接着接合

接着接合は、幅広い製品の製造や修理に使用される接合技術です。溶接やはんだ付けとともに、接着接合は基本的な接合プロセスの 1 つです。この技術では、接着剤を使用してコンポーネントを接合します。幅広い種類の接着剤が利用できるため、車両、携帯電話、パーソナルケア製品、建物、コンピューター、医療機器など、さまざまな製品で多数の材料を接合できます。

接着剤は、2 つの表面をくっつける物質と定義できます。この定義によれば、最も古い「接着剤」は、原始細胞が粘着性のある外膜を生成して隣接する細胞にくっつくようになった 30 億年前に開発されたと考えられます。人間による接着剤の最初の使用は、紀元前 22 万年頃、樺の樹皮から抽出したタールを使用して石の矢じりを矢柄に接着したとされています。^[1]

EN 923 Archived 2019-05-09 at the Wayback Machineの定義によると、「接着剤。用語と定義」では、接着剤とは、表面結合（接着）によって材料を接合し、結合が十分な内部強度（凝集力）を持つ非金属物質です。接着剤は、接合された 2 つの部品間の接続要素を形成し、接着剤がなければ 2 つの部品は接着しません。接着剤は、化学的性質、用途、または反応メカニズムによって分類できます。

IUPACによれば、接着とは「ある物質を別の物質の表面に付着させるプロセス」です。接着剤と基材の相互作用は、1ナノメートル未満の非常に短い範囲で起こります。したがって、高品質の接着を実現するには、接着剤が液体状態で接合する材料によく濡れることが必要です。濡れ性に加えて、接着剤と基材は、接着剤と基材の相互作用が起こり接着が実現されるように、互換性のある分子グループを持っている必要があります。

接着力は通常、極性基または分極可能な基間の相互作用、水素結合、またはファンデルワールス力などの物理的相互作用に基づいています。プラスチックを接着する場合、特に溶剤ベースの接着剤を使用する場合、拡散プロセスも役割を果たすことがあります。この場合、基材表面のプラスチックは接着剤に含まれる溶剤によって溶解します。これにより、プラスチックのポリマー鎖の可動性が高まり、接着剤のポリマー鎖が浸透できるようになります。最終的には、接着剤のポリマー鎖と基材の間で追加の相互作用が発生します。溶剤が蒸発すると、固体化合物が形成されます。化学結合は、特定の接着剤/基材の組み合わせでも重要であり、たとえば、シリコーン接着剤を使用してガラスを接着する場合、ポリウレタン接着剤を使用して木材を接着する場合、エポキシ接着剤を使用してアルミニウムを接着する場合などです。化学結合により、物理的結合よりも大幅に高い接着力が得られます。さらに、液体接着剤がアンダーカットに浸透すると、硬化後に接着力がさらに強化されることがあります。

接着剤と基材との接着には、基材に適した組成の接着剤だけでなく、基材表面への要求も高くなります。接着力の範囲が狭いため、基材の表面層の性質が重要です。基材本体に十分にしっかりと結合している必要があります。たとえば、多くの接着剤は腐食した鋼鉄表面によく接着します。しかし、腐食層、つまり錆は基材にしっかりと結合していません。負荷がかかると、腐食した材料または錆層と腐食していない鋼鉄の間で破損が発生する可能性があります。同じことがコーティングされたアイテムにも当てはまります。接着剤はコーティングに接着する必要があります。次に、コーティングは基材に十分にしっかりと結合している必要があります。

同様に、汚染物質、特に表面張力が低いために接着剤による濡れを妨げるもの（油、離型剤など）は接着相互作用を妨げます。汚染物質は、接着剤と基材の間にいわば障壁を形成しますが、到達距離が短​​いため接着力ではその障壁を越えることができません。

