JPWO2020149249A1 - 金属樹脂接合体及びその製造方法 - Google Patents

金属樹脂接合体及びその製造方法 Download PDF

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Abstract

十分な接合強度を長期間安定して維持することができる金属樹脂接合体及びその製造方法を提供する。
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を、樹脂材と接合一体化してなる金属樹脂接合体であって、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表面上に積層され、前記樹脂コーティング層の少なくとも1層は、前記金属基材の上で重合してなるリニアポリマー構造の直鎖状高分子を含む樹脂組成物からなり、前記複合積層体と前記樹脂材の接合強度が下記条件1を満足し、前記金属基材と前記樹脂コーティング層の付着力が下記条件2を満足する、金属樹脂接合体。
(条件1)前記複合積層体と前記樹脂材を接合一体化し、常温常湿下で24〜48時間保持した後、ISO19095の樹脂−金属接合特性評価試験法に準拠した引張せん断試験で評価した値が、10MPa以上。
(条件2)
前記複合積層体を作製して常温常湿下で24〜48時間保持した後、及び、前記複合積層体を作製して60℃の温水に24時間浸漬した後、JIS K5600_5_6のクロスカット法に準拠して評価した値が、共に0点。

Description

本発明は、金属基材を樹脂材と接合してなる金属樹脂接合体及びその製造方法に関する。
自動車部品やOA機器等の分野において、部品や製品の軽量化が求められている。これらの分野においては、部品や製品の軽量化の観点からアルミニウム等の金属材と樹脂材とを強固に接合一体化させた複合材が使用されることが多くなってきている。これら複合材の金属材としてアルミニウムが用いられる場合には、接合強度を十分に確保するために、アルミニウム材の表面処理が行われている。
従来、アルミニウム材の表面処理としては、ショットブラスト処理等の物理的な表面処理方法が一般的である。しかし、これらの物理的な表面処理方法は、生産性に劣っている上に、薄い形状や複雑な形状の物品には適さないことから、アルミニウム材に対する化学的な表面処理方法の検討が進んでいる。
例えば、アルミニウム材の表面に金属表面被膜を形成した後、エッチング溶液と接触させて材料表面に多孔質エッチング層を形成させる化学的な表面処理方法(特許文献1)が知られている。また、アルミニウム合金からなる基材の表面に設けられた下地処理皮膜の上に、極性基が導入された変性ポリプロピレン樹脂を含有する接着層を形成する方法(特許文献2)も知られている。また、アルミニウム材をリン酸又は水酸化ナトリウムの電解浴に浸漬して、直流電気分解により、表面に開口する孔の少なくとも85%が直径25〜90nmである孔を有する陽極酸化皮膜を形成し、この陽極酸化皮膜形成面に溶融合成樹脂を射出成形してアンカー効果により接合強度を向上させる方法(特許文献3)等が知られている。
また、アルミニウム材の表面をエッチング処理して形成された微細凹凸面に、金属酸化物又は金属リン酸化物の凹凸薄層を形成させる方法も提案されている(特許文献4)。
また、水溶性アルコキシシラン含有トリアジンジチオール金属塩を含有する溶液に金属材、セラミックス材等の固体を浸漬して、該固体表面に該水溶性アルコキシシラン含有トリアジンジチオール金属塩を付着させてなる表面反応性固体(金属材等)を用いることが提案されている(特許文献5)。
さらに、ポリプロピレン樹脂層が、金属基材に形成された親水性表面を介して該金属基材に接合され、熱可塑性樹脂成形体が、前記ポリプロピレン樹脂層との相溶化及びアンカー効果によって、該ポリプロピレン樹脂層と接合されてなる金属樹脂複合成形体が知られている(特許文献6参照)。
特開2012−41579号公報 特開2016−16584号公報 特許第4541153号公報 特開2010−131888号公報 特開2006−213677号公報 特開2017−1378号公報
上記特許文献1〜3に記載の表面処理アルミニウム材は、種々の材質(金属材料、有機材料等)の接合対象と良好に接合することができるものの、表面処理アルミニウム材を保管する等して時間が長く経過した後に接合対象と接合した場合には、表面状態の経時変化により、十分な接合強度が得られ難いという問題があった。例えば、表面処理アルミニウム材を成形メーカーに納品して、成形メーカーで接合対象との接合を行う場合には、検査、輸送、保管等のために時間が経過することも多く、このように時間が長く経過した後の表面処理アルミニウム材を接合対象と接合した場合には十分な接合強度が得られ難いという問題があった。
上記特許文献4に記載の技術では、金属酸化物又は金属リン酸化物の凹凸薄層を形成させる表面処理工程は、アルミニウム合金を強塩基性水溶液に浸漬する化学エッチング工程と、アルミニウム合金を酸性水溶液に浸漬する中和工程と、アルミニウム合金を水和ヒドラジン、アンモニア、及び水溶性アミン化合物から選択される1種以上を含む水溶液に浸漬する微細エッチング工程と、を含む方法(特許文献4の請求項8参照)を採用するため、使用後の水和ヒドラジン、アンモニア、水溶性アミン化合物の廃液処理を要するという問題があった。
上記特許文献5に記載の技術では、固体表面に水溶性アルコキシシラン含有トリアジンジチオール金属塩を付着させて、異種素材の接合対象と良好に接合することができるが、
前記水溶性アルコキシシラン含有トリアジンジチオール金属塩が付着した表面反応性固体(金属材等)は、輸送、保管等により時間が長く経過した後に接合対象と接合した場合には、十分な接合強度が得られ難いという問題があった。
上記特許文献6に記載の技術では、熱可塑性樹脂を溶融しても粘度が高く、金属基材の表面の微細な孔(凹凸)に熱可塑性樹脂が十分に入り込めず、十分な接合強度が得られ難かった。
本発明は、かかる技術的背景に鑑みてなされたものであって、十分な接合強度を長期間安定して維持することができる金属樹脂接合体及びその製造方法を提供することを目的とする。
前記目的を達成するために、本発明は以下の手段を提供する。
[1] 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を、樹脂材と接合一体化してなる金属樹脂接合体であって、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表面上に積層され、前記複合積層体と前記樹脂材の接合強度が下記条件1を満足し、前記金属基材と前記樹脂コーティング層の付着力が下記条件2を満足する、金属樹脂接合体。
(条件1)
前記複合積層体と前記樹脂材を接合一体化し、常温常湿下で24〜48時間保持した後、ISO19095の樹脂−金属接合特性評価試験法に準拠した引張せん断試験で評価した値が、10MPa以上。
(条件2)
前記複合積層体を作製して常温常湿下で24〜48時間保持した後、及び、前記複合積層体を作製して60℃の温水に24時間浸漬した後、JIS K5600_5_6のクロスカット法に準拠して評価した値が、共に0点。
[2] 前記リニアポリマー構造の直鎖状高分子を含む樹脂組成物が、前記直鎖状高分子を生成する重付加反応性化合物の組み合わせである下記(1)、(2)の少なくとも何れかの組み合わせを構成成分とする樹脂組成物であるか、不飽和基を有する単官能モノマーのラジカル単独重合体又はラジカル共重合体である直鎖状高分子を含む樹脂組成物からなる、[1]に記載の金属樹脂接合体。
請求項1に記載の金属樹脂接合体。
(1)2官能グリコール化合物と2官能アミノ化合物と2官能チオール化合物からなる群から選択される少なくとも何れかの化合物と、2官能イソシアネート化合物
(2)2官能カルボキシ化合物と2官能チオール化合物からなる群から選択される少なくとも何れかと、2官能エポキシ化合物
[3] 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、熱硬化性樹脂の硬化物からなり、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、[1]又は[2]に記載の金属樹脂接合体。
[4] 前記金属基材の表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、[1]〜[3]のいずれかに記載の金属樹脂接合体。
[5] 前記表面処理が、ブラスト処理、研磨処理、エッチング処理、化成処理、プラズマ処理、コロナ放電処理及びUVオゾン処理からなる群より選ばれる少なくとも1種である、[1]〜[4]のいずれかに記載の金属樹脂接合体。
[6] 前記金属基材がアルミニウムからなる、[1]〜[5]のいずれかに記載の金属樹脂接合体。
[7] 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、[6]に記載の金属樹脂接合体。
[8] 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、[1]〜[5]のいずれかに記載の金属樹脂接合体。
[9] 前記樹脂コーティング層がプライマー層であり、前記複合積層体の前記プライマー層側の面と、前記樹脂材を接合一体化してなる、[1]〜[8]のいずれかに記載の金属樹脂接合体。
[10] [2]〜[9]のいずれかに記載の金属樹脂接合体の製造方法であって、前記樹脂コーティング層の少なくとも1層を、金属基材の表面処理された表面上で、直鎖状高分子を生成する重付加反応性化合物の組み合わせを重付加反応させることにより形成するか、不飽和基を有する単官能モノマーであるラジカル重合性化合物を単独重合又は共重合させることにより形成し、前記重付加反応性化合物の組み合わせが、下記(1)、(2)の少なくとも何れかである、金属樹脂接合体の製造方法。
(1)2官能グリコール化合物と2官能アミノ化合物と2官能チオール化合物からなる群から選択される少なくとも何れかの化合物と、2官能イソシアネート化合物
(2)2官能カルボキシ化合物と2官能チオール化合物からなる群から選択される少なくとも何れかと、2官能エポキシ化合物
