備し、試験し、評価した。各々のBMI基材サンプルを、取り扱い時の汚染を取り除くために、アセトンによる第1の溶剤によるワイピングによって準備した。次いで、各々のBMI基材サンプルを、黒色の粉塵が生じるまで、60グリットの酸化アルミニウム研磨紙で手作業にて研磨した。次に、各々のBMI基材サンプルを、アセトンおよびKIMWIPES(ウィスコンシン州NeenahのKimberly−Clark Corporationの登録商標)で拭い、次いですべての研磨くずが取り除かれるまで乾いたKIMWIPESで拭った。4つのBMI基材サンプルの各々を、ガラス瓶に封じられた異なるフッ素化誘導体化化合物の上方にぶら下げることによって、異なるフッ素化誘導体化化合物の蒸気に曝露した。4つのフッ素化誘導体化化合物は、(1)ペンタフルオロフェノール、(2)アリルペンタフルオロベンゼン、(3)トリデカフルオロノニルマレイミド、および(4)グリシジルオクタフルオロペンチルエーテルを含んでいた。第5のBMI基材サンプルは、対照であり、手研磨だけを行ない、フッ素化誘導体化化合物への曝露は行なっていない。フッ素化誘導体化化合物へと曝露した4つのBMIサンプルおよび1つの対照BMIサンプルを、接着剤と同じ硬化サイクルへと曝露し、すなわち温度を100分間かけて室温から177℃(摂氏温度)へと上昇させ、240分間にわたって177℃に保ち、室温で冷却させた。BMIサンプルの事後養生を、100分間での227℃への上昇、360分間の保持、および冷却という時間割を用いて行なった。結合が生じたかどうかを判断するために、X線光電子分光法(XPS)を実行した。サンプルをガラス瓶から取り出し、すぐにX線光電子分光法(XPS)のサンプル導入チャンバ(〜(約)10−6torr)に配置し、一晩にわたってガスの放出を可能にした。次いで、物理吸着(物理的に吸着された)フッ素化誘導体化化合物を追い払うために、サンプルを導入チャンバにおいて紫外(UV)加熱ランプで20分間にわたって穏やかに加熱した。サンプルを、樹脂および繊維の信号を分離できるようにカーボンテープで接地した。サンプル表面を底エネルギーの電子で氾濫させることで、導電性の繊維からのデータを非導電性の樹脂から分離することができた。
臭素およびTFAA(テトラフルオロ無水酢酸)の付加を伴うビスマレイミド(BMI)サンプルのせん断強度の比較試験。(1)誘導体化化合物への曝露を行なわない「対照用の浸食処理表面(Control abraded surface)」であるBMIサンプル基材、(2)最初に研磨を行ない、次いで臭素誘導体化を加えたBMIサンプル基材、(3)最初に研磨を行ない、次いでTFAA誘導体化を加えたBMIサンプル基材、および(4)最初に研磨を行ない、次いで臭素およびTFAA誘導体化を加えたBMIサンプル基材を含むビスマレイミド(BMI)複合表面の基材の4つのサンプルを準備し、せん断強度について試験および評価した。図13が、「対照用の浸食処理表面」、「Br(臭素)誘導体化」、「TFAA誘導体化」、および「臭素+TFAA誘導体化」のBMIサンプルについて、重ね継手強度またはせん断強度(単位は、ポンド/平方インチ、すなわち、psi)の結果を比較するグラフ120を示している。この試験は、BMI複合表面の結合面について、官能基の消費の影響を示している。試験の結果は、臭素化の誘導体化による不飽和単位(二重結合)の消費が、得られる複合材料の継手のせん断強度に直接的な影響を有すること、TFAA誘導体化によるヒドロキシル基の消費は、感知できるほどの影響を有さないこと、ならびに臭素およびTFAA処理の組み合わせが、継手の最終的なせん断強度に感知可能な負の影響を有することを示している。これは、誘導体化による炭素−炭素二重結合の促進によって接合継手の性能が向上することを示唆している。
フッ素化誘導体化化合物へと曝露したBMIサンプルの結合エネルギー試験。結合エネルギー試験を、種々のフッ素化誘導体化化合物へと曝露した上述の実施例3のBMIサンプルについて実行した。結合エネルギー試験を、X線光電子分光法(XPS)によって測定した。XPSは、X線の衝突によってサンプル表面から追放された電子のエネルギーを測定する。追放された電子のエネルギーが、表面を離れるときに測定される。このエネルギーが、表面における電子の結合エネルギーを表わしており、おおむねX線のエネルギーから電子のエネルギーを引いて結合エネルギーを加えたものがゼロ(0)に等しい。
Claims (9)
- 複合表面への接着を促進する方法(150)であって、
結合対象の少なくとも1つの複合表面(34)を有しビスマレイミド(BMI)を含む複合材料製の構造体(32)を用意するステップ(152)と、
前記少なくとも1つの複合表面(34)を準備するステップ(154)と、