そのため、接着前に汚染物質を除去する必要があるのが一般的です。特殊な接着剤の中には、特定の油とある程度の互換性があるものもあります。接着剤の硬化（高温で起こる）中に特定の油を吸収し、接着剤と基材の境界層から油を除去することができます。このような接着剤は、例えば自動車のボディショップで使用されています。これらの接着剤を使用すると、事前の洗浄なしで、腐食防止油と引き抜き油を使用して板金部品を接着できます。接着剤の硬化は、その後ラッカーを硬化させるために使用される炉で、約 150 ～ 200 °C の温度で行われます。^[2]

前処理は、表面を標的に合わせて改質し、接着性を高めるために使用できます。^{[3]接着性を高めるために基材を接着促進剤（}プライマー）でコーティングすることに加えて、接着の準備としてさまざまな方法で表面を改質することもできます。最も一般的な表面前処理方法は、次の図に示されています。

前処理プロセスの選択は、アプリケーションに応じて、以下の点を考慮して決定されます。

• 結合する材料。
• 表面の状態。
• 表面汚染の種類と量。
• 基材を接着するために使用する接着剤。
• 接着された製品のライフサイクル全体にわたってかかるストレス（例：機械的、熱的、または内的）。

選択は適切なテストを通じて検証する必要があります。

接着剤が固まると、その内部強度、つまり凝集力が高まります。凝集力も物理的な相互作用に基づいており、この場合は接着ポリマー間の相互作用です。化学反応によって硬化する接着剤の場合、つまり接着剤成分の化学反応によってポリマーが形成される場合、結果として生じる化学結合が重要な役割を果たします。

接着剤の凝集性と接着性は、基材との組み合わせによって結合の特性を決定します。接着性は接着剤が特定の基材に接着するかどうかを実質的に決定しますが、凝集性は結合の機械的特性、特に荷重支持変形挙動に大きく影響します。

接着剤結合は、特定の老化特性の影響を受けるだけでなく、その特性は特定の環境条件、特に温度に依存します。また、接着剤と基材間の接着形成相互作用と、凝集を引き起こす分子内相互作用の両方が、外部の影響（温度、湿度、化学物質、放射線、機械的ストレスなど）によって悪影響を受ける可能性があります。障害の程度は、条件の性質と期間によって異なります。このプロセスは老化と呼ばれます。したがって、接着操作を計画するときは、実際の環境条件に加えて、接着剤と基材への長期的な影響も考慮する必要があります。

接着に影響を与える可能性のあるパラメータが多数あり、さまざまな接着結合に対する要件が部分的に矛盾しているため、いわゆる「万能接着剤」は存在できないことは明らかです。

特定の用途に適した接着剤の選択は、特定の要件プロファイルに基づいて行う必要があります。この要件プロファイルには、接着するコンポーネント、そしてその結果として接着と接着剤に対する即時かつ検証可能な要件がすべてリストされています。満たさなければならない要件と、満たすことが有利ではあっても絶対に必要ではない要件を区別することができます。さらに、上流および下流のプロセス ステップから得られる仕様を含む、接着プロセスから得られる仕様も考慮する必要があります。上の図は、接着剤を選択する際に考慮すべき最も重要なパラメータの概要を示しています。

他の接合技術と同様に、接着技術は幅広い可能性と多くの利点を提供するだけでなく、接着プロセスの計画と設計時に考慮しなければならない制限もあります。

主な利点は次のとおりです。

• ほぼすべての材料は、接着によってそれ自体または他の材料と結合できます。
• 面力伝達により、接合領域全体にわたって力が均一に分散され、基板の特性が最適に活用されます。
• 対応する大き​​な接合面積を選択することで、比較的大きな力も薄い基板間で伝達することができ、これは特に軽量構造の用途に有利です。
• 弾性接着剤を選択することにより、基板同士の相対的な動きを補正することができます。たとえば、温度変動時の部品の伸びを補正し、振動を効果的に減衰させることで、材料の損傷や基板の疲労を防ぐことができます。
• リベットやネジなどのドリル穴による基材への材料損傷はありません。
• 視覚的に魅力的な表面を実現できます。
• 接合に伴う熱負荷はゼロまたはわずかであるため、熱による歪み、熱応力、または微細構造の変化、そしてその結果としての基板の機械的特性の変化が大幅に回避されます。
• 基板の許容誤差は、隙間を埋める接着剤によって補正できます。
• 接着は、小さな部品にも大きな部品にも等しく適しています。したがって、マイクロエレクトロニクスでは部品 1 つあたり数マイクログラムの接着剤しか必要ありませんが、風力タービンのローター ブレードの製造では部品 1 つあたり数百キログラムの接着剤が必要です。
• 電力伝達に加えて、次のような追加のプロパティを組み込むことができます。
  • 接続シーリング。
  • 音響の分離と減衰。
  • 電気絶縁（接触腐食の回避）
  • 電気伝導性。
  • 断熱性。
  • 熱伝導性（例えば、電子部品の熱管理）。

