JP2933310B1 - 熱可塑性樹脂成形品の熱溶着に際して用いられる発熱体 - Google Patents

熱可塑性樹脂成形品の熱溶着に際して用いられる発熱体

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Abstract

【要約】 【技術課題】 成形品の熱溶着に使用した発熱体が、成
形品を廃棄するときに分別しないで済むようにする。
又、溶着強度の高い溶着方法と発熱体を得る。 【解決手段】 炭素繊維を用いた発熱体４又はこの発熱
体４に樹脂をコーティング又は含浸させたり、炭素繊維
編組又は織物に樹脂糸を編み込んだ発熱体を成形品１と
補強板３間に挟み込んで電圧を印加し、成形品１と補強
板３を溶着させる。このように、発熱体４を金属線では
なく、炭素繊維を主体とすることにより、成形品１、補
強板３の廃棄に際して、発熱体４と樹脂を分別する必要
がなくなる。又、炭素繊維の発熱体４に樹脂をコーティ
ング又は含浸させたりすることにより、溶着強度を高め
ることができる。

Description

【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は、対面する熱可塑性
樹脂で成形された成形品の接合面に、発熱体を挟み込
み、適宜な力で加圧しながら発熱体に電圧を印加して発
熱させることにより、接合面の樹脂を溶融させ、その後
電圧の印加を止めて硬化させることにより成形品同士を
溶着させる際に用いられる発熱体に関する。
【０００２】
【従来の技術】熱可塑性樹脂で成形された互いの成形品
を接合する場合、接合方法の一つとして、その接合面間
に電気抵抗に基づく金属製の発熱体を挟み込み、適宜な
力で加圧しながら前記発熱体に電圧を印加して発熱さ
せ、その熱で接合面の樹脂を溶融させ、その後、電圧の
印加を止めて冷却することにより溶融した樹脂を硬化さ
せて成形品同士を溶着させる溶着方法が公知である。こ
の溶着方法は、接着剤を用いる方法や超音波、高周波電
磁誘導を用いる方法に比べて短時間で接合でき、又、少
ない設備投資で実施可能な優れた方法である。
【０００３】一方、接着剤を用いる方法の場合には、固
定するまで時間がかかると共に、接着剤が接合面から漏
れだして汚れの原因となる。又、超音波や高周波電磁誘
導を用いる場合には、例えば、内部に電子回路を内蔵し
ていると、電子部品に影響を与える心配があり、さらに
大がかりな設備を必要とし、そのため多くの費用が発生
する。又、騒音による作業環境への弊害等が考えられ
る。
【０００４】以上のように、金属製の発熱体を用いる熱
溶着方法は優れた溶着方法ではあるが、次のような欠点
もある。 １．樹脂の中に金属が埋設されているため、製品の樹脂
の再利用や廃棄のとき、樹脂と金属を分離するのに手間
がかかる。 ２．軽量を必要とする製品には金属の重量が加算される
ため、軽量化が達成できない。
【０００５】 ３．金属製の発熱体は、溶着後はこの溶着面に異物とし
て残るため、この分、溶着面積が小さくなる。このた
め、発熱体を出来るだけ小径にしたいが、あまり小径に
すると発熱量が減り、溶着までに時間がかかる。 ４．金属製の発熱体の太さに限度があるため、成形品同
士の溶着面が広い場合（幅がある場合）には、数条の発
熱体を溶着面に挟み込む必要があり、この挟み込みに時
間と手間がかかる。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】本発明の目的は、製品
の再利用や廃棄するとき、熱可塑性樹脂と分別する必要
がなく、更に軽量化が可能であると共に、溶着強度を高
め、広い溶着面を有する成形品に対しても簡単に対応で
きる熱可塑性樹脂成形品の溶着方法に用いられる発熱体
を提供することである。
【０００７】
【課題を解決するための手段】上記目的を達成するた
め、請求項１に記載の発明においては、熱可塑性樹脂成
形品の熱溶着に際して用いられる発熱体において、対面
する溶着すべき熱可塑性樹脂成形品の接合面に、炭素繊
維を主体とする発熱体を挟み込み、適宜な力で加圧しな
がら前記発熱体へ電圧を印加して発熱させて接合面の樹
脂を溶融し、その後、電圧の印加を止めて樹脂を冷却
し、硬化させることにより、成形品同士を溶着させる熱
可塑性樹脂成形品の熱溶着方法に使用される発熱体であ
