JP6418104B2 - 樹脂接合体の製造方法 - Google Patents

Description

本発明は、樹脂接合体の製造方法に関する。

次世代の車両用車体には、樹脂製部品の採用の拡大が予想されている。そのため、樹脂製部品同士の接合方法の確立が急務となっている。

繊維強化熱可塑性樹脂同士を接合するため、繊維強化熱可塑性樹脂の間に配置した熱可塑性樹脂シートを介して繊維強化熱可塑性樹脂同士を接合する接合方法が開示されている（例えば、特許文献１参照。）。

なお、熱硬化性樹脂と熱可塑性樹脂とを含む繊維強化複合材料板については知られている（例えば、特許文献２参照。）。

さらに、繊維強化樹脂Ａの表面の一部に、樹脂Ｂからなる樹脂体を予め接合して樹脂体一体化予備成形体を形成し、該樹脂体一体化予備成形体を型内に配置して、前記樹脂Ｂと同一樹脂によるインサート成形を行う複合成形体の製造方法が開示されている（例えば、特許文献３参照。）。

特開２０１４−０７６５６５号公報 特開２００８−２３０２３８号公報 特開２０１３−０２８１５９号公報

しかし、特許文献１に記載の技術は、繊維強化熱可塑性樹脂の間に配置した熱可塑性樹脂シートを介して繊維強化熱可塑性樹脂同士を接合するものであるが、繊維強化熱可塑性樹脂同士の接合強度は未だ充分なものではない。
また、特許文献２及び特許文献３に記載の技術は樹脂製部品の接合を目的とするものではない。
さらには、熱可塑性樹脂同士の接合に接着剤又はリベット等の締結部材を用いると、質量又はコストの増加の一因となり、望ましくない。特に、接着剤を用いて熱可塑性樹脂同士を接合した場合、接着剤の強度で接合部の強度が決定されるため、樹脂製部品自身の材料強度を生かすことができない場合がある。

本発明は、上記従来の問題点に鑑みてなされたものであり、簡易な方法で接合強度に優れる樹脂接合体を製造可能な樹脂接合体の製造方法を提供することを目的とする。

請求項１に記載の樹脂接合体の製造方法は、繊維強化樹脂を含む第一の樹脂成形体と、繊維を含む部材と、繊維強化樹脂を含む第二の樹脂成形体と、をこの順に積層して積層体を得る積層工程と、前記第一の樹脂成形体側から積層方向に向けて、凸部を有する振動体を振動させながら前記第二の樹脂成形体まで挿入することにより樹脂を溶融して、前記第一の樹脂成形体と前記第二の樹脂成形体とを接合する接合工程と、を有するものである。
また、請求項２に記載の樹脂接合体の製造方法は、前記凸部を有する振動体が、先端が先細りのテーパー形状とされたものである。

上記構成によれば、凸部を有する振動体を振動させながら第二の樹脂成形体まで挿入することで、積層体における振動体の挿入された箇所及びその付近の樹脂が溶融すると共に、繊維が振動体の挿入方向に沿って移動する。そのため、第一の樹脂成形体、繊維を含む部材及び第二の樹脂成形体に含まれる繊維が振動体の挿入方向に沿って互いに絡み合う。その結果、接着剤又はリベット等の締結部材を用いることなく第一の樹脂成形体と第二の樹脂成形体との接合強度を向上させることができる。

本発明によれば、簡易な方法で接合強度に優れる樹脂接合体を製造可能な樹脂接合体の製造方法が提供される。

本実施形態に係る積層工程において得られる積層体を示す断面図である。 本実施形態に係る接合工程を説明するための断面図である。 本実施形態に係る樹脂接合体の、接合部における接合面に直交する断面の一例を示す断面図である。 従来の樹脂接合体の、接合部における接合面に直交する断面の一例を示す断面図である。

以下、本発明の樹脂接合体の製造方法の実施形態について、図面を参照して説明する。なお、以下において、同一の部材には同一の符号を付し、重複した説明を省略することがある。また、各図における部材の大きさは概念的なものであり、部材間の大きさの相対的な関係はこれに限定されない。

図１は、本実施形態に係る積層工程において得られる積層体を示す断面図である。
図１に示される積層体１０は、繊維強化樹脂を含む第一の樹脂成形体１１と、繊維を含む部材（以下、「含繊維部材」と称することがある）１２と、繊維強化樹脂を含む第二の樹脂成形体１３と、をこの順に積層する積層工程を経て得られる。
第一の樹脂成形体１１及び第二の樹脂成形体１３には、各々繊維１４及び繊維１５が含まれる。第一の樹脂成形体１１に含まれる繊維１４は、第一の樹脂成形体１１の厚み方向と直交する方向に沿って配置されている。また、第二の樹脂成形体１３に含まれる繊維１５は、第二の樹脂成形体１３の厚み方向と直交する方向に沿って配置されている。

