JP6853555B2

JP6853555B2 - 積層体の製造方法

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Publication number: JP6853555B2
Application number: JP2018107633A
Authority: JP
Inventors: 正嗣永島; 源煥崔; 與倉　三好; 與倉　　三好
Original assignee: ESU-TECH CO.,LTD.
Current assignee: ESU-TECH CO.,LTD.
Priority date: 2018-06-05
Filing date: 2018-06-05
Publication date: 2021-03-31
Anticipated expiration: 2038-06-05
Also published as: JP2019209599A

Description

本発明は、炭素繊維を含むシート材と金属板とを接合した積層体の製造方法に関する。

板状の積層体を製造する積層体の製造方法であって、炭素繊維を含む複数層のシート材を形成するシート材形成工程と、前記シート材を、熱圧着により、前記金属板の前記接合面に接合する接合工程とを有し、高強度且つ高剛性の板状の積層体を製造できる特許文献１に記載の積層体の製造方法が従来公知である。

上記文献によれば、炭素繊維を熱可塑性樹脂でシート状に成形したシート材と金属板との積層体を、直接振動溶着することによって、接着剤を用いることなく効率良く接合させることができるものであるが、シート材と金属板との接合が十分でなかったり、振動によって接合位置を正確に制御できなかったりする場合がある等の課題があった。

特開２０１６−３４７３４号公報

本発明は、板状の積層体を製造する積層体の製造方法において、通常は互いに接合させ難い炭素繊維を含むシート材と金属板とを、スムーズ且つ強固に接合させることのできる積層体の製造方法を提供することを課題としている。

上記課題を解決するため、第１に、板状の積層体を製造する積層体の製造方法であって、炭素繊維を含む複数層のシート材を形成するシート材形成工程と、金属板における前記シート材を接合する接合面にプラズマ処理を施す金属板側プラズマ処理工程と、前記シート材を、熱圧着により、前記金属板の前記接合面に接合する接合工程とを有し、前記シート材形成工程では、炭素繊維シートと熱可塑性樹脂シートとを交互に積層させたものを両面側から熱圧着することにより、シート材を成形することを特徴としている。

上記課題を解決するため、第２に、前記プラズマ処理工程では、真空プラズマによるプラズマ照射を行うことで、前記金属板の両面側にプラズマ処理を施し、前記接合工程では、前記金属板の両面側に、前記シート材を熱圧着することを特徴としている。

上記課題を解決するため、第３に、前記接合工程は、前記金属板３と前記シート材２とを熱圧着する際の温度は、シート材２を形成する際に前記炭素繊維シートと熱可塑性樹脂シートとを熱圧着させる際の温度よりも低い温度としたことを特徴としている。

上記課題を解決するため、第４に、前記シート材形成工程では、前記シート材における金属板との接合面側には、熱可塑性樹脂シートを配置することを特徴としている。

上記課題を解決するため、第５に、前記シート材の前記金属板に接合される接合面にもプラズマ処理を施すシート材側プラズマ処理工程を有することを特徴としている。

上記課題を解決するため、第６に、前記シート材形成工程では、炭素繊維シートの熱可塑性樹脂シートとの接合面側にプラズマ処理を施すことを特徴としている。

上記課題を解決するため、第７に、前記接合工程は、前記金属板のみを熱圧着が可能となる温度まで加熱して行うことを特徴としている。

本発明者は、炭素繊維を含む前記シート材と前記金属板とを接合させた積層体を製造するにあたり、前記金属板の接合面側にプラズマ処理を施すことによって、前記シート材と金属板側の接合面とをスムーズ且つ強固に熱圧着させることができることを見出した。

また、前記シート材形成工程では、炭素繊維シートと熱可塑性樹脂シートとを交互に積層させたものを両面側から熱圧着することにより、シート材を成形するものによれば、高強度、高靭性の前記シート材を安価に成形することができる。

また、前記シート材形成工程では、前記シート材における金属板との接合面側には、熱可塑性樹脂シートを配置するものによれば、前記シート材と金属板とがより接合し易くなる。

また、前記シート材の前記金属板に接合される接合面にもプラズマ処理を施すシート材側プラズマ処理工程を有するものによれば、前記シート材と金属板との接合がより容易になる。

また、前記金属板側プラズマ処理工程では、前記金属板の両面側にプラズマ処理を施し、前記接合工程では、前記金属板の両面側に、前記シート材を熱圧着するものによれば、積層体が一方側に曲がり難くなるため、フラットな積層体が製造し易くなる。