って、この発熱体は、炭素繊維糸と樹脂糸とを撚り合わ
せて、又は炭素繊維編組に樹脂糸を編み込んで、又は炭
素繊維織物に樹脂糸を織り込んで構成したものであるこ
とを特徴とするものである。
【０００８】
【作用】発熱体に炭素繊維糸と樹脂糸を用いたことによ
り、製品の樹脂の再利用や廃棄時に、樹脂と発熱体を分
離する必要がなくなる。
【０００９】炭素繊維編組に樹脂糸を編み込んだり、炭
素繊維織物に樹脂糸を織り込んだり、炭素繊維糸と樹脂
糸を撚り合わせることにより、発熱体にあっては、炭素
繊維が発熱すると、先ず樹脂糸が溶融し、次に接合面の
樹脂が溶融する。この結果、炭素繊維と一体となった樹
脂がバインダーとして機能し、溶着強度を高めることに
なる。
【００１０】以上のように、炭素繊維織物、編物、撚り
物と樹脂糸から成る本発明に係る発熱体には、金属の発
熱体に比べて、次のような利点がある。 １．樹脂製品を廃棄するとき、金属と分離する必要がな
い。 ２．金属の発熱体に比べ軽量であるため、製品の軽量化
が図れる。例えば、鉄の比重は７．８７なのに対し、炭
素繊維の比重は１．７であるため、発熱体が占める重量
を１／５に軽量化できる。 ３．金属の発熱体に比べ線膨張係数が小さいため、発熱
時における発熱体の変形が少なく、安定した溶着を得ら
れる。例えば、鉄の線膨張係数は１１．７×１０-6／℃
に対し、炭素繊維は２．５×１０-6／℃である。
【００１１】 ４．炭素繊維の繊維同士の間隔が小さく、隙間が無数に
あるため、樹脂を編み込んだり、織り込んだ場合、溶融
した樹脂が炭素繊維糸の隙間に入り込むことにより、高
い溶着強度が得られる。 ５．発熱体を編組又は織物リボン状とすることにより、
広い溶着面積のものに簡単に対応できる。
【００１２】
【発明の実施の形態】熱可塑性樹脂で成形されたお互い
の成形品を溶着する場合、その接合面に炭素繊維の編組
又は織物又はこれに樹脂糸を編み込んだり、織り込んだ
発熱体を挟み込み、適宜な力で成形品を加圧しながら、
発熱体に電圧を印加する。その発熱で接合面の樹脂を溶
融させてお互いの成形品を溶着させ、事前に設定した時
間が経過後、電圧の印加を止めて冷却させる。その結
果、接合面の溶融した樹脂が硬化し、溶着されて一体化
した成形品が完成する。
【００１３】近年、自動車の軽量化を図るため、外装に
成形品を用いることが多くなった。図１ではポリプロピ
レン樹脂を用いた外装用成形品１へ補強及び車体へ取り
付けるためのフック２を一体成形したポリプロピレン樹
脂製の補強板３を炭素繊維発熱体４を用いて熱溶着する
図である。炭素繊維へコーティングする樹脂としては、
成形品と同一のポリプロピレン樹脂を用いている。
【００１４】以下に、溶着方法を説明すると、補強板３
へ予め溶着用電極５を挿入するための挿入穴６を炭素繊
維発熱体４の両端付近へ穿設させておく。まず、外装用
成形品１と補強板３に炭素繊維発熱体４を挟んだ後、補
強板３を適宜な力で加圧保持し、溶着用電源回路（図示
せず）に各接続された２本の溶着用電極５は、挿入穴６
を通して炭素繊維発熱体４におのおの当接させる。
【００１５】次に、溶着用電極５より電圧を炭素繊維発
熱体４に印加するとジュール熱により発熱し、炭素繊維
発熱体４にコーティングした樹脂と炭素繊維発熱体４周
囲の樹脂が溶融した。７秒間通電の後、電圧を止め溶着
用電極５を外しながら冷却を行い、溶融した樹脂が硬化
して外装用成形品１と補強板３は結合されて溶着は完了
した。次に、無加工の炭素繊維の場合、樹脂コーティン
グした場合、炭素繊維を編んだ場合、そして金属ワイヤ
ーの発熱体を用いた場合の発熱温度と溶着強度（引っ張
り強度）を比較した。
【００１６】
【比較例１】図２、図３は、ポリプロピレン樹脂の樹脂
板Ａ１０、樹脂板Ｂ２０を炭素繊維発熱体３０にて溶着
させる実施図である。本実施例に用いる炭素繊維発熱体
３０は、炭素繊維を撚って使用した。その長さは２００
ｍｍとし、樹脂板Ａ１０及び樹脂板Ｂ２０の大きさは１
８０×３０×２（Ｌ×Ｗ×Ｈｍｍ）とした。炭素繊維発
熱体３０の温度変化は、その長さの２等分点Ｂ、そして
その点から６０ｍｍ離れた２点Ａ、Ｃの合計３点を測る
こととした。
【００１７】先ず、図２のように、樹脂板Ａ１０の中心
部に炭素繊維発熱体３０を置き、樹脂板Ｂ２０を樹脂板
