JPWO2019116879A1 - 複合積層体及びその製造方法、並びに金属樹脂接合体及びその製造方法 - Google Patents
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Abstract
Description
[2]前記樹脂コーティング層が複数層であり、その少なくとも1層が、熱硬化性樹脂を含む樹脂組成物から形成されてなり、前記熱硬化性樹脂が、ウレタン樹脂、エポキシ樹脂、ビニルエステル樹脂及び不飽和ポリエステル樹脂からなる群より選ばれる少なくとも1種である、上記[1]に記載の複合積層体。
[3]前記金属基材の表面処理された面と前記樹脂コーティング層との間に官能基付着層を有し、前記官能基付着層は、前記金属基材と前記樹脂コーティング層に接して積層されており、前記官能基付着層が、シランカップリング剤、イソシアネート化合物及びチオール化合物からなる群より選ばれる少なくとも1種から導入された官能基を有する、上記[1]又は[2]に記載の複合積層体。
[4]前記表面処理が、ブラスト処理、研磨処理、エッチング処理及び化成処理からなる群より選ばれる少なくとも1種である、上記[1]〜[3]のいずれか1項に記載の複合積層体。
[5]前記金属基材がアルミニウムからなる、上記[1]〜[4]のいずれか1項に記載の複合積層体。
[6]前記金属基材がアルミニウムからなり、前記表面処理が、エッチング処理及びベーマイト処理の少なくともいずれか1種を含む、上記[4]に記載の複合積層体。
[7]前記金属基材が、鉄、チタン、マグネシウム、ステンレス鋼及び銅からなる群より選ばれる金属からなる、上記[1]〜[4]のいずれか1項に記載の複合積層体。
[8]前記樹脂コーティング層がプライマー層である、上記[1]〜[7]のいずれか1項に記載の複合積層体。
[10]前記表面処理は、ブラスト処理、研磨処理、エッチング処理及び化成処理からなる群より選ばれる少なくとも1種である、上記[9]に記載の複合積層体の製造方法。
[11]前記樹脂コーティング層を形成する前に、前記金属基材の表面処理された面に、シランカップリング剤、イソシアネート化合物及びチオール化合物からなる群より選ばれる少なくとも1種で処理することにより官能基付着層を形成する、上記[9]又は[10]に記載の複合積層体の製造方法。
また、前記複合積層体を用いることにより、高い接着強度で接合された金属樹脂接合体を提供することができる。
本発明の複合積層体は、金属基材と、前記金属基材の表面上に積層された1層又は複数層の樹脂コーティング層とを有する複合積層体である。そして、前記樹脂コーティング層は、前記金属基材の表面処理された面上に積層され、前記樹脂コーティング層の少なくとも1層が、現場重合型フェノキシ樹脂を含む樹脂組成物から形成されてなることを特徴としている。
前記複合積層体は、金属基材上に、このような樹脂コーティング層が積層されていることにより、樹脂材との優れた接着性を発揮することができる。
金属基材2は、その金属種は特に限定されるものではないが、例えば、アルミニウム、鉄、チタン、マグネシウム、ステンレス鋼、銅等が挙げられる。これらのうち、軽量性及び加工容易性等の観点から、アルミニウムが、特に好適に用いられる。
なお、本発明において、「アルミニウム」の語は、アルミニウム及びその合金を含む意味で用いられる。同様に、鉄、チタン、マグネシウム及び銅も、これらの単体及びその合金を含む意味で用いるものとする。
金属基材2の表面には表面処理部2aが形成されている。なお、表面処理部2aは、金属基材2の一部とみなす。
前記表面処理としては、例えば、溶剤等による洗浄又は脱脂処理、ブラスト処理、研磨処理、エッチング処理、化成処理等が挙げられ、金属基材2の表面に水酸基を生じさせる表面処理であることが好ましい。これらの処理は、1種のみであってもよく、2種以上を施してもよい。これらの表面処理の具体的な方法としては、公知の方法を用いることができる。
前記表面処理は、金属基材2の表面の清浄化、また、アンカー効果を目的として微細な凹凸を形成することによって粗面化するものでもある。したがって、前記表面処理は、金属基材2の表面と、樹脂コーティング層4との接着性を向上させることができ、また、種々の材質(金属材料、有機材料等)の接合対象との接着性の向上にも寄与し得る。
前記溶剤等による洗浄又は脱脂処理としては、例えば、金属基材2の表面を、アセトン、トルエン等の有機溶剤を用いて、洗浄したり、拭くことにより脱脂する等の方法が挙げられる。前記洗浄又は脱脂処理は、その他の表面処理の前に行われることが好ましい。
前記ブラスト処理としては、例えば、ショットブラストやサンドブラスト等が挙げられる。
前記研磨処理としては、例えば、研磨布を用いたバフ研磨や、研磨紙(サンドペーパー)を用いたロール研磨、電解研磨等が挙げられる。
前記エッチング処理としては、例えば、アルカリ法、リン酸−硫酸法、フッ化物法、クロム酸−硫酸法、塩鉄法等の化学的エッチング処理、また、電解エッチング法等の電気化学的エッチング処理等が挙げられる。
金属基材2がアルミニウムである場合のエッチング処理は、水酸化ナトリウム水溶液又は水酸化カリウム水溶液を用いたアルカリ法が好ましく、特に、水酸化ナトリウム水溶液を用いた苛性ソーダ法が好ましい。
前記アルカリ法としては、例えば、アルミニウム基材を濃度3〜20質量%の水酸化ナトリウム又は水酸化カリウムの水溶液に、20〜70℃で1〜15分間浸漬させることにより行うことができる。添加剤として、キレート剤、酸化剤、リン酸塩等を添加してもよい。前記浸漬後、5〜20質量%の硝酸水溶液等で中和(脱スマット)し、水洗、乾燥を行うことが好ましい。
前記化成処理とは、主として金属基材2の表面に、表面処理部2aとして化成皮膜を形成するものである。
金属基材2がアルミニウムである場合の化成処理としては、例えば、ベーマイト処理、ジルコニウム処理等が挙げられ、特に、ベーマイト処理が好ましい。
