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接着剤は、糊、セメント、粘液、ペーストとも呼ばれ、[ 1 ] 2 つの別々の物体の片面または両面に塗布され、それらを結合し、分離に抵抗する非金属物質です。 [ 2 ]
接着剤の使用は、縫製、機械的締結、溶接などの他の結合技術に比べていくつかの利点があります。これには、異なる材料を結合できること、接合部全体に応力をより効率的に分散できること、容易に機械化できるプロセスの費用対効果、設計の柔軟性の向上などが含まれます。接着剤の使用の欠点には、高温での安定性の低下、接着面の小さい大きな物体を接着する際の相対的な弱さ、試験中に物体を分離するのがより困難になることなどがあります。[ 3 ]接着剤は通常、接着方法に続いて反応性または非反応性という用語で分類されます。この用語は、接着剤が硬化するために化学反応を起こすかどうかを示します。あるいは、開始時の物理的状態、または原料が天然由来か合成由来かによって分類することもできます。
接着剤は天然のものもあれば、合成的に作られたものもある。接着剤のような物質が人類によって使用された最古の例は、約20万年前[ 4 ]、ネアンデルタール人が白樺の樹皮を乾留してタールを作り、石器を木の柄に接着するのに使っていたことである[ 5 ]。文献に接着剤に関する最初の記述が現れたのは紀元前2000年頃である。ギリシャ人とローマ人は接着剤の開発に大きく貢献した。ヨーロッパでは、接着剤が広く使われるようになったのは西暦1500年から1700年頃である[6]。それから1900年代までは、接着剤の使用と発見は比較的緩やかであった。20世紀になって初めて合成接着剤の開発が急速に加速し、この分野の革新は現在まで続いている。
人間が接着剤を使用した最古の証拠は、イタリア中部で白樺の樹皮タールの痕跡が残る3つの石器が発見された時に発見された。これらの道具は約20万年前の中期旧石器時代のものとされている。これはタール柄の石器の最古の例である。 [ 4 ]
2019年に発表された実験考古学研究では、白樺の樹皮タールをより簡単で発見しやすい方法で製造できることが実証されました。この方法は、屋外環境で張り出した岩の表面の下で白樺の樹皮を直接燃やし、岩に付着したタールを収集するというものです。[ 7 ]
植物由来の単一成分接着剤は粘着力は十分だが、脆く、環境条件に弱い。複合接着剤の最初の使用例は、南アフリカのシブドゥで発見された。ここでは、かつて斧の柄に挿入されていた7万年前の石片が、植物性ガムと赤土（天然の酸化鉄）からなる接着剤で覆われているのが発見された。植物性ガムに赤土を加えると、より強力な製品が作られ、湿った条件下でガムが崩壊するのを防ぐことができる。[ 8 ]より強力な接着剤を作る能力により、中期石器時代の人々は、石片を棒に取り付ける方法をより多様にすることができ、新しい道具の開発につながった。[ 9 ]ル・ムスティエの資料の研究によると、中期旧石器時代の人々、おそらくネアンデルタール人は、石器を切断したり削ったりするためのグリップを作るために、黄土と瀝青の混合物から作られた接着剤を使用していた。 [ 10 ]
先史時代の人類による接着剤の使用例は、古代部族の埋葬地でより最近になって発見されている。遺跡を調査した考古学者たちは、約6,000年前、部族民が木の樹脂で修復された壊れた土器に入った食べ物とともに死者を埋葬していたことを発見した。[ 11 ]また、考古学者による別の調査では、紀元前4000年頃のバビロニアの神殿で、瀝青セメントが象牙の眼球を彫像に固定するために使用されていたことが明らかになった。[ 12 ]
