JP6123047B2

JP6123047B2 - 樹脂接合方法

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Publication number: JP6123047B2
Application number: JP2012032540A
Authority: JP
Inventors: 勝佐野; 広之小熊; 関根　正裕; 正裕関根
Original assignee: SAITAMA PREFECTURE
Current assignee: SAITAMA PREFECTURE
Priority date: 2012-02-17
Filing date: 2012-02-17
Publication date: 2017-05-10
Anticipated expiration: 2032-02-17
Also published as: JP2013166904A

Description

本発明は、高周波誘電加熱方式による熱硬化性樹脂又は熱可塑性樹脂等の樹脂の接合に用いられるアンカー機能付接着剤を使用した樹脂接合方法に関する。

近年、あらゆる工業分野で省エネルギーが求められ、それは軽量・高耐久性であり、更に他材料との複合により様々な機能を付加できる合成樹脂材料等が改めて見直されている。中でも、軽量で高強度な繊維強化プラスチック（ＦＲＰ）は、航空産業・宇宙産業・自動車産業等の先端分野での用途が期待されている。しかし、これまで一般的な熱硬化性樹脂によるＦＲＰは再利用が不可能であり、環境負荷の増大が懸念されていた。そのため、熱可塑性樹脂によるリサイクル可能材料への転換が検討されていた。

代表的なリサイクル可能材料である熱可塑性樹脂としてポリオレフィン系樹脂があるが、当該樹脂を用いると多層化や接着時の強度低下を免れなかった。特に、天然接着剤を使用した接合では、耐溶剤性の高い例えばポリエチレン・ポリプロピレン・フェノール樹脂等の樹脂では十分な接着力を得ることが困難であった。また、各種溶剤を使った接合では、結晶性、不溶性熱可塑性プラスチックや熱硬化性プラスチック等には適用不可能であった。更に、超音波融着は、繊維強化プラスチック（ＦＲＰ）等の構造化複合材料には不向きであった。

そこで、近年において、これらを解決するために高周波電界による接合技術の開発が求められてきている。例えば、特許文献１に開示されているように、ホットメルト接着剤にカーボンブラック（ＣＢ）や炭化ケイ素（ＳｉＣ）等を混合した、周波数２８．４０ＭＨｚの高周波誘電加熱により硬化する接着剤を用いて、被着体同士を接合する技術や、特許文献２に開示されているように、ポリオレフィン系樹脂と強誘電体と炭素化合物とを混合した、周波数４０ＭＨｚの高周波誘電加熱により硬化する接着剤を用いて、被着体同士を接合する技術等が存在している。

特開２０１０−６９０８号公報特開２００３−２３８７４５号公報

しかしながら、上記した高周波誘電加熱方式による接合において、上記した従来の誘電加熱可能な接着剤を、例えば大型で且つ複雑な立体構造体や積層構造体等の接合に使用した場合には、被着体と接着剤との界面における溶融接合強度、すなわち界面での被着体と接着剤との食い付き強度が不十分となるという問題点を有していた。特に、このような接着剤を積層ＦＲＰの層間接着の手段として使用した場合、この層間せん断強度を維持することはできなかった。

そこで、本発明は叙上のような従来存した諸事情に鑑み創出されたもので、ポリオレフィン系樹脂等、溶剤や接着剤を用いて接着できない樹脂材料において強固な接合を実現することができ、大型部品や複雑構造部品の製造における接合技術として活用でき、特に、軽量化の進む航空機や自動車分野における繊維強化プラスチック（ＦＲＰ）材料の接合、小型化・複雑構造化の進む電子機器、医療用機器の分野における接合技術等として活用が期待できる接着剤及びその接着剤を使用した樹脂接合方法を提供することを目的とするものである。

