JP6872944B2 - 低温加熱硬化型構造用接着剤組成物 - Google Patents

Description

本発明は、自動車の車体やパーツなどを構造接着して自動車構造体を製造するのに用いられる低温加熱硬化型構造用接着剤組成物に関する。

従来、自動車の車体パネルや車体パーツなどを接合して自動車構造体を製造するのに用いられる構造用接着剤組成物が知られている。

硬化に高温での加熱を必要とする接着剤組成物では、高温での焼き付けを行う為、経済性が悪く、基材の耐熱性を必要とし、製品に熱による劣化等の問題が生じるおそれがあった。また、自動車構造体の中で温度が上がりにくい部位に適用する場合、加熱不足による硬化不良が生じるおそれがあった。そのため、低温焼き付け可能な低温硬化型の構造用接着剤が求められている。低温硬化を実現する方法としては、低温硬化型の硬化促進剤を接着剤に配合する方法が挙げられる。例えば、特許文献１では脂環式ジアミンと（メタ）アクリル酸アルキルエステルを付加重合させて得られた潜在性エポキシ硬化剤を用い、６０〜１２０℃で熱硬化させて接着させる接着工法を開示している。
また、接着剤の塗布工程では、接着性及びシール性を考慮して、溶接工程の挟圧によって接合端部と被接合部との隙間から接着剤が若干はみ出すように塗布要領が設定されている。塗布された加熱硬化型接着剤は、乾燥炉の熱を利用して硬化されているため、乾燥炉移動中において常温（例えば２０℃）から硬化温度（例えば１５０℃）まで昇温される期間、所謂接着中期において、接着剤の粘度が一旦低下する物性を有しているため、接着剤のはみ出し部は、接合端部と被接合部との重ね合わせ部分から離隔するように外側へ流動し、このはみ出し部の移動に起因して溝欠陥が発生するおそれがあった。溝欠陥が発生すると電着塗装を破断して錆が発生するおそれがあるため、溝欠陥を生じない接着剤が求められている。これを実現する接着剤の条件として、特許文献２では温間中の複素粘度の最低値を２００Ｐａ・ｓ以下に設定することを開示している。

一般に、エポキシ樹脂を主成分とする接着剤における硬化促進剤は、固体としてエポキシ樹脂内に存在することにより潜在性が保たれる。硬化促進剤は熱によって溶融し、エポキシ樹脂と接触することで硬化反応を促進する。しかしながら、低温硬化型の硬化促進剤は水の介在によってもエポキシ樹脂との反応が促進されるため、接着剤が吸湿すると増粘してしまう。増粘すると加熱時の最低複素粘度も上昇するため、接着剤が接合端部と被接合部との重ね合わせ部分から離隔するように外側へ流動し、このはみ出し部の移動に起因して溝欠陥が発生し、電着塗装が切断されて、防錆性が悪化するという問題があった。自動車の製造工程では接着剤を塗布後、貼り合わせ前に放置（本願明細書においてオープン放置と称する）される場合があり、この場合は特に加熱硬化後、溝欠陥が発生し、耐食性が悪化してしまう。

また、初期粘度が小さい接着剤では、自動車製造組立ラインにおけるシャワー工程において、シャワーで飛ばされてしまうおそれがあった。

特開２０００−２８１７５９号公報 特開２０１６−１７２５２８号公報

本発明は上記した従来技術の問題点に鑑みなされたもので、低温且つ短時間で硬化可能であり、オープン放置後の溝欠陥が改善され、防錆性、耐食性、耐シャワー性、及び作業性に優れた低温加熱硬化型構造用接着剤組成物並びにそれを用いた自動車構造体の製造方法を提供することを目的とする。

上記課題を解決するため、本発明の低温加熱硬化型構造用接着剤組成物は、（Ａ）エポキシ樹脂、（Ｂ）マイクロカプセル化された硬化剤、（Ｃ）吸湿剤、（Ｄ）粘度調整剤、及び（Ｅ）安定剤、を含む、低温加熱硬化型構造用接着剤組成物である。

