特開 2024-150119 融着方法

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】公開特許公報(A)

(11)【公開番号】P2024150119

(43)【公開日】2024-10-23

(54)【発明の名称】融着方法

(51)【国際特許分類】

   B29C 65/34 20060101AFI20241016BHJP

【ＦＩ】

B29C65/34

【審査請求】未請求

【請求項の数】13

【出願形態】ＯＬ

(21)【出願番号】P 2023063379

(22)【出願日】2023-04-10

(71)【出願人】

【識別番号】000006208

【氏名又は名称】三菱重工業株式会社

(74)【代理人】

【識別番号】110002147

【氏名又は名称】弁理士法人酒井国際特許事務所

(72)【発明者】

【氏名】柴 勇輔

(72)【発明者】

【氏名】岡部 良次

(72)【発明者】

【氏名】渡邊 保徳

【テーマコード（参考）】

4F211

【Ｆターム（参考）】

4F211AA29

4F211AA32

4F211AA34

4F211AA40

4F211AB13

4F211AD16

4F211AG01

4F211AG03

4F211AR06

4F211AR08

4F211AR12

4F211TA01

4F211TC01

4F211TD11

4F211TN29

4F211TQ01

4F211TW15

(57)【要約】

【課題】融着面内における温度分布の均一化を図り、被着体同士を好適に融着する。
【解決手段】被着体同士の間に絶縁層を介して配置される発熱体を発熱させて、被着体同士を融着する融着方法であって、前記被着体は、炭素繊維と、前記炭素繊維に含浸させた熱可塑性樹脂と、を含み、前記発熱体は、カーボンナノチューブを含む繊維の繊維方向を異ならせて配向した繊維シートを含み、前記絶縁層は、樹脂を含み、前記被着体同士の間に前記発熱体を配置すると共に、前記被着体と前記発熱体との間に前記絶縁層を配置するステップと、前記発熱体を昇温して、前記熱可塑性樹脂の融点温度または前記熱可塑性樹脂の結晶化開始温度よりも高い温度まで加熱するステップと、加熱後、前記融点温度以下または前記結晶化開始温度以下の温度から、前記結晶化停止温度または前記熱可塑性樹脂のガラス転移温度までの範囲において、前記被着体同士を加圧するステップと、を実行する。
【選択図】図２

【特許請求の範囲】

【請求項1】

被着体同士の間に絶縁層を介して配置される発熱体を発熱させて、被着体同士を融着する融着方法であって、
前記被着体は、炭素繊維と、前記炭素繊維に含浸させた熱可塑性樹脂と、を含み、
前記発熱体は、カーボンナノチューブを含む繊維の繊維方向を異ならせて配向した繊維シートを含み、
前記絶縁層は、樹脂を含み、
前記被着体同士の間に前記発熱体を配置すると共に、前記被着体と前記発熱体との間に前記絶縁層を配置するステップと、
前記発熱体を昇温して、前記熱可塑性樹脂の融点温度よりも高い温度または前記熱可塑性樹脂の結晶化開始温度よりも高い温度まで加熱するステップと、
加熱後、前記融点温度以下または前記結晶化開始温度以下の温度から、結晶化停止温度または前記熱可塑性樹脂のガラス転移温度までの範囲において、前記被着体同士を加圧するステップと、を実行する融着方法。

【請求項2】

前記繊維シートは、不織布である請求項１に記載の融着方法。

【請求項3】

前記繊維シートは、前記カーボンナノチューブの目付量が、１０ｇ／ｍ^２以下である請求項１に記載の融着方法。

【請求項4】

前記発熱体は、前記繊維シートに含浸させた樹脂を、さらに含む請求項１に記載の融着方法。

【請求項5】

前記繊維シートに含浸する前記樹脂の含浸率は、９％以上となっている請求項４に記載の融着方法。

【請求項6】

前記繊維シートに含浸する前記樹脂の含浸率は、２４％から１００％の範囲となっている請求項５に記載の融着方法。

【請求項7】

前記繊維シートに含浸する前記樹脂の含浸率は、５６％以上となっている請求項６に記載の融着方法。

【請求項8】

前記発熱体は、前記被着体が融着する融着部位と、前記発熱体を発熱させるための電極が接触する電極部位と、を含み、
前記樹脂は、前記融着部位に含浸する一方で、前記電極部位に含浸していない請求項４に記載の融着方法。

