JP2005297288A - レーザー透過性樹脂部材と多孔質部材との接合方法 - Google Patents
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Abstract
【課題】特定の方向での剥離を十分に防止することのできる、樹脂部材と多孔質部材との接合方法を提供する。
【解決手段】熱可塑性のレーザー透過性樹脂部材と多孔質部材とを接合するにあたり、上記レーザー透過性樹脂部材と上記多孔質部材とを積層し、上記レーザー透過性樹脂部材側からレーザーを照射し、上記多孔質部材を発熱させて上記レーザー透過性樹脂部材を溶融し、溶融した樹脂を上記多孔質部材の空孔に含浸し、その後冷却固化する。
【選択図】 図１
【解決手段】熱可塑性のレーザー透過性樹脂部材と多孔質部材とを接合するにあたり、上記レーザー透過性樹脂部材と上記多孔質部材とを積層し、上記レーザー透過性樹脂部材側からレーザーを照射し、上記多孔質部材を発熱させて上記レーザー透過性樹脂部材を溶融し、溶融した樹脂を上記多孔質部材の空孔に含浸し、その後冷却固化する。
【選択図】 図１
Description
本発明は、レーザー透過性樹脂部材と多孔質部材との接合方法に係り、特に、得られる接合体の剥離強度を向上させた接合技術に関する。
レーザー透過性樹脂部材と多孔質部材とを接合する技術には、種々の用途があり、本技術は、例えば、燃料電池の膜電極接合体やセル構造体に適用することができる。従来、このような技術は異種合成樹脂材料の接合に適用されており、異種の合成樹脂材料を重ね合わせて両者を接合するにあたり、上記重ね合わせられた合成樹脂材料のうち、一方をレーザー光に対して透過性とするとともに、他方をレーザー光に対して吸収性とし、両者の合成樹脂材料の接合面に、該両者の合成樹脂材料よりも融点の高いメタルメッシュを介在させた後、前記レーザー光に対して透過性の合成樹脂材料の方向からレーザー光を照射する、異種合成樹脂材料の接合方法が提案されている（特許文献１参照）。
この接合技術は、非相溶性のレーザー吸収性樹脂とレーザー透過性樹脂とを接合する際に、上記２種類の樹脂の間にこれらの樹脂よりも融点の高いメタルメッシュを介在させ、このメタルメッシュに双方の樹脂を絡ませて、メタルメッシュに各樹脂を接合し、結果的に樹脂同士をメカニカルに接合するものである。
上記特許文献１に記載された接合技術で使用される、多孔質部材としてのメタルメッシュの構造は、図２に示すような網目形状を呈している。このため、このメタルメッシュに樹脂を絡ませる場合には、特定の方向（同図に示す上下左右方向）のみに剥離強度が高められ、残りの方向（同図の紙面に垂直な方向）については、十分な剥離強度が得られないという問題がある。よって、近年においては、特に、多孔質部材の厚み方向の剥離強度を向上させることで、いかなる方向においても十分な剥離強度が得られ、これにより、特定の方向における剥離を十分に防止することのできる、樹脂部材と多孔質部材との接合方法の開発が要請されていた。
本発明は、上記要請に鑑みてなされたものであり、特に、特定の方向での剥離を十分に防止し、全体として剥離強度を向上させた、レーザー透過性樹脂部材と多孔質部材との接合方法を提供することを目的としている。
即ち、本発明の、レーザー透過性樹脂部材と多孔質部材との接合方法は、上記レーザー透過性樹脂部材と上記多孔質部材とを積層し、上記レーザー透過性樹脂部材側からレーザーを照射し、上記多孔質部材を発熱させて上記レーザー透過性樹脂部材を溶融し、溶融した樹脂を上記多孔質部材の空孔に含浸し、その後冷却固化することを特徴としている。
このような接合方法においては、複数の空孔が、上記多孔質部材の厚さ方向において連通していることが望ましい。