接着剤にはさまざまな種類があり、多くの場合、特定の用途を念頭に置いて開発されています。そのため、ある用途では特定の接着剤の欠点とみなされるものが、別の用途では利点となる場合があります。したがって、用途に適した接着剤を使用することが重要です。特定の状況で欠点となる可能性のある接着剤の特性には、次のものがあります。

• 一般的に、瞬間的な接着強度は得られません。しかし、両面接着テープに使用される感圧接着剤、急速に硬化する「瞬間接着剤」シアノアクリレート、および多くの光硬化性接着剤は、接着されたアセンブリのさらなる処理に必要な最終的な強度は得られないものの、接合プロセスの完了後またはその直後に、かなりの初期強度を実現します。
• 接着剤の種類によっては、化学的性質に応じて耐熱性や耐薬品性が制限され、接着部の機械的特性も温度に依存します。したがって、反応性ホットメルト接着剤など、耐熱性や耐薬品性に​​優れた接着剤を選択してください。
• 一部の接着剤は、わずかにクリープする傾向があります。用途でクリープが重要な場合は、クリープしないように設計された接着剤を選択してください。
• 接着の長期安定性は経年変化の影響を受けるため、用途に適した寿命を持つ接着剤を選択するようにしてください。
• 接着剤の種類によっては、少なくとも 1 つの基材を損傷せずには取り除くことができないものもあります。他の接着剤は簡単に取り除くことができます。
• 接着はいわゆる「特殊プロセス」であり、非破壊的な方法ではテストを完全に実行することはできません。したがって、エラーを回避するには、接着プロセスに関する理解を習得する必要があります。DIN 2304-1 ^[5] (接着接合技術 - 接着接合の品質要件 - パート 1: 接着プロセス チェーン) は、開発から製造、再加工までの接着プロセス チェーンに沿った、荷重を伝達する接着接合の品質に準拠した設計の要件を規定しています。
• 他の接着技術と同様に、接着プロセスに必要な一部の接着剤および関連材料（洗浄用溶剤、プライマーなど）は危険物質であり、適切な取り扱い上の注意が必要です。

隣の表の自動車ボディ構造における金属接合の例に示すように、接着接合は特定の用途において他の接合方法と比較して利点がある場合があります。

多くの接着剤に見られる即時接着の欠如という欠点は、適切な速硬化性接着剤を使用するか、標準的な接着剤と第 2 の速硬化性接着剤 (両面接着テープなど) の組み合わせ、またはスポット溶接、リベット、ネジ、クリンチ / プレス接合などの別の接合方法を使用することで克服できます。ハイブリッド接合と呼ばれるこれらのプロセスの場合、他の接合ポイント間の基材の分散接続により、まさにこれらの接合ポイントでの応力ピークが大幅に減少し、瞬間的な強度が達成されます。