Ａ１０の上に被せた。その様子を図３に示す。両端から
炭素繊維発熱体３０が２０ｍｍ程度露出されるが、その
露出部を、電圧を印加する電圧印加部４０とする。次
に、樹脂板Ｂ２０全体を２Ｎの力で加圧保持すると共
に、炭素繊維発熱体３０の両端の電圧印加部４０間と８
００ＶＡの電源トランスの２次側とを接続し、前記電源
トランスの１次側を遮断機を通してＡＣ１００Ｖに接続
した。
【００１８】以上のように各接続した後、遮断機をＯＮ
にして、４秒間電圧を印加した。炭素繊維発熱体３０は
発熱し、樹脂板Ａ１０と樹脂板Ｂ２０の接合面の樹脂は
溶融し、更に加圧されているため、相互が密着して混合
一体となる。所定時間経過後、電圧印加を止めて冷却す
ると、溶融した樹脂は硬化し、樹脂板Ａ１０と樹脂板Ｂ
２０は接合され、溶着が完成した複合樹脂板が得られ
た。図５に温度測定点３点の温度変化を示す。最高温度
による差は２０度であった。以上のように溶着した樹脂
板を図４のように２０×１５ｍｍの大きさで４枚に切断
して試験片５０とし、引っ張り強度の試験を行った。そ
の結果を表１に示す。平均値は７５Ｎであった。
【００１９】
【比較例２】発熱体に、直径が０．６ｍｍであるステン
レス製のワイヤを比較例１と同一の長さである２００ｍ
ｍに切断してワイヤ発熱体６０として用いた。他の樹脂
板Ａ１０及び樹脂板Ｂ２０は実施例１と同一である。先
ず、樹脂板Ａ１０の幅における中心部にワイヤ発熱体６
０を沿わせ、樹脂板Ｂ２０を樹脂板Ａ１０の上に被せ
た。次に、２Ｎの力で加圧保持しながらワイヤ発熱体６
０の両端の電圧印加部４０間と３００ＶＡの電源トラン
スの２次側とを接続し、前記電源トランスの１次側をＡ
Ｃ１００Ｖに接続した。以上のように接続してから電圧
を１．５秒間印加した。電圧印加時間経過後、冷却する
と溶融した樹脂は硬化し、樹脂板Ａ１０と樹脂板Ｂ２０
は接合され、溶着が完成した。図６に温度測定点３点の
温度変化を示す。最高温度による差は４０度であった。
前記のように溶着した樹脂板５０を、比較例１と同様に
切断して、引っ張り強度の試験を行った。その結果を表
１に示す。平均値は１２４Ｎであった。
【００２０】
【比較例３】比較例１に用いた炭素繊維にポリプロピレ
ン樹脂をコーティングした樹脂コーティング炭素繊維を
用いた溶着を、比較例１と同じようにして行った。印加
時間及び印加電圧も同じである。前記のように溶着した
樹脂板５０を、比較例１と同様に切断して、引っ張り強
度の試験を行った。その結果を表１に示す。平均値は１
６４Ｎであった。
【００２１】
【比較例４】炭素繊維を編み紐状に編んでリボンのよう
なリボン状炭素繊維発熱体７０にし、そのリボン状炭素
繊維発熱体７０を、図７のごとく樹脂板Ａ１０の接合面
に置いた後、樹脂板Ｂ２０を図８のように被せた。な
お、電圧印加部４０における電圧印加方法は、電圧印加
部４０を金属の板で上下から挟み、リボン状炭素繊維発
熱体７０に均等に電圧を供給できるようにした。他は比
較例１と同じようにして溶着を行った。このとき、前記
リボン状炭素繊維発熱体７０の両端の電圧印加部４０は
１０００ＶＡの電源トランスの２次側に接続した。電圧
印加時間は８秒である。前記のように溶着した樹脂板５
０を、実施例１と同様に切断して、引っ張り強度の試験
を行った。その結果を表１に示す。平均値は１９３Ｎで
あった。
【００２２】
【表１】
【００２３】以上の各比較例における引っ張り強度の測
定値を表１にまとめた。表１から判るように、炭素繊維
のみでは明らかに金属製の発熱体よりも強度が落ちてい
る。しかし、炭素繊維へ樹脂をコーティング加工や含浸
加工を施すことや、炭素繊維を編んだり織ったり加工し
た発熱体に用いると明らかに強度が向上し、特に後者の
加工による発熱体は金属製に比べ１．５倍の強度が得ら
れた。
【００２４】これは、炭素繊維に樹脂をコーティングし
たり含浸すると、発熱により炭素繊維の樹脂を成形品の
樹脂が溶融し直ちに混合され、後硬化するため広い面積
の溶着部を得られる為と、炭素繊維の表面と溶融樹脂の
結合が金属製に比べてより強固に行われることが考えら
れる。
【００２５】炭素繊維に樹脂をコーティングしたり含浸
させたり、編み込んだり、織り込んだりする場合、樹脂
は被溶着成形品と同一の樹脂を用いることが好ましい
が、近い性質の樹脂を用いても構わない。一方、炭素繊
