木材‑エ ポキ シ樹脂バ ッ トジ ョイ ン ト体 の疲労耐久性

3 近哉大農紀要

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木材‑エ ポキ シ樹脂バ ッ トジ ョイ ン ト体 の疲労耐久性

高谷政広■･浜 田良三 ● )

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Ⅰ は じ め に で,含水率約1

エポキシ樹脂 は,硬化時の容積変化が小 さ く,棉 た.

脂組成 によって力学的性質が大幅 に変化するなど, 接糖剤

他の接着剤 とは異なる多 くの特性 をもっている.エ エポキ シ樹脂 は市販 の ビス フェノールA型樹脂 0%,平均年輪幅 2mmの ものを用い

ポキシ樹脂 の これ らの諸特性 は,金属構造材用接着 (E i tpcoe8 )28 を主剤 に遠 び,硬化剤には トリエチ 剤 として既 に高 く評価 され,金属構造材用エポキシ レンテ トラ ミン(TETA),フレキシビライザー とし てポ リサルファイ ド樹脂 (Thik Io oLP‑3)を用いた.

樹脂接宕剤に関す る多 くの研究報告が見 られ る. し

/

か し,木材接若 を対象 としたエポキシ樹脂の研究報 主剤/硬化剤 の配合比が10011の もの を基本 エポキ 0, hr

( 0 6, 4 0, 3

EP)とし,EPに対 してチオコールを2 0p 添加 した樹脂 を TL

告 は少ない.本研究では一般用木材接宕剤では接着 シ樹脂

が困難 と思われ る木 口面接着の うちか らバ ッ トジ ョ ‑20,TL 0‑3,TL 6

‑ 0, 4

‑ TL 0と名付 けた.また,エポキシ樹脂 との性 能 を比較 する基準 として,市販 の木材用 レゾル シノ イン ト材 を試験体 に選 び,試験体 の接宕性能 を静的

引張試験 と引張圧縮および曲げ荷盃の繰 り返 し疲労

Dearno

( 卜33,以下 RFの記号で示す)を

試験 によって評価 した. ール樹脂

用いた.

ⅠⅠ 材料 および方法 接着試験片の作製

木材 Fi 1g.(a)および ()b に示す寸法のバ ッ トジョイ ン ト試験片 を,流 し込み法によって作製 した.すな LZtaBL

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1ⅠⅠ 結 果 と考察 わち,接着面 と接着面の間隙が1mmになるよう二

に脱泡 された樹脂 を流 し込んだ.樹脂 の硬化 は,注

%/minの条件で行い,破壊

で行 い,静的接若強度 (dJ)を測定 した.

疲労軌験

疲労試験片 として,引張圧縮 および曲げ荷重によ

り返 し応力 を与 えて繰 り返 し数N回にお ける破壊 曲げモーメン ト

M

顕棚 察

木材一樹脂接着試験片の接着状態の観葉 をオ リン

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(Thermo tFYellw 0 )を混合 した接着試験 つの被着材 をタテ方向に配粧 し,接着面の側面 と底 片か らミクロ トームを用いて作製 した.

' erey 面 をセロハ ンテープでシール して, その間隙に十分 走査顕微鏡用試料 は,接着試験片 を Jeff S液

0

2

0 0

(1%硝酸 と 1%クロム酸の等量混合)に室温で 4時

7%

2 4 ,4 2

入後 で 時間放置 したのち の恒温器 に 間浸額 し,次に試験片 を水洗 してか ら 硫酸 に室 2

時間放正 して完全硬化 させた. 温で 時間浸耕 して木材組瀬 を分解 し,水洗,乾燥

前記の配合で詞恥 したエポキシ接着剤 をポ リエチ した.

0Co 0

4

嬢糖剤硬化物の物性牌 した後,接着層の表面 を炭素一金で蒸着処理 して作製 レンシー ト製型枠 に流 し込み,脱泡後,4 で2時

0Co 5Co

0 t

の引張強度 を示す.チオコール添加量が2%以上で t) を測定 した. は引張強度 oTtとヤング率 Eは共 にチオコール添加

2 g.