2000年に発表された論文では、オーストリアとイタリアの国境付近の氷河で保存されていた、通称「チロルの氷人」または「エッツィ」と呼ばれる5,200年前の男性の発見が明らかにされた。彼の持ち物のいくつかが一緒に見つかり、その中には火打ち石の矢じりが付いた矢2本と銅製の斧があり、それぞれに石や金属の部分を木の柄に接着するために使われた有機接着剤の痕跡があった。接着剤はピッチと分析され、その製造にはタールの加熱が必要である。このタールを採取するには、熱分解と呼ばれるプロセスで、白樺の樹皮を熱によって変化させる必要がある。[ 13 ]
文献に接着剤に関する最初の記述が現れたのは紀元前2000年頃である。接着剤の使用に関するさらなる歴史的記録は紀元前1500年から1000年の期間に見られる。この時代の遺物には、木材の接着作業を描いた絵画や、ツタンカーメン王の墓にある木と接着剤で作られた棺などがある。[ 11 ]他の古代エジプトの遺物では、接着や積層に動物性接着剤が使用されている。弓や家具の木材の積層は、それらの寿命を延ばすと考えられており、カゼイン（乳タンパク質）をベースとした接着剤を使用して行われた。古代エジプト人はまた、パピルスを衣服に接着するためのデンプンベースのペーストや、焼成石膏から作られた石膏のような材料も開発した。[ 14 ]
西暦1年から500年にかけて、ギリシャ人とローマ人は接着剤の開発に大きく貢献しました。木材のベニヤ貼りや象嵌細工が開発され、動物性接着剤や魚性接着剤の製造が改良され、他の材料も利用されました。卵をベースにしたペーストは金箔の接着に使用され、血液、骨、皮、牛乳、チーズ、野菜、穀物などのさまざまな天然成分が組み込まれました。[ 11 ]ギリシャ人は消石灰をモルタルとして使用し始めましたが、ローマ人は石灰に火山灰と砂を混ぜることでモルタルの開発をさらに進めました。ポゾランセメントとして知られるこの材料は、ローマのコロッセオとパンテオンの建設に使用されました。[ 14 ]ローマ人はまた、船やボートの木板の間のコーキング剤やシーラントとしてタールと蜜蝋を使用した最初の人々としても知られています。[ 11 ]
中央アジアでは、紀元1000年頃のモンゴルの台頭は、チンギス・ハンの軍勢が使用していた弓の射程と威力の良さに一部起因している。これらの弓は竹の芯に角（射手側）を、腱を背側に付け、動物性接着剤で接着して作られていた。[ 15 ]
ヨーロッパでは、接着剤は西暦 1500 年～ 1700 年頃まで使われなくなりました。[ 16 ]この頃、トーマス・チッペンデールやダンカン・ファイフといった世界的に有名な家具職人やキャビネット職人が、製品を接着するために接着剤を使い始めました。[ 11 ] 1690 年、オランダに最初の商業用接着剤工場が設立されました。この工場では動物の皮から接着剤を製造していました。[ 17 ] 1750 年、魚膠に関する最初の英国接着剤特許が発行されました。次の世紀の数十年間には、ドイツとスイスの工場でカゼイン接着剤が製造されました。[ 11 ] 1876 年、ロス兄弟にカゼイン接着剤の製造に関する最初の米国特許 (番号 183,024) が発行されました。[ 11 ] [ 18 ]
1847年に発行された最初の米国郵便切手には、デンプンベースの接着剤が使用されていました。デキストリン（デンプン誘導体）接着剤に関する最初の米国特許（特許番号61,991）は1867年に発行されました。[ 11 ]
天然ゴムが接着剤の材料として初めて使用されたのは1830年で[ 19 ] 、これが現代の接着剤の出発点となった[ 20 ] 。1862年には、ゴムとのより強力な接着を得るために、電気めっきによって金属に真鍮をめっきする英国特許（特許番号3288）が発行された[ 17 ] 。自動車の開発とゴム製ショックマウントの必要性により、ゴムと金属のより強力で耐久性のある接着が求められた。これが強酸で処理された環状ゴムの開発を促した。1927年までに、このプロセスは金属とゴムの接着用の溶剤ベースの熱可塑性ゴムセメントの製造に使用された[ 21 ] 。
