JP2018149791A - 複合成形体とその製造方法 - Google Patents
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Description
特許文献1には、金属成形体と、熱可塑性樹脂、熱硬化性樹脂、ゴム、エラストマーおよび前記の金属とは異なる金属からなる他の成形体の複合成形体の製造方法の発明が記載されている。
前記複合成形体の製造方法は、金属成形体の接合面に対して、連続波レーザーを使用して2000mm/sec以上の照射速度でレーザー光を連続照射する工程、前工程においてレーザー光が照射された金属成形体の接合面に接着剤層を形成する工程、前工程において接着剤を塗布した金属成形体の接合面に他の成形体を接着する工程を有している。接着剤としては、公知の熱可塑性接着剤、熱硬化性接着剤、ゴム系接着剤などを使用することができると記載されている。
前記多孔構造の粗面化部の孔の少なくとも一部に前記エネルギー線硬化樹脂が入り込んだ状態で硬化されている、複合成形体を提供する。
前記金属成形体に対してレーザー光を照射して粗面化する工程、
前記金属成形体の粗面化部を含めた部分に対して、前記エネルギー線硬化性樹脂層を形成するモノマー、オリゴマーまたはそれらの混合物を接触させる工程、
前記モノマー、オリゴマーまたはそれらの混合物に対してエネルギー線を照射して前記エネルギー線硬化性樹脂層を形成する工程を有している、複合成形体の製造方法を提供する。
図1に示す金属成形体10は、一面11が粗面化されている(粗面化部12)。粗面化部12は、多数の孔12aが形成された多孔構造部となっている。孔12aの深さは、粗面化されていない面11から孔12aの底までが10〜500μm、好ましくは50〜500μmである。
孔深さが大きくなると、それに対応して孔の開口径も大きくなる。50μm以上の深さの孔を有していると、開口径が20μm以上になるものを含んでいる。
エネルギー線硬化樹脂層21は、多孔構造部の孔12aの少なくとも一部にエネルギー線硬化樹脂層21を形成するモノマー、オリゴマーまたはそれらの混合物が入り込んだ状態で硬化されたものである。このため、金属成形体10とエネルギー線硬化樹脂層21は高い密着力で接合されている。
エネルギー線硬化性樹脂層21は、紫外線硬化性樹脂層または電子線硬化性樹脂層が好ましい。
エネルギー線硬化性樹脂層21の厚みは、0.01〜50mmが好ましく、0.1〜20mmであることがより好ましく、さらに好ましくは、0.5〜10mmである。
本発明の複合成形体の製造方法を工程ごとに説明する。
本発明の製造方法により得られる複合成形体1は、金属成形体10の表面11にエネルギー線硬化性樹脂層21を有するものである(図1参照)。
金属成形体10の形状や大きさなどは特に制限されるものではなく、用途に応じて選択することができるものであり、一部または全部が平面からなるもの、一部または全部が曲面からなるもの、平面と曲面が組み合わされたものなどを使用することができる。
エネルギー線硬化性樹脂層20は、金属成形体10の表面11の全面に形成されていてもよいし、一部面に形成されていてもよい。
図2では金属成形体10の面11の中央部の一部にのみ粗面化部12が形成されているが、面11の全面に粗面化部12を形成してもよいし、面11に複数の粗面化部12をそれぞれが分離した状態で形成してもよい。
金属成形体10の種類は、レーザー光を照射して粗面化できるものであればよく、鉄、各種ステンレス、アルミニウム、亜鉛、チタン、銅、マグネシウムおよびそれらを含む合金、タングステンカーバイド、クロミウムカーバイドなどのサーメットから選ばれるものを挙げることができ、これらの金属に対して、アルマイト処理、めっき処理などの表面処理を施したものにも適用できる。
連続波レーザー光を照射する方法は、特許第5774246号公報、特許第5701414号公報、特許第5860190号公報、特許第5890054号公報、特許第5959689号、特開2016−43413号公報、特開2016−36884号公報、特開2016−44337号公報に記載されたレーザー光の連続照射方法と同様にして実施することができる。
