木材‑エ ポキシ樹脂接着体 の疲労耐久性

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木材‑エ ポキシ樹脂接着体 の疲労耐久性

高谷政広 ･浜田良三●･佐々木光り

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I 詫 言 られ るエ ポキシ樹脂 を選 び,樹脂 の フレキ シ ビ リ 接LlN'.刑の進歩によ り,木質材料の生産 と木質桝遺 テ ィと棲筋層厚 さを変化 させることによって,動的 物の組 立 てに,接新藤合 法が広 く行 われ るよ うに 荷虫 (繰返 し劉雌及び繰返 し曲げ荷盟)に対する噂 なって きた. この ような材料 と接合方法を用いて構 労耐久性が どの ように影響 され るかについて検討す 造物 を設計す る場合,材料及び接合部分の耐久性 に ることに した.

ついての基礎的デー タが十分でなければ,構造の安

全は保証 されない. II 実験 材料 お よび方法

この ような状況の もとで,La近木材接群の耐久性 木 材

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3

に関 す る研究^{1 )}が活発になって きたが,外力に よ

る劣化,例 えば長期荷血や繰返 し荷誼に対 する接着 てカバ材が用い られるが,入手が困難であるので, ブナ辺材 ( SC aBL

一般 には.揮怒強度 を測定するための供試材 とし

劣化 を検討 した例日'は少ない. UME)の気乾柾 目材で,

本研究では,接宕剤に硬化時の収縮が少な く,空 含水率 L%O 前後.平均年輪幅 2mmの もの を用 い 隙充頒性 に摩れ, フレキシビリテ ィーが自由に変 え た.

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近 故大 学腿学 部紀 墾 第 16号 1983)

4 (

エポ キ シ樹 脂 及 び気 泡の 混 入 に よ る欠陥部 の生成 が防止 で きる こ 主 剤 に ア ラ/レタイ トCY230,硬化 剤 に ジエ チ レ ン と, な どで, エ ポキ シ系接 宕 剤 では通 常 の圧縮 に よ トリア ミン (DETA)を用 い, 主

刑/

硬 化 剤 の比 を る接怒 方法 に比 べ て, パ ラ ツキの少 な い接若 力 を得 13

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llに配 合 して樹脂 を調 製 した. また.+ オ コー る こ とが で きる.Fig.1は,ニ正 片持 ちは l)型 の剥離 フ ァ イ ド)を樹 脂 に対 して 0,20, 疲 労試験 片, Fig.2は クラ ン ク型の板 曲 げ疲 労 試験 40,60phr繰加lして, フ レキ シ ビ リテ ィの異 な る 4 片 を示 す.

種 類 の接 軒 別 (以 下. EP,TLI20,TL 0,TL‑60‑4 PlateIは,剥離 疲 労 試験 片 に お け る試験 片 をセ ッ と略 す) を調製 した. 用 い た樹脂 , 硬 化 剤, 及 び フ トした状 態 を示 して い る. 試験 機 は, 島排万能 疲 労 レキ ン ビラ イザ ーの分子 式 は次 の とお りで あ る. ‑51型 を用 い,実験 は,片振 り何故形 式 で,

P r 試験 機 LF 繰返 し速度 1800

ア ラ/ y イ トCY230 (ビスフェノールA型 エ ポ キL' 0oCで行 った.

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シ樹脂 ) PlateIlは,板 曲 げ嬢 労試験 片の試験 裳 tu(西原

式

坂 曲 げ疲 労 試験機 )で

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試験 片の 中央部 (Fi.g 2の

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JSIt lC) 0CH.OC, .0Cll..OC,lI.SH 疲労 試 験 (抗 験 片及U 綿 装置)

本試 験 での接 若 は,接 合 部 の間 隙 に樹脂を流 し込 む方法 , すなわ ち流し込 み 樟 若･法 で行 った. この方 法の 特 長 は , 接 常 闇 W.さ を 自 由に調製 で きる こ と,

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5kgの剥離荷盟 を加 .

市谷 ･浜田 ･佐々木:木材-エポキシ樹脂接怒体の披労耐久性

002 0.

試験 片 をと りつけて,1000ゆmの試験速度 でt性 には,試験片の端部 に P=0

モー メン トを作用 させた. え,曲げ試験 片 で は試験 片の端 部 の上 下 に

幹的試験 mmの変位 を与えて応力解析 を行 った.

