JP7102659B2 - 樹脂金属複合部材及び樹脂金属複合部材の製造方法 - Google Patents
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そこで、本発明では、金属部材と接着層と繊維強化樹脂とを備える樹脂金属複合部材において、前記接着層に対する前記繊維強化樹脂の接着性に優れた樹脂金属複合部材を提供することを課題とする。
前記繊維強化樹脂部材と前記金属部材との接着部が、
前記繊維強化樹脂部材に直に接するよう設けられるコーティング層と、
前記コーティング層及び前記金属部材に直に接するよう設けられた接着層と、
を備える、樹脂金属複合部材。
前記コーティング層及び金属部材の少なくとも一方に、接着層を形成する接着層形成工程と、
前記繊維強化樹脂部材と前記金属部材とを、前記コーティング層及び前記接着層を介在して接着する接着工程と、
を含む、樹脂金属複合部材の製造方法。
本実施形態に係る樹脂金属複合部材は、繊維強化樹脂部材及び金属部材の少なくとも一部が接着された樹脂金属複合部材において、前記繊維強化樹脂部材と前記金属部材との接着部が、前記繊維強化樹脂部材に直に接するよう設けられるコーティング層と、前記コーティング層及び前記金属部材に直に接するよう設けられた接着層と、を備える。樹脂金属複合部材は、その他の層を備えていてもよい。
図1は、従来の樹脂金属複合部材1における接着部の層構成を示す概略斜視図である。図1に示すように、従来の樹脂金属複合部材1は、接着部において、繊維強化樹脂部材400及び金属部材100が、接着層200を介在して接着されている。接着層200は、繊維強化樹脂部材400及び金属部材100に対し、直に接するように設けられている。
金属部材の材料としては、単金属(アルミニウム、鉄、銅、亜鉛、クロム、ニッケル、モリブデン、バナジウム、インジウム、金、白金等)、又は合金(ステンレス、アルミニウム合金、銅合金、ニッケル・コバルトの合金等)などが挙げられる。
接着層の組成は、金属部材と、コーティング層とが接着されるものであれば、特に制限されず、周知の接着剤を含むことが好ましい。
エポキシ樹脂は、1種単独で使用しても、2種以上を併用してもよい。
エポキシ樹脂は、エポキシ樹脂の単量体、前記エポキシ樹脂のオリゴマー、プレポリマーのいずれの形態であってもよい。
なお、エポキシ樹脂のエポキシ当量は、JIS K 7236:2009に準じた方法で測定される値とする。
繊維強化樹脂部材を形成する繊維強化樹脂としては、特に制限されず、適宜公知の繊維強化樹脂を用いてよい。繊維強化樹脂としては、例えば、カーボン繊維強化樹脂(CFRP)、ガラス繊維強化樹脂(GFRP)、アラミド繊維強化樹脂、天然繊維(例えば、竹、ケナフなど)強化樹脂等を用いることができる。
コーティング層は、繊維強化樹脂部材の表面粗さを低下させることができるものであれば特に制限されない。例えば、コーティング層は、接着層に対する繊維強化樹脂部材の接着性をより向上させる観点から、硬化性化合物が硬化されてなる硬化膜であることが好ましい。
具体的には、例えば、液状のビスフェノール型エポキシ樹脂、液状のポリアミン(脂肪族ポリアミン、環状ポリアミン、芳香族ポリアミン等)を含むアミン-ビスフェノール型エポキシ樹脂、液状のグリシジルアミン型エポキシ樹脂、フェノールノボラック型エポキシ樹脂、オルソクレゾールノボラック型エポキシ樹脂、脂環族エポキシ樹脂、これらの付加物等が挙げられる。
エポキシ樹脂は、1種単独で使用しても、2種以上を併用してもよい。
エポキシ樹脂は、エポキシ樹脂の単量体、前記エポキシ樹脂のオリゴマー、プレポリマーのいずれの形態であってもよい。
なお、エポキシ樹脂のエポキシ当量は、JIS K 7236:2009に準じた方法で測定される値とする。
上記の中でも、無機充填材は、接着層に対するコーティング層の接着性をより向上させる観点から、シリカ粒子、チタニア粒子及びアルミナ粒子からなる群より選択される1種以上であることが好ましい。
本実施形態に係る樹脂金属複合部材の製造方法は、少なくとも一部の領域に直に接するよう設けられるコーティング層を有する繊維強化樹脂部材を準備する準備工程と、前記コーティング層及び前記金属部材の少なくとも一方に、接着層を形成する接着層形成工程と、前記繊維強化樹脂部材と前記金属部材とを、前記コーティング層及び前記接着層を介在して接着する接着工程と、を含む。樹脂金属複合部材の製造方法は、その他の工程を含んでいてもよい。