ジルコニウム処理では、アルミニウム基材を、例えば、リン酸ジルコニウム等のジルコニウム塩含有液に浸漬することにより、該基材表面にジルコニウム化合物の皮膜が形成される。例えば、アルミニウム基材を、ジルコニウム処理用の化成剤(例えば、日本パーカライジング株式会社製「パルコート3762」、同「パルコート3796」等)の45〜70℃の液中に0.5〜3分間浸漬して行うことが好ましい。前記ジルコニウム処理は、前記苛性ソーダ法によるエッチング処理後に行うことが好ましい。
金属基材2の表面処理された面と樹脂コーティング層4との間には、両者に接して、官能基付着層3が積層されていることも好ましい。官能基付着層3は、シランカップリング剤、イソシアネート化合物及びチオール化合物からなる群より選ばれる少なくとも1種から導入された官能基を有する層である。
金属基材2の表面処理された面と樹脂コーティング層4との間に前記官能基を有する層が形成されていることにより、該官能基が反応して形成する化学結合により、金属基材2の表面と、樹脂コーティング層4との接着性を向上させる効果が得られ、また、接合対象との接着性の向上にも寄与し得る。
前記シランカップリング剤としては、例えば、ガラス繊維の表面処理等に用いられる公知のものを使用することができる。シランカップリング剤を加水分解させて生成したシラノール基、又はこれがオリゴマー化したシラノール基が、金属基材2の表面処理された面に存在する水酸基と反応して結合することにより、樹脂コーティング層4や接合対象と化学結合可能な該シランカップリング剤の構造に基づく官能基を、金属基材2に対して付与する(導入する)ことができる。
前記イソシアネート化合物は、該イソシアネート化合物中のイソシアナト基が、金属基材2の表面処理された面に存在する水酸基と反応して結合することにより、樹脂コーティング層4や接合対象と化学結合可能な該イソシアネート化合物の構造に基づく官能基を、金属基材2に対して付与する(導入する)ことができる。
前記チオール化合物は、該チオール化合物中のメルカプト基(チオール基)が、金属基材2の表面処理された面に存在する水酸基と反応して結合することにより、樹脂コーティング層4や接合対象と化学結合可能な該チオール化合物の構造に基づく官能基を、金属基材2に対して付与する(導入する)ことができる。
樹脂コーティング層4は、金属基材2の表面処理された面、すなわち、金属基材2の表面処理部2aの表面に積層される。あるいはまた、官能基付着層3の表面に積層されていてもよい。
また、樹脂コーティング層4は、1層で構成されていてもよく、2層以上の複数層から構成されていてもよい。
樹脂コーティング層4は、金属基材2の表面処理された面上に、優れた接着性で形成され、該金属基材2の表面が保護され、該金属基材2の表面の汚れの付着や酸化等の変質を抑制することができる。
また、樹脂コーティング層4によって、金属基材2の表面に、種々の材質(金属材料、有機材料等)の接合対象、特に、樹脂材との優れた接着性が付与され得る。さらに、上記のように金属基材2の表面が保護された状態で、数ヶ月間の長期にわたって、優れた接着性が得られる状態を維持し得る複合積層体を得ることもできる。
ここで言うプライマー層とは、例えば、後述する金属樹脂接合体のように、金属基材2が樹脂材等の接合対象と接合一体化される際に、該金属基材2と接合対象との間に介在し、金属基材2の接合対象に対する接着性を向上させる層であることを意味するものとする。
樹脂コーティング層4の少なくとも1層は、現場重合型フェノキシ樹脂を含む樹脂組成物から形成されてなる層(以下、現場重合型フェノキシ樹脂層とも言う。)である。
現場重合型フェノキシ樹脂とは、熱可塑エポキシ樹脂や、現場硬化型フェノキシ樹脂、現場硬化型エポキシ樹脂等とも呼ばれる樹脂であり、2官能エポキシ樹脂と2官能フェノール化合物とが触媒存在下で重付加反応することにより、熱可塑構造、すなわち、リニアポリマー構造を形成する。すなわち、架橋構造による3次元ネットワークを構成する熱硬化性樹脂とは異なり、熱可塑性を有する樹脂コーティング層4を形成することができる。
現場重合型フェノキシ樹脂は、このような特徴を有していることにより、現場重合によって、金属基材2との接着性に優れた樹脂コーティング層4を形成することができ、かつ、該樹脂コーティング層4を接合対象との接着性に優れたものとすることができる。
前記現場重合型フェノキシ樹脂を含む樹脂組成物の重付加反応は、官能基付着層の表面で行うことが好ましく、また、樹脂コーティング層4の現場重合型フェノキシ樹脂層以外の層の表面で行うことも好ましい。このような態様で形成された現場重合型フェノキシ樹脂層を含む樹脂コーティング層4は、金属基材2との接着性に優れ、かつ、接合対象との接着性に優れたものである。
前記樹脂組成物により樹脂コーティング層4を形成するコーティング方法は、特に限定されるものではないが、例えば、スプレー塗布法、浸漬法等が挙げられる。
前記2官能エポキシ樹脂としては、例えば、ビスフェノール型エポキシ樹脂、ビフェニル型エポキシ樹脂が挙げられる。これらのうち、1種単独で用いても、2種以上を併用してもよい。具体的には、三菱ケミカル株式会社製「jER(登録商標)828」、同「jER(登録商標)834」、同「jER(登録商標)1001」、同「jER(登録商標)1004」、同「jER(登録商標) YX−4000」等が挙げられる。
前記2官能フェノール化合物としては、例えば、ビスフェノール、ビフェノール等が挙げられる。これらのうち、1種単独で用いても、2種以上を併用してもよい。
また、これらの組み合わせとしては、例えば、ビスフェノールA型エポキシ樹脂とビスフェノールA、ビスフェノールA型エポキシ樹脂とビスフェノールF、ビフェニル型エポキシ樹脂と4,4’−ビフェノール等が挙げられる。また、例えば、ナガセケムテックス株式会社製「WPE190」と「EX−991L」との組み合わせも挙げられる。
前記重付加反応は、反応化合物等の種類にもよるが、120〜200℃で、5〜90分間加熱して行うことが好ましい。具体的には、前記樹脂組成物をコーティングした後、適宜溶剤を揮発させ、その後、加熱して重付加反応を行うことにより、現場重合型フェノキシ樹脂層を形成することができる。