[11] 前記樹脂コーティング層を形成する前に、前記金属基材に、ブラスト処理、研磨処理、エッチング処理、化成処理、プラズマ処理、コロナ放電処理及びUVオゾン処理からなる群より選ばれる少なくとも1種の表面処理を施す、[10]の金属樹脂接合体の製造方法。
[12] 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表面に、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、[10]又は[11]に記載の金属樹脂接合体の製造方法。
[13] 前記樹脂材を、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種の方法で成形して、前記樹脂材を前記複合積層体の前記プライマー層側の面と接合一体化させる、[10]〜[12]のいずれかに記載の金属樹脂接合体の製造方法。
[14] 前記樹脂材を、超音波溶着法、振動溶着法、電磁誘導法、高周波法、レーザー法、熱プレス法、及び射出溶着法からなる群より選ばれる少なくとも1種の溶着方法で、前記プライマー層に溶着する、[10]〜[12]のいずれかに記載の金属樹脂接合体の製造方法。
本発明によれば、十分な接合強度を長期間安定して維持することができる金属樹脂接合体及びその製造方法を提供することができる。
本発明の金属樹脂接合体を構成する複合積層体の一形態を模式的に示す断面図である。 本発明の金属樹脂接合体の一実施形態を模式的に示す断面図である。 本発明の金属樹脂接合体の他の実施形態を模式的に示す断面図である。
本発明の金属樹脂接合体及びその製造方法について詳述する。
本発明の金属樹脂接合体は、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を、樹脂材と接合一体化してなる金属樹脂接合体であって、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表面上に積層され、前記複合積層体と前記樹脂材の接合強度が下記条件1を満足し、前記金属基材と前記樹脂コーティング層の付着力が下記条件2を満足する。
(条件1)
前記複合積層体と前記樹脂材を接合一体化し、常温常湿下で24〜48時間保持した後、ISO19095の樹脂−金属接合特性評価試験法に準拠した引張せん断試験で評価した値が、10MPa以上。
(条件2)
前記複合積層体を作製して常温常湿下で24〜48時間保持した後、及び、前記複合積層体を作製して60℃の温水に24時間浸漬した後、JIS K5600_5_6のクロスカット法に準拠して評価した値が、共に0点。
本明細書において常温常湿とは「温度5〜35℃、相対湿度45〜85%」を意味し、常温常湿下での保持は、具体的には、温度10〜35℃、相対湿度45〜80%の大気雰囲気下での保持であることが好ましく、温度20〜35℃、相対湿度45〜70%の大気雰囲気下での保持であることがより好ましい。
本発明の金属樹脂接合体は、上記条件を満足することにより、十分な接合強度を、長期間安定して維持することができる。
なお、前記条件1および条件2の評価は、実際に使用される部材(自動車部品等)ではなく、同一種の金属基材、同一種の樹脂材を用いて本発明の方法により作製した試験片により行うものとする。
[複合積層体]
図1に、本発明の金属樹脂接合体を構成する複合積層体の一形態を模式的に示す。図1に示す複合積層体1は、金属基材2の表面に形成された表面処理部2aの表面に官能基付着層3が設けられ、さらに、該官能基付着層3の表面に樹脂コーティング層4が形成された構造を備えている。なお、金属基材2と樹脂コーティング層4との間には、必ずしも、官能基付着層3が形成されていなくてもよい。すなわち、金属基材2表面上の樹脂コーティング層4は、表面処理部2aに直接積層されていてもよい。
<金属基材>
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。
金属基材2の金属種としては、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。
<表面処理部>
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。
前記表面処理部の形成方法としては、例えば、溶剤等による洗浄(以下、溶剤洗浄)、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、プラズマ処理、コロナ放電処理、UVオゾン処理等が挙げられ、金属基材表面に水酸基を発生させる表面処理が好ましい。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。
これらの表面処理は、金属基材表面の汚染物を除去したり、アンカー効果を目的として金属基材2表面に微細な凹凸を形成して、粗面化させるものである。これにより金属基材2の表面と、樹脂コーティング層4との付着性を向上させるアンカー効果を発揮させることができ、また、種々の材質(金属材料、有機材料等)の接合対象との接合性の向上にも寄与し得る。
したがって、複合積層体1を製造する際、樹脂コーティング層4を形成する前に、金属基材2の表面処理が施される。
なお、上記のような方法で表面処理された金属基材2の表面の性状は、表面処理された面上に樹脂コーティング層等が形成されることにより、表面処理直後とは変化している場合もある。このため、表面処理された材料層の表面の性状を特定して表現することは、不可能又は非実際的であると考える。よって、本発明においては、表面処理された材料層の表面について、表面処理の方法によって特定することとしている。
金属基材2がアルミニウムである場合の表面処理は、特に、エッチング処理及び/又はベーマイト処理を含むことが好ましい。
なお、前記表面処理を効果的に行うために、表面処理前の金属基材の表面を予め、アセトン等の有機溶剤を用いて脱脂しておくことも好ましい。
前記表面処理の各種処理は、公知の方法で行うことができる。具体的な処理方法としては、例えば、以下に示す方法により行うことができる。
〔溶剤洗浄、脱脂処理〕
前記溶剤洗浄、脱脂処理としては、金属基材表面を、アセトン、トルエン、等の有機溶剤を用いて脱脂する等、が挙げられる。溶剤洗浄、脱脂処理は、他の表面処理の前に行うことが好ましい。
〔ブラスト処理〕
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。
〔研磨処理〕
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。
〔エッチング処理〕
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。
〔化成処理〕
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。
ベーマイト処理では、アルミニウム基材を熱水処理することにより、該基材表面にベーマイト皮膜が形成される。反応促進剤として、アンモニアやトリエタノールアミン等を水に添加してもよい。例えば、アルミニウム基材を、濃度0.1〜5.0質量%でトリエタノールアミンを含む90〜100℃の熱水中に3秒〜5分間浸漬して行うことが好ましい。
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。
〔プラズマ処理〕
前記プラズマ処理とは、高圧電源とロッドでプラズマビームを作り素材表面にぶつけて分子を励起させて官能状態とするもので、素材表面に水酸基や極性基を付与できる大気圧プラズマ処理方法等が挙げられる。
〔コロナ放電処理〕
前記コロナ放電処理とは、高分子フィルムの表面改質に施される方法が挙げられ、電極から放出された電子が高分子表面層の高分子主鎖や側鎖を切断し発生したラジカルを起点に表面に水酸基や極性基を発生させる方法である。
〔UVオゾン処理〕
前記UVオゾン処理とは、低圧水銀ランプから発光する短波長の紫外線の持つエネルギーとそれにより発生するオゾン(O)の力で、表面を洗浄したり改質する方法である。ガラスの場合、表面の有機系不純物の除去を行う表面洗浄法の一つとなる。一般に、低圧水銀ランプを用いた洗浄表面改質装置は、「UVオゾンクリーナー」、「UV洗浄装置」、「紫外線表面改質装置」などと呼ばれている。
<官能基付着層>
金属基材2の表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との付着性を向上させる効果が得られ、また、接合対象との接合性の向上にも寄与し得る。
したがって、複合積層体1を製造する際、樹脂コーティング層4を形成する前に、金属基材2の表面処理された表面に、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3を形成することが好ましい。
なお、金属基材2は、表面処理部2aが形成されていることにより、該表面処理部2aの微細な凹凸によるアンカー効果と、官能基付着層3の前記官能基が反応して形成する化学結合との相乗効果によって、金属基材2の表面と、樹脂コーティング層4との付着性、及び、接合対象との接合性を向上させることができる。
前記シランカップリング剤、前記イソシアネート化合物又は前記チオール化合物により、官能基付着層3を形成する(以下、官能基を付与する、ともいう)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。具体的には、金属基材を、濃度5〜50質量%のシランカップリング剤等の溶液中に常温〜100℃で1分〜5日間浸漬した後、常温〜100℃で1分〜5時間乾燥させる等の方法により行うことができる。
〔シランカップリング剤〕
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。