レーザー光の照射時のエネルギー密度(W/μm2)は、レーザー出力(W)とレーザー照射スポット面積(π×〔スポット径/2〕2)から求められる。レーザー光の照射時のエネルギー密度は、2〜1000MW/cm2が好ましく、10〜800MW/cm2がより好ましく、10〜700MW/cm2がさらに好ましい。
レーザー光の照射速度は2,000〜20,000mm/secがより好ましく、2,000〜18、000mm/secがさらに好ましく、3,000〜15、000mm/secがさらに好ましい。
レーザー光の出力は4〜4000Wが好ましく、50〜2500Wがより好ましく、150〜2000Wがさらに好ましい。他のレーザー光の照射条件が同一であれば、出力が大きいほど孔(溝)深さは深くなり、出力が小さいほど孔(溝)深さは浅くなる。
波長は500〜11,000nmが好ましい。
ビーム径(スポット径)は5〜80μmが好ましい。
焦点はずし距離は、-5〜+5mmが好ましく、−1〜+1mmがより好ましく、−0.5〜+0.1mmがさらに好ましい。焦点はずし距離は、設定値を一定にしてレーザー照射しても良いし、焦点はずし距離を変化させながらレーザー照射しても良い。例えば、レーザー照射時に、焦点はずし距離を小さくしていくようにしたり、周期的に大きくしたり小さくしたりしても良い。焦点はずし距離が−であると、孔深さは深くなる。
またレーザー光を照射するときの繰り返し回数を調整することでも、孔深さを調整することができる。繰り返し回数(一つの孔または溝を形成するための合計のレーザー光の照射回数)は、1〜9回が好ましく、2〜5回がより好ましい。同一のレーザー照射条件であれば、繰り返し回数が多いほど孔(溝)深さが深くなり、繰り返し回数が少ないほど孔(溝)深さが浅くなる。
レーザーの励起には、パルス励起と連続励起の2種類があり、パルス励起によるパルス波レーザーは一般にノーマルパルスと呼ばれる。
連続励起であってもパルス波レーザーを作り出すことが可能であり、ノーマルパルスよりパルス幅(パルスON時間)を短くして、その分ピークパワーの高いレーザーを発振させるQスイッチパルス発振方法、AOMやLN光強度変調機により時間的に光を切り出すことでパルス波レーザーを生成させる外部変調方式、機械的にチョッピングしてパルス化する方法、ガルバノミラーとガルバノコントローラを操作してパルス化する方法、レーザーの駆動電流を直接変調してパルス波レーザーを生成する直接変調方式によりパルス波レーザーを作り出すことができる。
これらの方法の中でも、連続波レーザーのエネルギー密度を変更することなく、パルス化(照射部分と非照射部分が交互に生じるように照射する)ことが容易にできる方法であることから、機械的にチョッピングしてパルス化する方法、ガルバノミラーとガルバノコントローラを操作してパルス化する方法、レーザーの駆動電流を直接変調してパルス波レーザーを生成する直接変調方式が好ましい。
上記した好ましい実施形態では、レーザーの駆動電流を直接変換する直接変調方式の変調装置をレーザー電源に接続したファイバーレーザー装置を使用することで、レーザーを連続励起させてパルス波レーザーを作り出したものであり、特許文献1、2で金属成形体を粗面化するために使用した連続波レーザーとは別のものである。
デューティ比(%)=ON時間/(ON時間+OFF時間)×100
デューティ比は、図1に示すL1/L2に対応するものであるから、10〜90%の範囲から選択することができる。
デューティ比を調整してレーザー光を照射することで点線状に照射することができる。デューティ比が大きいと粗面化工程の効率は良くなるが、冷却効果は低くなり、デューティ比が小さいと冷却効果は良くなるが、粗面化効率は悪くなる。目的に応じて、デューティ比を調整することが好ましい。
この実施形態は、金属成形体10の上に間隔をおいて複数枚のマスキング材を配置した状態で、レーザーを連続照射する。マスキング材としては、熱伝導率の小さい金属などを使用することができる。
その後、マスキング材を取り去ると、レーザー光の照射部分と非照射部分が交互に生じた点線が形成される。
また、マスキング材の部分では冷却されていることになるため、レーザー光の照射を継続した場合、厚さの小さい成形体でもそりなどの変形が生じ難くなるので好ましい。
レーザー光の照射部分の長さ(L1)は、複雑な多孔構造に粗面化するためには0.05mm以上であることが好ましく、0.1〜10mmが好ましく、0.3〜7mmがより好ましい。