樹脂コーティング層4が複数層からなる場合、そのうちの少なくとも1層は、熱硬化性樹脂を含む樹脂組成物から形成されてなる層(以下、熱硬化性樹脂層とも言う。)であることも好ましい。前記熱硬化性樹脂としては、例えば、ウレタン樹脂、エポキシ樹脂、ビニルエステル樹脂、不飽和ポリエステル樹脂が挙げられる。
熱硬化性樹脂層の各層は、これらの樹脂のうちの1種単独で形成されていてもよく、2種以上が混合されて形成されていてもよい。あるいはまた、2層以上の各層が異なる種類の熱硬化性樹層であってもよい。
樹脂コーティング層4が、前記現場重合型フェノキシ樹脂層と、前記熱硬化性樹脂層との積層構成であることにより、該熱硬化性樹脂に基づく強度や耐衝撃性等の種々の特性を備えた樹脂コーティング層4でコーティングされた複合積層体1を構成することができる。
なお、前記熱硬化性樹脂層、及び前記現場重合型フェノキシ樹脂層の積層順序は、特に限定されるものではないが、複合積層体1が、金属基材2を接合対象と接合させることを目的とするものである場合、該接合対象との優れた接着性を得る観点から、前記現場重合型フェノキシ樹脂層が、樹脂コーティング層4の最表面となるように積層することが好ましい。
なお、前記樹脂組成物は、前記熱硬化性樹脂の硬化反応を十分に進行させ、所望の樹脂コーティング層を形成させるため、溶剤や、必要応じて着色剤等の添加剤を含んでいてもよい。この場合、前記樹脂組成物の溶剤以外の含有成分中、前記熱硬化性樹脂が主成分であることが好ましい。前記主成分とは、前記熱硬化性樹脂の含有率が50〜100質量%であることを意味する。前記含有率は、好ましくは60質量%以上、より好ましくは80質量%以上である。
前記ウレタン樹脂は、通常、イソシアナト基と水酸基との反応によって得られる樹脂であり、ASTM D16において、「ビヒクル不揮発成分10wt%以上のポリイソシアネートを含む塗料」と定義されるものに該当するウレタン樹脂が好ましい。前記ウレタン樹脂は、一液型であっても、二液型であってもよい。
二液型ウレタン樹脂としては、例えば、触媒硬化型(イソシアナト基と空気中の水等とが触媒存在下で反応して硬化するもの)、ポリオール硬化型(イソシアナト基とポリオール化合物の水酸基との反応により硬化するもの)等が挙げられる。
また、前記ポリオール硬化型におけるイソシアナト基を有するイソシアネート化合物としては、例えば、ヘキサメチレンジイソシアネート(HDI)、テトラメチレンジイソシアネート、ダイマー酸ジイソシアネート等の脂肪族イソシアネート;2,4−もしくは2,6−トリレンジイソシアネート(TDI)又はその混合物、p−フェニレンジシソシアネート、キシリレンジイソシアネート、ジフェニルメタンジイソシアネート(MDI)やその多核体混合物であるポリメリックMDI等の芳香族イソシアネート;イソホロンジイソシアネート(IPDI)等の脂環族イソシアネート等が挙げられる。
前記ポリオール硬化型の二液型ウレタン樹脂における前記ポリオール化合物と前記イソシアネート化合物の配合比は、水酸基/イソシアナト基のモル当量比が0.7〜1.5の範囲であることが好ましい。
前記ポリオール硬化型においては、一般に、前記ポリオール化合物100質量部に対して、前記ウレタン化触媒が0.01〜10質量部配合されることが好ましい。
前記エポキシ樹脂は、1分子中に少なくとも2個のエポキシ基を有する樹脂である。
前記エポキシ樹脂の硬化前のプレポリマーとしては、例えば、エーテル系ビスフェノール型エポキシ樹脂、ノボラック型エポキシ樹脂、ポリフェノール型エポキシ樹脂、脂肪族型エポキシ樹脂、エステル系の芳香族エポキシ樹脂、環状脂肪族エポキシ樹脂、エーテル・エステル系エポキシ樹脂等が挙げられ、これらの中でも、ビスフェノールA型エポキシ樹脂が好適に用いられる。これらのうち、1種単独で用いてもよく、2種以上を併用してもよい。
ビスフェノールA型エポキシ樹脂としては、具体的には、三菱ケミカル株式会社製「jER(登録商標)828」、同「jER(登録商標)1001」等が挙げられる。
ノボラック型エポキシ樹脂としては、具体的には、ザ・ダウ・ケミカル・カンパニー製「D.E.N.(登録商標)438(登録商標)」等が挙げられる。
前記チオール類の具体例としては、上述した表面処理におけるチオール化合物として例示したものと同じ化合物が挙げられる。これらの中でも、伸び率及び耐衝撃性の観点から、ペンタエリスリトールテトラキス(3−メルカプトブチレート)(例えば、昭和電工株式会社製「カレンズMT(登録商標) PE1」)が好ましい。
前記ビニルエステル樹脂は、ビニルエステル化合物を重合性モノマー(例えば、スチレン等)に溶解したものである。エポキシ(メタ)アクリレート樹脂とも呼ばれるが、前記ビニルエステル樹脂には、ウレタン(メタ)アクリレート樹脂も包含するものとする。
前記ビニルエステル樹脂としては、例えば、「ポリエステル樹脂ハンドブック」(日刊工業新聞社、1988年発行)、「塗料用語辞典」(色材協会、1993年発行)等に記載されているものも使用することができ、また、具体的には、昭和電工株式会社製「リポキシ(登録商標)R−802」、同「リポキシ(登録商標)R−804」、同「リポキシ(登録商標)R−806」等が挙げられる。
前記有機過酸化物としては、特に限定されるものではないが、例えば、ケトンパーオキサイド類、パーオキシケタール類、ハイドロパーオキサイド類、ジアリルパーオキサイド類、ジアシルパーオキサイド類、パーオキシエステル類、パーオキシジカーボネート類等が挙げられる。これらをコバルト金属塩等と組み合わせることにより、常温での硬化も可能となる。
前記コバルト金属塩としては、特に限定されるものではないが、例えば、ナフテン酸コバルト、オクチル酸コバルト、水酸化コバルト等が挙げられる。これらの中でも、ナフテン酸コバルト又は/及びオクチル酸コバルトが好ましい。