現代の接着剤は、今日の世界では欠かせないものとなっています。接着剤は、日常的な製品や専門的な製品に使用されています。さまざまな分野からの例をいくつか挙げます。

現代の自動車の生産は接着剤なしでは不可能です。以下に 2 つの例を挙げます。

今日のフロントガラスは、2 枚以上のガラスを、破れにくく粘性のある透明なホットメルト接着フィルムに接着した積層安全ガラスで作られています。このフィルムは、特に、フロントガラスが破損した後も一体として無傷のままであることを保証し、ガラスの破片による怪我のリスクを最小限に抑えます。さらに、フロントガラスは以前はゴム製のシールで車体に取り付けられていましたが、今日ではしっかりと接着され、車体の不可欠な部分を形成しています。これは、用途に適した機械的特性を持つ接着剤を使用することによってのみ可能になります。接着剤は、一方では、フロントガラスを車体に固定するのに十分な強度を提供し、他方では、運転中に車体とフロントガラスの相対的な動きを補正するのに十分な弾性があり、破損を防ぎます。接着されたフロントガラスは車両の剛性に貢献するため、特定の場所ではより薄い金属板を使用でき、それによって車両の重量と最終的にはエネルギー消費を減らすことができます。

エンジン管理システム、 ABSやESPなどの安全コンポーネント、運転支援システムから快適性向上機能まで、自動車にますます多くの電子機器が搭載されるようになったのは、現代の接着剤がなければ不可能でした。制御装置、センサー、カメラなどのサイズが小さいため、従来の接合技術の能力はすぐに限界に達します。そのため、今日使用されているコンポーネントは、主に接着剤を使用して接合されています。

制御ユニットと関連センサーの適切な機能を確保するには、湿気、塩分、燃料、その他の自動車用液体などの外部の影響から電子機器を安全に保護する必要があります。そのため、多くのセンサーは、しっかりとフィットするハウジングでカプセル化または保護されています。どちらの場合も、接着剤が使用されます。コンポーネントの鋳造の場合、気泡のないポッティングを実現する必要があり、運転中の砂や砂利の摩耗衝撃に耐えるために、硬化したポッティング材料には一定の機械的安定性が必要です。一方、電子部品の異なる熱膨張挙動による衝撃のような熱サイクルを回避するために、十分な弾力性が必要です。衝撃のような熱サイクルは、漏れやはんだ接合部の破裂、ひいては故障につながる可能性があります。

電子部品の数が着実に増加しているため、不十分な電磁両立性(EMC) による干渉のリスクも増加しています。十分な EMC を確保するために、接着剤を含む特殊な充填剤を使用して蓋を接着した金属製ハウジングが使用されています。これにより、必要な密閉性だけでなく、必要な EMC も確保されます。

接着接合の利点は、接合温度が比較的低く、電圧や電流がかからないことです。ウェーハが直接接触しないため、この手順ではシリコン、ガラス、金属、その他の半導体材料など、さまざまな基板を使用できます。欠点は、パターン形成中に小さな構造が広くなり、厳密な寸法制御を備えた正確な中間層の製造が妨げられることです。^[6]さらに、ガス放出生成物による腐食、熱不安定性、水分の浸透の可能性により、接合プロセスの信頼性が制限されます。^[7]もう1つの欠点は、有機接着剤を使用するとガスや水分子の透過性が高くなるため、密閉されたカプセル化が不可能になることです。^[8]

医学と医療技術において、接着剤はますます重要な役割を果たしています。たとえば、単純な絆創膏は、さまざまな肌タイプによく接着する必要がありますが、取り除くときにできるだけ痛みを感じないようにする必要があります。さらに、経皮パッチは、より長い期間にわたって皮膚を通して血流に薬剤を送達し、他のものは、たとえば血糖値の連続測定に使用されるセンサーを長期間取り付けるために使用されます。これらのパッチは、シャワー、水泳、運動、サウナなどの極端な条件下でも、最大 14 日間しっかりと貼り付かなければなりません。言うまでもなく、これらの接着剤は肌に優しくなければなりません。使用される接着剤は、アクリレートまたは合成ゴムをベースにした特殊な感圧接着剤です。

外科手術では、特定の手術創の治療に接着剤が使用されます。これらの接着剤は通常、出血時に血液を凝固させる天然の接着物質であるフィブリンをベースにしています。フィブリンは体内で自然に発生するため、接着剤が体に拒絶されないという利点があります。さらに、時間が経つと自然に分解されるため、抜糸などの手の込んだ後処理が不要になります。この特性は、心臓や消化管の手術では特に重要です。