【請求項9】

前記発熱体の厚みは、０．１２ｍｍ以下である請求項１に記載の融着方法。

【請求項10】

前記絶縁層の厚みは、０．０６ｍｍ以下である請求項１に記載の融着方法。

【請求項11】

前記絶縁層は、前記樹脂が含浸するガラス繊維をさらに含む請求項１に記載の融着方法。

【請求項12】

前記被着体同士を加圧するステップでは、前記被着体の冷却速度が、予め要求される結晶化度を満足する冷却速度となっている請求項１に記載の融着方法。

【請求項13】

前記冷却速度は、１００℃／ｍｉｎ以下である請求項１２に記載の融着方法。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本開示は、被着体同士を融着する融着方法に関するものである。

【背景技術】

【0002】

従来、炭素繊維基材と熱可塑性樹脂とを含む第１複合材と第２複合材とを融着させる融着方法が知られている（例えば、特許文献１参照）。この融着方法では、第１複合材および第２複合材が加圧された状態で、第１複合材と第２複合材との間に配置した通電シートを加熱させることで、第１複合材と第２複合材とを融着させている。通電シートは、一方向に配向された炭素繊維基材となっている。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0003】

【特許文献1】特開２０２２－１７５３２０号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0004】

しかしながら、通電シート等の炭素繊維を含む発熱体として、一方向材を用いる場合、被着体の融着面内において、配向方向に直交する方向の温度分布が不均一、つまり、融着面内における温度差が大きくなり易く、融着強度が低下する可能性がある。また、被着体同士が加圧された状態で、発熱体により被着体を加熱すると、被着体に含まれる炭素繊維と発熱体とが短絡し易くなり、融着面内において、温度分布が不均一になり易く、融着強度が低下する可能性がある。

【0005】

そこで、本開示は、融着面内における温度分布の均一化を図り、被着体同士を好適に融着することができる融着方法を提供することを課題とする。

【課題を解決するための手段】

【0006】

本開示の融着方法は、被着体同士の間に絶縁層を介して配置される発熱体を発熱させて、被着体同士を融着する融着方法であって、前記被着体は、炭素繊維と、前記炭素繊維に含浸させた熱可塑性樹脂と、を含み、前記発熱体は、カーボンナノチューブを含む繊維の繊維方向を異ならせて配向した繊維シートを含み、前記絶縁層は、樹脂を含み、前記被着体同士の間に前記発熱体を配置すると共に、前記被着体と前記発熱体との間に前記絶縁層を配置するステップと、前記発熱体を昇温して、前記熱可塑性樹脂の融点温度または前記熱可塑性樹脂の結晶化開始温度よりも高い温度まで加熱するステップと、加熱後、前記融点温度以下または前記結晶化開始温度以下の温度から、結晶化停止温度または前記熱可塑性樹脂のガラス転移温度までの範囲において、前記被着体同士を加圧するステップと、を実行する。

【発明の効果】

【0007】

本開示によれば、被着体同士を好適に融着することができる。

【図面の簡単な説明】

【0008】

【図1】図１は、第一実施形態に係る融着方法の説明図である。

【図2】図２は、第一実施形態に係る融着方法の温度および圧力の変化に関するグラフである。

【図3】図３は、第二実施形態に係る融着方法の説明図である。

【図4】図４は、融着方法の一例の試験結果に関する説明図である。

【発明を実施するための形態】

【0009】

以下に、本開示に係る実施形態を図面に基づいて詳細に説明する。なお、この実施形態によりこの開示が限定されるものではない。また、下記実施形態における構成要素には、当業者が置換可能かつ容易なもの、あるいは実質的に同一のものが含まれる。さらに、以下に記載した構成要素は適宜組み合わせることが可能であり、また、実施形態が複数ある場合には、各実施形態を組み合わせることも可能である。

【0010】

［第一実施形態］
第一実施形態に係る融着方法は、被着体５同士の間に絶縁層６を介して配置される発熱体７を発熱させて、被着体５同士を融着する方法となっている。図１は、第一実施形態に係る融着方法の説明図である。図２は、第一実施形態に係る融着方法の温度および圧力の変化に関するグラフである。先ずは、被着体５、絶縁層６及び発熱体７についてそれぞれ説明する。