前記不飽和ポリエステル樹脂は、ポリオール化合物と不飽和多塩基酸(及び、必要に応じて飽和多塩基酸)とのエステル化反応による縮合生成物(不飽和ポリエステル)を重合性モノマー(例えば、スチレン等)に溶解したものである。
前記不飽和ポリエステル樹脂としては、「ポリエステル樹脂ハンドブック」(日刊工業新聞社、1988年発行)、「塗料用語辞典」(色材協会、1993年発行)等に記載されているものも使用することができ、また、具体的には、昭和電工株式会社製「リゴラック(登録商標)」等が挙げられる。
本発明の金属樹脂接合体は、複合積層体1の樹脂コーティング層4が、上述したように、プライマー層であり、該プライマー層側の面と、樹脂材とが接合一体化されたものである。
図2に、本発明の金属樹脂接合体の一実施形態を示す。図2に示す金属樹脂接合体は、複合積層体1の樹脂コーティング層(プライマー層)側の表面14と、接合対象30Aである樹脂材とが、直接接するようにして接合一体化されたものである。
上述したように、前記プライマー層の表面は、種々の材質(金属材料、有機材料等)の接合対象、特に、樹脂材との接着性に優れているため、金属基材2と樹脂材とが高い接着強度で接着された金属樹脂接合体を好適に得ることができる。
なお、接合時の加熱温度によっては、接合後に室温に冷却する過程で、金属基材2と接合対象30Aとの熱膨張係数の差に起因して金属樹脂接合体が熱変形を生じやすくなる。このような熱変形を抑制緩和する観点から、金属基材2と接合対象30Aとの間に伸び率の大きい特性を有する部分を所定の厚みで設けておくことが望ましい。前記厚さは、接着時の温度変化(接着持の加熱温度から室温冷却までの温度変化)と前記プライマー層の伸び率等の物性を考慮して求められる。
例えば、アルミニウム基材と炭素繊維強化樹脂(CFRP)等とを接合一体化させる場合、前記プライマー層の厚さは0.1〜10mmであることが好ましく、より好ましくは0.2〜8mm、さらに好ましくは0.5〜5mmである。
このように、接合対象30Bの樹脂材の種類によっては、接着剤31を用いることにより、金属基材2と樹脂材とがより高い接着強度で接着された金属樹脂接合体を得ることができる。
なお、接着時の加熱温度によっては、接着後に室温に冷却する過程で、金属基材2と接合対象30Bとの熱膨張係数の差に起因して金属樹脂接合体が熱変形を生じやすくなる。このような熱変形を抑制緩和する観点から、接着剤層31の厚さは、前記プライマー層と接着剤層31の合計厚さが0.5mm以上になるようにし、金属基材2と接合対象30Bとの間に伸び率の大きい特性を有する部分を所定の厚みで設けておくことが望ましい。前記合計厚さは、接着時の温度変化(接着持の加熱温度から室温冷却までの温度変化)と前記プライマー層及び接着剤の伸び率等の物性を考慮して求められる。
なお、前記SMCとは、例えば、不飽和ポリエステル樹脂及び/又はビニルエステル樹脂、重合性不飽和単量体、硬化剤、低収縮剤及び充填剤等を混合したものを、炭素繊維等の補強繊維に含浸させることによって得られるシート状成形体である。
また、前記樹脂材を成形するのと同時に、複合積層体1と接合一体化させることもできる。具体的には、前記樹脂材を、例えば、射出成形、プレス成形、フィラメントワインディング成形、ハンドレイアップ成形、トランスファー成形等の方法で成形する際に、複合積層体1の前記プライマー層側の面と前記樹脂材とを接合一体化させることにより、金属樹脂接合体を得ることができる。これらの成形の方法のうち、射出成形、プレス成形、フィラメントワインディング成形、ハンドレイアップ成形が好ましい。
(表面処理工程)
25mm×100mm、厚さ1.6mmのアルミニウム板(A6063)を、濃度5質量%の水酸化ナトリウム水溶液中に1.5分間浸漬した後、濃度5質量%の硝酸水溶液で中和し、水洗、乾燥を行うことにより、エッチング処理を行った。
次いで、前記エッチング処理後のアルミニウム板を、トリエタノールアミンを0.3質量%含有する水溶液中で3分間煮沸することによって、ベーマイト処理を行い、前記アルミニウム板の表面に表面処理部(表面凹凸を有するベーマイト皮膜)を形成した。
次に、3−メタクリロキシプロピルトリメトキシシラン(信越シリコーン株式会社製「KBM−503」;シランカップリング剤)2.48g(0.01モル)を工業用エタノール1000gに溶解させた80℃のシランカップリング剤含有溶液中に、前記ベーマイト処理後のアルミニウム板を3分間浸漬した。該アルミニウム板を取り出して乾燥させ、前記ベーマイト皮膜(表面処理部)の表面に、官能基付着層を形成した。
次に、一液型ウレタン樹脂(昭和電工株式会社製「UM−50P」)を、前記アルミニウム板の官能基付着層の表面に、乾燥後の厚さが15μmになるようにスプレー法にて塗布した後、空気中に常温で24時間放置することによって、溶剤の揮発と硬化を行い、1層目の樹脂コーティング層(熱硬化性樹脂層)を形成した。
さらに、前記熱硬化性樹脂層の表面に、エポキシ樹脂(三菱ケミカル株式会社製「jER(登録商標)1004」)100g、ビスフェノールA 12.6g、及びトリエチルアミン0.45gを、アセトン209g中に溶解してなる現場重合型フェノキシ樹脂組成物を、乾燥後の厚さが10μmになるようにスプレー法にて塗布した。空気中に常温で30分間放置することによって溶剤を揮発させた後、150℃の炉中に30分間放置して重付加反応を行い、常温まで放冷して、2層目の樹脂コーティング層(現場重合型フェノキシ樹脂層)を形成した。
前記官能基付着層の表面に、厚さ15μmの熱硬化性樹脂層、及び厚さ10μmの現場重合型フェノキシ樹脂層の2層からなる樹脂コーティング層が形成された複合積層体を作製した。
厚さ3mmのカーボン(炭素繊維)シートモールディングコンパウンド(カーボンSMC)(昭和電工株式会社製)のシート状成形体(接合対象)の表面に、実施例1−1で作製した複合積層体を、その樹脂コーティング層側の表面が当接するように重ね合わせた(重ね合わせ部13mm×25mm)。140℃で5分間加熱加圧することによって、JIS K6850(1999年)に規定される引張剪断接着試験用の試験片(接合体)Aを作製した。
