レーザー溶接可能な熱可塑性ポリマー組成物、およびレーザー溶接するための方法
着色することができ、レーザー溶接用途での使用に適した熱可塑性ポリマー組成物、およびそれから作製された物体をレーザー溶接するための方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、着色することができ、レーザー溶接用途での使用に適した熱可塑性ポリマー組成物に関する。本発明は、さらに熱可塑性ポリマー組成物を含む物体をレーザー溶接するための方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
多くの場合、より複雑な部品に機械的に組み立てることができる成形プラスチック部品を生成することが望ましい。通常、プラスチック部品は、一緒に糊付けし、もしくはボルトで締めることによって、またはスナップ嵌め結合を使用することによって組み立てられる。これらの方法は、組立てプロセスに複雑な追加のステップを加える恐れがあるという欠点がある。スナップ嵌め結合は、気密および液密でないことが多く、複雑な設計が必要である。より新しい技法は、振動および超音波溶接であるが、これらは、複雑な部品設計および溶接装置も必要とする恐れがある。さらに、該プロセスによる摩擦によって、部品の内側を汚染する恐れがある塵埃が生じる恐れがある。これは、感受性の高い電気または電子部品が含まれるとき特有の問題である。
【０００３】
さらに最近になって開発された技法は、レーザー溶接である。この方法では、接合させる２つのポリマー物体は、使用レーザー波長において異なる光透過レベルを有する。一物体は、レーザー光の波長に対して少なくとも部分的に透明である（「相対的に透明な」物体と呼ばれる）が、同時に第２の部分は、入射光のかなりの部分を吸収する（「相対的に不透明な」物体と呼ばれる）。物体はそれぞれ、接合面を提供し、相対的に透明な物体は、その接合面の反対側の衝突面を提供する。接合面は接触されており、したがって接合部が形成される。レーザー光線は、相対的に透明な物体の衝突面に向けられ、したがって第１の物体を通過し、第２の物体の接合面を照射し、第１および第２の物体が接合面の接合部において溶接される。一般に、参照により本明細書に援用される米国特許公報（特許文献１）を参照のこと。この方法は、非常に清浄で、簡易で、かつ速い場合があり、非常に強く、容易に再生産可能な溶接部、および際立った設計融通性を提供する。
【０００４】
レーザー溶接にとっての欠点は、相対的に不透明な物体は、レーザー光の波長において光を吸収する材料を含まなくてはならないことである。レーザー光吸収性材料は、通常はカーボンブラックなどの顔料、またはニグロシンなどの黒色染料である。これらの材料の存在によって、通常は相対的に不透明な物体が、他の色の着色剤も存在しているときでさえ黒色になる。しかし、多くの場合、レーザー溶接物品の相対的に不透明な部分は、自然色を有し、または黒色以外の、白色を含む色で着色されていることが望まれている。したがって、その自然色、または黒色以外の色で使用されて、レーザー溶接方法で使用される相対的に不透明な物体を形成することができるポリマー組成物を得ることが望ましい。
【０００５】
米国特許公報（特許文献２）は、レーザーに対して透明な熱可塑性材料および１つまたは複数の選択されたＩＲ吸収化合物を含む熱可塑性成形組成物を開示している。この組成物は、カーボンブラック含量が０．１重量パーセント未満である。
【０００６】
【特許文献１】米国特許第５，８９３，９５９号明細書
【特許文献２】米国特許出願公開第２００３／０１３０３８１号明細書
【発明の開示】
【課題を解決するための手段】
【０００７】
簡潔に述べると、本発明の一態様によれば、
（ａ）約１７〜約９９．５重量パーセントの熱可塑性ポリマー；
（ｂ）約０．００３〜約０．０５重量パーセントのカーボンブラック；
（ｃ）約０．４〜約１０重量パーセントの二酸化チタン、硫化亜鉛、および酸化亜鉛の１つまたは複数から選択された鉱物；
（ｄ）０〜約７０重量パーセントの補強剤および／または無機充填剤；
（ｅ）０〜約７０重量パーセントの添加剤；ならびに
（ｆ）０〜約３重量パーセントの１つまたは複数の着色剤
を含むポリマー組成物であって、
上記の重量百分率が、組成物の全重量を基準にしたものである組成物が提供される。
【０００８】
本発明の別の態様によれば、レーザー放射線を使用して、第１のポリマー物体を第２のポリマー物体に溶接するための方法であって、前記第１のポリマー物体が、前記レーザー放射線に対して相対的に透明であり、前記第２の物体が、前記レーザー放射線に対して相対的に不透明であり、前記第１および第２の物体がそれぞれ、接合面を提供し、前記第１の物体が、その前記接合面の反対側の衝突面を提供し、前記方法が、（１）前記第１および第２の物体の接合面を、その間に接合部が形成されるように物理的に接触させるステップと、（２）前記第１および第２の物体に前記レーザー放射線を照射して、したがって前記レーザー放射線が衝突面に衝突し、前記第１の物体を通過し、前記第２の物体の前記接合面に照射して、前記第１および第２の物体が接合面の接合部において溶接されるステップとを含み、前記第２のポリマー物体が、
（ａ）約１７〜約９９．５重量パーセントの熱可塑性ポリマー；
（ｂ）約０．００３〜約０．０５重量パーセントのカーボンブラック；
（ｃ）約０．４〜約１０重量パーセントの二酸化チタン、硫化亜鉛、および酸化亜鉛の１つまたは複数から選択された鉱物；
（ｄ）０〜約７０重量パーセントの補強剤および／または無機充填剤；
（ｅ）０〜約７０重量パーセントの添加剤；ならびに
（ｆ）０〜約３重量パーセントの１つまたは複数の着色剤
を含む熱可塑性ポリマー組成物から形成され、
上記の重量百分率が、組成物の全重量を基準にしたものである方法が提供される。
【０００９】
本発明の別の態様によれば、上記の組成物で作製された物品が提供される。これには、電気または電子センサー用のハウジング、玩具、医療装置、および印刷機、複写機、またはファックス機器用の部品が含まれるが、これらに限定されない。本発明の別の態様は、上記の方法で作製されたレーザー溶接物品である。これには、電気または電子センサー用のハウジング、玩具、医療装置、および印刷機、複写機、またはファックス機器用の部品が含まれるが、これらに限定されない。
【００１０】
本発明は、添付図面と照らし合わせて、下記の詳細な説明からさらに完全に理解されよう。
【００１１】
本発明を、好ましいその実施形態に関連して記載してきたが、本発明をその実施形態に限定するものではないことが理解されよう。一方、添付の特許請求の範囲によって定義されるように本発明の趣旨および範囲内に包含され得る代替形態、変更形態、および等価形態をすべて、包含するものとする。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１２】
本発明の組成物は、少なくとも１つの熱可塑性ポリマー、約０．００３〜約０．０５重量パーセントのカーボンブラック、および約０．５〜約１０重量パーセントの二酸化チタン、硫化亜鉛、および酸化亜鉛の１つまたは複数から選択された鉱物を含む。本発明の組成物は、着色することができ、レーザー溶接方法で使用される非黒色の相対的に不透明な物体を形成するために使用してもよい。組成物は、その自然色で使用され、あるいは組成物に黒色以外の色を付与する染料および／または顔料などの着色剤を含有して使用される。「着色することができる」は、適切な量の非黒色の着色剤を含有するとき、組成物が白色を含めて、色を有する、すなわち黒色以外であることを意味する。「自然色」は、前記カーボンブラック、ならびに二酸化チタン、硫化亜鉛、および酸化亜鉛の１つまたは複数から選択された鉱物以外の染料、顔料、または他の着色剤が添加されていない組成物の色を意味する。
【００１３】
適切な熱可塑性ポリマーの例としては、ポリアセタール、ポリエステル、液晶性ポリエステル、ポリアミド、ポリカーボネート、アクリロニトリル（ａｃｒｙｌａｎｉｔｒｉｌｅ）−ブタジエン−スチレンポリマー（ＡＢＳ）、ポリ（フェニレンオキシド）、ポリ（フェニレンスルフィド）、ポリスルホン、ポリアリーレート、ポリエーテルエーテルケトン（ＰＥＥＫ）、ポリエーテルケトンケトン（ＰＥＫＫ）、ポリスチレン、シンジオタクチックポリスチレン、ポリエチレン、ポリプロピレンが挙げられるが、これらに限定されない。ポリアセタール、ポリエステル、およびポリアミドが類好ましい。