前記シランカップリング剤としては、特に限定されるものではないが、例えば、ビニルトリメトキシシラン、ビニルトリエトキシシラン、2−(3,4−エポキシシクロヘキシル)エチルトリメトキシシラン、3−グリシドキシプロピルメチルジメトキシシラン、3−グリシドキシプロピルメチルトリメトキシシラン、3−グリシドキシプロピルメチルジエトキシシラン、3−グリシドキシプロピルメチルジエトキシシラン、3−グリシドキシプロピルトリエトキシシラン、p−スチリルトリメトキシシラン、3−メタクリロキシプロピルメチルジメトキシシラン、3−メタクリロキシプロピルトリメトキシシラン、3−メタクリロキシプロピルメチルジエトキシシラン、3−メタクリロキシプロピルトリエトキシシラン、3−アクリロキシプロピルトリメトキシシラン、N−2−(アミノエチル)−3−アミノプロピルメチルジメトキシシラン、N−2−(アミノエチル)−3−アミノプロピルメチルジメトキシシラン、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、3−アミノプロピルトリメトキシシラン、3−アミノプロピルトリエトキシシラン、3−トリエトキシシリル−N−(1,3−ジメチル−ブチリデン)プロピルアミン、N−フェニル−3−アミノプロピルトリメトキシシラン、N−(ビニルベンジル)−2−アミノプロピルトリメトキシシランの塩酸塩、トリス−(トリメトキシシリルプロピル)イソシアヌレート、3−ウレイドプロピルトリアルコキシシラン、3−メルカプトプロピルメチルジメトキシシラン、3−イソシアネートプロピルトリエトキシシラン、ジチオールトリアジンプルピルトリエトキシシラン等が挙げられる。これらは、1種単独で用いても、2種以上を併用してもよい。
〔イソシアネート化合物〕
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。
前記イソシアネート化合物としては、特に限定されるものではないが、例えば、多官能イソシアネートであるジフェニルメタンジイソシアネート(MDI)、ヘキサメチレンジイソシアネート(HDI)、トリレンジイソシアネート(TDI)、イソホロンジイソシアネート(IPDI)等の他、ラジカル反応性基を有するイソシアネート化合物である2−イソシアネートエチルメタクリレート(例えば、昭和電工株式会社製「カレンズMOI(登録商標)」)、2−イソシアネートエチルアクリレート(例えば、昭和電工株式会社製「カレンズAOI(登録商標)」、同「AOI−VM(登録商標)」)、1,1−(ビスアクリロイルオキシエチル)エチルイソシアネート(例えば、昭和電工株式会社製「カレンズBEI(登録商標)」)等が挙げられる。
〔チオール化合物〕
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。
前記チオール化合物としては、特に限定されるものではないが、例えば、ペンタエリスリトールテトラキス(3−メルカプトプロピオネート)(例えば、三菱化学株式会社製「QX40」、東レ・ファインケミカル株式会社製「QE−340M」)、エーテル系一級チオール(例えば、コグニス(Cognis)社製「カップキュア3−800」)、1,4−ビス(3−メルカプトブチリルオキシ)ブタン(例えば、昭和電工株式会社製「カレンズMT(登録商標) BD1」)、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」)、1,3,5−トリス(3−メルカプトブチルオキシエチル)−1,3,5−トリアジン−2,4,6(1H,3H,5H)−トリオン(例えば、昭和電工株式会社製「カレンズMT(登録商標) NR1」)等が挙げられる。
<樹脂コーティング層>
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、優れた付着性で形成され、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(有機材料、複合材料等)の接合対象、特に、樹脂材との優れた接合性が付与され得る。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、優れた付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。
上記のように、複合積層体1は、樹脂コーティング層4によって、金属基材2に、種々の材質(有機材料、複合材料等)の接合対象に対する優れた接合性が付与され得ることから、樹脂コーティング層4は、複合積層体1のプライマー層であるといえる。
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合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の一実施形態>
一実施形態では、前記樹脂コーティング層の少なくとも1層が、直鎖状高分子を生成する重付加反応性化合物の組み合わせを構成成分とする重付加直鎖状高分子を含む樹脂組成物からなり、前記重付加反応性化合物の組み合わせが、下記(1)、(2)の少なくとも何れかである。
(1)2官能グリコール化合物と2官能アミノ化合物と2官能チオール化合物からなる群から選択される少なくとも何れかの化合物と、2官能イソシアネート化合物
(2)2官能カルボキシ化合物と2官能チオール化合物からなる群から選択される少なくとも何れかの化合物と、2官能エポキシ化合物
前記組み合わせは、下記(3)、(4)の少なくとも何れかのように、3種以上の組み合わせとすることもできる。
(3)2官能グリコール化合物と2官能アミノ化合物と2官能チオール化合物からなる群から選択される少なくとも2つの化合物と、2官能イソシアネート化合物
(4)2官能カルボキシ化合物および2官能チオール化合物と、2官能エポキシ化合物
本明細書において、樹脂組成物とは、重付加反応性組成物やラジカル重合性組成物を重合してできた高分子、添加剤等の混合物を意味する。
上記(1)、(2)の少なくとも何れかの組み合わせでの重付加反応により、熱可塑構造、すなわち、リニアポリマー構造を形成する直鎖状高分子が得られる。ここで、リニアポリマーとは、ポリマー分子中に架橋構造を含まず、1次元の直鎖状であるポリマーを意味する。すなわち、上記(1)、(2)の少なくとも何れかの組み合わせでの重付加反応により、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からなる樹脂コーティング層4を形成することができる。上記重付加反応により得られた樹脂組成物は、このような特徴を有していることにより、金属基材2との付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を接合対象との接合性に優れたものとすることができる。
したがって、複合積層体1を製造する際、金属基材2の表面処理された表面上で、上記(1)、(2)の少なくとも何れかの組み合わせで重付加反応させることにより、樹脂コーティング層4の少なくとも1層を形成することが好ましい。
前記重付加反応は、官能基付着層の表面上で行うことが好ましい。このような態様で形成された樹脂コーティング層4は、金属基材2との付着性に優れ、かつ、接合対象との接合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。
なお、上記(1)、(2)の少なくとも何れかの組み合わせでの重付加反応の仕方は、組み合わせる官能基により重付加反応が進む条件や分子量分布等が異なり、かつ、その組み合わせに基づく具体的態様を包括的に表現することもできない。よって、上記(1)、(2)の少なくとも何れかの組み合わせでの重付加反応で形成される樹脂コーティング層を構造又は特性により直接特定することは不可能又は非実際的といえる。
なお、前記重付加反応性化合物の組み合わせを構成成分として含む重付加反応性組成物は、前記重付加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、必要に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、前記重付加反応性化合物が主成分であることが好ましい。前記主成分とは、前記組み合わせを構成する各重付加反応性化合物を合計してなる重付加反応性化合物の含有率が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。
本明細書において、重付加反応性組成物とは、重付加反応性化合物の組み合わせと、触媒、溶媒、等の混合物を意味する。
前記2官能グリコール化合物は、ヒドロキシ基を2個有する化合物であり、例えば、エチレングリコール、プロピレングリコール、ジエチレングリコール、1,6ヘキサンジオール等の脂肪族グリコールが挙げられる。なかでもプライマーの強靭性の観点から、プロピレングリコール、ジエチレングリコール等が好ましい。
前記2官能アミノ化合物は、アミノ基を2個有する化合物であり、例えば2官能の脂肪族ジアミン、芳香族ジアミンが挙げられる。脂肪族ジアミンとしては、エチレンジアミン、1,2−プロパンジアミン、1,3−プロパンジアミン、1,4−ジアミノブタン、1,6−ヘキサメチレンジアミン、2,5−ジメチル−2,5−ヘキサンジアミン、2,2,4−トリメチルヘキサメチレンジアミン、イソホロンジアミン、ビス(4−アミノ−3−メチルシクロヘキシル)メタン、1,3−ジアミノシクロヘキサン、N−(2−アミノエチル)ピペラジンなどが挙げられ、芳香族ジアミンとしては、ジアミノジフェニルメタン、ジアミノジフェニルプロパン等が挙げられる。なかでもプライマーの強靭性の観点から、1,3−プロパンジアミン、1,4−ジアミノブタン、1,6−ヘキサメチレンジアミン等が好ましい。
前記2官能チオール化合物は、分子内にメルカプト基を2つ有する化合物であり、例えば2官能2級チオール化合物の1,4−ビス(3−メルカプトブチリルオキシ)ブタン(例えば、昭和電工株式会社製「カレンズMT(登録商標) BD1」)が挙げられる。
前記2官能イソシアネート化合物は、イソシアナト基を2個有する化合物であり、例えばヘキサメチレンジイソシアネート、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、2,4−または2,6−トリレンジイソシアネート(TDI)またはその混合物、p−フェニレンジイソシアネート、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)等のジイソシアネート化合物が挙げられる。なかでもプライマーの強度の観点から、TDIやMDI等が好ましい。