準備工程では、少なくとも一部の領域(具体的には、金属部材が接着される予定の領域)に直に接するよう設けられるコーティング層を有する繊維強化樹脂部材を準備する。
本準備工程は、既に製造されたコーティング層を有する繊維強化樹脂部材を単に準備する工程であってもよいし、繊維強化樹脂部材の上に直に接するようコーティング層を形成するコーティング層形成工程であってもよい。
例えば、コーティング層は、コーティング剤を用いて形成されることが好ましく、接着層に対するコーティング層の接着性をより向上させる観点から、コーティング剤と、無機充填材と、を用いて形成されることがより好ましい。
接着層形成工程では、前記コーティング層及び前記金属部材の少なくとも一方に、接着層を形成する。
例えば、樹脂金属複合部材の製造方法を効率化する観点から、コーティング層及び前記金属部材の少なくとも一方に、接着層を形成することが好ましく、金属部材に接着層が形成されることがより好ましい。
接着工程では、前記繊維強化樹脂部材と前記金属部材とを、前記コーティング層及び前記接着層を介在して接着する。
表1に示す量のビスフェノールA型エポキシ樹脂(分子量:約370、エポキシ当量:184~194、製品名:828、三菱ケミカル社製)と、脂肪族ポリアミン(アミン価:345~385、製品名:ST12、三菱ケミカル社製)とを混合し、混合液を作製した。次に、前記混合液全量に対してエポキシシンナー(大伸化学社製、型番5エポキシシンナー)23部を加えて混合液を希釈し、これをコーティング剤とした。
表1に示す硬化性化合物、分散剤(塩基系高分子型分散剤:日本ルーブリゾール社製、ソルスパース32000)及び無機充填材の種類及び量を、電子天秤で秤量し、200mlガラス瓶に入れ、金属へらで軽く混合させた。その後、ペイントシャーカーを用いて3時間室温(25℃)で分散させ、これをコーティング剤とした。なお、ビスフェノールA型エポキシ樹脂、脂肪族ポリアミン及びエポキシシンナーは、コーティング剤1で示すものと同じ仕様とした。
(コーティング層を有する繊維強化樹脂部材の準備工程)
2.5cm×11.5cm×0.2cmの繊維強化樹脂部材(CFRP、O-KEI樹脂社製)において、金属部材と接着する接着予定部(2.5cm×1cm)に対し、バーコーターNo.4により表1に示す仕様のコーティング剤を塗布し、室温(25℃)にて乾燥させ、膜厚5μmの硬化膜を得た。なお、実施例5及び6については、バーコーターはNo.1を用いた。
2.5cm×12cm×0.2cmの金属部材(アルミニウム合金、A5052)において、繊維強化樹脂部材と接着する接着予定部(2.5cm×1cm)に対し、へらにより接着剤(製品名アラルダイト スタンダード、ハンツマン・ジャパン社製)を、接着層の厚さが20μmとなるように塗布した。
(接着工程)
上記で形成されたコーティング層と塗布した接着剤が対面するように、繊維強化樹脂部材と金属部材とを重ね合わせ、1kgの重りをのせ、繊維強化樹脂部材及び金属部材が接着された樹脂金属複合部材を作製した。
2.5cm×12cm×0.2cmの金属部材(アルミニウム合金、A5052)において、繊維強化樹脂部材と接着する接着予定部(2.5cm×3cm)を、研磨紙♯400を用いて表面研磨した。この接着予定部に対し、へらにより接着剤(製品名アラルダイト スタンダード、ハンツマン・ジャパン社製)を、接着層の厚さが20μmとなるように塗布した。
2.5cm×11.5cm×0.2cmの繊維強化樹脂部材(CFRP、O-KEI樹脂社製)における金属部材と接着する接着予定部(2.5cm×1cm)と、上記で塗布した接着剤とが対面するように、繊維強化樹脂部材と金属部材とを重ね合わせ、1kgの重りをのせ、繊維強化樹脂部材及び金属部材が接着された樹脂金属複合部材を作製した。
各例の樹脂金属複合部材について、JIS K6850:1999に記載の接着剤-剛性被着材の引張せん断接着強さ試験方法に準じて、下記の条件で応力(MPa)の測定を行った。本測定を、各例の樹脂金属複合部材について5回行い、その算術平均値を、引張試験1の結果とした。結果を表2に示す。
