JP2004034326A - 熱可塑性エラストマーと金属との複合成形体 - Google Patents

Abstract

【課題】接合力が強くかつ耐久性があり、更に成形性の良好な柔軟性のある熱可塑性エラストマーと剛直な金属からなる複合成形体を安価に提供すること。
【解決手段】熱可塑性エラストマーと金属との複合成形体であって、熱可塑性エラストマーに対して親和性を有しかつ引張弾性率が１ＧＰａ以上の熱可塑性樹脂で金属の一部又は全体を被覆成形した後、熱可塑性樹脂で被覆された金属と熱可塑性エラストマーとを複合成形して得られたことを特徴とする接合強度の優れた熱可塑性エラストマーと金属との複合成形体であり、好ましい態様としては、熱可塑性エラストマーがオレフィン系熱可塑性エラストマーであり、熱可塑性樹脂がポリプロピレン樹脂である上記記載の接合性の優れた熱可塑性エラストマーと金属の複合成形体。
【選択図】　図１

Description

【０００１】
【産業上の利用分野】
本発明は柔軟性のある熱可塑性エラストマーと剛直な金属からなる複合成形体に関するものである。極めて異なる特性を持つ２つの材料ではあるにもかかわらず過酷な使用環境においても強固に接合し、耐久性にも優れた接合性を有する熱可塑性エラストマーと金属との複合成形体に関するものである
。
【０００２】
【従来の技術】
柔軟性のあるゴム材料と金属材料からなる複合成形体の開発は古くから研究がなされ、ゴム材料と金属との優れた接着剤が開発された。　この接着剤を塗布した金属部品とゴム材料を複合成形することにより化学的に結合され、接着力の強いゴムと金属の複合成形体が得られ、自動車部品や工業部品として古くから利用されてきた。
【０００３】
しかしながら、最近は地球環境の保全のために自動車部品等で使用された材料のリサイクルが強く要望されている。　また、家電製品では一部の製品が法律によって材料のリサイクルを義務づけられるようになった。　このような環境の中でゴム材料のリサイクルには多くの問題点があり、リサイクルが容易な熱可塑性エラストマーでゴム材料を代替する用途が増えている。また、ゴムの成形では成形サイクルが長く、且つ成形品には多くの場合バリが発生し、成形品のバリ取りに時間と手間がかかり、加工コストが著しく高くなるという問題点があった。
このような状況の中で、ゴムと金属からなる複合成形品において、ゴム材料を同等な特性を持つ熱可塑性エラストマーで代替し、かつ、接合力が強く耐久性のすぐれた熱可塑性エラストマーと金属との複合成形体の開発が強く求められている。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
本発明は従来技術の課題を背景になされたもので、熱可塑性エラストマーと金属という全く性質の異なる柔軟な材料と剛直な材料の組み合わせで、接合力が強く、かつ耐久性があり、更に成形性の良好な熱可塑性エラストマーと金属の複合成形体を安価に提供することを課題とするものである。
【０００５】
【課題を解決するための手段】
本発明者らは、上記課題を解決するために鋭意研究した結果、本発明を完成するに至った。
即ち本発明は、▲１▼熱可塑性エラストマーと金属との複合成形体であって、熱可塑性エラストマーに対して親和性を有しかつ引張弾性率が１ＧＰａ以上の熱可塑性樹脂で金属の一部又は全体を被覆成形した後、熱可塑性樹脂で被覆された金属と熱可塑性エラストマーとを複合成形して得られたことを特徴とする接合強度の優れた熱可塑性エラストマーと金属との複合成形体である。
【０００６】
好ましい態様としては、▲２▼熱可塑性エラストマーがオレフィン系熱可塑性エラストマーであり、熱可塑性樹脂がポリオレフィン系樹脂である上記記載の接合性の優れた熱可塑性エラストマーと金属の複合成形体、　であり、更に好ましい態様としては、▲３▼熱可塑性エラストマーがオレフィン系熱可塑性エラストマーであり、熱可塑性樹脂がポリプロピレン樹脂である。
【０００７】
【発明の実施の形態】
以下　本発明を具体的に説明する。
