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(19)【発行国】日本国特許庁(JP)
(12)【公報種別】特許公報(B2)
(11)【特許番号】
(24)【登録日】2023-10-24
(45)【発行日】2023-11-01
(54)【発明の名称】接合物の製造方法
(51)【国際特許分類】
B29C 65/14 20060101AFI20231025BHJP
B01J 19/08 20060101ALI20231025BHJP
B29C 65/44 20060101ALI20231025BHJP
B29C 65/50 20060101ALI20231025BHJP
C09J 7/10 20180101ALI20231025BHJP
【ＦＩ】
B29C65/14
B01J19/08 E
B29C65/44
B29C65/50
C09J7/10
【請求項の数】
2
(21)【出願番号】P 2020518235
(86)(22)【出願日】2019-04-22
(86)【国際出願番号】 JP2019017063
(87)【国際公開番号】W WO2019216182
(87)【国際公開日】2019-11-14
【審査請求日】2022-03-03
(73)【特許権者】
【識別番号】522103410
【氏名又は名称】遠藤 和弘
(74)【代理人】
【識別番号】100105924
【弁理士】
【氏名又は名称】森下 賢樹
(72)【発明者】
【氏名】遠藤 和弘
【審査官】小山 祐樹
(56)【参考文献】
【文献】特開２０１３－１４７０１８（ＪＰ，Ａ）
【文献】特開２０１９－０１４１０３（ＪＰ，Ａ）
【文献】国際公開第２０１８／１２４２１５（ＷＯ，Ａ１）
【文献】特開２０１２－０５６３０８（ＪＰ，Ａ）
【文献】特開２０１１－２３５５７０（ＪＰ，Ａ）
【文献】特開２０１５－０４４３０１（ＪＰ，Ａ）
(58)【調査した分野】(Int.Cl.，ＤＢ名)
Ｂ２９Ｃ ６５／００－６５／８２
Ｂ０１Ｊ １９／０８
Ｂ３２Ｂ １／００－４３／００
Ｃ０９Ｊ ７／００－ ７／５０
(57)【特許請求の範囲】
【請求項1】
２つの物体を接合して接合物を製造する方法であって、２つの物体のそれぞれの接合面に、５～４０Ｐａの圧力の二酸化炭素、アルゴン、窒素、又は酸素に１．５～３．５ｋＶの電圧を印加して生じさせたプラズマを照射するステップと、
プラズマが照射された接合面同士を、１１０℃で、剪断応力が０．５ＭＰａ以上となるように接着するステップと、
を備え、
前記２つの物体は、シリコーン変性樹脂を含有しないポリフェニレンサルファイド、又はシリコーン変性樹脂を含有しないポリフェニレンサルファイドを母材とする炭素繊維強化プラスチックと鉄との組合せの物体である
ことを特徴とする接合物の製造方法。
【請求項2】
前記２つの物体の双方と接合可能なフィルムの一方の面と前記２つの物体のうちの一方とを接合するステップと、前記フィルムの他方の面と前記２つの物体のうちの他方とを接合するステップと、
を更に備えることを特徴とする請求項１に記載の接合物の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【0001】
本発明は、物体を接合する技術に関し、とくに、２つの物体を接合して接合物を製造する方法、及び２つの物体を接合してなる接合物に関する。
【背景技術】
【0002】
２つの物体を接合する方法として、接着剤により接合する方法、ボルトにより接合する方法、溶着により接合する方法などがある。物体の材質や要求される接合の強度などに応じて、適切な接合方法が選択される。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【0003】
上記の接合方法は、それぞれ課題を有している。例えば、接着剤を用いる場合には、接着剤の経年劣化や揮発性有機化合物（ＶＯＣ）の発生などが問題となりうる。また、ボルトを用いる場合には、接合する物体の強度の低下が問題となりうる。また、溶着による場合には、加熱による物体の劣化などが問題となりうる。
【0004】
本発明はこうした状況に鑑みてなされており、その目的とするところの一つは、物体を接合する技術を改良することにある。
【課題を解決するための手段】
【0005】
上記課題を解決するために、本発明のある態様の接合物の製造方法は、２つの物体を接合して接合物を製造する方法であって、２つの物体のそれぞれの接合面にプラズマを照射するステップと、プラズマが照射された接合面同士を、物体に含まれる物質の融点未満の温度で接着するステップと、を備える。
【0006】
この態様によると、２つの物体を、接着剤やボルトなどを用いることなく、容易かつ強固に接合することができる。したがって、接着剤を使用する場合における、接着剤の経年劣化や揮発性有機化合物の発生の問題、ボルトを用いる場合における、接合する物体の強度の低下の問題、溶着による場合における、加熱による物体の劣化の問題などを解決することができる。また、厚みのある物体、例えば１ｃｍ以上の厚さの板であっても、容易かつ強固に接合することができる。
【0007】
接着するステップは、室温で実行されてもよい。この態様によると、加熱又は冷却する必要がないので、接合に要する時間、費用、エネルギーなどを低減させることができるとともに、加熱又は冷却による物体への悪影響を防ぐことができる。
【0008】
２つの物体は、ポリプロピレンと、ポリプロピレン、ポリアミド、ポリフェニレンサルファイド、ポリエチレンテレフタレート、ポリカーボネート、ポリメタクリル酸メチル、アルミニウム、銅、チタン、鉄、ステンレス鋼、ストロンチウムタイタネート、ランタンアルミネート、酸化マグネシウム、又はガラスとの組合せ、ポリアミドと、ポリアミド、ポリフェニレンサルファイド、ポリエチレンテレフタレート、ポリカーボネート、ポリメタクリル酸メチル、アルミニウム、銅、チタン、鉄、又はステンレス鋼との組合せ、ポリフェニレンサルファイドと、ポリフェニレンサルファイド、ポリエチレンテレフタレート、ポリカーボネート、ポリメタクリル酸メチル、アルミニウム、銅、チタン、鉄、又はステンレス鋼との組合せ、ポリエチレンテレフタレートと、ポリエチレンテレフタレート、ポリカーボネート、ポリメタクリル酸メチル、アルミニウム、銅、チタン、鉄、又はステンレス鋼との組合せ、ポリカーボネートと、ポリカーボネート、ポリメタクリル酸メチル、アルミニウム、銅、チタン、鉄、又はステンレス鋼との組合せ、ポリメタクリル酸メチルと、ポリメタクリル酸メチル、アルミニウム、銅、チタン、鉄、又はステンレス鋼との組合せ、ポリプロピレンを母材とする炭素繊維強化プラスチックと、ポリプロピレン、ポリアミド、ポリフェニレンサルファイド、ポリエチレンテレフタレート、ポリカーボネート、ポリメタクリル酸メチル、ポリプロピレンを母材とする炭素繊維強化プラスチック、ポリアミドを母材とする炭素繊維強化プラスチック、ポリフェニレンサルファイドを母材とする炭素繊維強化プラスチック、ポリエチレンテレフタレートを母材とする炭素繊維強化プラスチック、ポリカーボネートを母材とする炭素繊維強化プラスチック、ポリエーテルエーテルケトンを母材とする炭素繊維強化プラスチック、ポリエーテルイミドを母材とする炭素繊維強化プラスチック、エポキシ樹脂を母材とする炭素繊維強化プラスチック、アルミニウム、銅、チタン、鉄、ステンレス鋼、ストロンチウムタイタネート、ランタンアルミネート、酸化マグネシウム、又はガラスとの組合せ、ポリアミドを母材とする炭素繊維強化プラスチックと、ポリプロピレン、ポリアミド、ポリフェニレンサルファイド、ポリエチレンテレフタレート、ポリカーボネート、ポリメタクリル酸メチル、ポリアミドを母材とする炭素繊維強化プラスチック、ポリフェニレンサルファイドを母材とする炭素繊維強化プラスチック、ポリエチレンテレフタレートを母材とする炭素繊維強化プラスチック、ポリカーボネートを母材とする炭素繊維強化プラスチック、ポリエーテルエーテルケトンを母材とする炭素繊維強化プラスチック、ポリエーテルイミドを母材とする炭素繊維強化プラスチック、エポキシ樹脂を母材とする炭素繊維強化プラスチック、アルミニウム、