JP6436014B2 - 樹脂接合体 - Google Patents

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Description

本発明は、樹脂接合体に関する。
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り、繊維強化熱可塑性樹脂同士を直接接合するものではない。
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、簡易な構成で接合強度に優れる樹脂接合体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は、繊維強化熱可塑性樹脂を含む第一の樹脂成形体と、繊維強化熱可塑性樹脂を含む第二の樹脂成形体と、前記第一の樹脂成形体と前記第二の樹脂成形体とが直接接合した接合部と、を有し、前記接合部における接合面に直交する断面を観察したときに、前記接合面の面方向に沿って配置される繊維と、前記接合面と直交する方向に沿って配置される繊維と、が存在し、前記接合面の面方向に沿って配置される繊維及び前記接合面と直交する方向に沿って配置される繊維が、織布であり、前記接合部において、前記接合面の面方向に沿って配置される繊維と前記接合面と直交する方向に沿って配置される繊維とが絡み合うものである。
また、請求項２に記載の樹脂接合体は、前記第一の樹脂成形体の一端が前記接合部の接合面に直交する方向に沿って前記第二の樹脂成形体側に向くように屈曲しており、前記第二の樹脂成形体の一端が前記接合部の接合面に直交する方向に沿って前記第一の樹脂成形体側に向くように屈曲しており、前記第一の樹脂成形体の屈曲している側の一端の端面が、前記接合部の接合面において、前記第一の樹脂成形体に含まれる熱可塑性樹脂と前記第二の樹脂成形体に含まれる熱可塑性樹脂とが融合することで前記第二の樹脂成形体と一体化されており、前記第二の樹脂成形体の屈曲している側の一端の端面が、前記接合部の接合面において、前記第一の樹脂成形体に含まれる熱可塑性樹脂と前記第二の樹脂成形体に含まれる熱可塑性樹脂とが融合することで前記第一の樹脂成形体と一体化されているものである。
上記構成によれば、第一の樹脂成形体と第二の樹脂成形体とが直接接合した接合部において接合面の面方向に沿って配置される繊維と接合面と直交する方向に沿って配置される繊維とが絡み合う。そのため、接着剤又はリベット等の締結部材を用いることなく接合部の接合強度を向上させることができる。
本発明によれば、簡易な構成で接合強度に優れる樹脂接合体が提供される。
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。 本実施形態に係る樹脂接合体の製造方法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他の一例を示す断面図である。 参考例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。
以下、本発明の樹脂接合体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１において、樹脂接合体１０は、第一の樹脂成形体１１と第二の樹脂成形体１２とが接合部１３で直接接合されている。
第一の樹脂成形体１１の一端は、接合部１３の接合面（図１中、点線で表された部分）に直交する方向に沿って第二の樹脂成形体１２側に向くように屈曲している。また、第二の樹脂成形体１２の一端は、接合部１３の接合面に直交する方向に沿って第一の樹脂成形体１１側に向くように屈曲している。
第一の樹脂成形体１１は、繊維強化熱可塑性樹脂を含む。繊維強化熱可塑性樹脂に含まれる繊維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る。第一の樹脂成形体１１の屈曲している側の一端の端部においては、繊維強化熱可塑性樹脂に含まれる繊維１４は、第一の樹脂成形体１１の屈曲に沿って配置される。
第二の樹脂成形体１２は、繊維強化熱可塑性樹脂を含む。繊維強化熱可塑性樹脂に含まれる繊維１５は、第二の樹脂成形体１２の厚み方向と直交する方向に沿って配置される。第二の樹脂成形体１２の屈曲している側の一端の端部においては、繊維強化熱可塑性樹脂に含まれる繊維１５は、第二の樹脂成形体１２の屈曲に沿って配置される。
第一の樹脂成形体１１の屈曲している側の一端の端面は、接合部１３の接合面において、第一の樹脂成形体１１に含まれる熱可塑性樹脂と第二の樹脂成形体１２に含まれる熱可塑性樹脂とが融合することで第二の樹脂成形体１２と一体化されている。また、第二の樹脂成形体１２の屈曲している側の一端の端面は、接合部１３の接合面において、第一の樹脂成形体１１に含まれる熱可塑性樹脂と第二の樹脂成形体１２に含まれる熱可塑性樹脂とが融合することで第一の樹脂成形体１１と一体化されている。
