半結晶性熱可塑性樹脂の接着のベストプラクティス

半結晶性熱可塑性樹脂の接着のベストプラクティス

汎用グレードから高性能グレードまで、半結晶性ポリマーは自己接着も異種材料との接着も困難です。接着に必要な強固な分子間結合を形成するには、清浄な基材表面（多くの場合、前処理との併用）が求められます。接着剤の選定と適切な硬化が、狙いどおりの結果を得るための鍵となります。

一般に、ポリマーは固体状態で「非晶性」と「半結晶性」の2種類の形態を示します。条件によっては、両方の形態を示すポリマーもあります。アクリルやポリカーボネートなどの非晶性ポリマーには明確な融点がなく、徐々に軟化します。分子はランダムに配向して絡み合っており（茹でたスパゲッティのような状態）、ガラスのような透明な外観を持ちます。半結晶性ポリマーには明確な融点があり、分子は規則的な直線構造を持つ秩序ある領域に密に詰まっています。結晶部は光を散乱させるため、通常は不透明度が高くなります。半結晶性ポリマーは、分子鎖の密な充填に伴う強い分子間力により、強靭なプラスチックとなる傾向があります（図2を参照）。

半結晶性ポリマーは、疎水性で化学的に不活性であり、表面の濡れ性が低い（すなわち表面エネルギーが低い）ため、本質的に接着が困難です。これらの特性は性能面では非常に望ましいものですが、濡れ性の低さは製造現場にとって接着上の課題となります。さらに、ナイロンなどの半結晶性ポリマーは、大気中から質量の3％を超える水分を吸収します。水分はそれ自体が密着上の問題を引き起こします。そのため、成形後できるだけ早く接着工程を行うか、部品を乾燥剤とともにポリエチレン以外の袋に密封して保管することが重要です。適切な乾燥手順は、加工と部品性能の両面で不可欠です。

重要ポイント

• 形態が接着性を左右します。アクリルやポリカーボネートなどの非晶性ポリマーは、半結晶性ポリマーより接着しやすい傾向があります。
• トルエン、キシレン、アセトンまたはMEKで洗浄します。アルコールで除去できるのは表面の汚れだけで、炭化水素系の汚染物は除去できません。
• シリコーン、離型剤、スリップ防止剤は接着を阻害するため、前処理の前に除去する必要があります。
• 密着不良には目視で判断できる特徴があります。残留接着剤が両方ではなく、片方の基材にのみ残ります。
• これらのポリマーには、エポキシ、アクリル、ウレタンが代表的な構造用接着剤として使われます。

よくあるご質問

半結晶性ポリマーが非晶性ポリマーより接着しにくいのはなぜですか？

分子の形態によるものです。アクリルやポリカーボネートなどの非晶性ポリマーは、分子がランダムに配向して絡み合い、明確な融点を持たず徐々に軟化します。半結晶性ポリマーは秩序ある構造を持ち、その秩序が、接着に必要な濡れを妨げます。

半結晶性ポリマーの表面洗浄には、どの溶剤を使用すべきですか？

社内の溶剤使用方針および各州の法令に従い、中程度から高強度のトルエン、キシレン、アセトンまたはMEKを使用します。適した洗浄剤はポリマーのデータシートに記載されています。アルコールは溶解力が弱く、表面の汚れは除去できますが、炭化水素系の汚染物は除去できません。

密着不良と凝集破壊はどのように見分けますか？

接着剤が残る場所で判断します。密着不良は接着剤と被着体の界面で発生し、外観上は接着剤が片方の表面にのみ残り、もう一方の基材には残りません。凝集破壊では、接着剤が両方の面に残ります。

半結晶性ポリマーにはどの接着剤が適していますか？

構造用接着剤が適しており、エポキシ、アクリル、ウレタンが一般的に使われます。2液型エポキシはエポキシ樹脂と硬化剤を混合して使用します。接合部の設計では、引張、圧縮、せん断、はく離、へき開の各力（多くは複合的に作用します）を考慮する必要があります。

接着を最も確実に損なう汚染物は何ですか？

低分子量物質、すなわちシリコーン、離型剤、スリップ防止剤です。これらは接着を直接阻害し、表面に残っている限り、どれほど前処理を行っても補えません。

表面洗浄と前処理

高い接着強度を得るには、表面処理の準備が不可欠です。表面は、汚れ、グリース、油分のない清浄な状態でなければなりません。シリコーン、離型剤、スリップ防止剤などの低分子量物質（LMWM）は接着を阻害します。半結晶性ポリマーの表面を適切に洗浄してLMWMを除去するには、一般に、社内の溶剤使用方針および各州の法令に従い、中程度から高強度のトルエン、キシレン、アセトンまたはMEKを使用します。適した洗浄剤はポリマーのデータシートに記載されています。アルコールは溶解力が弱く、表面の汚れしか除去できず、炭化水素系の汚染物は除去できません。