前記（Ｃ）吸湿剤が酸化カルシウムであり、表面処理品と表面非処理品の両方を含むことが好適である。

前記低温加熱硬化型構造用接着剤組成物は、オープン放置後の、歪１％以下の動的粘弾性測定における温間中の複素粘度の最低値が２００Ｐａ・ｓ以下であることが好ましい。

本発明の自動車構造体の製造方法は、本発明の構造用接着剤組成物を、被着体に塗布後、加熱硬化させる工程を含むものである。本発明の構造用接着剤組成物は、ウェルドボンド工法（接着剤とスポット溶接を併用した工法）に好適に使用できる。

本発明によれば、低温且つ短時間で硬化可能であり、オープン放置後の溝欠陥が改善され、オープン放置後においても耐食性に優れると共に、耐シャワー性、及び作業性に優れた低温加熱硬化型構造用接着剤組成物並びにそれを用いた自動車構造体の製造方法及び自動車構造体を提供することができるという著大な効果を奏する。

本発明の接着剤組成物を用いた自動車構造体の製造方法の一例を示す概略模式図であり、接着後の状態を示す。 レオメータの概略構成図である。

以下に本発明の実施の形態を説明するが、これら実施の形態は例示的に示されるもので、本発明の技術思想から逸脱しない限り種々の変形が可能なことはいうまでもない。

本発明の低温加熱硬化型構造用接着剤組成物は、（Ａ）エポキシ樹脂、（Ｂ）マイクロカプセル化された硬化剤、（Ｃ）吸湿剤、（Ｄ）粘度調整剤、及び（Ｅ）安定剤、を含む、低温加熱硬化型構造用接着剤組成物である。

本発明の低温加熱硬化型構造用接着剤組成物は、導電性カーボン非含有である事が好ましい。導電性カーボンを含有すると、温間時の最低複素粘度が上昇してしまい、溝欠陥が発生し、耐食性が悪化するという問題が生じる。よって、本発明の低温加熱硬化型構造用接着剤組成物は導電性カーボン非含有の組成物が好ましい。

前記（Ａ）エポキシ樹脂としては、公知のエポキシ樹脂を広く使用でき特に制限はないが、例えば、ビスフェノール化合物、水素添加ビスフェノール化合物、フェノールまたはｏ―クレゾールノボラック、芳香族アミン、多環脂肪族或いは芳香族化合物等の既知の基本骨格の化合物のグリシジルエーテル置換体、シクロヘキセンオキシド骨格を有する化合物等が挙げられ、代表的なものとしては、ビスフェノールＡのジグリシジルエーテル、及びその縮合物、即ち、いわゆるビスフェノールＡ型エポキシ樹脂が例示される。

前記（Ａ）エポキシ樹脂のエポキシ当量は８０〜１００００が好ましく、８０〜２００がより好ましい。

前記（Ｂ）マイクロカプセル化された硬化剤としては、本質的には従来から公知の硬化剤が用いられる。即ち、前記（Ａ）エポキシ樹脂と付加重合するもの、及び前記（Ａ）エポキシ樹脂をアニオン重合させるものである。更に、このマイクロカプセル化されたアミン系硬化剤はエポキシ樹脂と付加重合する公知のエポキシ硬化剤との硬化反応に対し、硬化促進剤としての触媒作用を有するものである。本発明に於けるアミン系硬化剤の性状は、マイクロカプセル化する為に室温では粉末状になり得る固体であり融点は４０℃以上であるものが好ましい。具体的に例示すれば下記のものが挙げられる。

即ち、フェニレンジアミン、トリレンジアミン、ジアミノジフェニルメタン、ジアミノジフェニルスルフォン等の芳香族多価アミン：ジアミノシクロヘキシルメタン、３，９−ビス（３−アミノプロピル）２，４，８，１０−テトラオキサスピロ（５，５）ウンデカン等の脂肪族多価アミン：これらの多価アミン類と前記（Ａ）のエポキシ樹脂及び／又はモノエポキシ化合物との付加反応生成物：エチレンジアミン、キシリレンジアミン等のジアミン類とアジピン酸、ダイマー酸等のジカルボン酸とを縮合させたポリアミドアミン類：２−メチルイミダゾール、１−ベンジル−２−メチルイミダゾール、１−シアノエチル−２−メチルイミダゾール、１−シアノエチル−２−メチルイミダゾールトリメリット酸塩等のイミダゾール系化合物：前記イミダゾール系化合物と前記（Ａ）エポキシ樹脂との付加反応生成物：２−メチルイミダゾリン等のイミダゾリン化合物：ジシアンジアミド等のグアニジン化合物：１，４−ジアザビシクロ［２，２，２］オクタン等の第三級アミン化合物：１，８−ジアザビシクロ［５，４，０］ウンデセン−７のノボラック塩等の化合物である。