また、前記複合積層体を常温の空気中で3ヶ月間保存した後、該3ヶ月経過後の複合積層体を用いて、上記と同様にして試験片(金属樹脂接合体)Bを作製した。
カーボンSMCのシート状成形体の表面に、実施例1において表面処理工程及び官能基付着層形成工程を行ったアルミニウム板(樹脂コーティング層なし)(比較例1−1)を用いて、その表面処理部の表面が当接するように重ね合わせ、それ以外は実施例1−2と同様にして、試験片(金属樹脂接合体)A及びBを作製した。
(表面処理工程及び官能基付着層形成工程)
実施例1−1と同様にして表面処理工程を行った後、3−メタクリロキシプロピルトリメトキシシランに代えて、3−アクリロキシプロピルトリメトキシシラン(信越シリコーン株式会社製「KBM−5103」;シランカップリング剤)2.34g(0.01モル)を用いた以外は、実施例1と同様にして、官能基付着層を形成することによって、ベーマイト皮膜(表面処理部)の表面に官能基付着層が形成されたアルミニウム板を得た。
次に、可視光硬化型ビニルエステル樹脂(昭和電工株式会社製「リポキシ(登録商標)LC−720」)を、前記アルミニウム板の官能基付着層の表面に、乾燥後の厚さが15μmになるようにスプレー法にて塗布した後、該アルミニウム板の表面から2cm離れた位置から、波長385nmのLED光を10分間照射することによって、前記官能基付着層3の表面に1層目の樹脂コーティング層(熱硬化性樹脂(光硬化タイプ)層)を形成した。
さらに、前記熱硬化性樹脂層の表面に、エポキシ樹脂(三菱ケミカル株式会社製「jER(登録商標)1004」)100g、ビスフェノールA 12.6g、及びトリエチルアミン0.45gを、アセトン209g中に溶解してなる現場重合型フェノキシ樹脂組成物を、乾燥後の厚さが10μmになるようにスプレー法にて塗布した。空気中に常温で30分間放置することによって溶剤を揮発させた後、150℃の炉中に30分間放置して重付加反応を行い、常温まで放冷して、2層目の樹脂コーティング層(現場重合型フェノキシ樹脂層)を形成した。
前記官能基付着層の表面に、厚さ15μmの熱硬化性樹脂層、及び厚さ10μmの現場重合型フェノキシ樹脂の2層からなる樹脂コーティング層が形成された複合積層体を作製した。
ビニルエステル樹脂(昭和電工株式会社製「リポキシ(登録商標)R−802」)100g、オクチル酸コバルト0.5g、及び有機過酸化物触媒(化薬アクゾ株式会社製「硬化剤328E」)1.5gを混合してなる樹脂組成物(常温硬化型ビニルエステル樹脂)を、ガラス繊維マット(#450ガラスマット3プライ)に含浸させた。その後、常温で硬化させ、次いで、120℃で2時間、ポストキュアを行うことによって、厚さ3mmのガラス繊維強化プラスチック(GFRP)からなる平板(接合対象)を作製した。
空気中に常温で24時間放置して硬化させることによって、JIS K6850(1999年)に規定される引張剪断接着試験用の試験片(金属樹脂接合体)Aを得た。
また、前記複合積層体を常温の空気中で3ヶ月間保存した後、該3ヶ月経過後の複合積層体を用いて、上記と同様にして試験片(金属樹脂接合体)Bを作製した。
実施例2において表面処理工程及び官能基付着層形成工程を行ったアルミニウム板(樹脂コーティング層なし)(比較例2−1)の表面処理部の表面に、前記常温硬化型接着剤を塗布し、それ以外は実施例2−2と同様にして、試験片(金属樹脂接合体)A及びBを作製した。
上記各実施例及び比較例で作製した試験片A及びBについて、JIS K6850(1999年)に準拠して、引張剪断接着強度試験を行い、接着強度を測定した。これらの測定結果を下記表1に示す。
これに対して、比較例1−1のアルミニウム板(樹脂コーティング層なし)を用いた場合(比較例1−2)は、実施例1−2に比べて、接着強度が低く、3ヶ月経過後のアルミニウム板では、接着強度がより低下した。
これに対して、比較例2−1のアルミニウム板(樹脂コーティング層なし)を用いた場合(比較例2−2)は、実施例2−2に比べて、接着強度が低く、3ヶ月経過後のアルミニウム板では、接着強度がより低下した。
(表面処理工程)
50mm×300mm、厚さ1.6mmのアルミニウム板(A6063)を用いて、実施例1と同様にして、表面処理工程を行った。
次に、3−アミノプロピルトリメトキシシラン(信越シリコーン株式会社製「KBM−903」;シランカップリング剤)2gを工業用エタノール1000gに溶解させた70℃のシランカップリング剤含有溶液中に、前記ベーマイト処理後のアルミニウム板を3分間浸漬した。該アルミニウム板を取り出して乾燥させ、前記ベーマイト皮膜(表面処理部)の表面に、官能基付着層を形成した。
次に、エポキシ樹脂(三菱ケミカル株式会社製「jER(登録商標)1001」)100g、ビスフェノールA 24g、及びトリエチルアミン0.4gを、アセトン250g中に溶解してなる現場重合型フェノキシ樹脂組成物を、前記アルミニウム板の官能基付着層の表面に、乾燥後の厚さが10μmになるようにスプレー法にて塗布した。空気中に常温で30分間放置することによって溶剤を揮発させた後、150℃の炉中に30分間放置して重付加反応を行い、常温まで放冷して、1層目の樹脂コーティング層(現場重合型フェノキシ樹脂層)を形成した。
さらに、前記現場重合型フェノキシ樹脂層の表面に、ビニルエステル樹脂(昭和電工株式会社製「リポキシ(登録商標)R−6540」;引張伸び率20%)100g、オクチル酸コバルト0.5g、及び有機過酸化物触媒(化薬アクゾ株式会社製「硬化剤328E」)1.5gを混合してなる熱硬化性樹脂組成物を、スプレー法で塗布して常温硬化させる操作を数回繰り返し行うことによって、厚さ2mmの2層目の樹脂コーティング層(熱硬化性樹脂(常温硬化タイプ)層)を形成した。
前記官能基付着層の表面に、厚さ10μmの現場重合型フェノキシ樹脂層、及び厚さ2mmの熱硬化性樹脂層の2層からなる樹脂コーティング層が形成された複合積層体を作製した。
