(57)【要約】【課題】環境負荷が低くかつ部材間の接合力を可逆的に制御可能な新たな接合技術を提供する。    【解決手段】表面に高分子ゲル層を有する部材同士をそのゲル層を対向させて圧着させた状態でゲル界面の温度・含水率等の環境を変化させる。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
表面に高分子ゲル層を有する部材同士をそのゲル層を対向させて圧着させた状態でゲル界面の環境を変化させることを特徴とする部材間の接合力を可逆的に制御する方法。
【請求項２】
高分子ゲルが熱応答性のゲルであり、ゲル界面の環境をその相転移温度を挟む温度変化を加えることにより変化させる請求項１記載の方法。
【請求項３】
高分子ゲルが水または揮発性液体中で膨潤するゲルであり、ゲル中の水または揮発性液体の体積分率を増減させることによりゲル界面の環境を変化させる請求項１記載の方法。
【請求項４】
高分子ゲルがヒドロゲルであり、ゲル界面の環境を水性媒体中で変化させる請求項１または２記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は部材間の接合力を可逆的に制御する方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
部材同士の接合方法としては、機械的接合法、冶金的接合法（圧接、融接、ろう接）、その他（複合接合技術、プラスチックにおける溶剤接合・熱融着等）があるが、接着接合法以外は適用可能な部材材質が限定されるため、汎用的な接合技術としてはもっぱら接着接合法が用いられてきた（例えば、非特許文献１および２を参照）。
【０００３】
一方、刺激応答性高分子ゲルの、温度変化、電場・磁場印加、光照射、応力印加、ｐＨ変化、化学物質添加等の微小な外部刺激の賦与に応じて膨潤・収縮し、その形状・バルクの物性が著しく変化する特性を物質分離、エネルギー変換に関連する各種用途に応用することが試みられている。
【０００４】
高分子ゲル同士の接着力に関連して、非特許文献３に、両性ゲルの硬度変化が塩結合の生成・消失に起因することを、アニオン性ゲルとカチオン性ゲルとの間の静電力に基づく接着力のｐＨおよびイオン強度依存性の測定結果等をとおして解明したことが記載されている。
【０００５】
【非特許文献１】日本接着学会編「接着ハンドブック第３版」１９９６年、日刊工業新聞社発行
【非特許文献２】「接着便覧第１６版」１９８９年、高分子刊行会発行
【非特許文献３】Ｈ．Ｔａｍａｇａｗａ  ｅｔ  ａｌ．，Ｂｕｌｌ．Ｃｈｅｍ．Ｓｏｃ．Ｊｐｎ．，Ｖｏｌ．７５，３８３−３８８（２００２）
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
前記した汎用的な接合技術としての接着接合法においては、使用される粘着・接着剤の主原料である高分子素材および有機溶剤の多くが石油資源由来であり、環境負荷軽減の観点からこれらの使用量を削減する接合技術に対する期待が高かった。また、接着剤による接合は一般に不可逆的であり、粘着材による場合にも剥離後の接合面に一部残留することを避けがたかった。
【０００７】
本発明の目的は、環境負荷が低く、部材間の接合力を可逆的に制御可能な新たな接合技術を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本発明は、上記課題を解決するために本発明者が高分子ゲルの表面はバルクの網目構造とは異なり、架橋密度がより希薄で高分子のひげ（自由末端を持つ鎖）が無数に飛び出した構造をしていると考えられている点に着目し、鋭意研究を重ねることにより完成されたもので、表面に高分子ゲル層を有する部材同士をそのゲル層を対向させて圧着させた状態でゲル界面の環境を変化させることを特徴としている。
【０００９】
また、本発明は前記高分子ゲルが熱応答性のゲルであり、ゲル界面の環境をその相転移温度を挟む温度変化を加えることにより変化させることを特徴としている。
【００１０】
また、本発明は前記高分子ゲルが水または揮発性液体中で膨潤するゲルであり、ゲル中の水または揮発性液体の体積分率を増減させることによりゲル界面の環境を変化させることを特徴としている。
【００１１】
また、本発明は前記高分子ゲルがヒドロゲルであり、ゲル界面の環境を水性媒体中で変化させることを特徴としている。
【発明の効果】
【００１２】
本発明においては、高分子ゲルの特異な表面構造とその環境に対する応答特性とを活かして、圧着された高分子ゲル同士の界面における分子間力と高分子鎖の絡み合いの状態を環境変化だけにより変化させて接合力を制御するので、有機溶剤等の副資材を用いることなく、また他に副産物を残すことなく、部材間の接合力およびそれを反映する結合・分離の状態を長期に亘り可逆的に制御できるようになり、一般の接着接合に較べて大幅な環境負荷の低減が可能となる。また、場合によっては、同一の素材に粘着から接着までの機能を持たせることも可能となる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１３】