疲労試験 と同 じ戯験 片を用いて,TOM1 0型万 fI

0 5 能引ポ圧縮試験横 により,

引

張破壊強度 ( 及び, 曲げ破横強度

J). LH 実等奏結 果及 び考 察 1.供託エポキシ樹脂の物性 と接着強度 を測定 した.

) (M.

樹脂硬化物の物性試験 Fi は,本実験 に用いた 4唖頬の工,キシ樹脂if

引張的性 質 硬化物の力学的性質 を,引張荷血 に対する応力-ひず

棲群別 (液) をポ リエ+ レンシー ト型枠 に流 し込 み曲線 で示 した. チオコールの添加 により,弾性率 ,備1 ,長 さ

3 g.

cm O1c.m

み,4 Cで硬化 させて将 さ

の帯状試験片 を作成 した.TOM-500型万能 0●

llcm

) .

(E ,破壌強度 (Q.)が低下 し,破壊 までの伸 び率 が顕著 に増大 する.

引張圧縮試験横 を用いて,室温 ( C)でスパ ン6 , ひずみ速度 %/ の条件で引張試験 を行 0 5o

2 17 i m 33.

mm (G

は,同L:試験片について,動力学的性質 を, 4

g, Fi

椴 l)自由減衰型粘弾性試験 による剛性率 ′)と対

数減袈寧 (a iI

(･ar

T)の温度分散 で示 した.エ,キシ樹脂 )の ピー ク位鑑がガラス転移点 ( い,破墳強度 (qt)及び弾性率 (E.) を測定 した.

動力学的性野 では減衰 Tg)

引張銑験 と同 じ形状の試験片を用いた. レスカ製 とはぽ一致 す る こ とが究 め られ て●lい るが,チ オ L,

コーJ添加鬼の大 きい樹脂 はど T か ら得 られ る減貸 曲線 よ り,樹 脂硬 化物 の剛性率 下が著 しい.

,が低 く,G

粘弾性測定装位によ り,振れ振子法による減栄運動 ′の低

)及び対数滅袋率 lne.

T) を求めた.

(a Tablelは,上記の各棟硬化樹脂の力学的性質及 び吸水性 を,衆 にまとめた もので,チオコール添加 (t'

/ 0 , =

l /ne.62

T

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≡ ⊥ q ･ K

(

′

G

丑の変化 に対応 して,硬化樹脂の引張性質,粘弾性

的性 質及び対水性 が顕著に変化することがわかる.

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02--は浦安振幅,qは試料の形 /C

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Ta 2は,各接

群

剤に対するこ菰片持 ちは り試 験片の剥離 (引裂 き)強度 を示す.TL 0の接若剤 ただ'し,8.0 01,

状因子,Kは試料のね じり定数測定値 (dJ,Jl(e..川)

である. の強度が位 も大 きく,また接若僧厚 さが大 きい程 (犀

) 5 -

.

さ 1 mm)強度が大 きく,接6 酉での応力分散の効 果が破横強度 に影響することがわかる.

吸 水 性

) 5Co 2 シ-ト状 の硬 化物 (気 乾状 態)を用いて室 温( で 24時間水中殺せ きした後の吸水率 を測定 した.

応力解析

試験片内の応力分布状態 を,有限要紫法によ り2

次元平面問題 として解析 した.努開塾試験 片の場合 _{(EEu 10}

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血片持ちは り型の は くり試験片 を用 い て, 4種類の接甘利の疲労耐久性 を,S-N 曲線 (応 刀-繰返 し数)で示 した.回申の各 プロッ トは,荷qi

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0 とを示す.また,矢印 を付 したプロッ トは,17回に おいて破壌 しないことを示す.

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ると強度が著 しい低下 を示 した.

2.繰返 L刺離荷重 に対 する疲労耐久性

は接若･層厚 さが

Fig 5の グラフか ら明 らかなように,各試験体 と ち,荷丑繰返 し数Nの増加 に伴ない,破壊荷歪 qNが 低下する傾向,即 ち S-N曲線の右下 りの傾向が見 ら れる. しか し,Nの般大値 107回での 6,の情 (疲労 強度)及び S-N 曲線 の傾斜 が接若剤 に よって異 な 17

4 20 3 3 34 9 38 01.