第一の樹脂成形体１１及び第二の樹脂成形体１３に含まれる繊維強化樹脂を構成する樹脂は特に限定されるものではない。第一の樹脂成形体１１及び第二の樹脂成形体１３の接合強度の観点から、繊維強化樹脂を構成する樹脂は熱可塑性樹脂であることが好ましい。
本実施形態において用いられる熱可塑性樹脂としては、例えば、ポリカーボネート樹脂、ポリアミド（ＰＡ）樹脂、ポリウレタン（ＰＵ）樹脂、ポリ塩化ビニル樹脂、アクリロニトリル−ブタジエン−スチレン共重合体（ＡＢＳ）樹脂及びポリプロピレン（ＰＰ）樹脂が挙げられる。これらの中でも、ＰＡ樹脂及びＰＰ樹脂が好ましい。

第一の樹脂成形体１１に含まれる繊維強化樹脂を構成する樹脂及び第二の樹脂成形体１３に含まれる繊維強化樹脂を構成する樹脂は、同一の種類でもよいし異なった種類であってもよい。本実施形態においては、第一の樹脂成形体１１及び第二の樹脂成形体１３の接合強度の観点から、第一の樹脂成形体１１に含まれる繊維強化樹脂を構成する樹脂及び第二の樹脂成形体１３に含まれる繊維強化樹脂を構成する樹脂は、同一の種類であることが好ましい。

第一の樹脂成形体１１及び第二の樹脂成形体１３に含まれる繊維強化樹脂を構成する繊維の種類は特に限定されるものではなく、目的に応じて公知の各種繊維を使用可能である。
繊維の種類としては、例えば、アラミド繊維、セルロース繊維、ナイロン繊維、ビニロン繊維、ポリエステル繊維、ポリオレフィン繊維、レーヨン繊維等の樹脂繊維、炭素繊維、ガラス繊維、金属繊維などが挙げられる。これらの中でも、高い機械的強度を実現可能な炭素繊維が望ましい。

本実施形態において用いられる繊維の状態は特に限定されるものではなく、目的に応じて公知の状態の繊維を使用可能である。本実施形態において用いられる繊維の状態としては、例えば、織布及び不織布が挙げられる。
特に繊維として炭素繊維が用いられる場合、炭素繊維の状態としては、例えば、紡績糸、織布、編物、組物、フェルト、マット、ペーパー、チョップド糸、フィラメント及びミルドが挙げられる。

第一の樹脂成形体１１及び第二の樹脂成形体１３を得る方法については特に限定されるものではなく、目的に応じて公知の各種方法を使用可能である。
例えば、繊維に熱可塑性樹脂の溶液又は融液を含浸させ、必要に応じて乾燥してシート状に成型する方法、繊維と熱可塑性樹脂フィルムとを交互に積層した後に加熱加圧成形する方法、及び繊維強化熱可塑性樹脂フィルムを積層した後に加熱加圧成形する方法等が挙げられる。

含繊維部材１２の構成は特に限定されるものではない。含繊維部材１２は、繊維のみで構成されていてもよいし、繊維と熱可塑性樹脂等の樹脂との複合材料であってもよい。含繊維部材１２を構成する繊維及び必要に応じて用いられる熱可塑性樹脂等の樹脂の具体例は、上述の樹脂成形体に含まれる繊維強化樹脂の場合と同様である。
含繊維部材１２を構成する繊維としては、炭素繊維が好ましい。また、含繊維部材１２の構成に必要に応じて用いられる熱可塑性樹脂等の樹脂としては、ＰＡ樹脂及びＰＰ樹脂が好ましい。
なお、図１に記載の含繊維部材１２は、繊維１６と熱可塑性樹脂との複合材料とされる。含繊維部材１２に含まれる繊維１６は、含繊維部材１２の厚み方向と直交する方向に沿って配置されている。

含繊維部材１２の形状は特に限定されるものではない。含繊維部材１２は、第一の樹脂成形体１１及び第二の樹脂成形体１３が接合される箇所に配置されるものであることから、第一の樹脂成形体１１及び第二の樹脂成形体１３の接合箇所の形状、大きさ、接合強度等を考慮して含繊維部材１２の形状を設定することができる。

図２は、本実施形態に係る接合工程を説明するための断面図である。
なお、本実施形態に係る接合工程では、超音波溶着機を用いて積層体１０を接合する例について説明する。本実施形態では、振動体として超音波用着機のホーン部が適用される。
図２では、積層体１０の第一の樹脂成形体１１側から第一の樹脂成形体１１と含繊維部材１２と第二の樹脂成形体１３との積層方向に向けて、凸部を有する振動体である超音波用着機のホーン部１７を、ホーン部１７の先端から積層体１０に挿入した状態を表している。