これらの硬化剤より１種類のもののみを用いても、２種類以上のものを組合せ用いても良い。硬化剤の使用量はその硬化剤が通常使用される場合と同様であり必要に応じその使用量は加減してもよい。硬化剤をマイクロカプセル化する手法は公知の方法が採用される。即ち、アミン系硬化剤の微粉末粒子の表面に被膜を形成し得る材料によりコーティングする方法（特開平５−２４７１７９号公報、特開平６−７３１６３号公報等）や同硬化剤の微粉末粒子の表面層に存在する硬化剤官能基をこれと反応し得る他の反応性物質によりブロックする方法（特開昭５８−８３０２３号公報、特公昭５８−５５９７０号公報、特開昭６４−７０５２３号公報等）等がある。

前記（Ｃ）吸湿剤としては、酸化カルシウム、酸化アルミニウム、塩化カルシウムが挙げられ、酸化カルシウムが好ましく、表面処理された酸化カルシウム及び非処理の酸化カルシウムを併用することがより好ましい。

前記（Ｃ）成分の配合割合は特に制限はないが、成分（Ａ）１００質量部に対して、０．１〜２０質量部が好ましく、１〜１０質量部がより好ましい。

前記（Ｄ）粘度調整剤としては、微粉末状の炭酸カルシウムやシリカが挙げられ、シリカが好ましい。

前記（Ｄ）成分の配合割合は特に制限はないが、成分（Ａ）１００質量部に対して、１〜１５質量部が好ましく、１〜１０質量部がより好ましい。

前記（Ｅ）安定剤としては、ホウ酸エステルが挙げられ、ホウ酸エステル化合物は、下記化学式（１）で示す一般式で表されものである。
Ｂ（ＯＲ^１）（ＯＲ^２）（ＯＲ^３） ・・・（１）
（但し、Ｒ^１〜Ｒ^３は水素原子又は炭素数が２０個以下のアルキル基或はアリール基を表す。Ｒ^１〜Ｒ^３は同一であっても異なってもよい。）具体的に例示すれば下記のものが挙げられる。即ち、ホウ酸トリメチル、ホウ酸トリエチル、ホウ酸トリプロピル、ホウ酸トリブチル、ホウ酸トリヘキシル、ホウ酸トリオクチル、ホウ酸トリステアリル、ホウ酸トリフェニル、ホウ酸トリトリル、ホウ酸トリキシリル、ホウ酸トリベンジル等である。これらのホウ酸エステルより１種類のもののみを用いても、２種類以上のものを組合せ用いてもよい。ホウ酸エステル化合物のアルキル基及び／又はアリール基の炭素数は２０個を越えるとホウ酸エステル化合物中のホウ素原子の含有率が低下し、ホウ酸エステル化合物の有効性が著しく低下する。又、ホウ酸エステル化合物自体も固形化、高融点化し取扱い性が悪くなる。好ましい炭素原子数は１乃至１２個であり、更に好ましくは１乃至８個である。

前記（Ｅ）成分の配合割合は特に制限はないが、成分（Ａ）１００質量部に対して、０．００１〜１０質量部が好ましく、０．０１〜５質量部がより好ましい。

本発明の構造用接着剤組成には、上記した成分に加えて、本発明の効果が損なわれない限りにおいて、ウレタン樹脂、フィラー、希釈剤、シランカップリング剤などを添加してもよい。また、上記した成分に加えて、炭酸カルシウム、硫酸バリウム、タルクなどの体質顔料（充填材）、カーボンブラック、酸化チタン、酸化鉄などの着色顔料を添加することができる。またケッチェンブラック、シリカ、微粒炭酸カルシウム、セピオライト等のチキソ材を添加してもよい。さらに剥離強度など接着性を改良する接着性改良剤として、アクリル樹脂を添加することもできる。