接着を促進する活性な官能基を含む化学誘導体化化合物を用意するステップ(156)と、
前記化学誘導体化化合物を前記準備した複合表面(34)へと付着させて、官能基−接着促進誘導体化層(40)を形成するステップ(158)と、
接着材層(46)を前記誘導体化層(40)へ付けるステップ(160)と、
前記接着材層(46)を加熱硬化させて、複合材料、金属、またはそれらの組み合わせで作られた別の構造体との結合をもたらすステップ(162)と
を含み、
前記化学誘導体化化合物が、ビスマレイミドの複合表面において炭素−炭素二重結合官能基と反応し、前記化学誘導体化化合物が、ペンタフルオロフェノール、アリルペンタフルオロベンゼン、トリデカフルオロノニルマレイミド、およびグリシジルオクタフルオロペンチルエーテルからなるグループから選択される、方法。 - 前記準備された複合表面(34)が、選択された官能基を含んでいる気相の化学誘導体化化合物へと曝露され、前記官能基の選択は前記複合材料製の構造体(32)の樹脂の組成にもとづく、請求項1に記載の方法。
- 構造体の構造的結合のための方法(200)であって、
ビスマレイミド(BMI)を含む複合材料で作られた第1の構造体(32)と、複合材料(36)、金属(52)、またはそれらの組み合わせで作られた第2の構造体とを用意するステップ(202)と、
前記第1および第2の構造体の各々の結合対象の表面を準備して、第1の準備済み表面および第2の準備済み表面を形成するステップ(204)と、
接着を促進する活性な官能基を含む化学誘導体化化合物を用意するステップ(206)と、
前記化学誘導体化化合物を前記第1および第2の準備済み表面の各々へと付着させて、第1の官能基−接着促進誘導体化層(40a)および第2の官能基−接着促進誘導体化層(40b)を形成するステップ(208)と、
接着材層(46)を、前記第1(40a)および第2(40b)の官能基−接着促進誘導体化層のうちの少なくとも一方へ付けるステップ(210)と、
前記第1および第2の構造体を、間に前記接着材層(46)ならびに前記第1(40a)および第2(40b)の官能基−接着促進誘導体化層を位置させて接合するステップ(212)と、
前記接合した第1および第2の構造体へと前記接着材層(46)を加熱硬化させて、前記第1および第2の構造体の間に構造的結合(48)を形成するステップ(214)と
を含み、
前記化学誘導体化化合物が、ペンタフルオロフェノール、アリルペンタフルオロベンゼン、トリデカフルオロノニルマレイミド、およびグリシジルオクタフルオロペンチルエーテルからなるグループから選択される、方法。 - 前記第1および第2の構造体が航空機の構造体である、請求項1に記載の方法。
- 前記第1および第2の構造体が航空機の構造体である、請求項3に記載の方法。
- 航空機(10)のポリマー複合材料構造体の構造的結合のための方法(300)であって、
ビスマレイミド(BMI)を含む複合材料製の第1のポリマー複合材料航空機構造体(172)およびビスマレイミド(BMI)を含む複合材料製の第2のポリマー複合材料航空機構造体(176)を用意するステップ(302)と、
前記第1(172)および第2(176)のポリマー複合材料航空機構造体の各々の結合対象の表面を準備して、第1の準備済み表面(174)および第2の準備済み表面(178)を形成するステップ(304)と、
接着を促進する活性な官能基を含む化学誘導体化化合物を用意するステップ(306)と、
前記化学誘導体化化合物を前記第1(174)および第2(178)の準備済み表面の各々へと付着させて、第1の官能基−接着促進誘導体化層(40a)および第2の官能基−接着促進誘導体化層(40b)を形成するステップ(308)と、
接着材層(46)を前記第1(40a)および第2(40b)の官能基−接着促進誘導体化層のうちの少なくとも一方へ付けるステップ(310)と、
前記第1(172)および第2(176)のポリマー複合材料航空機構造体を、間に前記接着材層(46)ならびに前記第1(40a)および第2(40b)の官能基−接着促進誘導体化層を位置させて接合するステップ(312)と、
前記接合した第1(172)および第2(176)のポリマー複合材料航空機構造体へと前記接着材層(46)を加熱硬化させて、前記第1および第2のポリマー複合材料航空機構造体の間に構造的結合(180)を形成するステップ(314)と
を含み、
前記化学誘導体化化合物が、ペンタフルオロフェノール、アリルペンタフルオロベンゼン、トリデカフルオロノニルマレイミド、およびグリシジルオクタフルオロペンチルエーテルからなるグループから選択される、方法。 - 結合された構造体を用意するための方法であって、