モノマー、オリゴマーまたはそれらの混合物20の接触工程は、金属成形体10の粗面化部12を含めた部分(面11の一部または全部であり、粗面化部12ではない部分を含んでいてもよい)に対してモノマー、オリゴマーまたはそれらの混合物20を塗布する工程を実施することができる。
モノマー、オリゴマーまたはそれらの混合物を塗布する工程は、刷毛塗り、ドクターブレードを使用した塗布、ローラー塗布、流延、ポッティングなどを単独で使用したり、組み合わせて使用したりすることができる。図3はポッティングした状態が示されている。
前工程の粗面化工程にて深さ10〜500μmの範囲の孔が形成されるように粗面化したときは50μm以上の孔を含んでおり、そのときの開口径は20μm以上のものを含んでいるため、孔内部にエネルギー線硬化性樹脂層を形成するモノマー、オリゴマーまたはそれらの混合物20が入り込み易くなるため好ましい。
またモノマー、オリゴマーまたはそれらの混合物20の接触工程は、図4(b)に示すように金属成形体10を粗面化部12を上にした状態で型40内部に入れた後、型40内部にモノマー、オリゴマーまたはそれらの混合物20を注入する工程を実施することができる。
このモノマー、オリゴマーまたはそれらの混合物20の接触工程によって、金属成形体10の粗面化部12の孔12aの少なくとも一部にモノマー、オリゴマーまたはそれらの混合物20が入り込む。
孔12aの少なくとも一部にモノマー、オリゴマーまたはそれらの混合物20が入り込む形態は、例えば、孔全体の50%以上、好ましくは70%以上、より好ましくは80%以上、さらに好ましくは90%以上の孔にモノマー、オリゴマーまたはそれらの混合物20が入り込む形態のほか、孔12aの底までモノマー、オリゴマーまたはそれらの混合物20が入り込んだ形態、孔深さの途中の深さまでモノマー、オリゴマーまたはそれらの混合物20が入り込んだ形態、孔12aの入口付近にのみモノマー、オリゴマーまたはそれらの混合物20が入り込んだ形態が混在している形態が含まれる。
モノマー、オリゴマーまたはそれらの混合物20は、常温で液体のもの(低粘度のゲルも含む)や溶剤に溶解された溶液形態のものはそのまま塗布または注入することができ、固体(粉末)のものは加熱溶融させたり、溶剤に溶解させたりした後で塗布または注入することができる。
ラジカル重合性化合物としては、(メタ)アクリロイル基、(メタ)アクリロイルオキシ基、(メタ)アクリロイルアミノ基、ビニルエーテル基、ビニルアリール基、ビニルオキシカルボニル基などのラジカル重合性基を一分子内に1つ以上有する化合物などが挙げられる。
カチオン重合性モノマーとしては、エポキシ環(オキシラニル基)、ビニルエーテル基、ビニルアリール基などのオキセタニル基等の以外のカチオン重合性基を一分子内に1つ以上有する化合物などが挙げられる。
単官能または多官能(メタ)アクリル系オリゴマーとしては、ウレタン(メタ)アクリレートオリゴマー、エポキシ(メタ)アクリレートオリゴマー、ポリエーテル(メタ)アクリレートオリゴマー、ポリエステル(メタ)アクリレートオリゴマーなどが挙げられる。
ウレタン(メタ)アクリレートオリゴマーは、ポリオールとジイソシアネートとを反応させて得られるイソシアネート化合物と、水酸基を有する(メタ)アクリレートモノマーとの反応により得ることができる。
前記ポリオールとしては、ポリカーボネートジオール、ポリエステルポリオール、ポリエーテルポリオール、ポリカプロラクトンポリオールが挙げられる。
ポリエーテル(メタ)アクリレートオリゴマーは、ポリオールの脱水縮合反応によって両末端に水酸基を有するポリエーテルオリゴマーを得、次いで、その両末端の水酸基をアクリル酸でエステル化することにより得られる。
ポリエステル(メタ)アクリレートオリゴマーは、例えば、ポリカルボン酸とポリオールの縮合によって両末端に水酸基を有するポリエステルオリゴマーを得、次いで、その両末端の水酸基をアクリル酸でエステル化することにより得られる。
粗面化工程にて深さ10〜500μmの範囲の孔が形成されるように粗面化したときは深さ50μm以上で、開口径が20μm以上の孔を含んでいるため、孔内部にエネルギー線硬化性樹脂層を形成するモノマー、オリゴマーまたはそれらの混合物20が入り込み易くなると共に、エネルギー線も孔内部に到達し易くなるため好ましい。