接合部１３の接合面においては、第一の樹脂成形体１１の厚み方向と直交する方向に沿う繊維１４が当該接合面の面方向に沿って配置されている。また、第二の樹脂成形体１２の屈曲している側の一端の端部の繊維１５が当該接合面と直交する方向に沿って配置されている。そして、接合部１３において、当該接合面の面方向に沿って配置される繊維（第一の樹脂成形体１１の厚み方向と直交する方向に沿う繊維１４）と当該接合面と直交する方向に沿って配置される繊維（第二の樹脂成形体１２の屈曲している側の一端の端部の繊維１５）とが絡み合った状態とされる。
また、接合部１３の接合面においては、第二の樹脂成形体１２の厚み方向と直交する方向に沿う繊維１５が当該接合面の面方向に沿って配置されている。また、第一の樹脂成形体１１の屈曲している側の一端の端部の繊維１４が当該接合面と直交する方向に沿って配置されている。そして、接合部１３において、当該接合面の面方向に沿って配置される繊維（第二の樹脂成形体１２の厚み方向と直交する方向に沿う繊維１５）と当該接合面と直交する方向に沿って配置される繊維（第一の樹脂成形体１１の屈曲している側の一端の端部の繊維１４）とが絡み合った状態とされる。
接合部１３において第一の樹脂成形体１１に含まれる繊維１４と第二の樹脂成形体１２に含まれる繊維１５とが絡み合うことで、接合部１３で接合されている第一の樹脂成形体１１と第二の樹脂成形体１２との接合強度が向上する。
繊維強化熱可塑性樹脂を構成する熱可塑性樹脂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熱可塑性樹脂を使用可能である。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熱可塑性樹脂を構成する熱可塑性樹脂と第二の樹脂成形体１２に含まれる繊維強化熱可塑性樹脂を構成する熱可塑性樹脂とは、同一の種類の樹脂でもよいし異なった種類の樹脂であってもよい。本実施形態においては、相溶性の観点から、第一の樹脂成形体１１に含まれる繊維強化熱可塑性樹脂を構成する熱可塑性樹脂と第二の樹脂成形体１２に含まれる繊維強化熱可塑性樹脂を構成する熱可塑性樹脂とは同一の種類の樹脂であることが好ましい。
繊維強化熱可塑性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。繊維強化熱可塑性樹脂を構成す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。
本実施形態においては、樹脂成形体の厚み方向と直交する方向に沿って繊維を配置させやすいことから、織布を用いることが好ましい。
第一の樹脂成形体１１及び第二の樹脂成形体１２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または融液を含浸させ、必要に応じて乾燥してシート状に成形する方法、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。
図２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２０では、第一の樹脂成形体２１と第二の樹脂成形体２２とが接合部２３で直接接合されている。第一の樹脂成形体２１に含まれる繊維２４は、第一の樹脂成形体２１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２２に含まれる繊維２５は、第二の樹脂成形体２２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２３において、繊維２４及び繊維２５は互いに接合面（図２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り、接合面と直交する方向に沿って配置される繊維が存在しない構成とされる。
接合部２３において、接合面と直交する方向に沿って配置される繊維が存在しない構成とされることで、第一の樹脂成形体２１と第二の樹脂成形体２２とを接合しても繊維２４と繊維２５とが絡み合いにくい。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に比較して、従来の樹脂接合体の接合強度は低い。
次に、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。
図３は、本実施形態に係る樹脂接合体の製造方法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製造方法では、第一の樹脂成形体１１及び第二の樹脂成形体１２が準備される。
第一の樹脂成形体１１及び第二の樹脂成形体１２を準備する方法は特に限定されるものではなく、後述の、第一の樹脂成形体１１及び第二の樹脂成形体１２を接合する工程を実施する者が自身で作製してもよいし、第一の樹脂成形体１１及び第二の樹脂成形体１２を購入等により入手してもよい。第一の樹脂成形体１１及び第二の樹脂成形体１２を作製するために用いられる材料、方法等は上述の通りである。
