「くっついてはがれない」を科学する～これでわかる接着剤の基本

2019/10/10

この記事では、接着剤の基礎知識として、接着剤の原理とこれからの時代に求められる接着剤がどのようなものかを解説します。
接着剤がどのような原理で「くっつき」、どのような工夫を施すことで「はがれにくく」なっているのかを知ることが、接着剤を理解する第一歩です。また、接着剤の適用用途や対応すべき材料の幅は広がっています。それに伴い、接着剤に求められる条件も変化していくため、今後接着剤に求められる期待と解決すべき課題も、接着剤を理解する上で押さえておきたいポイントです。

「くっつきやすい」とはどういうことか

接着剤が「くっつきやすい」とはどういうことなのでしょうか。ここでは、「くっつきやすさ」を接着剤の原理と硬化時の歪みの度合いから解説します。

接着剤の原理

接着剤は、①機械的結合、②化学的結合、③物理的結合の3つの要素が複合的に作用することでくっつくと言われています。3つの要素を順番に見ていきましょう。

①機械的結合

機械的結合は、液状の接着剤が被着材表面の孔や谷間に入り込み、硬化することで、接着されるという考え方です。船の錨（アンカー）が海底に食い込む様子に例えて、「アンカー効果」や「投錨効果」とも呼ばれます。＜図1-①＞

②化学的結合

化学的結合は、接着剤と被着材が化学結合することで接着するという考え方です。化学結合の例として、原子同士が互いに電子対を共有することで結合する共有結合などがあります。＜図1-②＞

③物理的結合

物理的結合は、接着材と被着材各々の分子同士が、互いに引き合う力によって接着するという考え方です。分子同士が互いに引き合う力を分子間力と言い、分子間力の例として、ファンデルワールス力や水素結合などがあります。＜図1-③＞

（補足）濡れと接着力

接着力を決める要素として、「濡れ性」があります。機械的結合、化学的結合、物理的結合がなされるためには、接着剤が被着材の孔や谷間に入り込んだり、接着剤・被着材の距離が分子間力の及ぶ範囲まで接近したりする必要があります。そのため、接着剤を被着材表面に塗布する際に、被着材の表面を均一に濡らすことが重要です。接着剤が被着材に良く馴染み、均一に塗布された状態を、「濡れ性が良い」と言い、濡れ性が良いと接着力が高くなります。

濡れ性は、接触角θを用いて定量的に表現することができ、接触角θが小さいほど濡れ性が良く、θが大きいほど濡れ性が悪く（はじきやすく）なります。＜図2＞

硬化時の歪みの度合い

接着剤で材料同士が「くっついた」状態となるのは、接着剤が硬化したタイミングです。接着剤は、硬化時に収縮して歪みが生じますが、歪みの度合いが大きいと、接着層に内部応力が生じて、接着強度が弱くなってしまいます。硬化時の歪みの度合いも「くっつきやすさ」を考える上で重要な指標ということを覚えておきましょう。

「はがれにくい」とはどういうことか

接着剤は、「くっつきやすさ」に加えて「はがれにくさ」を備えている必要があり、この「はがれにくさ」は以下の3つのポイントで決まります。

・接着剤にかかる応力が適切に分散されているか
・熱や湿度など環境への耐性があるか
・接着剤・被着材の耐久性があるか

ここでは、「はがれにくい」とはどういうことかを、応力を分散させる接合設計、耐久性の観点から解説します。

応力を分散させる接合設計

接着剤には様々な応力がかかりますが、応力が一部分に集中するとはがれやすくなってしまいます。こうした剥離を避けるために、接着剤にかかる応力を「広い面積」に「一様に」分布させるような接合設計を行います。接合設計で押さえておくべき点は、以下の3点です。

・接着面積をなるべく広く取る
・薄く、均一に、連続した接着層をつくる
・応力を引張やせん断方向に制御し、剥離方向への応力を小さくする

この3点を踏まえた接合設計の例として、突合せ継ぎ手、重ね合わせ継ぎ手などがあります＜図3＞。

耐久性

はがれにくさを実現する2つ目のポイントは、耐久性です。耐久性は接着後に置かれる環境（①外的要因）や、接着剤自体や接着する対象物（被着剤）の状態（①内的要因）に影響されます。

①外的要因

熱や湿度などの環境への耐性です。湿度が高い環境で使用される場合、湿度への耐性が低ければ役に立ちませんね。使用される環境を想定し、その環境への耐性を備えている必要があります。

接着剤が備えるべき代表的な環境耐性の対象として、熱、炎、電気、薬品、水、湿度が挙げられます。これら対象によって、接着剤では(熱、加水分解、紫外線などによる)「分解」や(吸水・吸油などによる)「膨潤」といった劣化現象が発生します。

②内的要因

耐久性は、接着剤自身や被着材の状態、状態変化への対応力といった内的要因にも影響されます。

<接着剤自身の状態>

外見上は対象物が固定された状態であっても、接着層の内部では架橋反応の進行などによって分子構造が変化し、接着剤内部にかかる応力が大きくなり、はがれやすくなることもあります。そのため、完全に反応を終了させたり、架橋の進行を抑制するなど、固定後に接着剤自身をなるべく変化させないような工夫が必要です。

<被着材の状態>

接着剤により被着体を変質させてしまう場合、耐久性に影響を与える場合があります。例えば、接着剤成分によりソルベントクラック（プラスチックなどの表面に溶剤などによる微小のクラックを発生させる現象）が発生した場合に、繰り返しの疲労がかかると、クラックが進展し想定よりも早く部材が破壊してしまうことがあります。被着材の性質と影響を考慮し接着剤を選定する必要があります。また、被着剤の表面状態にも注意が必要です。表面に酸化被膜などの脆弱層が形成されている場合は除去するなどの処理が必要です。

<被着材の状態変化への対応力>

被着材・接着剤共に熱などにより膨張・収縮しますが、熱膨張率は被着材・接着剤で異なり、一般に熱膨張率は接着剤のほうが大きくなります。そのため、接着剤が硬化した後に被着材が膨張・収縮すると、接着剤に歪みが生じ、内部応力がかかります。接着剤に弾性を持たせ、接着層でこの応力を上手く吸収・分散することで、被着材の変化に対応できるようになります。

これからの時代に求められる接着剤

これからの時代の接着剤には、信頼性向上、軽量化への貢献、新材料への対応など、様々なことが求められます。ここでは、接着剤への期待と、接着剤が克服すべき課題を確認していきましょう。

接着剤への期待

接着剤は、従来のボルトや溶接での接合に代わる信頼性の高い接着接合の実現や、IoTデバイス・自動車などの軽量化への貢献が期待されています。
例えば、建設現場においては、従来は信頼性の観点からボルトや溶接による接合を行っていましたが、このような接合は、信頼性はあるものの作業工数が大きくなります。そのため、信頼性と作業工数の削減を両立する接合方法として、接着接合への期待が高まっています。この他にも、接着剤接合は、ボルトや溶接での接合に比べて接合部分の軽量化を図れるため、軽薄短小化が進むIoTデバイスや、自動車軽量化における異種材料の接合方法としても注目を集めています。