上述した課題を解決するために、本発明に係る接着剤にあっては、接着しようとする母材と親和性を有する材質の接着基剤に、誘電加熱性を有する誘電加熱媒体を充填してなり、高周波誘電加熱方式による誘電加熱媒体の誘電加熱により接着基剤を加熱溶融させて母材同士を接合するために用いられる接着剤であって、前記誘電加熱媒体は、加圧によって両母材に食い込み可能となるようアンカーとしての機械的強度を有する顆粒・繊維状に加工形成してなることを特徴とする。

接着しようとする熱硬化性樹脂又は熱可塑性樹脂による母材と親和性を有する材質の接着基剤に、誘電加熱性を有する微粉末状の誘電加熱媒体を充填してなり、高周波誘電加熱方式による誘電加熱媒体の誘電加熱により接着基剤を加熱溶融させて母材同士を接合するために用いられる接着剤であって、前記微粉末状の誘電加熱媒体と同じく誘電加熱性を有し且つ加圧によって両母材に食い込み可能となるようアンカーとしての機械的強度を有する顆粒・繊維状の誘電加熱媒体を前記接着基剤に混合させてなることを特徴とする。

前記誘電加熱媒体は、炭化ケイ素であることを特徴とする。

前記誘電加熱媒体は、チタン酸バリウム・チタン酸ジルコン酸バリウム・チタン酸鉛・酸化チタン・ニオブ酸カリウム等のいずれか又はそれらを組み合わせた強誘電体物質、若しくは水和ケイ酸アルミニウム・アルカリ金属又はアルカリ土類金属の水和アルミノケイ酸塩等のいずれか又はそれらを組み合わせた結晶水を有する無機物質であることを特徴とする。

前記顆粒・繊維状の誘電加熱媒体の顆粒における粒径は５０マイクロメートル〜１ミリメートル、繊維状物の繊維長は５０マイクロメートル以上であることを特徴とする。

前記顆粒・繊維状又は微粉末状の誘電加熱媒体は、接着剤の全量を基準として、５〜５０容積％の範囲で含まれることを特徴とする。

本発明に係る樹脂接合方法にあっては、上記いずれかに記載の接着剤による樹脂接合方法であって、被着体である両母材間に挟持させた前記接着剤の微粉末状及び顆粒・繊維状の誘電加熱媒体を高周波誘電加熱方式により誘電加熱させることで接着基剤を加熱溶融させて母材同士を接合させる誘電加熱溶融工程と、加熱溶融後の加圧によって前記顆粒・繊維状の誘電加熱媒体を両母材に食い込ませるプレス工程と、を有することを特徴とする。

以上のように構成された本発明に係る接着剤を使った樹脂接合方法にあって、誘電加熱溶融工程は、被着体である両母材間に挟持させた接着剤の微粉末状及び顆粒・繊維状の誘電加熱媒体を誘電加熱により自己発熱させ、接着基剤を加熱溶融させることで両母材を接合させる。これと同時に、プレス工程は、加熱溶融後の加圧によって前記顆粒・繊維状の誘電加熱媒体を、両母材に食い込ませる機械的結合力としてのアンカーとして作用させる。

本発明は、ポリオレフィン系樹脂等、溶剤や接着剤を用いて接着できない樹脂材料において強固な接合を実現することができ、大型部品や複雑構造部品の製造における接合技術として活用でき、特に、軽量化の進む航空機や自動車分野における繊維強化プラスチック（ＦＲＰ）材料の接合、小型化・複雑構造化の進む電子機器、医療用機器の分野等における接合技術として多方面で活用することが期待できるアンカー機能付接着剤を使用した樹脂接合方法である。

本発明を実施するための接着剤の一形態を示すもので、（ａ）は樹脂による接着基剤の断面図、（ｂ）は接着基剤に微粉末状の誘電加熱媒体を混合した状態の断面図、（ｃ）は更に顆粒・繊維状の誘電加熱媒体を混合した状態の断面図である。（ａ）は高周波誘電加熱方式による誘電加熱溶融工程の一例を示す断面図、（ｂ）はプレス工程の一例を示す断面図である。（ａ）乃至（ｅ）はポリプロピレン・ポリアミド（ナイロン６、ナイロン６６）・塩化ビニル樹脂・セラミック・炭化ケイ素等を添加したポリプロピレンそれぞれの誘電加熱特性をグラフで示した図である。

