特開 2024-8799 接合方法

(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】P2024008799

(43)【公開日】2024-01-19

(54)【発明の名称】接合方法

(51)【国際特許分類】

   B29C 65/02 20060101AFI20240112BHJP

   B32B 37/12 20060101ALI20240112BHJP

   B32B 15/08 20060101ALI20240112BHJP

【ＦＩ】

B29C65/02

B32B37/12

B32B15/08 N

【審査請求】未請求

【請求項の数】8

【出願形態】ＯＬ

(21)【出願番号】P 2023002655

(22)【出願日】2023-01-11

(31)【優先権主張番号】P 2022110084

(32)【優先日】2022-07-07

(33)【優先権主張国・地域又は機関】JP

(71)【出願人】

【識別番号】514173744

【氏名又は名称】輝創株式会社

(74)【代理人】

【識別番号】100167276

【弁理士】

【氏名又は名称】渡邉 秀樹

(74)【代理人】

【識別番号】100165331

【弁理士】

【氏名又は名称】森岡 智昭

(72)【発明者】

【氏名】前田 知宏

【テーマコード（参考）】

4F100

4F211

【Ｆターム（参考）】

4F100AA01C

4F100AB01A

4F100AB09

4F100AB10

4F100AB31

4F100AJ06

4F100AK01B

4F100AK01C

4F100AK26

4F100AK46

4F100BA03

4F100BA07

4F100DE01C

4F100EH36C

4F100EH46

4F100EH46B

4F100EJ17

4F100EJ17A

4F100EJ17B

4F100EJ17C

4F100EJ42

4F100EJ42A

4F100EJ42B

4F100EJ42C

4F100EJ52

4F100EJ52A

4F100EJ64A

4F100EJ85

4F100EJ85A

4F100JK06

4F211AA04

4F211AA11

4F211AA13

4F211AA15

4F211AA24

4F211AA25

4F211AA29

4F211AA34

4F211AD03

4F211AG03

4F211AR06

4F211AR12

4F211TA01

4F211TA03

4F211TC01

4F211TD11

4F211TH21

4F211TH22

4F211TH24

4F211TN07

4F211TQ04

(57)【要約】

【課題】金属と樹脂とを簡易に接合できる技術を提供する。
【解決手段】金属基材と樹脂基材とを接合する接合方法であって、前記金属基材の表面に、官能基を有する水溶性ポリマーを含有するポリマー溶液を塗布し、前記水溶性ポリマーと前記金属基材の表面に存在する基との共有結合により前記金属基材の表面に固着する化学結合層を形成する工程と、前記樹脂基材を溶融させて前記金属基材に固着している前記化学結合層に融着させる工程と、を備える、接合方法。
【選択図】図２

【特許請求の範囲】

【請求項1】

金属素材の接合面に脱脂洗浄およびプラズマ処理による表面改質の少なくとも一方を行う第１の工程と、
加熱により、前記第１の工程を経た前記金属素材の接合面と化学結合を生じる樹脂成分を含有するポリマー溶液を準備し、当該接合面の上に塗布して化学結合層を形成する第２の工程と、
加熱により、前記化学結合層と溶融混合して結合する樹脂成分を含有する樹脂素材を準備する第３の工程と、
前記第２の工程で塗布した前記ポリマー溶液の上に、前記第３の工程で準備した前記樹脂素材を積層して加熱押圧することにより、或いは、前記樹脂素材を射出成形することにより、前記金属素材と前記樹脂素材とを接合させる、接合方法。

【請求項2】

請求項１記載の接合方法であって、
前記ポリマー溶液は、接合時の温度で溶融する無機粉体を含有することを特徴とする、接合方法。

【請求項3】

金属基材と樹脂基材とを接合する接合方法であって、
前記金属基材の表面に、官能基を有する水溶性ポリマーを含有するポリマー溶液を塗布し、前記水溶性ポリマーと前記金属基材の表面に存在する基との共有結合により前記金属基材の表面に固着する化学結合層を形成する工程と、
前記樹脂基材を溶融させて前記金属基材に固着している前記化学結合層に融着させる工程と、
を備える、接合方法。

【請求項4】

請求項３記載の接合方法であって、さらに、
前記金属基材に前記ポリマー溶液を塗布する前に、前記金属基材の表面における前記ポリマー溶液の塗布領域を脱脂洗浄する工程を備える、接合方法。

【請求項5】

請求項３記載の接合方法であって、
前記金属基材に前記ポリマー溶液を塗布する前に、前記塗布領域に対してプラズマ処理を実施する工程と、
を備える、接合方法。

【請求項6】

請求項３記載の接合方法であって、さらに、
前記金属基材に前記ポリマー溶液を塗布する前に、前記金属基材の表面における前記ポリマー溶液の塗布領域の酸化膜を除去する工程を備える、接合方法。

【請求項7】

請求項３記載の接合方法であって、
前記ポリマー溶液は、前記樹脂基材を前記化学結合層に融着する際の加熱温度で溶融する無機粉体を含む、接合方法。

【請求項8】

請求項３から請求項７のいずれか一項に記載の接合方法であって、
前記接合層を介して前記樹脂基材が接合された前記金属基材を第１金属基材として準備する工程と、
第２金属基材に前記ポリマー溶液を塗布して形成した前記第２金属基材の前記化学結合層に、前記樹脂基材を溶融させて融着させる工程と、
を備える、接合方法。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、金属と樹脂とを接合する接合方法に関する。