・試験機:万能材料試験機(型式:AG-100kNX、(株)島津製作所製)
・接着面積:縦10mm、横25mm
・変位速度:5mm/min
実施例1~7及び比較例1の樹脂金属複合部材を、冷熱衝撃試験機(TSA-101S、エスペック株式会社製)に設置し、大気中、-40℃から150℃の間で、温度上昇及び温度下降を各々30分間隔で500サイクル繰り返し(500時間)、気相冷熱サイクル試験を行った。この際、度サイクル1回で、温度上昇及び温度下降がそれぞれ1回ずつ行われる。前記気相冷熱サイクル試験の終了後、上述の引張試験を行なった結果を、長期耐久性試験後の引張試験の結果とした。結果を表3に示す。
図6に示すように、無機充填材としてアルミナ粒子を用いた場合、長期耐久性試験後の引張試験では、アルミナ粒子の平均一次粒子径が大きくなるにともない、平均応力の値も高くなる傾向にあることがわかった。この要因としては、平均一次粒子径の大きい無機充填材の方が、アンカー効果により接着層とコーティング層との接着性が高まることが考えられる。
さらに図7に示すように、無機充填材として平均一次粒子径が0.2μmのアルミナ粒子を用いた場合、アルミナ粒子の含有量が20質量%である実施例の樹脂金属複合部材は、アルミナ粒子の含有量が10質量%又は40質量%である実施例の樹脂金属複合部材よりも、平均応力の値がより高くなる傾向にあることがわかった。一方で、無機充填材として平均一次粒子径が5μmのアルミナ粒子を用いた場合、アルミナ粒子の含有量を10、20、40質量%と変更しても、平均応力の値に大きな変化はみられなかった。
さらに図8に示すように、無機充填材として平均一次粒子径が6.2μmのシリカ粒子を用いた場合、シリカ粒子の含有量が5質量%又は20質量%である実施例の樹脂金属複合部材は、シリカ粒子の含有量が10質量%である実施例の樹脂金属複合部材よりも、平均応力の値がより高くなる傾向にあることがわかった。
100 金属部材
200 接着層
300 コーティング層
400 繊維強化樹脂部材
500 無機充填材
TFILLER 無機充填材の平均一次粒子径
TCOAT コーティング層の膜厚
Claims (9)
- 繊維強化樹脂部材及び金属部材の少なくとも一部が接着された樹脂金属複合部材において、
前記繊維強化樹脂部材と前記金属部材との接着部が、
前記繊維強化樹脂部材に直に接するよう設けられるコーティング層と、
前記コーティング層及び前記金属部材に直に接するよう設けられた接着層と、
を備え、
前記コーティング層は、無機充填材を更に含み、
前記無機充填材の平均一次粒子径が、0.1μm以上7.0μm以下である、樹脂金属複合部材。 - 前記コーティング層の膜厚が、前記無機充填材の一次平均粒子径よりも小さい、請求項1に記載の樹脂金属複合部材。
- 前記無機充填材は、シリカ粒子、チタニア粒子及びアルミナ粒子からなる群より選択される1種以上である、請求項1又は請求項2に記載の樹脂金属複合部材。
- 前記コーティング層は、硬化性化合物が硬化されてなる硬化膜である、請求項1~請求項3のいずれか1項に記載の樹脂金属複合部材。
- 前記硬化性化合物はエポキシ樹脂を含む、請求項4に記載の樹脂金属複合部材。
- 少なくとも一部の領域に直に接するよう設けられるコーティング層を有する繊維強化樹脂部材を準備する準備工程と、
前記コーティング層及び金属部材の少なくとも一方に、接着層を形成する接着層形成工程と、
前記繊維強化樹脂部材と前記金属部材とを、前記コーティング層及び前記接着層を介在して接着する接着工程と、
を含み、
前記コーティング層は、25℃での粘度が5mPa・s以上400mPa・s以下であるコーティング剤により形成される、樹脂金属複合部材の製造方法。 - 前記コーティング層は、コーティング剤と、無機充填材と、を用いて形成される、請求項6に記載の樹脂金属複合部材の製造方法。
- 前記コーティング層は、硬化性化合物が硬化されてなる硬化膜である、請求項6又は請求項7に記載の樹脂金属複合部材の製造方法。
- 前記硬化性化合物はエポキシ樹脂を含む、請求項8に記載の樹脂金属複合部材の製造方法。
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