7 73 高谷 ･浜田 ･佐々木 :木材‑エポキシ樹脂接半休の疲労耐久性

り,チオコー/レ添加血の小 さい樹脂 ほ ど 6,億が大 き た.各試験体 とも繰返 し数Nの増加 に伴 ないM値が く,S‑N曲線 での高サ イクJL,穎域 での傾斜 (強度低 低下する傾向,すなわち,右下 り曲線 を示すが,7 下率)が綾やかである. レキ シビリテ ィの大 きい接若剤ほ ど,M‑N曲線 の

Ta C4及 び Ta e5は,上記疲労試験 での各接 位芯が低 い こと,及び

EP

の/ 着

新体の疲労強度 6 及び, qo値 (疲労強度 と伸的強 5mmの強度が商いのに対 し,他の 3範頼の接 剤で l

b )

b 系接宕剤では接若僧厚 1.

の比) を示 す.

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TL 0‑2

>

TL 0‑4

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q

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の静的剥離強度 とは著 しく異なる傾向である. この l b le

b

原因については において詳細 な考察 を行な うが, 本疲労試験においては,接若剤での応力分散効果 よ

5 ,

りも,樹脂 自体の凝災力の大小による影呼が強 く現 われた もの と考えてよいであろう.なお,Fig.5の グ ラフか らは,接郡 司の厚みが疲労強度 に与 える影野

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は明瞭でないが,Ta e4でのデータか ら,TL 0を 01.

15. l b 除 く各試験体 とも厚 さ 認め られた.

5,

に,各触試験体の曲げ疲労特性 を接着 剤別 Fi

3.繰返 し曲げ荷重 に対する疲9耐久性

のM‑N曲線 (曲げモー メン トー繰返 し数)で示 し 6

g.

5 02. 8 03. 6 06.

3 02. 8 03. 4 05.

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での試験 結 果 か M｡値 (疲労強度 と静的強

)が,耐久性 の支配因子 であ る 第 1号

力の大 きさ(Ta etbl 6 (1983) 近畿大学農学部紀要

8 13

Ta e6及 び Ta e7は,Fi ら,疲労強度 M,及 び M7

6 g.

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b

or 0 a

h(M7)tN‑17f 値が厚 さ ことがわか る.しか し

の厚 さの効果が認 め られ, 5mm

>

mmの塀 を示 した.

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9 13 筋谷 ･浜田 ･佐々木 :木材‑エポキシ樹脂樺苛体の疲労耐久性

4.過‑,q状態での繰返 し曲げ疲労 たがって, ここでは前述の各種疲労試験 での実験結 木材 は含水撃の増加 に伴ない.剛性率が顕著 に低 果 を.接筋層での応力捷和効果及び接者 剤の物性 と 下71する.したがって乾噴時 と湿潤時 とでは,接着物 接苛性の変化,な どの観点か ら考察 してみよう.

体の疲労挙動が相迎することが予想 され る. 接市岡の応力分布に及ぼす接

新

剤及び被怒休の形 は,前述の曲げ疲労試験 (Fi )と同 じ試

験体 を用いて,含水率 1 %の状態での疲労試 6

g.

10 1 )‑ Or i 7g.

F 沖

験の結果 を MIN 曲線で示 した.軽糠状態での疲労 曲線 に くらべて,各試験体 とも M N曲線の位濫 け なわ ら曲げモー メン ト)が低い こと,及び曲線の傾 斜すなわち強度低下率が綾やかなこと,等の特徴が 見 られる.

Fig.8及び Fig.9は,刺稚及 び曲げ疲労試験体 の 接新例末端部 (A点)に発生する舶中応力の大 きさ

宕

が,接 剤の組成によって異 なることを,有限要紫 法 を用いる応力解析の結果で示 した.チオコール添 加]穂が大 きい樹脂 はど娘中応力が小 さいこと,及 び 同 じ EP接か刑を用いる場合で も接新屑好 きを相加 Ta e8及 び Ta】9は,Fi の疲労 試験 にお

ける各都試験体の疲労特性 を.M7及び M,/M.の値 7

g.

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b させ る と応力が顕著 に綾和 され ることが わ か る.

( 1

g.

