2021-09-28 産業技術総合研究所
ポイント
- 水や熱によって強度低下した接着接合部の破断時における接着強度分布の推定手法を開発
- 接合部の経時的な強度低下を予測する技術を確立
- 自動車などの輸送機器における構造部材の接着接合部の長期耐久性向上に貢献
概要
国立研究開発法人 産業技術総合研究所【理事長 石村 和彦】（以下「産総研」という）ナノ材料研究部門【研究部門長 原 重樹】接着界面グループ 島本 一正 研究員、秋山 陽久 研究グループ長は、水や熱によって強度低下した接着接合部の破断時における接着強度の分布を評価する手法を開発した。
水や熱の影響による接着剤の高分子構造の変化は接着面内で一様に進行するとは限らない。そのため接着接合を利用した構造部材の長期信頼性を議論する際は、破壊の起点となり得る最も弱くなった部位の特定が重要となる。今回開発した手法により強度低下部位の特定や破断原因を究明し、接着剤および接着接合部の改良につなげることで、耐久性向上に関わる技術開発の加速が期待される。
なお、この手法の詳細は、The Journal of Adhesion誌に2021年9月28日付でオンライン掲載される。(http://dx.doi.org/10.1080/00218464.2021.1978293)
接着剤および接着接合部の耐久性向上技術開発
開発の社会的背景
自動車や航空機などにおける輸送機器の軽量化のため、適材適所に異種材料を適用したマルチマテリアル構造が注目されている。これら異種材料間の接合法としては、接合工程が比較的低温で、変形が少なく、剛性を確保できる構造用接着剤を用いた接着接合が有望である。しかし、接合部の経時的な強度低下を予測する技術が確立できておらず、その適用が進んでいないのが現状である。
研究の経緯
産総研は、接着・界面現象研究ラボや接着・接合技術コンソーシアム、接着接合基盤技術共同研究体を設立し、接着メカニズム解明から強度評価法に至るまでの包括的な研究開発を実施している。その中でも、接着接合部の長期信頼性の確保は重要な課題と位置づけ、その評価・予測技術の開発に取り組んでいる。
構造用接着剤には主に反応型の接着剤が使われる。この種類の接着剤は、化学反応により３次元的な高分子構造を形成することで硬化して材料同士を強固に接着する。しかし長期的には、高分子が水や熱などの影響により劣化し接着強度低下の要因となる。この変化は接着面内で一様に進行するとは限らない。また、接着接合部の破断は、接着面内で強度が低い部位が起点になる。これらのことから、接着接合部の長期信頼性を確保するには、劣化が進行したあとの接着面内強度分布とその低下度を明らかにして改善策を検討する必要がある。
研究の内容
この研究では、接着剤硬化物の分子構造と接着強度との間に相関があると考え、分光学的な分子構造の解析手法から、劣化後における接着接合部の強度低下部位の特定とその強度低下度を推定する方法の開発を目指した。赤外線吸収スペクトル(IR スペクトル)は物質の分子構造によって固有のパターンを示すことから、経時劣化に伴う接着剤の分子構造の変化を明らかにすることが可能である。しかし、これまでIRスペクトルと接着強度を定量的に関連づけることはできていなかった。そこで今回、劣化した接着剤のIRスペクトルと力学的な引張試験で評価した接着強度の相関性から、接着強度推定手法を開発した。本評価手法の信頼性を確認するために、接着剤硬化物を温水に浸し劣化させる試験を行った。１本の試験片に対し複数回IRスペクトルの測定を行い、それらを基に強度を推定した結果、引張試験による実測強度とよく一致した（図１）。
図1 温水に浸し劣化させた接着剤硬化物の実測強度とIRスペクトルから推定した強度の比較
本技術を用いることにより、貼り合わせた試験片の破断面において局所的なIRスペクトルを複数点取得することで、強度低下部位の特定が可能となる。例えば、エポキシ接着剤における破断面での接着強度の分布を推定した結果、周囲の強度が初期状態から大幅に低下していることが明らかとなった（図２）。このことから、周辺部から水が侵入して、この部分で強度低下が早く進行していることが推定された。
図2 破断時における接着接合部の接着強度分布例
今後の予定
今後は、別途開発した接着接合部の加速劣化試験(https://doi.org/10.1080/00218464.2020.1747446、https://doi.org/10.1080/00218464.2020.1772061)と今回の技術を組み合わせることにより、接着接合部の耐久性を明らかにする手法を確立する予定である。接着接合の長期的な信頼性を向上させ、自動車などの輸送機器における構造部材の接合法として実用化を図る。
用語の説明
- ◆接着接合
- 接着剤を用いた接合。異種材料間の接合性や熱膨張差異の吸収性などの観点から他の接合法にはない長所を兼ね備えた接合法である。特に近年、マルチマテリアル化が進められている自動車車体の接合法として、その応用が期待されている。一般的には液体状の接着剤を、被着体に塗布し貼り合わせたのち、硬化させることにより接合力を得る。硬化手法には、接着剤の種類に応じ加熱硬化型、湿気硬化型や２液混合型などがある。また接着接合部の破壊形態は、接着剤内部をき裂が進展する凝集破壊と、接着剤と被着体の界面をき裂が進展する界面破壊がある。実際の工業製品に接着接合を適用する場合、接着剤の物性で強度が決まる凝集破壊の方が望ましいといわれている。
- ◆接着・界面現象研究ラボ （AIRL）
- 国際競争力強化と接着に関係した多岐にわたる技術開発の統合を見据え、接着研究拠点の整備を目的に2015年に設立された。下記に示す「接着・接合技術コンソーシアム (T-CAB)」と「接着接合基盤技術共同研究体 (ABC-U)」を併設し、次世代接着に必要とされる基盤技術に関して、その基礎からアプリケーションに至る幅広い分野を対象とし、産学官の連携を図りつつ研究開発を進めている。 (https://unit.aist.go.jp/nmri/airl/index.html)
- ◆接着・接合技術コンソーシアム (T-CAB)
- 接着や接合技術に関し、2016年に設立された産学官の分野の垣根を超えた連携構築のための組織。主な活動に、接着・接合技術に関する「情報収集及び会員間での共有」、「講演会、見学、ワークショップの開催等による情報提供・技術交流」、「共同研究立案」、「広報・啓蒙活動」、「国際標準化」、「接着拠点の整備」などがある。 (https://unit.aist.go.jp/nmri/airl/T-CAB/index.html)
- ◆接着接合基盤技術共同研究体 (ABC-U)
- 接着・接合技術コンソーシアム（T-CAB）のワーキンググループでの検討結果を踏まえ、産総研と複数の機関が参加して行う共通基盤技術の開発や、産総研が参画機関の個別の要望に応じて行う橋渡し研究を実施する組織。(https://unit.aist.go.jp/nmri/airl/ABC-U/index.html)
- ◆赤外線吸収スペクトル
- 対象の物質に赤外線を照射したときに、波長によって変わる赤外光の吸収のパターン。通常、波長2.5-25 μm（波数4000-400 cm-1）の中赤外光が用いられる。このパターンから物質の化学的な構造を知ることができる。