銅、チタン、鉄、又はステンレス鋼との組合せ、ポリフェニレンサルファイドを母材とする炭素繊維強化プラスチックと、ポリプロピレン、ポリアミド、ポリフェニレンサルファイド、ポリエチレンテレフタレート、ポリカーボネート、ポリメタクリル酸メチル、ポリフェニレンサルファイドを母材とする炭素繊維強化プラスチック、ポリエチレンテレフタレートを母材とする炭素繊維強化プラスチック、ポリカーボネートを母材とする炭素繊維強化プラスチック、ポリエーテルエーテルケトンを母材とする炭素繊維強化プラスチック、ポリエーテルイミドを母材とする炭素繊維強化プラスチック、エポキシ樹脂を母材とする炭素繊維強化プラスチック、アルミニウム、銅、チタン、鉄、又はステンレス鋼との組合せ、ポリエチレンテレフタレートを母材とする炭素繊維強化プラスチックと、ポリプロピレン、ポリアミド、ポリフェニレンサルファイド、ポリエチレンテレフタレート、ポリカーボネート、ポリメタクリル酸メチル、ポリエチレンテレフタレートを母材とする炭素繊維強化プラスチック、ポリカーボネートを母材とする炭素繊維強化プラスチック、ポリエーテルエーテルケトンを母材とする炭素繊維強化プラスチック、ポリエーテルイミドを母材とする炭素繊維強化プラスチック、エポキシ樹脂を母材とする炭素繊維強化プラスチック、アルミニウム、銅、チタン、鉄、又はステンレス鋼との組合せ、ポリカーボネートを母材とする炭素繊維強化プラスチックと、ポリプロピレン、ポリアミド、ポリフェニレンサルファイド、ポリエチレンテレフタレート、ポリカーボネート、ポリメタクリル酸メチル、ポリカーボネートを母材とする炭素繊維強化プラスチック、ポリエーテルエーテルケトンを母材とする炭素繊維強化プラスチック、ポリエーテルイミドを母材とする炭素繊維強化プラスチック、エポキシ樹脂を母材とする炭素繊維強化プラスチック、アルミニウム、銅、チタン、鉄、又はステンレス鋼との組合せ、ポリエーテルエーテルケトンを母材とする炭素繊維強化プラスチックと、ポリプロピレン、ポリアミド、ポリフェニレンサルファイド、ポリエチレンテレフタレート、ポリカーボネート、ポリメタクリル酸メチル、ポリカーボネートを母材とする炭素繊維強化プラスチック、ポリエーテルエーテルケトンを母材とする炭素繊維強化プラスチック、ポリエーテルイミドを母材とする炭素繊維強化プラスチック、エポキシ樹脂を母材とする炭素繊維強化プラスチック、アルミニウム、銅、チタン、鉄、又はステンレス鋼との組合せ、ポリエーテルイミドを母材とする炭素繊維強化プラスチックと、ポリプロピレン、ポリアミド、ポリフェニレンサルファイド、ポリエチレンテレフタレート、ポリカーボネート、ポリメタクリル酸メチル、ポリカーボネートを母材とする炭素繊維強化プラスチック、ポリエーテルエーテルケトンを母材とする炭素繊維強化プラスチック、ポリエーテルイミドを母材とする炭素繊維強化プラスチック、エポキシ樹脂を母材とする炭素繊維強化プラスチック、アルミニウム、銅、チタン、鉄、又はステンレス鋼との組合せ、エポキシ樹脂を母材とする炭素繊維強化プラスチックと、ポリプロピレン、ポリアミド、ポリフェニレンサルファイド、ポリエチレンテレフタレート、ポリカーボネート、ポリメタクリル酸メチル、ポリカーボネートを母材とする炭素繊維強化プラスチック、ポリエーテルエーテルケトンを母材とする炭素繊維強化プラスチック、ポリエーテルイミドを母材とする炭素繊維強化プラスチック、エポキシ樹脂を母材とする炭素繊維強化プラスチック、アルミニウム、銅、チタン、鉄、又はステンレス鋼との組合せのうちのいずれかの組合せの物体であってもよい。
【0009】
接着するステップは、室温で実行される場合、２つの物体は、ポリプロピレンと、ポリプロピレン、ポリアミド、ポリフェニレンサルファイド、ポリエチレンテレフタレート、ポリカーボネート、ポリメタクリル酸メチル、ステンレス鋼、ストロンチウムタイタネート、ランタンアルミネート、又はガラスとの組合せ、ポリアミドと、ポリアミド、ポリエチレンテレフタレート、ポリメタクリル酸メチルとの組合せ、ポリエチレンテレフタレートと、ポリエチレンテレフタレート、ポリカーボネート、ポリメタクリル酸メチルとの組合せ、ポリカーボネートと、ポリカーボネート、又はポリメタクリル酸メチルとの組合せ、ポリメタクリル酸メチルと、ポリメタクリル酸メチルとの組合せ、ポリプロピレンを母材とする炭素繊維強化プラスチックと、ポリプロピレン、ポリアミド、ポリフェニレンサルファイド、ポリエチレンテレフタレート、ポリカーボネート、ポリプロピレンを母材とする炭素繊維強化プラスチック、ポリアミドを母材とする炭素繊維強化プラスチック、ポリフェニレンサルファイドを母材とする炭素繊維強化プラスチック、ポリエチレンテレフタレートを母材とする炭素繊維強化プラスチック、ポリカーボネートを母材とする炭素繊維強化プラスチック、アルミニウム、ステンレス鋼、ストロンチウムタイタネート、ランタンアルミネート、又はガラスとの組合せ、ポリアミドを母材とする炭素繊維強化プラスチックと、ポリプロピレン、ポリアミド、ポリエチレンテレフタレート、ポリアミドを母材とする炭素繊維強化プラスチック、又はポリエチレンテレフタレートを母材とする炭素繊維強化プラスチックとの組合せ、ポリフェニレンサルファイドを母材とする炭素繊維強化プラスチックと、ポリプロピレンとの組合せ、ポリエチレンテレフタレートを母材とする炭素繊維強化プラスチックと、ポリプロピレン、ポリアミドとの組合せ、ポリカーボネートを母材とする炭素繊維強化プラスチックと、ポリプロピレンとの組合せのうちのいずれかの組合せの物体であってもよい。
【0010】
２つの物体の双方と接合可能なフィルムの一方の面と２つの物体のうちの一方とを接合するステップと、フィルムの他方の面と２つの物体のうちの他方とを接合するステップと、を更に備えてもよい。この態様によると、直接接合することが困難である２つの物体を接合したり、直接接合するために加熱が必要となるような２つの物体を室温で接合したりすることができる。
【0011】
本発明の別の態様は、接合物である。この接合物は、２つの物体のそれぞれの接合面にプラズマを照射することにより接合面に生成された官能基同士の化学結合により２つの物体が接合されてなる。
【0012】
この態様によると、２つの物体が、接着剤やボルトなどを用いることなく、容易かつ強固に接合されるので、接合物の強度を向上させることができるとともに、接合物の劣化を低減させることができる。
【0013】
２つの物体の間に配置されたフィルムを更に備えてもよい。接合物は、フィルムの一方の面と２つの物体のうちの一方とが接合されるとともに、フィルムの他方の面と２つの物体のうちの他方とが接合されてなってもよい。この態様によると、直接接合することが困難である２つの物体を接合したり、直接接合するために加熱が必要となるような２つの物体を室温で接合したりすることができる。
【0014】
なお、以上の構成要素の任意の組合せ、本発明の表現を方法、装置などの間で変換したものもまた、本発明の態様として有効である。また、上述した各要素を適宜組み合わせたものも、本件特許出願によって特許による保護を求める発明の範囲に含まれうる。
【発明の効果】
【0015】
本発明によれば、物体を接合する技術を改良することができる。
【図面の簡単な説明】
【0016】
【図1】実施の形態に係る接合方法による接合の原理を模式的に示す図である。
【図2】実施例において使用した回転ドラム式プラズマ照射装置の構成を概略的に示す図である。
【図3】接合の強度を評価するために実施したＴ型剥離試験の原理を模式的に示す図である。
【図4】接合の強度を評価するために実施した引張り剪断試験の原理を模式的に示す図である。
【図5】プラズマ照射前後の物体表面における水の接触角の変化を示す図である。
【図6】プラズマ照射前後のＰＰＳフィルムのＸ線光電子分光の測定結果を示す図である。
【図7】プラズマ照射前後のＡｌ板のＸ線光電子分光の測定結果を示す図である。
【図8】プラズマ照射前後のＰＰＳフィルムの走査型電子顕微鏡画像を示す図である。
【図9】プラズマ照射回数と水の接触角の関係を示す図である。
【図10】プラズマ照射回数と接合強度の関係を示す図である。