【００１４】
ポリアセタールは、１つまたは複数のホモポリマー、コポリマー、またはその混合物とすることができる。ホモポリマーは、ホルムアルデヒド、および／またはホルムアルデヒドの環状オリゴマーなどのホルムアルデヒド等価物を重合させることによって調製される。ホルムアルデヒドおよび／またはホルムアルデヒド等価物に加えて、コポリマーは、ポリアセタールを調製する際に一般に使用される１つまたは複数のコモノマーに由来する。一般的に使用されるコモノマーには、連続した２〜１２個の炭素原子を有するエーテル単位のポリマー鎖への組込みをもたらすアセタールおよび環状のエーテルが含まれる。コポリマーが選択される場合、コモノマーの量は、２０重量パーセントを超えず、好ましくは１５重量パーセント以下、最も好ましくは約２重量パーセントである。好ましいコモノマーは、１，３−ジオキソラン、エチレンオキシド、およびブチレンオキシドであり、１，３−ジオキソランがより好ましい。好ましいポリアセタールコポリマーは、コモノマーの量が約２重量パーセントであるコポリマーである。ホモポリマーおよびコポリマーは、１）末端のヒドロキシ基が化学反応によってエンドキャップされて、エステルまたはエーテル基を形成するホモポリマー；あるいは２）完全にはエンドキャップされておらず、コモノマー単位からの遊離のヒドロキシ末端をいくらか有し、あるいはエーテル基で終端されているコポリマーであることも好ましい。ホモポリマー用の好ましい末端基は、アセテートおよびメトキシであり、コポリマー用の好ましい末端基は、ヒドロキシおよびメトキシである。
【００１５】
適切な熱可塑性ポリアミド類は、ジカルボン酸およびジアミン、および／またはアミノカルボン酸の縮合生成物、ならびに／または環状ラクタムの開環重合生成物とすることができる。適切なジカルボン酸には、アジピン酸、アゼライン酸、セバシン酸、ドデカン二酸、イソフタル酸、およびテレフタル酸が含まれる。適切なジアミンには、テトラメチレンジアミン、ヘキサメチレンジアミン、オクタメチレンジアミン、ノナメチレンジアミン、ドデカメチレンジアミン、デカメチレンジアミン、２−メチルペンタメチレンジアミン、２−メチルオクタメチレンジアミン、トリメチルヘキサメチレンジアミン、ビス（ｐ−アミノシクロヘキシル）メタン、ｍ−キシリレンジアミン、およびｐ−キシリレンジアミンが含まれる。適切なアミノカルボン酸は、１１−アミノドデカン酸である。適切な環状ラクタムは、カプロラクタムおよびラウロラクタムである。好ましいポリアミドには、ポリアミド６；ポリアミド６，６；ポリアミド４，６；ポリアミド６，１０；ポリアミド６，１２；ポリアミド１１；ポリアミド１２などの脂肪族ポリアミド；ポリ（ｍ−キシリレンアジパミド）（ポリアミドＭＸＤ，６）、ポリ（ドデカメチレンテレフタルアミド）（ポリアミド１２，Ｔ）、ポリ（デカメチレンテレフタルアミド）（ポリアミド１０，Ｔ）、ポリ（ノナメチレンテレフタルアミド）（ポリアミド９，Ｔ）、ヘキサメチレンアジパミド−ヘキサメチレンテレフタルアミドコポリアミド（ポリアミド６，Ｔ／６，６）、ヘキサメチレンテレフタルアミド−２−メチルペンタメチレンテレフタルアミドコポリアミド（ポリアミド６，Ｔ／Ｄ，Ｔ）などの半芳香族ポリアミド；ならびにこれらのポリマーのコポリマーおよび混合物が含まれる。
【００１６】
好ましい熱可塑性ポリエステル（大部分またはすべて、エステル連結基を有する）は、通常１つまたは複数のジカルボン酸（またはエステルなど、その誘導体）と１つまたは複数のジオールに由来する。好ましいポリエステルでは、ジカルボン酸は、テレフタル酸、イソフタル酸、および２，６−ナフタレンジカルボン酸の１つまたは複数を含み、ジオール成分は、ＨＯ（ＣＨ2）nＯＨ（Ｉ）、１，４−シクロヘキサンジメタノール、ＨＯ（ＣＨ2ＣＨ2Ｏ）mＣＨ2ＣＨ2ＯＨ（ＩＩ）、およびＨＯ（ＣＨ2ＣＨ2ＣＨ2ＣＨ2Ｏ）zＣＨ2ＣＨ2ＣＨ2ＣＨ2ＯＨ（ＩＩＩ）（式中、ｎは２〜１０の整数であり、ｍは平均して、１〜４であり、ｚは、平均して約７〜約４０である）の１つまたは複数を含む。（ＩＩ）および（ＩＩＩ）は、化合物の混合物でもよく、ｍおよびｚはそれぞれ、変化してもよく、ｍおよびｚは平均値であるので、整数である必要はないことに留意されたい。熱可塑性ポリエステルを形成するために使用され得る他の二価酸には、セバシン酸およびアジピン酸が含まれる。ヒドロキシ安息香酸などのヒドロキシカルボン酸をコモノマーとして使用することができる。特有の好ましいポリエステルには、ポリ（エチレンテレフタレート）（ＰＥＴ）、ポリ（１，３−プロピレンテレフタレート）（ＰＰＴ）、ポリ（１，４−ブチレンテレフタレート）（ＰＢＴ）、ポリ（エチレン２，６−ナフトエート（ｎａｐｔｈｏａｔｅ））、ポリ（１，４−シクロヘキシルジメチレンテレフタレート（ＰＣＴ）；ポリ（１，４−ブチレンテレフタレート）およびポリ（テトラメチレンエーテル）グリコールブロックを有する熱可塑性エラストマー性ポリエステル（本願特許出願人からハイトレル（ＨＹＴＲＥＬ）（登録商標）として入手可能）、ならびに上記のジオールおよび／またはジカルボン酸のいずれかを有するこれらのポリマーのいずれかのコポリマー含まれる。適切なポリエステルには、液晶性ポリエステルも含まれる。
【００１７】
熱可塑性ポリマーは、組成物の全重量を基準にして約１７〜約９９．５重量パーセント、好ましくは約２５〜約９９重量パーセントで存在する。
【００１８】
組成物は、組成物の全重量を基準にして約０．００３〜約０．０５重量パーセント、好ましくは約０．００３〜約０．０４重量パーセント、より好ましくは約０．００３〜約０．０１重量パーセントのカーボンブラックを含む。
【００１９】
組成物は、約０．４〜約１０重量パーセント、好ましくは約１〜約５重量パーセントの、二酸化チタン、硫化亜鉛、および酸化亜鉛の１つまたは複数から選択された鉱物をさらに含む。
【００２０】
組成物は、任意選択的に約３．０重量パーセントまで、好ましくは約０．０１〜１重量パーセントの１つまたは複数の着色剤をさらに含むことができる。好ましい着色剤には、顔料および染料が含まれる。着色剤は黒色でないことが好ましい。好ましい染料には、フタロシアニン、アゾ（モノアゾ（ｍｏｎｏａｚｏｍ）およびアゾメチンを含めて）、アントロキノン、ナフタロイミド、メチン、ジオキサジン、ペリレン、ペリノン、キノリン、ベンゾアントロン、キナクリドン、およびベンゾイミダゾロン染料などが含まれる。
【００２１】
本発明の組成物は、任意選択的に、上記の成分に加えて、造核剤、熱安定剤、酸化防止剤、ＵＶ光安定剤、滑剤、離型剤、難燃剤、および耐衝撃性改良剤などの添加剤を含むことができる。組成物は、任意選択的に、ガラス繊維および／または無機充填剤などの補強剤もさらに含むことができる。
【００２２】
添加剤は、使用されるとき、組成物の全重量を基準にして約０〜約７０重量パーセント、好ましくは約５〜約５０重量パーセントで存在する。無機充填剤および補強剤は、使用されるとき、組成物の全重量を基準にして約０〜約７０重量パーセント、または好ましくは約５〜約５０重量パーセントで存在する。
【００２３】
本発明の組成物は、溶融混合ブレンドの形態にあり、ポリマー成分のすべてが、相互内に十分に分散し、非ポリマー材料のすべてが、ポリマーマトリックスに均質に分散し、それによって結合され、したがってブレンドが統一された全体を成す。ブレンドは、任意の溶融混合方法を使用して、成分材料を化合させることによって得ることができる。単軸または二軸押出機、ブレンダ、混練機、バンバリーミキサーなどの溶融ミキサーを使用して、成分材料を混合して、樹脂組成物を得ることができる。あるいは、材料の一部分を溶融ミキサーで混合することができ、次いで残りの材料を添加し、さらに溶融混合することができる。本発明の組成物の製造において混合順序は、当業者によって理解されるように、個々の成分が１回で溶融され得るか、あるいは充填剤および／または他の成分がサイドフィーダなどから供給され得るようにすることができる。
【００２４】
