JP6540024B2 - 接着構造体及び接着方法 - Google Patents

Description

本発明は、接着構造体及び接着方法に関する。

近年、自動車の車体軽量化のために強化基材に樹脂を含浸させた複合材料が自動車部品として用いられており、自動車部品は、複合材料同士を、接着剤を介して接合することによって形成される。

また、複合材料を構成する樹脂として、現在はその機械的特性の高さから、熱硬化性樹脂が主に用いられている。しかしながら、熱硬化性樹脂では、材料コストや硬化させるのに時間がかかるといった理由から、熱可塑性樹脂に置き換えられると予想されている。

ところが、この熱可塑性樹脂は、一般的に接着剤に対して接着性が低く、強化基材に熱可塑性樹脂を含浸させた複合材料も、表面に熱可塑性樹脂が形成されるため、同様に接着剤に対して接着性が低くなる。

これに関連して、例えば下記の特許文献１には、誘電加熱性を有し加圧によって複合材料に食い込み可能な顆粒・繊維状の誘電加熱媒体が混合された接着剤を用いる接合方法が開示されている。

この方法によれば、誘電加熱媒体が混合された接着剤を一対の複合材料の間に配置して、誘導加熱で加熱しつつ加圧することによって、誘電加熱媒体が複合材料に食い込むため、複合材料及び接着剤間の接着が実現可能となる。

特開２０１３−１６６９０４号公報

しかしながら、特許文献１に記載の接合方法では、接着剤に、複合材料に食い込み可能な顆粒・繊維状の誘電加熱媒体が混合されるため、コストの増加や製造工程の煩雑化が懸念される。

本発明は、上記の課題を解決するためになされたものであり、コストの増加や製造工程の煩雑化を抑制しつつ、強化基材に熱可塑性樹脂を含浸させた複合材料の接着剤に対する接着性を向上させることのできる接着構造体及び接着方法を提供することを目的とする。

上記目的を達成する本発明に係る接着構造体は、カーボン繊維からなる強化基材に熱可塑性樹脂を含浸させた複合材料及び被接着部材が、熱硬化性のエポキシ樹脂系の接着剤を介して接着されてなる接着構造体である。接着構造体は、前記接着剤側の表面における前記熱可塑性樹脂が溶融した前記複合材料の、前記表面における前記強化基材が、前記被接着部材から離間しつつ前記接着剤内に埋設された、接着構造体である。

また、上記目的を達成する本発明に係る接着方法は、カーボン繊維からなる強化基材に熱可塑性樹脂を含浸させた複合材料及び被接着部材を、熱硬化性のエポキシ樹脂系の接着剤を介して接着する接着方法である。接着方法は、前記接着剤側の表面における前記熱可塑性樹脂が溶融された前記複合材料の、前記表面における前記強化基材を、前記被接着部材から離間しつつ前記接着剤内に埋設する、接着方法である。

上記の接着構造体及び接着方法によれば、複合材料の強化基材が、接着剤内に埋設されるため、複合材料の接着剤に対する接着性を向上させることができる。また、接着剤には、先行技術文献の誘電加熱媒体のような別材料が混合されないため、コストの増加や製造工程の煩雑化を抑制することができる。したがって、コストの増加や製造工程の煩雑化を抑制しつつ、強化基材に熱可塑性樹脂を含浸させた複合材料の接着剤に対する接着性を向上させることのできる接着構造体及び接着方法を提供することができる。

本発明の実施形態に係る接着構造体を示す斜視図である。 本実施形態に係る接着構造体の内部の様子を示す概略図である。 第１実施形態に係る接着方法を用いる際の接合装置を示す図である。 第１実施形態に係る接着方法のフローチャートである。 複合材料の表面の熱可塑性樹脂を溶融する様子を示す図である。 複合材料の表面に接着剤を配置する様子を示す図である。 接着剤の複合材料が設けられる側と反対側の面に他の複合材料を配置する様子を示す図である。 第２実施形態に係る接着方法を用いる際の接合装置を示す図である。 第２実施形態に係る接着方法のフローチャートである。 複合材料、接着剤、及び他の複合材料の順に積層する様子を示す図である。 複合材料、接着剤、及び他の複合材料を加熱しつつ、複合材料及び他の複合材料を互いに向かう方向に押圧する様子を示す図である。 複合材料の強化基材が、接着剤内に埋設する様子を示す図である。 接着剤が離散的に配置される様子を示す図である。 比較例に係る接着構造体のせん断試験の結果を示す図である。 実施例に係る接着構造体のせん断試験の結果を示す図である。