【背景技術】

【0002】

従来から金属と樹脂とを接合する接合方法について様々な技術が提案されている。例えば、下記の特許文献１には、いわゆるレーザークラッディングによって金属基材の表面に微細な突起部を形成し、その突起部の上に配置した樹脂基材をレーザー照射により溶融させて、アンカー効果によって樹脂基材を接合する方法が開示されている。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0003】

【特許文献1】国際公開ＷＯ２０１９／１９８５９１号

【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、上記の特許文献１の技術では、レーザークラッディングのための大掛かりな準備や設備が必要になる場合があり、決して容易とは言えなかった。また、上記の特許文献１の技術では、成形済みのプラスチック基材を接合する場合、アンカー効果を発揮させるための押圧力を当該プラスチック基材に付与することができず、プラスチック基材と金属基材との間に空隙が生じ、接合強度が低下する可能性もあった。

【0005】

本願は、従来のアンカー効果を利用した接合や有機溶剤を使用した接着剤とは異なる方法により、金属と樹脂とをより簡易な方法で接合できる技術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】

本発明は、以下の形態として実現することが可能である。

【0007】

［第１形態］第１形態の接合方法は、金属素材の接合面に脱脂洗浄およびプラズマ処理による表面改質の少なくとも一方を行う第１の工程と、加熱により、前記第１の工程を経た前記金属素材の接合面と化学結合を生じる樹脂成分を含有するポリマー溶液を準備し、当該接合面の上に塗布して化学結合層を形成する第２の工程と、加熱により、前記化学結合層と溶融混合して結合する樹脂成分を含有する樹脂素材を準備する第３の工程と、前記第２の工程で塗布した前記ポリマー溶液の上に、前記第３の工程で準備した前記樹脂素材を積層して加熱押圧することにより、或いは、前記樹脂素材を射出成形することにより、前記金属素材と前記樹脂素材とを接合させることを特徴とする。
第１形態の接合方法によると、レーザー等の大掛かりな設備を用いることなく、簡易に低コストで接合することが可能となる。

【0008】

［第２形態］上記第１形態の接合方法で用いる前記ポリマー溶液は、接合時の温度で溶融
する無機粉体を含有する構成としてもよい。
ポリマー溶液に無機粉体を含有させることで、接合強度を高めることが可能となる。

【0009】

［第３形態］第３形態は、金属基材と樹脂基材とを接合する接合方法として提供される。第３形態の接合方法は、前記金属基材の表面に、官能基を有する水溶性ポリマーを含有するポリマー溶液を塗布し、前記水溶性ポリマーと前記金属基材の表面に存在する基との共有結合により前記金属基材の表面に固着する化学結合層を形成する工程と、前記樹脂基材を溶融させて前記金属基材に固着している前記化学結合層に融着させる工程と、を備える。
第３形態の接合方法によれば、ポリマー溶液の塗布によって金属基材に化学結合によって固着する化学結合層を簡易に形成することができる。また、金属基材に固着している化学結合層に溶融した樹脂基材が進入して混合されることによって、樹脂基材と金属基材との間の高い接合強度を得ることができる。よって、金属基材と樹脂基材との接合を容易化できる。

【0010】

［第４形態］上記第４形態の接合方法は、さらに、前記金属基材に前記ポリマー溶液を塗布する前に、前記金属基材の表面における前記ポリマー溶液の塗布領域を脱脂洗浄する工程を備えてよい。
第４形態の接合方法によれば、金属基材と樹脂基材との接合強度をより高めることができる。

【0011】

［第５形態］上記第３形態、または、第４形態の接合方法は、前記金属基材に前記ポリマー溶液を塗布する前に、前記塗布領域に対してプラズマ処理を実施する工程を備えてよい。
第５形態の接合方法によれば、金属基材と樹脂基材との接合強度をさらに高めることができる。

【0012】

［第６形態］上記第３形態、第４形態、および、第５形態のいずれかに記載の接合方法は、さらに、前記金属基材に前記ポリマー溶液を塗布する前に、前記金属基材の表面における前記ポリマー溶液の塗布領域の酸化膜を除去する工程を備えてよい。
第６形態の接合方法によれば、金属基材と樹脂基材との接合強度をさらに高めることができる。

【0013】

［第７形態］上記第３形態、第４形態、第５形態、および、第６形態のいずれか一つの接合方法において、前記ポリマー溶液は、前記化学結合層を前記樹脂基材に融着する際の温度で溶融する無機粉体を含んでよい。
第７形態の接合方法によれば、無機粉体の融着により、金属基材と樹脂基材との接合強度を、さらに高めることができる。

【0014】

［第８形態］上記第３形態、第４形態、第５形態、第６形態、および、第７形態のいずれか一つの接合方法は、前記接合層を介して前記樹脂基材が接合された前記金属基材を第１金属基材として準備する工程と、第２金属基材に前記ポリマー溶液を塗布して形成した前記第２金属基材の前記化学結合層に、前記樹脂基材を溶融させて融着させる工程と、を備えてよい。
第８形態の接合方法によれば、２つの金属基材を、樹脂基材を介して簡易に接着することができる。

【0015】

本発明は、接合方法以外の種々の形態で実現することも可能である。例えば、その接合方法に用いられるポリマー溶液や、そのポリマー溶液によって形成された化学結合層を有する金属基材、その金属基材と樹脂基材の接合体、その接合体を用いた様々な製品、それらの接合体や製品の製造方法、前記の接合方法や製造方法を実施する装置、その装置の制御ユニットや制御プログラム等の形態で実現することができる。