【図11】ＰＰＳフィルムの示差熱分析の測定結果を示す図である。
【図12】ＰＰＳフィルムのＸ線回折の測定結果を示す図である。
【図13】接合温度と接合強度の関係を示す図である。
【図14】プラズマ照射前後のＣｕ板のＸ線光電子分光の測定結果を示す図である。
【図15】全反射測定法により測定したＣｕ板の表面の赤外線吸収スペクトルを示す図である。
【図16】プラズマ照射前後の物体表面における水の接触角の変化を示す図である。
【図17】プラズマ照射回数と水の接触角の関係を示す図である。
【図18】プラズマ照射前後の物体表面における水の接触角の変化を示す図である。
【図19】プラズマ照射前後のＰＣフィルムの走査型電子顕微鏡画像を示す図である。
【図20】プラズマ照射回数と水の接触角の関係を示す図である。
【図21】プラズマ照射回数と接合強度の関係を示す図である。
【図22】プラズマ照射前後のＰＣフィルムのＸ線光電子分光の測定結果を示す図である。
【図23】Ｘ線光電子分光の測定結果から算出した、プラズマ照射前後のＰＣフィルムの表面の結合の種類の変化を示す図である。
【図24】プラズマ照射により物体の表面に導入された官能基の数を計算した結果を示す図である。
【図25】プラズマ照射前後の物体表面における水の接触角の変化を示す図である。
【図26】プラズマ照射前後のＰＡ６フィルムのＸ線光電子分光の測定結果を示す図である。
【図27】プラズマ照射前後のＰＡ６フィルムの和周波発生分光の測定結果を示す図である。
【図28】プラズマ照射前後の物体表面における水の接触角の変化を示す図である。
【図29】プラズマ照射前後のＰＰフィルムのＸ線光電子分光の測定結果を示す図である。
【図30】プラズマ照射前後のＰＡ６を母材とする炭素繊維強化プラスチックのＸ線光電子分光の測定結果を示す図である。
【図31】シングルラップ継手の引張試験に用いた試験片の寸法を示す図である。
【図32】ＣＦ／ＰＡ６のシングルラップ継手の引張試験の結果を示す図である。
【図33】ＣＦ／ＰＡ６６のシングルラップ継手の引張試験の結果を示す図である。
【図34】ＣＦ／ＰＥＥＫのシングルラップ継手の引張試験の結果を示す図である。
【図35】接合物の剪断応力の測定結果を示す図である。
【図36】接合物の剪断応力の測定結果を示す図である。
【図37】本実施例に係る接合物の構成を概略的に示す図である。
【発明を実施するための形態】
【0017】
本発明の実施の形態は、２つの物体を接合する技術に関する。具体的には、接合する２つの物体のそれぞれの接合面にプラズマを照射した後、それぞれの物体に含まれる物質の融点未満の温度で接合面同士を接着させることにより、２つの物体を接合する。
【0018】
図１は、実施の形態に係る接合方法による接合の原理を模式的に示す。図１（ａ）は、接合する２つの物体のそれぞれの接合面にプラズマを照射した後の様子を模式的に示す。プラズマの照射により、それぞれの接合面にカルボキシ基やヒドロキシ基などの官能基が生成される。図１（ｂ）は、接合面同士を接着させた後の様子を模式的に示す。接合面同士を接着させると、近接した位置にある官能基間で化学結合が形成され、形成された化学結合により２つの物体が接合される。本図の場合には、一方の物体の接合面にあるヒドロキシ基と他方の物体の接合面にあるカルボキシ基とが脱水縮合することにより形成されるエステル結合や、双方の物体の接合面にあるヒドロキシ基同士が脱水縮合することにより形成されるエーテル結合など、多数の共有結合により２つの物体が強固に接合される。官能基間の化学結合は、水素結合やファンデルワールス結合などであってもよいが、化学結合の中でも最も強固な結合である共有結合により官能基間が結合されることがより望ましい。
【0019】
このように、本実施の形態の方法によれば、接着剤を使用することなく２つの物体を接合することができるので、接着剤の劣化や揮発性有機化合物の発生などの問題が生じない。また、ボルトを使用することなく２つの物体を接合することができるので、２つの物体に穿孔などの加工をする必要がなく、２つの物体の強度の低下などの問題が生じない。更に、融点以上に加熱することなく２つの物体を接合することができるので、加熱による２つの物体の劣化などの問題が生じない。
【0020】
２つの物体の接合面にプラズマを照射するためのプラズマ照射装置は、任意のプラズマ発生技術を利用したプラズマ照射装置であってもよい。後述する実施例においては、ドラム型プラズマ照射装置を使用するが、その他の方式のプラズマ照射装置、例えば、平板型プラズマ照射装置が使用されてもよい。
【0021】
２つの物体の接合面にプラズマを照射する際の条件は、プラズマ照射装置の種類、接合する物体の種類、大きさ、要求される接合の強度、接合面の状態などに応じて選択されてもよい。後述するように、それぞれの接合面におけるエッチングの量を所定値未満に抑えつつ、それぞれの接合面に所定数以上の官能基が生成されるような条件でプラズマが照射されるのが好ましい。具体的な条件は、実施例に関連して後述する。
【0022】
２つの物体の接合面には、任意の物質のプラズマが照射されてもよい。例えば、二酸化炭素、酸素、窒素、水蒸気、ヘリウム、ネオン、アルゴンなどの常温で気体である物質のプラズマが照射されてもよいし、これらの物質のうちのいずれか２以上の混合物、例えば空気などのプラズマが照射されてもよい。
【0023】
２つの物体の接合面に生成させる官能基の種類は、接合する物体の種類、大きさ、要求される接合の強度、接合面の状態などに応じて選択されてもよい。２つの物体のそれぞれの接合面に、同種の官能基が生成されてもよいし、異種の官能基が生成されてもよい。後者の場合、接合する物体の種類、大きさ、要求される接合の強度、接合面の状態などに応じて、適切な官能基の組合せが選択されるのが好ましい。すなわち、接合面同士を接着させたときに化学反応が発生しやすい官能基がそれぞれの接合面に生成されるように、照射するプラズマの種類や、復圧する際に導入する気体の種類が選択されるのが好ましい。
【0024】
本実施の形態の方法により接合可能な物体は、樹脂、炭素繊維強化プラスチック（ＣＦＲＰ）、金属、金属酸化物、ガラスなどの物体を含む。より具体的には、樹脂の例として、ＰＥＴ（ポリエチレンテレフタレート）、ＰＡ（ポリアミド）、ＰＩ（ポリイミド）、ＰＰＳ（ポリフェニレンサルファイド）、ＰＰ（ポリプロピレン）、ＰＣ（ポリカーボネート）、ＰＥＥＫ（ポリエーテルエーテルケトン）、ＰＭＭＡ（ポリメタクリル酸メチル）、ＰＥＩ（ポリエーテルイミド）、エポキシ樹脂など、炭素繊維強化プラスチックの例として、ＣＦ／ＰＰ（ポリプロピレンを母材とする炭素繊維強化プラスチック）、ＣＦ／ＰＡ（ポリアミドを母材とする炭素繊維強化プラスチック）、ＣＦ／ＰＰＳ（ポリフェニレンサルファイドを母材とする炭素繊維強化プラスチック）、ＣＦ／ＰＥＴ（ポリエチレンテレフタレートを母材とする炭素繊維強化プラスチック）、ＣＦ／ＰＣ（ポリカーボネートを母材とする炭素繊維強化プラスチック）、ＣＦ／ＰＥＥＫ（ポリエーテルエーテルケトンを母材とする炭素繊維強化プラスチック）、ＣＦ／ＰＥＩ（ポリエーテルイミドを母材とする炭素繊維強化プラスチック）、ＣＦ／ｅｐｏｘｙ（エポキシ樹脂を母材とする炭素繊維強化プラスチック）など、金属の例として、Ａｌ（アルミニウム）、Ｃｕ（銅）、Ｔｉ（チタン）、Ｆｅ（鉄）、ステンレス鋼（ＳＵＳ）など、金属酸化物の例として、ストロンチウムタイタネート（ＳＴＯ）やランタンアルミネート（ＬＡＯ）などのペロブスカイト型金属酸化物や酸化マグネシウム（ＭｇＯ）などを含む、同種又は異種の物体を、上記の方法により接合可能である。また、複数の物質や材料により構成された物体も、上記の方法により接合可能である。
【0025】
とくに、炭素繊維強化プラスチックは、金属よりも軽量で、かつ、高強度であるために、自動車や航空機などの分野で広く応用が期待されているが、本実施の形態の方法によれば、炭素繊維強化プラスチック同士、又は、炭素繊維強化プラスチックと金属や樹脂などとの間で、上述したような問題を抑えつつ、高強度な接合を容易に実現することができる。
【0026】