前記2官能カルボキシ化合物としては、カルボキシ基を2つ有する化合物であればよく、例えばシュウ酸、マロン酸、コハク酸、グルタル酸、アジピン酸、マレイン酸、フマル酸、イソフタル酸、テレフタル酸などが挙げられる。なかでもプライマーの強度や強靭性観点から、イソフタル酸、テレフタル酸、アジピン酸等が好ましい。
前記2官能エポキシ化合物は、1分子中に2個のエポキシ基を有する化合物である。例えば、ビスフェノールA型エポキシ樹脂、ビスフェノールF型エポキシ樹脂、ビスフェノールS型エポキシ樹脂、ビフェノール型エポキシ樹脂、ナフタレン型2官能エポキシ樹脂等の芳香族エポキシ樹脂や1,6−ヘキサンジオールジグリシジルエーテル等脂肪族エポキシ化合物が挙げられる。
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。その他2官能であれば特殊な構造のエポキシ化合物でも使用可能である。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。
前記2官能イソシアネート化合物と2官能グリコール化合物の組み合せ(ポリウレタン)の配合比は、−OH/−NCO当量比で0.7〜1.5の範囲が好適である。
二液型としての触媒硬化型で使用するウレタン化触媒としては、特に限定されるものではないが、例えば、アミン系触媒、有機錫系触媒等が挙げられる。前記アミン系触媒としては、特に限定されるものではないが、例えば、トリエチレンジアミン、テトラメチルグアニジン、N,N,N’,N’−テトラメチルヘキサン−1,6−ジアミン、ジメチルエーテルアミン、N,N,N’,N’’,N’’−ペンタメチルジプロピレン−トリアミン、N−メチルモルフォリン、ビス(2−ジメチルアミノエチル)エーテル、ジメチルアミノエトキシエタノール、トリエチルアミン等が挙げられる。前記有機錫系触媒としては、特に限定されるものではないが、例えば、ジブチルチンジアセテート、ジブチルチンジラウレート、ジブチルチンチオカルボキシレート、ジブチルチンジマレエート等が挙げられる。一般には2官能グリコール成分100質量部に対しウレタン化触媒を0.01〜10重量部配合するのが好ましい。
前記2官能イソシアネート化合物と2官能アミノ化合物の組み合せ(ポリウレア)の配合比は、−NH/−NCO当量比で0.7〜1.5の範囲が好適である。反応触媒は特に必要としない。
前記2官能イソシアネート化合物と2官能チオール化合物の組み合せの配合比は、−SH/−NCO当量比で0.7〜1.5の範囲が好適である。
反応触媒には3級アミンやリン系化合物が使用できる。トリエチルアミン、2,4,6−トリス(ジメチルアミノメチル)フェノール、トリフェニルホスフィン等が挙げられる。上記ウレタン化触媒を使用してもよい。
前記2官能エポキシ化合物と2官能カルボキシ化合物の組み合せの配合比は、−COOH/エポキシ当量比で0.7〜1.5の範囲が好適である。
反応触媒には3級アミンやリン系化合物が使用できる。トリエチルアミン、2,4,6−トリス(ジメチルアミノメチル)フェノール、トリフェニルホスフィン等が挙げられる。上記ウレタン化触媒を使用してもよい。
前記2官能エポキシ化合物と2官能チオール化合物の組み合せの配合比は、−SH/エポキシ当量比で0.7〜1.5の範囲が好適である。
反応触媒には3級アミンやリン系化合物が使用できる。トリエチルアミン、2,4,6−トリス(ジメチルアミノメチル)フェノール、トリフェニルホスフィン等が挙げられる。上記ウレタン化触媒を使用してもよい。
前記重付加反応は、反応化合物等の種類にもよるが、常温〜200℃で、5〜120分間加熱して行うことが好ましい。具体的には、前記重付加反応性組成物を金属基材上に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、前記重付加反応性化合物からなる熱可塑性樹脂層を形成することができる。
<樹脂コーティング層の別の実施形態>
別の実施形態では、樹脂コーティング層4の少なくとも1層が、不飽和基を有する単官能モノマーのラジカル単独重合体又はラジカル共重合体である直鎖状高分子を含む樹脂組成物から形成されてなる。
前記単官能モノマーのラジカル(共)重合反応により、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からなる樹脂コーティング層4を形成することができる。前記不飽和基を有する単官能モノマーのラジカル単独重合又はラジカル共重合により直鎖状高分子を生成するラジカル重合性化合物を含むラジカル重合性組成物は、このような特徴を有していることにより、金属基材2との付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を接合対象との接合性に優れたものとすることができる。
したがって、複合積層体1を製造する際、金属基材2の表面処理された表面上で、上記ラジカル重合性化合物をラジカル重合反応させることにより、樹脂コーティング層4の少なくとも1層を形成することが好ましい。
前記ラジカル重合反応は、官能基付着層の表面上で行うことが好ましい。このような態様で形成された樹脂コーティング層4は、金属基材2との付着性に優れ、かつ、接合対象との接合性に優れたものである。
前記ラジカル重合性組成物を金属基材2の表面に塗布する方法は、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。
本明細書において、ラジカル重合性組成物とは、不飽和基を有する単官能モノマー、触媒、溶媒、等の混合物を意味する。
なお、単官能モノマーのラジカル反応は重合開始剤の種類や反応条件により、多岐にわたり、かつ、その組み合わせに基づく具体的態様を包括的に表現することもできない。よって、単官能モノマーのラジカル反応で形成される樹脂コーティング層を構造又は特性により直接特定することは不可能又は非実際的といえる。
前記ラジカル重合性組成物は、前記ラジカル重合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、前記ラジカル重合性組成物の溶剤以外の含有成分中、前記ラジカル重合性化合物が主成分であることが好ましい。前記主成分とは、前記ラジカル重合性化合物の含有率が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。
前記不飽和基を有する単官能モノマーは、エチレン性不飽和結合を1個有するモノマーである。例えば、スチレンモノマー、スチレンのα−,o−,m−,p−アルキル,ニトロ,シアノ,アミド,エステル誘導体、クロルスチレン、ビニルトルエン、ジビニルベンゼンなどのスチレン系モノマー;(メタ)アクリル酸エチル、(メタ)アクリル酸メチル、(メタ)アクリル酸−n−プロピル、(メタ)アクリル酸−i−プロピル、(メタ)アクリル酸ヘキシル、(メタ)アクリル酸2−エチルヘキシル、(メタ)アクリル酸ラウリル、(メタ)アクリル酸ドデシル、(メタ)アクリル酸シクロペンチル、(メタ)アクリル酸シクロヘキシル、(メタ)アクリル酸テトラヒドロフリル、アセトアセトキシエチル(メタ)アクリレート、ジシクロペンテニルオキシエチル(メタ)アクリレートおよびフェノキシエチル(メタ)アクリレートなどの(メタ)アクリル酸エステル類が挙げられる。なかでもプライマーの強度や強靭性の観点から、スチレン、(メタ)アクリル酸メチル、(メタ)アクリル酸2−エチルヘキシル、フェノキシエチル(メタ)アクリレート等の組み合わせが好ましい。
前記ラジカル重合性化合物のラジカル重合反応のための重合開始剤としては、例えば、公知の有機過酸化物や光開始剤等が好適に用いられる。有機過酸化物にコバルト金属塩やアミン類とを組み合わせた常温ラジカル重合開始剤を使用してもよい。有機過酸化物としては、ケトンパーオキサイド、パーオキシケタール、ハイドロパーオキサイド、ジアリルパーオキサイド、ジアシルパーオキサイド、パーオキシエステル、パーオキシジカーボネートに分類されるものが挙げられる。光開始剤としては、紫外線から可視線で重合開始できるものを使用することが望ましい。
前記ラジカル重合反応は、反応化合物等の種類にもよるが、常温〜200℃で、5〜90分間加熱して行うことが好ましい。また光硬化の場合は紫外線や可視光を照射して重合反応を行う。具体的には、前記樹脂組成物をコーティングした後、加熱してラジカル重合反応を行うことにより、前記ラジカル重合性化合物からなる熱可塑性樹脂層を形成することができる。
(熱硬化性樹脂)
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の硬化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。
熱硬化性樹脂層が複数層からなる場合、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、熱可塑性を有するリニアポリマー構造の樹脂コーティング層と、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、及び熱可塑性を有するリニアポリマー構造の樹脂コーティング層の積層順序は、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合性を得る観点から、熱可塑性を有するリニアポリマー構造の樹脂コーティング層が、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。
前記熱硬化性樹脂を含む樹脂組成物により、樹脂コーティング層4のうちの少なくとも1層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。
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。
なお、本発明で言う熱硬化性樹脂は、広く、架橋硬化する樹脂を意味し、加熱硬化タイプに限られず、常温硬化タイプや光硬化タイプも包含するものとする。前記光硬化タイプは、可視光や紫外線の照射によって短時間での硬化も可能である。前記光硬化タイプを、加熱硬化タイプ及び/又は常温硬化タイプと併用してもよい。前記光硬化タイプとしては、例えば、昭和電工株式会社製「リポキシ(登録商標)LC−760」、同「リポキシ(登録商標)LC−720」等のビニルエステル樹脂が挙げられる。