エネルギー線の照射方法は特に制限されるものではなく、未硬化状態のモノマー、オリゴマーまたはそれらの混合物が硬化するまで実施すればよい。
またエネルギー線の種類によっては密閉雰囲気中にて実施することもできる。
このため、金属成形体10とエネルギー線硬化性樹脂層21は、高い密着強度で一体化されている。
金属成形体10の厚みはエネルギー線硬化性樹脂層21の厚みよりも大きいものが好ましいが、金属板の両面にエネルギー線硬化性樹脂層21が形成された結果、エネルギー線硬化性樹脂層21の合計厚みの方が大きくなっているものでもよい。
例えば、金属物品(例えば、金属製の工具類)の粗面化部の上に置かれたICタグと粗面化部の両方がエネルギー線硬化樹脂層により覆われて封止されたもの、金属物品の粗面化部の上に形成された第1のエネルギー線硬化樹脂層の上に置かれたICタグが、さらに第2エネルギー線硬化樹脂層で覆われて封止されたものである。
このような金属物品は、上記した複合成形体の製造方法を適用して製造することができる。
ICタグは、エネルギー線硬化樹脂層(第1のエネルギー線硬化樹脂層)と金属物品が強い力で密着されており、かつICタグを覆っているため、金属物品を用途に応じて繰り返し使用し、使用後に繰り返して洗浄などした場合でも、ICタグが金属物品から脱落することはない。
このため、ICタグを備えた金属物品は、それぞれが簡単に同定できるようになり、使用履歴の管理が確実かつ容易になるほか、紛失および紛失自体に気づかないような事態の発生が完全に防止できる。
実施例1〜9は、図1に示すアルミニウム板10(縦45mm,横10mm,厚み1.5mm)の一表面11の中央部分にある粗面化対象部12(縦5mm,横10mm)に対して、次の条件でレーザー照射して粗面化した。比較例1〜9は粗面化しなかった。
発振機:;YLR−300−AC(シングルモードファイバーレーザ)IPG社製
集光系:fc=80mm/fθ=100mm
焦点はずし距離:±0mm(一定)
出力(W):300
波長(nm):1070
スポット径(μm):16
エネルギー密度(MW/cm2):300/(π×〔0.0016cm/2〕2)=約150 MW/cm2
レーザー照射速度(mm/sec):10000
照射パターン:双方向
繰り返し回数:10回
ライン本数:100
ライン間隔(mm):0.05
加工時間(s):1.78
孔深さは、レーザー光照射後の面(50mm2の広さ範囲)の一部(1mm×1mm=1mm2の面積)を選び、デジタルマイクロスコープM205C(ライカ・マイクロシステムズ(株))で測定した。具体的には、1mm×1mm の正方形に100μm間隔で平行に5本の直線を引き、その直線部分の断面観察から深さを測定した。5箇所の部分で測定した、最大の深さの平均を平均溝(孔)深さとした。
実施例で使用した粗面化後のアルミニウム板の孔深さは154μmであった。
その後、図5に示すようにして、アルミニウム板10の面11に対して幅10mmの金属ベラ(ステンレス製)を垂直に立てた状態で、面11と紫外線硬化樹脂層21の境界部分に1回の移動距離2cmで、合計10回衝突させて密着性を試験した。なお、実験は、同一人が実施し、次の基準で評価した。
○:10回の衝突後も全く変化がなかった。
×:1〜3回の衝突で紫外線硬化樹脂層がアルミニウム板から剥離した。
EB1290:ウレタンアクリレート,品名EBECRYL 1290,ダイセル・オルネクス(株)
EB8402:ウレタンアクリレート,品名EBECRYL 8402,ダイセル・オルネクス(株)
EB3700:エポキシアクリレート,品名EBECRYL 3700,ダイセル・オルネクス(株)
EB3708:エポキシアクリレート,品名EBECRYL 3708,ダイセル・オルネクス(株)
EB810:ポリエステルアクリレート,品名EBECRYL 810,ダイセル・オルネクス(株)
EB525:ポリエステルアクリレート,品名EBECRYL 525,ダイセル・オルネクス(株)
ACA Z200M:アクリル化アクリレート,品名サイクロマーP(ACA)Z200M,ダイセル・オルネクス(株)
IRR214K:アクリルモノマー,品名IRR214-K,ダイセル・オルネクス(株)
KRM8762:酸変性エポキシアクリレート,品名KRM8762,ダイセル・オルネクス(株)
光開始剤:Irgacure1173,BASF社製