本発明における熱可塑性エラストマー（以下ＴＰＥと記す）とはゴムのように加硫をする必要のない弾性体材料であり、一般にハード成分（硬く剛直な成分）とソフト成分（軟らかくフレキシブルな成分）から構成された材料である。ＴＰＥには多くの種類があり、本発明で使用されるＴＰＥとしては、オレフィン系ＴＰＥ、スチレン系ＴＰＥ、ポリエステル系ＴＰＥ及びウレタン系ＴＰＥ等を挙げることが出来る。
【０００８】
オレフィン系ＴＰＥは動的架橋タイプ、ブレンドタイプ及び重合タイプ等があるが、いずれのオレフィン系ＴＰＥも使用することが出来る。　またオレフィン系ＴＰＥの構成成分は、例えばハード成分としてポリプロピレン、ポリエチレン、ソフト成分としてエチレン／プロピレン共重合体、エチレン／プロピレン／ジェン共重合体（ＥＰＤＭ）、ブチルゴム（ＩＩＲ）および柔軟性のあるエチレン共重合体等から構成される。
【０００９】
スチレン系ＴＰＥとしては、例えばスチレン／ブタジエン／スチレンのブロック共重合体（ＳＢＳ）、スチレン／イソプレン／スチレンブロック共重合体（ＳＩＳ）及びスチレン／エチレン・ブチレン／スチレンブロック共重合体（ＳＥＢＳ）、スチレン／エチレン・プロピレン・アミレン／スチレンブロック共重合体（ビニルＳＥＰＳ）、スチレン／ブタジエン共重合体の水素添加物であるスチレン／ブタジエン共重合体（ＨＳＢＲ）等を挙げることが出来る
【００１０】
ポリエステル系ＴＰＥとしては、例えばハード成分としてはポリブチレンテレフタレート、ポリナフタレンテレフタレート、ソフト成分としてはポリテトラメチレングリコールやポリカプロラクトンから構成されるＴＰＥを挙げることが出来る。
ポリウレタン系ＴＰＥとしては、ポリエステルタイプ、ポリエーテルタイプ等多くの種類があるが、いずれのタイプのポリウレタン系ＴＰＥも使用することが出来る。
【００１１】
本発明における複合成形体の一部となる金属としては、鉄の合金である各種鋼材、銅の合金およびアルミニュウムやマグネシュウム等を中心とした軽金属合金等を挙げることが出来るが、これらに限定されるものではない。
【００１２】
本発明におけるＴＰＥに対して親和性を有しかつ引張弾性率が１ＧＰａ以上の熱可塑性樹脂において、親和性を有するとは、溶解度パラメータ値がＴＰＥの溶解度パラメータ値と差が少ない熱可塑性樹脂であり、ＴＰＥに混合して溶融混練すると微分散する。
例えば、溶解度パラメータ値（（ｃａｌ・ｃｍ^−３）^１／２　）の差は２以下、好ましくは１以下である。（日本化学会編「化学便覧−応用編」改訂２版、８３０頁、Ｓｍａｌｌの方法　による値）
ＴＰＥの種類によって次のような熱可塑性樹脂を挙げることが出来る。
【００１３】
ポリオレフィン系ＴＰＥに対するＴＰＥに対して親和性を有しかつ引張弾性率が１ＧＰａ以上の熱可塑性樹脂としては、ポリオレフィン系樹脂が挙げられ、例えば、アイソタクテックポリプロピレンやシンジオタクテックポリプロピレン等のポリプロピレン樹脂、超高分子量ポリエチレンや高密度ポリエチレンおよび中密度ポリエチレン、直鎖状低密度ポリエチレン、低密度ポリエチレン等のポリエチレン樹脂、ポリ（１−ブテン）樹脂、ポリ（４−メチルペンテンー１）樹脂等を挙げることが出来る。
【００１４】
スチレン系ＴＰＥに対するＴＰＥと親和性を有しかつ引張弾性率が１ＧＰａ以上の熱可塑性樹脂としては汎用および耐衝撃性等のポリスチレン樹脂、アクリルニトリル・ブタジエン・スチレン（ＡＢＳ）樹脂、アクリルニトリル・スチレン（ＡＳ）樹脂等のスチレン系樹脂を挙げることが出来る。また、特殊なスチレン系ＴＰＥとしてＨＳＢＲのＴＰＥと相溶しかつ弾性率が１ＧＰａ以上の熱可塑性樹脂としては上記スチレン系樹脂の他にポリプロピレン樹脂との相溶性が極めて優れており、ポリプロピレン樹脂を使うことも出来る。
【００１５】
ポリエステル系ＴＰＥに対するＴＰＥと親和性を有しかつ引張弾性率が１ＧＰａ以上の熱可塑性樹脂として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）、ポリエチレンナフタレート（ＰＥＮ）ポリカーボネート（ＰＣ）、ポリアリレート（ＰＡＲ）、アクリルニトリル・ブタジエン・スチレン（ＡＢＳ）樹脂、アクリルニトリル・スチレン（ＡＳ）樹脂等を挙げることが出来る。