〔ウレタン樹脂〕
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。
一液型ウレタン樹脂としては、例えば、油変性型(不飽和脂肪酸基の酸化重合により硬化するもの)、湿気硬化型(イソシアナト基と空気中の水との反応により硬化するもの)、ブロック型(ブロック剤が加熱により解離し再生したイソシアナト基と水酸基が反応して硬化するもの)、ラッカー型(溶剤が揮発して乾燥することにより硬化するもの)等が挙げられる。これらの中でも、取り扱い容易性等の観点から、湿気硬化型一液ウレタン樹脂が好適に用いられる。具体的には、昭和電工株式会社製「UM−50P」等が挙げられる。
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。
前記ポリオール硬化型におけるポリオール化合物としては、例えば、ポリエステルポリオール、ポリエーテルポリオール、フェノール樹脂等が挙げられる。
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。
前記二液型ウレタン樹脂において使用されるウレタン化触媒としては、例えば、トリエチレンジアミン、テトラメチルグアニジン、N,N,N’,N’−テトラメチルヘキサン−1,6−ジアミン、ジメチルエーテルアミン、N,N,N’,N’’,N’’−ペンタメチルジプロピレン−トリアミン、N−メチルモルフォリン、ビス(2−ジメチルアミノエチル)エーテル、ジメチルアミノエトキシエタノール、トリエチルアミン等のアミン系触媒;ジブチルチンジアセテート、ジブチルチンジラウレート、ジブチルチンチオカルボキシレート、ジブチルチンジマレエート等の有機錫系触媒等が挙げられる。
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。
〔エポキシ樹脂〕
前記エポキシ樹脂の硬化前のプレポリマーは、1分子中に少なくとも2個のエポキシ基を有する化合物である。
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。
前記エポキシ樹脂に使用される硬化剤としては、例えば、脂肪族アミン、芳香族アミン、酸無水物、フェノール樹脂、チオール類、イミダゾール類、カチオン触媒等の公知の硬化剤が挙げられる。前記硬化剤は、長鎖脂肪族アミン又は/及びチオール類との併用により、伸び率が大きく、耐衝撃性に優れるという効果が得られる。
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。
〔ビニルエステル樹脂〕
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。
前記ウレタン(メタ)アクリレート樹脂としては、例えば、イソシアネート化合物と、ポリオール化合物とを反応させた後、水酸基含有(メタ)アクリルモノマー(及び、必要に応じて水酸基含有アリルエーテルモノマー)を反応させて得られるラジカル重合性不飽和基含有オリゴマーが挙げられる。具体的には、昭和電工株式会社製「リポキシ(登録商標)R−6545」等が挙げられる。
前記ビニルエステル樹脂は、有機過酸化物等の触媒存在下での加熱によるラジカル重合で硬化させることができる。
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。
〔不飽和ポリエステル樹脂〕
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重縮合生成物(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。
前記不飽和ポリエステル樹脂は、前記ビニルエステル樹脂についてと同様の触媒存在下での加熱によるラジカル重合で硬化させることができる。
[金属樹脂接合体]
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、樹脂材とを接合一体化してなる。
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である樹脂材とを、直接接するようにして接合一体化したものである。
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、樹脂材との接合性に優れているため、金属基材2と樹脂材とが高い強度で接合された金属樹脂接合体を好適に得ることができる。
前記プライマー層の厚さ(乾燥厚さ)は、前記接合対象の材質や接合部分の接触面積にもよるが、前記プライマー層側の面と前記樹脂材と優れた接合性を得る観点から、1μm〜10mmであることが好ましく、より好ましくは2μm〜8mm、さらに好ましくは3μm〜5mmである。
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、接合時の温度変化(接合時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。
図3に、本発明の金属樹脂接合体の他の実施形態を示す。図3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30Bである樹脂材とが、接着剤31を介して接合一体化されたものである。
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。
接着剤31は、接合対象30Bの樹脂材の種類に応じて適宜選択されるが、例えば、エポキシ樹脂系、ウレタン樹脂系、ビニルエステル樹脂系等の公知の接着剤を用いることができる。
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。
前記金属樹脂接合体における樹脂材は、特に限定されるものではなく、一般的な合成樹脂でよい。例えば、ポリカーボネート樹脂(実施例1)、ポリエステル樹脂、ポリブチレンテレフタレート樹脂(実施例2,3,4,6)、ポリエーテルイミド樹脂(実施例5)等の自動車部品等に用いられるような樹脂等も挙げられる。また、例えば、炭素繊維を用いたシートモールディングコンパウンド(SMC)、バルクモールディングコンパウンド(BMC)等のプレス成形体等の炭素繊維強化樹脂(CFRP)や、ガラス繊維強化樹脂(GFRP)等も挙げられる。
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。
前記金属樹脂接合体を製造する方法としては、複合積層体1と前記樹脂材の成形体とを別個に作製し、それらを接着させて接合一体化させることができる。例えば、複合積層体1の前記プライマー層に超音波溶着法、振動溶着法、電磁誘導法、高周波法、レーザー法、熱プレス法からなる群より選ばれる少なくとも1種で、前記樹脂材の成形体を溶着させることにより、金属樹脂接合体を得ることができる。これらの溶着法のうち、超音波溶着法、電磁誘導法、レーザー法が好ましい。
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。
次に、本発明の具体的実施例について説明するが、本発明はこれら実施例のものに特に限定されるものではない。
<実施例1:「2官能エポキシ化合物と2官能チオール化合物」>
(表面処理工程)
18mm×45mmの平面視矩形状の厚さ1.5mmのアルミニウム板(A6063)(アルミニウム物品)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処理し、水洗、乾燥を行って、化成処理を施し、次いで前記化成処理後のアルミニウム板を、純水中で10分間煮沸し250℃で10分間ベークすることによって、ベーマイト処理(表面処理)を行った。このベーマイト処理によって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。
(官能基付着層形成工程)
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に溶解せしめてなる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分間浸漬した後、該アルミニウム板を取り出して乾燥せしめ、前記ベーマイト皮膜(表面処理部)の表面にさらに官能基付着層を形成した。
(樹脂コーティング層形成工程)
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、1,4−ビス(3−メルカプトブチリルオキシ)ブタン(昭和電工株式会社製「カレンズMT(登録商標) BD1」)31.5g、2,4,6−トリス(ジメチルアミノメチル)フェノール(富士フィルム和光純薬工業株式会社製「DMP−30」)5.3gを、アセトン244g中に溶解して得られた重付加反応性組成物を、前記官能基付着層を形成したアルミニウム板の官能基付着面に、乾燥厚さが10μmになるようにスプレー法にて塗布した後、空気中常温で30分間放置することによって溶剤を揮発させ、その後150℃の炉中に30分間放置して付加重合反応を行ない常温に戻して、前記官能基付着層の表面に厚さ10μmのリニアポリマー構造の樹脂コーティング層を形成した。本実施例において、樹脂コーティング層は、プライマー層であり、このようにして、プライマー付きアルミニウム板(プライマー付き金属板1)を作製した。
(試験片の作製)
上記プライマー付きアルミニウム板のプライマー層側の表面に、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(Part3)に準拠した引張試験用試験片(アルミ:18mm×45mm×1.5mm、樹脂:10mm×45mm×3mm)(金属樹脂接合体1)を作製した。
<実施例2:「2官能イソシアネート化合物と2官能グリコール化合物」>
(樹脂コーティング層形成工程)