【図面の簡単な説明】

【0016】

【図1】接合方法の工程を示す説明図。

【図2】接合方法の各工程の内容を示す模式図。

【図3】ポリマー溶液の製造例をまとめた説明図。

【図4】接合強度を測定する引張試験を説明するための説明図。

【図5】第１実験例の参照図。

【図6】第２実験例の第１の参照図。

【図7】第２実験例の第２の参照図。

【図8】第２実験例の第３の参照図。

【図9】第２実験例の第４の参照図。

【図10】第３実験例の結果をまとめた第１の説明図。

【図11】第３実験例の結果をまとめた第２の説明図。

【図12】第２実施形態の接合方法の各工程の内容を示す模式図。

【発明を実施するための形態】

【0017】

以下、本発明の好適な実施形態および実施例を、図面を参照しながら説明する。

【0018】

１．第１実施形態：
図１には、第１実施形態の接合方法の工程を示すフローチャートが図示されている。図２（ａ）～（ｅ）には、第１実施形態の接合方法における各工程Ｓ１０～Ｓ４０の内容を示す模式図が工程順に図示されている。図２（ａ）は、工程Ｓ１０の参照図であり、図２（ｂ）は、工程Ｓ２０の参照図であり、図２（ｃ）は、工程Ｓ３０の参照図であり、図２（ｄ），（ｅ）は、工程Ｓ４０の参照図である。

【0019】

第１実施形態の接合方法では、金属基材１０と樹脂基材２０とが接合される。本明細書においては、「基材」は、加工対象となる部材や製品を構成する部材等を広く意味する用語として用いており、「素材」と呼ぶこともできる。金属基材１０や樹脂基材２０の種類は、特に限定されないが、好適なものとしては、例えば、下記のものが挙げられる。

【0020】

＜金属基材の好適例＞
アルミニウム（Ａｌ）、Ａｌ合金、銅（Ｃｕ）、Ｃｕ合金、ニッケル（Ｎｉ）、Ｎｉ合金、鉄（Ｆｅ）、冷間圧延鋼板（ＳＰＣＣ）、亜鉛めっき鋼板（ＳＥＣＣ、ＳＧＣＣ、ＳＥＨＣ等）、炭素工具鋼（ＳＫ材）、機械構造用炭素鋼（ＳＣ材）、ステンレス鋼、一般軟鋼材、超高張力鋼、その他の種々の金属、合金、鋼材等

【0021】

＜樹脂基材の好適例＞
ＰＡ６やＰＡ６６等のポリアミド（ＰＡ）系樹脂、ポリブチレンテフタレート（ＰＢＴ）、ポリフェニレンサルファイド（ＰＰＳ）、ポリエチレンテフタレート（ＰＥＴ）、炭素繊維強化熱可塑性樹脂（ＣＦＲＴＰ）、ＡＢＳ樹脂、ポリエチレン（ＰＥ）、ポリプロピレン（ＰＰ）、ポリアセタール（ＰＯＭ）、塩化ビニール（ＰＶＣ）、その他のプラスチックやゴム、熱可塑性樹脂等、加熱によって軟化する合成樹脂

【0022】

工程Ｓ１０では、接合のための下準備として、金属基材１０の接合面を表面処理する。この表面処理は、少なくとも、接合面のうちの後述するポリマー溶液が塗布される塗布領域ＣＡに対して実施される。図２（ａ）では、便宜上、塗布領域ＣＡを破線で示してある。

【0023】

表面処理としては、例えば、脱脂洗浄や、プラズマ処理による表面改質等を採用できる。この表面処理により、金属基材１０に対する図２（ｄ）に示す後述の化学結合層３２の固着性を高めることができ、金属基材１０と樹脂基材２０との接合強度を高めることができる。

【0024】

金属基材１０と樹脂基材２０との接合強度を高める観点からは、工程Ｓ１０の表面処理として、脱脂洗浄とプラズマ処理の少なくとも一方が行われることが好ましい。また、工程Ｓ１０では、脱脂洗浄を実行した後に、プラズマ処理を実行することが、より好ましい。プラズマ処理が好適である理由については後述する。

【0025】

工程Ｓ１０では、表面処理として、脱脂洗浄やプラズマ処理に加えて、あるいは、それらの代わりに、塗布領域の酸化膜を除去する酸化膜除去処理が実行されてもよい。表面処理としての酸化膜除去処理は、脱脂洗浄やプラズマ処理と組み合わされることが好ましい。酸化膜除去処理は、例えば、金属基材１０の塗布領域ＣＡに、硫酸や塩酸等の酸化被膜除去剤を塗布することにより行われる。酸化膜除去処理を行うことにより、金属基材１０に対する化学結合層３２の固着性をさらに高めることができる。

【0026】

工程Ｓ１０の表面処理としては、上述したもの以外に、例えば、ブラシ等によって金属基材１０の接合面の異物を除去する処理が実行されてもよい。なお、金属基材１０の種類や、接合面の表面性状や状態等によっては、工程Ｓ１０の表面処理は省略されていてもよい。

【0027】

工程Ｓ２０では、金属基材１０の接合面の塗布領域ＣＡにポリマー溶液３０を塗布する。ポリマー溶液３０は、金属基材１０の接合面と化学結合を生じる樹脂成分を含有する液体によって構成される。ポリマー溶液３０は、前記の樹脂成分に相当する、官能基を有する水溶性ポリマーを含有する。本明細書において、「液体」には、粘度が高いペースト状のものも含まれる。

【0028】

水溶性ポリマーとしては、例えば、ポリアクリル酸アミドや、ポリアクリル酸ナトリウム、カルボキシメチルセルロースナトリウム等を用いることができる。水溶性ポリマーとしては、前記のポリマーに限定されず、工程Ｓ３０において化学結合層３２を形成可能なポリマーであればよい。

