JP6965660B2

JP6965660B2 - 表面状態の数値化方法、接合特性の評価方法及び接合体の製造方法

Info

Publication number: JP6965660B2
Application number: JP2017184469A
Authority: JP
Inventors: 伸広池田; 孝宏山下; 直樹山下; 悟山崎
Original assignee: Hitachi Chemical Co Ltd; Showa Denko Materials Co Ltd
Current assignee: Showa Denko Materials Co Ltd
Priority date: 2017-09-26
Filing date: 2017-09-26
Publication date: 2021-11-10
Anticipated expiration: 2037-09-26
Also published as: JP2019060677A

Description

本発明は、表面状態の数値化方法、接合特性の評価方法及び接合体の製造方法に関する。

２つの部材が接合されてなる接合体の部材間の接合力を高める手法として、一方の部材のもう一方の部材と接する面を粗化処理して凹凸を形成する技術が知られている。粗化処理による接合特性の向上には、粗化処理された面に形成された凹凸の高低差等の表面粗さとして数値化できる要素のほか、凹凸の形状等の表面粗さとして数値化できない要素も関与していると考えられる。例えば、特許文献１には特定の表面粗さと特定の断面形状を有するように粗化処理された金属箔とポリイミド層とからなる積層板が記載されている。

特開２０１２−２１３９０２号公報

特許文献１では金属箔の粗化処理面の断面形状の評価を断面写真の観察により行っているが、金属箔の全面が所定の条件を満たしているか否かを実際に観察して評価することは困難である。

粗化処理を施した部材の表面の状態を、従来の手法では数値化しにくい要素も含めた状態で精度よく測定する手法が確立されれば、当該部材の接合特性（接合強度、部材間の気密性等）をより正確かつ効率的に把握することが可能になると考えられる。

本発明は上記事情に鑑み、新規な表面状態の数値化方法、接合特性の評価方法、及び接合体の製造方法を提供することを課題とする。

上記課題を提供するための具体的な手段には、以下の実施態様が含まれる。
＜１＞測定対象の比表面積をガス吸着法により測定する工程を備える、表面状態の数値化方法。
＜２＞前記測定対象は金属である、＜１＞に記載の表面状態の数値化方法。
＜３＞前記測定対象はレーザー照射による表面処理を施されている、＜１＞又は＜２＞に記載の表面状態の数値化方法。
＜４＞前記比表面積はクリプトンガスを用いて測定される、＜１＞〜＜３＞のいずれか１項に記載の表面状態の数値化方法。
＜５＞測定対象の比表面積をガス吸着法により測定する工程と、前記比表面積が規格下限値に達しているか否かを判断する工程と、を備える、接合特性の評価方法。
＜６＞前記測定対象は金属である、＜５＞に記載の接合特性の評価方法。
＜７＞前記測定対象はレーザー照射による表面処理を施されている、＜５＞又は＜６＞に記載の接合特性の評価方法。
＜８＞前記比表面積はクリプトンガスを用いて測定される、＜５＞〜＜７＞のいずれか１項に記載の接合特性の評価方法。
＜９＞接合体を構成する部材に表面処理を施す工程と、前記表面処理を施した部材又は前記表面処理を施した部材に対応する測定対象の比表面積をガス吸着法により測定する工程と、前記比表面積が規格下限値に達しているか否かを判断する工程と、を備える、接合体の製造方法。
＜１０＞前記測定対象は金属である、＜９＞に記載の接合体の製造方法。
＜１１＞前記測定対象はレーザー照射による表面処理を施されている、＜９＞又は＜１０＞に記載の接合体の製造方法。
＜１２＞前記比表面積はクリプトンガスを用いて測定される、＜９＞〜＜１１＞のいずれか１項に記載の接合体の製造方法。

本発明によれば、新規な表面状態の数値化方法、接合特性の評価方法、及び接合体の製造方法が提供される。

部材表面に形成された凹凸の形状を模式的に示す断面図である。

以下、本発明を実施するための形態について詳細に説明する。但し、本発明は以下の実施形態に限定されるものではない。以下の実施形態において、その構成要素（要素ステップ等も含む）は、特に明示した場合を除き、必須ではない。数値及びその範囲についても同様であり、本発明を制限するものではない。
本明細書において「工程」との語には、他の工程から独立した工程に加え、他の工程と明確に区別できない場合であってもその工程の目的が達成されれば、当該工程も含まれる。
また本明細書において「〜」を用いて示された数値範囲には、「〜」の前後に記載される数値がそれぞれ最小値及び最大値として含まれる。
本明細書中に段階的に記載されている数値範囲において、一つの数値範囲で記載された上限値又は下限値は、他の段階的な記載の数値範囲の上限値又は下限値に置き換えてもよい。また、本明細書中に記載されている数値範囲において、その数値範囲の上限値又は下限値は、実施例に示されている値に置き換えてもよい。