実施例1の(表面処理工程)、(官能基付着層形成工程)を経て得られたアルミニウム板に、熱硬化性樹脂としてビスフェノールA型エポキシ樹脂(三菱ケミカル株式会社製「jER828(商品名)」)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 PE1(商品名)」;エポキシ樹脂の硬化剤)70g、2,4,6−トリス(ジメチルアミノメチル)フェノール(富士フィルム和光純薬工業株式会社製「DMP−30」)10gを混合して得られた熱硬化性樹脂をアセトン344gに溶解した樹脂組成物を乾燥厚さが10μm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、架橋構造を有する、1層目の樹脂コーティング層を形成した。
次に、この樹脂コーティング層の表面にさらに4,4’−ジフェニルメタンジイソシアネート:100g、プロピレングリコール:76g、2,4,6−トリス(ジメチルアミノメチル)フェノール(富士フィルム和光純薬工業株式会社製「DMP−30」):0.6gをアセトン:298g溶解した重付加反応性組成物を乾燥厚さが10μmになるようにスプレー法にて塗布した後、空気中常温で30分間放置することによって溶剤を揮発させ、その後150℃の炉中に30分間放置して付加重合反応を行ない常温に戻して、前記1層目の樹脂コーティング層の最表面に厚さ10μmのリニアポリマー構造の樹脂コーティング層を形成した。本実施例において、樹脂コーティング層は、プライマー層であり、このようにして、プライマー付きアルミニウム板(プライマー付き金属板2)を作製した。
(試験片の作製)
上記プライマー付きアルミニウム板のプライマー層側の表面に、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240℃、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(アルミ:18mm×45mm×1.5mm、樹脂:10mm×45mm×3mm)(金属樹脂接合体2)を作製した。
<実施例3:「2官能エポキシ化合物と2官能カルボキシ化合物」>
(表面処理工程)
18mm×45mmの平面視矩形状の厚さ1.5mmの鉄板を、アセトンで脱脂し#100のサンドペーパーで表面を粗らした。
(官能基付着層形成工程)
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に溶解せしめてなる70℃のシランカップリング剤含有溶液中に、前記表面を粗らした鉄板を20分間浸漬した後、該鉄板を取り出して乾燥せしめ、前記(表面処理工程)で表面を粗らした鉄板の表面にさらに官能基付着層を形成した。
(樹脂コーティング層形成工程)
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、テレフタル酸:9.2g、2,4,6−トリス(ジメチルアミノメチル)フェノール(富士フィルム和光純薬工業株式会社製「DMP−30」)0.44gを、メチルエチルケトン203g中に50℃で溶解して得られた重付加反応性組成物を、前記の表面を粗らした鉄板に乾燥厚さが10μmになるようにスプレー法にて塗布した後、空気中常温で30分間放置することによって溶剤を揮発させ、その後150℃の炉中に90分間放置して付加重合反応を行ない常温に戻して、前記表面処理後の鉄板の表面に厚さ10μmのリニアポリマー構造の樹脂コーティング層を形成した。本実施例において、樹脂コーティング層は、プライマー層であり、このようにして、プライマー付き鉄板(プライマー付き金属板3)を作製した。
(試験片の作製)
上記プライマー付き鉄板のプライマー層側の表面に、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(鉄:18mm×45mm×1.5mm、樹脂:10mm×45mm×3mm)(金属樹脂接合体3)を作製した。
<実施例4:ラジカル重合性化合物系>
(表面処理工程)
18mm×45mmの平面視矩形状の厚さ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表面を粗らした。
(官能基付着層形成工程)
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に溶解せしめてなる70℃のシランカップリング剤含有溶液中に、前記表面を粗らしたSUS304板を20分間浸漬した後、該SUS304板を取り出して乾燥せしめ、前記(表面処理工程)で表面を粗らしたSUS304板の表面に官能基付着層を形成した。
(樹脂コーティング層形成工程)
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、スチレンモノマー:20g、メチルメタクリレートモノマー:20g、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を混合した熱硬化性樹脂組成物を、前記官能基付着層形成工程を経た後のSUS304板の官能基付着面に、硬化後の厚さが5μmになるようにスプレー法にて塗布した後、100℃で30分間加熱し硬化し、架橋構造を有する、1層目の樹脂コーティング層を形成した。
次に、2エチルヘキシルアクリレート:70g、ラウリルメタクリレート:30g、パーブチルO:1.0gを混合して得たラジカル重合性組成物を、前記1層目の樹脂コーティング層の最表面に、乾燥厚さが10μmになるようにスプレー法にて塗布した後、PETフィルムを被せて120℃の炉中に30分間放置してラジカル重合反応を行ない常温に戻して、前記1層目の樹脂コーティング層の最表面に2層目の樹脂コーティング層として、厚さ10μmのリニアポリマー構造の樹脂コーティング層を形成した。本実施例において、樹脂コーティング層は、プライマー層であり、このようにして、プライマー付きステンレス板(プライマー付き金属板4)を作製した。
(試験片の作製)
上記、プライマー付きステンレス板のプライマー層側の表面に、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(ステンレス:18mm×45mm×1.5mm、樹脂:10mm×45mm×3mm)(金属樹脂接合体4)を作製した。
<実施例5:「2官能エポキシ化合物と、2官能チオール化合物及び2官能カルボキシ化合物」>
(表面処理工程)
18mm×45mmの平面視矩形状の厚さ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表面を粗らした。
(官能基付着層形成工程)
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に溶解せしめてなる70℃のシランカップリング剤含有溶液中に、前記表面を粗らしたマグネシウム板を20分間浸漬した後、該マグネシウム板を取り出して乾燥せしめ、前記表面を粗らしたマグネシウムの表面に官能基付着層を形成した。
(樹脂コーティング層形成工程)
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」)200g、テレフタル酸:9.2g、1,4−ビス(3−メルカプトブチリルオキシ)ブタン(昭和電工株式会社製「カレンズMT(登録商標) BD1」)16.5g、2,4,6−トリス(ジメチルアミノメチル)フェノール(富士フィルム和光純薬工業株式会社製「DMP−30」)1.5gを、アセトン406g中に溶解して得られた重付加反応性組成物を、前記官能基付着層を形成したマグネシウム板に、乾燥厚さが10μmになるようにスプレー法にて塗布した後、空気中常温で30分間放置することによって溶剤を揮発させ、その後150℃の炉中に60分間放置して付加重合反応を行ない、常温に戻して、前記官能基付着層の表面に厚さ10μmのリニアポリマー構造の樹脂コーティング層を形成した。本実施例において、樹脂コーティング層は、プライマー層であり、このようにして、プライマー付きマグネシウム板(プライマー付き金属板5)を作製した。
(試験片の作製)
上記、プライマー付きマグネシウム板のプライマー層側の表面に、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(マグネシウム:18mm×45mm×1.5mm、樹脂:10mm×45mm×3mm)(金属樹脂接合体5)を作製した。
<実施例6:「2官能イソシアネート化合物と、2官能アミノ化合物及び2官能チオール化合物」>
(樹脂コーティング層形成工程)
実施例1の(表面処理工程)、(官能基付着層形成工程)を経て得られたアルミニウム板に、4,4’−ジフェニルメタンジイソシアネート:100g、ヘキサメチレンジアミン:23g、1,4−ビス(3−メルカプトブチリルオキシ)ブタン(昭和電工株式会社製「カレンズMT(登録商標) BD1」)15g(富士フィルム和光純薬工業株式会社製「DMP−30」):0.6gをアセトン:338g溶解した重付加反応性組成物を乾燥厚さが30μmになるようにスプレー法にて塗布した後、空気中常温で30分間放置することによって溶剤揮発とポリウレアの反応を進め、その後120℃の炉中に20分間放置して残りの付加重合反応を行ない常温に戻して、最表面に厚さ30μmのリニアポリマー構造の樹脂コーティング層を形成した。本実施例において、樹脂コーティング層は、プライマー層であり、このようにして、プライマー付きアルミニウム板(プライマー付き金属板6)を作製した。
(試験片の作製)
上記プライマー付きアルミニウム板のプライマー層側の表面に、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240℃、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(アルミ:18mm×45mm×1.5mm、樹脂:10mm×45mm×3mm)(金属樹脂接合体6)を作製した。
<比較例1>
実施例1と同じ表面処理工程、官能基付着層形成工程を経て得られたアルミニウム板(プライマーなし金属板)に、樹脂コーティング層を形成せずに、実施例1同じ方法でポリカーボネート樹脂の射出成形を試みたが、アルミニウム板に全く接着できなかった。
<比較例2>
2層目の樹脂コーティング層の形成を行わなかったこと以外は実施例2と同様の操作を行ったアルミニウム板(プライマー付き金属板2´)に、ポリブチレンテレフタレート樹脂の射出成形を試みたが、アルミニウム板に全く接着できなかった。
<比較例3>
(表面処理工程)
18mm×45mmの平面視矩形状の厚さ1.5mmのアルミニウム板(A6063)(アルミニウム物品)を、アセトンで脱脂し#100のサンドペーパーで表面を粗らした。