以上に示す本発明の接合方法によれば、溶融した樹脂が多孔質部材の空孔に浸入し、その後冷却固化されることにより、レーザー透過性樹脂部材と多孔質部材とを３次元的に強固に接合することができる。このような接合態様では、３次元的に強固な接合が達成されるため、特定の方向での剥離を十分に防止することができる。即ち、本発明によれば、剥離の方向性を皆無とすることができ、いかなる方向においても同程度の剥離強度を得ることができ、これにより、全体として接合体の剥離強度を向上させることができる。また、複数の空孔が、上記多孔質部材の厚さ方向において連通している場合には、図３に示すように、空孔１が多孔質部材２の厚さ方向に更に厚みを持って存在する。このため、溶融樹脂３が空孔１に浸入した場合には、空孔１の連通態様に従って、溶融樹脂３が更に多方向に流れ始める。従って、たとえ剥離が発生した場合であっても、その力を一層満遍なく３次元的に分散させることができる。なお、本発明においては、レーザー透過性樹脂部材と多孔質部材とを接合する際に、多孔質部材を加熱したり、両部材間に接着剤を介在することがないので、優れた生産性を実現することができる。また、本発明においては、接合に際して局部的な加熱を行わないため、各使用部材を熱を嫌う周辺部品と離間させる必要がなく、得られる接合体を含む各種機器の小型化を十分に図ることができる。
以下に、本発明の好適な実施形態を図面を参照してより詳細に説明する。
本発明のレーザー透過性樹脂部材と多孔質部材との接合方法を実施する場合には、レーザー透過性樹脂部材として、例えば、ＰＥＥＫ、ＰＰＳ、ＬＣＰ、ＰＣ、アクリル等を使用することができる。
本発明のレーザー透過性樹脂部材と多孔質部材との接合方法を実施する場合には、レーザー透過性樹脂部材として、例えば、ＰＥＥＫ、ＰＰＳ、ＬＣＰ、ＰＣ、アクリル等を使用することができる。
また、多孔質部材としては、ステンレス、Ｔｉ、Ｆｅ、Ｎｉ、Ｃｒ、Ｎｉ合金鋼、Ｃｒ合金鋼を使用することができる。また、多孔質部材としては、Ａｌ、Ｃｕ、Ｍｇ及びＺｎのうち少なくとも１種からなる合金や、Ａｇ、Ａｕ等の貴金属類のレーザー吸収発熱金属からなる発泡金属体、粉末焼結体又は細線焼結体を使用することもできる。更に、多孔質部材としては、カーボンペーパー、カーボンクロス及びカーボンフェルト（不織布）等のレーザー吸収繊維質体を使用することもできる。
図４は、本発明の接合方法の実施に好適な多孔質部材の具体例を示す写真である。即ち、図４（ａ）、（ｂ）は、金属発泡体であり、図４（ｃ）は金属細線焼結体である。図４（ａ）に示す金属発泡体は、図５（ａ）に示すように、発泡ウレタンに金属粉末を塗着した後、焼結及び所定の熱処理を施して得られる。また、図４（ｂ）に示す金属発泡体は、図５（ｂ）に示すように、金属スラリーを用い、溶融金属に対して発泡、乾燥、切断、脱脂及び焼結を順次施して得られる。更に、図４（ｃ）に示す金属細線焼結体は、溶湯抽出法により得られた細線を切断した後、無作為に配置し、その後焼結を施して得られる。
このような製法により、例えば、図４（ｂ）に示す金属発泡体は、図５（ｂ）に示す製法中、金属スラリーの成分や、発泡、脱脂等の各工程の態様を適宜変更することにより、図６（ａ）、（ｂ）に示すように種々の形状とすることができる。ちなみに、図６（ａ）に示す金属発泡体は、金属成分を含む骨格が太く、しかも骨格が紙面に平行な方向に整然と配列されているため、特に、紙面に平行な方向での剥離強度に富む。これに対し、図６（ｂ）に示す金属発泡体は、金属成分を含む骨格が細いため、紙面に平行な方向での剥離強度は、図６（ａ）に示す金属発泡体に比して劣るが、骨格が紙面に平行な方向に偏って延在せず、無作為に配列されているため、剥離の方向性を更に低減することができ、結果として十分な剥離強度を有する。なお、図７は、図６（ｂ）に示す金属発泡体の骨格の拡大図であり、気孔が３次元的に十分に広がっていることが判る。
以上に示すレーザー透過性樹脂部材及び多孔質部材を用意し、これらを積層した後、レーザー透過性樹脂部材側からレーザーを照射することで、レーザー透過性樹脂を通過したレーザーが多孔質部材に吸収されて発熱し、その熱でレーザー透過性樹脂が多孔質部材との界面付近から溶け出す。次いで、この溶融した樹脂が多孔質部材の表面から空孔に含浸される。含浸の態様には、くさび的に溶着する場合や、多孔質部材表面に突起状の繊維が食い込む場合等があり、これらの態様により、両者の固着状態が確保される。