接合する物体の形状は、接合面同士が接着可能な形状を有していれば、任意であってよい。例えば、フィルムとフィルム、フィルムと平板、平板と平板、曲面と曲面などであってもよい。
【0027】
本実施の形態の方法によれば、２つの物体を強固な共有結合により接合することができるので、輸送機関の部品など、非常に高い強度の接合が要求される分野にも応用できる。また、接合部分において高い気密性を確保することができるので、内部に水素を貯蔵するためのタンクや、内部を真空に保つ必要がある容器などにも応用できる。また、揮発性有機化合物を発生することがないので、医療検査、医薬品、細胞生物学研究、蛋白質結晶化などの分野において利用されるマイクロ流路チップを製造するための接合にも応用できる。
【0028】
ＰＡは、吸水性を有することが実用上問題となりうるが、ＰＡや、ＰＡを母材とする炭素繊維強化プラスチックの表面に、水の侵入を防ぐためのＰＰＳなどのフィルムを接合することにより、耐水性を向上させることができる。また、フッ素系樹脂のフィルムを表面に接合することにより、紫外線による劣化を防ぐことができ、耐候性を向上させることができる。このように、耐水性や耐候性に劣る材料であっても、表面に耐水性や耐候性を向上させることが可能なフィルムを接合することにより、過酷な環境においても長期にわたって使用可能な製品を実現することができる。
【0029】
［実施例］
本発明者は、様々な種類の物体を接合する実験を行った。以下に、実験の詳細について説明する。
本発明者は、様々な種類の物体を接合する実験を行った。以下に、実験の詳細について説明する。
【0030】
［プラズマ照射装置］
図２は、実施例において使用した回転ドラム式プラズマ照射装置の構成を概略的に示す。回転ドラム式プラズマ照射装置１０は、図示しないモータなどの駆動機構により所定の角速度で回転される回転ドラム２４と、放電を発生させるための電極２２と、回転ドラム２４の側面に設けられた試料ホルダー２６と、これらの構成を内部に配置するベルジャー２０と、ベルジャー２０内に処理用の気体を導入するための気体導入口２８と、処理用の気体を供給するためのボンベ３０とを備える。プラズマ処理の対象となる試料３２を試料ホルダー２６に設置し、ベルジャー２０内を真空に減圧した後、処理用の気体をベルジャー２０内に導入し、電極２２に高電圧を供給すると、処理用の気体が放電によりプラズマ状態となり、試料３２の表面に照射される。試料３２は、回転ドラム２４と共に回転される。回転ドラム２４を２回転以上回転させる場合は、試料３２がプラズマの照射範囲を通過するたびに、試料３２の表面にプラズマが照射される。
図２は、実施例において使用した回転ドラム式プラズマ照射装置の構成を概略的に示す。回転ドラム式プラズマ照射装置１０は、図示しないモータなどの駆動機構により所定の角速度で回転される回転ドラム２４と、放電を発生させるための電極２２と、回転ドラム２４の側面に設けられた試料ホルダー２６と、これらの構成を内部に配置するベルジャー２０と、ベルジャー２０内に処理用の気体を導入するための気体導入口２８と、処理用の気体を供給するためのボンベ３０とを備える。プラズマ処理の対象となる試料３２を試料ホルダー２６に設置し、ベルジャー２０内を真空に減圧した後、処理用の気体をベルジャー２０内に導入し、電極２２に高電圧を供給すると、処理用の気体が放電によりプラズマ状態となり、試料３２の表面に照射される。試料３２は、回転ドラム２４と共に回転される。回転ドラム２４を２回転以上回転させる場合は、試料３２がプラズマの照射範囲を通過するたびに、試料３２の表面にプラズマが照射される。
【0031】
［Ｔ型剥離試験］
図３は、接合の強度を評価するために実施したＴ型剥離試験の原理を模式的に示す。図３（ａ）は、Ｔ型剥離試験において使用した試験片４６の上面を示す。試験片４６は、同じ大きさに切断した２つの物体を、斜線を付した部分で接合したものである。斜線を付していない部分は、接合されておらず、分離している。図３（ｂ）は、Ｔ型剥離試験装置４０を概略的に示す。試験片４６の接合していない部分の一方をつかみ具４２に、他方を可動つかみ具４４に取り付ける。つかみ具４２を固定しつつ、可動つかみ具４４を毎分１０ｍｍの速度で移動させ、剥離距離とつかみ具に加えられた力を記録した。
図３は、接合の強度を評価するために実施したＴ型剥離試験の原理を模式的に示す。図３（ａ）は、Ｔ型剥離試験において使用した試験片４６の上面を示す。試験片４６は、同じ大きさに切断した２つの物体を、斜線を付した部分で接合したものである。斜線を付していない部分は、接合されておらず、分離している。図３（ｂ）は、Ｔ型剥離試験装置４０を概略的に示す。試験片４６の接合していない部分の一方をつかみ具４２に、他方を可動つかみ具４４に取り付ける。つかみ具４２を固定しつつ、可動つかみ具４４を毎分１０ｍｍの速度で移動させ、剥離距離とつかみ具に加えられた力を記録した。
【0032】
［引張り剪断試験］
図４は、接合の強度を評価するために実施した引張り剪断試験の原理を模式的に示す。図４（ａ）は、引張り剪断試験において使用した試験片５６の上面を示す。試験片５６は、同じ大きさに切断した２つの物体を、長辺方向にずらして重ね、斜線を付した部分で接合したものの両端に、つかみ具によりつかまれる部分を補強するためのタブ５５を接着剤により接着させたものである。図４（ｂ）は、引張り剪断試験装置５０を概略的に示す。試験片５６の２つの物体の一方の端のタブ５５をつかみ具５２でつかみ、他方の端のタブ５５をつかみ具５４でつかむ。つかみ具５２及びつかみ具５４を一定速度（０．０５ｍｍ／分、１．０ｍｍ／分、又は２．０ｍｍ／分）で移動させ、破断時の力の最高値を試験片５６の破断力として記録した。剪断応力は、破断力を剪断面積で除して算出した。
図４は、接合の強度を評価するために実施した引張り剪断試験の原理を模式的に示す。図４（ａ）は、引張り剪断試験において使用した試験片５６の上面を示す。試験片５６は、同じ大きさに切断した２つの物体を、長辺方向にずらして重ね、斜線を付した部分で接合したものの両端に、つかみ具によりつかまれる部分を補強するためのタブ５５を接着剤により接着させたものである。図４（ｂ）は、引張り剪断試験装置５０を概略的に示す。試験片５６の２つの物体の一方の端のタブ５５をつかみ具５２でつかみ、他方の端のタブ５５をつかみ具５４でつかむ。つかみ具５２及びつかみ具５４を一定速度（０．０５ｍｍ／分、１．０ｍｍ／分、又は２．０ｍｍ／分）で移動させ、破断時の力の最高値を試験片５６の破断力として記録した。剪断応力は、破断力を剪断面積で除して算出した。
【0033】
［実施例１］
本実施の形態に係る接合方法による接合の原理を確認するために、ＰＰＳのフィルムとＡｌの平板とを接合する実験を行った。ＰＰＳフィルムとＡｌ板を切断して試験片を作成し、表面をエタノールで洗浄した。２つの試験片のそれぞれの接合面に、回転ドラム式プラズマ照射装置によりプラズマを照射した後、真空プレス機により接合面同士を接着させてＡｌ板とＰＰＳフィルムを接合し、接合物の引張り剪断応力を測定した。表１に実験条件を示す。
本実施の形態に係る接合方法による接合の原理を確認するために、ＰＰＳのフィルムとＡｌの平板とを接合する実験を行った。ＰＰＳフィルムとＡｌ板を切断して試験片を作成し、表面をエタノールで洗浄した。２つの試験片のそれぞれの接合面に、回転ドラム式プラズマ照射装置によりプラズマを照射した後、真空プレス機により接合面同士を接着させてＡｌ板とＰＰＳフィルムを接合し、接合物の引張り剪断応力を測定した。表１に実験条件を示す。
【表1】
【0034】
図５は、プラズマ照射前後の物体表面における水の接触角の変化を示す。図５（ａ）に示すように、プラズマ照射前のＡｌ板の表面における水の接触角は９４．５９°であるのに対し、図５（ｂ）に示すように、プラズマ照射後のＡｌ板の表面における水の接触角は３８．６０°である。また、図５（ｃ）に示すように、プラズマ照射前のＰＰＳフィルムの表面における水の接触角は９３．１４°であるのに対し、図５（ｄ）に示すように、プラズマ照射後のＰＰＳフィルムの表面における水の接触角は１９．６１°である。このように、Ａｌ板においてもＰＰＳフィルムにおいても、プラズマの照射により表面における水の接触角は著しく小さくなっている。