例えば、射出成形、ブロー成形、射出ブロー成形、または押出など、当業者に知られている方法を使用して、本発明の組成物を物体に形成することができる。本発明の組成物を含む物体を、他の物体にレーザー溶接することができ、レーザー溶接方法において相対的に透明な物体、または好ましくは相対的に不透明な物体、あるいは両方とすることができる。本発明のレーザー溶接方法での使用に好ましいレーザーは、約８００ｎｍ〜約１２００ｎｍの範囲内の波長を有する光を発する任意のレーザーである。好ましいレーザーのタイプの例は、ＹＡＧおよびダイオードレーザーである。
【００２５】
レーザー溶接方法で使用される相対的に透明な物体は、自然色を有することができ、またはレーザー溶接するために使用される光の波長に対して十分に透明である染料を含有することができる。このような染料は、例えばアントラキノン系染料を含むことができる。
【００２６】
本発明は、本発明の方法で作製された任意のレーザー溶接物品も包含する。有用な物品は、電気および電子センサーのハウジングなどの自動車部品；印刷機、複写機、ファックス機器などのオフィス機器用の部品；コンベヤーなどの工業設備用の部品；医療装置用の部品；ならびに玩具やスポーツ用品などの消費者物品用の部品である。
【実施例】
【００２７】
（試料の調製）
表１および２に示す材料を単軸押出機で溶融混合することによって、実施例および比較例で使用される組成物を調製した。
【００２８】
表１では、「ポリアセタール」は、本願特許出願人から供給された、ポリアセタールコポリマーであるデルリン（Ｄｅｌｒｉｎ）（登録商標）４６０を指す。表２では、「ポリアミド」は、本願特許出願人から供給された、ポリアミド６，６であるザイテル（ＺＹＴＥＬ）（登録商標）１０１Ｌ ＮＣ０１０を指す。表１では、「青色顔料」は、フタロシアニンブルーを指し、「紫色顔料」は、ジオキサジンバイオレット顔料を指す。
【００２９】
組成物を、レーザー溶接するための試験バーに成形した。得られたバーの色を目視評価した。それを表１および２に示す。
【００３０】
（レーザー溶接強度）
図１〜３は、実施例２〜９および比較例２〜６について本願明細書で報告されているようにレーザー溶接性および溶接強度を測定するために使用された典型的な試験片１１の幾何形状を示す。試験片１１は、形状が略長方形であり、寸法が７０ｍｍ×１８ｍｍ×３ｍｍであり、一端において深さ２０ｍｍの半重ねであった。半重ねは、接合面１３および蹴上げ１５によって画定される。
【００３１】
図４では、試験片１１’は、相対的に透明なポリマー試験片であり、試験片１１”は、相対的に不透明なポリマー試験片であり、試験片（１１’および１１”）はそれぞれ、上記に記載する典型的な試験片１１の形および寸法を有する。試験片１１’および１１”の接合面１３’および１３”をそれぞれ、その間に接合部１７が形成されるように接触させて配置した。相対的に透明な試験片１１’は、矢印方向Ａに移動するレーザー放射線１９によって衝突される衝突面１４’を画定する。レーザー放射線１９は、相対的に透明な試験片１１’を通過し、相対的に不透明な試験片１１”の接合面１３”を照射し、それによって試験片１１’および１１”が、試験バー２１を形成するように接合部１７において一緒に溶接された。
【００３２】
（実施例２〜９および比較例２〜６）
実施例２〜９および比較例２〜６に対応する樹脂組成物を、相対的に不透明な試験片１１”に成形した。実施例２〜４および比較例２〜５の場合は、デルリン（Ｄｅｌｒｉｎ）（登録商標）４６０を相対的に透明な試験片１１’に成形した。実施例５〜１０および比較例６の場合は、ザイテル（ＺＹＴＥＬ）（登録商標）１０１Ｌ ＮＣ０１０を相対的に透明な試験片１１’に成形した。
【００３３】
それぞれの場合、試験片１１’および１１”を、上記に記載するようにクランプ圧０．３ＭＰａで一緒に溶接して、試験バー２１を形成した。ロフィン・ジナー・レーザー（Ｒｏｆｉｎ−Ｓｉｎａｒ Ｌａｓｅｒ ＧｍｂＨ）９４０ｎｍ ダイオードレーザーからレーザー放射線を発した。レーザー光線を直径３ｍｍに絞り、項目名「溶接速度」で表１および２に示す速度で、試験片１１’および１１”の幅に沿って１回通過させた。レーザー出力を、約５０から４５５Ｗの間で変えた。
【００３４】
得られた試験バー２１の１１’および１１”の試験片を分離するのに必要とされた力は、島津製作所（Ｓｈｉｍａｄｚｕ Ｓｅｉｓａｋｕｓｈｏ）によって製造された島津オートグラフ（Ｓｈｉｍａｄｚｕ Ａｕｔｏｇｒａｐｈ）試験機を使用して、試験バーの肩部においてクランプ締めを行い、引張力を試験バーの長手方向に加えて決定した。試験機を速度２ｍｍ／分で操作した。表１および２に示されるように、試験片を分離するのに１ｋｇｆより大きい力が必要とされた場合、レーザー溶接可能であると見なされた。表１および２に示されるように、レーザー溶接中に試験片間に接着が生じなかった場合、レーザー溶接性がないと見なされた。表１および２に、各組成物に最適な溶接強度を提供する出力を「レーザー出力」という項目名で記載する。表１および２に、得られた溶接強度を「レーザー溶接強度」という項目名で記載する。
【００３５】
（比較例１）
図５は、比較例１について本願明細書で報告されているようにレーザー溶接性および溶接強度を測定するために使用された比較例１の組成物から成形された相対的に不透明な試験片３０の幾何形状を示す。試験片３０は、形状が略長方形であり、寸法が４０ｍｍ×２０ｍｍ×３．２ｍｍであった。図５は、比較例１について本願明細書で報告されているようにレーザー溶接性および溶接強度を測定するためにさらに使用された相対的に透明な試験片３２の幾何形状も示す。試験片３２は、デルリン（Ｄｅｌｒｉｎ）（登録商標）４６０から成形され、形状が略長方形であり、寸法が４０ｍｍ×２０ｍｍ×１．６ｍｍであった。試験片とその表面を、その間に接合部３４が形成されるように互いに接触させて重ね合わせて、圧力０．３ＭＰａでクランプ締めを行った。相対的に透明な試験片３２は、矢印方向Ａに移動するレーザー放射線１９によって衝突される衝突面３６を画定する。レーザー放射線１９は、相対的に透明な試験片３２を通過し、相対的に不透明な試験片３０の表面を照射し、それによって試験片３０および３２が、試験バー３８を形成するように接合部３４において一緒に溶接されるように試みた。ロフィン・ジナー・レーザー（Ｒｏｆｉｎ−Ｓｉｎａｒ Ｌａｓｅｒ ＧｍｂＨ）９４０ｎｍ ダイオードレーザーからレーザー放射線を発した。レーザー光線を直径３ｍｍに絞り、速度５０〜５００ｃｍ／分、出力２００Ｗで、３０および３２の幅に沿って１回通過させた。レーザー溶接は不成功であり、試みた速度のいずれにおいても、結合が試験片３０および３２の間で形成されなかった。
【００３６】
（実施例１）
図６および７は、実施例１の組成物から成形された相対的に不透明な試験片４０の幾何形状を示す。試験片４０は、コマ玩具の底部として働き、唇状部４４を有する丸い開放椀状物体の形態にあった。図６〜８は、デルリン（Ｄｅｌｒｉｎ）（登録商標）４６０から成形された相対的に透明な試験片４２の幾何形状を示す。試験片４２は、コマ玩具の蓋部として働き、中央開口部４６および唇状部４８を有する円盤である。照合番号５０は、底部５２および心棒５４を有するコマ玩具のスピナーを指す。底部５２を試験片４０に挿入し、心棒５４が開口部４６を通り抜け、試験片４２の底面が唇状部４４の上面と接触しているように試験片４２を試験片４０の上に配置した。
【００３７】
続いて、図６および７を参照して、試験片４２を、試験片４０に圧力０．３ＭＰａでクランプ締めを行った。レーザー放射線１９が、試験片４２が唇状部４４に接触している点において相対的に透明な試験片４２を通過し、相対的に不透明な試験片４０の表面に照射し、試験片４０および４２が溶接されるようになり、試験片５６をコマ玩具の形態に形成した。溶融プロセス中、レーザー放射線を、その動きが速度１５０ｃｍ／分で円を描くように、試験片４２の回りを一回放射状に通した。ロフィン・ジナー・レーザー（Ｒｏｆｉｎ−Ｓｉｎａｒ Ｌａｓｅｒ ＧｍｂＨ）９４０ｎｍ ダイオードレーザーからレーザー放射線を発した。レーザー光線を直径０．３ｍｍに絞り、出力３０Ｗで操作した。
【００３８】
島津製作所（Ｓｈｉｍａｄｚｕ Ｓｅｉｓａｋｕｓｈｏ）によって製造された島津オートグラフ（Ｓｈｉｍａｄｚｕ Ａｕｔｏｇｒａｐｈ）試験機を使用して、試験片５６を円柱状のスチール製治具でクランプ締めし、下方方向で心棒５４に力を加えることによって溶接強度を測定した。表１に、溶融試験片４０および４２を分離するのに必要な力を示す。