ビニルエステル樹脂(昭和電工株式会社製「リポキシ(登録商標)R−6540」;引張伸び率20%)100g、有機過酸化物触媒(日本油脂株式会社製「パーブチル(登録商標)Z」)1.5gを混合してなる樹脂組成物を、炭素繊維シート(三菱ケミカルインフラテック株式会社製「リペラーク(登録商標)30」;1方向シート、目付量300g/m2、3プライ)に含浸させて、常温で硬化させ、厚さ3mmのCFRPからなる平板(接合対象)を作製した。
実施例3−1において表面処理工程及び官能基付着層形成工程を行ったアルミニウム板(樹脂コーティング層なし)(比較例3−1)の官能基付着層側の表面に、前記常温硬化型接着剤を塗布し、それ以外は実施例3−2と同様にして、金属樹脂接合体を作製した。
実施例3−1において、アルミニウム板に代えて、厚さ1mmの鉄板を用い、それ以外は実施例3−1と同様にして、複合積層体を作製した。
実施例4−1で作製した複合積層体を用いて、実施例3−2と同様にして、金属樹脂接合体を作製した。
実施例4−1において表面処理工程及び官能基付着層形成工程を行った鉄板(樹脂コーティング層なし)(比較例4−1)の官能基付着層側の表面に、前記常温硬化型接着剤を塗布し、それ以外は実施例4−2と同様にして、金属樹脂接合体を作製した。
上記各実施例及び比較例で得られた金属樹脂接合体を、100℃の乾燥炉中に2時間保管した後、加熱による変形の有無を観察した。これらの評価結果を下記表2に示す。
(表面処理工程)
18mm×45mm、厚さ1.5mmのアルミニウム板(A6063)を、濃度5質量%の水酸化ナトリウム水溶液中に1.5分間浸漬した後、濃度5質量%の硝酸水溶液で中和し、水洗、乾燥を行うことにより、エッチング処理を行った。
次いで、前記エッチング処理後のアルミニウム板を、純水中で10分間煮沸した後、250℃で10分間ベーキングすることによって、ベーマイト処理を行い、前記アルミニウム板の表面に表面処理部(表面凹凸を有するベーマイト皮膜)を形成した。
次に、3−アミノプロピルトリメトキシシラン(信越シリコーン株式会社製「KBM−903」;シランカップリング剤)2gを工業用エタノール1000gに溶解させた70℃のシランカップリング剤含有溶液中に、前記ベーマイト処理後のアルミニウム板を20分間浸漬した。該アルミニウム板を取り出して乾燥させ、前記ベーマイト皮膜(表面処理部)の表面に、官能基付着層を形成した。
次に、エポキシ樹脂(三菱ケミカル株式会社製「jER(登録商標)1001」)100g、ビスフェノールA 24g、及びトリエチルアミン0.4gを、アセトン250g中に溶解してなる現場重合型フェノキシ樹脂組成物を、前記アルミニウム板の官能基付着層の表面に、乾燥後の厚さが90μmになるようにスプレー法にて塗布した。空気中に常温で30分間放置することによって溶剤を揮発させた後、150℃の炉中に30分間放置して重付加反応を行い、常温まで放冷して、樹脂コーティング層(現場重合型フェノキシ樹脂層)を形成した。
前記官能基付着層の表面に、厚さ90μmの現場重合型フェノキシ樹脂層の樹脂コーティング層が形成された複合積層体を作製した。
実施例5−1で作製した複合積層体の樹脂コーティング層側の表面に、ポリカーボネート樹脂(PC樹脂)(SABIC社製「LEXAN(登録商標) 121R−111」)(接合対象)を、射出成形機(住友重機械工業株式会社製「SE100V」;シリンダー温度300℃、ツール温度110℃、インジェクションスピード10mm/sec、ピーク/ホールディング圧力100/80[MPa/MPa])にて射出成形することにより、ISO19095に準拠した引張試験用試験片(PC樹脂、10mm×45mm×3mm、接合部長さ5mm)(金属樹脂接合体)を作製した。
実施例5−1において表面処理工程及び官能基付与工程を行ったアルミニウム板(樹脂コーティング層なし)(比較例5−1)の官能基付着層側の表面に、実施例5−1と同様にして、PC樹脂の射出成形を試みたが、前記アルミニウム板に全く接着しなかった。
実施例5−1において表面処理工程及び官能基付着層形成工程を行ったアルミニウム板に、ビスフェノールA型エポキシ樹脂(三菱ケミカル株式会社製「jER(登録商標)828」)100g、ペンタエリスリトールテトラキス(3−メルカプトブチレート)(昭和電工株式会社製「カレンズMT(登録商標) PE1」;硬化剤)70g、及び2,4,6−トリス(ジメチルアミノメチル)フェノール10gを、アセトン344gに溶解してなる硬化性樹脂組成物を、乾燥後の厚さが5μmになるようにスプレー法にて塗布した後、空気中に常温で30分間放置することによって、溶剤の揮発と硬化を行い、1層目の樹脂コーティング層(熱硬化性樹脂層)を形成した。
さらに、前記熱硬化性樹脂層の表面に、実施例5−1と同様の方法で、現場硬化型フェノキシ樹脂層を厚さ80μmで形成し、2層目の樹脂コーティング層とした。
前記官能基付着層の表面に、厚さ5μmの熱硬化性樹脂層、及び厚さ80μmの現場重合型フェノキシ樹脂層の2層からなる樹脂コーティング層が形成された複合積層体を作製した。
実施例6−1で作製した複合積層体の樹脂コーティング層側の表面に、実施例5−2と同様にして、PC樹脂(接合対象)を射出成形することにより、引張試験用試験片(金属樹脂接合体)を作製した。
実施例6−1において表面処理工程及び官能基付与工程を行った後、1層目の樹脂コーティング層(熱硬化性樹脂層)を形成したアルミニウム板(現場重合型フェノキシ樹脂層なし)(比較例6−1)の樹脂コーティング層(熱硬化性樹脂層)側の表面に、実施例6−2と同様にして、PC樹脂(接合対象)の射出成形を試みたが、前記アルミニウム板に全く接着しなかった。
(表面処理工程)
18mm×45mm、厚さ1.5mmの鉄板を、アセトンで脱脂し、#100のサンドペーパーで研磨処理した。