革新的な接着剤は歯科でも使用されています。虫歯の充填や義歯の製作に使用されるだけでなく、歯列矯正にも非常に役立ちます。歯列矯正器具のワイヤーを通すブラケットは、特殊な接着剤によって歯に固定されます。一方で、ブラケットは口内の湿った温かい環境でしっかりと固定される必要がありますが、後で跡を残さずに取り外すことができる必要があります。

接着剤は、医療機器技術においても今や欠かせないものとなっています。たとえば、針は通常、注射器に接着され、ステンレススチール製のカニューレはプラスチック製のアダプタにしっかりと接続する必要があります。生産量が多いため、サイクルタイムを短くする必要があります。多くの場合、光硬化型接着剤が使用されます。これは、特定の波長の光を数秒間照射すると十分な強度が得られ、その後の滅菌プロセス（過熱蒸気、エチレンオキシド、ガンマ線照射など）にも耐えることができます。

ますます小型化するレンズを張力をかけずに取り付けることが求められる内視鏡の製造は、現代の接着剤の性能を示すもう 1 つの良い例です。ここでは、接着強度に加えて、基板の異なる熱膨張のバランスをとることが重要です。この場合、画質に影響を与える可能性のある電圧がレンズ ホルダーからレンズに伝達されるのを防ぐことも重要です。

接着剤は家電製品の製造にも広く使用されており、さまざまな接着要件を満たしています。たとえば、耐熱性シリコーン接着剤は、セラミックコンロの製造やオーブンのドアのシーリングウィンドウに使用されます。この化合物は、最高 250 °C の温度に耐えることができなければならず、もちろん汚染物質を放出してはなりません。一方、コントロールパネルのメンブレンキーボードや従来のコントロールパネルのラベルプレートは、両面粘着テープを使用してオーブン、冷蔵庫、洗濯機、乾燥機などのデバイスに取り付けられています。

接着剤は、小型電気製品の製造にも頻繁に使用されています。たとえば、コーヒー マシンでは、プラスチック製のハンドルがガラス製の容器に接着されることがよくあります。金属製のクランプ リングで固定するのに比べて、接着は容器が壊れるのを防ぐという製造工程上の利点があります。使用上のもう 1 つの利点は、金属製のクランプ リングでは、容器本体とリングの間に汚れや湿気がたまり、クランプ リングが腐食して見苦しくなることです。ハンドルを接着剤で固定すると、この現象は解消されます。ポリウレタンまたはシリコンをベースとした接着剤が、2 成分系または湿気硬化系として使用されます。使用する接着剤は、十分な強度があり、食器洗い機で洗えること、ガラスとハンドルのプラスチック素材の異なる熱膨張挙動を補ってガラスの破損を防ぐのに十分な弾性があること、そしてコーヒー マシンの寿命全体にわたって、最高 100 °C の温度でもこの性能を維持できることが求められます。

さらに、調理、かき混ぜ、こね、混ぜ合わせ、粉砕などを容易にする多機能デバイスの製造は、現在の形では最新の接着剤なしでは不可能です。このようなデバイスの心臓部は、多くの場合、極めて強力なブラシレス電気モーターです。一方では、例えばナッツを粉砕するための高速機能が必要であり、他方では、生地をこねるために低速で高トルク機能が必要です。これらのデバイスの一部は調理に使用するのに適しているため、それに応じた耐熱性が求められます。光硬化性接着剤により、モーターの2つの主要コンポーネントであるローターとステーターが堅牢なユニットを形成します。接着剤の硬化は非常に短時間で行われるため、コスト効率よく大量のデバイスを生産できます。硬化中、接着剤に含まれる光開始剤は光の影響下で反応性の高い分子を形成し、接着樹脂の化学硬化プロセスを促進します。

冷凍食品や電子レンジ対応食品の包装のほとんどは、生分解性のフィルム複合材でできています。もちろん、これらのフィルム複合材を作るのに使用される接着剤も生分解性でなければなりません。これは、セルロースやデンプンなどの天然ポリマー分子を使用することで実現され、微生物が酵素を使って水、二酸化炭素、バイオマスに分解することができます。^[9]