以下、添付した図面を参照しながら、本発明の実施形態を説明する。なお、図面の説明において同一の要素には同一の符号を付し、重複する説明を省略する。図面の寸法比率は、説明の都合上誇張されており、実際の比率とは異なる場合がある。

図１は、本発明の実施形態に係る接着構造体１を示す斜視図である。図２は、本実施形態に係る接着構造体の内部の様子を示す概略図である。なお、図１において、複合材料１０，３０及び接着剤２０は簡略化して示す。また、図２において、理解の容易のため、強化基材１１は黒丸で示し規則正しく構成されているが、実際は不規則に構成されている。以下の図面においても同様に、理解の容易のため、強化基材１１は黒丸で示し規則正しく構成されている。

まず、図１及び図２を参照して、本実施形態に係る接着構造体１の構成について説明する。

本実施形態に係る接着構造体１は、概説すると、図１及び図２に示すように、強化基材１１に熱可塑性樹脂１２を含浸させた複合材料１０及び強化基材３１に熱可塑性樹脂３２を含浸させた複合材料（被接着部材）３０が、接着剤２０を介して接着されてなる。そして、接着剤２０側の表面１３，３３における熱可塑性樹脂１２，３２が溶融した複合材料１０，３０の、表面１３，３３における強化基材１１Ａ，３１Ａが、接着剤２０内に埋設されてなる。複合材料１０及び複合材料３０は同様の構成を備えるため、以下、複合材料１０の説明を行い、複合材料３０の説明は省略する。

複合材料１０は、強化基材１１及び熱可塑性樹脂１２が組み合わされることによって、熱可塑性樹脂１２単体に比べて高い強度及び剛性を備える。

強化基材１１は、炭素繊維、ガラス繊維、有機繊維などの織物シートによって形成される。

熱可塑性樹脂１２は、例えば、ポリエチレン、ポリプロピレン、フェノール樹脂などを用いることができる。

接着剤２０は、熱硬化性接着剤であって、例えば、エポキシ樹脂系接着剤等を適宜用いることができる。

次に、図３〜図７を参照して、本発明の第１実施形態に係る接合装置１００及び接着方法について説明する。

＜第１実施形態＞
図３は、第１実施形態に係る接着方法を用いる際の接合装置１００を示す図である。図４は、第１実施形態に係る接着方法のフローチャートである。図５は、複合材料１０の表面１３の熱可塑性樹脂１２を溶融する様子を示す図である。図６は、複合材料１０の表面１３に接着剤２０を配置する様子を示す図である。図７は、接着剤２０の複合材料１０が設けられる側と反対側の面に他の複合材料３０を配置する様子を示す図である。なお、図５〜図７において、レーザーヘッド１１０、複合材料１０、接着剤２０、及び複合材料３０は簡略化して示す。

まず、図３を参照して、接合装置１００の構成について説明する。図３において、理解の容易のため、レーザーＬ、スキャナミラー１１２、及びレンズ１１３は実線で示す。図３では、フロントシートである複合材料１０に、リアシートである複合材料３０を接合する場合を例に挙げて説明する。

接合装置１００は、レーザーヘッド１１０と、第１ハンドロボット１２０と、第２ハンドロボット１３０と、接着剤塗布ガン１４０と、第３ハンドロボット１５０と、を有する。

レーザーヘッド１１０は、複合材料１０の表面１３にレーザーＬを照射することによって、表面１３における熱可塑性樹脂１２を溶融させる。レーザーヘッド１１０は、レーザーＬが出射される照射部１１１と、レーザーＬを走査するスキャナミラー１１２と、レーザーＬを集光するレンズ１１３と、を有する。スキャナミラー１１２は、複合材料１０の表面１３のうち接着剤２０が塗布される位置にレーザーＬが照射されるように、不図示の制御部によって制御される。レーザーＬは、例えばＣＯ_２レーザーであるが、これに限定されない。また、レーザーＬは、高出力にしやすいという観点から、パルス波であることが好ましい。

