接着剤の配合の開発は、非常に難しい場合があります。主な問題は、ターゲットを絞った配合の必要性にあります。望ましい特性を達成するには、多くの適切な原材料を組み合わせる必要があり、固有の矛盾を解決するために継続的な試行錯誤が必要です。特にボトルネックに直面している場合は、もう 1 つのオプションを導入することで、大きな進歩につながる可能性があります。
接着剤配合開発における主な難しさ
接着剤配合の作成における課題は、実際の例を見ればよりよく理解できます。Tang Long らは、2 成分ポリウレタン接着剤のポリオール成分に特化した新しい配合開発方法を検討しました。彼らのアプローチは、低硬度と高い接着強度の間のパフォーマンスのトレードオフのバランスを取ることを目指しました。
原材料の最適化
著者らは、まず直交実験計画法を採用して、使用する原材料の種類を最適化しました。このステップは、接着剤配合に最も適した成分を特定するために非常に重要でした。
比率の微調整
これに続いて、JMP のカスタマイズされた実験設計を利用して、選択した原材料の比率を最適化しました。この方法は、従来の処方開発でよくある課題である、原材料の種類と比率の両方を同時に扱うという問題を効果的に回避します。
研究の結果、この革新的な方法により、接着剤における低硬度と高接着強度という相反する要件がうまく解決されたことが実証されました。彼らは、次のような特徴を持つポリウレタン接着剤を実現しました。
- コロイド硬度: 40D
- 引張せん断強度: 11.34 MPa (アルミニウム板対アルミニウム板)
- 接着強度: 単位硬度あたり283.5 kPa/D
開発実験は完了したのでしょうか? まだ完了していません。著者らは、いくつかの「問題」が残っていると指摘し、接着剤配合の開発における継続的な困難を浮き彫りにしています。これらの課題は、多くの場合、重要なイノベーションが生まれる可能性がある場所です。
以下の誤った仮定を評価することの重要性
主要カテゴリー間の相互作用: 最適化プロセスでは、テスト応答に大きな影響を与える可能性のある、異なるカテゴリの原材料間の相互作用が考慮されていませんでした。
原材料の物理的性質: 原材料の純度、水分含有量、均一性などの要素が分析で見落とされ、結果が歪む可能性があります。
原材料効果の独立性原材料の種類と割合がテストの応答に独立して影響を与えるという仮定は誤りです。これらの要因は相互に影響し合うことが多いからです。
処方におけるこれらの不確実性を考慮すると、その影響を軽減する方法を見つけることが重要です。効果的な戦略の 1 つは、比較的制御可能な要素を利用してこれらの不確実性を相殺することです。
接着剤におけるフィラーの活用
（１）主流のフィラーの選択
炭酸カルシウムやシリカなど、広く使用されている充填剤を選択すると、接着剤の性能を高めることができます。鉱物充填剤は、費用対効果の高いソリューションを提供するだけでなく、多様な機能も提供します。これらは長年、接着剤配合の定番であり、特性の微調整を可能にしています。Tang Long らは、その研究で、マトリックス樹脂と鎖延長剤/架橋剤の範囲がテスト結果に最も大きな影響を与えたことを強調しました。レオロジー添加剤は二次的な影響しか与えませんでしたが、充填剤は主要な影響と二次的な影響の間に位置し、大きな影響を与えました。
充填剤の選択にはかなりの柔軟性があり、従来の充填剤が最適な選択肢となることがよくあります。製造において長年使用されているため、コスト効率と安定性が高くなります。たとえば、炭酸カルシウムは、その細かさ、均一性、高い白色度で知られており、接着剤の充填剤として広く使用されています。
Cui Lidong らは、木材用エマルジョン接着剤の充填剤として 850 メッシュの炭酸カルシウムを使用した研究を行いました。彼らは、単一因子実験法を用いて、添加比率の変化が接着剤の性能に与える影響を調べました。その結果、次のことがわかりました。
- 粘度と硬度: 炭酸カルシウムの比率が高くなると増加します。
- 接着強度: 最初は増加しましたが、その後、より高い比率で減少しました。
- 安定性: 充填剤含有量の増加により劣化しました。
フィラーが接着剤の性能に与える影響
炭酸カルシウム添加率とショアA硬度の関係
Zhou Xiao らは、単成分ポリウレタン接着剤の充填剤としての石英粉末の影響を調査しました。その結果、石英粉末はポリウレタン システムと良好な適合性を示し、結果として得られる接着剤製品の引張強度、破断時の伸び、引き裂き強度などの特性を大幅に向上させることが示されました。
（２）先進フィラーの探究：シリコンカーバイドとアルミナ
Li Zhaoyuan らは、立方晶ナノ炭化ケイ素 (β-SiC) を充填剤として利用し、改良無機接着剤を開発しました。実験により、充填剤含有量が 40% の接着剤は、次のような驚くべき性能指標を達成することが明らかになりました。
- 引張せん断強度: 13.5MPa