1.接着剤の組成 と硬化槻脂の引張強度 との関係 Fi にチオ コール添加丑が異なる各種硬化樹脂

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1 間硬化 させて厚 さ ,幅 ,長 さ

冊状試験片 を作製 した.硬化 した樹脂 の引講試験 は.

2 1cm

5o 1cm

TOM50材料試験横 を用いて室温 ( C)でスパ ン 01cm.

0

03. 強度 (qL)お よびヤング率

mm,ひずみ速度 60

(E (a I g.

拭験片の引張蛸 丑の増加 とともにほぼ直線的に低下 した.

引 張 試験 は,Fi )に示 す 試験 片 につ い て

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0 mm/minで30Co

TOM50材料試験 横 を用 いて,ヘ ッ ドス ピー ド5

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) (a 1 g.

た. また,曲げ疲労試験 は,Fi の試験片 を用 0Co

5 pm

いて,スパ ン3 mmの片持 ちは り型試験 によ り繰 り 返 し速度1800r ,試験温度3 の条件で両振 り繰

0 0 の短

8 0

0Co rpm

る二種類の試験 を行 った.引張圧縮疲労試験 は 1(b)に示す試験片 について,島津万能疲労試験横 を 用 いてチ ャ ック間距 離3 mm,繰 り返 し速 度1

,試験温度3 の条件で両振 り繰 り返 し応力 を

｡]

与 えて繰 り返 し数 NEにおける破壊応 力 qnを求 め

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‑2型蛍光顕微鏡 と日立 S 0型走査顕微 パス BH

鏡 を用いて行 った.

蛍光顕微魚用試料 は,エ ポキ シ樹脂 に蛍光染料

45 高谷 ･浜田 :木材‑エポキシ樹脂バ ッ トジ ョイ ン ト体 の疲労耐久性

2.木材の静的接着強度 に及ぼす樹脂組成 および被

柵体表面の影響 ^(NE_U＼

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b

Fi に供試 エポキシ樹脂 のチオ コール添加丑 が 試験 片 の静 的接宕強度 qJに及 ぼす影甥 を示 す. qJ

は TL10でGL大 を示 し,TLI0で は強度 の低下 が 見 られた.Fi のグラフに示 す点線 は,qJ/

6 3

g.

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とチオ コール添加丑 との関係 を示す.ここで,q . は接着強度 と硬化樹脂 の引張強度 すなわち樹脂 自体

T o )/ の凝架力 の比 を表わす.図 よ りチオ コール添加丑 に

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J/q

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JJ

般 にエポキシ樹脂 にフレキシビライザー としてチオ /

q

比例 して .の債 が大 き くな ることがわ か る.一 ^o/

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コールを添加 した場合,樹脂 の凝非力 および接着性

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) F (R ) 0 60

6

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が低下す るとい うマイナス面 と応力分散 の効果 のた 0 め接着強度 の低下が阻止で きる とい うプラス面が考

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添加丑の関係 か ら接着強度 に及 ぼす フレキシビライ えられ る. ここで得 られた qJ/OT.

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cb ds ho mes( )a er OO cb ds htot の木 口面 間 を無圧蹄 で接着 した拭験 片 で は,q L ho dr s( J の傭 は, フレキシビライザー としてのチオ コール添

加先の増大 に伴 なって,硬化樹脂 の群銀力が低下 す した木材揮若試験片 の%'光顕微鏡 による観群 と一致 るに もかかわ らず,大 き くなった. この ことは, フ す る.

レキシビライザーの添加丑 の多い樹脂 ほ ど応力分散 しか し,今回の静的試験結果 は,̀̀接宕剤の流 し込 の効果 に優 れ ていることを示 してい る. み法" とい う特殊 な方法で作製 され た接宕試験片 に サーの影轡 は次のように考察 され る. すなわち木材

ついての強度試験 によって得 られた ものであ り,接 3

g.