【0035】
図６は、プラズマ照射前後のＰＰＳフィルムのＸ線光電子分光（X-ray Photoelectron Spectroscopy：ＸＰＳ）の測定結果を示す。図６（ａ）に示すように、プラズマ照射後のＰＰＳフィルムのＸ線光電子スペクトルにおいては、プラズマ照射前よりもＯ１ｓピークの強度が増加しており、プラズマ照射によりＰＰＳフィルムの表面においてＯが増加したことが示唆される。また、図６（ａ）のスペクトルの１５０～１７０ｅＶ付近を拡大した図６（ｂ）及び図６（ｃ）、及び、２８０～３００ｅＶ付近を拡大した図６（ｄ）及び図６（ｅ）に示すように、プラズマ照射後のＸ線光電子スペクトルにおいては、Ｓ２ｐピーク及びＣ１ｓピークの強度が変化しており、プラズマ照射によりＰＰＳフィルムの表面においてヒドロキシ基の増加やスルホニル基の生成が示唆される。
【0036】
図７は、プラズマ照射前後のＡｌ板のＸ線光電子分光の測定結果を示す。図７に示すように、プラズマ照射後のＡｌ板のＸ線光電子スペクトルにおいては、プラズマ照射前よりもＣ１ｓピークの強度が減少し、Ａｌに由来するピークの強度が増加しており、Ａｌ板の表面の有機物が除去され、酸化被膜が露出されたことが示唆される。
【0037】
図８は、プラズマ照射前後のＰＰＳフィルムの走査型電子顕微鏡（ＳＥＭ）画像を示す。プラズマ照射前後の画像を比較すると、ＰＰＳフィルムの表面に付着していた有機物が除去されているのが分かる。ＰＰＳフィルムの表面においてプラズマ照射によるエッチングは見られない。
【0038】
このように、プラズマ照射前後のＰＰＳフィルム及びＡｌ板の表面の水の接触角、ＸＰＳ、ＳＥＭの測定結果を考慮すると、樹脂では、プラズマ照射により表面に付着していた有機物が除去されるとともに親水性の官能基が生成されたことが示唆され、金属では、表面に付着していた有機物が除去されて酸化皮膜が露出されたことが示唆される。
【0039】
図９は、プラズマ照射回数と水の接触角の関係を示す。Ａｌ板においても、ＰＰＳフィルムにおいても、プラズマ照射回数を多くするほど接触角は小さくなるが、プラズマ照射前に比べると、１回のプラズマ照射により十分に接触角が小さくなっており、２回目以降のプラズマ照射による接触角の減少はわずかであった。ＰＰＳフィルムにおいては、プラズマ照射電圧を３ｋＶとした場合の方が、プラズマ照射電圧を２ｋＶとした場合よりも接触角が小さくなるが、Ａｌにおいては、プラズマ照射電圧が３ｋＶの場合も２ｋＶの場合も接触角はほぼ同じであった。
【0040】
図１０は、プラズマ照射回数と接合強度の関係を示す。プラズマ照射電圧を２ｋＶとした場合も３ｋＶとした場合も、プラズマを１回照射した場合より２回照射した場合の方が剪断応力が大きくなるが、プラズマを２回照射した場合と３回照射した場合の剪断応力はほぼ同じであった。
【0041】
このように、接合面における水の接触角と接合強度との間に相関があることから、親水性の官能基間の化学反応により共有結合、水素結合、ファンデルワールス結合が形成されていることが示唆される。
【0042】
図１１は、ＰＰＳフィルムの示差熱分析（Differential Thermal Analysis：ＤＴＡ）の測定結果を示す。１３１℃付近に結晶化による発熱ピークが見られ、２７７℃付近に融解による吸熱ピークが見られる。
【0043】
図１２は、ＰＰＳフィルムのＸ線回折（X-ray Diffraction：ＸＲＤ）の測定結果を示す。図１２（ａ）に示したＸ線回折データから算出した、ＰＰＳフィルムにおけるＰＰＳの結晶化度を図１２（ｂ）に示す。ＤＴＡにおいて結晶化による発熱ピークが見られた温度以上に加熱すると、ＰＰＳの再結晶化が進み、結晶化度が高くなることが分かる。
【0044】
図１３は、接合温度と接合強度の関係を示す。ＰＰＳフィルムとＡｌ板とを接合する際の接合温度を上昇させるとともに接合強度が向上し、１１０℃付近で最大となるが、それ以上接合温度を上昇させると、かえって接合強度が低下することが分かる。これは、ＰＰＳフィルムにおいてＰＰＳが再結晶化することが原因であると考えられる。
【0045】
このように、ＰＰＳフィルムのＤＴＡ及びＸＲＤの測定結果と、ＰＰＳフィルムとＡｌ板の接合温度と接合強度との関係を考慮すると、それぞれの物体の表面の官能基同士の間で起こる化学反応の活性化エネルギーを超えて化学反応が進むのに十分な温度よりも高く、樹脂の結晶化温度よりも低い温度で２つの物体を接合することにより、高い接合強度が得られることが示唆される。
【0046】
なお、ＳＵＳ板においても、Ａｌ板と同様に、プラズマの照射により表面における水の接触角が減少することを確認した。これも、プラズマの照射により表面に付着していた有機物が除去されて酸化皮膜が露出されたためと考えられる。また、ＳＵＳ板及びＴｉ板にプラズマを照射した後の表面のＳＥＭ画像を撮像し、表面においてプラズマ照射によるエッチングが見られないことを確認した。
【0047】
［実施例２］
実施例１と同様に、ＰＰＳのフィルムとＣｕの平板とを接合する実験を行った。実験条件は、表１と同様である。ＰＰＳフィルムとＣｕ板とを１１０℃で接合すると、ＰＰＳフィルムとＡｌ板の場合と同様に、強固に接合することができた。
実施例１と同様に、ＰＰＳのフィルムとＣｕの平板とを接合する実験を行った。実験条件は、表１と同様である。ＰＰＳフィルムとＣｕ板とを１１０℃で接合すると、ＰＰＳフィルムとＡｌ板の場合と同様に、強固に接合することができた。
【0048】
図１４は、プラズマ照射前後のＣｕ板のＸ線光電子分光の測定結果を示す。図１４（ａ）に示すように、プラズマ照射後のＣｕ板のＸ線光電子スペクトルにおいては、プラズマ照射前よりもＣ１ｓピークの強度が減少しており、プラズマ照射によりＣｕ板の表面から有機物が除去されたことが示唆される。また、プラズマ照射前後のＣｕ２ｐピークの強度の変化から、プラズマ照射によりＣｕ２＋がＣｕ＋に還元されたことが示唆される。また、プラズマ照射前のＯ１ｓピークを示す図１４（ｂ）と、プラズマ照射後のＯ１ｓピークを示す図１４（ｃ）からも、プラズマ照射によりＯＨ－が減少し、Ｏ２－が増加したことが示唆され、Ｃｕ２＋がＣｕ＋に還元されたことが示唆される。
【0049】
図１５は、全反射測定（Attenuated Total Reflection：ＡＴＲ）法により測定したＣｕ板の表面の赤外線吸収スペクトルを示す。数μｍ程度のもぐり込み深さにおけるＡＴＲスペクトルは、プラズマの照射前後でほとんど変化がない。
【0050】
このように、ＸＰＳスペクトルとＡＴＲスペクトルの測定結果を考慮すると、Ｃｕ板の表面の数ｎｍ程度のＣｕＯ被膜が、プラズマ照射によりＣｕ２Ｏに変化したと考えられる。
【0051】
図１６は、プラズマ照射前後の物体表面における水の接触角の変化を示す。図１６（ａ）に示すように、プラズマ照射前のＣｕ板の表面における水の接触角は８３．３３°であるのに対し、図１６（ｂ）に示すように、プラズマ照射後のＣｕ板の表面における水の接触角は４９．９０°である。このように、Ｃｕ板においても、図５に示したＡｌ板と同様に、プラズマの照射により表面における水の接触角は著しく小さくなっており、プラズマ照射により、表面に付着していた有機物が除去されて、酸化皮膜が露出したことが示唆される。
【0052】
図１７は、プラズマ照射回数と水の接触角の関係を示す。Ｃｕ板においては、Ａｌ板やＰＰＳフィルムとは異なり、２回以上プラズマを照射すると、１回プラズマを照射した場合よりも接触角が大きくなる。ＸＰＳの結果も考慮すると、これは、Ｃｕ２＋がプラズマ照射により還元されてＣｕ＋に変化したためと考えられる。
【0053】
以上の実験結果から、Ｃｕ板とＰＰＳフィルムを接合させる場合、Ｃｕ板の表面にプラズマを照射すると、数ｎｍ程度のＣｕＯ被膜がＣｕ２Ｏに変化し、ＰＰＳフィルムと接合させると、Ｃｕ２ＯがＰＰＳフィルムの表面のＯ原子と化学反応してＣｕＯになることにより、Ｃｕ板とＰＰＳフィルムが接合されると考えられる。
【0054】
このように、プラズマ照射条件によって、金属板の表面の金属原子の酸化状態や電子状態を変化させることができるので、接合する相手の物体の種類、接合する相手の物体の表面に導入された官能基の種類又は量、接合温度、接合時間などに応じて、金属の酸化状態や電子状態を適切に制御することにより、金属を容易かつ強固に他の物体と接合することができる。