【００１６】
ポリウレタン系ＴＰＥに対するＴＰＥと親和性を有しかつ引張弾性率が１ＧＰａ以上の熱可塑性樹脂としてはナイロン６、ナイロン６６、ナイロン１２等に代表される各種のポリアミド樹脂、又はＡＢＳ樹脂、ＡＳ樹脂等の極性の高いポリスチレン樹脂等を挙げることが出来る。
【００１７】
本発明におけるＴＰＥと親和性を有しかつ引張弾性率が１ＧＰａ以上の熱可塑性樹脂は、１ＧＰａ以上の引張弾性率を有する必要がある。必要に応じて強化材を配合して更に弾性率を高くすることが出来る。
強化材としてはガラス繊維、炭素繊維、セラミックス繊維、各種ウイスカー、針状ワラストナイト等の繊維状無機強化材、更にシリカ、アルミナ、タルク、カオリン、石英、粉状ガラス、マイカ、グラファイト等の粉末状の無機強化材を挙げることが出来る。　これらの強化材は熱可塑性樹脂との接着性を高めるためにシランカップリング剤等で表面処理をして使用することも出来る。
【００１８】
本発明に使用されるＴＰＥや熱可塑性樹脂には、それぞれの材料によって通常に使われている熱安定剤、光安定剤、酸化防止剤、帯電防止剤、難燃剤、結晶核剤、滑剤、離型剤、顔料、染料等も添加、配合できる。
【００１９】
本発明において、ＴＰＥと金属との複合成形体の製造法は極めて重要である。
まず、金属の一部又は全体をＴＰＥと相溶する熱可塑性樹脂によって被覆する必要がある。　この熱可塑性樹脂は強度、剛性が高く、成形時の収縮力によって金属部品を締め付けて結合力が得られる。　熱可塑性樹脂を被覆する成形法は射出成形法によるインサート成形が一般的であるが必ずしもそれに限定されるものではない。　被覆する熱可塑性樹脂の厚みは製造する部品によって異なるが、およそ１ｍｍ以上の厚みが一般的である。　最も重要な点は、被覆された熱可塑性樹脂と金属とが一体化し、過酷な使用条件でも剥がれたり動いたりしないようにする必要がある。　そのため金属部品に切り込みや凸部等を入れることが有効である。　また使用条件によっては熱可塑性樹脂をガラス繊維等で強化し、強度、剛性をさらに高めた熱可塑性樹脂によって金属との接合力を高める必要がある。
【００２０】
また、ワッシャー等の小型の金属部品の場合はＴＰＥとの密着性を高くするため、金属部品の周囲を熱可塑性樹脂で被覆するだけでなく「つば」等の突起物を作るとＴＰＥとの接触面積が増加し接着強度を向上させることが出来る。
【００２１】
次に熱可塑性樹脂で被覆された金属部品をインサート成形等によってＴＰＥと接着させる。　金属部品の表面にはＴＰＥと相溶性の優れた熱可塑性樹脂で被覆されているため、金属部品とＴＰＥは強固に接合された複合成形体ができる。　剛直な金属部品と柔軟でフレキシブルなＴＰＥとの界面にはＴＰＥと親和性が良く一体化している熱可塑性樹脂があり、この熱可塑性樹脂は剛性によって金属部品を締め付けているため過酷な使用条件で金属界面に応力が集中しても剥がれたり動いたりすることなく極めて優れた接合強度を持つ金属とＴＰＥの複合成形体が製造できる。
【００２２】
本発明におけるＴＰＥと金属との複合成形体は両者の界面にＴＰＥとの親和性の優れかつ剛性の高い熱可塑性樹脂を介在させることにより、過酷な使用条件で発生する界面の応力集中を剛性の高い熱可塑性樹脂で分散させ耐久性の優れたＴＰＥと金属の複合成形体を製造することが出来る。
【００２３】
【実施例】
次に実施例を用いて、本発明を具体的に説明するが、本発明はこれらに限定されるものではない。
【００２４】
（引張弾性率の測定方法）
熱可塑性樹脂の応力−ひずみ曲線を下記条件で測定し、初期の傾きから引張弾性率を計算した。
装置名　：東洋精機社製テンシロンＵＴＭ‐ＩＩＩ
測定温湿度：２３℃、５０％ＲＨ
引っ張り速度：５００ｍｍ／分
試料の形状：ダンベル状３号形（厚み；１ｍｍ）
【００２５】
（実施例１）
自動車のダストカバーの部品で内径約６５ｍｍφ×外径約７５ｍｍφ×高さ２５ｍｍの円筒形をした筒の下部２箇所に取り付け用のジョイント部分があり、そのジョイント部分に金属製ワッシャーを接合して一体化された部品である。このダストカバー部品は円筒形本体がオレフィン系熱可塑性エラストマーであり、オレフィン系熱可塑性エラストマーと金属ワッシャーとの複合成形体である。