また、前記シート材形成工程では、炭素繊維シートの熱可塑性樹脂シートとの接合面側にプラズマ処理を施すものによれば、シート材を構成する炭素繊維シートと熱可塑性シート間の接合力も増加するため、積層体の強度もより向上する。

なお、前記接合工程は、前記金属板のみを熱圧着が可能となる温度まで加熱して行うものによれば、金属板とシート材とを圧着させる際に、シート材は常温のまま移送することができるため、接合位置への位置合わせを容易に行うことができる。

本発明で製造される積層体の構成を示したモデル図である。本発明の積層体の製造方法を示すフロー図である。積層体の別実施例の構成を示した図である。積層体の別実施例２の構成を示した図である。（Ａ）は、金属板側にプラズマ処理をした場合の積層体の接合状態を確認した実験結果であり、（Ｂ）は、プラズマ処理を省略した場合の積層体の接合状態を確認した実験結果である。

本発明者らは、鋭意検討の結果、炭素繊維を含むシート材と、金属板とを接合させた板状の積層体を製造するにあたり、金属板側の接合面にプラズマ処理を施すことによって、該金属板と前記シート材とをスムーズ且つ強固に熱圧着させることができることを見出した。

以下、本発明の実施例について説明する。図１は、本発明で製造される積層体を示したモデル図である。図示されるように、前記積層体１は、炭素繊維を含む前記シート材２と、接合面にプラズマ処理が施された前記金属板３とから構成され、前記シート体２と、前記金属板３の接合面とを熱圧着することによって板状に形成されている。

前記シート材２は、炭素繊維からなるカーボンシート等を含むシート状の部材であって、複数枚のカーボンシート４と、所定温度以上に加熱することで接着剤として機能する熱可塑性樹脂シート６とから形成されている。

前記金属板３は、図示する例では、鉄板を用いた。なお、該金属板３は、鉄板に限られず、後述するプラズマ処理によって官能基が形成されるものであれば、ステンレス鋼や、その他金属であっても良い。

すなわち、前記積層体１は、基板となる金属板３の表面に炭素繊維を含む前記シート材２を積層・接合することにより成形されており、該積層体１は、前記金属板３と比較して、軽量且つ高強度で、衝撃にも強い板状部材となる。また、該積層体１は、比較的高価な炭素繊維を含むシート材２が、表面部分にのみ配置するため、高強度な板状部材をより低コストで製造することができる。以下、上述の積層体の製造方法について具体的に説明する。

次に、図２に基づき、前記積層体の製造方法について説明する。図２は、本発明の積層体の製造方法を示すフロー図である。図示されるように、前記積層体の製造方法は、シート材形成工程と、プラズマ処理工程（金属板側プラズマ処理工程）と、接合工程とを有している。

前記シート材形成工程では、炭素繊維の束を帯状にした帯体をシート状に編込むことによって薄いシート状に形成された複数（図示する例では４枚）の前記カーボンシート４と、前記熱可塑性樹脂シート６とを交互に積層し、該熱可塑性樹脂シート６が溶融して接着剤として機能する温度で積層された各部材を熱圧着することによって、単一の前記シート材２を形成している（図１参照）。

このとき、前記シート材２は、図示されるように、熱圧着される両外面側には前記熱可塑性樹脂シート６を配置することにより、該シート材２の表面側は前記熱可塑性樹脂シート６となるように構成されている。言い換えると、前記シート材２は、少なくとも、前記金属板３との接合面側は、熱可塑性樹脂シート６側となるように形成されている。

なお、該熱可塑性樹脂シート６は、所定温度以上（１００〜３００℃程度）に加熱することによって接合シートとして機能する熱可塑性樹脂であれば良く、ナイロン等のポリアミド、ポリカーボネート（ＰＣ）、ポリエステル等からなる所謂エンジニアリングプラスチックの他、ポリエチレン（ＰＥ）、ポリプロピレン（ＰＰ）、アクリル（ＰＭＭＡ）、ポリイミド（ＰＩ）、ポリフェニレンサルファイド樹脂（ＰＰＳ）、フッ素樹脂（ＰＦＡ）等であっても良い。

前記プラズマ処理工程は、前記金属板３のうち、前記シート材２側と接合する接合面３ａ側に、真空プラズマ（低圧プラズマ）によるプラズマ照射（グロー放電等）を行うことにより、プラズマ処理を施す。これにより、該金属板３の接合面３ａ側に、高密度の官能基が表出される。

また、該プラズマ処理工程は、金属板３の接合面３ａ側に官能基を表出させることができれば良いため、真空プラズマによるプラズマ照射に限られず、大気圧プラズマによるプラズマ照射（アーク放電等）であっても良い。