ペニーブラックは、公共郵便システムで使用された世界初の粘着式切手です。イギリスで初めて発行されたのは 1840 年 5 月 1 日でしたが、5 月 6 日まで使用できませんでした。粘着式切手の導入は、接着剤技術の発展と密接に関係しています。当時の切手接着剤は、糖蜜、ジャガイモデンプン、時には魚のりなどの天然の原材料で構成されていましたが、これらの性能は貧弱でした。そのため、切手はくっついたり、早期に剥がれたりして不快な臭いを放っていました。さらに、切手は固定する前に湿らせる必要があり、これはしばしば舐めて行っていました。不快な味のため、これはあまり人気がありませんでした。20 世紀半ばに合成接着剤が開発されると、ポリ酢酸ビニルまたはポリビニルアルコールで作られた、不快な味のない無臭の接着剤の使用が採用されました。これにより、切手がくっついたり、早期に剥がれたりする問題も解消されました。今日では、湿らせる必要のないスタンプがますます多く提供されています。これらの粘着式スタンプは感圧接着剤を使用しており、手紙に貼り付ける前に非粘着性の裏紙から剥がすだけで済みます。

産業や専門分野での接着技術の使用が増え、その結果、接着製品の品質と耐久性に対する要求が高まるにつれて、接着剤と接着結合の特性評価、分類、テストなどに関する包括的な国内および国際規格が策定されました。

接着は、いくつかの職業では職業訓練の一部に過ぎず、その場合、それぞれの職業に関連する接着プロセスのみが教えられるのが普通です。その結果、接着製品の開発、製造、修理に携わる人員の専門訓練が必要になりました。このニーズは、3 段階の訓練コンセプトの導入によって満たされました。EWF (欧州溶接・接合・切断連盟) のガイドラインに定められているように、接着実務者、接着スペシャリスト、接着エンジニアとしての訓練を受けることができます。

さらに、FEICA（欧州接着剤・シーラント産業協会）などの業界団体は、サプライチェーンの関係者と協力して、基準や試験方法の開発と調和を図るとともに、健康、安全、環境に関するベストプラクティスを奨励しています。

• FEICA、接着と接着剤の歴史 - 接着剤とシーラント。2016
• Walter Brockmann 他著:接着技術。接着剤、その用途およびプロセス。Wiley -VCH、Weinheim 2005、ISBN  3-527-31091-6。
• Hermann Onusseit:接着技術の実践的知識。第 1 巻: 基礎。Hüthig、2008 年、ISBN 978-3-410-21459-5。 
• Gerd Habenicht:応用接着剤接合: 完璧な結果を得るための実践ガイド。Wiley VCH、2008 年、ISBN 978-3-527-62645-8。 
• インダストリーバーバンド クレブストフ e. V.: 手動接着技術。 Vieweg、ヴィースバーデン、2016 年、ISBN 978-3-658-14529-3。 
• FEICA / インダストリーバーバンド クレブストフ e. V.教材：接着・接着剤の教科書。
• 建設業界における弾性接着。 Verlag modern Industry、ラルフ・ハインツマン、2001 年、ISBN 3-478-93265-3。 
• BOND it - 接着技術に関する参考資料。DELO Industrial Adhesives、2018 年。
• DVS-3310 接着技術における品質要件。DVS Media、2012 年 2 月。(指令)
• DIN 6701 鉄道車両および車両部品の接着。Beuth -Verlag、ベルリン、2007 年。(標準)
• Detlef Symietz、Andreas Lutz:車両製造における構造的接着。新しい接合プロセスの特性、用途、および性能。 (= The Library of Technology、第 291 巻) Verlag Moderne Industrie、2006 年、ISBN 3-937-88955-8。 
• DIN 2304-1 接着技術 - 接着プロセスの品質要件。パート 1: プロセス チェーン。Gluing Beuth-Verlag、ベルリン 2016 年。

• 接着剤および紫外線硬化の世界協会、KEOL。
• 欧州接着剤・シーラント産業協会、FEICA。