次に、エポキシ樹脂(三菱ケミカル株式会社製「jER(登録商標)1004」)100g、ビスフェノールA 12.6g、及びトリエチルアミン0.45gを、アセトン209g中に溶解してなる現場重合型フェノキシ樹脂組成物を、前記研磨処理後の鉄板の表面に、乾燥後の厚さが70μmになるようにスプレー法にて塗布した。空気中に常温で30分間放置することによって溶剤を揮発させた後、150℃の炉中に30分間放置して重付加反応を行い、常温まで放冷し、厚さ70μmの現場重合型フェノキシ樹脂層の樹脂コーティング層が形成された複合積層体を得た。
実施例7−1で作製した複合積層体の表面に、ポリブチレンテレフタレート樹脂(PBT樹脂)(SABIC社製「VALOX(登録商標) 507」;ガラス繊維(GF)30質量%含有)(接合対象)を、射出成形機(住友重機械工業株式会社製「SE100V」;シリンダー温度245℃、ツール温度80℃、インジェクションスピード10mm/sec、ピーク/ホールディング圧力100/80[MPa/MPa])にて射出成形することにより、ISO19095に準拠した引張試験用試験片(PBT樹脂、10mm×45mm×3mm、接合部長さ5mm)(金属樹脂接合体)を作製した。
(表面処理工程)
18mm×45mm、厚さ1.5mmのステンレス鋼(SUS304)板を、アセトンで脱脂し、#100のサンドペーパーで研磨処理した。
次に、3−メタクリロキシプロピルトリメトキシシラン(信越シリコーン株式会社製「KBM−503」;シランカップリング剤)2gを工業用エタノール1000gに溶解させた70℃のシランカップリング剤含有溶液中に、前記研磨処理後のSUS304板を20分間浸漬した。該SUS304板を取り出して乾燥させ、前記SUS304板の表面に官能基付着層を形成した。
次に、ビニルエステル樹脂(昭和電工株式会社製「リポキシ(登録商標)R−802」)100gに、スチレン(ST)20g、メチルメタクリレート(MMA)20g、及び有機過酸化物触媒(化薬アクゾ株式会社製「パーブチル(登録商標)O」)1.4gを混合してなる硬化性樹脂組成物を、前記SUS304板の官能基付着層の表面に、乾燥後の厚さが5μmになるようにスプレー法にて塗布した後、空気中で100℃で30分間加熱して硬化させ、1層目の樹脂コーティング層(熱硬化性樹脂層)を形成した。
さらに、前記熱硬化性樹脂層の表面に、エポキシ樹脂(三菱ケミカル株式会社製「jER(登録商標)1001」)100g、ビスフェノールF 21g、及びトリエチルアミン0.4gを、アセトン225g中に溶解してなる現場重合型フェノキシ樹脂組成物を、乾燥後の厚さが80μmになるようにスプレー法にて塗布した。空気中に常温で30分間放置することによって溶剤を揮発させた後、150℃の炉中に30分間放置して重付加反応を行い、常温まで放冷して、樹脂コーティング層を形成した。
前記官能基付着層の表面に、厚さ5μmの熱硬化性樹脂層、及び厚さ80μmの現場重合型フェノキシ樹脂層の2層からなる樹脂コーティング層が形成された金属樹脂接合体を作製した。
実施例8−1で作製した複合積層体の樹脂コーティング層側の表面に、実施例7−2と同様にして、PBT樹脂(接合対象)を射出成形することにより、引張試験用試験片(金属樹脂接合体)を作製した。
(表面処理工程)
18mm×45mm、厚さ1.5mmのマグネシウム板を、アセトンで脱脂し、#100のサンドペーパーで研磨処理した。
次に、3−アミノプロピルトリメトキシシラン(信越シリコーン株式会社製「KBM−903」;シランカップリング剤)2gを工業用エタノール1000gに溶解させた70℃のシランカップリング剤含有溶液中に、前記研磨処理後のマグネシウム板を20分間浸漬した。該マグネシウム板を取り出して乾燥させ、前記マグネシウム板の表面に、官能基付着層を形成した。
エポキシ樹脂(三菱ケミカル株式会社製「jER(登録商標)1004」)100g、ビスフェノールA 12.6g、及びトリエチルアミン0.45gを、アセトン209g中に溶解してなる現場重合型フェノキシ樹脂組成物を、前記マグネシウム板の官能基付着層の表面に、乾燥後の厚さが100μmになるようにスプレー法にて塗布した。空気中に常温で30分間放置することによって溶剤を揮発させた後、150℃の炉中に30分間放置して重付加反応を行い、常温まで放冷して、樹脂コーティング層を形成した。
前記官能基付着層の表面に、厚さ100μmの現場重合型フェノキシ樹脂層の樹脂コーティング層が形成された複合積層体を作製した。
実施例9−1で作製した複合積層体の樹脂コーティング層側の表面に、ポリエーテルイミド樹脂(PEI樹脂)(SABIC社製「Ultem(登録商標)」)(接合対象)を、射出成形機(住友重機械工業株式会社製「SE100V」;シリンダー温度350℃、ツール温度150℃、インジェクションスピード50mm/sec、ピーク/ホールディング圧力160/140[MPa/MPa])にて射出成形することにより、ISO19095に準拠した引張試験用試験片(PEI樹脂、10mm×45mm×3mm、接合部長さ5mm)(金属樹脂接合体)を作製した。
上記各実施例及び比較例で作製した試験片(金属樹脂接合体)について、常温で1日間放置後、ISO19095 1−4に準拠して、引張試験機(株式会社島津製作所製万能試験機オートグラフ「AG−IS」;ロードセル10kN、引張速度10mm/min、温度23℃、50%RH)にて、引張剪断接着強度試験を行い、接着強度を測定した。これらの測定結果を下記表3に示す。
100mm×148mm、厚さ0.25mmのアルミニウム板(A6063)を、濃度5質量%の水酸化ナトリウム水溶液中に1.5分間浸漬した後、濃度5質量%の硝酸水溶液で中和し、水洗、乾燥を行うことにより、エッチング処理を行った。
次いで、前記エッチング処理後のアルミニウム板を、トリエタノールアミンを0.3質量%含有する水溶液中で3分間煮沸することによって、ベーマイト処理を行い、前記アルミニウム板の表面に表面処理部(表面凹凸を有するベーマイト皮膜)を形成した。