図１は、本発明の接合方法の好適な実施態様を示す図である。同図に示すように、熱可塑性樹脂部材１１、多孔質部材１２、熱可塑性のレーザー透過性樹脂部材１３を積層し、これらの３部材を密着加圧する。次いで、レーザー発信器１４から出たレーザーを集光レンズ１５を経て、レーザー透過性樹脂部材１３側から照射する。ここで、熱可塑性樹脂部材１１は、レーザー透過性であってもレーザー吸収性であってもよい。また、多孔質部材１２とレーザー透過性樹脂部材１３とを予めレーザー溶着によって仮組みしておくことが寸法精度等を高めることができる点で望ましく、その後熱可塑性樹脂１１とこれらの部材１２，１３とを溶着することが望ましい。更に、図１に示すように、片側（同図においては上側）のみからレーザーを照射して、これらの３部材によって生じた２つの界面をほぼ同時に溶着する場合には、多孔質部材１２の厚さを０．１ｍｍ以下とすることが望ましい。なお、これらの３部材により生じた２つの界面を両側（同図においては上下両方向）から照射する場合や、２部材（例えば、多孔質部材１２及びレーザー透過性樹脂部材１３）のみを片側から照射する場合には、多孔質部材１２と樹脂材との密着性が十分に確保されていれば、多孔質部材１２の厚みを０．１ｍｍを超えるものとすることができる。
ここで、従来の接合技術を使用した場合と、本発明の接合技術を使用した場合とについて、得られた接合体を具体的に示す。図８は、従来の接合方法により得られた接合体の断面図である。同図に示すように、従来例では、メタルメッシュ２１上にレーザー透過性樹脂部材２２を積層して同図の上方からレーザーを照射し、メタルメッシュ２１の発熱に伴う両者の界面付近の溶解により、両者を接合していた。この例では、拡大図により明らかなように、接合部分が両部材２１，２２の界面付近にしか存在せず、３次元的な接合が十分に達成されていない。
これに対し、図９は、本発明の接合方法により得られた接合体の断面図である。同図に示すように、本発明例においては、多孔質部材３１上にレーザー透過性樹脂部材３２を積層して同図の上方からレーザーを照射し、多孔質部材３１の発熱により溶融した樹脂が多孔質部材３１の空孔に浸入し、その後冷却固化されることにより、両者を接合している。この例では、多孔質部材３１が溶融樹脂を３次元的に含浸可能な構造となっていることにより、接合部分が両部材３１，３２の界面付近から、厚み方向下方にまで十分に及んでおり、これにより３次元的な接合が十分に達成されている。
次に、本発明の他の接合例について説明する。即ち、図１０は、下方からレーザー透過性樹脂部材４１、多孔質部材４２及びレーザー透過性樹脂部材４３を積層し、これらの３部材に対し、同図の上下２方向からレーザーを照射し、各樹脂を溶融した後、多孔質部材４２の両側から溶融樹脂を含浸させ、３部材を３次元的に強固に接合した例である。
また、図１１は、下方からレーザー吸収性樹脂部材５１、多孔質部材５２及びレーザー透過性樹脂部材５３を積層してこれらの３部材に対し、同図の上方からレーザーを照射し、各樹脂を溶融した後、多孔質部材５２の両側から溶融樹脂を含浸させ、３部材を３次元的に強固に接合した例である。
以下に、本発明の実施例を示し、本発明の効果を実証する。
図９に示す接合態様に関し、多孔質部材３１として図４（ｂ）に示す金属発泡体を使用するとともに、レーザー透過性樹脂部材３２としてＰＥＥＫを使用し、図９の上方からレーザーを照射してこれらを接合した。図１２（ａ）はこのようにして得られた接合体の横断面図であり、図１２（ｂ）はこの接合体の縦断面図である。図１２（ａ）から明らかなように、金属発泡体により形成された孔径２０〜５０μｍの気孔の中には樹脂が十分に含浸されている。また、図１２（ｂ）から明らかなように、接合体には残留気孔（図の白い部分）が存在するものの、樹脂が多孔質部材の厚さ方向に十分に含浸されている。以上により、図１２に示す接合体の剥離強度は、３次元的に十分に確保されているといえる。