【0055】
［実施例３］
実施例１と同様に、ＰＣのフィルムとＰＥＴのフィルムとを接合する実験を行った。実験条件は、表１と同様である。ＰＣフィルムとＰＥＴフィルムの組合せは、２５℃においても１００℃においても強固に接合することができた。
実施例１と同様に、ＰＣのフィルムとＰＥＴのフィルムとを接合する実験を行った。実験条件は、表１と同様である。ＰＣフィルムとＰＥＴフィルムの組合せは、２５℃においても１００℃においても強固に接合することができた。
【0056】
図１８は、プラズマ照射前後の物体表面における水の接触角の変化を示す。図１８（ａ）に示すように、プラズマ照射前のＰＣフィルムの表面における水の接触角は９５．６°であるのに対し、図１８（ｂ）に示すように、プラズマを２回転照射した後のＰＣフィルムの表面における水の接触角は１６．８３°である。また、図１８（ｃ）に示すように、プラズマ照射前のＰＥＴフィルムの表面における水の接触角は８６．４°であるのに対し、図１８（ｄ）に示すように、プラズマを２回転照射した後のＰＥＴフィルムの表面における水の接触角は１８．８１°である。このように、ＰＣフィルムにおいてもＰＥＴフィルムにおいても、プラズマの照射により表面における水の接触角は著しく小さくなっている。
【0057】
図１９は、プラズマ照射前後のＰＣフィルムの走査型電子顕微鏡画像を示す。プラズマ照射前後の画像を比較すると、ＰＣフィルムの表面に付着していた有機物が除去されているのが分かる。ＰＣフィルムの表面において、プラズマ照射によるエッチングは見られない。
【0058】
図２０は、プラズマ照射回数と水の接触角の関係を示す。ＰＣフィルムにおいても、ＰＥＴフィルムにおいても、プラズマ照射回数を多くするほど水の接触角は小さくなる。
【0059】
図２１は、プラズマ照射回数と接合強度の関係を示す。プラズマを照射しない場合にはＰＣフィルムとＰＥＴフィルムは接合しないが、プラズマを１回転照射するとＰＣフィルムとＰＥＴフィルムが接合し、プラズマを２回転照射すると剥離強度が更に増大した。
【0060】
このように、接合面における水の接触角と接合強度との間に相関があることから、親水性の官能基間の化学反応により共有結合、水素結合、ファンデルワールス結合が形成されていることが示唆される。
【0061】
図２２は、プラズマ照射前後のＰＣフィルムのＸ線光電子分光の測定結果を示す。図２２に示すように、プラズマ照射後のＰＣフィルムのＸ線光電子スペクトルにおいては、Ｃ１ｓピークの強度が変化しており、プラズマ照射により、ＰＣフィルムの表面においてＣの結合状態が変化したことが示唆される。
【0062】
図２３は、Ｘ線光電子分光の測定結果から算出した、プラズマ照射前後のＰＣフィルムの表面の結合の種類の変化を示す。図２３に示すように、プラズマ照射により、ＰＣフィルムの表面のカーボネート基が減少し、カルボキシ基が増加したことが示唆される。
【0063】
このように、プラズマ照射前後のＰＣフィルム及びＰＥＴフィルムの表面の水の接触角、ＸＰＳ、ＳＥＭの測定結果を考慮すると、ＰＣフィルムにおいてもＰＥＴフィルムにおいても、プラズマ照射により表面に付着していた有機物が除去されるとともに、親水性の官能基が生成されたことが示唆される。とくに、ＰＣフィルムにおいては、プラズマ照射により表面にカルボキシ基が生成されたことが示唆される。したがって、ＰＣフィルムとＰＥＴフィルムとの間の強固な接合は、プラズマ照射によりＰＣフィルムに生成されたカルボキシ基と、プラズマ照射によりＰＥＴフィルムの表面に露出又は生成されたヒドロキシ基との間のエステル結合によりもたらされることが示唆される。
【0064】
図２４は、プラズマ照射により物体の表面に導入された官能基の数を計算した結果を示す。ＸＰＳのピーク面積から原子組成百分率を算出し、原子組成百分率から最表面の１ｃｍ×１ｃｍ×１０ｎｍの体積中に含まれるヒドロキシ基及びカルボキシ基の数を算出した。なお、深さ方向に官能基が均一に存在しているわけではなく、表面に近いほど多くの官能基が存在していると推測される。ＰＰＳ、ＰＥＴ、及びＰＣのいずれの樹脂においても、プラズマ照射後にヒドロキシ基とカルボキシ基が表面に生成している。これらの樹脂は、後述する実施例７において示すように、本実施の形態に係る方法により、同種又は異種の物体と接合することが可能である。したがって、図２４に示した数の官能基が接合面に生成されるように、接合面にプラズマを照射することにより、本実施の形態に係る方法により他の物体と接合することができることが分かる。
【0065】
［実施例４］
ＰＡ６フィルムにプラズマを照射して、表面状態の変化を観察する実験を行った。
ＰＡ６フィルムにプラズマを照射して、表面状態の変化を観察する実験を行った。
【0066】
図２５は、プラズマ照射前後の物体表面における水の接触角の変化を示す。図２５（ａ）に示すように、プラズマ照射前のＰＡ６フィルムの表面における水の接触角は７９．８３°であるのに対し、図２５（ｂ）に示すように、プラズマ照射後のＰＡ６フィルムの表面における水の接触角は１９．１９°である。このように、ＰＡ６フィルムにおいても、プラズマの照射により表面における水の接触角は著しく小さくなっている。
【0067】
図２６は、プラズマ照射前後のＰＡ６フィルムのＸ線光電子分光の測定結果を示す。図２６（ａ）は、プラズマ照射前のＰＡ６フィルムのＸ線光電子分光スペクトルを示し、図２６（ｂ）は、プラズマ照射後のＰＡ６フィルムのＸ線光電子分光スペクトルを示す。プラズマ照射後のＰＡ６フィルムのＸ線光電子スペクトルにおいては、Ｃ１ｓピークの強度が変化しており、Ｃ１ｓピーク中のＣ－Ｎ又はＣ－Ｏのピークと、Ｃ（＝Ｏ）－Ｎ又はＣ（＝Ｏ）－Ｏのピークが増加した。したがって、これらの結合を含む官能基が表面に生成したことにより、水の接触角が減少したと考えられる。
【0068】
図２７は、プラズマ照射前後のＰＡ６フィルムの和周波発生（Sum-Frequency Generation：ＳＦＧ）分光の測定結果を示す。２８００～３０００ｃｍ－１の波数領域において、プラズマ照射により２８７７ｃｍ－１のバンドの強度が増大した。水の接触角の実験結果も考慮すると、プラズマ照射によりＰＡ６のメチレン鎖がラジカル化されたことが示唆される。
【0069】
以上の実験結果から、ＰＡ６フィルムの表面にプラズマを照射することにより、表面にＣ－Ｎ又はＣ－Ｏ、及び、Ｃ（＝Ｏ）－Ｎ又はＣ（＝Ｏ）－Ｏを含む官能基が生成するとともに、メチレン鎖がラジカル化され、それらの官能基及びラジカルが接合相手の物体の表面の原子又は官能基と化学結合を形成することが示唆される。
【0070】
［実施例５］
ＰＰフィルムにプラズマを照射して、表面状態の変化を観察する実験を行った。
ＰＰフィルムにプラズマを照射して、表面状態の変化を観察する実験を行った。
【0071】
図２８は、プラズマ照射前後の物体表面における水の接触角の変化を示す。図２８（ａ）に示すように、プラズマ照射前のＰＰフィルムの表面における水の接触角は９９．８２°であるのに対し、図２８（ｂ）に示すように、プラズマ照射後のＰＰフィルムの表面における水の接触角は１６．６８°である。このように、ＰＰフィルムにおいても、プラズマの照射により表面における水の接触角は著しく小さくなっている。
【0072】
図２９は、プラズマ照射前後のＰＰフィルムのＸ線光電子分光の測定結果を示す。図２９（ａ）は、プラズマ照射前のＰＰフィルムのＸ線光電子分光スペクトルを示し、図２９（ｂ）は、プラズマ照射後のＰＰフィルムのＸ線光電子分光スペクトルを示す。プラズマ照射後のＰＰフィルムのＸ線光電子スペクトルにおいては、Ｃ１ｓピークの強度が変化しており、Ｃ１ｓピーク中のＣ－Ｏのピークと、Ｃ（＝Ｏ）－Ｏのピークが増加した。したがって、これらの結合を含む官能基が表面に生成したことにより、水の接触角が減少したと考えられる。
【0073】
これらの実験結果から、ＰＰフィルムの表面にプラズマを照射することにより、表面にＣ－Ｏ、及び、Ｃ（＝Ｏ）－Ｏを含む官能基が生成し、それらの官能基が接合相手の物体の表面の原子又は官能基と化学結合を形成することが示唆される。