(樹脂コーティング層形成工程)
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、1,4−ビス(3−メルカプトブチリルオキシ)ブタン(昭和電工株式会社製「カレンズMT(登録商標) BD1」)31.5g、2,4,6−トリス(ジメチルアミノメチル)フェノール(富士フィルム和光純薬工業株式会社製「DMP−30」)5.3gを、アセトン244g中に溶解して得られた重付加反応性組成物を、前記#100のサンドペーパーで表面を粗らしたアルミニウム板の表面に、乾燥厚さが10μmになるようにスプレー法にて塗布した後、空気中常温で30分間放置することによって溶剤を揮発させ、その後150℃の炉中に30分間放置して付加重合反応を行ない常温に戻して、前記#100のサンドペーパーで表面を粗らしたアルミニウム板の表面に厚さ10μmのリニアポリマー構造の樹脂コーティング層を形成した。本実施例において、樹脂コーティング層は、プライマー層であり、このようにして、プライマー付きアルミニウム板(プライマー付き金属板3´)を作製した。
(試験片の作製)
上記プライマー付きアルミニウム板のプライマー層側の表面に、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(Part3)に準拠した引張試験用試験片(アルミ:18mm×45mm×1.5mm、樹脂:10mm×45mm×3mm)(金属樹脂接合体3´)を作製した。
<比較例4>
(表面処理工程)
18mm×45mmの平面視矩形状の厚さ1.5mmのアルミニウム板(A6063)(アルミニウム物品)を、アセトンで脱脂し#100のサンドペーパーで表面を粗らした。
(樹脂コーティング層形成工程)
熱硬化性樹脂としてビスフェノールA型エポキシ樹脂(三菱ケミカル株式会社製「jER828(商品名)」)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 PE1(商品名)」;エポキシ樹脂の硬化剤)70g、2,4,6−トリス(ジメチルアミノメチル)フェノール(富士フィルム和光純薬工業株式会社製「DMP−30」)10gを混合して得られた熱硬化性樹脂をアセトン344gに溶解した樹脂組成物を乾燥厚さが10μm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、#100のサンドペーパーで表面を粗らしたアルミニウム板の表面に架橋構造を有する、1層目の樹脂コーティング層を形成した。
次に、この樹脂コーティング層の表面にさらに4,4’−ジフェニルメタンジイソシアネート:100g、プロピレングリコール:76g、2,4,6−トリス(ジメチルアミノメチル)フェノール(富士フィルム和光純薬工業株式会社製「DMP−30」):0.6gをアセトン:298g溶解した重付加反応性組成物を乾燥厚さが10μmになるようにスプレー法にて塗布した後、空気中常温で30分間放置することによって溶剤を揮発させ、その後150℃の炉中に30分間放置して付加重合反応を行ない常温に戻して、前記1層目の樹脂コーティング層の最表面に厚さ10μmのリニアポリマー構造の樹脂コーティング層を形成した。本実施例において、樹脂コーティング層は、プライマー層であり、このようにして、プライマー付きアルミニウム板(プライマー付き金属板4´)を作製した。
(試験片の作製)
上記プライマー付きアルミニウム板のプライマー層側の表面に、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(Part3)に準拠した引張試験用試験片(アルミ:18mm×45mm×1.5mm、樹脂:10mm×45mm×3mm)(金属樹脂接合体4´)を作製した。
<比較例5>
(樹脂コーティング層形成工程)
実施例1の表面処理工程、官能基付着層形成工程を経て得られたアルミニウム板に、エポキシ樹脂(三菱ケミカル株式会社製「jER(登録商標)1001」)100g、1,4−ビス(3−メルカプトブチリルオキシ)ブタン(昭和電工株式会社製「カレンズMT(登録商標) BD1」)31.5g、2,4,6−トリス(ジメチルアミノメチル)フェノール(富士フィルム和光純薬工業株式会社製「DMP−30」)5.3gを、トルエン244g中で110℃で1時間反応させて得られた重付加物溶液を、前記官能基付着層を形成したアルミニウム板の官能基付着面に、乾燥厚さが10μmになるようにスプレー法にて塗布した後、空気中常温で30分間放置することによって溶剤を揮発させ、その後150℃の炉中に30分間放置して付加重合反応を行ない常温に戻して、前記官能基付着層の表面に厚さ10μmのリニアポリマー構造の樹脂コーティング層を形成した。本実施例において、樹脂コーティング層は、プライマー層であり、このようにして、プライマー付きアルミニウム板(プライマー付き金属板5´)を作製した。
(試験片の作製)
上記プライマー付きアルミニウム板のプライマー層側の表面に、変性ポリフェニレンエーテル樹脂(m−PPE樹脂)(SABIC社製「Noryl(登録商標) 731」)(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290℃、ツール温度120℃、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140/120[MPa/MPa])にて射出成形することにより、ISO19095(Part3)に準拠した引張試験用試験片(アルミ:18mm×45mm×1.5mm、樹脂:10mm×45mm×3mm)(金属樹脂接合体5´)を作製した。
<比較例6>
実施例1と同じ表面処理工程、官能基付着層形成工程を経て得られたアルミニウム板に、重合済の無水マレイン酸変性オレフィン系接着塗料 東洋紡株式会社製「ハードレンTD−15B(登録商標)」を乾燥厚さが10μmとなるように塗装し、130℃で60秒間の焼付け処理を行って接着層付きアルミニウム板を作成した。
前記接着層付きアルミニウム板に、実施例1と同様にしてポリカーボネートを射出してインサート成形を試みたが接合できなかった。
<比較例7>
(表面処理工程)
実施例1と同様の処理を行った。
(官能基付着層形成工程)
次に、4,4´−ジフェニルメタンジイソシアネート(イソシアネート化合物):2gをトルエン(溶媒)100g中に溶解した溶液に70℃で5分間浸漬した後に引き揚げて乾燥した。このようにして、アルミニウム板表面にイソシアナト基を付与した。
(試験片の作成)
上記アルミニウム板に樹脂コーティング層を形成しなかったこと以外は、実施例1と同様の操作によりポリカーボネート樹脂を射出してインサート成形を試みたが接合できなかった。
<比較例8>
(表面処理工程)
実施例1と同様の処理を行った。
(官能基付着層形成工程)
次に、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)(チオール化合物)(昭和電工社製 カレンズMT PE1(登録商標)):2g、トルエン(溶媒)100g中に溶解した溶液に70℃で5分間浸漬した後に引き揚げて乾燥した。このようにして、アルミニウム板表面にメルカプト基を付与した。
(試験片の作成)
上記金属板に樹脂コーティング層を形成しなかったこと以外は、実施例1と同様の操作によりポリカーボネート樹脂を射出してインサート成形を試みたが接合できなかった。
<比較例9>
(表面処理工程)
実施例1と同様の処理を行った。
(官能基付着層形成工程)
次に、4,4´−ジフェニルメタンジイソシアネート(イソシアネート化合物):2g、トルエン(溶媒)100g中に溶解した溶液に70℃で5分間浸漬した後に引き揚げて乾燥した。このようにして、金属表面にイソシアナト基を付与した。
さらに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)(チオール化合物)(昭和電工社製 カレンズMT PE1(登録商標)):2g、トルエン(溶媒)100g中中に溶解した溶液に70℃で5分間浸漬した後に引き揚げて乾燥した。このようにして、イソシアナ基の上にメルカプト基を延ばした。
(試験片の作成)
上記金属板に樹脂コーティング層を形成しなかったこと以外は、実施例1と同様の操作によりポリカーボネート樹脂を射出してインサート成形を試みたが接合できなかった。
<比較例10>
(表面処理工程)
実施例1と同様の処理を行った。
(官能基付着層形成工程)
次に、トリエトキシシリルプロピルアミノトリアジンチオールモノナトリウム:0.7gを95Vol%エタノール溶液1Lに溶解した溶液に、25℃で30分間浸漬した後に引き揚げて、160℃で10分間乾燥した。その後、N,N′−m−フェニレンジマレイミド:1g、ジクミルパーオキシド:2gをアセトン1Lに溶解した接合補助剤に25℃で10分間浸漬し、引き揚げて150℃で10分間乾燥した。その後、上記のアルミニウム板に、ジクミルパーオキシド:2gをエタノール1Lに溶解した溶液を25℃で噴霧、風乾した。このようにして、アルミニウム板の表面に、脱水シラノール含有トリアジンチオール誘導体被膜を形成した。
(試験片の作成)
上記アルミニウム板に樹脂コーティング層を形成しなかったこと以外は、実施例1と同様の操作によりポリカーボネート樹脂を射出してインサート成形を試みたが接合できなかった。
<比較例11:「2官能エポキシ化合物と2官能チオール化合物」>
(表面処理工程)
実施例1と同様の処理を行った。
(官能基付着層形成工程)
実施例1と同様の処理を行った。
(樹脂コーティング層形成工程)
エポキシ樹脂(三菱ケミカル株式会社製「jER(登録商標)1001」)100g、1,4−ビス(3−メルカプトブチリルオキシ)ブタン(昭和電工株式会社製「カレンズMT(登録商標) BD1」)31.5g、2,4,6−トリス(ジメチルアミノメチル)フェノール(富士フィルム和光純薬工業株式会社製「DMP−30」)5.3gを、アセトン244g中に溶解して得られた重付加反応性組成物を、離型フィルム上に乾燥厚みが30μmになるように塗布して150℃の炉中に30分間放置して付加重合反応を行ない常温に戻して、離型フィルム上にリニアポリマー構造の熱可塑性樹脂層を形成した。