結合対象の少なくとも1つの複合表面(34)を有しビスマレイミド(BMI)を含む複合材料製の構造体(32)を用意するステップ(152)と、
前記少なくとも1つの複合表面(34)を準備するステップ(154)と、
接着を促進する活性な官能基を含む化学誘導体化化合物を用意するステップ(156)と、
前記化学誘導体化化合物を前記準備した複合表面(34)へと付着させて、官能基−接着促進誘導体化層(40)を形成するステップ(158)と、
接着材層(46)を前記誘導体化層(40)へ付けるステップ(160)と、
前記接着材層(46)を加熱硬化させて、複合材料、金属、またはそれらの組み合わせで作られた別の構造体との結合をもたらすステップ(162)と
を含み、
前記化学誘導体化化合物が、ビスマレイミドの複合表面において炭素−炭素二重結合官能基と反応し、前記化学誘導体化化合物が、ペンタフルオロフェノール、アリルペンタフルオロベンゼン、トリデカフルオロノニルマレイミド、およびグリシジルオクタフルオロペンチルエーテルからなるグループから選択される、方法。 - 結合された構造体を用意するための方法であって、
ビスマレイミド(BMI)を含む複合材料で作られた第1の構造体(32)と、複合材料(36)、金属(52)、またはそれらの組み合わせで作られた第2の構造体とを用意するステップ(202)と、
前記第1および第2の構造体の各々の結合対象の表面を準備して、第1の準備済み表面および第2の準備済み表面を形成するステップ(204)と、
接着を促進する活性な官能基を含む化学誘導体化化合物を用意するステップ(206)と、
前記化学誘導体化化合物を前記第1および第2の準備済み表面の各々へと付着させて、第1の官能基−接着促進誘導体化層(40a)および第2の官能基−接着促進誘導体化層(40b)を形成するステップ(208)と、
接着材層(46)を、前記第1(40a)および第2(40b)の官能基−接着促進誘導体化層のうちの少なくとも一方へ付けるステップ(210)と、
前記第1および第2の構造体を、間に前記接着材層(46)ならびに前記第1(40a)および第2(40b)の官能基−接着促進誘導体化層を位置させて接合するステップ(212)と、
前記接合した第1および第2の構造体へと前記接着材層(46)を加熱硬化させて、前記第1および第2の構造体の間に構造的結合(48)をもたらすステップ(214)と
を含み、
前記化学誘導体化化合物が、ビスマレイミドの複合表面において炭素−炭素二重結合官能基と反応し、前記化学誘導体化化合物が、ペンタフルオロフェノール、アリルペンタフルオロベンゼン、トリデカフルオロノニルマレイミド、およびグリシジルオクタフルオロペンチルエーテルからなるグループから選択される、方法。 - 航空機(10)の結合された構造体を用意するための方法であって、
ビスマレイミド(BMI)を含む複合材料製の第1のポリマー複合材料航空機構造体(172)およびビスマレイミド(BMI)を含む複合材料製の第2のポリマー複合材料航空機構造体(176)を用意するステップ(302)と、
前記第1(172)および第2(176)のポリマー複合材料航空機構造体の各々の結合対象の表面を準備して、第1の準備済み表面(174)および第2の準備済み表面(178)を形成するステップ(304)と、
接着を促進する活性な官能基を含む化学誘導体化化合物を用意するステップ(306)と、
前記化学誘導体化化合物を前記第1(174)および第2(178)の準備済み表面の各々へと付着させて、第1の官能基−接着促進誘導体化層(40a)および第2の官能基−接着促進誘導体化層(40b)を形成するステップ(308)と、
接着材層(46)を前記第1(40a)および第2(40b)の官能基−接着促進誘導体化層のうちの少なくとも一方へ付けるステップ(310)と、
前記第1(172)および第2(176)のポリマー複合材料航空機構造体を、間に前記接着材層(46)ならびに前記第1(40a)および第2(40b)の官能基−接着促進誘導体化層を位置させて接合するステップ(312)と、
前記接合した第1(172)および第2(176)のポリマー複合材料航空機構造体へと前記接着材層(46)を加熱硬化させて、前記第1および第2のポリマー複合材料航空機構造体の間に構造的結合(180)をもたらすステップ(314)と
を含み、
前記化学誘導体化化合物が、ビスマレイミドの複合表面において炭素−炭素二重結合官能基と反応し、前記化学誘導体化化合物が、ペンタフルオロフェノール、アリルペンタフルオロベンゼン、トリデカフルオロノニルマレイミド、およびグリシジルオクタフルオロペンチルエーテルからなるグループから選択される、方法。
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