【００３９】
したがって、本発明によれば、先に記載された目的および利点を完全に満足させるレーザー溶接可能な熱可塑性ポリマー組成物、およびレーザー溶接するための方法が提供されることは自明である。本発明を、特有のその実施形態に関連して記述してきたが、多くの代替形態、変更形態、および変形形態が当業者に自明であることは明らかである。したがって、添付の特許請求の範囲の趣旨および広い範囲内に入るこのような代替形態、変更形態、および変形形態をすべて包含するものとする。
【００４０】
【表１】
【００４１】
【表２】
【図面の簡単な説明】
【００４２】
【図１】レーザー溶接性を決定し、溶接強度を測定するために本願明細書において使用された試験片１１の側面図である。
【図２】レーザー溶接性を決定し、溶接強度を測定するために本願明細書において使用された試験片１１の上平面図である。
【図３】レーザー溶接性を決定し、溶接強度を測定するために本願明細書において使用された試験片１１の斜視図である。
【図４】それぞれの試験片の接合面を接触して配置され、一緒にレーザー溶接されるように配置された相対的に透明な試験片１１’および相対的に不透明な試験片１１”の斜視図である。
【図５】試験バー３８を形成するように溶接されるときのレーザー溶接性を決定するために本願明細書において使用された相対的に透明な試験片３２および相対的に不透明な試験片３０の斜視図である。
【図６】試験片４２が断面で示された、試験片４０および４２の分解図である。
【図７】接触して配置され、一緒にレーザー溶接されるように配置された相対的に透明な試験片４２および相対的に不透明な試験片４０の断面図である。
【図８】試験片４２の上面図である。
【技術分野】
【０００１】
本発明は、着色することができ、レーザー溶接用途での使用に適した熱可塑性ポリマー組成物に関する。本発明は、さらに熱可塑性ポリマー組成物を含む物体をレーザー溶接するための方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
多くの場合、より複雑な部品に機械的に組み立てることができる成形プラスチック部品を生成することが望ましい。通常、プラスチック部品は、一緒に糊付けし、もしくはボルトで締めることによって、またはスナップ嵌め結合を使用することによって組み立てられる。これらの方法は、組立てプロセスに複雑な追加のステップを加える恐れがあるという欠点がある。スナップ嵌め結合は、気密および液密でないことが多く、複雑な設計が必要である。より新しい技法は、振動および超音波溶接であるが、これらは、複雑な部品設計および溶接装置も必要とする恐れがある。さらに、該プロセスによる摩擦によって、部品の内側を汚染する恐れがある塵埃が生じる恐れがある。これは、感受性の高い電気または電子部品が含まれるとき特有の問題である。
【０００３】
さらに最近になって開発された技法は、レーザー溶接である。この方法では、接合させる２つのポリマー物体は、使用レーザー波長において異なる光透過レベルを有する。一物体は、レーザー光の波長に対して少なくとも部分的に透明である（「相対的に透明な」物体と呼ばれる）が、同時に第２の部分は、入射光のかなりの部分を吸収する（「相対的に不透明な」物体と呼ばれる）。物体はそれぞれ、接合面を提供し、相対的に透明な物体は、その接合面の反対側の衝突面を提供する。接合面は接触されており、したがって接合部が形成される。レーザー光線は、相対的に透明な物体の衝突面に向けられ、したがって第１の物体を通過し、第２の物体の接合面を照射し、第１および第２の物体が接合面の接合部において溶接される。一般に、参照により本明細書に援用される米国特許公報（特許文献１）を参照のこと。この方法は、非常に清浄で、簡易で、かつ速い場合があり、非常に強く、容易に再生産可能な溶接部、および際立った設計融通性を提供する。
【０００４】
レーザー溶接にとっての欠点は、相対的に不透明な物体は、レーザー光の波長において光を吸収する材料を含まなくてはならないことである。レーザー光吸収性材料は、通常はカーボンブラックなどの顔料、またはニグロシンなどの黒色染料である。これらの材料の存在によって、通常は相対的に不透明な物体が、他の色の着色剤も存在しているときでさえ黒色になる。しかし、多くの場合、レーザー溶接物品の相対的に不透明な部分は、自然色を有し、または黒色以外の、白色を含む色で着色されていることが望まれている。したがって、その自然色、または黒色以外の色で使用されて、レーザー溶接方法で使用される相対的に不透明な物体を形成することができるポリマー組成物を得ることが望ましい。
【０００５】
米国特許公報（特許文献２）は、レーザーに対して透明な熱可塑性材料および１つまたは複数の選択されたＩＲ吸収化合物を含む熱可塑性成形組成物を開示している。この組成物は、カーボンブラック含量が０．１重量パーセント未満である。
【０００６】
【特許文献１】米国特許第５，８９３，９５９号明細書
【特許文献２】米国特許出願公開第２００３／０１３０３８１号明細書
【発明の開示】
【課題を解決するための手段】
【０００７】
簡潔に述べると、本発明の一態様によれば、
（ａ）約１７〜約９９．５重量パーセントの熱可塑性ポリマー；
（ｂ）約０．００３〜約０．０５重量パーセントのカーボンブラック；
（ｃ）約０．４〜約１０重量パーセントの二酸化チタン、硫化亜鉛、および酸化亜鉛の１つまたは複数から選択された鉱物；
（ｄ）０〜約７０重量パーセントの補強剤および／または無機充填剤；
（ｅ）０〜約７０重量パーセントの添加剤；ならびに
（ｆ）０〜約３重量パーセントの１つまたは複数の着色剤
を含むポリマー組成物であって、
上記の重量百分率が、組成物の全重量を基準にしたものである組成物が提供される。
【０００８】
本発明の別の態様によれば、レーザー放射線を使用して、第１のポリマー物体を第２のポリマー物体に溶接するための方法であって、前記第１のポリマー物体が、前記レーザー放射線に対して相対的に透明であり、前記第２の物体が、前記レーザー放射線に対して相対的に不透明であり、前記第１および第２の物体がそれぞれ、接合面を提供し、前記第１の物体が、その前記接合面の反対側の衝突面を提供し、前記方法が、（１）前記第１および第２の物体の接合面を、その間に接合部が形成されるように物理的に接触させるステップと、（２）前記第１および第２の物体に前記レーザー放射線を照射して、したがって前記レーザー放射線が衝突面に衝突し、前記第１の物体を通過し、前記第２の物体の前記接合面に照射して、前記第１および第２の物体が接合面の接合部において溶接されるステップとを含み、前記第２のポリマー物体が、
（ａ）約１７〜約９９．５重量パーセントの熱可塑性ポリマー；
（ｂ）約０．００３〜約０．０５重量パーセントのカーボンブラック；
（ｃ）約０．４〜約１０重量パーセントの二酸化チタン、硫化亜鉛、および酸化亜鉛の１つまたは複数から選択された鉱物；
（ｄ）０〜約７０重量パーセントの補強剤および／または無機充填剤；
（ｅ）０〜約７０重量パーセントの添加剤；ならびに
（ｆ）０〜約３重量パーセントの１つまたは複数の着色剤
を含む熱可塑性ポリマー組成物から形成され、
上記の重量百分率が、組成物の全重量を基準にしたものである方法が提供される。
【０００９】
本発明の別の態様によれば、上記の組成物で作製された物品が提供される。これには、電気または電子センサー用のハウジング、玩具、医療装置、および印刷機、複写機、またはファックス機器用の部品が含まれるが、これらに限定されない。本発明の別の態様は、上記の方法で作製されたレーザー溶接物品である。これには、電気または電子センサー用のハウジング、玩具、医療装置、および印刷機、複写機、またはファックス機器用の部品が含まれるが、これらに限定されない。
【００１０】
本発明は、添付図面と照らし合わせて、下記の詳細な説明からさらに完全に理解されよう。
【００１１】
本発明を、好ましいその実施形態に関連して記載してきたが、本発明をその実施形態に限定するものではないことが理解されよう。一方、添付の特許請求の範囲によって定義されるように本発明の趣旨および範囲内に包含され得る代替形態、変更形態、および等価形態をすべて、包含するものとする。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１２】