以下、図面を参照して本発明の実施の形態を詳細に説明する。

本実施例における接着剤１は、図１（ａ）〜（ｃ）に示すように、溶融接合可能な接着基剤２と、この中に均一分散した炭化ケイ素（ＳｉＣ）による微粉末状の誘電加熱媒体３とを有し、これらに更に同じ炭化ケイ素（ＳｉＣ）による顆粒・繊維状の誘電加熱媒体４を充填させている。

この場合の接着基剤２は、接着しようとする例えば熱可塑性樹脂若しくは熱硬化性樹脂等の素材からなる両母材５，６と親和性を有する熱可塑性樹脂若しくは熱硬化性樹脂等の樹脂材質が使用される。特に、両母材５，６と同一材料による接着基剤２が最適である。

顆粒・繊維状の誘電加熱媒体４として、顆粒の粒径にあっては５０マイクロメートル〜１ミリメートル（好ましくは５００マイクロメートル〜１ミリメートル程度）、繊維状物の繊維長は５０マイクロメートル以上のものが必要に応じて適宜使用される。

また、顆粒・繊維状又は微粉末状の誘電加熱媒体４は、後述する図３（ｅ）に示すように、接着剤１の全量を基準として、約５〜５０容積％の範囲（好ましくは４０容積％程度）で含まれる。

上記した両誘電加熱媒体３，４は、例えば周波数２８ＭＨｚ又は４０ＭＨｚ等の高周波の印加により発熱可能な高誘電損率を有する所謂高周波吸収性充填剤を使用したものであり、上記した炭化ケイ素（ＳｉＣ）の他に以下のものが使用できる。

すなわち、チタン酸バリウム、チタン酸ジルコン酸バリウム、チタン酸鉛、酸化チタン、ニオブ酸カリウムのいずれか又はそれらを組み合わせた強誘電体物質、水和ケイ酸アルミニウム、アルカリ金属又はアルカリ土類金属の水和アルミノケイ酸塩のいずれか又はそれらを組み合わせた結晶水を有する無機物質が使用できる。

この他、例えば、ロッシェル塩（酒石酸カリウムナトリウム）や重水素ロッシェル塩等のロッシェル塩類、リン酸二水素カリウム等のリン酸二水素アルカリ類、硫酸グアニジンアルミニウム等のグアニジン類、硫酸トリグリシン等のグリシン類も使用可能である。

なお、本実施例における接着剤１は、溶融接合可能な接着基剤２に、炭化ケイ素（ＳｉＣ）による微粉末状の誘電加熱媒体３と、同じ炭化ケイ素（ＳｉＣ）による顆粒・繊維状の誘電加熱媒体４とを同時に充填させているが、これに限らず、接着基剤２に対し、顆粒・繊維状の誘電加熱媒体４のみを充填させたものとしても良い。

また、本実施例の高周波誘電加熱接着装置は、樹脂材料からなる第１の母材５（第１被着体）と、任意の材料、好ましくは第１の母材５の樹脂材料と同一若しくは異なる樹脂材料からなる第２の母材６（第２被着体）とを、高周波誘電加熱方式により本発明の接着剤１を加熱溶融させて接合するために用いられる。

具体的には、高周波誘電加熱接着装置は、図２（ａ）に示すように、第１の母材５に当接して使用される第１の高周波印加電極１１と、第２の母材６に当接して使用されるものであって、第１の高周波印加電極１１に対向している第２の高周波印加電極１２と、第１の高周波印加電極１１及び第２の高周波印加電極１２のそれぞれに例えば周波数２８ＭＨｚ又は４０ＭＨｚ程度の高周波を印加するための高周波電源１３とを備えている。

