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世界で「接合革命」が起きている。軽量化や材料の多様化により、これまでの溶接から接着剤への置き換えや併用が進んでいるのだ。接着技術で日本は世界をリードする。中でも、著しい研究成果を出しているのが、接着の「見える化」だ。接着の見える化とは何か。産業技術総合研究所(産総研)接着・界面現象研究ラボ研究ラボ長であり、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いた。

「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。

佐藤千明氏
佐藤千明氏
東京工業大学科学技術創成研究院教授。日本の構造接着技術を引っ張る。(写真:寺尾 豊)
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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。

 界面の接着メカニズムが明らかになり、しかも強固な接合力が作用していることがエビデンス(科学的な証拠)ベースで解明できれば、くっつき続ける環境劣化の要因が小さいものでも突き止めることができる。すると、より信頼性が高く、安心して使える接合面を得られることにつながるのです。こうした界面での共有結合や化学反応などと湿熱耐久性などとの相関は、今まさにいろんな人が研究しているところです。

 確実に言えるのは、今後は経験則ではなく、エビデンスベースで科学に立脚した接合面の評価が主流になっていくということです。今はその途上にあると言えます。実はわが国でも、接着の見える化に関しては国家プロジェクトが動いており、新エネルギー・産業技術総合開発機構(NEDO)の支援の下、新構造材料技術研究組合(ISMA)にて、革新的新構造材料等の研究開発が実施されており、この中で構造材料用接着剤の開発が始まっていますし、同時に接着の基本メカニズムを同定する手法に関する各種の取り組みが実施されています.もう数年もすれば、界面の分析は当たり前の手法になり、そこから得られたいろいろな知見から接合強度を判断できるようになるでしょう。

ボーイングの航空機
ボーイングの航空機
接着剤の使用条件に共有結合を求めている。(写真:ボーイング)
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