本発明の組成物は、少なくとも１つの熱可塑性ポリマー、約０．００３〜約０．０５重量パーセントのカーボンブラック、および約０．５〜約１０重量パーセントの二酸化チタン、硫化亜鉛、および酸化亜鉛の１つまたは複数から選択された鉱物を含む。本発明の組成物は、着色することができ、レーザー溶接方法で使用される非黒色の相対的に不透明な物体を形成するために使用してもよい。組成物は、その自然色で使用され、あるいは組成物に黒色以外の色を付与する染料および／または顔料などの着色剤を含有して使用される。「着色することができる」は、適切な量の非黒色の着色剤を含有するとき、組成物が白色を含めて、色を有する、すなわち黒色以外であることを意味する。「自然色」は、前記カーボンブラック、ならびに二酸化チタン、硫化亜鉛、および酸化亜鉛の１つまたは複数から選択された鉱物以外の染料、顔料、または他の着色剤が添加されていない組成物の色を意味する。
【００１３】
適切な熱可塑性ポリマーの例としては、ポリアセタール、ポリエステル、液晶性ポリエステル、ポリアミド、ポリカーボネート、アクリロニトリル（ａｃｒｙｌａｎｉｔｒｉｌｅ）−ブタジエン−スチレンポリマー（ＡＢＳ）、ポリ（フェニレンオキシド）、ポリ（フェニレンスルフィド）、ポリスルホン、ポリアリーレート、ポリエーテルエーテルケトン（ＰＥＥＫ）、ポリエーテルケトンケトン（ＰＥＫＫ）、ポリスチレン、シンジオタクチックポリスチレン、ポリエチレン、ポリプロピレンが挙げられるが、これらに限定されない。ポリアセタール、ポリエステル、およびポリアミドが類好ましい。
【００１４】
ポリアセタールは、１つまたは複数のホモポリマー、コポリマー、またはその混合物とすることができる。ホモポリマーは、ホルムアルデヒド、および／またはホルムアルデヒドの環状オリゴマーなどのホルムアルデヒド等価物を重合させることによって調製される。ホルムアルデヒドおよび／またはホルムアルデヒド等価物に加えて、コポリマーは、ポリアセタールを調製する際に一般に使用される１つまたは複数のコモノマーに由来する。一般的に使用されるコモノマーには、連続した２〜１２個の炭素原子を有するエーテル単位のポリマー鎖への組込みをもたらすアセタールおよび環状のエーテルが含まれる。コポリマーが選択される場合、コモノマーの量は、２０重量パーセントを超えず、好ましくは１５重量パーセント以下、最も好ましくは約２重量パーセントである。好ましいコモノマーは、１，３−ジオキソラン、エチレンオキシド、およびブチレンオキシドであり、１，３−ジオキソランがより好ましい。好ましいポリアセタールコポリマーは、コモノマーの量が約２重量パーセントであるコポリマーである。ホモポリマーおよびコポリマーは、１）末端のヒドロキシ基が化学反応によってエンドキャップされて、エステルまたはエーテル基を形成するホモポリマー；あるいは２）完全にはエンドキャップされておらず、コモノマー単位からの遊離のヒドロキシ末端をいくらか有し、あるいはエーテル基で終端されているコポリマーであることも好ましい。ホモポリマー用の好ましい末端基は、アセテートおよびメトキシであり、コポリマー用の好ましい末端基は、ヒドロキシおよびメトキシである。
【００１５】
適切な熱可塑性ポリアミド類は、ジカルボン酸およびジアミン、および／またはアミノカルボン酸の縮合生成物、ならびに／または環状ラクタムの開環重合生成物とすることができる。適切なジカルボン酸には、アジピン酸、アゼライン酸、セバシン酸、ドデカン二酸、イソフタル酸、およびテレフタル酸が含まれる。適切なジアミンには、テトラメチレンジアミン、ヘキサメチレンジアミン、オクタメチレンジアミン、ノナメチレンジアミン、ドデカメチレンジアミン、デカメチレンジアミン、２−メチルペンタメチレンジアミン、２−メチルオクタメチレンジアミン、トリメチルヘキサメチレンジアミン、ビス（ｐ−アミノシクロヘキシル）メタン、ｍ−キシリレンジアミン、およびｐ−キシリレンジアミンが含まれる。適切なアミノカルボン酸は、１１−アミノドデカン酸である。適切な環状ラクタムは、カプロラクタムおよびラウロラクタムである。好ましいポリアミドには、ポリアミド６；ポリアミド６，６；ポリアミド４，６；ポリアミド６，１０；ポリアミド６，１２；ポリアミド１１；ポリアミド１２などの脂肪族ポリアミド；ポリ（ｍ−キシリレンアジパミド）（ポリアミドＭＸＤ，６）、ポリ（ドデカメチレンテレフタルアミド）（ポリアミド１２，Ｔ）、ポリ（デカメチレンテレフタルアミド）（ポリアミド１０，Ｔ）、ポリ（ノナメチレンテレフタルアミド）（ポリアミド９，Ｔ）、ヘキサメチレンアジパミド−ヘキサメチレンテレフタルアミドコポリアミド（ポリアミド６，Ｔ／６，６）、ヘキサメチレンテレフタルアミド−２−メチルペンタメチレンテレフタルアミドコポリアミド（ポリアミド６，Ｔ／Ｄ，Ｔ）などの半芳香族ポリアミド；ならびにこれらのポリマーのコポリマーおよび混合物が含まれる。
【００１６】
好ましい熱可塑性ポリエステル（大部分またはすべて、エステル連結基を有する）は、通常１つまたは複数のジカルボン酸（またはエステルなど、その誘導体）と１つまたは複数のジオールに由来する。好ましいポリエステルでは、ジカルボン酸は、テレフタル酸、イソフタル酸、および２，６−ナフタレンジカルボン酸の１つまたは複数を含み、ジオール成分は、ＨＯ（ＣＨ2）nＯＨ（Ｉ）、１，４−シクロヘキサンジメタノール、ＨＯ（ＣＨ2ＣＨ2Ｏ）mＣＨ2ＣＨ2ＯＨ（ＩＩ）、およびＨＯ（ＣＨ2ＣＨ2ＣＨ2ＣＨ2Ｏ）zＣＨ2ＣＨ2ＣＨ2ＣＨ2ＯＨ（ＩＩＩ）（式中、ｎは２〜１０の整数であり、ｍは平均して、１〜４であり、ｚは、平均して約７〜約４０である）の１つまたは複数を含む。（ＩＩ）および（ＩＩＩ）は、化合物の混合物でもよく、ｍおよびｚはそれぞれ、変化してもよく、ｍおよびｚは平均値であるので、整数である必要はないことに留意されたい。熱可塑性ポリエステルを形成するために使用され得る他の二価酸には、セバシン酸およびアジピン酸が含まれる。ヒドロキシ安息香酸などのヒドロキシカルボン酸をコモノマーとして使用することができる。特有の好ましいポリエステルには、ポリ（エチレンテレフタレート）（ＰＥＴ）、ポリ（１，３−プロピレンテレフタレート）（ＰＰＴ）、ポリ（１，４−ブチレンテレフタレート）（ＰＢＴ）、ポリ（エチレン２，６−ナフトエート（ｎａｐｔｈｏａｔｅ））、ポリ（１，４−シクロヘキシルジメチレンテレフタレート（ＰＣＴ）；ポリ（１，４−ブチレンテレフタレート）およびポリ（テトラメチレンエーテル）グリコールブロックを有する熱可塑性エラストマー性ポリエステル（本願特許出願人からハイトレル（ＨＹＴＲＥＬ）（登録商標）として入手可能）、ならびに上記のジオールおよび／またはジカルボン酸のいずれかを有するこれらのポリマーのいずれかのコポリマー含まれる。適切なポリエステルには、液晶性ポリエステルも含まれる。
【００１７】
熱可塑性ポリマーは、組成物の全重量を基準にして約１７〜約９９．５重量パーセント、好ましくは約２５〜約９９重量パーセントで存在する。
【００１８】
組成物は、組成物の全重量を基準にして約０．００３〜約０．０５重量パーセント、好ましくは約０．００３〜約０．０４重量パーセント、より好ましくは約０．００３〜約０．０１重量パーセントのカーボンブラックを含む。
【００１９】
組成物は、約０．４〜約１０重量パーセント、好ましくは約１〜約５重量パーセントの、二酸化チタン、硫化亜鉛、および酸化亜鉛の１つまたは複数から選択された鉱物をさらに含む。
【００２０】
組成物は、任意選択的に約３．０重量パーセントまで、好ましくは約０．０１〜１重量パーセントの１つまたは複数の着色剤をさらに含むことができる。好ましい着色剤には、顔料および染料が含まれる。着色剤は黒色でないことが好ましい。好ましい染料には、フタロシアニン、アゾ（モノアゾ（ｍｏｎｏａｚｏｍ）およびアゾメチンを含めて）、アントロキノン、ナフタロイミド、メチン、ジオキサジン、ペリレン、ペリノン、キノリン、ベンゾアントロン、キナクリドン、およびベンゾイミダゾロン染料などが含まれる。
【００２１】
本発明の組成物は、任意選択的に、上記の成分に加えて、造核剤、熱安定剤、酸化防止剤、ＵＶ光安定剤、滑剤、離型剤、難燃剤、および耐衝撃性改良剤などの添加剤を含むことができる。組成物は、任意選択的に、ガラス繊維および／または無機充填剤などの補強剤もさらに含むことができる。
【００２２】