【００２６】
尚、オレフィン系熱可塑性エラストマーとしては、「サーリンク３１４０」（ＤＳＭ社製、硬度はＪＩＳ−Ａ硬度で４０Ａ）を使用した。金属ワッシャーは鋼材製（Ｓ−５０Ｃ）を使用した。　オレフィン系熱可塑性エラストマーに対して親和性を有しかつ引張弾性率が１ＧＰａ以上の熱可塑性樹脂としては、ポリプロピレン樹脂（住友化学工業製、住友ノーブレンＷ１０１）をガラス繊維強化したもの使用した。　サーリンク３１４０はハード成分のポリプロピレンとソフト成分のＥＰＤＭから構成されているＴＰＥである。サーリンク３１４０のハード成分と熱可塑性樹脂は同じポリプロピレンなので極めて親和性が優れている。尚、ＰＰ樹脂の引張弾性率は１．８　ＧＰａであったが、更に剛性を高くするため、ガラス繊維（ＰＰＧ社製３２９８）を１０重量％配合してガラス繊維強化ＰＰとした。　このガラス繊維強化ＰＰの引張弾性率は３．８　ＧＰａ　　であった。
【００２７】
一方金属ワッシャーは図１に示すように、ワッシャーの外周部分に切り込みを４箇所入れ、ガラス繊維強化ＰＰとの接合性を良くした。　次に図１の下に示すように、この金属ワッシャーの外周部分に約１ｍｍの厚みでガラス繊維強化ＰＰを被覆すると同時に金属ワッシャーの外周部分に４５度の角度で幅約１５ｍｍ、高さ約４ｍｍの「ツバ」状の突起物を一箇所作り、サーリンク３１４０との接着性の向上を図った。
成形はインサート成形で成形条件はシリンダー温度２００℃で成形した。
次にガラス繊維強化ＰＰで被覆された金属ワッシャーとサーリンク３１４０とでインサート成形をして複合成形体を製造した。　この時の成形条件はシリンダー温度２３０℃であった。　金属ワッシャー部分にバリ等の発生は全くなく極めて成形性も良好であり、優れた複合成形体が得られた。
【００２８】
この複合成形体は、−３０℃から＋１００℃の冷熱サイクル試験でも接合部分が剥がれたり緩んだりすることなく極めて接合性の優れた複合成形体であることが確認された。　また、ダストカバーの円筒部と金属ワッシャーがインサートされた底面部との界面で繰り返しの曲げ変形テストを行っても、金属ワッシャー部品の剥離等は認められなかった。
て成形性も良好であり、優れた複合成形体が得られた。
【００２９】
【発明の効果】
本発明の熱可塑性エラストマーと金属との複合成形体は極めて優れた接合部を有しており厳しい環境でも接合部が剥がれたり緩んだりすることがない。　柔軟な熱可塑性エラストマーと金属からなる複合製品の用途分野では好ましく用いられる。　例えばダストカバー部品やエアーダクト部品等の自動車部品や電動工具部品や種々の電気部品および工業部品等に用いられるが、これらに限定されるものではない。
また熱可塑性エラストマーはリサイクル可能な材料であり、金属部品を被覆している熱可塑性樹脂は金属部品と物理的に接合しているので破砕によって両者を分離することも可能である。　そのためこの複合体は極めて環境にやさしい材料と言うことが出来る。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の複合成形体の一例（実施例）を示した図である。

Claims (3)

1. 熱可塑性エラストマーと金属との複合成形体であって、熱可塑性エラストマーに対して親和性を有しかつ引張弾性率が１ＧＰａ以上の熱可塑性樹脂で金属の一部又は全体を被覆成形した後、熱可塑性樹脂で被覆された該金属と熱可塑性エラストマーとを複合成形して得られたことを特徴とする接合強度の優れた熱可塑性エラストマーと金属との複合成形体。
2. 熱可塑性エラストマーがオレフィン系熱可塑性エラストマーであり、熱可塑性樹脂がポリオレフィン系樹脂である請求項１記載の接合性の優れた熱可塑性エラストマーと金属の複合成形体。
3. 熱可塑性エラストマーがオレフィン系熱可塑性エラストマーであり、熱可塑性樹脂がポリプロピレン樹脂である請求項１記載の接合性の優れた熱可塑性エラストマーと金属の複合成形体。

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