天然ゴムをベースとした粘着性接着剤は、1845年にヘンリー・デイ（米国特許第3,965号）によって初めて裏地に使用されました。[ 21 ]その後、これらの種類の接着剤は、布裏打ちの外科用テープや電気テープに使用されました。1925年までに、感圧テープ産業が誕生しました。[ 3 ] 今日では、付箋、スコッチテープ、その他のテープは、感圧接着剤（PSA）の例です。[ 22 ]
合成プラスチックの開発における重要なステップは、 1910年にベークライトフェノールとして知られる熱硬化性プラスチックが導入されたことである。 [ 23 ] 2年以内に、フェノール樹脂は合板のコーティングニスとして使用されるようになった。1930年代初頭には、フェノール樹脂は接着剤樹脂として重要性を増した。[ 24 ]
1920年代、1930年代、1940年代は、第一次世界大戦と第二次世界大戦の影響で、新しいプラスチックや樹脂の開発と生産において大きな進歩が見られました。これらの進歩により、さまざまな特性を示す新開発の材料の使用が可能になり、接着剤の開発が大幅に改善されました。ニーズの変化と技術の絶え間ない進化に伴い、新しい合成接着剤の開発は現在まで続いています。[ 23 ]しかし、低コストのため、天然接着剤は依然としてより一般的に使用されています。[ 25 ]
接着剤は通常、接着方法によって分類されます。これらはさらに、硬化するために化学反応を起こすかどうかによって、反応性接着剤と非反応性接着剤に分類されます。あるいは、原料が天然由来か合成由来か、または初期物理相によって分類することもできます。[ 26 ]
乾燥によって硬化する接着剤には、溶剤系接着剤とポリマー分散系接着剤（エマルジョン系接着剤とも呼ばれる）の2種類があります。溶剤系接着剤は、溶剤に成分（通常はポリマー）を溶解させた混合物です。白ボンド、コンタクト接着剤、ゴム系接着剤は、乾燥によって硬化する接着剤の一種です。溶剤が蒸発すると、接着剤は硬化します。接着剤の化学組成によって、接着する材料の種類や接着力は異なります。
ポリマー分散接着剤は、ポリ酢酸ビニル（PVAc）を主成分とする乳白色の分散液です。木工産業や包装産業で広く使用されています。また、布地や布地を基材とした部品、スピーカーコーンなどのエンジニアリング製品にも使用されています。
感圧接着剤（PSA）は、軽い圧力を加えることで接着剤と被着材を接着させ、結合を形成します。これらの接着剤は、流動性と流動抵抗のバランスが取れるように設計されています。接着剤が被着材に流れ込む（つまり「濡れる」）のに十分な柔らかさを持っているため、結合が形成されます。また、接着部に力が加わった際に接着剤が流れに抵抗するのに十分な硬さを持っているため、結合が強くなります。接着剤と被着材が近接すると、ファンデルワールス力などの分子間相互作用が結合に関与し、最終的な強度に大きく貢献します。
感圧接着剤（PSA）は、永久接着用途と剥離可能な用途の両方に対応するように設計されています。永久接着用途の例としては、動力機器の安全ラベル、空調ダクト用のアルミテープ、自動車の内装トリム、防音・防振フィルムなどが挙げられます。高性能な永久接着型PSAの中には、高い接着力を持ち、高温下でも接触面積1平方センチメートルあたり数キログラムの重量を支えることができるものもあります。永久接着型PSAは、最初は剥離可能（例えば、ラベルの誤りがあった商品の回収など）で、数時間または数日後に接着力が増し、永久的な接着状態になるものもあります。