Fi 0は曲げ疲労試験 片の グルーラ インでの応 力 にまとめた衆である. 分布 を示 した もので,被宕体 (木 材)の含 水 率 が

A点) 接

怒

剤の概類 による影輝では,DTy状態での曲げ 10%附近 にまで増大 させると,接若末端部 0 疲労特性 (Fig.6,及び Ta e6‑7bl での応力が約 3 %減少する.0

0

>

TL 60の頓 に前者が 以上の ように,本研究に用いた各廟試験体 は,接 4

)と同傾向すなわ ち,EP

>

TL 0

>

TL

大 きい強度 を示すが.その差 は Dry条件の場合に比 怒剤及び被若体の状態によって接若僧での応力分布 べて著 しく接近 してお り,被宕体による応力按和 の が影申 され,接新疲労 に対 して便々の影響 を及ぼす 効果が大 きい ことが推察 される.本実験 で特徴的な であろう.

現象は,接新府厚 さによる応力分散の効果が認め ら 樹脂の組成が接新剤の凝非力及び接筋性 に及ぼす

‑ 2

‑

le b れ ることで,この効果は Ta 著 である,

の M7値において顕 影響

le b iI

工.キシ樹脂 にフレキシビライザーを添加す る場

察 合の影響 として,樹脂の瀕強力及び接宕性が減少 す

ることが予想 され る. この ことは Ta lのデータ .考

5

本研究では.木材‑エポキシ樹脂接老体の疲労耐久 性 が.接

宕

剤及び被宕体の応力緩和効果 によって ど の ように影背 され るかを知 ることを目的 とした. し

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近畿大学農学部紀 要

H0 _第 1号

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か ら明 らかで,チオコール添加iiiの大 きい樹脂 ほど 脂 の凝 塊 力 が低 下 した こ とが 考 え られ たの で, I

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弾性率 と引張強度が低 く,吸水率が大 きい.しか し,

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樹脂組成が接苛性 に与 える影堺は複雑で,試験体の の調査 結 果 を示 した.同表 の デー タか ら EP及 び TL 0の接新剤では界面破壊が多 く起 り

lelOに剣雌疲労試験 に用いた試験体の破壊面

形状や測定条件 によっても擦新剤の効果が異 なるか .TL 40及

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b

ら,単純 には議論で きない.Ta e2及び Ta 3に び TLl06では接宕剤の凝娘破堺 に よって剥離 した 示 した 2唖頬の試験体 での試験結果 において も.,拷 ものが多いことがわかる. したが って,疲労耐久性 宕強度が樹脂組成及 び接軒層厚 さなどの因子 によっ 試験での接宕劣化では樹脂の力学的性質 による影轡 5 て複雑 な変化 を示 した. 那,応力分散効果 を上回 るもの と考 えられ,Fig.の

剥離疲労耐久性 に及ぼす接新剤及 び接前層厚 さの グラフで EP接怒剤で接肴層好 さ1.5mmの試験体 N曲線 を示 した‑S実 とも一致する.

影呼 IJ

好 な S〜曲線 (Fi )と疲労強度 の 及び /q

影

坤

‑

ト2での実験結果で述べたように,剥稚荷qiに対 曲げ疲労耐久性 に及ぼす接哲剤及び接怒屑厚 さの

‑

l が滋 も優れた S

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‑

の殺大 を示 したのに対 し, チオ コー)添加丑の大 き 性 にZ TL )では投小の疲労強度 であった.

この結果 は,Ta e2に示 した静的試験 での刺灘強 Mo値を示 した.この結果 は,Ta e3の静的試験及 す る疲労耐久性 では,EP接新剤による試験体が,良

ⅠⅠ卜3での実験結果で述べた ように,曲げ疲労耐久 o値

Dtいて t),前述の別席凍労の場合 とほぼ同様の

/ ,

傾向,すなわち EP接宕 剤が般大の M,値及び M い接怒剤

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皮,及び Fi に示 した接宕剤の応力分散効果,な び Fi の応力分布の解析 か ら予想 され た傾向 と どか ら予想 された性質 とは相反する傾向である. こ 相反することであ り,刺灘試験の場合 と同様の理由, の原因 として, チオコール添加原の増加によって樹 すなわ ち樹脂の凝娘力 または接苛性の変化の効果が

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高 谷 ･浜EEl･佐 々木 :木材‑ エポキシ樹脂接石体の疲労耐久性 IJl