本発明においては、表面に高分子ゲル層を有する部材同士のゲル界面の環境変化を両部材のゲル層を対向させて圧着させた状態で行うことが重要である。こうすることで、面ファスナーのフックとループに似た機能をナノレベルで発現させることが可能となり、本発明の目的が達成される。
【００１４】
これに対して、両部材の高分子ゲル表面を対向させても単に近接させるに止めた場合には、環境変化に基づく顕著な接合力の変化が発現されず、本発明の目的が達成されない。
【００１５】
ここで、両部材の圧着に際しては、適宜の手段で界面に５ｋｇ／ｃｍ２以上の垂直応力を印加した状態で、数秒以上保持することが好ましい。
【００１６】
本発明において、表面に高分子ゲル層を有する部材の基材としては、特に限定されず用途に応じて種々のものが使用可能であり、金属、ガラス・セラミック、プラスチック、木材等の硬質材料に限らず、生体材料あるいは高分子ゲルそれ自体のような軟質材料、さらには硬質材料と軟質材料との組み合わせも採用可能である。
【００１７】
上記高分子ゲル層の厚さは、基材の剛性・形状に応じて、圧着のしやすさを勘案して通常数マイクロメートルから数ミリメートルの範囲で適宜選定されるが、省資源の観点からはなるべく薄くすることが好ましい。また、両基材の接着部位の全面にかかる高分子ゲル層を設ける必要はなく、両部材の接合が確保される範囲で、少なくとも一方の基材上の高分子ゲル層の形態としては、ネット状あるいは群島状等の隙間を有する形態とすることもできる。
【００１８】
高分子ゲル中の高分子濃度は極めて低く、下記の架橋されたＮ―アルキルアクリルアミド系ポリマーのヒドロゲルの場合で、８重量％程度である。したがって、このような材料を基材の接合部位上に５０マイクロメートルの厚さで設けても、高分子材料の所要量は０．４ｍｇ／ｃｍ２すぎず、この点からも本発明が環境負荷軽減の観点で有用であることが判る。
【００１９】
ゲル界面の環境変化の好ましい態様の一つとして温度変化が挙げられる。この場合、架橋されたＮ―アルキルアクリルアミド系ポリマーのヒドロゲルのような、熱応答性の高分子ゲルが用いられ、その相転移温度としては、制御エネルギー負荷軽減の観点からは室温近傍にあるものが、また、生体への適用の際には体温近傍にあるものが、それぞれ好ましく採用される。
【００２０】
また、ゲル界面の環境変化の好ましい他の態様として高分子ゲルが水または揮発性液体中で膨潤するゲルであり、ゲル中の水または揮発性液体の体積分率を増減させることが挙げられる。この場合、高分子ゲルが含水性ゲルであれば、ゲルを取り巻く環境から除湿したり、ここに加湿したりしてゲルの含水率変化が達成される。用いられる含水率依存性の高分子ゲルとしては、ハップ剤の基材として実用化されているアルミニウムにより物理架橋されたポリアクリル酸ナトリウムヒドロゲルが例示される。
【００２１】
本発明において、ゲル界面の環境変化の態様としては、他に高分子網目への電場・磁場印加、光照射、応力印加等を利用することが可能であり、また水生媒体を用いる場合にはそのイオン種やイオン強度の変化（ｐＨ変化、化学物質添加）等も例示される。
【００２２】
本発明において、高分子ゲルの種類は特に限定されないが、適用の多様性等の面からヒドロゲルが好ましく採用され、この場合、ゲル界面の環境変化を純水もしくは水溶液のような水性媒体中で行わせることが好ましい。
【００２３】
以下の実施例において、接合力の定量的な評価には、本発明者らが作成したタック性評価装置を使用した。この装置および測定方法の詳細は Ｔ．Ｓａｔｏ  ｅｔ  ａｌ．，Ｊｐｎ．Ｊ．Ａｐｐｌ．Ｐｈｙｓ．，Ｖｏｌ．４４，Ｐａｒｔ１，（１１），８１６８−８１７３（２００５） に記載されているが、概要を図３に基づいて説明する。
【００２４】
直径８ｍｍ程度のガラス棒の周りに所定の厚さの板状高分子ゲルを固定したものを二つ準備し、その一方（試料１）をリン青銅製の板バネに、他方（試料２）を図示しないステッピングモータ上のステージに、互いに直交する向きになるように固定する。ついでステッピングモータによりステージを一定速度で動かして試料２を試料１に近づけ点接触させ、一定距離押し付けた。その後、一定速度で逆方向に、両者が完全に離れるまで動かした。その間板バネに装着した歪ゲージによりリン青銅板の歪によって生じる電圧を測定し、接合力（粘着力・接着力）と引き剥がしエネルギーとを求めた。本装置ではステージの動きを制御することにより、押し付け・引き剥がし速度、押し付け距離（押し付け力に対応）、押し付けた状態での待機時間を自由に変更することができる。
【実施例１】
【００２５】
内径９ｍｍのガラス管に直径８ｍｍのガラス棒を挿入して型を作り、その０．５ｍｍの隙間にゲルを生成させた。ゲルをガラス棒に化学的に固着させるために、ガラス棒の表面をあらかじめシランカップリング剤（Ｂｉｎｄ−Ｓｉｌａｎｅ）で処理しておいた。超純水１００ｇに、Ｎ−イソプロピルアクリルアミド７００ｍＭ、Ｎ，Ｎ´−メチレンビスアクリルアミド８．６ｍＭ、重合促進剤のテトラメチルエチレンジアミン２４０μｌを混ぜて作製したプレゲル溶液を、窒素ガスで約２０分間ガス置換したあと、重合開始剤の過硫酸アンモニウム０．４ｇを１０ｍｌの純水に溶かし溶液１ｍｌ投入し、ゲル化を開始させ、素早く前記の型に流し込んだ。