【0029】

ポリマー溶液３０は、無機溶媒を含有することが好ましい。無機溶媒は、例えば、精製水等の水でよい。ポリマー溶液３０に無機溶媒を用いないことも可能であるが、この場合には、ポリマー溶液３０の塗布性が低下する可能性がある。水溶性ポリマーと無機溶媒の質量パーセント濃度の比は、例えば、１：０．０１～９９の範囲内で、適宜に設定することができる。水溶性ポリマーと無機溶媒の質量パーセント濃度の比は、例えば、１：０．０２としてもよいし、１：０．５としてもよいし、１：１としてもよい。水溶性ポリマーと無機溶媒の質量パーセント濃度の比は、例えば、１：１０としてもよいし、１：２０としてもよいし、１：５０としてもよいし、１：７０としてもよいし、１：９０としてもよい。なお、前記の比の数値は、±２０％の範囲の誤差を許容する。

【0030】

ポリマー溶液３０には、水溶性ポリマーに加えて、適宜、流動パラフィンや、界面活性剤、アルコール等を添加剤として添加してもよい。流動パラフィンを添加すれば、ポリマー溶液３０を白濁化させて、その視認性を向上させることができ、ポリマー溶液３０の塗布性を向上させることができる。界面活性剤は、その添加量によってポリマー溶液３０の粘度を調整することができる。アルコールを添加することにより、ポリマー溶液３０の酸化を防止できる。アルコールとしては、例えば、エタノールやポリビニルアルコール（ＰＶＡ）等を用いることができる。なお、ポリマー溶液３０には、有機溶剤が使用されないことが好ましい。

【0031】

ポリマー溶液３０には、後述する工程Ｓ４０での樹脂基材２０の融着工程において樹脂成分とともに溶融する無機粉末が添加されていてもよい。例えば、工程Ｓ４０での樹脂基材２０の加熱温度で溶融する無機粉末が添加されていてもよい。この場合、無機粉末は、樹脂基材２０の融点以下の融点を有していることが好ましい。ポリマー溶液３０にそのような無機粉末を添加しておけば、無機粉末の融着の効果が加わり、金属基材１０と樹脂基材２０との接合強度の向上が可能である。無機粉末としては、例えば、スズ（Ｓｎ）の粉末を用いることができる。

【0032】

本実施形態の工程Ｓ２０では、図２（ｂ）に示すように、ペースト状にしたポリマー溶液３０を、例えば、ダイコータ等の塗工装置によって金属基材１０の接合面に塗布する。他の実施形態では、ポリマー溶液３０は、金属基材１０の接合面に滴下して押し広げることによって塗布されてもよい。ポリマー溶液３０は、金属基材１０の接合面をポリマー溶液３０中に浸漬させるディッピングによって塗布されてもよい。また、ポリマー溶液３０は、粘度を低くして、スプレー等によって噴霧することにより金属基材１０の接合面に塗布されてもよい。

【0033】

ポリマー溶液３０の塗布層の厚みは、例えば、１０μｍ以上１５０μｍ以下であることが好ましい。ポリマー溶液３０の塗布層の厚みは、５０μｍ以上であることがより好ましく、８０μｍ以上であることがさらに好ましい。ポリマー溶液３０の塗布層の厚みは、１３０μｍ以下であることがより好ましく、１１０μｍ以下であることがさらに好ましい。

【0034】

工程Ｓ３０では、金属基材１０に塗布されたポリマー溶液３０を乾燥させる。これにより、金属基材１０の表面に化学結合により固着する化学結合層３２が形成される。本発明の発明者の知見によれば、ポリマー溶液３０を乾燥させる際に、脱水縮合反応が起こり、水溶性ポリマーの官能基が、金属基材１０の表面の全体に存在している基と共有結合して水溶性ポリマーの化学結合層３２が形成されていることが推察される。また、水溶性ポリマーの官能基は、金属基材１０の表面に定着している水酸基（ＯＨ基）に対しては、エステル結合によって結合すると考えられる。

【0035】

なお、上述した工程Ｓ１０の表面処理において、プラズマ処理を実行すれば、金属基材１０の接合面のＯＨ基を増加させることができる。そのため、金属基材１０に対する化学結合層３２の固着性を効果的に高めることが可能である。

【0036】

工程Ｓ４０では、樹脂基材２０を溶融させて化学結合層３２に融着させる。本実施形態の工程Ｓ４０では、図２（ｄ）に示すように、樹脂基材２０を、その融点以上の温度で加熱して溶融させ、化学結合層３２に押圧することによって融着する。この工程は、例えば、ホットプレスによって実行可能である。これにより、図２（ｅ）に示すように、樹脂基材２０の樹脂成分が溶融して化学結合層３２に進入して混合され、接合部位を構成する接合層３５が形成され、金属基材１０と樹脂基材２０の接合体が完成する。

【0037】

工程Ｓ４０での加熱温度は、例えば、２００℃以上３５０℃以下であることが好ましい。加熱温度を２００℃以上とすれば、様々な樹脂材料を溶融することが可能である。様々な種類の樹脂基材２０をより溶融させやすくするためには、加熱温度は、２５０℃以上であることが好ましく、２８０℃以上であることがより好ましい。加熱温度は、３３０℃以上であることがさらに好ましい。加熱温度を３３０℃以下とすれば、加熱のためのエネルギー消費量の増加を抑制しながら効率的に樹脂基材２０を溶融させることができる。