維を用いた発熱体と金属ワイヤを用いた発熱体の温度上
昇を表した図５と図６を比較すると、炭素繊維は溶融温
度までの時間を若干多く必要とするが、炭素繊維の発熱
体の場合の各測定点の最高温度の差は２０度であり、金
属製の場合は４０度であった。
【００２６】又、温度変化を見ると炭素繊維の発熱体は
各測定点の温度差が無くほぼ均一に変化しているのが判
る。金属を用いた発熱体の温度変化は上昇時ほぼ均一で
あるが、電圧印加を停止した後の余熱時、温度差が生じ
ているのが判る。したがって、本発明の炭素繊維発熱体
を用いることにより、温度分布の均一性が優れ、安定し
た溶着が得られ、特に広い面を溶着する場合、有効な溶
着といえる。
【００２７】
【発明の効果】以上のように、本発明に係る発熱体を用
いることにより、次のような効果を奏する。 １．金属の発熱体を用いて熱溶着した成形品の樹脂を再
利用する時や成形品を廃棄する場合、金属の発熱体と成
形品を分別しなければならないが、溶着した成形品の溶
着面に残留する炭素繊維の量は、成形品の樹脂量に比較
して微量であり、更に金属のように成形品を粉砕すると
きに邪魔とならないことから、そのまま粉砕機にかけて
粉砕してしまうことができる。よって、成形品の廃棄或
いは再利用時に、発熱体を分別する必要がなくなる ２．炭素繊維に樹脂をコーティングしたり、含浸させた
り、編み込んだり、織り込んだりすることにより、溶着
強度が向上する。
【００２８】 ３．炭素繊維を編んだり、織ってリボン状とすることに
より、広い面積を有する発熱体が得られ、面溶着する時
に有効である。 ４．金属製の発熱体に比較して、軽量化が図れる。例え
ば、鉄製の発熱体と炭素繊維の発熱体の比較では１／５
に低減できる。 ５．炭素繊維の線膨張係数が２．５×１０-6／℃と小さ
いため、発熱しても発熱体の形状が変形しないため溶着
位置がズレることなく、正確な溶着を得られる。
【図面の簡単な説明】
【図１】実施例１の説明図。
【図２】比較例１及び比較例２による熱溶着をする準備
図。
【図３】比較例１及び比較例２による熱溶着実施図。
【図４】熱溶着強度測定用試験片の説明図。
【図５】比較例１による発熱体の温度変化を示すグラ
フ。
【図６】比較例２による発熱体の温度変化を示すグラ
フ。
【図７】比較例４による熱溶着をする準備図。
【図８】比較例４による熱溶着実施図。
【符号の説明】
１ 外装用成形品 ３ 補強板 ４ 炭素繊維発熱体 ５ 溶着用電極 ６ 挿入穴 １０ 樹脂板Ａ ２０ 樹脂板Ｂ ３０ 炭素繊維発熱体 ４０ 電圧印加部 ６０ ワイヤ発熱体 ７０ リボン状炭素繊維発熱体
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 佐久間 英明 福島県福島市蓬莱町一丁目11番１号 東 北ムネカタ株式会社内 (72)発明者 鴫原 孝夫 福島県福島市蓬莱町一丁目11番１号 東 北ムネカタ株式会社内 (56)参考文献 特開 昭52−66582（ＪＰ，Ａ) 特開 昭63−53013（ＪＰ，Ａ) 特開 昭60−199633（ＪＰ，Ａ) 特開 平１−141026（ＪＰ，Ａ) 特開 平１−195023（ＪＰ，Ａ) 特開 平３−248832（ＪＰ，Ａ) 特開 平４−93（ＪＰ，Ａ) (58)調査した分野(Int.Cl.6，ＤＢ名) B29C 65/34 - 65/36

Claims (1)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】 対面する溶着すべき熱可塑性樹脂成形品
    の接合面に、炭素繊維を主体とする発熱体を挟み込み、
    適宜な力で加圧しながら前記発熱体へ電圧を印加して発
    熱させて接合面の樹脂を溶融し、その後、電圧の印加を
    止めて樹脂を冷却し、硬化させることにより、成形品同
    士を溶着させる熱可塑性樹脂成形品の熱溶着方法に使用
    される発熱体であって、この発熱体は、炭素繊維糸と樹
    脂糸とを撚り合わせて、又は炭素繊維編組に樹脂糸を編
    み込んで、又は炭素繊維織物に樹脂糸を織り込んで構成
    したものであることを特徴とする熱可塑性樹脂成形品の
    熱溶着に際して用いられる発熱体。
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