前記離型フィルムの熱可塑性樹脂層を、アルミ板の官能基付着層の表面に置き、170℃で溶融して80μmの厚さに延ばした後、室温に戻して、厚さ30μmのリニアポリマー構造の樹脂コーティング層を形成した。本実施例において、樹脂コーティング層は、プライマー層であり、このようにして、プライマー付きアルミニウム板(プライマー付き金属板11´)を作製した。
(試験片の作製)
上記プライマー付きアルミニウム板のプライマー層側の表面に、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(Part3)に準拠した引張試験用試験片(アルミ:18mm×45mm×1.5mm、樹脂:10mm×45mm×3mm)(金属樹脂接合体11´)を作製した。
〔接合性評価〕
上記実施例1〜6で作製した試験片(金属樹脂接合体1〜6)及び上記比較例3〜5、比較例11で作製した試験片(金属樹脂接合体3´〜5´、11´)について、試験片の作製後に常温常湿(温度23℃、50%RH)下で24〜48時間保持した後と、高温高湿(85℃、相対湿度85%)の雰囲気下で200時間放置後と、前記高温高湿雰囲気下で600時間放置後と、前記高温高湿雰囲気下で1000時間放置後に、それぞれ、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)を用いて、プライマー付き金属板と樹脂の接合強度を測定した。これらの測定結果を下記表1〜3に示す。
〔付着性評価〕
上記実施例1〜7で作製したプライマー付き金属板1〜7及び上記比較例3〜5、比較例11で作製したプライマー付き金属板3´〜5´、11´について、JIS K5600_5_6のクロスカット法に準拠して、プライマー付き金属板の作製後に、常温常湿(温度23℃、50%RH)下で24〜48時間保持した後と、60℃の温水に24時間浸漬した後で、それぞれ、クロスカット試験を行った。
具体的には、JIS K5600_5_6(付着性 クロスカット法)に準じ、プライマー付き金属板上のプライマー層を貫通して、金属板に達する格子状のカット(6個)を入れ、この格子状のカットの上に粘着テープをはり、はがした後のプライマー層の付着状態を目視によって観察し、JIS K5600_5_6の「表1試験結果の分類」に準拠して、プライマー付き金属板を構成する金属板と樹脂コーティング層の付着力を評価した。
JIS K5600_5_6の「表1試験結果の分類」の評価点数は以下の通り。
0:カットの縁が完全に滑らかで、どの格子の目にもはがれがない。
1:カットの交差点における塗膜の小さなはがれ。クロスカット部分で影響を受けるのは、明確に5%を上回ることはない。
2:塗膜がカットの縁に沿って、及び/又は交差点においてはがれている。クロスカット部分で影響を受けるのは明確に5%を超えるが15%を上回ることはない。
3:塗膜がカットの縁に沿って,部分的又は全面的に大はがれを生じており、及び/又は目のいろいろな部分が、部分的又は全面的にはがれている。クロスカット部分で影響を受けるのは、明確に15%を超えるが35%を上回ることはない。
4:塗膜がカットの縁に沿って、部分的又は全面的に大はがれを生じており、及び/又は数か所の目が部分的又は全面的にはがれている。クロスカット部分で影響を受けるのは、明確に65%を上回ることはない。
5:分類4でも分類できないはがれ程度のいずれか。
Figure 2020149249
Figure 2020149249
Figure 2020149249
表1〜3から明らかなように、本発明の金属樹脂接合体は、種々の金属基材と種々の樹脂材の接合対象とを高い接着強さで接着させることができ、かつ、高温高湿(上記実施例では、温度85℃、相対湿度85%)の条件下で長時間(上記実施例では、最大1000時間)保持した後にもその接着性を維持することができることが認められた。
本発明の金属樹脂接合体は、ドアサイドパネル、ボンネット、ルーフ、テールゲート、ステアリングハンガー、Aピラー、Bピラー、Cピラー、Dピラー、クラッシュボックス、パワーコントロールユニット(PCU)ハウジング、電動コンプレッサー部材(内壁部、吸入ポート部、エキゾーストコントロールバルブ(ECV)挿入部、マウントボス部等)、リチウムイオン電池(LIB)スペーサー、電池ケース、LEDヘッドランプ等の各種自動車用部品の他、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照明筐体等として好適に用いることができる。
1 複合積層体
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 (14)

  1. 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を、樹脂材と接合一体化してなる金属樹脂接合体であって、
    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表面上に積層され、
    前記樹脂コーティング層の少なくとも1層は、前記金属基材の上で重合してなるリニアポリマー構造の直鎖状高分子を含む樹脂組成物からなり、
    前記複合積層体と前記樹脂材の接合強度が下記条件1を満足し、
    前記金属基材と前記樹脂コーティング層の付着力が下記条件2を満足する、金属樹脂接合体。
    (条件1)
    前記複合積層体と前記樹脂材を接合一体化し、常温常湿下で24〜48時間保持した後、ISO19095の樹脂−金属接合特性評価試験法に準拠した引張せん断試験で評価した値が、10MPa以上。
    (条件2)
    前記複合積層体を作製して常温常湿下で24〜48時間保持した後、及び、前記複合積層体を作製して60℃の温水に24時間浸漬した後、JIS K5600_5_6のクロスカット法に準拠して評価した値が、共に0点。
  2. 前記リニアポリマー構造の直鎖状高分子を含む樹脂組成物が、前記直鎖状高分子を生成する重付加反応性化合物の組み合わせである下記(1)、(2)の少なくとも何れかの組み合わせを構成成分とする樹脂組成物であるか、不飽和基を有する単官能モノマーのラジカル単独重合体又はラジカル共重合体である直鎖状高分子を含む樹脂組成物からなる、請求項1に記載の金属樹脂接合体。
    (1)2官能グリコール化合物と2官能アミノ化合物と2官能チオール化合物からなる群から選択される少なくとも何れかの化合物と、2官能イソシアネート化合物
    (2)2官能カルボキシ化合物と2官能チオール化合物からなる群から選択される少なくとも何れかと、2官能エポキシ化合物
  3. 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、熱硬化性樹脂の硬化物からなり、
    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又は2に記載の金属樹脂接合体。
  4. 前記金属基材の表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1〜3のいずれか1項に記載の金属樹脂接合体。
  5. 前記表面処理が、ブラスト処理、研磨処理、エッチング処理、化成処理、プラズマ処理、コロナ放電処理及びUVオゾン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1〜4のいずれか1項に記載の金属樹脂接合体。
  6. 前記金属基材がアルミニウムからなる、請求項1〜5のいずれか1項に記載の金属樹脂接合体。
  7. 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、請求項6に記載の金属樹脂接合体。
  8. 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1〜5のいずれか1項に記載の金属樹脂接合体。
  9. 前記樹脂コーティング層がプライマー層であり、
    前記複合積層体の前記プライマー層側の面と、前記樹脂材を接合一体化してなる、請求項1〜8のいずれか1項に記載の金属樹脂接合体。
  10. 請求項2〜9に記載の金属樹脂接合体の製造方法であって、
    前記樹脂コーティング層の少なくとも1層を、金属基材の表面処理された表面上で、直鎖状高分子を生成する重付加反応性化合物の組み合わせを重付加反応させることにより形成するか、不飽和基を有する単官能モノマーであるラジカル重合性化合物を単独重合又は共重合させることにより形成し、
    前記重付加反応性化合物の組み合わせが、下記(1)、(2)の少なくとも何れかである、金属樹脂接合体の製造方法。
    (1)2官能グリコール化合物と2官能アミノ化合物と2官能チオール化合物からなる群から選択される少なくとも何れかの化合物と、2官能イソシアネート化合物
    (2)2官能カルボキシ化合物と2官能チオール化合物からなる群から選択される少なくとも何れかと、2官能エポキシ化合物
  11. 前記樹脂コーティング層を形成する前に、前記金属基材に、ブラスト処理、研磨処理、エッチング処理、化成処理、プラズマ処理、コロナ放電処理及びUVオゾン処理からなる群より選ばれる少なくとも1種の表面処理を施す、請求項10に記載の金属樹脂接合体の製造方法。
  12. 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表面に、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10又は11に記載の金属樹脂接合体の製造方法。
  13. 前記樹脂材を、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種の方法で成形して、前記樹脂材を前記複合積層体の前記プライマー層側の面と接合一体化させる、請求項10〜12の何れかに記載の金属樹脂接合体の製造方法。
  14. 前記樹脂材を、超音波溶着法、振動溶着法、電磁誘導法、高周波法、レーザー法、熱プレス法及び射出溶着からなる群より選ばれる少なくとも1種の溶着方法で、前記プライマー層に溶着する、請求項10〜12の何れかに記載の金属樹脂接合体の製造方法。
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