第１ハンドロボット１２０は、レーザーヘッド１１０を把持する。第１ハンドロボット１２０は、不図示の制御部に制御されることによって、レーザーヘッド１１０を複合材料１０上の所定の位置に移動する。

第２ハンドロボット１３０は、複合材料３０を把持する。第２ハンドロボット１３０は、複合材料１０の表面１３における熱可塑性樹脂１２が溶融した後に、不図示の制御部に制御されることによって、複合材料３０を複合材料１０上に移動する。

接着剤塗布ガン１４０は、複合材料１０の表面１３における熱可塑性樹脂１２が溶融した複合材料１０の表面１３に、接着剤２０を塗布する。

第３ハンドロボット１５０は、接着剤塗布ガン１４０を把持する。第３ハンドロボット１５０は、不図示の制御部に制御されることによって、接着剤塗布ガン１４０を複合材料１０上の所定の位置に移動する。

次に、図４のフローチャートを参照して、第１実施形態に係る接着方法を説明する。

本発明の第１実施形態に係る接着方法は、概説すると、強化基材１１に熱可塑性樹脂１２を含浸させた複合材料１０及び強化基材３１に熱可塑性樹脂３２を含浸させた複合材料３０を、接着剤２０を介して接着する方法である。また、接着剤２０側の表面１３，３３における熱可塑性樹脂１２，３２が溶融された複合材料１０，３０の、表面１３，３３における強化基材１１Ａ，３１Ａを、接着剤２０内に埋設する接着方法である。以下、第１実施形態に係る接着方法について、詳述する。

まず、図５に示すように、複合材料１０の接着剤２０が配置される側の表面１３に、レーザーヘッド１１０の照射部１１１によってレーザーＬを照射して、表面１３における熱可塑性樹脂１２を溶融する（Ｓ０１）。レーザーＬを表面１３に照射する際、スキャナミラー１１２によってレーザーＬを走査して、表面１３の適切な位置にレーザーＬを照射する。このように、複合材料１０の表面１３にレーザーＬが照射されることによって、表面１３における熱可塑性樹脂１２が溶融される。

次に、図６に示すように、表面１３における熱可塑性樹脂１２が溶融された複合材料１０の表面１３に接着剤２０を塗布する（Ｓ０２）。接着剤２０は、接着剤塗布ガン１４０によって、塗布される。このように、表面１３における熱可塑性樹脂１２が溶融された複合材料１０の表面１３に接着剤２０を塗布することによって、表面１３における強化基材１１Ａが、接着剤２０内に埋設される。したがって、複合材料１０の接着剤２０に対する接着性が向上する。

次に、図７に示すように、塗布された接着剤２０の複合材料１０が設けられる側と反対側の面に複合材料３０を配置する（Ｓ０３）。複合材料３０は、第２ハンドロボット１３０によって配置される。複合材料３０は、複合材料１０と同様に、接着剤２０側の表面３３において、熱可塑性樹脂３２が溶融されていることが好ましい。熱可塑性樹脂３２が溶融された状態で、接着剤２０上に配置することによって、接着剤２０側の表面３３における強化基材３１Ａが、接着剤２０内に埋設される。したがって、複合材料３０の接着剤２０に対する接着性が向上する。なお、接着剤２０の上面に配置される部材は、複合材料３０に限定されず、金属材料等であってもよい。

以上の工程によって、複合材料１０及び複合材料３０は、接着剤２０を介して接合され、図１に示す接着構造体１が製造される。

以上説明したように、本実施形態に係る接着構造体１は、強化基材１１に熱可塑性樹脂１２を含浸させた複合材料１０及び強化基材３１に熱可塑性樹脂３２を含浸させた複合材料３０が、接着剤２０を介して接着されてなる。接着構造体１は、接着剤２０側の表面１３における熱可塑性樹脂１２が溶融した複合材料１０の、表面１３における強化基材１１が、接着剤２０内に埋設されてなる。この接着構造体１によれば、複合材料１０の強化基材１１が、接着剤２０内に埋設されるため、複合材料１０の接着剤２０に対する接着性を向上させることができる。また、接着剤２０には、先行技術文献の誘電加熱媒体のような別材料が混合されないため、コストの増加や製造工程の煩雑化を抑制することができる。したがって、コストの増加や製造工程の煩雑化を抑制しつつ、強化基材１１に熱可塑性樹脂１２を含浸させた複合材料１０の接着剤２０に対する接着性を向上させることのできる接着構造体１を提供することができる。

