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*狙うは革新的な軽量化、接着の「見える化」が設計を大きく変える

  東京工業大学科学技術創成研究院教授の佐藤千明氏に聞く

— 「見える化」レベルの向上で接着のメカニズムが解明されていると聞きます。接着剤に対するユーザーの信頼性や納得度が高まりそうです。

佐藤氏：その通りです。既に、金属と接着剤の界面については理解が深まりました。

今後はさらに、樹脂と接着剤の界面や樹脂同士の界面に関する接着のメカニズムが明らかになると思います。

すると、もっと大きな波及効果があることでしょう。軽量化の流れで、金属から樹脂への置き換えがどんどん進んでいっているからです。
　実は、樹脂と接着剤の界面や樹脂同士の界面で起こっている現象をまだ誰も見たことがありません。

従って、より強固な接合を得たいなど、接着剤や周辺技術に技術的な改良を加えたい場合、現在は完全に勘と経験で、すなわち「こうなるだろう」という推定で技術開発を行っています。

しかし、最近は埋もれた界面の観察技術が登場したことにより、例えば界面で化学反応が起きているとか、分子間力でくっついているとかいったことが分かるようになりました。これは将来の接着剤の進化に非常に有効ですし、接着剤に限らず、樹脂同士の界面はいろいろな製品にあるので、その部分の接合強度や耐久性の改良などに大きく貢献すると思います。

— 樹脂と接着剤、また樹脂同士の接着のメカニズムはまだ解明されていないということですか。

佐藤氏：昔からいろんな説がありました。化学反応説や分子間力説、相互に樹脂が溶けて絡み合っているといった説などです。大体、樹脂の場合はこの3つが有力視されてきました。

これらの1つひとつは確からしいのですが、特定のケースの場合にどれが支配的かは意外に分かっていないのです。

これが明らかになれば、設計者などのユーザーは自信を持って接着剤を使うことができますし、接着剤や材料メーカーはより良いものを作ることが可能になります。

経験則から科学に立脚した接合面の評価へ

— 自動車や航空機などのユーザーの中には、接着剤がくっつき続けるかどうかに関して不安を感じる人がいます。  この不安を、界面の測定技術の進化が解消してくれるということですか。

佐藤氏：今後、そうなっていくでしょう。

例えば、最も厳しい条件が接着剤に求められる航空機分野では、既に米ボーイング（The Boeing Company）などが接着剤を使うか否かを判断する際に、接着剤とターゲット材料（接着させる材料）との間で共有結合が生じていることを非常に重視しています。

共有結合は、他の環境因子（例えば、水分の浸入）よりも結合エネルギーが大きいことが化学的に明らかだからです。

技術的な裏付けがとれれば、航空機メーカーも安心して接着剤を使えるというわけです。
　一方、水素結合か分子間力の場合は、例えば水分が入ったときに、エネルギーの大きさが同じ程度だったり、親和力が似ていたりする場合は、水分で劣化するケースが考えられます。

*日本発、接着の「見える化」　設計革新を起こす5つの技術

— 界面の状況が見えるようになり、接着剤のメカニズムがよく分かるようになった。従って、今後はより使いやすい接着剤が出てくる可能性がある。 ISO（International Organization for Standardization；国際標準化機構）化の動きも出てきた──。ここまでの話を振り返るとこうなります。 では、ユーザーが接着剤をうまく使いこなすために必要な課題は何でしょうか。

佐藤氏：2つあります。1つは、接着剤を使った接合部の設計に慣れてもらうことです。

というのも、接着剤の強度評価の規格は溶接や材料のそれとはかなり違っているからです。しかも、まだ十分に完成された世界ではありません。接合部の強度設計に関して、より正確な設計法を確立する必要があるため、まだまだいろいろな規格を作っている段階です。

　加えて、接合部の耐久性の保証法を確立する必要があります。ここがまだ完成したとは言い難く、発展途上というところです。その理由は、我々は「実験力学」と呼んでいるのですが、実験的に強度のパラメーターを求めるのは接着の場合、とても難しい。そもそも計測しにくいターゲットなのです。

　例えば、接着の界面の強度を調べるときには破壊エネルギーというパラメーターを調べなければならず、これを求める規格にはDCB（Doble Cantilever Beam；双片持ちはり）試験片を使います。2枚の板を貼り合わせて離していく試験片です。測定時に加わった力と亀裂（クラック）を同時に計測しなければなりません。

ところが、このクラックの先端が見えにくくて世界中の技術者が困っており、世界で同じ実験をしているのに結果が違っているのです。こうしたところには最新技術を導入し、正確に測れる技術を研究しなければなりません。

　幸い、産業総合研究所には「応力発光材料」という特殊な材料を開発したグループがあり、対象に塗るだけで応力集中点やクラックの先端が光って目で見える新しい技術を開発しました。この研究はNEDO（新エネルギー・産業技術総合開発機構）のプロジェクトでも引き続き改良を行っており、これを使えば、世界中で誰が行っても同じような結果が得られるようになります。   

— 技術が進化しているので、ユーザーは接合部に慣れろということでしょうか。

佐藤氏：試験規格自体は研究者がきちんと確立することが求められます。

応力発光材料のような最新技術を使って研究結果をきちんと規格化し、ユーザーにはそうした規格に慣れてもらって、実験で出てきたパラメーターを勉強してもらわなければなりません。しかし残念ながら、現時点では規格も不十分だし、使い方を教えてくれる人がいないという問題があります。
　ただ、日本接着学会などが接着の接合部に関する設計法の講習会やセミナーなどを積極的に開催しているので、そうしたものを利用するとよいでしょう。

また、将来的には接合部の設計に関してきちんとしたフレームワークを確立しようと我々は計画しています。

ISOの資格などを取得した人はしかるべき能力があると認定できる。従って、そうした資格を目指してもらうことなどを通じて、フレームワークを作っていきたいと考えています。

出典:日経 xTECHから一部抜粋

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