次に、N−2−(アミノエチル)−3−アミノプロピルトリメトキシシラン(信越シリコーン株式会社製「KBM−603」;シランカップリング剤)4gを工業用エタノール1000gに溶解させた70℃のシランカップリング剤含有水溶液中に、前記ベーマイト処理後のアルミニウム板を20分間浸漬した。該アルミニウム板を取り出して乾燥させ、前記ベーマイト皮膜(表面処理部)の表面に、官能基付着層を形成した。
次に、エポキシ樹脂(三菱ケミカル株式会社製「jER(登録商標)828」)100g、ビスフェノールA 61.6g、及びトリエチルアミン0.6gを、アセトン300g中に溶解してなる現場重合型フェノキシ樹脂組成物を、前記アルミニウム板の官能基付着層の表面に、乾燥後の厚さが3μmになるようにスプレー法にて塗布した。空気中に常温で30分間放置することによって溶剤を揮発させた後、150℃の炉中に30分間放置して重付加反応を行い、常温まで放冷して、樹脂コーティング層を形成した。
前記官能基付着層の表面に、厚さ3μmの現場重合型フェノキシ樹脂層の樹脂コーティング層が形成された複合積層体を作製した。
実施例10−1で作製した複合積層体の樹脂コーティング層側の表面に、二液型ウレタン系接着剤を乾燥後の厚さが2μmとなるように塗布し、この塗布面に、コロナ放電処理を施した厚さ80μmのポリプロピレン(PP)フィルム(接合対象)を重ね合わせ、ロールプレス(80℃×30kg/cm2、貼合スピード76.7m/min)にて圧着し、金属樹脂接合体を作製した。なお、前記二液型ウレタン系接着剤として、昭和電工株式会社製の「ビニロール(登録商標)OLY−5438−6」100g、「ビニロール(登録商標)OLX−7872」5.45g、及び「ビニロール(登録商標)ショクバイエキB」10gを混合してなる接着剤を用いた。
実施例10−1において表面処理工程及び官能基付与工程を行ったアルミニウム板(樹脂コーティング層なし)(比較例7−1)の官能基付着層側の表面に、前記二液型ウレタン系接着剤を塗布し、それ以外は実施例10−2と同様にして、PPフィルム(接合対象)を圧着し、金属樹脂接合体を作製した。
上記実施例及び比較例で作製した金属樹脂接合体を、空気中で40℃で1日間放置後、試験片(80mm×120mm)を切断して、JIS Z0237(2009年)に準じた方法により、180°剥離試験を行い、接着強度を測定した。これらの測定結果を下記表4に示す。
また、前記複合積層体は、例えば、ポリカーボネート成形体等の樹脂材と接合一体化されて、例えば、スマートフォン筐体、ノートパソコン筐体、タブレットパソコン筐体、スマートウォッチ筐体、大型液晶テレビ(LCD−TV)筐体、屋外LED照明筐体等として用いられるが、特にこれら例示の用途に限定されるものではない。
2 金属基材
2a 表面処理部
3 官能基付着層
4 樹脂コーティング層
14 樹脂コーティング層(プライマー層)側の表面
30A、30B 接合対象(樹脂材)
31 接着剤
Claims (13)
- 金属基材と、前記金属基材の表面上に積層された1層又は複数層の樹脂コーティング層とを有する複合積層体であって、
前記樹脂コーティング層は、前記金属基材の表面処理された面に積層され、
前記樹脂コーティング層の少なくとも1層が、現場重合型フェノキシ樹脂を含む樹脂組成物から形成されてなる、複合積層体。 - 前記樹脂コーティング層が複数層であり、その少なくとも1層が、熱硬化性樹脂を含む樹脂組成物から形成されてなり、
前記熱硬化性樹脂が、ウレタン樹脂、エポキシ樹脂、ビニルエステル樹脂及び不飽和ポリエステル樹脂からなる群より選ばれる少なくとも1種である、請求項1に記載の複合積層体。 - 前記金属基材の表面処理された面と前記樹脂コーティング層との間に官能基付着層を有し、前記官能基付着層は、前記金属基材と前記樹脂コーティング層に接して積層されており、
前記官能基付着層が、シランカップリング剤、イソシアネート化合物及びチオール化合物からなる群より選ばれる少なくとも1種から導入された官能基を有する、請求項1又は2に記載の複合積層体。 - 前記表面処理が、ブラスト処理、研磨処理、エッチング処理及び化成処理からなる群より選ばれる少なくとも1種である、請求項1〜3のいずれか1項に記載の複合積層体。
- 前記金属基材がアルミニウムからなる、請求項1〜4のいずれか1項に記載の複合積層体。
- 前記金属基材がアルミニウムからなり、前記表面処理が、エッチング処理及びベーマイト処理の少なくとも1種を含む、請求項4に記載の複合積層体。
- 前記金属基材が、鉄、チタン、マグネシウム、ステンレス鋼及び銅からなる群より選ばれる金属からなる、請求項1〜4のいずれか1項に記載の複合積層体。
- 前記樹脂コーティング層がプライマー層である、請求項1〜7のいずれか1項に記載の複合積層体。
- 請求項1〜8のいずれか1項に記載の複合積層体の製造方法であって、
前記金属基材の表面処理された面上で、前記現場重合型フェノキシ樹脂を含む樹脂組成物を重付加反応させることにより、前記樹脂コーティング層の少なくとも1層を形成する、複合積層体の製造方法。 - 前記表面処理は、ブラスト処理、研磨処理、エッチング処理及び化成処理からなる群より選ばれる少なくとも1種である、請求項9に記載の複合積層体の製造方法。
- 前記樹脂コーティング層を形成する前に、前記金属基材の表面処理された面に、シランカップリング剤、イソシアネート化合物及びチオール化合物からなる群より選ばれる少なくとも1種で処理することにより官能基付着層を形成する、請求項9又は10に記載の複合積層体の製造方法。
- 請求項8に記載の複合積層体のプライマー層側の面と、樹脂材とが接合一体化された、金属樹脂接合体。
- 請求項12に記載の金属樹脂接合体を製造する方法において、
射出成形、プレス成形、フィラメントワインディング成形、及びハンドレイアップ成形からなる群より選ばれる少なくとも1種の方法で前記樹脂材を成形する際に、前記複合積層体のプライマー層側の面と前記樹脂材とを接合一体化させる、金属樹脂接合体の製造方法。
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