剥がせる接着剤は一時的な接着を形成するように設計されており、理想的には数ヶ月または数年後に接着面に残留物を残さずに剥がすことができます。剥がせる接着剤は、表面保護フィルム、マスキングテープ、しおりやメモ用紙、バーコードラベル、価格表示ラベル、販促用グラフィック素材、皮膚接触用（創傷ケアドレッシング、心電図電極、スポーツテープ、鎮痛剤や経皮薬パッチなど）などの用途で使用されています。一部の剥がせる接着剤は、繰り返し貼り付けたり剥がしたりできるように設計されています。[ 27 ]これらは接着力が低く、一般的に大きな重量を支えることはできません。感圧接着剤はポストイットに使用されています。
感圧接着剤は、液体キャリアまたは100%固体のいずれかの形態で製造されます。液体感圧接着剤から製品を作るには、接着剤を塗布し、溶剤または水キャリアを乾燥させます。さらに加熱して架橋反応を開始させ、分子量を増加させる場合もあります。100%固体感圧接着剤は、低粘度ポリマーを塗布し、放射線を照射して分子量を増加させ、接着剤を形成する場合と、高粘度材料を加熱して粘度を下げ、塗布可能な状態にしてから冷却して最終形態にする場合とがあります。感圧接着剤の主な原料は、アクリレート系ポリマーです。
接触接着剤は、高いせん断抵抗力を持つ接着を短時間で形成します。ラミネート材への使用、例えばフォーマイカをカウンタートップに接着する場合や、靴のアウトソールをアッパーに接着する場合など、薄い層で塗布されることがよくあります。天然ゴムとポリクロロプレン（ネオプレン）は、一般的に使用される接触接着剤です。これらのエラストマーはどちらも歪み結晶化を起こします。
接触接着剤は両方の表面に塗布し、2つの表面を押し合わせる前に乾燥させる時間が必要です。接触接着剤によっては、表面を固定する前に完全に乾燥するのに24時間かかるものもあります。表面を押し合わせると、接着は非常に速やかに形成されます。[ 28 ] 接着が速やかに形成されるため、クランプは必要ありません。 [ 29 ]
ホット接着剤（ホットメルト接着剤とも呼ばれる）は、溶融状態（65～180 ℃）で塗布され、冷却時に固化して幅広い材料間に強力な接着を形成する熱可塑性樹脂です。エチレン酢酸ビニルをベースとしたホットメルトは、使いやすさと接着できる一般的な材料の種類の多さから、特に工芸品に人気があります。グルーガン（右図参照）は、ホット接着剤を塗布する方法の1つです。グルーガンは固形接着剤を溶かし、液体をバレルを通して材料に送り込み、そこで固化させます。
熱可塑性接着剤は、当時包装によく使われていた水性接着剤が湿度の高い気候では機能せず、包装が開いてしまうという問題に対する解決策として、1940年頃にプロクター・アンド・ギャンブルによって発明された可能性がある。しかし、水性接着剤は通常揮発性溶剤を含まないため、今でも強い関心を集めている。[ 30 ]
嫌気性接着剤は、酸素がない状態で金属と接触すると硬化します。[ 31 ]ねじロック液として使用されるときのように、密着した空間でよく機能します。
多成分接着剤は、化学反応を起こす2つ以上の成分を混合することによって硬化します。この反応により、ポリマーが架橋してアクリレート、ウレタン、エポキシになります[ 32 ]。
産業界では、多成分接着剤の市販の組み合わせがいくつか使用されている。これらの組み合わせの例としては、以下のようなものがある。
多成分接着剤の個々の成分は、それ自体では接着性を持っていません。個々の成分は混合後に互いに反応し、硬化によって初めて完全な接着性を発揮します。多成分樹脂は、溶剤系または無溶剤系のいずれかです。接着剤に含まれる溶剤は、ポリエステル樹脂またはポリウレタン樹脂の媒体として機能します。溶剤は硬化プロセス中に乾燥します。
プレミックス冷凍接着剤（PMF）は、混合、脱気、包装、冷凍された接着剤です。[ 33 ] PMFは使用前に冷凍状態を維持する必要があるため、-80 ℃で冷凍された後はドライアイス で輸送され、-40 ℃以下で保管する必要があります。 [ 34 ] PMF接着剤は、エンドユーザーによる混合ミスをなくし、刺激物や毒素を含む可能性のある硬化剤への曝露を減らします。[ 35 ] PMFは1960年代に商業的に導入され、航空宇宙および防衛分野で一般的に使用されています。[ 36 ]