【0038】

なお、上記の工程S３０と工程S４０とは以下に説明するように並行して実行されてもよい。工程Ｓ２０で金属基材１０にポリマー溶液３０を塗布した後、ポリマー溶液３０が完全に乾燥する前に、ポリマー溶液３０の上に樹脂基材２０を配置する。この状態で、ポリマー溶液３０と樹脂基材２０とをともに加熱すれば、ポリマー溶液３０が乾燥して化学結合層３２が形成され、並行して、樹脂基材２０が溶融して化学結合層３２に樹脂成分が混合される。この方法であれば、金属基材１０と樹脂基材２０を接合する接合工程の時間の短縮が可能である。

【0039】

また、上記の工程Ｓ４０では、樹脂基材２０を化学結合層３２の上に配置した後に加熱により溶融させる代わりに、加熱によって溶融した後の樹脂基材２０を化学結合層３２の上に配置して硬化させて融着させてもよい。この方法であれば、化学結合層３２の上に射出成形によって樹脂基材２０の成形品を形成することが可能である。よって、成形済みの樹脂基材２０を金属基材１０に接合する場合に比較して、接合工程を考慮した設計の必要性が低減され、樹脂基材２０の設計の自由度を高めることができる。また、接合工程における樹脂基材２０の変形の発生を回避することができる。

【0040】

工程Ｓ４０では、ヒーター等の加熱手段による昇温以外の方法で樹脂基材２０を溶融させてもよい。樹脂基材２０は、例えば、レーザー照射や、超音波の照射、摩擦等によって溶融されてもよい。

【0041】

以上のように、本実施形態の接合方法によれば、金属基材１０に対するポリマー溶液３０の塗布および乾燥と、樹脂基材２０の溶融・硬化によって、金属基材１０と樹脂基材２０とを簡易に接合することが可能である。また、金属基材１０に対する水溶性ポリマーの化学結合と化学結合層３２に対する樹脂基材２０の融着とによって、金属基材１０と樹脂基材２０との間の高い接合強度が実現される。さらに、本実施形態の接合方法によれば、ポリマー溶液３０の塗布前の金属基材１０の接合面に対する表面処理という簡便な準備工程によって、金属基材１０と樹脂基材２０との接合強度を効果的に高めることができる。

【0042】

加えて、本実施形態の接合方法によって形成された接合体では、接合層３５がシール性を発揮するため、浸水や外気の進入による接合界面の劣化が抑制され、接合強度の経年劣化を抑制することが可能である。また、本実施形態の接合方法に用いられるポリマー溶液３０であれば、有機溶剤を用いなくても作製できるため、取り扱いが容易であり、廃棄された場合であっても地球環境への影響が小さい。

【実施例0043】

以下、図３～図１１を参照して、第１実施形態の接合方法の実施例を詳細に説明する。本実施例では、上記の第１実施形態で説明した接合方法により、金属基材と樹脂基材とを接合し、後述する引張試験によって、金属基材と樹脂基材との接合強度を測定した。

【0044】

＜ポリマー溶液の製造例＞
図３の表には、本実施例で用いた４種類のポリマー溶液の製造例をまとめてある。なお、以下の説明および参照図では、ポリマー溶液の種類を、図３の表に示された符号ＰＡＡ、ＰＡＡｓ、ＰＡＮ、ＣＭＣで表示する。

【0045】

ポリマー溶液ＰＡＡは、水溶性ポリマーとしてのポリアクリル酸アミドと、無機溶媒としての精製水と、を混合して作製した。ポリマー溶液ＰＡＡｓは、水溶性ポリマーとしてのポリアクリル酸アミドと、無機溶媒としての精製水と、を混合し、さらに、無機粉末としてＳｎ粉末を添加することにより作製した。ポリマー溶液ＰＡＮは、水溶性ポリマーとしてのポリアクリル酸ナトリウムと、無機溶媒としての精製水と、を混合して作製した。ポリマー溶液ＣＭＣは、水溶性ポリマーとしてのカルボキシルメチルセルロースナトリウムと、無機溶媒としての精製水と、を混合して作製した。

【0046】

各ポリマー溶液ＰＡＡ，ＰＡＡｓ，ＰＡＮ，ＣＭＣでは、その取扱い性を向上させるために、流動パラフィン、界面活性剤、アルコール等の添加剤を、適宜、添加した。ただし、それらの添加剤の接合強度への影響は小さいため、具体的な種類や添加量等の詳細については省略する。

【0047】

＜引張試験＞
図４を参照して、本実施例で行った引張試験を説明する。図４では、便宜上、試験対象の金属基材ＭＭと樹脂基材ＲＭとをそれぞれ実線と一点鎖線とで区別して図示してあり、金属基材ＭＭ上のポリマー溶液の塗布領域ＣＡにハッチングを付してある。また、図４では、塗布領域ＣＡの横幅がｘで示され、縦幅がｙで示されている。塗布領域ＣＡは、金属基材ＭＭと樹脂基材ＲＭの間の接合領域に相当する。

【0048】

長方形形状の板面を有する板状の金属基材ＭＭの一端の塗布領域ＣＡにポリマー溶液を塗布して、化学結合層を形成した。長方形形状の板面を有する板状の樹脂基材ＲＭを、その長手方向が金属基材ＭＭの長手方向と一致し、その一端が化学結合層の上に配置され、その他端側が金属基材ＭＭの上から延び出る状態で積層し、ホットプレスによって融着させた。得られた金属基材と樹脂基材の接合体に対して長手方向の引張力を、金属基材と樹脂基材の接合部位接合層が破断するまで付与することにより、接合強度（ＭＰａ）、および、接合力（Ｎ）を計測した。