本発明の構造用接着剤組成物は、２０℃における粘度が、ＪＩＳＫ ７１１７−２に基づく測定方法により、せん断速度０．２（ｓｅｃ^−１）の時に１５３０〜３５８０（Ｐａ・ｓ）が好ましい。該範囲とすることにより、耐シャワー性及び塗布性を両立させることができる。

また、本発明の構造用接着剤組成物は、初期およびオープン放置後における、歪１％以下（例えば０．１％）、周波数１Ｈｚ、昇温速度５℃／ｍｉｎの動的粘弾性測定における温間中の複素粘度η^＊の最低値を２００Ｐａ・ｓ以下とすることができるため、接合端部とはみ出し部との間の溝部を除去することができ、はみ出し部の移動に起因した溝欠陥の発生及び溝欠陥の発生と同時に生じる電着塗膜の破断を防止することができるため、耐食性がよい。該温間中の複素粘度η^＊の最低値は５０〜２００Ｐａ・ｓが好ましく、８０〜１５０Ｐａ・ｓがより好ましい。

前記動的粘弾性測定は、接着剤の流動性が増加する温度域及び接着剤が硬化を開始する温度範囲を含む範囲で行うことが好適であり、例えば、接着剤を１７０℃で加熱硬化させる場合、初期の常温（２０℃）から接着剤の硬化温度条件の１７０℃までの途中期間（例えば、４０〜９０℃の間）において行うことが好適である。
また、前記動的粘弾性測定におけるオープン放置の条件としては、例えば、接着剤を４０℃、相対湿度８５％にて４日間オープン放置する条件が挙げられる。

温間中の複素粘度η^＊は、例えば、レオメータ等を用いることによって測定することができる。図２は、レオメータの概略構成図である。レオメータ１０は、試料に角周波数ωの正弦的応力を付与して抽出される歪の応答特性から粘弾性に係る接着剤３の物性を検出可能に構成されている。
図２に示すように、レオメータ１０は、固定プレート１１と、この固定プレート１１との隙間（例えば０．５ｍｍ）に試料となる接着剤３を挟み込む可動プレート１２と、この可動プレート１２を所定周期で回転振動させて接着剤３に応力を付与可能な駆動部１３と、可動プレート１２と同期して回転振動する円板部１４と、プレート１１，１２と接着剤３を内部に収容して内部温度を昇降調節可能なケース部１５と、円板部１４の回転振動動作に基づき可動プレート１２の周期を検出可能なエンコーダ１６と、エンコーダ１６の検出値に基づき駆動部１３を制御すると共に可動プレート１２に生じる粘性摩擦トルクを測定可能な制御測定部１７と、ケース部１５内部の温度を制御する温度制御部１８と、制御測定部１７と温度制御部１８とを操作すると共に各種測定値を表示可能な操作部１９を備えている。

レオメータ１０は、接着剤３に作用する応力と歪との位相遅れ及び応力と歪の振幅によって動的弾性率（貯蔵弾性率ともいう）Ｇ’と動的粘性率η’を検出している。
損失弾性率Ｇ”は、次式（１）に動的粘性率η’を代入して算出することができる。尚、ωは角周波数である。
Ｇ”＝ωη’ ・・・（１）
複素弾性率Ｇ^＊は、次式（２）に貯蔵弾性率Ｇ’と、式（１）で求めた損失弾性率Ｇ”を代入して算出している。尚、ｉは虚数単位である。
Ｇ^＊＝Ｇ’＋ｉＧ” ・・・（２）
複素粘度η^＊は、次式（３）に式（２）で求めた複素弾性率Ｇ^＊を代入して算出している。
η^＊＝Ｇ^＊／（ｉω） ・・・（３）
式（１）〜式（３）から次式（４）を導くことができる。
η^＊＝η’−ｉη” ・・・（４）
尚、複素粘度η^＊の虚部η”は、次式（５）で定義されるパラメータである。
η”＝Ｇ’／ω ・・・（５）