一液型接着剤は、放射線、熱、水分などの外部エネルギー源との化学反応によって硬化する。
紫外線（UV）硬化型接着剤は、光硬化性材料（LCM）とも呼ばれ、その迅速な硬化時間と強力な接着力により、製造業で広く普及しています。光硬化型接着剤はわずか1秒で硬化し、多くの配合で異種基材（材料）を接着でき、過酷な温度にも耐えることができます。これらの特性により、 UV硬化型接着剤は、電子機器、通信機器、医療機器、航空宇宙機器、ガラス製品、光学機器など、多くの産業分野における製品製造に不可欠なものとなっています。従来の接着剤とは異なり、UV硬化型接着剤は材料同士を接着するだけでなく、製品のシーリングやコーティングにも使用できます。一般的にアクリル系です。
熱硬化型接着剤は、 2種類以上の成分をあらかじめ混合した混合物から構成されています。熱を加えると、これらの成分が反応して架橋結合します。このタイプの接着剤には、熱硬化性エポキシ樹脂、ウレタン樹脂、ポリイミド樹脂などがあります。
湿気硬化型接着剤は、基材表面または空気中に存在する水分と反応することで硬化します。このタイプの接着剤には、シアノアクリレート系接着剤やウレタン系接着剤などがあります。
天然接着剤は、植物デンプン（デキストリン）、天然樹脂、動物（例えば、乳タンパク質カゼイン[ 37 ]や皮由来の動物性接着剤）などの有機物から作られています。これらはしばしばバイオ接着剤と呼ばれます。
一例として、小麦粉を水で煮て作るシンプルな糊があります。デンプン系接着剤は、段ボールや紙袋の製造、紙管の巻き取り、壁紙用接着剤などに使われています。カゼイン系接着剤は主にガラス瓶のラベルを貼るのに使われます。動物性接着剤は、従来、製本、木材の接合、その他多くの分野で使われてきましたが、弦楽器の製造や修理といった特殊な用途を除いて、現在では合成接着剤にほぼ置き換えられています。血液のタンパク質成分から作られるアルブミンは、合板産業で使われてきました。木材ハードボードであるメイソナイトは、もともと天然の木材リグニン（有機ポリマー）を使って接着されていましたが、 MDFなどの現代のパーティクルボードのほとんどは合成熱硬化性樹脂を使っています。
合成接着剤は有機化合物から作られています。[ 38 ]多くはエラストマー、熱可塑性樹脂、エマルジョン、熱硬化性樹脂をベースとしています。熱硬化性接着剤の例としては、エポキシ樹脂、ポリウレタン樹脂、シアノアクリレート樹脂、アクリル樹脂などがあります。商業的に生産された最初の合成接着剤は、1920年代のカールソンズ・クリスターでした。[ 39 ]
各種接着剤の塗布器は、使用する接着剤の種類と塗布面積の大きさに応じて設計されています。接着剤は、接着する材料の一方または両方に塗布されます。部品を位置合わせし、圧力を加えることで接着を促進し、接着部から気泡を取り除きます。
接着剤を塗布する一般的な方法としては、刷毛、ローラー、フィルムやペレットの使用、スプレーガン、塗布ガン（例：コーキングガン）などがあります。これらはすべて、手動で使用することも、機械の一部として自動化して使用することもできます。
接着剤が効果を発揮するためには、主に3つの特性を備えている必要があります。まず、基材を濡らすことができなければなりません。濡れ性とは、液体が固体表面との接触を維持できる能力のことです。また、塗布後に強度が増し、最後に、接着される2つの表面/基材間で荷重を伝達できなければなりません。[ 40 ]
接着剤と基材との接着は、接着剤が基材の微細な孔に入り込む機械的な方法、またはいくつかの化学的な方法のいずれかによって起こる。接着の強度は、接着が起こる方法を含め、多くの要因に依存する。