なお、前記プラズマ処理工程は、前記金属板３側にプラズマ処理を施す金属板側プラズマ処理工程と、前記シート材２側にプラズマ処理を施すシート材側プラズマ処理工程とを含むように構成し、金属板３側の接合面３ａだけでなく、前記シート材２側にもプラズマ処理を施した接合面（官能基形成面）を形成しても良い。

該構成によれば、後述の接合工程において、プラズマ処理された接合面同士を熱圧着させる構成となるため、前記シート材２と金属板３との接合がよりスムーズ且つ、強力になる。

前記接合工程は、基板となる前記金属板３の接合面３ａ側と、前記シート材２の熱可塑性樹脂シート６側とを熱圧着することにより、別途に接着剤等を用いることなく、前記金属板３とシート材２とを積層させた状態で強固に接合させた積層体を形成する。

このとき、接合工程による金属板３とシート材２とを熱圧着する際の温度は、シート材２を形成する際に前記カーボンシート４と前記熱可塑性樹脂シート６とを熱圧着させる際の温度よりも低い温度、言い換えると、使用された熱可塑性シート６の融点よりも低い温度で行われる。

該構成によれば、シート材２を構成する熱可塑性シート６が溶融することを確実に防止できるため、シート材２の一部が溶融して白濁化したり変形したりすることなく、前記金属板３の接合面（官能基形成面）３ａと、前記シート材２の接合面とをスムーズ且つ強固に熱圧着させることができる。

ちなみに、前記接合工程は、前記金属板３のみをシート材２と接合可能な温度で保持されるように加熱した状態で、前記金属板３とシート材２との熱圧着を行うように構成しても良い。

該構成によれば、前記シート材２を金属板３との熱圧着を行う接合位置まで搬送する際に、前記シート材２は常温の状態で供給できるため、前記シート材２と金属板３との位置合わせが容易になり、接合工程の作業時間を大幅に短縮することができる。

次に、図３に基づき、本発明の別実施例について説明する。図３は、積層体の別実施例の構成を示した図である。前記積層体１は、前記プラズマ処理工程において、前記金属板３の両面側にプラズマによるプラズマ処理を施すことにより、該金属板３の両面側に前記接合面３ａを形成し、前記接合工程において、前記金属板３の両面側に前記シート材２をそれぞれ熱圧着することによって、一対のシート材２によって基板となる金属板３を挟むように積層させた構成であっても良い。

該構成によれば、前記金属板３とシート材２と熱圧着する際に、金属板３とシート材２との熱膨張率の差に起因して、積層体１の一方側の面が縮むようにして屈曲する事態を効率的に防止できるため、フラットに形成された積層体を製造し易くなる。また、該積層体１の両面に前記シート材２を設けたことにより、前記積層体１の強度がより向上するとともに、両面側とも衝撃に強くなる。

次に、図４に基づき、本発明の別実施例２について説明する。図４は、積層体の別実施例２の構成を示した図である。図示されるように、前記積層体は、前記金属板３の両面側に接合される前記シート材２を、前記接合工程の前に熱圧着させない状態でシート状に積層させて構成し、前記接合工程において、まとめて熱圧着させる構成であっても良い。

該構成によれば、前記カーボンシート４と熱可塑性樹脂シート６との熱圧着と、前記金属板３と熱可塑性樹脂シート６との熱圧着とを、同時に実行できるため、製造工程がより簡易になり、該積層体をよりスムーズに製造することができる。上述の積層体の製造工程について、上述の例と異なる点について以下、具体的に説明する。

前記シート材形成工程では、フラットな面上で前記熱可塑性樹脂シート６と、前記カーボンシート４とを、互いに熱圧着させることなく交互に積層させることによって一体的なシート状にしたシート材２を形成している。このとき、該シート材２は、両外面側、言い換えると、接合工程時に前記金属板３と接合する面と、積層体の外面側となる面とが熱可塑性樹脂シート６となるように積層されている（図４参照）。なお、該シート材２は、積層された熱可塑性シート６とカーボンシート４とを、仮止めする仮止め手段によって固定しても良い。

また、該シート材２は、製造される積層体に要求される強度に応じて、積層されるカーボンシート４と熱可塑性樹脂シート６の枚数を任意に増やすことができる（図４参照）。この場合でも、該カーボンシート４と熱可塑性樹脂シート６とは交互に積層されるとともに、熱可塑性樹脂シート６がシート材２の両外面側に配置されるように構成されている。