添加剤は、使用されるとき、組成物の全重量を基準にして約０〜約７０重量パーセント、好ましくは約５〜約５０重量パーセントで存在する。無機充填剤および補強剤は、使用されるとき、組成物の全重量を基準にして約０〜約７０重量パーセント、または好ましくは約５〜約５０重量パーセントで存在する。
【００２３】
本発明の組成物は、溶融混合ブレンドの形態にあり、ポリマー成分のすべてが、相互内に十分に分散し、非ポリマー材料のすべてが、ポリマーマトリックスに均質に分散し、それによって結合され、したがってブレンドが統一された全体を成す。ブレンドは、任意の溶融混合方法を使用して、成分材料を化合させることによって得ることができる。単軸または二軸押出機、ブレンダ、混練機、バンバリーミキサーなどの溶融ミキサーを使用して、成分材料を混合して、樹脂組成物を得ることができる。あるいは、材料の一部分を溶融ミキサーで混合することができ、次いで残りの材料を添加し、さらに溶融混合することができる。本発明の組成物の製造において混合順序は、当業者によって理解されるように、個々の成分が１回で溶融され得るか、あるいは充填剤および／または他の成分がサイドフィーダなどから供給され得るようにすることができる。
【００２４】
例えば、射出成形、ブロー成形、射出ブロー成形、または押出など、当業者に知られている方法を使用して、本発明の組成物を物体に形成することができる。本発明の組成物を含む物体を、他の物体にレーザー溶接することができ、レーザー溶接方法において相対的に透明な物体、または好ましくは相対的に不透明な物体、あるいは両方とすることができる。本発明のレーザー溶接方法での使用に好ましいレーザーは、約８００ｎｍ〜約１２００ｎｍの範囲内の波長を有する光を発する任意のレーザーである。好ましいレーザーのタイプの例は、ＹＡＧおよびダイオードレーザーである。
【００２５】
レーザー溶接方法で使用される相対的に透明な物体は、自然色を有することができ、またはレーザー溶接するために使用される光の波長に対して十分に透明である染料を含有することができる。このような染料は、例えばアントラキノン系染料を含むことができる。
【００２６】
本発明は、本発明の方法で作製された任意のレーザー溶接物品も包含する。有用な物品は、電気および電子センサーのハウジングなどの自動車部品；印刷機、複写機、ファックス機器などのオフィス機器用の部品；コンベヤーなどの工業設備用の部品；医療装置用の部品；ならびに玩具やスポーツ用品などの消費者物品用の部品である。
【実施例】
【００２７】
（試料の調製）
表１および２に示す材料を単軸押出機で溶融混合することによって、実施例および比較例で使用される組成物を調製した。
【００２８】
表１では、「ポリアセタール」は、本願特許出願人から供給された、ポリアセタールコポリマーであるデルリン（Ｄｅｌｒｉｎ）（登録商標）４６０を指す。表２では、「ポリアミド」は、本願特許出願人から供給された、ポリアミド６，６であるザイテル（ＺＹＴＥＬ）（登録商標）１０１Ｌ ＮＣ０１０を指す。表１では、「青色顔料」は、フタロシアニンブルーを指し、「紫色顔料」は、ジオキサジンバイオレット顔料を指す。
【００２９】
組成物を、レーザー溶接するための試験バーに成形した。得られたバーの色を目視評価した。それを表１および２に示す。
【００３０】
（レーザー溶接強度）
図１〜３は、実施例２〜９および比較例２〜６について本願明細書で報告されているようにレーザー溶接性および溶接強度を測定するために使用された典型的な試験片１１の幾何形状を示す。試験片１１は、形状が略長方形であり、寸法が７０ｍｍ×１８ｍｍ×３ｍｍであり、一端において深さ２０ｍｍの半重ねであった。半重ねは、接合面１３および蹴上げ１５によって画定される。
【００３１】
図４では、試験片１１’は、相対的に透明なポリマー試験片であり、試験片１１”は、相対的に不透明なポリマー試験片であり、試験片（１１’および１１”）はそれぞれ、上記に記載する典型的な試験片１１の形および寸法を有する。試験片１１’および１１”の接合面１３’および１３”をそれぞれ、その間に接合部１７が形成されるように接触させて配置した。相対的に透明な試験片１１’は、矢印方向Ａに移動するレーザー放射線１９によって衝突される衝突面１４’を画定する。レーザー放射線１９は、相対的に透明な試験片１１’を通過し、相対的に不透明な試験片１１”の接合面１３”を照射し、それによって試験片１１’および１１”が、試験バー２１を形成するように接合部１７において一緒に溶接された。
【００３２】
（実施例２〜９および比較例２〜６）
実施例２〜９および比較例２〜６に対応する樹脂組成物を、相対的に不透明な試験片１１”に成形した。実施例２〜４および比較例２〜５の場合は、デルリン（Ｄｅｌｒｉｎ）（登録商標）４６０を相対的に透明な試験片１１’に成形した。実施例５〜１０および比較例６の場合は、ザイテル（ＺＹＴＥＬ）（登録商標）１０１Ｌ ＮＣ０１０を相対的に透明な試験片１１’に成形した。
【００３３】
それぞれの場合、試験片１１’および１１”を、上記に記載するようにクランプ圧０．３ＭＰａで一緒に溶接して、試験バー２１を形成した。ロフィン・ジナー・レーザー（Ｒｏｆｉｎ−Ｓｉｎａｒ Ｌａｓｅｒ ＧｍｂＨ）９４０ｎｍ ダイオードレーザーからレーザー放射線を発した。レーザー光線を直径３ｍｍに絞り、項目名「溶接速度」で表１および２に示す速度で、試験片１１’および１１”の幅に沿って１回通過させた。レーザー出力を、約５０から４５５Ｗの間で変えた。
【００３４】
得られた試験バー２１の１１’および１１”の試験片を分離するのに必要とされた力は、島津製作所（Ｓｈｉｍａｄｚｕ Ｓｅｉｓａｋｕｓｈｏ）によって製造された島津オートグラフ（Ｓｈｉｍａｄｚｕ Ａｕｔｏｇｒａｐｈ）試験機を使用して、試験バーの肩部においてクランプ締めを行い、引張力を試験バーの長手方向に加えて決定した。試験機を速度２ｍｍ／分で操作した。表１および２に示されるように、試験片を分離するのに１ｋｇｆより大きい力が必要とされた場合、レーザー溶接可能であると見なされた。表１および２に示されるように、レーザー溶接中に試験片間に接着が生じなかった場合、レーザー溶接性がないと見なされた。表１および２に、各組成物に最適な溶接強度を提供する出力を「レーザー出力」という項目名で記載する。表１および２に、得られた溶接強度を「レーザー溶接強度」という項目名で記載する。
【００３５】
（比較例１）
図５は、比較例１について本願明細書で報告されているようにレーザー溶接性および溶接強度を測定するために使用された比較例１の組成物から成形された相対的に不透明な試験片３０の幾何形状を示す。試験片３０は、形状が略長方形であり、寸法が４０ｍｍ×２０ｍｍ×３．２ｍｍであった。図５は、比較例１について本願明細書で報告されているようにレーザー溶接性および溶接強度を測定するためにさらに使用された相対的に透明な試験片３２の幾何形状も示す。試験片３２は、デルリン（Ｄｅｌｒｉｎ）（登録商標）４６０から成形され、形状が略長方形であり、寸法が４０ｍｍ×２０ｍｍ×１．６ｍｍであった。試験片とその表面を、その間に接合部３４が形成されるように互いに接触させて重ね合わせて、圧力０．３ＭＰａでクランプ締めを行った。相対的に透明な試験片３２は、矢印方向Ａに移動するレーザー放射線１９によって衝突される衝突面３６を画定する。レーザー放射線１９は、相対的に透明な試験片３２を通過し、相対的に不透明な試験片３０の表面を照射し、それによって試験片３０および３２が、試験バー３８を形成するように接合部３４において一緒に溶接されるように試みた。ロフィン・ジナー・レーザー（Ｒｏｆｉｎ−Ｓｉｎａｒ Ｌａｓｅｒ ＧｍｂＨ）９４０ｎｍ ダイオードレーザーからレーザー放射線を発した。レーザー光線を直径３ｍｍに絞り、速度５０〜５００ｃｍ／分、出力２００Ｗで、３０および３２の幅に沿って１回通過させた。レーザー溶接は不成功であり、試みた速度のいずれにおいても、結合が試験片３０および３２の間で形成されなかった。
【００３６】
（実施例１）
図６および７は、実施例１の組成物から成形された相対的に不透明な試験片４０の幾何形状を示す。試験片４０は、コマ玩具の底部として働き、唇状部４４を有する丸い開放椀状物体の形態にあった。図６〜８は、デルリン（Ｄｅｌｒｉｎ）（登録商標）４６０から成形された相対的に透明な試験片４２の幾何形状を示す。試験片４２は、コマ玩具の蓋部として働き、中央開口部４６および唇状部４８を有する円盤である。照合番号５０は、底部５２および心棒５４を有するコマ玩具のスピナーを指す。底部５２を試験片４０に挿入し、心棒５４が開口部４６を通り抜け、試験片４２の底面が唇状部４４の上面と接触しているように試験片４２を試験片４０の上に配置した。