本発明の構造用接着剤組成物は、低温硬化型であり、１３０〜１７０℃において約５〜２０分間で硬化させることができる。

本発明の構造用接着剤組成物は、自動車の車体や自動車部品などのパーツなどを構造接着して自動車構造体を製造するのに用いられ、特に、スポット溶接と接着剤を併用した工法（ウェルドボンド工法）での接着に好適に用いられる。即ち、本発明の構造用接着剤組成物は、自動車の車体を接着するのにも好適に用いられる。

本発明の自動車構造体の製造方法は、好ましくは自動車製造ラインにおける製造方法であり、接着剤組成物を被着体に塗布後、加熱硬化させる工程を含むものである。本発明の自動車構造体の製造方法では、塗布はロボットハンドで行うことが好ましい。

図１は、本発明の接着剤組成物を用いた自動車構造体の製造方法の一例を示す概略模式図であり、接着後の状態を示す。図１において符号１及び２は自動車の車体を構成する構成部材である。被着体である第一の構成部材１及び第二の構成部材２を本発明の接着剤組成物３により接着し、自動車構造体を製造する。第一の構成部材１の接着面部１ａと第二の構成部材２のフランジ部２ａとの間に接着剤組成物３を介在させ、スポット溶接の加圧により接着剤組成物３は押し出され、はみ出し部３ｂを形成する。所定温度で所定時間加熱させ、接着剤組成物３を硬化せしめ、接着部３ａが形成される。図１において、符号５は電着塗膜であり、第一の構成部材１及び第二の構成部材２の表面に塗料が電着塗装されることにより形成される。

以下に実施例をあげて本発明をさらに具体的に説明するが、これらの実施例は例示的に示されるもので限定的に解釈されるべきでないことはいうまでもない。

（実施例１〜２及び比較例１〜４）
下記表１に示す質量部数の各成分を用いて、下記の手順で構造用接着剤組成物を製造した。各材料を配合し、撹拌脱泡機ＨＭ−４００ＷＶ（共立精機株式会社製）で２分間減圧攪拌脱泡し、構造用接着剤組成物を調製した。

表１において各配合物質の配合表は質量部で示されており、各配合物質の詳細は以下の通りである。
＊１）「ＤＥＲ３３１」Ｏｌｉｎ Ｃｏｒｐｏｒａｔｉｏｎ社製のビスフェノールＡ型液状エポキシ樹脂
＊２）「ＨＸ−３０８８」旭化成社製のビスフェノールＡ型液状エポキシ樹脂２質量部中に、イミダゾール誘導体をエポキシ樹脂等の反応物で被覆した潜在性硬化促進剤１質量部が分散されている混合物
＊３）「ダイハード １００ＳＨ」ＡｌｚＣｈｅｍ社製のジシアンジアミド
＊４）「ＰＮ−２３」味の素ファインテクノ社製のエポキシ−イミダゾールアダクト系硬化剤
＊５）「ＱＣ−Ｘ」井上石灰社製の酸化カルシウム
＊６）「ＣＭＬ−３１」近江化学社製の表面処理された酸化カルシウム
＊７）「ＴＳ−７２０」キャボットジャパン社製のポリジメチルシロキサン処理されたヒュームドシリカ
＊８）「Ｌ−０７Ｎ」四国化成社製のホウ酸エステル化合物
＊９）「ＮＮ＃５００」日東粉化工業社製の炭酸カルシウム
＊１０）「ＥＤ−５０２Ｓ」ＡＤＥＫＡ社製の脂肪族モノグリシジルエーテル

上記製造した実施例１〜２及び比較例１〜４の各構造用接着剤組成物を以下に示す性能試験に供し、結果を下記の表２に示す。

（１）せん断強度試験
得られた構造用接着剤組成物に塗布厚さ０．１ｍｍにて１００ｍｍ×２５ｍｍ×１．６ｍｍの冷間圧延鋼板に塗布し、２枚の鋼板の重ね合わせを１２．５ｍｍとし、はみ出た構造用接着剤組成物を除去して剪断試験片を作成した。試験片を１３０℃１０分保持の条件で加熱硬化した後、２４時間放冷し、その後、万能引張り試験機を用いて５０ｍｍ／分の引張り速度で試験を行った。せん断強度が１５ＭＰａ以上のものを○、１５ＭＰａ未満のものを×と判定した。