【0074】
［実施例６］
炭素繊維強化プラスチック同士を接合する実験を行った。
炭素繊維強化プラスチック同士を接合する実験を行った。
【0075】
図３０は、プラズマ照射前後のＰＡ６を母材とする炭素繊維強化プラスチック（ＣＦ／ＰＡ６）のＸ線光電子分光の測定結果を示す。図３０（ａ）は、プラズマ照射前のＣＦ／ＰＡ６のＸ線光電子分光スペクトルを示し、図３０（ｂ）は、プラズマ照射後のＣＦ／ＰＡ６のＸ線光電子分光スペクトルを示す。プラズマ照射後のＣＦ／ＰＡ６のＸ線光電子スペクトルにおいては、Ｃ１ｓピークの強度が変化しており、Ｃ１ｓピーク中のＣ－Ｎ又はＣ－Ｏのピークと、Ｃ（＝Ｏ）－Ｎ又はＣ（＝Ｏ）－Ｏのピークが増加した。したがって、これらの結合を含む官能基が表面に生成したことが示唆される。
【0076】
図３１は、引張試験に用いた試験片の寸法を示す。ＰＡ６を母材とする炭素繊維強化プラスチック（ＣＦ／ＰＡ６）、ＰＡ６６を母材とする炭素繊維強化プラスチック（ＣＦ／ＰＡ６６）、及びＰＥＥＫを母材とする炭素繊維強化プラスチック（ＣＦ／ＰＥＥＫ）について、ＪＩＳ規格に準拠して図３１に示した試験片を作成し、表面にプラズマを照射して接合した後、シングルラップ継手の引張試験を実施した。試験結果を図３２～図３４に示す。
【0077】
これらのＣＦＲＴＰ同士の接合強度は、安全面から世界で最も厳しいとされる、金属同士の接合における飛行機用接着剤要求仕様「米国連邦規格MMM-A-132-A-Type1 Class1」の、常温で３８ＭＰａという値に迫るものであり、飛行機などの移動体の部材をＣＦＲＴＰなどの材料で形成することが可能となる。また、ＣＦ／ＰＡ６、ＣＦ／ＰＥＥＫについては、炭素繊維強化プラスチック同士を接合したシングルラップ継手の引張試験で世界一の値である。
【0078】
［実施例７］
樹脂、金属、炭素繊維強化プラスチック、金属酸化物、ガラスなどの物体を様々な組合せで接合した。実験条件を表２に示す。表２において、（融点）は、接合する物体の表面を構成する物質の融点であり、異種の物体を接合する場合には、融点が低い方の物質の融点である。一部の組合せについては、引張り剪断応力を測定し、その他の組合せについては、Ｔ型剥離試験又は試験片を手で引っ張ることにより接合の強度を評価した。結果を図３５、図３６、表３～８に示す。
樹脂、金属、炭素繊維強化プラスチック、金属酸化物、ガラスなどの物体を様々な組合せで接合した。実験条件を表２に示す。表２において、（融点）は、接合する物体の表面を構成する物質の融点であり、異種の物体を接合する場合には、融点が低い方の物質の融点である。一部の組合せについては、引張り剪断応力を測定し、その他の組合せについては、Ｔ型剥離試験又は試験片を手で引っ張ることにより接合の強度を評価した。結果を図３５、図３６、表３～８に示す。
【表2】
【表3】
【表4】
【表5】
【表6】
【表7】
【表8】
【0079】
接合面同士を接着させる際の温度、圧力、時間などの条件を適切に選択することにより、ほぼ全ての組合せの物体を接合することができることが分かった。具体的には、ポリプロピレンと、ポリプロピレン、ポリアミド、ポリフェニレンサルファイド、ポリエチレンテレフタレート、ポリカーボネート、ポリメタクリル酸メチル、アルミニウム、銅、チタン、鉄、ステンレス鋼、ストロンチウムタイタネート、ランタンアルミネート、酸化マグネシウム、又はガラスとの組合せ、ポリアミドと、ポリアミド、ポリフェニレンサルファイド、ポリエチレンテレフタレート、ポリカーボネート、ポリメタクリル酸メチル、アルミニウム、銅、チタン、鉄、又はステンレス鋼との組合せ、ポリフェニレンサルファイドと、ポリフェニレンサルファイド、ポリエチレンテレフタレート、ポリカーボネート、ポリメタクリル酸メチル、アルミニウム、銅、チタン、鉄、又はステンレス鋼との組合せ、ポリエチレンテレフタレートと、ポリエチレンテレフタレート、ポリカーボネート、ポリメタクリル酸メチル、アルミニウム、銅、チタン、鉄、又はステンレス鋼との組合せ、ポリカーボネートと、ポリカーボネート、ポリメタクリル酸メチル、アルミニウム、銅、チタン、鉄、又はステンレス鋼との組合せ、ポリメタクリル酸メチルと、ポリメタクリル酸メチル、アルミニウム、銅、チタン、鉄、又はステンレス鋼との組合せ、ポリプロピレンを母材とする炭素繊維強化プラスチックと、ポリプロピレン、ポリアミド、ポリフェニレンサルファイド、ポリエチレンテレフタレート、ポリカーボネート、ポリメタクリル酸メチル、ポリプロピレンを母材とする炭素繊維強化プラスチック、ポリアミドを母材とする炭素繊維強化プラスチック、ポリフェニレンサルファイドを母材とする炭素繊維強化プラスチック、ポリエチレンテレフタレートを母材とする炭素繊維強化プラスチック、ポリカーボネートを母材とする炭素繊維強化プラスチック、ポリエーテルエーテルケトンを母材とする炭素繊維強化プラスチック、ポリエーテルイミドを母材とする炭素繊維強化プラスチック、エポキシ樹脂を母材とする炭素繊維強化プラスチック、アルミニウム、銅、チタン、鉄、ステンレス鋼、ストロンチウムタイタネート、ランタンアルミネート、酸化マグネシウム、又はガラスとの組合せ、ポリアミドを母材とする炭素繊維強化プラスチックと、ポリプロピレン、ポリアミド、ポリフェニレンサルファイド、ポリエチレンテレフタレート、ポリカーボネート、ポリメタクリル酸メチル、ポリアミドを母材とする炭素繊維強化プラスチック、ポリフェニレンサルファイドを母材とする炭素繊維強化プラスチック、ポリエチレンテレフタレートを母材とする炭素繊維強化プラスチック、ポリカーボネートを母材とする炭素繊維強化プラスチック、ポリエーテルエーテルケトンを母材とする炭素繊維強化プラスチック、ポリエーテルイミドを母材とする炭素繊維強化プラスチック、エポキシ樹脂を母材とする炭素繊維強化プラスチック、アルミニウム、銅、チタン、鉄、又はステンレス鋼との組合せ、ポリフェニレンサルファイドを母材とする炭素繊維強化プラスチックと、ポリプロピレン、ポリアミド、ポリフェニレンサルファイド、ポリエチレンテレフタレート、ポリカーボネート、ポリメタクリル酸メチル、ポリフェニレンサルファイドを母材とする炭素繊維強化プラスチック、ポリエチレンテレフタレートを母材とする炭素繊維強化プラスチック、ポリカーボネートを母材とする炭素繊維強化プラスチック、ポリエーテルエーテルケトンを母材とする炭素繊維強化プラスチック、ポリエーテルイミドを母材とする炭素繊維強化プラスチック、エポキシ樹脂を母材とする炭素繊維強化プラスチック、アルミニウム、銅、チタン、鉄、又はステンレス鋼との組合せ、ポリエチレンテレフタレートを母材とする炭素繊維強化プラスチックと、ポリプロピレン、ポリアミド、ポリフェニレンサルファイド、ポリエチレンテレフタレート、ポリカーボネート、ポリメタクリル酸メチル、ポリエチレンテレフタレートを母材とする炭素繊維強化プラスチック、ポリカーボネートを母材とする炭素繊維強化プラスチック、ポリエーテルエーテルケトンを母材とする炭素繊維強化プラスチック、ポリエーテルイミドを母材とする炭素繊維強化プラスチック、エポキシ樹脂を母材とする炭素繊維強化プラスチック、アルミニウム、銅、チタン、鉄、又はステンレス鋼との組合せ、ポリカーボネートを母材とする炭素繊維強化プラスチックと、ポリプロピレン、ポリアミド、ポリフェニレンサルファイド、ポリエチレンテレフタレート、ポリカーボネート、ポリメタクリル酸メチル、ポリカーボネートを母材とする炭素繊維強化プラスチック、ポリエーテルエーテルケトンを母材とする炭素繊維強化プラスチック、ポリエーテルイミドを母材とする炭素繊維強化プラスチック、エポキシ樹脂を母材とする炭素繊維強化プラスチック、アルミニウム、銅、チタン、鉄、又はステンレス鋼との組合せ、ポリエーテルエーテルケトンを母材とする炭素繊維強化プラスチックと、ポリプロピレン、ポリアミド、ポリフェニレンサルファイド、ポリエチレンテレフタレート、ポリカーボネート、ポリメタクリル酸メチル、ポリカーボネートを母材とする炭素繊維強化プラスチック、ポリエーテルエーテルケトンを母材とする炭素繊維