また、接着構造体１は、強化基材１１に熱可塑性樹脂１２を含浸させた複合材料１０及び強化基材３１に熱可塑性樹脂３２を含浸させた複合材料３０が、接着剤２０を介して接着されてなる。このため、複合材料１０，３０同士を接着することができ、複合材料同士を接合されてなる自動車部品にも適用できる。

また、以上説明したように、本実施形態に係る接着方法は、強化基材１１に熱可塑性樹脂１２を含浸させた複合材料１０及び強化基材３１に熱可塑性樹脂３２を含浸させた複合材料３０を、接着剤２０を介して接着する接着方法である。また、接着剤２０側の表面１３における熱可塑性樹脂１２が溶融された複合材料１０の、表面１３における強化基材１１を、接着剤２０内に埋設する。この接着方法によれば、複合材料１０の強化基材１１が、接着剤２０内に埋設されるため、複合材料１０の接着剤２０に対する接着性を向上させることができる。また、接着剤２０には、先行技術文献の誘電加熱媒体のような別材料が混合されないため、コストの増加や製造工程の煩雑化を抑制することができる。したがって、コストの増加や製造工程の煩雑化を抑制しつつ、強化基材１１に熱可塑性樹脂１２を含浸させた複合材料１０の接着剤２０に対する接着性を向上させることのできる接着構造体１を提供することができる。

また、強化基材１１に熱可塑性樹脂１２を含浸させた複合材料１０及び強化基材３１に熱可塑性樹脂３２を含浸させた複合材料３０が、接着剤２０を介して接着されてなる。このため、複合材料１０，３０同士を接着することができ、複合材料同士を接合されてなる自動車部品にも適用できる。

また、複合材料１０の接着剤２０側の表面１３における熱可塑性樹脂１２を溶融させ、熱可塑性樹脂１２が溶融された表面１３に、接着剤２０を配置することによって、強化基材１１を接着剤２０内に埋設する。この方法によれば、熱可塑性樹脂１２が溶融された表面１３に、接着剤２０を配置するだけで、強化基材１１を接着剤２０内に埋設することができるため、より容易に強化基材１１を接着剤２０内に埋設することができる。

＜第２実施形態＞
次に、図８〜図１２を参照して、本発明の第２実施形態に係る接合装置２００及び接着方法について説明する。

図８は、第２実施形態に係る接着方法を用いる際の接合装置２００を示す図である。図９は、第２実施形態に係る接着方法のフローチャートである。図１０は、複合材料１０、接着剤２０、及び複合材料３０の順に積層する様子を示す図である。図１１は、複合材料１０、接着剤２０、及び複合材料３０を加熱しつつ、複合材料１０及び複合材料３０を互いに向かう方向に押圧する様子を示す図である。図１２は、複合材料１０，３０の強化基材１１Ａ，３１Ａが、接着剤２０内に埋設する様子を示す図である。

まず、図８を参照して、接合装置２００の構成について説明する。図８において、複合材料１０，３０及び接着剤２０は簡略化して示す。

接合装置２００は、プレス加工成形型２１０と、恒温槽２２０と、第１ハンドロボット１２０と、第２ハンドロボット１３０と、接着剤塗布ガン１４０と、第３ハンドロボット１５０と、を有する。第１ハンドロボット１２０、第２ハンドロボット１３０、接着剤塗布ガン１４０、及び第３ハンドロボット１５０は、第１実施形態と同様の構成であるため説明は省略する。

プレス加工成形型２１０は、表面１３における熱可塑性樹脂１２が溶融した複合材料１０及び表面３３における熱可塑性樹脂３２が溶融した複合材料３０を、接着剤２０を介して互いに向かう方向に押圧する。プレス加工成形型２１０は、図８に示すように、上型２１１と、下型２１２と、を有する。上型２１１及び下型２１２は互いに向かう方向に相対的に移動可能に構成される。なお、プレス成形加工型２１０が設けられず、第２ハンドロボット１３０が、複合材料３０を複合材料１０に対して押圧してもよい。