【0049】

＜第１実験例＞
図５（ａ）には、実施例Ｅ１，Ｅ２と比較例Ｃ１，Ｃ２の構成をまとめた表が示されている。図５（ｂ）には、実施例Ｅ１，Ｅ２と比較例Ｃ１，Ｃ２の接合強度の測定結果を示す棒グラフが示されている。

【0050】

図５（ａ）に示すように、実施例Ｅ１，Ｅ２および比較例Ｃ１，Ｃ２では、金属基材ＭＭとして、Ａｌとマグネシウム（Ｍｇ）の合金であるＡ５０５２を用い、樹脂基材ＲＭとして、ポリアミド系樹脂であるＰＡ６を用いた。また、実施例Ｅ１，Ｅ２および比較例Ｃ１，Ｃ２での接合領域の横幅ｘは２０ｍｍとし、縦幅ｙは３ｍｍとした。

【0051】

実施例Ｅ１では、ポリマー溶液ＰＡＡｓによって金属基材ＭＭに化学結合層を形成し、ホットプレスにより化学結合層に対して樹脂基材ＲＭを融着した。実施例Ｅ２では、ポリマー溶液ＰＡＡによって金属基材ＭＭに化学結合層を形成し、ホットプレスにより化学結合層に対して樹脂基材ＲＭを融着した。実施例Ｅ１，Ｅ２ではいずれも、ポリマー溶液を塗布する前の金属基材ＭＭの塗布領域ＣＡに対して、脱脂洗浄とプラズマ処理とを実施した。また、実施例Ｅ１，Ｅ２ではいずれも、ポリマー溶液は、膜厚が約５０μｍとなるように塗布した。

【0052】

比較例Ｃ１では、金属基材ＭＭの接合領域に対するプラズマ処理のみを実施し、ポリマー溶液を用いて化学結合層を形成することなく、ホットプレスにより金属基材ＭＭに樹脂基材ＲＭを融着した。比較例Ｃ２では、金属基材ＭＭの接合領域に対する脱脂洗浄のみを実施し、ポリマー溶液を用いて化学結合層を形成することなく、ホットプレスにより金属基材ＭＭに樹脂基材ＲＭを融着した。脱脂洗浄にはエタノールを用いた。

【0053】

実施例Ｅ１，Ｅ２，Ｃ１，Ｃ２でのホットプレスの条件は同じである。ホットプレスでの加熱温度は、ＰＡ６およびＳｎの融点よりも高い温度であった。

【0054】

図５（ｂ）に示すように、２つの実施例Ｅ１，Ｅ２はいずれも、２つの比較例Ｃ１，Ｃ２よりも高い接合強度を得ることができた。この結果から、実施例Ｅ１，Ｅ２での接合強度の向上は、ポリマー溶液によって形成された化学結合層によって得られたものであることがわかる。また、従来の接着剤での接合強度が数ＭＰａ程度であることを考慮すると、実施例Ｅ１，Ｅ２で得られた接合強度は１２．０ＭＰａを超えており、接合性が著しく向上していることがわかる。

【0055】

特に、実施例Ｅ１は、実施例Ｅ２よりも高い接合強度を得ることができた。実施例Ｅ１の接合強度が向上したのは、ホットプレスの際の加熱によって、ポリマー溶液中に添加されていたＳｎ粉末が溶融して金属基材ＭＭと樹脂基材ＲＭとに融着したためであると考えられる。

【0056】

＜第２実験例＞
図６には、実施例Ｅ３，Ｅ４，Ｅ５，Ｅ６，Ｅ６ａ，Ｅ７，Ｅ７ａ，Ｅ８，Ｅ９の接合強度の測定結果をまとめた表を示してある。実施例Ｅ３，Ｅ４，Ｅ５，Ｅ６，Ｅ６ａ，Ｅ７，Ｅ７ａ，Ｅ８，Ｅ９ではいずれも、ポリマー溶液を塗布する前の金属基材ＭＭの塗布領域ＣＡに対して、脱脂洗浄とプラズマ処理とを実施した。ホットプレスは、いずれも同じ加圧力で、樹脂基材ＲＭの融点より高い加熱温度で行った。

【0057】

実施例Ｅ３，Ｅ４，Ｅ５ではそれぞれ、ポリマー溶液ＰＡＡ，ＰＡＮ，ＣＭＣを用いた点以外は同じ条件で行った。実施例Ｅ３，Ｅ４，Ｅ５では、金属基材ＭＭにＡ５０５２を用い、樹脂基材ＲＭにＰＡ６を用いた。また、接合領域の横幅ｘを２０ｍｍとし、縦幅ｙを５ｍｍとした。実施例Ｅ３，Ｅ４，Ｅ５ではいずれも１０００Ｎを超える接合力が得られた。特に、実施例Ｅ４では、２０００Ｎを超える接合強度が得られた。

【0058】

実施例Ｅ６では、ポリマー溶液ＰＡＡを用い、金属基材ＭＭとしてＣｕを用い、樹脂基材ＲＭとしてＰＡ６を用いた。実施例Ｅ７では、ポリマー溶液ＰＡＮを用い、金属基材ＭＭとしてＳＰＣＣを用い、樹脂基材ＲＭとしてＰＡ６を用いた。実施例Ｅ６，Ｅ７では、接合領域の横幅ｘを２０ｍｍとし、縦幅ｙを１０ｍｍとした。実施例Ｅ６，Ｅ７ではいずれも１０００Ｎを超える接合力が得られた。特に、実施例Ｅ６では、２０００Ｎを超える接合力が得られた。