実施例1〜9、比較例1〜9と同様にして複合成形体を製造して、密着性を試験した。紫外線硬化性樹脂は表2(数値は質量部表示)に示すものを使用した。結果を表2に示す。
jER828:ビスフェノールA型エポキシ樹脂, 品名 jER828,三菱化学(株)
YX8000:水添ビスフェノールA型エポキシ樹脂, 品名 YX8000,三菱化学(株)
X-40-2670:シリコーン変性エポキシ樹脂, 品名 X-40-2670,信越化学工業(株)
OXT-121:オキセタン化合物, 品名 OXT−121,東亞合成(株)製
ISB-DVE:ビニルエーテル化合物, 品名 ISB−DVE,(株)ダイセル製
光開始剤:CPI-101A,サンアプロ(株)
10 金属成形体
11 金属成形体の一面
12 粗面化部
20 紫外線硬化性樹脂
21 紫外線硬化性樹脂層
30 金属ベラ
Claims (12)
- 金属成形体の粗面化された深さ10〜500μmの孔を有する多孔構造の粗面化部を含む部分がエネルギー線硬化樹脂層で覆われており、
前記多孔構造の粗面化部の孔の少なくとも一部に前記エネルギー線硬化樹脂が入り込んだ状態で硬化されている、複合成形体。 - 前記エネルギー線硬化性樹脂層が紫外線硬化性樹脂層または電子線硬化性樹脂層である、請求項1記載の複合成形体。
- 前記エネルギー線硬化性樹脂層の厚みが0.01〜50mmである、請求項1または2記載の複合成形体。
- 金属成形体表面にエネルギー線硬化性樹脂層を有する複合成形体の製造方法であって、
前記金属成形体に対してレーザー光を照射して粗面化する工程、
前記金属成形体の粗面化部を含めた部分に対して、前記エネルギー線硬化性樹脂層を形成するモノマー、オリゴマーまたはそれらの混合物を接触させる工程、
前記モノマー、オリゴマーまたはそれらの混合物に対してエネルギー線を照射して前記エネルギー線硬化性樹脂層を形成する工程を有している、複合成形体の製造方法。 - 前記エネルギー線硬化性樹脂層を形成するモノマー、オリゴマーまたはそれらの混合物が、ラジカル重合性モノマーおよび前記ラジカル重合性モノマーのオリゴマーから選ばれるもの、カチオン重合性モノマーおよび前記カチオン重合性モノマーのオリゴマーから選ばれるもの、またはそれらから選ばれる2種以上の混合物である、請求項4記載の複合成形体の製造方法。
- 前記金属成形体に対してレーザー光を照射して粗面化する工程が、連続波レーザー光またはパルス波レーザー光を照射する工程である、請求項4または5記載の複合成形体の製造方法。
- 前記金属成形体に対してレーザー光を照射して粗面化する工程が、レーザー装置を使用してエネルギー密度が1MW/cm2以上で、2000mm/sec以上の照射速度でレーザー光を連続照射する工程である、請求項4または5記載の複合成形体の製造方法。
- 前記金属成形体に対してレーザー光を照射して粗面化する工程が、粗面化対象となる金属成形体の表面に対して、直線、曲線または直線と曲線の組み合わせになるようにレーザー光を照射するとき、レーザー光の照射部分と非照射部分が交互に生じるように照射する工程である、請求項4または5記載の複合成形体の製造方法。
- 前記エネルギー線硬化性樹脂が紫外線硬化性樹脂または電子線硬化性樹脂である、請求項4〜8のいずれか1項記載の複合成形体の製造方法。
- 前記エネルギー線硬化性樹脂層を形成するモノマー、オリゴマーまたはそれらの混合物を接触させる工程が、前記金属成形体の粗面化部を含めた部分に対して前記モノマー、オリゴマーまたはそれらの混合物を塗布する工程である、請求項4〜9のいずれか1項記載の複合成形体の製造方法。
- 前記エネルギー線硬化性樹脂層を形成するモノマー、オリゴマーまたはそれらの混合物を接触させる工程が、前記金属成形体の粗面化部を含めた部分を型枠で包囲して、前記型枠内に前記モノマー、オリゴマーまたはそれらの混合物を注入する工程であるか、または前記金属成形体を前記粗面化部を上にした状態で型内部に入れた後、前記型内部に前記モノマー、オリゴマーまたはそれらの混合物を注入する工程である、請求項4〜9のいずれか1項記載の複合成形体の製造方法。
- 前記エネルギー線硬化性樹脂層の厚みが0.01〜50mmである、請求項4〜11のいずれか1項記載の複合成形体の製造方法。
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