次いで、第一の樹脂成形体１１の屈曲している側の一端の端面が第二の樹脂成形体１２の側を向き、第二の樹脂成形体１２の屈曲している側の一端の端面が第一の樹脂成形体１１の側を向くように両者を配置する。第一の樹脂成形体１１の屈曲している側の一端の端面が第二の樹脂成形体１２に接触し、第二の樹脂成形体１２の屈曲している側の一端の端面が第一の樹脂成形体１１に接触した状態で、第一の樹脂成形体１１及び第二の樹脂成形体１２を溶着させる。これにより、第一の樹脂成形体１１及び第二の樹脂成形体１２が接合部１３において接合され、樹脂接合体１０が製造される。
このとき、接合部１３において、当該接合面の面方向に沿って配置される繊維（第一の樹脂成形体１１の厚み方向と直交する方向に沿う繊維１４）と当該接合面と直交する方向に沿って配置される繊維（第二の樹脂成形体１２の屈曲している側の一端の端部の繊維１５）とが絡み合った状態とされる。さらに、当該接合面の面方向に沿って配置される繊維（第二の樹脂成形体１２の厚み方向と直交する方向に沿う繊維１５）と当該接合面と直交する方向に沿って配置される繊維（第一の樹脂成形体１１の屈曲している側の一端の端部の繊維１４）とが絡み合った状態とされる。
第一の樹脂成形体１１及び第二の樹脂成形体１２を溶着させて第一の樹脂成形体１１及び第二の樹脂成形体１２を接合部１３において接合する方法としては特に限定されるものではなく、公知の各種溶着方法を使用可能である。
本実施形態において用いることのできる溶着方法としては、例えば、超音波溶着、振動溶着、誘導溶着、高周波溶着、レーザー溶着、熱溶着及びスピン溶着が挙げられる。これらの中でも、超音波溶着及び振動溶着が好ましい。
振動溶着は、溶着させる第一の樹脂成形体１１及び第二の樹脂成形体１２に対してプレス機等を用いて荷重をかけた状態で、第一の樹脂成形体１１及び第二の樹脂成形体１２の一方を接合面に対して水平方向に振動させ、それによって発生する摩擦熱を利用して溶着する方法である。
溶着方法として振動溶着を用いる場合、振動溶着の諸条件は、第一の樹脂成形体１１及び第二の樹脂成形体１２の形状、熱可塑性樹脂の融解温度、接合面の面積等により選択され得る。
例えば、振動の周波数は１００Ｈｚ〜３００Ｈｚが好ましく、２１０Ｈｚ〜２６０ＨＺがより好ましい。また、第一の樹脂成形体１１及び第二の樹脂成形体１２に対する荷重としては、０．１ＭＰａ〜５ＭＰａが好ましく、０．１ＭＰａ〜２ＭＰａがより好ましく、０．１ＭＰａ〜１ＭＰａが更に好ましい。また、振動振幅は０．５ｍｍ〜５ｍｍが好ましく、１ｍｍ〜３ｍｍがより好ましく、１．５ｍｍ〜２．５ｍｍが更に好ましい。
一方、超音波溶着は、超音波発振器によって電気エネルギーを振動エネルギーに変換し、この振動エネルギーを接触させた状態の第一の樹脂成形体１１及び第二の樹脂成形体１２に付与することで、発生した摩擦熱を利用して溶着する方法である。
溶着方法として超音波溶着を用いる場合、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１２の形状、熱可塑性樹脂の融解温度、接合面の面積等により選択されうる。
例えば、超音波を発生させる超音波発生装置を構成するホーンのホーン加圧力は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。第一の樹脂成形体１１及び第二の樹脂成形体１２に対する加圧としては、０ｋＮ〜５ｋＮが好ましく、０ｋＮ〜３ｋＮがより好ましく、０ｋＮ〜１ｋＮが更に好ましい。
図４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他の一例を示す断面図である。第一の樹脂成形体及び第二の樹脂成形体は、上述と同様の材料、方法により準備することができる。また、第一の樹脂成形体及び第二の樹脂成形体は、上述と同様の方法により接合することができる。
図４において、樹脂接合体３０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。
図４において、第一の樹脂成形体３１は、繊維強化熱可塑性樹脂を含む。繊維強化熱可塑性樹脂に含まれる繊維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は、繊維強化熱可塑性樹脂を含む。繊維強化熱可塑性樹脂に含まれる繊維３５は、第二の樹脂成形体３２の厚み方向に沿って配置される。
接合部３３の接合面（図４中、点線で表された部分）においては、第一の樹脂成形体３１の厚み方向と直交する方向に沿う繊維３４が当該接合面の面方向に沿って配置されている。また、第二の樹脂成形体３２の厚み方向に沿う繊維３５は、当該接合面の面方向に直交する方向に沿って配置されている。そして、接合部３３において、当該接合面の面方向に沿って配置される繊維（第一の樹脂成形体３１の厚み方向と直交する方向に沿う繊維３４）と当該接合面と直交する方向に沿って配置される繊維（第二の樹脂成形体３２の厚み方向に沿う繊維３５）とが絡み合った状態とされる。
接合部３３において第一の樹脂成形体３１に含まれる繊維３４と第二の樹脂成形体３２に含まれる繊維３５とが絡み合うことで、接合部３３で接合されている第一の樹脂成形体３１と第二の樹脂成形体３２との接合強度が向上する。