図９に示す接合態様に関し、多孔質部材３１として図４（ｂ）に示す金属発泡体を使用するとともに、レーザー透過性樹脂部材３２としてＰＥＥＫを使用し、図９の上方からレーザーを照射してこれらを接合した。図１２（ａ）はこのようにして得られた接合体の横断面図であり、図１２（ｂ）はこの接合体の縦断面図である。図１２（ａ）から明らかなように、金属発泡体により形成された孔径２０〜５０μｍの気孔の中には樹脂が十分に含浸されている。また、図１２（ｂ）から明らかなように、接合体には残留気孔（図の白い部分）が存在するものの、樹脂が多孔質部材の厚さ方向に十分に含浸されている。以上により、図１２に示す接合体の剥離強度は、３次元的に十分に確保されているといえる。
以上説明したように、本発明によれば、特に、特定の方向での剥離を十分に防止することのできる、樹脂部材と多孔質部材との接合方法を提供することができる。よって、本発明のレーザー透過性樹脂部材と多孔質部材との接合方法は、近年益々その剥離強度の向上が要請される、燃料電池の拡散層等の技術分野において、有用である。
１１…熱可塑性樹脂部材
１２…多孔質部材
１３…レーザー透過性樹脂部材
１４…レーザー発信器
１５…集光レンズ
１２…多孔質部材
１３…レーザー透過性樹脂部材
１４…レーザー発信器
１５…集光レンズ
Claims (2)
- 熱可塑性のレーザー透過性樹脂部材と多孔質部材とを接合するにあたり、
前記レーザー透過性樹脂部材と前記多孔質部材とを積層し、前記レーザー透過性樹脂部材側からレーザーを照射し、前記多孔質部材を発熱させて前記レーザー透過性樹脂部材を溶融し、溶融した樹脂を前記多孔質部材の空孔に含浸し、その後冷却固化することを特徴とするレーザー透過性樹脂部材と多孔質部材との接合方法。 - 複数の空孔が、前記多孔質部材の厚さ方向において連通していることを特徴とする請求項１に記載のレーザー透過性樹脂部材と多孔質部材との接合方法。
Priority Applications (2)
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|---|---|---|---|
| JP2004114609A JP2005297288A (ja) | 2004-04-08 | 2004-04-08 | レーザー透過性樹脂部材と多孔質部材との接合方法 |
| US11/083,666 US7727658B2 (en) | 2004-03-17 | 2005-03-17 | Method for joining laser transmitting resin member and porous member, method for joining thermoplastic resin, and fuel cell |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
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| JP2004114609A JP2005297288A (ja) | 2004-04-08 | 2004-04-08 | レーザー透過性樹脂部材と多孔質部材との接合方法 |
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| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
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-
2004
- 2004-04-08 JP JP2004114609A patent/JP2005297288A/ja active Pending
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