（２）初期粘度・貯蔵後粘度試験
得られた構造用接着剤組成物の粘度をブルックフィールド社製回転粘度計「ＲＳＴ−ＣＰＳ」で初期（製造直後）及び５０℃７日間貯蔵後の２０℃における粘度を測定した。測定には直径２５ｍｍパラレルプレートを用いて、条件としてギャップ０．５ｍｍ、せん断速度０．２ｓ^−１と設定した。

（３）オープン放置後最低複素粘度試験
得られた構造用接着剤組成物を４０℃、湿度８５％に４日間オープン放置し、図２に示したレオメータ１０により２０〜１７０℃まで毎分５℃の速度で昇温した際の複素粘度の最低値を測定した。測定には直径２５ｍｍパラレルプレートを用いて、条件としてギャップ０．５ｍｍ、周波数１Ｈｚ、歪み０．１％と設定した。

（４）オープン放置後発泡状態試験
得られた構造用接着剤組成物を７０ｍｍ×１５０ｍｍ厚さ０．８ｍｍの冷間圧延鋼板の中央にφ４．５ｍｍの半円ビード状に長さ１３０ｍｍ塗布して、４０℃、湿度８５％に４日間オープン放置し、ビードの上から１５ｍｍ×１５０ｍｍ厚さ０．８ｍｍの冷間圧延鋼板をスポット溶接し、電着塗装して１５０℃２０分保持の条件で加熱硬化して、鋼板よりはみ出た構造用接着剤組成物の硬化物の発泡状態を判定した。溝欠陥がなく発泡が全くない物を◎、溝欠陥がなく発泡が５点以下の物を○、それ以上の発泡がある物または溝欠陥があるものを×と判定した。

実施例１および２では１３０℃１０分という低温且つ短時間での硬化条件においてもせん断強度が良好であり、初期及び貯蔵後の粘度が好適であり、オープン放置後の最低複素粘度が２００Ｐａ．ｓ以下であり、オープン放置後の発泡が５点以下である。即ち、実施例１及び２の構造用接着剤組成物は接着性に優れ低温硬化型であると共に初期及び貯蔵後の粘度が良好であり、耐シャワー性及び作業性に優れ、さらに、オープン放置後の溝欠陥及び発泡を防止することができた。
一方、比較例１では低温で硬化できず、比較例２ではオープン放置後に高粘度となるためスポット溶接が不可能であり、比較例３では初期粘度が低すぎるためシャワー工程で飛び散るおそれがあり、比較例４では貯蔵後に増粘して塗布に支障があり、オープン放置後に溝欠陥ができる結果となった。

１：第一の構成部材、１ａ：接合面部、２：第二の構成部材、２ａ：フランジ部、３：接着剤組成物、３ａ：接着部、３ｂ：はみ出し部、５：電着塗膜、１０：レオメータ、１１：固定プレート、１２：可動プレート、１３：駆動部、１４：円板部、１５：ケース部、１６：エンコーダ、１７：制御測定部、１８：温度制御部、１９：操作部。

Claims (3)

1. （Ａ）エポキシ樹脂、
   （Ｂ）マイクロカプセル化された硬化剤、
   （Ｃ）吸湿剤、
   （Ｄ）粘度調整剤、及び
   （Ｅ）安定剤
   を含み、
   前記（Ｃ）吸湿剤が酸化カルシウムであり、表面処理品と表面非処理品の両方を含む、低温加熱硬化型構造用接着剤組成物。
2. オープン放置後の、歪１％以下の動的粘弾性測定における温間中の複素粘度の最低値が２００Ｐａ・ｓ以下である、請求項１記載の構造用接着剤組成物。
3. 請求項１又は２記載の構造用接着剤組成物を被着体に塗布後、加熱硬化させる工程を含む、自動車構造体の製造方法。

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