【0011】

被着体５は、炭素繊維と、炭素繊維に含浸させた熱可塑性樹脂と、を含む複合材である。被着体５は、例えば、板状に形成されている。炭素繊維は、導電性を有する繊維である。熱可塑性樹脂としては、例えば、ポリエーテルエーテルケトン（PEEK）、ポリアリールエーテルケトン（ＰＡＥＫ）、PPS（ポリフェニレンサルファイド）、ポリエーテルイミド（PEI）、ポリアミド（PA）等である。

【0012】

絶縁層６は、少なくとも樹脂を含むシートである。絶縁層６は、樹脂を用いた樹脂フィルム、または、ガラス繊維やガラスビーズに樹脂を含浸させたガラスマットが用いられる。また、絶縁層６の樹脂は、被着体５に含まれる樹脂と同じ樹脂となっている。絶縁層６の厚みは、０．０６ｍｍ以下となっている。

【0013】

発熱体７は、カーボンナノチューブを含む繊維を用いてシート状に形成した繊維シートであり、通電されることで発熱する抵抗体となっている。発熱体７には、一対の（正極及び負極の）電極１１が接触する。繊維シートは、カーボンナノチューブの目付量が、１０ｇ／ｍ^２以下となっている。発熱体７は、繊維の繊維方向を異ならせている。発熱体７は、不織布であってもよいし、織布であってもよい。発熱体７の厚みは、０．１２ｍｍ以下となっている。

【0014】

また、発熱体７は、繊維シートに樹脂を含浸させたものであってもよい。繊維シートに樹脂を含浸させる場合、樹脂は、被着体５に含まれる熱可塑性樹脂と同じであることが好ましい。繊維シートに含浸する樹脂の含浸率は、９％以上であればよく、好ましくは、２４％から１００％の範囲であればよい。最適な含浸率としては、５６％以上となっている。

【0015】

（融着方法）
次に、図１及び図２を参照して、融着方法について説明する。図１に示すように、融着方法では、被着体５同士の間に発熱体７を配置すると共に、被着体５と発熱体７との間に絶縁層６を配置するステップＳ１を実行する。具体的に、図１に示すように、ステップＳ１では、被着体５同士、つまり２つの被着体５を重ね合わせるときに、２つの被着体５の間に発熱体７を配置する。このとき、発熱体７は、電極１１が接触する部位が外部に露出するように配置される。２つの被着体５と発熱体７とのそれぞれの間には、絶縁層６が配置されるため、発熱体７及び２つの絶縁層６は、積層された３層構造となる。なお、発熱体７及び２つの絶縁層６は、一体化させることで単層構造としてもよい。また、発熱体７及び２つの絶縁層６は、２つの被着体５のそれぞれに一体化されていてもよい。

【0016】

ステップＳ１の実行後、融着方法では、発熱体７を昇温して、被着体５に含まれる熱可塑性樹脂の融点温度よりも高い温度または熱可塑性樹脂の結晶化開始温度よりも高い温度まで加熱するステップＳ２を実行する。ステップＳ２では、図２に示すように、電極１１から発熱体７に通電を行うことで、熱可塑性樹脂の融点温度よりも高い温度Ｔまで加熱する。また、ステップＳ２では、被着体５同士の加圧は実行されない。なお、ステップＳ２では、被着体５に対して積極的な加圧は実行しないものの、自重等による接触圧は発生している。なお、ステップＳ２では、被着体５の熱可塑性樹脂の温度Ｔを、熱可塑性樹脂の融点温度よりも高い温度としたが、熱可塑性樹脂の結晶化開始温度よりも高い温度であってもよい。