常に適切な手法を用いる必要があります。糸くずの出ない布を使用し、パウダーフリーの保護手袋を着用してください。溶剤が過剰になると、未除去の薬品による弱い境界層が形成され、曇りが残って接着を阻害します。

半結晶性ポリマーの接着用途では、溶剤洗浄の直後にプラズマ前処理が必要となることが少なくありません。気相での表面酸化前処理には、コロナ放電、大気圧プラズマ、空気プラズマ、火炎プラズマ、低圧RF低温ガスがあります。これらの処理は、自由電子、陽イオンなどを含む極めて反応性の高いガスである「ガスプラズマ」を生成できる点が特徴です。化学的な表面官能基化も同時に起こります。物理学的にはプラズマの発生メカニズムはそれぞれ異なりますが、表面の濡れ性に及ぼす効果は類似しています。各方式は用途に応じて選択され、それぞれ利点や制約があります。

たとえば、電気式の前処理ではすべての多環芳香族炭化水素を除去・洗浄できないため、溶剤洗浄を続ける必要が生じる場合があります。RF低温ガス前処理は炭化水素を除去するため、事前洗浄は不要です。

一般的な目安として、基材の表面エネルギーが液体または接着剤の表面張力よりおよそ10 dyne/cm高いときに、許容できる接着密着性が得られます。未処理ナイロンの表面エネルギーは約40 dyne/cmです。したがって、処理後に必要な表面エネルギーは50～54 dyneの範囲となります。この状態では、液体が表面に「濡れ広がる」、つまり密着するといいます。表面エネルギーによる「濡れ」を測定する一般的な方法は、試験方法ASTM D2578に従い、校正済みのダイン液を使用するものです。

接着剤と硬化

定義上、「密着不良」は接着剤と被着体（基材）の界面で発生します。外観上は、接着剤がどの位置でも片方の表面にのみ残り、もう一方の基材被着体には残りません。接着用途ではいずれも、最適な接合部設計が不可欠です。接着接合部には、引張、圧縮、せん断、はく離、へき開の各力が、多くの場合、複合的に作用します。

半結晶性ポリマーの接着用途の多くでは、エポキシ、アクリル、ウレタンなどの構造用接着剤が一般的に使われます。2液型エポキシは、エポキシ樹脂と硬化剤を混合するか、「デュオパック」アプリケーターを調達して使用します。最適なせん断強度と引張強度を得るには、均一で薄い接着層厚（0.002～0.007インチ）が望ましいとされます。完全硬化までの時間は、75°Fで通常約7日ですが、用途や環境条件によって異なります。加熱（120～210°F）により硬化を促進でき、重合がさらに進んでエポキシの特性が向上する場合があります。成形後の加熱処理の上限は、一般にポリマーの熱変形温度です。焼成時間と温度は用途ごとに設定します。

接着強度を高めようとして接着剤を多めに塗布するのは、よくある誤った慣行です。過剰な接着剤は有害で、接着不良の主因となります。たとえばエポキシ接着剤は熱膨張係数が比較的大きくなります。接着層は薄く、厚さを均一に保つ必要があります（最大せん断強度を得るには通常3～5ミル）。用途に応じた最適な接着層厚については、接着剤メーカーが助言できます。あらかじめ計量された「デュオパック」アプリケーターを使えば、混合上の問題がなくなり、より正確な混合比が得られます。化学量論的な反応も良好となり、強度とアウトガス特性の向上につながります。

接着する部品の表面テクスチャーについて、成形したままの状態で、溶剤洗浄とプラズマ前処理に加えてテクスチャー表面にすると、機械的なかみ合い（アンカー効果）による密着が高まります。テクスチャーは金型内で付与することも、スコッチブライトパッドで手作業により付与することもできます。たとえば、NTMAの金型キャビティ仕上げ「40-ダイヤモンドバフ研磨 1200番手」は、仕上げ「10-ファインダイヤモンド 8000番手」（0～3ミクロン範囲）より接着強度が向上する可能性が高いです。わずかなテクスチャーでも効果があります（図3を参照）。

まとめとして、半結晶性ポリマーで高強度の接着接合を実現するには、次の対策を推奨します。

• 成形前に樹脂を適切に乾燥させてください。
• 成形後、できるだけ早く接着工程を行ってください。
• 溶剤で部品表面を洗浄し、表面の異物と炭化水素系の汚染物を除去してください。
• 溶剤洗浄に加えて、濡れ性の向上と化学的な官能基化のため、プラズマ表面前処理の導入をご検討ください。
• 薄く均一な接着層を形成してください。製品表面にテクスチャーがあれば、さらに効果が得られます。

Scott R. SabreenはThe Sabreen Group, Inc.の創業者兼社長です。同社は、表面前処理、接着、加飾・仕上げ、レーザーマーキング、製品セキュリティといったプラスチック二次加工プロセスを専門とするエンジニアリング会社です。30年以上にわたり、新技術の開発と製造上の課題解決に取り組んでいます。Sabreenへのご連絡は972.820.6777、またはwww.sabreen.comもしくはwww.adhesionbonding.comをご覧ください。

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