＜表面状態の数値化方法＞
本開示の表面状態の数値化方法は、測定対象の比表面積をガス吸着法により測定する工程を備える。

上記方法によれば、測定対象の表面状態を、測定対象の比表面積として数値化する。上記方法に得られる比表面積は、表面粗さ等の他の指標に比べ、当該表面を別の部材と接合させたときの接合特性との関連性が大きい。このため、例えば、測定対象又はこれに対応する部材を別の部材（接合対象）と接合して得られる接合体の接合特性を評価するための指標として有用である。

すなわち、例えば、測定対象の表面における凹凸の高低差が同程度であって図１の（Ａ）に示すように凹凸の形状が単純である場合と図１の（Ｂ）に示すように複雑である場合とを比較した場合、凹凸の形状が複雑である方が接合特性に優れる傾向にある。これは、測定対象の表面における凹凸に接合対象が入り込むことで発現するアンカー効果がより大きいためと考えられる。そして、測定対象の表面における凹凸の高低差が同程度であって凹凸の形状が単純である場合と複雑である場合とを比較した場合、凹凸の形状が複雑である方が、ガス吸着法により測定される比表面積が大きい傾向にある。

上記方法において、ガス吸着法により測定される比表面積は、必要に応じて指数化等の処理を施してもよい。例えば、測定対象の表面に凹凸がまったく存在しない場合の比表面積（理論上、測定対象の寸法と質量とから計算される比表面積）を基準として指数化してもよい。あるいは、測定に用いた試料の寸法及び質量に基づいて面積に換算してもよい。

ガス吸着法により比表面積を測定する手法は特に制限されず、公知の手法に準じて行うことができる。
一般に、粉体の比表面積の測定は少量（例えば、１ｇ程度）でも測定値を得ることが可能であるが、上記方法では精度のよい測定結果を得るために充分な量の試料を準備することが好ましい。測定される比表面積の値が小さいほど、より多くの試料を準備することが好ましい。また、測定結果の再現性確認のために同じ試料を用いた測定を２回以上実施してもよい。

測定に用いるガスの種類は特に制限されず、測定対象の表面状態に応じて選択することが好ましい。例えば、測定対象の表面の凹凸が細かすぎて窒素を用いた測定が難しい場合は、クリプトンを用いることが好ましい。これは、クリプトンガスは蒸気圧が低いため、表面粗さが小さい場合の微小な圧力変化を確認しやすいためである。

測定に用いる試料の大きさ、形状等は、測定に適した状態であれば特に制限されない。例えば、ブロック状、シート状等であってもよい。

上記方法は、測定対象の材質を問わず適用できる。例えば、金属、セラミックス、樹脂等からなる測定試料の表面状態の測定に用いることができる。上記方法は特に、凹凸形状が複雑であるなど、表面粗さ等では数値化しにくい表面状態を定量的に把握したい場合に有用である。

たとえば、レーザー照射による表面処理を施した金属は樹脂に対する接合特性が著しく向上するが、レーザー照射により形成される凹凸の形状が複雑であるためにアンカー効果の発現が大きいことがその理由と考えられる。従って、レーザー照射による表面処理を施した金属の樹脂に対する接合特性は、凹凸形状の複雑さも要素に含めて評価することの利点が大きい。上記方法によれば、樹脂と接合する前の金属の表面状態に基づいて、当該金属を実際に樹脂と接合したときの接合特性を従来の手法よりも正確かつ効率的に把握することができる。ある実施態様では、レーザー照射による表面処理を施した金属はチタン、アルミニウム、銅、銅合金、真鍮、鉄等の金属材料、又はこれら金属材料にメッキが施されたものなどであってよく、接合対象の樹脂はポリエチレンテレフタレート（ＰＥＴ）、ポリブチレンテレフタレート（ＰＢＴ）、ポリブチレン−エチレンテレフタレート（ＰＢＴ−ＰＥＴ共重合樹脂）、ポリエーテル・エーテルケトン（ＰＥＥＫ）、ポリフェニレンサルファイド（ＰＰＳ）、ポリエーテルイミド（ＰＥＩ）、６ナイロン（ＰＡ６）、６−６ナイロン（ＰＡ６６）、ポリカーボネート（ＰＣ）等であってもよい。