そして、第１の母材５と第２の母材６との間に接着剤１が配置され、当該接着剤１に高周波電界を印加すると、両母材５，６の重ね合わせ部分で、微粉末状の誘電加熱媒体３及び顆粒・繊維状の誘電加熱媒体４が高周波エネルギーを吸収して発熱源として機能し、その熱によって、接着基剤２が溶融し、最終的には両母材５，６同士の接着接合を行うことができる。

なお、この高周波誘電加熱接着装置は、高周波電源１３がワークコイルに電流を流して磁界を発生させ、更にその磁界により、両母材の接合部位の近傍において渦電流を発生させ、最終的には所望とする加熱（電磁誘導加熱）をその両母材５，６の接合部位の近傍において実施することができる。

また、図２（ｂ）に示すように、高周波誘電加熱方式による接着剤１の加熱溶融後には、プレス装置の上部ダイ１４と下部ダイ１５とによる圧縮方向への加圧によって前記顆粒・繊維状の誘電加熱媒体４を両母材５，６に食い込ませる。この顆粒・繊維状の誘電加熱媒体４自体は、顆粒の粒径にあっては微粉末状の誘電加熱媒体３の粒径よりも極めて大きな５０マイクロメートル〜１ミリメートルであり、繊維状物の繊維長にあっては５０マイクロメートル以上と特定されていることから、両母材５，６に対する機械的結合力としての所謂アンカーとして作用する。

次に、以上のように構成された形態についての樹脂接合方法の一例について説明する。

先ず、図２（ａ）に示すように、誘電加熱溶融工程において、接着剤１を被着体である両母材５，６間に挟持させ、高周波誘電加熱接着装置の第１の高周波印加電極１１を第１の母材５に当接し、第２の高周波印加電極１２を第２の母材６に当接する。そして、高周波電源１３により第１の高周波印加電極１１及び第２の高周波印加電極１２のそれぞれに例えば周波数２８ＭＨｚ又は４０ＭＨｚ程度の高周波を印加する。

このとき、前記接着剤１に含まれている微粉末状及び顆粒・繊維状の両誘電加熱媒体３，４自体は、高周波により誘電加熱させられ、これにより接着基剤２が加熱溶融させられて母材５，６同士が接合接着される。

これと同時に、図２（ｂ）に示すように、プレス工程において、上記両母材５，６を上部ダイ１４と下部ダイ１５とにより圧縮方向に加圧することによって、加熱溶融後の接着剤１に含まれる顆粒・繊維状の誘電加熱媒体４を両母材５，６に食い込ませる。このように、両母材５，６間を溶融接合させると同時に外部からプレス圧力を加えることで、高温に発熱した誘電加熱性の顆粒・繊維状の誘電加熱媒体４自体が機械的結合力としてのアンカーとして機能する。

次に、ポリプロピレン（ＰＰ）・ポリアミド（ＰＡ）・塩化ビニル樹脂（ＰＶＣ）・セラミック・炭化ケイ素（ＳｉＣ）等を添加したポリプロピレン（ＰＰ）それぞれの誘電加熱特性について説明する。

なお、図３の誘電正接（ｔａｎδ）とは、複素誘電率の損失係数を指し、一般に熱可塑性樹脂の高周波電圧の印加による発熱効率は、比誘電率（ε）、誘電正接（ｔａｎδ）及びこれらの積である誘電損失率｛（ε）×（ｔａｎδ）｝が大きいほど優れていると考えられており、一般的に誘電損失率が０．１以上の場合に誘電加熱が可能といわれている。そして、本実施形態における誘電加熱媒体３，４（高周波発熱性樹脂組成物）の４０ＭＨｚの周波数における（ｔａｎδ）は０．０３以上である必要があり、０．０５以上あれば好ましいものとされている。

図３（ａ）は、結晶性プラスチックであるポリプロピレン（ＰＰ）の誘電加熱特性を示している。この場合、温度２００℃あたりで損失係数が０．０５となり、誘電加熱が可能である。