【００２６】
このようにして得られた試料を２つ準備し、それらを直交するように点接触させ、環境温度変化との関係を調べた。各種の温度変化を加えながら図３に示す方法で、バネ定数を１５０ｇｆ／ｍｍ、押し付け・引き剥がし速度をともに０．２ｍｍ／秒、押し付け力１００ｇｆ、待機時間なしとして試験した。その結果を図１に纏めて示す。
【００２７】
図１の横軸は引き剥がし時の環境温度、縦軸は接合力、また、図中の各シンボルは高分子ゲル膜同士の接触温度の別をそれぞれ示すもので、白抜きの各シンボルが相転移温度（約３５℃）以下の膨潤相で接触させた後の、黒シンボルは相転移温度以上の収縮相で接触させた後の接合力を示している。
【００２８】
図１の白抜きシンボルの挙動から明らかなように、低温の膨潤相で接触させ４０℃で引き剥がすと平均２５ｇｆの接合力が発揮されるのに対して、黒シンボルの挙動に見るように、高温の収縮相で接触させ４０℃で引き剥がした場合には平均７ｇｆの接合力しか発現しない。
【実施例２】
【００２９】
実施例１において、押し付け力を５０ｇｆに半減するとともに、５時間の待機時間を取った場合にも、低温の膨潤相で接触させ４０℃で引き剥がしたときに平均２５ｇｆの接合力が発揮された。このときの見かけの接触面積は、約０．０３ｃｍ２（半径約１ｍｍの円）である。
【実施例３】
【００３０】
ポリアクリル酸ナトリウム（重合度２５００〜７５００）の１８．１％水溶液５０ｇに、水酸化アルミニウム１ｇと酒石酸２．１ｇとを添加し、十分攪拌した後に、１ｍｍのスペーサーで隔てられた２枚のスライドガラス内に注入し、室温で７日間放置してゲル化させた。一方のスライドガラスの内側にはあらかじめ不織布を貼り付けることにより、不織布上に厚さ１ｍｍのアルミニウムにより物理架橋されたポリアクリル酸ナトリウムヒドロゲル膜を得た。
【００３１】
上で得られたヒドロゲル膜を用い、バネ定数を７５ｆｇ／ｍｍ、押し付け力を１５．７ｇｆ、押し付け・引き剥がし速度をともに１ｍｍ／秒の条件下で、接触させてから大気中に放置し、自然乾燥させたときの接合力の変化を図２に示す。
【００３２】
放置後数十秒でゲル界面近傍に自由水が存在する領域においては、接合力の変化は小さいが、驚くべきことに１００００秒経過後の乾燥状態においては、接合力が２桁以上増大することが確認できた。
【産業上の利用可能性】
【００３３】
本発明の部材間の接合力制御方法は、付加する環境変化の態様に応じて種々の分野で利用可能であり、例えば、温度変化を利用する事例では、水中での粘着・接着の制御への適用が、また、含水量変化を利用する事例では、乾燥状態の接着に利用できる可能性がある。
その他の応用としては、海水など塩水中で粘着し、真水で外れる、というシステムや、医療分野では、冷水で接触させて圧力をかけ、体温により接着することによる体内のゲル状物質の接着への展開が考えられる。また、高分子ゲルとして食品ゲルを選択し、完全に無害の食品用の接着に利用する等の応用が期待される。
【図面の簡単な説明】
【００３４】
【図１】実施例1の温度変化条件と接合力との関係を示すグラフ。
【図２】実施例３の経過時間（含水率に対応）と接合力との関係を示すグラフ。
【図３】接合力の測定方法と装置の概略を説明するための要部の斜視図と側面図。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【手続補正書】
【提出日】平成19年3月1日(2007.3.1)
【手続補正１】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００２１
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００２１】
本発明において、ゲル界面の環境変化の態様としては、他に高分子網目への電場・磁場印加、光照射、応力印加等を利用することが可能であり、また水性媒体を用いる場合にはそのイオン種やイオン強度の変化（ｐＨ変化、化学物質添加）等も例示される。
【手続補正２】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００３１
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００３１】
上で得られたヒドロゲル膜を用い、バネ定数を７５ｇｆ／ｍｍ、押し付け力を１５．７ｇｆ、押し付け・引き剥がし速度をともに１ｍｍ／秒の条件下で、接触させてから大気中に放置し、自然乾燥させたときの接合力の変化を図２に示す。
【手続補正３】
【補正対象書類名】図面
【補正対象項目名】図１
【補正方法】変更
【補正の内容】
【図１】
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