＜接合特性の評価方法＞
本開示の接合特性の評価方法は、測定対象の比表面積をガス吸着法により測定する工程と、前記比表面積が規格下限値に達しているか否かを判断する工程と、を備える。

上記方法によれば、測定対象と同じ条件で表面処理を施した部材を用いて接合体を作製したときに、充分な接合特性（接合強度、部材間の気密性等）が得られるか否かを評価することができる。このため、例えば、生産した部材を用いて実際に接合体を製造する前に、得られる接合特性を予め把握することができる。

上記方法における「規格下限値」は必ずしも絶対的な値である必要はなく、例えば、測定対象に相当する部材を用いて作製される接合体に要求される接合特性に基づいて定めることができる。具体的には、例えば、比表面積が異なる複数の部材を用いて作製した接合体のうち、接合特性が許容可能でかつ最小のものを構成する部材の比表面積を規格下限値として設定することができる。

測定対象の比表面積をガス吸着法により測定する方法は、上述した表面状態の数値化方法における比表面積の測定方法と同様にして行うことができる。

上記方法において測定された比表面積は、上述した表面状態の数値化方法と同様に指数化、面積への換算等の処理を施してもよい。また、測定対象の詳細及び好ましい態様は、上述した表面状態の数値化方法における測定対象と同様である。

＜接合体の製造方法＞
本開示の接合体の製造方法は、接合体を構成する部材に表面処理を施す工程と、前記表面処理を施した部材又は前記表面処理を施した部材に対応する測定対象の比表面積をガス吸着法により測定する工程と、前記比表面積が規格下限値に達しているか否かを判断する工程と、を備える。

上記方法によれば、表面処理を施した部材を用いて接合体を作製する前に、表面処理を施した面の比表面積を測定し、得られた値が所定の規格下限値に達しているか否かを判断する。このため、実際に接合体を作製する前に得られる接合特性を比表面積の測定結果から把握することができ、規格下限値に達していない部材を用いて接合特性が不充分な接合体が作製される事態を回避することができる。

上記方法において「表面処理を施した部材に対応する測定対象」とは、表面処理を施した部材と材質及び表面状態が等しい（例えば、同じ条件で表面処理を施している）ものを意味する。測定対象について統計的手法を用いて比表面積の範囲を限定することで、得られた値を各部材の比表面積とみなすことができ、部材ごとに比表面積を測定する工程を省くことができる。

上記方法における比表面積の測定方法及び比表面積が規格下限値に達しているか否かを判断する方法は、上述した接合特性の評価方法と同様に行うことができる。

上記方法において接合体を構成する部材の材質は、特に制限されない。例えば、金属、セラミックス、樹脂等が挙げられる。また、当該部材の接合対象となる部材の材質も特に制限されず、金属、セラミックス、樹脂等が挙げられる。

ある実施態様では、表面処理を施した部材はレーザー照射による表面処理を施した金属であってもよく、当該部材の接合対象となる部材は樹脂であってもよい。金属の種類は特に制限されず、チタン、アルミニウム、銅、銅合金、真鍮、鉄等の金属材料、又はこれら金属材料にメッキが施されたものなどであってもよい。樹脂の種類は特に制限されず、ポリエチレンテレフタレート（ＰＥＴ）、ポリブチレンテレフタレート（ＰＢＴ）、ポリブチレン−エチレンテレフタレート（ＰＢＴ−ＰＥＴ共重合樹脂）、ポリエーテル・エーテルケトン（ＰＥＥＫ）、ポリフェニレンサルファイド（ＰＰＳ）、ポリエーテルイミド（ＰＥＩ）、６ナイロン（ＰＡ６）、６−６ナイロン（ＰＡ６６）、ポリカーボネート（ＰＣ）等であってもよい。

上記方法において、表面処理を施した部材を用いて接合体を製造する手法は特に制限されず、公知の方法により行うことができる。また、接合体は少なくとも一部に表面処理を施した部材と接合対象との接合構造を有していればよく、接合体における接合構造の場所は特に制限されない。
接合体の用途は特に制限されない。例えば、車両の内外装用部材、建造物の内外装用部材、産業用資材、生活用品等として利用することができる。

以下、実施例に基づいて本開示の実施形態をより具体的に説明するが、本開示はこれらの実施例に制限されるものではない。

＜実施例１＞
（１）試料の作製
アルミニウム板（厚さ２ｍｍ）の両面にレーザー照射による表面処理を施したものを用いて、幅５ｍｍ、長さ５０ｍｍの試料を作製した。次いで、作製した試料をサンプルセルに入れ、真空中で１００℃に加熱して試料表面に付着しているガス成分を除去する前処理を実施した。