【0017】

ステップＳ２の実行後、融着方法では、ステップＳ１における加熱後、熱可塑性樹脂の融点温度以下または熱可塑性樹脂の結晶化開始温度以下の温度から、熱可塑性樹脂の結晶化停止温度または熱可塑性樹脂のガラス転移温度までの範囲において、被着体５同士を加圧するステップＳ３を実行する。ステップＳ３では、図２に示すように、熱可塑性樹脂が融点温度以下になるまでは、加圧をせずに、熱可塑性樹脂が融点温度以下になると、被着体５同士の加圧を開始する。ステップＳ３では、加圧時において、被着体５の冷却速度が、予め要求される結晶化度を満足する冷却速度となっており、具体的に、冷却速度は、１００℃／ｍｉｎ以下となっている。そして、ステップＳ３では、熱可塑性樹脂の結晶化停止温度または熱可塑性樹脂のガラス転移温度になるまでは、被着体５同士の加圧を実行し続ける。なお、ステップＳ３における被着体５同士の加圧は、熱可塑性樹脂の結晶化停止温度または熱可塑性樹脂のガラス転移温度より低くなった後、継続して実行してもよいし、解除してもよい。

【0018】

［第二実施形態］
次に、図３を参照して、第二実施形態について説明する。図３は、第二実施形態に係る融着方法の説明図である。なお、第二実施形態では、重複した記載を避けるべく、第一実施形態と異なる部分について説明し、第一実施形態と同様の構成である部分については、同じ符号を付して説明する。

【0019】

第二実施形態の融着方法は、第一実施形態の発熱体７において、熱可塑性樹脂が含浸する部位と、熱可塑性樹脂が含浸していない部位とを有している。具体的に、発熱体７は、被着体５が融着する融着部位７ａと、電極１１が接触する電極部位７ｂと、を含んでいる。熱可塑性樹脂は、融着部位７ａに含浸する一方で、電極部位７ｂに含浸していない。つまり、発熱体７は、熱可塑性樹脂が含浸する部位が融着部位７ａとなっており、熱可塑性樹脂が含浸していない部位が電極部位７ｂとなっている。そして、発熱体７は、電極部位７ｂが外部に露出した状態で、被着体５の間に配置される。

【0020】

次に、図４を参照して、融着方法における発熱体７及び絶縁層６の一例の試験結果について説明する。図４は、融着方法の一例の試験結果に関する説明図である。発熱体７は、カーボンナノチューブを含む繊維を用いた不織布（繊維シート）であり、この不織布に熱可塑性樹脂を含浸させたものである。また、発熱体７は、融着部位７ａに樹脂を含浸させる一方で、電極部位７ｂに樹脂を含浸させていないものとなっている。そして、発熱体７の融着部位７ａにおいて、厚みが０．０７ｍｍとなっている。絶縁層６は、ガラス繊維に樹脂を含浸させたガラスマットとなっており、厚みが０．０５ｍｍとなっている。

【0021】

上記の発熱体７及び絶縁層６を用いた試験結果では、被着体５同士の融着が成功し、融着した融着品の強度試験結果が、樹脂強度の８０％以上の結果が得られた。このため、十分な融着強度が得られることが確認された。

【0022】

以上のように、第一実施形態から第二実施形態に記載の融着方法は、例えば、以下のように把握される。

【0023】

第１の態様に係る融着方法は、被着体５同士の間に絶縁層６を介して配置される発熱体７を発熱させて、被着体５同士を融着する融着方法であって、前記被着体５は、炭素繊維と、前記炭素繊維に含浸させた熱可塑性樹脂と、を含み、前記発熱体７は、カーボンナノチューブを含む繊維の繊維方向を異ならせて配向した繊維シートを含み、前記絶縁層６は、樹脂を含み、前記被着体５同士の間に前記発熱体７を配置すると共に、前記被着体５と前記発熱体７との間に前記絶縁層６を配置するステップＳ１と、前記発熱体７を昇温して、前記熱可塑性樹脂の融点温度よりも高い温度または前記熱可塑性樹脂の結晶化開始温度よりも高い温度まで加熱するステップＳ２と、加熱後、前記融点温度以下または前記結晶化開始温度以下の温度から、結晶化停止温度または前記熱可塑性樹脂のガラス転移温度までの範囲において、前記被着体５同士を加圧するステップＳ３と、を実行する。