接着剤と基材の間には、場合によっては実際の化学結合が生じます。たとえば、チオール化ポリマーは、粘液糖タンパク質、インテグリン、ケラチンなどの内因性タンパク質とジスルフィド結合を介して化学結合を形成します。[ 41 ]これらのポリマーは比較的高い接着性を持つため、多くの生物医学的用途があります。他の場合では、静電気のように、静電力が物質を結合させます。3番目のメカニズムは、分子間に発生するファンデルワールス力に関係します。4番目の方法は、接着剤が水分によって基材に拡散し、その後硬化することです。
接着接着の品質は、接着剤が基材領域を効率的に覆う（濡らす）能力に大きく依存します。これは、基材の表面エネルギーが接着剤の表面エネルギーよりも大きい場合に起こります。しかし、高強度接着剤は表面エネルギーが高いため、表面エネルギーの低いポリマーや他の材料には接着しにくいです。この問題を解決するために、接着接着前の準備段階として表面処理を使用して表面エネルギーを高めることができます。重要なのは、表面処理によって再現性のある表面が得られ、一貫した接着結果が得られることです。一般的に使用される表面活性化技術には、プラズマ活性化、火炎処理、湿式化学プライミングなどがあります。[ 42 ]
接着剤は、電流や電界を印加すると剥離するように設計することができ、それによって部品の損傷や加熱の必要性を排除することができる。[ 43 ] [ 44 ]
接着剤の種類によって、健康リスクは異なります。直接接触または蒸気の吸入によって曝露される可能性があり、生命を脅かす可能性があります。[ 45 ] [ 46 ]
接着された2つの表面の剥離には、いくつかの要因が考えられます。日光や熱は接着剤を弱める可能性があります。溶剤は接着剤を劣化させたり溶解させたりする可能性があります。物理的な応力も表面の剥離を引き起こす可能性があります。荷重がかかると、接着接合部のさまざまな場所で剥離が発生する可能性があります。主な破壊の種類は次のとおりです。
接着剤を構成するバルクポリマー内部で亀裂が進展すると、凝集破壊が生じる。この場合、剥離後の両方の被着体の表面は、破断した接着剤で覆われる。亀裂は層の中心部、あるいは界面付近で進展する可能性がある。後者の場合、凝集破壊は「界面近傍の凝集破壊」と表現できる。
接着破壊（界面破壊とも呼ばれる）とは、接着剤と被着体との間で剥離が生じる現象である。多くの場合、特定の接着剤において接着破壊が発生する頻度は、破壊靭性が低いことと関連している。
その他の骨折の種類には以下のようなものがあります。
一般的な設計規則として、対象物の材料特性は、使用中に想定される力（形状、荷重など）よりも大きくなければなりません。エンジニアリング作業は、その機能を評価するための適切なモデルを作成することに重点が置かれます。ほとんどの接着接合部では、破壊力学を用いてこれを実現できます。応力集中係数やひずみエネルギー解放率などの概念を用いて、破壊を予測できます。このようなモデルでは、接着層自体の挙動は無視され、被着体のみが考慮されます。
破損の程度は、接合部の開閉方法にも大きく左右される。
荷重は通常固定されているため、材料選定手順と、可能であれば形状変更を組み合わせることで、許容可能な設計が得られます。接着剤で接合された構造物では、構造上の考慮事項によって全体の形状と荷重が固定されるため、設計手順は接着剤の材料特性と、形状の局所的な変更に重点を置きます。
関節の抵抗力を高めるには、通常、次のような形状に設計します。
接着剤の中には、使用期限が限られているものがあります。使用期限は複数の要因に左右されますが、最も重要なのは温度です。接着剤は高温になると効果が低下したり、硬化したりすることがあります。[ 47 ]使用期限に影響を与えるその他の要因としては、酸素や水蒸気への曝露などが挙げられます。