恒温槽２２０は、内部空間の温度を調整することができる。より具体的には、内部空間の温度を調整することによって、複合材料１０の表面１３における熱可塑性樹脂１２及び複合材料３０の表面３３における熱可塑性樹脂３２を溶融させる（図１１参照）。

次に、図９のフローチャートを参照して、第２実施形態に係る接着方法を説明する。

まず、図１０に示すように、複合材料１０、接着剤２０、及び複合材料３０の順に積層する（Ｓ１１）。より具体的には、複合材料１０の表面１３に、接着剤塗布ガン１４０によって、接着剤２０を塗布し、接着剤２０の表面に第３ハンドロボット１３０によって複合材料３０を配置する。

次に、図１１に示すように、恒温槽２２０の温度を制御して、複合材料１０、接着剤２０、及び複合材料３０を加熱しつつ、プレス成型加工型２１０によって、複合材料１０及び複合材料３０を互いに向かう方向に押圧する（Ｓ１２）。恒温槽２２０の内部空間における温度は、例えば、１７０度であるが、特に限定されない。このとき、接着剤２０が増粘してきたタイミングで、熱可塑性樹脂１２の融点まで加熱し、同時に押圧することが好ましい。この結果、複合材料１０，３０の表面１３，３３における熱可塑性樹脂１２，３２が溶融し、図１２に示すように、表面１３，３３における強化基材１１Ａ，３１Ａが接着剤２０内に埋設される。したがって、複合材料１０，３０の接着剤２０に対する接着性が向上する。

以上、説明したように、第２実施形態に係る接着方法は、複合材料１０、接着剤２０、及び複合材料３０の順に積層し、複合材料１０、接着剤２０、及び複合材料３０を加熱しつつ、複合材料１０及び複合材料３０を互いに向かう方向に押圧する。これによって、強化基材１１Ａ，３１Ａを接着剤２０内に埋設する。この接着方法によれば、複合材料１０及び複合材料３０を互いに向かう方向に押圧することによって、複合材料１０の表面１３における強化基材１１Ａ及び複合材料３０の表面３３における強化基材３１Ａを、一度に接着剤２０内に埋設することができる。したがって、容易に複合材料１０，３０同士を接着することができる。

以下、上述した実施形態の改変例を例示する。

上述した第１実施形態では、複合材料１０の表面１３における熱可塑性樹脂１２を溶融させる手段として、レーザーＬを挙げたが、これに限定されず、赤外線ランプや誘導加熱などであってもよい。さらに上述の加熱による溶融に限定されず、複合材料１０の表面１３に有機溶剤を塗布することによって化学的に溶融してもよい。

有機溶剤としては、例えば、二硫化炭素、四塩化炭素、グリセリン、エチレングリコール、ギ酸、氷酢酸、シュウ酸、ベンゼン、トルエン、キシレン、ｎ−ヘキサン、ｎ−ヘプタン、メタノール、エタノール、プロパノール、ブタノール、シクロヘキサン、クロロベンゼン、ピリジン、アニリン、デカリン、クロロホルム、エチルエーテル、酢酸エチル、アセトン、石油ベンジン、石油エーテル、メチルエチルケトンなどが挙げられる。

また、上述した第２実施形態では、恒温槽２２０によって、複合材料１０、接着剤２０、及び複合材料３０を全体的に加熱した。しかしながら、プレス加工成形型２１０が熱プレス可能な構成からなり熱プレスによって加熱及び押圧を行ってもよい。この方法によれば、第２実施形態と比較して、複合材料１０，３０を全体的に加熱することを防止でき、部分的に加熱することができるため、複合材料１０，３０の変形を抑制できる。

また、上述した第２実施形態では、図１１に示すように、複合材料１０，３０の表面１３，３３に、接着剤２０が一様に配置された。しかしながら、図１３に示すように、複合材料１０，３０の表面１３，３３に、接着剤２０が離散的に配置されてもよい。この構成によれば、複合材料１０及び複合材料３０を互いに向かう方向に押圧する際に、接着剤２０が一様に配置される場合と比較して接着剤２０が配置される箇所が高圧となる。このため、強化繊維１１，３１が接着剤２０に対してより深く埋設することとなり、複合材料１０及び複合材料３０の接着性がより向上する。