図３（ｂ）、（ｂ´）は、結晶性プラスチックであるナイロン６及びナイロン６６等のポリアミド（ＰＡ）の誘電加熱特性を示している。この場合、温度１８０℃〜１９０℃のあたりで損失係数が３．５〜２．８程度となり、誘電加熱が可能である。

図３（ｃ）は、非結晶性プラスチックである塩化ビニル樹脂（ＰＶＣ）の誘電加熱特性を示している。この場合、温度２００℃あたりで損失係数が１５となり、誘電加熱が可能である。

図３（ｄ）は、セラミックの誘電加熱特性を示している。この場合、炭化ケイ素（ＳｉＣ）を含まないセラミックとしての快削性セラミック・窒化ケイ素・石英ガラス・ポリカーボネート・アルミナ・テトラフルオロエチレン（ＴＦＥ）等の損失係数は１５０℃あたりで０付近に減少しているが、炭化ケイ素（ＳｉＣ）を含むセラミックの損失係数は１３０℃〜１５０℃あたりで約２８となっており、比較的少量の添加でも優れた発熱効果が得られることがわかる。

図３（ｅ）は、微粉末状又は顆粒・繊維状の誘電加熱媒体３，４である炭化ケイ素（ＳｉＣ）を添加した場合のポリプロピレン（ＰＰ）の誘電加熱特性を示している。すなわち、この図３（ｅ）に示すグラフは、炭化ケイ素（ＳｉＣ）が、５容積％、１０容積％、２０容積％、３０容積％及び４０容積％それぞれを添加したときの誘電加熱時間（ｍｉｎ）に対する表面温度（℃）の相関を表している。この場合、炭化ケイ素（ＳｉＣ）を４０容積％添加したときの誘電加熱時間が約２分経過しただけで表面温度が、２５℃から２００℃までの最大１７５℃も上昇することから比較的少量の添加でも短時間で優れた発熱効果が得られることがわかる。なお、このような４０容積％添加に限らず、誘電加熱媒体３，４は、接着剤１の全量を基準として、５〜５０容積％の範囲で含まれていれば良い。

以上のように、本実施形態においては、接着剤１に混入した誘電発熱性を有する炭化ケイ素（ＳｉＣ）等の微粉末状の誘電加熱媒体３を誘電加熱し、接着基剤２を融解させ溶融接合させるだけでなく、接着剤１に含まれる適度な粒径・形状と機械的強度を有し、且つ誘電加熱性を有する炭化ケイ素（ＳｉＣ）等の顆粒・繊維状の誘電加熱媒体４を、母材５，６外側に配置した第１の高周波印加電極１１及び第２の高周波印加電極１２により当該母材５，６が変形し得る温度まで誘電発熱させ、更に母材５，６の外側から上部ダイ１４と下部ダイ１５とによりプレス圧力を加えることにより、顆粒・繊維状の誘電加熱媒体４を両側の母材５，６に食い込ませるアンカーとして作用させることで接合強度を高めることができる。この顆粒・繊維状の誘電加熱媒体４は球形に限らず、不定形・繊維形状でも良く、更には織物や不織布とすることもでき、また、それらの併用でもよい。前記織物や不織布とすることができるので、その繊維長は使用状態に応じ長くなる。それらにより強力な接合効果を生むことができ、同時に接合部の機械的強度を向上させる効果を有する。また、顆粒・繊維状の誘電加熱媒体４として炭化ケイ素（ＳｉＣ）の代わりに、アンカーとしての相応の強度を有するものであれば、他の高誘電損失材料を使うことも可能である。

また、本実施形態によれば、耐溶剤性のために通常の接着剤による接合が不可能なポリエチレンやポリプロピレン等のポリオレフィン系樹脂等に対しても、ボルトやリベット等の機械的接合手段を用いずに安定で強固な接合が実現できる。この接合技術では、外部から接着部のみを加熱するため、厚物や複雑な立体構造を有する部材、高い寸法精度を求められる部材等の接合に有効である。この接合部に含まれる炭化ケイ素（ＳｉＣ）には当該接合部の強度を増す効果があり、繊維形状や織物状とすることで接着部に高い補強効果を与えることができる。