【0059】

実施例Ｅ６ａ，Ｅ７ａはそれぞれ、ポリマー溶液を塗布する前に塗布領域ＣＡの酸化膜を除去する処理を実施した点以外は、実施例Ｅ６，Ｅ７とほぼ同じ条件で行った。この結果、実施例Ｅ６ａでは、実施例Ｅ６より接合力が９００Ｎ以上向上し、実施例Ｅ７ａでは、実施例Ｅ７より接合力が１８００Ｎ以上向上した。この結果から、本発明の接合方法によれば、ポリマー溶液の塗布前に塗布領域ＣＡの酸化膜を除去する処理を実行するだけで、金属基材と樹脂基材の接合強度を簡易に向上させることができることがわかる。

【0060】

実施例Ｅ８，Ｅ９はそれぞれ、金属基材ＭＭとしてＳＵＳとＳＧＣＣとを用いた点以外は、同じ条件で行った。実施例Ｅ８，Ｅ９では、ポリマー溶液ＰＡＮを用い、樹脂基材ＲＭとしてＰＡ６を用いた。実施例Ｅ６，Ｅ７では、接合領域の横幅ｘを２０ｍｍとし、縦幅ｙを１０ｍｍとした。実施例Ｅ８，Ｅ９でもいずれも、１０００Ｎ以上の接合力が得られた。特に、実施例Ｅ８では１８００Ｎ以上の接合力が得られた。

【0061】

以上、実施例Ｅ３，Ｅ４，Ｅ５，Ｅ６，Ｅ６ａ，Ｅ７，Ｅ７ａ，Ｅ８，Ｅ９によれば、ポリアミド系樹脂と、Ａｌ合金や、Ｃｕ、鋼材等の金属とを、接合力が１０００Ｎを超える接合強度で接合することができた。また、ポリマー溶液ＰＡＡ，ＰＡＮ，ＣＭＣのいずれを用いた場合でも、高い接合強度を得ることができた。

【0062】

図７には、実施例Ｅ１０で用いた基材やポリマー溶液の種類と引張試験後の金属基材ＭＭと樹脂基材ＲＭの状態を示す撮影画像とをまとめた表を示してある。実施例Ｅ１０では、金属基材ＭＭとしてＡ５０５２を用い、樹脂基材ＲＭとして、ＰＢＴを用いた。実施例Ｅ１０では、金属基材ＭＭにポリマー溶液ＰＡＡを塗布して化学結合層を形成した。化学結合層への樹脂基材ＲＭの融着は、ＰＢＴの融点より高い加熱温度でのホットプレスによって行った。実施例Ｅ１０では、ポリマー溶液を塗布する前の金属基材ＭＭの塗布領域ＣＡに対して、脱脂洗浄とプラズマ処理とを実施した。

【0063】

実施例Ｅ１０の撮影画像に示されているように、金属基材ＭＭの破断した接合部位には、樹脂基材ＲＭの一部が残留していた。この撮影画像から、実施例Ｅ１０では、実用に耐え得る十分な接合強度が得られていたことがわかる。

【0064】

図８には、実施例Ｅ１１で用いた基材やポリマー溶液の種類と引張試験後の金属基材ＭＭと樹脂基材ＲＭの状態を示す撮影画像とをまとめた表を示してある。実施例Ｅ１１では、金属基材ＭＭとして９８０ＭＰａ級の高張力鋼板（ハイテン鋼板）を用い、樹脂基材ＲＭとして、ＰＡ６６を用いた。実施例Ｅ１１では、金属基材ＭＭにポリマー溶液ＰＡＡを塗布して化学結合層を形成した。化学結合層への樹脂基材ＲＭの融着は、ＰＡ６６の融点より高い加熱温度でのホットプレスによって行った。実施例Ｅ１１では、ポリマー溶液を塗布する前の金属基材ＭＭの塗布領域ＣＡに対して、脱脂洗浄とプラズマ処理とを実施した。

【0065】

実施例Ｅ１１の撮影画像に示されているように、金属基材ＭＭの破断した接合部位には、樹脂基材ＲＭの一部が残留していた。この撮影画像から、実施例Ｅ１１でも、実用に耐え得る十分な接合強度が得られていたことがわかる。

【0066】

図９には、上記の実施例についての接合対象とした基材の組み合わせと接合結果とをまとめた表を示してある。また、図９には、比較例の接合結果についての表を右側に追加してある。比較例は、ポリマー溶液を用いて金属基材同士を接合できるか否かを検証したものである。図９の表において、「〇」は基準値以上の接合強度が得られた良好な結果を意味している。「×」は基準値以上の接合強度が得られなかった良好ではない結果を意味している。「－」は、未実施の組み合わせを意味している。

【0067】

図９に示されているように、本発明の接合方法によれば、様々な合金や鋼を含む金属と樹脂とを接合することが可能であった。また、比較例の結果が示しているように、金属同士では接合強度を得ることができなかった。この結果は、本発明におけるポリマー溶液は、乾燥させて硬化させることにより接着対象に固着する従来の一般的な接着剤とは異なるものであることを示している。本発明において接合強度が得られる理由は、金属基材に対する化学結合層の固着と、化学結合層に樹脂成分が混合されることによる樹脂の融着との組み合わせが重要であると言える。