図５は、参考例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。参考例に係る樹脂接合体は、第一の樹脂成形体と第二の樹脂成形体とが接合部材を介して接合された態様を示す。第一の樹脂成形体及び第二の樹脂成形体は、上述と同様の材料、方法により準備することができる。また、第一の樹脂成形体及び第二の樹脂成形体は、上述と同様の方法により接合することができる。
図５において、樹脂接合体４０は、接合部４３において、第一の樹脂成形体４１と接合部材４６と第二の樹脂成形体４２とがこの順で積層されており、第一の樹脂成形体４１と接合部材４６とが接合され、第二の樹脂成形体４２と接合部材４６とが接合されている。
図５において、第一の樹脂成形体４１は、繊維強化熱可塑性樹脂を含む。繊維強化熱可塑性樹脂に含まれる繊維４４は、第一の樹脂成形体４１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４２は、繊維強化熱可塑性樹脂を含む。繊維強化熱可塑性樹脂に含まれる繊維４５は、第二の樹脂成形体４２の厚み方向と直交する方向に沿って配置される。
接合部材４６は、繊維強化熱可塑性樹脂を含む。接合部材で用いられる繊維強化熱可塑性樹脂を構成する熱可塑性樹脂及び繊維の具体例は、樹脂成形体で用いられる繊維強化熱可塑性樹脂の場合と同様である。
接合部材４６に含まれる繊維４７は、接合部４３における接合面と直交する方向に沿って配置される。
接合部４３の第一の樹脂成形体４１と接合部材４６との接合面（図５中、点線で表された部分）においては、第一の樹脂成形体４１の厚み方向と直交する方向に沿う繊維４４が当該接合面の面方向に沿って配置されている。また、接合部材４６の厚み方向に沿う繊維４７は、当該接合面の面方向に直交する方向に沿って配置されている。そして、接合部４３において、当該接合面の面方向に沿って配置される繊維（第一の樹脂成形体４１の厚み方向と直交する方向に沿う繊維４４）と当該接合面と直交する方向に沿って配置される繊維（接合部材４６の厚み方向に沿う繊維４７）とが絡み合った状態とされる。
また、接合部４３の第二の樹脂成形体４２と接合部材４６との接合面においては、第二の樹脂成形体４２の厚み方向と直交する方向に沿う繊維４５が当該接合面の面方向に沿って配置されている。また、接合部材４６の厚み方向に沿う繊維４７は、当該接合面の面方向に直交する方向に沿って配置されている。そして、接合部４３において、当該接合面の面方向に沿って配置される繊維（第二の樹脂成形体４２の厚み方向と直交する方向に沿う繊維４５）と当該接合面と直交する方向に沿って配置される繊維（接合部材４６の厚み方向に沿う繊維４７）とが絡み合った状態とされる。
接合部４３において、第一の樹脂成形体４１に含まれる繊維４４と接合部材４６に含まれる繊維４７とが絡み合い、且つ第二の樹脂成形体４２に含まれる繊維４５と接合部材４６に含まれる繊維４７とが絡み合うことで、接合部４３で接合されている第一の樹脂成形体４１と第二の樹脂成形体４２との接合強度が向上する。
本実施形態に係る樹脂接合体は、車両用構造体に適用できる。本実施形態に係る樹脂接合体の適用された車両用構造体の種類は特に限定されるものではなく、例えば、サイドドア、フード、ルーフ、バックドア、ラゲージドア、バンパ及びクラッシュボックスが挙げられる。
１０，２０，３０，４０ 樹脂接合体
１１，２１，３１，４１ 第一の樹脂成形体
１２，２２，３２，４２ 第二の樹脂成形体
１３，２３，３３，４３ 接合部
１４，１５，２４，２５，３４，３５，４４，４５、４７ 繊維
４６ 接合部材

Claims (2)

  1. 繊維強化熱可塑性樹脂を含む第一の樹脂成形体と、繊維強化熱可塑性樹脂を含む第二の樹脂成形体と、前記第一の樹脂成形体と前記第二の樹脂成形体とが直接接合した接合部と、を有し、
    前記接合部における接合面に直交する断面を観察したときに、前記接合面の面方向に沿って配置される繊維と、前記接合面と直交する方向に沿って配置される繊維と、が存在し、
    前記接合面の面方向に沿って配置される繊維及び前記接合面と直交する方向に沿って配置される繊維が、織布であり、
    前記接合部において、前記接合面の面方向に沿って配置される繊維と前記接合面と直交する方向に沿って配置される繊維とが絡み合う樹脂接合体。
  2. 前記第一の樹脂成形体の一端が前記接合部の接合面に直交する方向に沿って前記第二の樹脂成形体側に向くように屈曲しており、
    前記第二の樹脂成形体の一端が前記接合部の接合面に直交する方向に沿って前記第一の樹脂成形体側に向くように屈曲しており、
    前記第一の樹脂成形体の屈曲している側の一端の端面が、前記接合部の接合面において、前記第一の樹脂成形体に含まれる熱可塑性樹脂と前記第二の樹脂成形体に含まれる熱可塑性樹脂とが融合することで前記第二の樹脂成形体と一体化されており、
    前記第二の樹脂成形体の屈曲している側の一端の端面が、前記接合部の接合面において、前記第一の樹脂成形体に含まれる熱可塑性樹脂と前記第二の樹脂成形体に含まれる熱可塑性樹脂とが融合することで前記第一の樹脂成形体と一体化されている請求項１に記載の樹脂接合体。
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