ホーン部１７を振動（超音波振動）させながら積層体１０の第一の樹脂成形体１１側から第二の樹脂成形体１３まで挿入することで、積層体１０におけるホーン部１７に接触した部分及びその付近の樹脂が溶融する。そのため、第一の樹脂成形体１１及び第二の樹脂成形体１３が、含繊維部材１２を介して接合される。ホーン部１７の振動の方向は、積層体１０の第一の樹脂成形体１１と含繊維部材１２と第二の樹脂成形体１３との積層方向に沿う方向に前後する方向とされる。
さらに積層体１０におけるホーン部１７に接触した部分及びその付近の繊維が、ホーン部１７の挿入方向に沿って移動する。そのため、第一の樹脂成形体１１の厚み方向と直交する方向に沿って配置されている繊維１４、含繊維部材１２の厚み方向と直交する方向に沿って配置されている繊維１６及び第二の樹脂成形体１３の厚み方向と直交する方向に沿って配置されている繊維１５が振動体の挿入方向（積層体１０の溶着面に対して直交する方向）に沿って互いに絡み合う。
その結果、第一の樹脂成形体１１及び第二の樹脂成形体１３の含繊維部材１２を介した接合は、高い強度を有する。

図２に示すホーン部１７の先端は先細りのテーパー形状を有しており、積層体１０に挿入されやすい形状とされている。ホーン部１７の先端は平板状とされていてもよいが、積層体１０への挿入のしやすさの観点から、ホーン部１７の先端は先細りのテーパー形状であることが好ましい。

超音波溶着の諸条件は、第一の樹脂成形体１１及び第二の樹脂成形体１３の形状、融解温度、接合面の面積等により選択されうる。例えば、ホーン部１７のホーン加圧力は１００Ｎ〜２０００Ｎが好ましく、３００Ｎ〜１０００Ｎがより好ましく、５００Ｎ〜８００Ｎが更に好ましい。超音波振動の振幅としては、１０μｍ〜１００μｍが好ましく、１５μｍ〜５０μｍがより好ましい。

本実施形態においては、振動体として超音波用着機のホーン部が適用されるがこれに限定されるものではない。

図３は、本実施形態に係る樹脂接合体の、接合部における接合面に直交する断面の一例を示す断面図である。
図３に示される樹脂接合体２０は、第一の樹脂成形体１１と含繊維部材１２と第二の樹脂成形体１３とをこの順に積層した積層体１０と、第一の樹脂成形体１１に含まれる繊維１４と含繊維部材１２に含まれる繊維１６と第二の樹脂成形体１３に含まれる繊維１５とが、積層体１０の積層方向に沿って絡み合う接合部２１と、を有する。
接合部２１は、本実施形態に係る接合工程を経て形成することが可能である。
なお、樹脂接合体２０においては、含繊維部材１２として繊維１６と熱可塑性樹脂との複合材料が適用されているが、含繊維部材１２は、繊維のみで構成されていてもよい。

樹脂接合体２０は、接合部２１において第一の樹脂成形体１１に含まれる繊維１４と含繊維部材１２に含まれる繊維１６と第二の樹脂成形体１３に含まれる繊維１５とが積層体１０の積層方向に沿って絡み合う。そのため、樹脂接合体２０は、第一の樹脂成形体１１及び第二の樹脂成形体１３の接合強度に優れる。

図４は、従来の樹脂接合体の、接合部における接合面に直交する断面の一例を示す断面図である。従来の樹脂接合体３０では、第一の樹脂成形体３１と第二の樹脂成形体３２とが接合部３３で直接接合されている。第一の樹脂成形体３１に含まれる繊維３４は、第一の樹脂成形体３１の厚み方向と直交する方向に沿って配置される。また、第二の樹脂成形体３２に含まれる繊維３５は、第二の樹脂成形体３２の厚み方向と直交する方向に沿って配置される。そのため、接合部３３において、繊維３４及び繊維３５は互いに接合面（図４中、点線で表された部分）の面方向に沿って配置されることとなる。

接合部３３において、繊維３４及び繊維３５が互いに接合面の面方向に沿って配置される場合、第一の樹脂成形体３１と第二の樹脂成形体３２とを接合しても繊維３４と繊維３５とが互いに絡み合いにくい。そのため、接合部において繊維同士が絡み合う本実施形態に係る樹脂接合体の製造方法により製造された樹脂接合体に比較して、従来の樹脂接合体の接合強度は低い。
従来の樹脂接合体は、特に、剥離強度に劣る。

１０ 積層体
１１、３１ 第一の樹脂成形体
１２ 含繊維部材
１３、３２ 第二の樹脂成形体
１４、１５、１６、３４、３５ 繊維
１７ ホーン部
２０、３０ 樹脂接合体
２１、３３ 接合部

Claims (2)

1. 繊維強化樹脂を含む第一の樹脂成形体と、繊維を含む部材と、繊維強化樹脂を含む第二の樹脂成形体と、をこの順に積層して積層体を得る積層工程と、
   前記第一の樹脂成形体側から積層方向に向けて、凸部を有する振動体を振動させながら前記第二の樹脂成形体まで挿入することにより樹脂を溶融して、前記第一の樹脂成形体と前記第二の樹脂成形体とを接合する接合工程と、
   を有する樹脂接合体の製造方法。
2. 前記凸部を有する振動体が、先端が先細りのテーパー形状である請求項１に記載の樹脂接合体の製造方法。