強化プラスチック、ポリエーテルイミドを母材とする炭素繊維強化プラスチック、エポキシ樹脂を母材とする炭素繊維強化プラスチック、アルミニウム、銅、チタン、鉄、又はステンレス鋼との組合せ、ポリエーテルイミドを母材とする炭素繊維強化プラスチックと、ポリプロピレン、ポリアミド、ポリフェニレンサルファイド、ポリエチレンテレフタレート、ポリカーボネート、ポリメタクリル酸メチル、ポリカーボネートを母材とする炭素繊維強化プラスチック、ポリエーテルエーテルケトンを母材とする炭素繊維強化プラスチック、ポリエーテルイミドを母材とする炭素繊維強化プラスチック、エポキシ樹脂を母材とする炭素繊維強化プラスチック、アルミニウム、銅、チタン、鉄、又はステンレス鋼との組合せ、エポキシ樹脂を母材とする炭素繊維強化プラスチックと、ポリプロピレン、ポリアミド、ポリフェニレンサルファイド、ポリエチレンテレフタレート、ポリカーボネート、ポリメタクリル酸メチル、ポリカーボネートを母材とする炭素繊維強化プラスチック、ポリエーテルエーテルケトンを母材とする炭素繊維強化プラスチック、ポリエーテルイミドを母材とする炭素繊維強化プラスチック、エポキシ樹脂を母材とする炭素繊維強化プラスチック、アルミニウム、銅、チタン、鉄、又はステンレス鋼との組合せを接合することができる。
【0080】
とくに、いくつかの物体の組合せにおいては、室温で接合面同士を接着させることによっても、２つの物体を接合することが可能である。室温とは、接合面同士を接着させるステップを実行する周囲の環境の温度であり、加熱も冷却も行わないことを意味するが、寒冷地、高地、冬季などの条件により室温が常温（５～３５℃）よりも低い場合や、熱帯、日光、周囲の発熱体などの条件により室温が常温よりも高い場合などには、常温になるように加熱又は冷却してもよい。また、室温で接合可能な物体の組合せであっても、接合の強度や速度を向上させるために、適切な温度に接合面を加熱して接合してもよい。
【0081】
室温で接合可能な物体の組合せは、ポリプロピレンと、ポリプロピレン、ポリアミド、ポリフェニレンサルファイド、ポリエチレンテレフタレート、ポリカーボネート、ポリメタクリル酸メチル、ステンレス鋼、ストロンチウムタイタネート、ランタンアルミネート、又はガラスとの組合せ、ポリアミドと、ポリアミド、ポリエチレンテレフタレート、ポリメタクリル酸メチルとの組合せ、ポリエチレンテレフタレートと、ポリエチレンテレフタレート、ポリカーボネート、ポリメタクリル酸メチルとの組合せ、ポリカーボネートと、ポリカーボネート、又はポリメタクリル酸メチルとの組合せ、ポリメタクリル酸メチルと、ポリメタクリル酸メチルとの組合せ、ポリプロピレンを母材とする炭素繊維強化プラスチックと、ポリプロピレン、ポリアミド、ポリフェニレンサルファイド、ポリエチレンテレフタレート、ポリカーボネート、ポリプロピレンを母材とする炭素繊維強化プラスチック、ポリアミドを母材とする炭素繊維強化プラスチック、ポリフェニレンサルファイドを母材とする炭素繊維強化プラスチック、ポリエチレンテレフタレートを母材とする炭素繊維強化プラスチック、ポリカーボネートを母材とする炭素繊維強化プラスチック、アルミニウム、ステンレス鋼、ストロンチウムタイタネート、ランタンアルミネート、又はガラスとの組合せ、ポリアミドを母材とする炭素繊維強化プラスチックと、ポリプロピレン、ポリアミド、ポリエチレンテレフタレート、ポリアミドを母材とする炭素繊維強化プラスチック、又はポリエチレンテレフタレートを母材とする炭素繊維強化プラスチックとの組合せ、ポリフェニレンサルファイドを母材とする炭素繊維強化プラスチックと、ポリプロピレンとの組合せ、ポリエチレンテレフタレートを母材とする炭素繊維強化プラスチックと、ポリプロピレン、ポリアミドとの組合せ、ポリカーボネートを母材とする炭素繊維強化プラスチックと、ポリプロピレンとの組合せである。
【0082】
異種の物体を接合する際に、接合面を加熱して圧接すると、それぞれの物体の熱膨張率の差異により接合物が撓んだり変形したりすることがあるが、上記の組合せの物体は、室温で圧接することにより接合することが可能であるから、接合物の撓みや変形を抑えることができる。
【0083】
上述したように、本実施の形態に係る方法による物体の接合は、接合面に生成された官能基間の化学反応によりもたらされると考えられるので、一般に、反応温度を高くするほど、反応速度が速くなるとともに、反応する官能基の数が増加して、接合の強度が強くなる。したがって、要求される接合の強度に応じて、接合の温度、時間、圧力などが選択されればよい。表１及び表２に記載した条件とは異なる条件で接合が行われてもよく、例えば、接合の圧力や時間は、表１及び表２に記載した値よりも小さい値であってもよい。
【0084】
なお、本実施の形態に係る方法においては、２つの物体に含まれる物質の融点又は軟化点よりも低い温度で接合面を接着させることにより２つの物体を接合しているのであって、２つの物体を熱融着させているわけではない。接着する際に加熱が必要である場合であっても、官能基間の化学反応の反応速度を促進するために加熱しているだけであり、物体の表面は融解又は軟化されない。
【0085】
［実施例８］
直接接合することが困難である２つの物体を接合したり、直接接合するために加熱が必要となるような２つの物体を室温で接合したりすることを可能とするために、双方の物体と接合可能な物質のフィルム又はシートを間に挟んでなる接合物を作成した。
直接接合することが困難である２つの物体を接合したり、直接接合するために加熱が必要となるような２つの物体を室温で接合したりすることを可能とするために、双方の物体と接合可能な物質のフィルム又はシートを間に挟んでなる接合物を作成した。
【0086】
図３７は、本実施例に係る接合物の構成を概略的に示す。接合物６０は、接合する２つの物体６２及び６４と、２つの物体６２及び６４の間に配置されるフィルム６６とを備える。フィルム６６の一方の面が物体６２と接合されるとともに、フィルム６６の他方の面が物体６４と接合される。これにより、２つの物体６２及び６４が、直接接合することが困難であったとしても、２つの物体６２及び６４の双方と接合可能なフィルム６６を選択すれば、フィルム６６を介して２つの物体６２及び６４を強固に接合することができる。また、２つの物体６２及び６４が、直接接合するために加熱が必要であったとしても、２つの物体６２及び６４の双方と室温で接合可能なフィルム６６を選択すれば、フィルム６６を介して２つの物体６２及び６４を室温で接合することができる。また、平織りなどの織物シートを用いる炭素繊維強化プラスチックは、接合面が平坦ではないが、間にフィルム６６を挟むことにより、他の物体と接合することができる。図３７に示す構造を有する接合物を作成し、２つの物体が強固に接合されていることを確認した。
【0087】
以上、本発明を上述の各実施の形態を参照して説明したが、本発明は上述の各実施の形態に限定されるものではなく、各実施の形態の構成を適宜組み合わせたものや置換したものについても本発明に含まれるものである。また、当業者の知識に基づいて各実施の形態における組合せや工程の順番を適宜組み替えることや各種の設計変更等の変形を各実施の形態に対して加えることも可能であり、そのような変形が加えられた実施の形態も本発明の範囲に含まれうる。
【産業上の利用可能性】
【0088】
本発明は、２つの物体を接合して接合物を製造する方法、及び２つの物体を接合してなる接合物に利用可能である。
【符号の説明】
【0089】
１０ 回転ドラム式プラズマ照射装置、２０ ベルジャー、２２ 電極、２４ 回転ドラム、２６ 試料ホルダー、２８ 気体導入口、３０ ボンベ、３２ 試料。
【図1】
【図2】
【図3】
【図4】
【図5】
【図6】
【図7】
【図8】
【図9】
【図10】
【図11】
【図12】
【図13】
【図14】
【図15】
【図16】
【図17】
【図18】
【図19】
【図20】
【図21】
【図22】
【図23】
【図24】
【図25】
【図26】
【図27】
【図28】
【図29】
【図30】
【図31】
【図32】
【図33】
【図34】
【図35】
【図36】
【図37】