＜実施例＞
以下、実施例を挙げて本発明を具体的に説明するが、本発明はこれらに限定されるものではない。

一般的に接着しにくいポリプロピレン（熱可塑性樹脂１２）をマトリクスとするカーボン繊維強化プラスチック（強化基材１１）において、汎用的なエポキシ系の接着剤（接着剤２０）を使用して複合材料１０，３０同士を接着し、せん断試験を行った。その結果、接着強度は２ＭＰａと低く、その破壊モードは、図１４に示すように、接着剤２０と複合材料１０の界面剥離であった。

これに対して、上述した第２実施形態において、恒温槽２２０の温度を１７０度にして接着した接着構造体１に対して、同様にせん断試験を行った。その結果、接着強度は１１．７ＭＰａと高くなり、その破壊モードは、図１５に示すように、接着剤２０内における母材破断であった。

この結果、複合材料１０，３０の表面１３，３３における強化基材１１Ａ，３１Ａを接着剤２０内に埋設することによって、複合材料１０，３０の接着剤２０に対する接着性が向上した。さらに、複合材料１０，３０同士の接着強度が向上した。

１ 接着構造体、
１０ 複合材料、
１１，３１ 強化基材、
１１Ａ，３１Ａ 表面における強化基材、
１２，３２ 熱可塑性樹脂、
１３，３３ 表面、
２０ 接着剤、
３０ 複合材料（被接着部材）。

Claims (10)

1. カーボン繊維からなる強化基材に熱可塑性樹脂を含浸させた複合材料及び被接着部材が、熱硬化性のエポキシ樹脂系の接着剤を介して接着されてなる接着構造体であって、
   前記接着剤側の表面における前記熱可塑性樹脂が溶融した前記複合材料の、前記表面における前記強化基材が、前記被接着部材から離間しつつ前記接着剤内に埋設された、接着構造体。
2. 前記被接着部材は、強化基材に熱可塑性樹脂を含浸させた複合材料である請求項１に記載の接着構造体。
3. 前記複合材料の最も面積の大きい面と前記被接着部材の最も面積の大きい面が前記接着剤を介して接着されており、
   前記複合材料および前記被接着部材の前記接着剤を介して接着される面と反対側の表面において、前記熱可塑性樹脂は前記強化基材を覆うように残存してなる、請求項２に記載の接着構造体。
4. 前記強化基材が前記接着剤に対して埋設する深さが、第１の深さである箇所と前記第１の深さよりも浅い第２の深さである箇所とを備える、請求項１〜３のいずれか１項に記載の接着構造体。
5. カーボン繊維からなる強化基材に熱可塑性樹脂を含浸させた複合材料及び被接着部材を、熱硬化性のエポキシ樹脂系の接着剤を介して接着する接着方法であって、
   前記接着剤側の表面における前記熱可塑性樹脂が溶融された前記複合材料の、前記表面における前記強化基材を、前記被接着部材から離間しつつ前記接着剤内に埋設する、接着方法。
6. 前記被接着部材は、強化基材に熱可塑性樹脂を含浸させた複合材料である請求項５に記載の接着方法。
7. 前記複合材料の最も面積の大きい面と前記被接着部材の最も面積の大きい面を、前記接着剤を介して接着するとともに、
   前記接着剤側と反対側の表面において、前記熱可塑性樹脂は前記強化基材を覆うように残存させる、請求項６に記載の接着構造体。
8. 前記複合材料の前記接着剤側の表面における前記熱可塑性樹脂を溶融させ、
   前記熱可塑性樹脂が溶融された前記表面に、前記接着剤を配置することによって、前記強化基材を前記接着剤内に埋設する請求項５〜７のいずれか１項に記載の接着方法。
9. 前記複合材料、前記接着剤、及び前記被接着部材の順に積層し、
   少なくとも前記複合材料の前記接着剤側の表面を加熱しつつ、前記複合材料及び前記被接着部材を互いに向かう方向に押圧することによって、前記強化基材を前記接着剤内に埋設する請求項５〜７のいずれか１項に記載の接着方法。
10. 前記接着剤を、前記複合材料の表面に離散的に配置する請求項９に記載の接着方法。