【００３７】
続いて、図６および７を参照して、試験片４２を、試験片４０に圧力０．３ＭＰａでクランプ締めを行った。レーザー放射線１９が、試験片４２が唇状部４４に接触している点において相対的に透明な試験片４２を通過し、相対的に不透明な試験片４０の表面に照射し、試験片４０および４２が溶接されるようになり、試験片５６をコマ玩具の形態に形成した。溶融プロセス中、レーザー放射線を、その動きが速度１５０ｃｍ／分で円を描くように、試験片４２の回りを一回放射状に通した。ロフィン・ジナー・レーザー（Ｒｏｆｉｎ−Ｓｉｎａｒ Ｌａｓｅｒ ＧｍｂＨ）９４０ｎｍ ダイオードレーザーからレーザー放射線を発した。レーザー光線を直径０．３ｍｍに絞り、出力３０Ｗで操作した。
【００３８】
島津製作所（Ｓｈｉｍａｄｚｕ Ｓｅｉｓａｋｕｓｈｏ）によって製造された島津オートグラフ（Ｓｈｉｍａｄｚｕ Ａｕｔｏｇｒａｐｈ）試験機を使用して、試験片５６を円柱状のスチール製治具でクランプ締めし、下方方向で心棒５４に力を加えることによって溶接強度を測定した。表１に、溶融試験片４０および４２を分離するのに必要な力を示す。
【００３９】
したがって、本発明によれば、先に記載された目的および利点を完全に満足させるレーザー溶接可能な熱可塑性ポリマー組成物、およびレーザー溶接するための方法が提供されることは自明である。本発明を、特有のその実施形態に関連して記述してきたが、多くの代替形態、変更形態、および変形形態が当業者に自明であることは明らかである。したがって、添付の特許請求の範囲の趣旨および広い範囲内に入るこのような代替形態、変更形態、および変形形態をすべて包含するものとする。
【００４０】
【表１】
【００４１】
【表２】
【図面の簡単な説明】
【００４２】
【図１】レーザー溶接性を決定し、溶接強度を測定するために本願明細書において使用された試験片１１の側面図である。
【図２】レーザー溶接性を決定し、溶接強度を測定するために本願明細書において使用された試験片１１の上平面図である。
【図３】レーザー溶接性を決定し、溶接強度を測定するために本願明細書において使用された試験片１１の斜視図である。
【図４】それぞれの試験片の接合面を接触して配置され、一緒にレーザー溶接されるように配置された相対的に透明な試験片１１’および相対的に不透明な試験片１１”の斜視図である。
【図５】試験バー３８を形成するように溶接されるときのレーザー溶接性を決定するために本願明細書において使用された相対的に透明な試験片３２および相対的に不透明な試験片３０の斜視図である。
【図６】試験片４２が断面で示された、試験片４０および４２の分解図である。
【図７】接触して配置され、一緒にレーザー溶接されるように配置された相対的に透明な試験片４２および相対的に不透明な試験片４０の断面図である。
【図８】試験片４２の上面図である。
【特許請求の範囲】
【請求項１】
ポリマー組成物であって、
（ａ）約１７〜約９９．５重量パーセントの熱可塑性ポリマー、
（ｂ）約０．００３〜約０．０５重量パーセントのカーボンブラック、
（ｃ）約０．４〜約１０重量パーセントの二酸化チタン、硫化亜鉛、および酸化亜鉛の１つまたは複数から選択された鉱物、
（ｅ）０〜約７０重量パーセントの補強剤および／または無機充填剤、
（ｅ）０〜約７０重量パーセントの添加剤、ならびに
（ｆ）０〜約３重量パーセントの１つまたは複数の着色剤
を含み、
上記の重量百分率が、組成物の全重量を基準にしたものであることを特徴とする組成物。
【請求項２】
約０．０１〜約１．０重量パーセントの１つまたは複数の着色剤をさらに含むことを特徴とする請求項１に記載の組成物。
【請求項３】
前記熱可塑性ポリマーが、ポリアミド、ポリアセタール、またはポリエステルの１つまたは複数であることを特徴とする請求項１に記載の組成物。
【請求項４】
前記ポリアミドが、ポリアミド６；ポリアミド６，６；ポリアミド４，６；ポリアミド６，１０；ポリアミド６，１２；ポリアミド１１；ポリアミド１２；ポリアミドＭＸＤ，６、ポリアミド１２，Ｔ、ポリアミド１０，Ｔ、ポリアミド９，Ｔ、ポリアミド６，Ｔ／６，６、またはポリアミド６，Ｔ／Ｄ，Ｔの１つまたは複数であることを特徴とする請求項３に記載の組成物。
【請求項５】
前記ポリエステルが、ポリ（エチレンテレフタレート）（ＰＥＴ）、ポリ（１，３−プロピレンテレフタレート）（ＰＰＴ）、ポリ（１，４−ブチレンテレフタレート）（ＰＢＴ）、ポリ（エチレン ２，６−ナフトエート）、またはポリ（１，４−シクロヘキシルジメチレンテレフタレート（ＰＣＴ）の１つまたは複数であることを特徴とする請求項３に記載の組成物。
【請求項６】
約５〜約５０重量パーセントの１つまたは複数の補強剤または無機充填剤をさらに含むことを特徴とする請求項１に記載の組成物。
【請求項７】
約５〜約５０重量パーセントの１つまたは複数の添加剤をさらに含むことを特徴とする請求項１に記載の組成物。
【請求項８】
請求項１に記載の組成物を含むことを特徴とする物品。
【請求項９】
電気または電子センサー用のハウジングの形態にあることを特徴とする請求項８に記載の物品。
【請求項１０】
玩具の形態にあることを特徴とする請求項９に記載の物品。
【請求項１１】
医療装置の形態にあることを特徴とする請求項９に記載の物品。
【請求項１２】
レーザー放射線を使用して、第１のポリマー物体を第２のポリマー物体に溶接する方法であって、
前記第１のポリマー物体が、前記レーザー放射線に対して相対的に透明であり、前記第２の物体が、前記レーザー放射線に対して相対的に不透明であり、前記第１および第２の物体がそれぞれ、接合面を提供し、前記第１の物体が、その前記接合面の反対側の衝突面を提供し、
前記方法が、（１）前記第１および第２の物体の接合面を、その間に接合部が形成されるように物理的に接触させるステップと、（２）前記第１および第２の物体に前記レーザー放射線を照射して、したがって前記レーザー放射線が衝突面に衝突し、前記第１の物体を通過し、前記第２の物体の前記接合面に照射して、前記第１および第２の物体が接合面の接合部において溶接されるステップとを含み、
前記第２のポリマー物体が、
（ａ）約１７〜約９９．５重量パーセントの熱可塑性ポリマー、
（ｂ）約０．００３〜約０．０５重量パーセントのカーボンブラック、
（ｃ）約０．４〜約１０重量パーセントの二酸化チタン、硫化亜鉛、および酸化亜鉛の１つまたは複数から選択された鉱物、
（ｄ）０〜約７０重量パーセントの補強剤および／または無機充填剤、
（ｅ）０〜約７０重量パーセントの添加剤、ならびに
（ｆ）０〜約３重量パーセントの１つまたは複数の着色剤
を含む熱可塑性ポリマー組成物から形成され、
上記の重量百分率が、組成物の全重量を基準にしたものであることを特徴とする方法。
【請求項１３】
前記熱可塑性ポリマー組成物が、約０．０１〜約１重量パーセントの１つまたは複数の着色剤をさらに含むことを特徴とする請求項１２に記載の方法。
【請求項１４】
前記熱可塑性ポリマーが、ポリアミド、ポリアセタール、またはポリエステルの１つまたは複数であることを特徴とする請求項１２に記載の方法。
【請求項１５】
前記ポリアミドが、ポリアミド６；ポリアミド６，６；ポリアミド４，６；ポリアミド６，１０；ポリアミド６，１２；ポリアミド１１；ポリアミド１２；ポリアミドＭＸＤ，６、ポリアミド１２，Ｔ、ポリアミド１０，Ｔ、ポリアミド９，Ｔ、ポリアミド６，Ｔ／６，６、またはポリアミド６，Ｔ／Ｄ，Ｔの１つまたは複数であることを特徴とする請求項１２に記載の方法。
【請求項１６】
前記ポリエステルが、ポリ（エチレンテレフタレート）（ＰＥＴ）、ポリ（１，３−プロピレンテレフタレート）（ＰＰＴ）、ポリ（１，４−ブチレンテレフタレート）（ＰＢＴ）、ポリ（エチレン ２，６−ナフトエート）、またはポリ（１，４−シクロヘキシルジメチレンテレフタレート（ＰＣＴ）の１つまたは複数であることを特徴とする請求項１４に記載の方法。
【請求項１７】
前記熱可塑性ポリマー組成物が、約５〜約５０重量パーセントの１つまたは複数の補強剤または無機充填剤をさらに含むことを特徴とする請求項１２に記載の方法。