着面 を圧締 して行 うバ ッ トジ ョイン ト試験片 におい はエポキシ系樹脂 はレt/ル シノール樹脂 よ りも接苛

力が大 きい. この原因の一 つ として,エポキシ系樹 ては,今回 と男 な る静的試験結果が得 られ るか もし 3

ことが考 え られ る. この推定 を確 かめるために接宕 ,疲労試験 (1

Fj で明 らかなように,本実験 での接宕条件 で

脂 が レゾル シノール樹脂 よ りt)空隙充塀性 に便 れ る れない.

) 引張圧縮疲労強度 面 の草葉 を蛍光顕微鏡 お よび屯子顕微鏡 を用 いて行

T A った.PL El

顕微鍵写共 を示す.エポキシ樹脂 で は,被着体 中に 樹脂が蛍光 を発 して存在 している様子 が よ くわか る のに対 して, レゾル シノール樹脂 で は,被替体 中に 蛍光 を発 した樹脂 の存在が認 め られない.すなわち,

) (b ),

(a は木材一樹脂接若試験 片の蛍光 引張圧縮疲労試験 の結果 を Fig.4に示す.同図 よ り,すべての接着剤系 において,破墳応力 qnは繰 り 返 し数 Nの増加 と共 に減少 し,繰 り返 し応力 と破壊

までの繰 り返 し数 との関係 (S‑N曲線)は,右下 り の傾 向 を示 す こ とがわ か る. エ ポ キ シ系 の うちで

3

‑

TL 0は他 の接宕系 に比較 して S

に行われ るのに対 して, レゾル シノール樹脂 で は樹 高 く,繰 り返 し強度 に優 れ ることがわか った. この 脂 の浸透が行 われ に くく, 投錨作用 にお ける効果 の ことは,繰 り返 し数107回における疲労強度 (疲労限

‑N曲線 の位 芯が エポキシ系樹脂 で は被苛体 への樹脂 の浸透が効果的

4 )

d ) ( T A

相違が表われた ことを示 している.PL EIC,( 9K

に は木材一樹脂接若試験 片 か ら木材組織 を除去 した 域 に亘 って最 も強度が大 きかった.一方,RFで接宕

=

6, g^f/cm

度 2)において も同様 であ り,全測定 0は,S‑N曲線 の位正 は低 く 接着層表面 の走査屯子顕微鏡写共 を示す.木材組織 した系および TLI6

の レプ リカが, エポキシ樹脂 の接着屑 では明瞭 に認 り返 し後の疲労強度で も同様 であった.疲労限度の ,繰 0

3

‑

値 の暇序 は TL >EP>TL 0‑ >RFの煩 で あ っ6 め られ るのに対 して, レゾル シノール樹脂 の接若僧

で は不明瞭であ る.以上の観察結果か ら, エポキ シ た.Fig.4の疲労試験 の実験結果 は,Fig.3に示 した 樹脂 が レゾル シノール樹脂 よ りも空隙充犠牲 に摩 れ 各接着剤 の静的引張接着力 における傾位 とほぼ同傾 ている と結論 して よいであ ろう. この ような観棄結 向であ る. また,破壊様式 はほ とん どの試験体 が界 果 は,著者 らl)お よび吉野 ら2)の木 口面以外 を接若 面破壊 であった. この二 つの結果 を合わせて考 える

近畿大学農学部紀要 第 25号 (1992)

と,繰 り返 し荷兎 を与 えた疲労試験後で も静的引張 接着力の大小が試験片の接着の支配因子である と考 ILが TL 30よりも

‑ 度 に対 する耐久限度の比 6oT)は Pおよび TL

9

0が 0が ,RFが であ り, これ E

, 01.

らの値 は著者 らによる他の疲労試験 の結果1)とほぼ

3

/.

, 1 02. 6

‑ 3 02.2,TL えることがで きる.Fi で,

高いヤング率 を示 したことか ら,TL 30の系で はフ 同等であった.