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TL20 8 92 32 68

0.1 EP 35 65 42 58

TL‑04 4 96 72 28

TL60 l4 86 67 33

TL.02 12 88 28 72

I.5 EP 32 68 】5 85

TL‑04 18 82 33 67

支配因子 として作用 した こ とが考 えられ る.Table llは,曲げ疲労試験体 での破堺形態の調査結果 を示 した もの で,EP系接

= J･ T

剤 での破域形態 では木部 破 断率が大 きいの に対 して, チオ コール添加丑の大 き い樹脂 ほ ど界面 での破壊率 が大 きい. したが って, 曲げ疲労 によって起 る接背破壊 では.木材一樹脂間の 結合効果 による寄与が大 き く, チオコーJL添加丑の' 樹脂 では界面破壊 が生 じやす く,低い接若耐久性 を 示 した もの と考 えることがで きよう.

湿潤曲げ疲労耐 久性 に及ぼす接若 剤及 び接

郡司厚

さの影ザ

llL･4での実験結果で述べたように,湿潤状態 での 疲労試験 では乾燥状態 での疲労特性 とは異 な り

,M

‑N曲線 の傾斜が緩 やか であ り,M7及 び M7/M付な どの疲労特性値 にお いて もTL‑60揮 若 剤 を除けば 接

新

剤の種類 による影呼 も顕著 には認 め られ ない.

この原因 は Fig.10に示 した湿潤 曲げ按労 での接 古層の応力分布 曲線 か らわか るように,木材の可塑 化 による応力緩和 の効果が原著 に作用 した ことによ る もの と考 え られ,動的荷giによる疲労耐久性 にお いては,被新体 の力学的性質が接宕剤 による応力穏 和作用 を上 回 るのであろう.

lV 要 約

木材‑エ,ifキシ樹脂接宕体の疲労耐久性 を,ニfE片 持 ち梁試験 片 を開い る剥離疲労試験及 び クランク型 試験 片 を用 いる板 曲げ疲労試験 によって評価 した.

接宕 剤の フレキシビ リテ ィ, グルー ライン厚 さ,及 び木材含水率等 を変化 させ て.接怒層 での応力緩和 効果が異 なる種々の接新体 を作成 し, これ らの因子

6)及び強度残存率 (

/

が樟新体の疲労強度 (,

0 . ,

qo) に与 える影廿 を検 討 した.実験結果の概略 は次の と

J･3りであ る.

(1機 々の接新剤及び接若僧厚 さで作成 した 2磯頬 の疲労試験 片について,接若僧 に発生す る応力分布 を計許 した結果, チオコール添加虫の異 なる 4種類 のエポキシ樹脂接新剤,

接

怒層厚 さ及び木材含水率 の相迎等に よって応力分散効果が顕著 に変 化 した.

(2)割 裂 き型試験片 による剥離疲労耐久性 は, フレキ シ ビリテ ィの大 きい樹脂 ほ ど耐久性 の低下が大 きく な る傾向が見 られ, エポキシ単独樹脂 (EP)で接怒 した試験体が倍大 の疲労強度 と強度残存率 を示 した

(

q= 7

^30.k/gc ,6/T= 0m2 7oo .66,3)()曲げ疲労試験 における済労耐久性 において rt),刺稚疲労の場合 と はぼ同様 の劣化傾 向が見 られ,エポキシ単独樹脂 を 用いて好き1.5mmで接若 された場合,強度の粒大 値が掛 られた (M 7

=

200kg･mm

,M7 / M

o

=

0.33). (4)湿潤 での疲労 耐 久性 にお いては,疲 労 に よる M

‑N 曲線の傾斜が乾燥状態の もの に比 べ て綾 やかで あ り,木材の可塑 化 による応力綾和 の効果が顕著 に 認め られた.

引 用 文 献

(1) 吉 田 弥 明 , 田 口 崇 :木 材 学 会 誌 ,24, 720‑725(1978)

(2)繍 生 来 郷,長 井 英 治 1.El本 接 怒 協 会 誌,15, 514‑‑519 (1979)

(3)堀 岡邦典 :日本接新協会誌,15,430‑434(1979) (4)金田弘 :木材学会誌,25,43‑49 (1979) (5)長沢長八郎,熊谷八百三,小野 昌孝 :木材学会

%

,27,541‑547 (1981)

(6)新保正胤 越智光一,高井幸雄,大下彰雄 :日 本接怒協会誌. 16,91‑97 (1980)

(7)満久崇暦 :木材工学,171, 狸賢豊栄寮 (1967)