更に、本実施形態によれば、高周波は、被着体の接合部位に局所的に印加することができるので、接着接合が適用し難い大型で且つ複雑な立体構造体や積層構造体等の接合手段としても有効に適用することができる。特に、接着剤の使用が困難なポリオレフィン系樹脂に対して高強度な接合を可能とし、今後普及の拡大が予想される繊維強化プラスチック（ＦＲＰ）をはじめとする高機能熱可塑性樹脂複合材に対しても応用可能である。

また、本実施形態の変形例として、顆粒表面をシランカップリング剤等で処理して樹脂との親和性を高めることでアンカーによる機械的結合力を増強させ、接合強度を更に向上させることもできる。

更に、本実施形態の他の変形例として、本発明の接着剤１をホットメルト接着剤として製品化することも可能である。この具体的な接着基剤２としては、例えば、ポリエステル系、ポリアミド系、スチレン系等の各種のホットメルト接着剤（スチレン系では例えばスチレン−イソプレン−スチレンブロック共重合体等）を使用することができる。

また、本実施形態の変形例として、エポキシ樹脂等の熱硬化性樹脂が架橋ネットワーク化する前のプレポリマーを接着基剤として用いることもできる。顆粒・繊維状の誘電加熱媒体を加えたプレポリマーを誘電加熱により加熱軟化させ、架橋反応が起こる前の時点で加圧することで、加熱された顆粒・繊維状誘電媒体を母材に食い込ませ、その後、更に加熱して架橋反応を起こさせることで、アンカーによる機械的結合力のより強化された接合を得ることができる。

１接着剤
２接着基剤
３微粉末状の誘電加熱媒体
４顆粒・繊維状の誘電加熱媒体
５第１の母材（第１被着体）
６第２の母材（第２被着体）
１１第１の高周波印加電極（高周波誘電加熱接着装置）
１２第２の高周波印加電極（高周波誘電加熱接着装置）
１３高周波電源（高周波誘電加熱接着装置）
１４上部ダイ（プレス装置）
１５下部ダイ（プレス装置）

Claims

樹脂よりなる母材の接着剤を使用した高周波誘電加熱方式での接合方法において、上記接着剤は、該母材と親和性を有する接着基剤に、微粉末状及び顆粒・繊維状の誘電加熱媒体を充填したもので、上記顆粒にあってはその粒径を５０マイクロメートル〜１ミリメートル、繊維状にあってはその繊維長を５０マイクロメートル以上とし、上記接着剤を母材の接合部間に挟持させる工程と、高周波誘電加熱により該母材及び接着剤を加熱して誘電加熱溶融させる誘電加熱溶融工程と、溶融した後の母材接合部への加圧によって表面温度が上昇した上記顆粒・繊維状の誘電加熱媒体を母材に食い込ませてアンカーとしての機械的強度をもたせるプレス工程と、を有することを特徴とする樹脂接合方法。
前記誘電加熱媒体は、炭化ケイ素であることを特徴とする請求項１記載の樹脂接合方法。
前記誘電加熱媒体は、チタン酸バリウム、チタン酸ジルコン酸バリウム、チタン酸鉛、酸化チタン、ニオブ酸カリウムのいずれか又はそれらを組み合わせた強誘電体物質、若しくは水和ケイ酸アルミニウム、アルカリ金属又はアルカリ土類金属の水和アルミノケイ酸塩のいずれか又はそれらを組み合わせた結晶水を有する無機物質であることを特徴とする請求項１記載の樹脂接合方法。
前記顆粒・繊維状の誘電加熱媒体は、接着剤の全量を基準として、５〜５０容積％の範囲で含まれることを特徴とする請求項１乃至３のいずれかに記載の樹脂接合方法。