【請求項１８】
前記熱可塑性ポリマー組成物が、約５〜約５０重量パーセントの１つまたは複数の添加剤をさらに含むことを特徴とする請求項１２に記載の方法。
【請求項１９】
請求項１２に記載の方法によって作製されたことを特徴とするレーザー溶接物品。
【請求項２０】
電気または電子センサー用のハウジングの形態にあることを特徴とする請求項１９に記載のレーザー溶接物品。
【請求項２１】
玩具の形態にあることを特徴とする請求項１９に記載のレーザー溶接物品。
【請求項２２】
印刷機、複写機、またはファックス機器用の部品の形態にあることを特徴とする請求項１９に記載のレーザー溶接物品。
【請求項２３】
医療装置の形態にあることを特徴とする請求項１９に記載のレーザー溶接物品。
【請求項１】
ポリマー組成物であって、
（ａ）約１７〜約９９．５重量パーセントの熱可塑性ポリマー、
（ｂ）約０．００３〜約０．０５重量パーセントのカーボンブラック、
（ｃ）約０．４〜約１０重量パーセントの二酸化チタン、硫化亜鉛、および酸化亜鉛の１つまたは複数から選択された鉱物、
（ｅ）０〜約７０重量パーセントの補強剤および／または無機充填剤、
（ｅ）０〜約７０重量パーセントの添加剤、ならびに
（ｆ）０〜約３重量パーセントの１つまたは複数の着色剤
を含み、
上記の重量百分率が、組成物の全重量を基準にしたものであることを特徴とする組成物。
【請求項２】
約０．０１〜約１．０重量パーセントの１つまたは複数の着色剤をさらに含むことを特徴とする請求項１に記載の組成物。
【請求項３】
前記熱可塑性ポリマーが、ポリアミド、ポリアセタール、またはポリエステルの１つまたは複数であることを特徴とする請求項１に記載の組成物。
【請求項４】
前記ポリアミドが、ポリアミド６；ポリアミド６，６；ポリアミド４，６；ポリアミド６，１０；ポリアミド６，１２；ポリアミド１１；ポリアミド１２；ポリアミドＭＸＤ，６、ポリアミド１２，Ｔ、ポリアミド１０，Ｔ、ポリアミド９，Ｔ、ポリアミド６，Ｔ／６，６、またはポリアミド６，Ｔ／Ｄ，Ｔの１つまたは複数であることを特徴とする請求項３に記載の組成物。
【請求項５】
前記ポリエステルが、ポリ（エチレンテレフタレート）（ＰＥＴ）、ポリ（１，３−プロピレンテレフタレート）（ＰＰＴ）、ポリ（１，４−ブチレンテレフタレート）（ＰＢＴ）、ポリ（エチレン ２，６−ナフトエート）、またはポリ（１，４−シクロヘキシルジメチレンテレフタレート（ＰＣＴ）の１つまたは複数であることを特徴とする請求項３に記載の組成物。
【請求項６】
約５〜約５０重量パーセントの１つまたは複数の補強剤または無機充填剤をさらに含むことを特徴とする請求項１に記載の組成物。
【請求項７】
約５〜約５０重量パーセントの１つまたは複数の添加剤をさらに含むことを特徴とする請求項１に記載の組成物。
【請求項８】
請求項１に記載の組成物を含むことを特徴とする物品。
【請求項９】
電気または電子センサー用のハウジングの形態にあることを特徴とする請求項８に記載の物品。
【請求項１０】
玩具の形態にあることを特徴とする請求項９に記載の物品。
【請求項１１】
医療装置の形態にあることを特徴とする請求項９に記載の物品。
【請求項１２】
レーザー放射線を使用して、第１のポリマー物体を第２のポリマー物体に溶接する方法であって、
前記第１のポリマー物体が、前記レーザー放射線に対して相対的に透明であり、前記第２の物体が、前記レーザー放射線に対して相対的に不透明であり、前記第１および第２の物体がそれぞれ、接合面を提供し、前記第１の物体が、その前記接合面の反対側の衝突面を提供し、
前記方法が、（１）前記第１および第２の物体の接合面を、その間に接合部が形成されるように物理的に接触させるステップと、（２）前記第１および第２の物体に前記レーザー放射線を照射して、したがって前記レーザー放射線が衝突面に衝突し、前記第１の物体を通過し、前記第２の物体の前記接合面に照射して、前記第１および第２の物体が接合面の接合部において溶接されるステップとを含み、
前記第２のポリマー物体が、
（ａ）約１７〜約９９．５重量パーセントの熱可塑性ポリマー、
（ｂ）約０．００３〜約０．０５重量パーセントのカーボンブラック、
（ｃ）約０．４〜約１０重量パーセントの二酸化チタン、硫化亜鉛、および酸化亜鉛の１つまたは複数から選択された鉱物、
（ｄ）０〜約７０重量パーセントの補強剤および／または無機充填剤、
（ｅ）０〜約７０重量パーセントの添加剤、ならびに
（ｆ）０〜約３重量パーセントの１つまたは複数の着色剤
を含む熱可塑性ポリマー組成物から形成され、
上記の重量百分率が、組成物の全重量を基準にしたものであることを特徴とする方法。
【請求項１３】
前記熱可塑性ポリマー組成物が、約０．０１〜約１重量パーセントの１つまたは複数の着色剤をさらに含むことを特徴とする請求項１２に記載の方法。
【請求項１４】
前記熱可塑性ポリマーが、ポリアミド、ポリアセタール、またはポリエステルの１つまたは複数であることを特徴とする請求項１２に記載の方法。
【請求項１５】
前記ポリアミドが、ポリアミド６；ポリアミド６，６；ポリアミド４，６；ポリアミド６，１０；ポリアミド６，１２；ポリアミド１１；ポリアミド１２；ポリアミドＭＸＤ，６、ポリアミド１２，Ｔ、ポリアミド１０，Ｔ、ポリアミド９，Ｔ、ポリアミド６，Ｔ／６，６、またはポリアミド６，Ｔ／Ｄ，Ｔの１つまたは複数であることを特徴とする請求項１２に記載の方法。
【請求項１６】
前記ポリエステルが、ポリ（エチレンテレフタレート）（ＰＥＴ）、ポリ（１，３−プロピレンテレフタレート）（ＰＰＴ）、ポリ（１，４−ブチレンテレフタレート）（ＰＢＴ）、ポリ（エチレン ２，６−ナフトエート）、またはポリ（１，４−シクロヘキシルジメチレンテレフタレート（ＰＣＴ）の１つまたは複数であることを特徴とする請求項１４に記載の方法。
【請求項１７】
前記熱可塑性ポリマー組成物が、約５〜約５０重量パーセントの１つまたは複数の補強剤または無機充填剤をさらに含むことを特徴とする請求項１２に記載の方法。
【請求項１８】
前記熱可塑性ポリマー組成物が、約５〜約５０重量パーセントの１つまたは複数の添加剤をさらに含むことを特徴とする請求項１２に記載の方法。
【請求項１９】
請求項１２に記載の方法によって作製されたことを特徴とするレーザー溶接物品。
【請求項２０】
電気または電子センサー用のハウジングの形態にあることを特徴とする請求項１９に記載のレーザー溶接物品。
【請求項２１】
玩具の形態にあることを特徴とする請求項１９に記載のレーザー溶接物品。
【請求項２２】
印刷機、複写機、またはファックス機器用の部品の形態にあることを特徴とする請求項１９に記載のレーザー溶接物品。
【請求項２３】
医療装置の形態にあることを特徴とする請求項１９に記載のレーザー溶接物品。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【公表番号】特表２００８−５２１９６８（Ｐ２００８−５２１９６８Ａ）
【公表日】平成２０年６月２６日（２００８．６．２６）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００７−５４３３６７（Ｐ２００７−５４３３６７）
【出願日】平成１７年１１月１８日（２００５．１１．１８）
【国際出願番号】ＰＣＴ／ＵＳ２００５／０４２１９５
【国際公開番号】ＷＯ２００６／０８０９７３
【国際公開日】平成１８年８月３日（２００６．８．３）
【出願人】（３９００２３６７４）イー・アイ・デュポン・ドウ・ヌムール・アンド・カンパニー (2,692)
【氏名又は名称原語表記】Ｅ．Ｉ．ＤＵ ＰＯＮＴ ＤＥ ＮＥＭＯＵＲＳ ＡＮＤ ＣＯＭＰＡＮＹ
【Ｆターム（参考）】
【公表日】平成２０年６月２６日（２００８．６．２６）
【国際特許分類】
【出願日】平成１７年１１月１８日（２００５．１１．１８）
【国際出願番号】ＰＣＴ／ＵＳ２００５／０４２１９５
【国際公開番号】ＷＯ２００６／０８０９７３
【国際公開日】平成１８年８月３日（２００６．８．３）
【出願人】（３９００２３６７４）イー・アイ・デュポン・ドウ・ヌムール・アンド・カンパニー (2,692)
【氏名又は名称原語表記】Ｅ．Ｉ．ＤＵ ＰＯＮＴ ＤＥ ＮＥＭＯＵＲＳ ＡＮＤ ＣＯＭＰＡＮＹ
【Ｆターム（参考）】
[ Back to top ]