【0068】

＜第３実験例＞
図１０には、工程Ｓ４０での加熱温度である接合温度ごとの接合強度を検証した実験によって得られた棒グラフを示してある。

【0069】

この実験例では、金属基材ＭＭとしてＡ５０５２を用い、樹脂基材ＲＭとしてＰＡ６を用いた。また、ポリマー溶液ＰＡＡを、横幅２０ｍｍ、縦幅３ｍｍの塗布領域ＣＡに塗布して化学結合層を形成し、ホットプレスにより、樹脂基材ＲＭを化学結合層に融着させた。なお、ポリマー溶液ＰＡＡの塗布前に、塗布領域ＣＡには、接合面の表面処理として、エタノール洗浄とプラズマ処理とを実施した。

【0070】

ここで、樹脂基材ＲＭであるＰＡ６の融点は２２５℃である。図１０のグラフから、ホットプレスでの接合温度を、その融点より高い温度とすることにより、高い接合強度が得られていることがわかる。また、接合温度を、融点より５０℃以上高くすることにより、接合強度が段違いに向上することがわかる。

【0071】

図１１には、樹脂基材ＲＭの種類ごとの接合温度を検証した実験結果をまとめた表を示してある。この実験例では、Ａ５０５２によって構成した金属基材ＭＭにポリマー溶液ＰＡＡを塗布して化学結合層を形成し、ホットプレスにより、表中に示す樹脂基材ＲＭを融着した。図１１の表において、「〇」は基準値以上の接合強度が得られた良好な結果を意味している。「×」は基準値以上の接合強度が得られなかった良好ではない結果を意味している。「－」は、未実施の組み合わせを意味している。

【0072】

この実験例では、樹脂基材ＲＭとして、ＰＡ６、ＰＡ６６、ＰＢＴ、ＰＰＳを用いた。ＰＡ６の融点は上述したように、２２５℃であり、ＰＡ６６の融点は２６５℃であり、ＰＢＴの融点は、２３２℃以上２６７℃以下の範囲内であり、ＰＰＳの融点は２７５℃である。図１１の表に示す結果から、樹脂基材ＲＭの融点よりも２０～３０℃程度高い接合温度でホットプレスを実行することが好ましいことがわかる。

【0073】

＜まとめ＞
以上のように、上記の各実験例によって、本発明の接合方法によれば、ポリパー溶液の塗布による金属基材に対する化学結合層の形成および化学結合層に対する樹脂基材の融着によって、金属基材と樹脂基材とを高い接合強度で接合できることが示された。

【0074】

２．第２実施形態：
図１２（ａ）～（ｃ）は、第２実施形態の接合方法の各工程を工程順に示す模式図である。第２実施形態の接合方法では、第１実施形態で説明した金属と樹脂との接合方法を利用して、２つの金属基材１０ａ，１０ｂを接合する。

【0075】

図１２（ａ）を参照する。第２実施形態の接合方法では、まず、接合対象となる第１金属基材１０ａと第２金属基材１０ｂとを準備する。

【0076】

第１金属基材１０ａには、第１実施形態で説明した接合方法によって、樹脂基材２０が接合されている。第１金属基材１０ａと樹脂基材２０との間には、化学結合層３２に溶融した樹脂基材２０の一部が混合された接合層３５が形成されている。第２金属基材１０ｂには、ポリマー溶液を塗布して化学結合層３２を形成する。

【0077】

図１２（ｂ）を参照する。次に、第２金属基材１０ｂに形成した化学結合層３２を第１金属基材１０ａに接合された樹脂基材２０に接触させ、樹脂基材２０を溶融させることにより、第２金属基材１０ｂの化学結合層３２に第１金属基材１０ａに接合された樹脂基材２０を融着させる。この融着工程は、第１金属基材１０ａの樹脂基材２０の上に第２金属基材１０ｂの化学結合層３２を積層した状態でホットプレスすることにより可能である。

【0078】

以上の工程により、図２（ｃ）に示すように、両側に接合層３５が形成された樹脂基材２０の層を挟んで第１金属基材１０ａと第２金属基材１０ｂとが接合された接合体が形成される。

【0079】

第２実施形態の接合方法によれば、２つの金属基材１０ａ，１０ｂを簡易に接合することができる。また、２つの金属基材１０ａ，１０ｂを、樹脂基材２０によって電気的に絶縁した状態で接合することができる。その他に、第２実施形態の接合方法によれば、第１実施形態やその実施例で説明した種々の効果を奏することができる。

【0080】

３．他の実施形態：
本発明は、上記の各実施形態や実施例で説明した構成に限定されることはなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲において適宜、改変可能である。上記の各実施形態において他の実施形態として説明した構成や、以下に説明する構成はいずれも、上記の各実施形態および実施例と同様に、本発明を実施するための一形態として位置づけられる。

【0081】

上記の各実施形態や実施例で説明した接合方法は、他の接合方法と組み合わされてもよい。例えば、鋼材の表面に微細な凹凸構造を形成し、その凹凸構造に軟化させた樹脂基材を入り込ませることによって接合する方法と組み合わされてもよい。なお、前記の鋼材の微細な凹凸構造は、鋼材の表面に、少なくとも、チタンと、炭素と、ニッケルと、スズと、を含む金属粉末を配置し、その金属粉末をレーザーの照射によって溶融させることにより形成してもよい。その詳細については、例えば、特開２０２２－１８７４３９号公報に開示されている。

【符号の説明】

【0082】

１０，１０ａ，１０ｂ，ＭＭ…金属基材、２０，ＲＭ…樹脂基材、３０…ポリマー溶液、３２…化学結合層、３５…接合層、ＣＡ…塗布領域

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】

【図8】

【図9】

【図10】

【図11】

【図12】