前記接合工程では、両面側にプラズマ処理が施された前記金属板３と、仮止めされた状態の前記シート材２とを、同時に熱圧着させることによって、積層体を製造する（図４参照）。この場合、接合工程時の熱圧着の温度は、熱可塑性シート６が溶融することによって強力に接合する温度で行われる。

ちなみに、図示する例では、前記シート材形成工程において、カーボンシート４と熱可塑性樹脂シート６とを積層してシート状に形成する前に、カーボンシート４側の接合面に予めプラズマ処理を施す前処理工程を設けても良い（図示しない）。該構成によれば、前記金属板３と熱可塑性樹脂シート６との間だけでなく、前記カーボンシート４と熱可塑性樹脂シート６との間の接合力も増加するため、製造される積層体の強度も更に向上する。

次に、図５に基づき、本発明の製造方法による積層体の接合力を確認した実験結果を示す。図５（Ａ）は、金属板側にプラズマ処理をした場合の積層体の接合状態を確認した実験結果であり、図５（Ｂ）は、プラズマ処理を省略した場合の積層体の接合状態を確認した実験結果である。

前記シート材２は、炭素繊維を帯状にした帯体を編み込んだカーボンシート４と、ナイロン製の熱可塑性樹脂シート６とを積層させ、２８０℃程度の温度で熱圧着することによりシート状に形成し、前記金属板３として鉄板を用いた。

このとき、前記金属板３の接合面３ａ側にプラズマによるプラズマ処理を施して官能基を表出させた後、金属板３とシート材２とを熱圧着した積層体１と、前記金属板３側にプラズマ処理を施さないで、金属板３とシート材２とを直接熱圧着した積層体１とを製造し、各積層体１の金属板３とシート材２とを無理やり剥離させることにより、金属板３とシート材２との接合状態を確認した。

図５（Ａ）に示されるように、上述の製造方法に沿って、金属板３側の接合面３ａにプラズマ処理を施した場合、前記シート材２の接合面側に金属板３側の接合面から剥離した金属板３の一部が全体的に付着しており、プラズマ処理によって接合面に形成された親水性の官能基と強固に結合していたことが確認できる。

その一方で、図５（Ｂ）に示されるように、前記プラズマ処理工程を省略し、金属板３側の接合面３ａにプラズマ処理を施さなかった場合、金属板３とシート材２とが容易に剥がれるとともに、シート材２の接合面側に金属板３が殆ど付着していないことが確認できる。

以上より、通常は互いに接合し難い、炭素繊維を含むシート材２と金属板３とを、シート材２側ではなく、金属板３側にプラズマ処理をして接合面（官能基形成面）を形成することにより、前記シート材２と金属板３とを、別途に接着剤等を用いることなくスムーズ且つ強力に接合させることができることが確認できた。

２シート材
３金属板
３ａ接合面
４炭素繊維シート
６熱可塑性樹脂シート

Claims

板状の積層体を製造する積層体の製造方法であって、
炭素繊維を含む複数層のシート材を形成するシート材形成工程と、
金属板における前記シート材を接合する接合面にプラズマ処理を施す金属板側プラズマ処理工程と、
前記シート材を、熱圧着により、前記金属板の前記接合面に接合する接合工程とを有し、
前記シート材形成工程では、炭素繊維シートと熱可塑性樹脂シートとを交互に積層させたものを両面側から熱圧着することにより、シート材を成形する
ことを特徴とする積層体の製造方法。
前記プラズマ処理工程では、真空プラズマによるプラズマ照射を行うことで、前記金属板の両面側にプラズマ処理を施し、
前記接合工程では、前記金属板の両面側に、前記シート材を熱圧着する
請求項１に記載の積層体の製造方法。
前記接合工程は、前記金属板３と前記シート材２とを熱圧着する際の温度は、シート材２を形成する際に前記炭素繊維シートと熱可塑性樹脂シートとを熱圧着させる際の温度よりも低い温度とした
請求項１又は２に記載の積層体の製造方法。
前記シート材形成工程では、前記シート材における金属板との接合面側には、熱可塑性樹脂シートを配置する
請求項１乃至３の何れかに記載の積層体の製造方法。
前記シート材の前記金属板に接合される接合面にもプラズマ処理を施すシート材側プラズマ処理工程を有する
請求項４に記載の積層体の製造方法。
前記シート材形成工程では、炭素繊維シートの熱可塑性樹脂シートとの接合面側にプラズマ処理を施す
請求項１乃至５の何れかに記載の積層体の製造方法。
前記接合工程は、前記金属板のみを熱圧着が可能となる温度まで加熱して行う
請求項１乃至６の何れかに記載の積層体の製造方法。