2 E g.

レキシビライザーによる応力分散の効果が疲労試験 において も有効 に作用 した とも考 えられ る.TL 0‑6

お よび RFが低 い疲労強度 を示 した原因 として,節

)曲げ疲労強度

繰 り返 し曲 げ荷 重 に対 す る疲 労試験 の結 果 を Fi 5g.

(2

に示す.本実験 において,試験片に高 い荷重 を

者ではフレキシビライザー含有率が大 き過 ぎて凝集 0

0

与 えた場合,繰 り返 し数16回以下で は接着剤の種 力 ･接着力 ともに低下 したこと,後者では樹脂 のヤ 類 による破壊強度 に相違が認 め られたが,実験値の ング率が高いために応力集中による破壊が生 じやす バ ラツキが大 きくなった. また試験片に低い荷重 を 与 えた場合,繰 り返 し数1⁷回以上で はほ とん どの かったことによるもの と推測 され る.一方,静的強

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高谷 ･浜田:木材一エ ポキシ樹脂バ ッ トジ ョイン ト体 の疲労耐久性 47 試験体 において破壊 を生 じなか った. したが って

Fi.g5のグラフか ら各接着剤の疲労耐久性 を厳密 に 考察 す るこ とは妥 当で はないが,繰 り返 し数 101回 以上 ではフレキ シビライザー添加量40お よび60phr のエポキシ系 (TL40,TL‑60)が比較的良好 な疲 労強度 を示すのに対 して, フレキシビライザー を含 有 しないEPお よびフレキシビライザー添加 量 の少 ない TL‑20で は疲労強度が小 で あ る との傾 向が認 め られた.一方,RFは全般 に実験値 のバ ラツキが大 き く,正確 な評価 を行 うことがで きなか った.

ⅠⅤ 要 約

フレキシビライザー添加量 を異 にす る各種 エポキ シ樹脂 お よび市販 レゾルシノール樹脂 を用 いてブナ 材 をバ ッ トジ ョイ ン トし.静的引袋接着試験,引張 圧栢疲労試巌, 曲げ疲労試験 を行 って,接着強度 お よび接着物 の疲労耐久性 に与 える接着剤の組成 (種 類)の影響 を検討 した.実験結果の大要 は次 の如 く であ る.(1)引張接着強度 は適量 のフレキシビライザ ー を添加 したエポキシ樹脂 (TL‑30)が最 も良好 な 値 を示 し,TL30>EP>TL‑60>RFの煩 に接着力

が低下 した.()2引張圧輪疲労試族 で はS N‑ 曲線 お よ び疲労耐久限度 における荷重 によって各筑検体 の耐 久性 を評価 した ところ,TL‑30の系が他 のすべての 接着系 よ りもS‑N曲線 の位置が高 く,耐久限度 も大 であった. これ らの値 の肪序 は静的接着試験 と同傾 向であ り,TL‑30>EP>TL‑60>RFの順 に耐久性 が低下 した.(3)曲げ荷重 の繰 り返 しによる疲労試験 で は,実験値 のバ ラツキが大 きく,正確 な評価 を得 ることがで きなか った.しか し,繰 り返 し数 108回以 上 の試験 で は,適量の フレキシt='ライザー を添加 し たエ ポキシ梯脂 (TL‑40,TL‑60)が他の接着系 よ

りも良好 な疲労耐久性 を示 した.

引 用 文 献

1) 高谷政広 ･垣見嘉良 ･佐々木光 :日本接着協会 誌,14,380‑387(1978)

2) T.FumnoandT.Goto:MokuzaiGakkai･ shi,21,289‑296(1975)

3)石原茂久 ･佐 々木光 ･涌久崇麿 :木材研究,31 号,75‑80(1963)

(平成 3年11月8日受理)

48 近畿大学農学部紀要 第 25号 (1992)

9 4

(Bl版 ) 高谷 ･浜田 :木材‑エポキシ樹脂バ ッ トジ ョイ ン ト体 の疲労耐久性

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