（２）ガス吸着法による比表面積の測定
前処理を実施した試料（３１個）を全自動ガス吸着量測定装置（Ｑｕａｎｔａｃｈｒｏｍｅ社、ＡＳ−ｉＱ）に配置し、定容法（ガス吸着に伴う圧力変化を検出）によりガス吸着量を測定し、ＢＥＴ法により比表面積を計算した。ガス吸着量の測定条件は下記のとおりである。結果を表１に示す。

・吸着ガス：クリプトンガス
・測定温度：７７．３Ｋ（液体窒素冷却）
・セルサイズ：薄膜用セル２０ｃｍ^３、ステム外形１．２ｃｍΦ
・測定範囲：表面積で０．００５ｍ^２以上
・測定相対圧：０．０３〜０．３吸着側１３点
・解析項目：ＢＥＴ比表面積解析
・測定回数：同一試料で２回

（３）計測法による比表面積の計算
ガス吸着法による比表面積（ｍ^２／ｇ）と比較するため、計測法による比表面積を測定した。具体的には、各試料の寸法（長さＤ、幅Ｗ、高さＨ）をノギスを用いて測定し、得られた値から試料が直方体と仮定したときの表面積を計算し、すべての試料の表面積の合計値を得た。この合計値をすべての試料の質量の合計値で除して得られた値を、計測法による比表面積（ｍ^２／ｇ）とした。結果を表１に示す。さらに、ガス吸着法による比表面積の平均値（Ａ）を計測法による比表面積（Ｂ）で除して指数化した値（Ａ／Ｂ）を表１に示す。

（４）比表面積の面積への換算
ガス吸着法により得られた比表面積の平均値と試料の寸法及び質量から、試料１個あたりの表面積（ｃｍ^２、片面あたり）を計算した。結果を表１に示す。

＜実施例２＞
レーザーの照射条件を変更したこと以外は実施例１と同様にして試料を作製し、前処理を行った。次いで、前処理を実施した試料（２６個）を用いて、実施例１と同様にしてガス吸着法による比表面積、計測法による比表面積、試料の片面あたり面積を得た。結果を表１に示す。

＜実施例３＞
レーザーの照射条件を変更したこと以外は実施例１と同様にして試料を作製し、前処理を行った。次いで、前処理を実施した試料（２６個）を用いて、実施例１と同様にしてガス吸着法による比表面積、計測法による比表面積、試料の片面あたり面積を得た。結果を表１に示す。

表１に示すように、実施例１〜３で作製した試料についてガス吸着法により得られる比表面積は、計測法により得られる比表面積の２０倍を超える値であった。

実施例１〜３で用いた試料と同じ条件でレーザー照射による表面処理を施したアルミニウム板に対し樹脂（ポリフェニレンサルファイド）を接合して作製した接合体は、いずれも良好な接合特性（接合強度）を示した。また、接合特性（接合強度）は実施例１＜実施例２＜実施例３の関係にあった。

Claims

測定対象の比表面積をガス吸着法により測定する工程と、ガス吸着法による測定対象の比表面積の平均値（Ａ）を計測法による測定対象の比表面積（Ｂ）で除して指数化した値（Ａ／Ｂ）を算出する工程と、前記比表面積及びＡ／Ｂが規格下限値に達しているか否かを判断する工程と、を備え、前記測定対象はレーザー照射による表面処理を施されている、接合特性の評価方法。
前記測定対象は金属である、請求項１に記載の接合特性の評価方法。
前記比表面積はクリプトンガスを用いて測定される、請求項１又は請求項２に記載の接合特性の評価方法。
接合体を構成する部材に表面処理を施す工程と、前記表面処理を施した部材又は前記表面処理を施した部材に対応する測定対象の比表面積をガス吸着法により測定する工程と、ガス吸着法による測定対象の比表面積の平均値（Ａ）を計測法による測定対象の比表面積（Ｂ）で除して指数化した値（Ａ／Ｂ）を算出する工程と、前記比表面積及びＡ／Ｂが規格下限値に達しているか否かを判断する工程と、を備え、前記測定対象はレーザー照射による表面処理を施されている、接合体の製造方法。
前記測定対象は金属である、請求項４に記載の接合体の製造方法。
前記比表面積はクリプトンガスを用いて測定される、請求項４又は請求項５のいずれか１項に記載の接合体の製造方法。