- 疲労寿命繰り返し回数: 67 サイクル
- 剥離強度: 46.7N/mm²
これらの結果は、ナノ粒子の改質により無機接着剤の接着性能が大幅に向上し、さまざまな用途で優れた信頼性が得られることを強調しています。
Chen Zeming らは、シリカ粉末、Al₂O₃、ムライト、窒化ホウ素、タルク粉、雲母など、さまざまな無機充填剤が改質エポキシ樹脂接着剤に与える影響を調査しました。この研究では、充填剤の種類や投与量が接着強度や接着界面にどのような影響を与えるかを評価しました。主な知見は次のとおりです。
接着強度の傾向: 接着強度は最初は充填剤の投与量とともに増加しましたが、その後はより高いレベルでは減少しました。
最適なフィラー性能: テストした充填剤の中で、15 部の Al₂O₃ が最良の結果をもたらし、せん断強度と剥離強度の値がそれぞれ 22.42 MPa と 12.84 N/cm に達しました。
Al₂O₃フィラーの添加により、C-AlやAl-OCなどの化学結合の形成が促進され、改質エポキシ樹脂の凝集力が低下します。この強化により、接着剤とアルミニウム合金の界面での結合力が高まり、剥離強度とせん断強度の両方が向上します。
（３）接着剤中の充填剤に関する体系的研究
2 成分アクリル構造用接着剤は、航空宇宙、自動車、建設、電子機器など、さまざまな業界で金属と非金属材料の接着に広く使用されています。フィラーは固有の特性により接着剤システムに溶けませんが、変更を加えることでフィラーと接着剤の相互作用を強化できます。この相互作用により、接着剤の機械的特性が向上し、粘度が高まり、基材への接着が強化されます。
機械的性質の調整
機械的特性はアクリル構造材の性能にとって重要である。 接着剤 さまざまな用途にわたって、研究者は熱可塑性化合物や無機充填剤の組み込みなど、これらの特性を強化するためのいくつかの戦略を提案しています。
熱伝導率の調整
電気絶縁特性を持つ適切な無機充填剤を組み込むと、アクリル接着剤システムの熱伝導率を大幅に向上させることができます。適切な充填剤には次のものがあります。
- 水酸化アルミニウム
- 水酸化マグネシウム
- 酸化アルミニウム
- 酸化マグネシウム
- 酸化亜鉛
- 二酸化ケイ素
- 二酸化チタン
- ケイ酸カルシウム
- ケイ酸アルミニウム
- 炭酸カルシウム
- 窒化シリコン
- シリコンカーバイド
- ホウ酸アルミニウム
さらに、シリコンカーバイド、酸化アルミニウム、またはホウ酸アルミニウムで作られたウィスカーは、接着剤の機械的特性と硬化特性を維持しながら、接着剤の熱伝導性と難燃性を向上させることができます。
耐湿・耐熱性の調整
Liu Chengliang らは、その特許で、耐候性に優れたアクリル構造用接着剤の製造方法を紹介しました。ヒュームドシリカ、炭酸カルシウム、ナノアルミナなどの無機充填剤を 0 ～ 30 部、成分 A と B に加えることで、接着剤は優れた性能を発揮しました。
- 室温での引張せん断強度: 9.36 MPa (ステンレス鋼/PMMA)、10.35 MPa (マグネシウム/PMMA)。
- 経年劣化後の引張せん断強度: 85°C、湿度85%で2週間保存後、保持値はそれぞれ9.83 MPaと9.64 MPaで、保持率はそれぞれ105%TP3Tと93%TP3Tでした。
耐食性の規制
アクリル構造用接着剤を使用すると、リベットや溶接などのコストのかかる仕上げ作業の必要性が減るか、なくなるため、腐食しやすい穴や応力点が少なくなり、見た目がより美しくなります。異なる金属を接合しても、ガルバニック腐食のリスクが低くなります。耐腐食性を高めるには、金属モリブデン酸塩 (モリブデン酸亜鉛、モリブデン酸カルシウム、モリブデン酸バリウム、モリブデン酸ストロンチウムなど) と不活性充填剤 (リン酸亜鉛、リン酸カルシウム、リン酸マグネシウムなど) の混合物を添加します。
その他の財産の規制
無機充填剤の中には、機械的性質や熱的性質を高めるだけでなく、チキソトロピー剤、増粘剤、補強剤として重要な役割を果たすものもあります。これらは、密度、粘度、チキソトロピーなど、2 成分アクリル構造接着剤システムのさまざまな特性を効果的に変えることができます。Liu Suyu らは、自動車のスカートの接着に特化したアクリル接着剤を作成する方法を開発しました。この配合では、炭酸カルシウムが主な充填剤として使用されました。炭酸カルシウムを含めることで、次のようないくつかの有益な結果が得られました。
- チキソトロピーの低減: 接着剤の塗布や削り取りが容易になりました。
- 発熱温度の低下発熱温度が115℃から85℃以下に低下し、より安定した硬化が促進されました。
- 硬化収縮の最小化: 硬化収縮を1%以下に抑えることができ、施工時間の短縮に効果がありました。
結論
接着剤の配合に課題がある場合は、無機充填剤の活用を検討してください。その汎用性により、さまざまな問題に効果的な解決策を提供できます。