【0024】

この構成によれば、発熱体７として、カーボンナノチューブを含む繊維シートを用いることができるため、発熱体７の加熱時における被着体５の温度分布の均一化を図り、被着体５同士が融着する融着面内における温度差を小さくすることができる。また、被着体同士の加圧時において、融点温度以下または結晶化開始温度以下の温度から、結晶化停止温度または熱可塑性樹脂のガラス転移温度までの範囲において実行することができるため、被着体５に含まれる炭素繊維と発熱体とが短絡し難くなり、融着面内において、温度分布の均一化を図ることができる。以上から、融着面内における温度分布の均一化を図ることができ、被着体５同士を好適に融着することができる。

【0025】

第２の態様として、第１の態様に係る融着方法において、前記繊維シートは、不織布である。

【0026】

この構成によれば、発熱体７の加熱時における温度分布の均一化をより図ることができる。

【0027】

第３の態様として、第１または第２の態様に係る融着方法において、前記繊維シートは、前記カーボンナノチューブの目付量が、１０ｇ／ｍ^２以下である。

【0028】

この構成によれば、カーボンナノチューブの目付量を適切な目付量とすることができるため、発熱体７による加熱を好適に行うことができ、被着体５の融着強度を十分な強度とすることができる。

【0029】

第４の態様として、第１から第３のいずれか１つの態様に係る融着方法において、前記発熱体は、前記繊維シートに含浸させた樹脂を、さらに含む。

【0030】

この構成によれば、発熱体７の繊維シートに樹脂を含浸させることができるため、被着体５と発熱体７との融着を好適なものとすることができ、被着体５同士の融着も好適なものとすることができる。

【0031】

第５の態様として、第４の態様に係る融着方法において、前記繊維シートに含浸する前記樹脂の含浸率は、９％以上となっている。

【0032】

この構成によれば、発熱体７の加熱時における温度分布の均一化を適切に図ることができる。

【0033】

第６の態様として、第５の態様に係る融着方法において、前記繊維シートに含浸する前記樹脂の含浸率は、２４％から１００％の範囲となっている。

【0034】

この構成によれば、発熱体７の加熱時における温度分布の均一化をより適切に図ることができる。

【0035】

第７の態様として、第６の態様に係る融着方法において、前記繊維シートに含浸する前記樹脂の含浸率は、５６％以上となっている。

【0036】

この構成によれば、発熱体７の加熱時における温度分布の均一化を最適なものとすることができる。

【0037】

第８の態様として、第４の態様に係る融着方法において、前記発熱体７は、前記被着体５が融着する融着部位７ａと、前記発熱体７を発熱させるための電極１１が接触する電極部位７ｂと、を含み、前記樹脂は、前記融着部位７ａに含浸する一方で、前記電極部位７ｂに含浸していない。

【0038】

この構成によれば、発熱体７の繊維シートに対して、電極１１を適切に接触させることができる。

【0039】

第９の態様として、第１から第８のいずれか１つの態様に係る融着方法において、前記発熱体の厚みは、０．１２ｍｍ以下である。

【0040】

この構成によれば、発熱体７の厚みを薄くすることができるため、被着体５同士を好適に融着させることができる。

【0041】

第１０の態様として、第１から第９のいずれか１つの態様に係る融着方法において、前記絶縁層の厚みは、０．０６ｍｍ以下である。

【0042】

この構成によれば、発熱体７から被着体５への伝熱を好適に行うことができる。

【0043】

第１１の態様として、第１から第１０のいずれか１つの態様に係る融着方法において、前記絶縁層６は、前記樹脂が含浸するガラス繊維をさらに含む。

【0044】

この構成によれば、絶縁層６により発熱体７と被着体５の炭素繊維との短絡を好適に抑制することができる。

【0045】

第１２の態様として、第１から第１１のいずれか１つの態様に係る融着方法において、前記被着体５同士を加圧するステップＳ２では、前記被着体５の冷却速度が、予め要求される結晶化度を満足する冷却速度となっている。

【0046】

この構成によれば、被着体５同士を加圧時において、熱可塑性樹脂の結晶化を促す温度とすることができるため、融着強度を高めることができる。

【0047】

第１３の態様として、第１２の態様に係る融着方法において、前記冷却速度は、１００℃／ｍｉｎ以下である。

【0048】

この構成によれば、熱可塑性樹脂の温度を結晶化に適した温度にすることができる。

【符号の説明】

【0049】

５ 被着体
６ 絶縁層
７ 発熱体
１１ 電極

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】