JP2000337351A - 炭素繊維強化樹脂複合材製ローラ - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 高速回転が可能で、低慣性モーメントにより
高速回転時の追随性が良く、インクの剥離性や耐汚性が
良好であり、しかも被処理物との擦れに対する耐摩耗性
に優れており、高速処理が要求されている印刷機械、製
紙機械、紙加工機械等に適する安価なＣＦＲＰ製ローラ
を提供する。 【解決手段】 炭素繊維強化樹脂複合材料製素管の表面
に、金属アルコキシド加水分解溶液を適用し、縮重合反
応して形成された被膜を焼成して硬化被膜を形成して、
炭素繊維強化樹脂複合材製ローラを製造する。さらに別
の機能、特徴を持たせるには、金属アルコキシド加水分
解溶液に有機質材又は無機質材を分散させたものを用い
る。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、印刷機械、製紙機
械、紙加工機械等における搬送ローラやガイドローラ等
のように、被処理物とローラ表面との剥離性又は非粘着
性や被処理物との擦れに対するローラ表面の耐摩耗性が
要求されるローラに関し、特に印刷機械におけるインク
の剥離法及びローラ表面の耐摩耗性に優れたローラに関
する。

【０００２】

【従来の技術】従来より、印刷機械用のローラとして、
繊維強化樹脂製のローラは知られている。特に炭素繊維
強化樹脂複合材（以下ＣＦＲＰと記す）製ローラは、高
剛性・高強度で且つ軽量であるため、高速運転が可能と
なる他、慣性モーメントが下がり、追随性に優れる好適
な素材である。

【０００３】しかし、ＣＦＲＰを含む繊維強化樹脂製の
ローラ、所謂ＣＦＲＰ製素管は表面処理しなければ、ロ
ーラ表面の耐摩耗性、剥離性及び耐汚性に劣り、印刷機
械用のローラとしては適当でない。

【０００４】ＣＦＲＰ製素管の一般的な表面処理は、ク
ロムメッキに代表されるメッキ処理である。これは一般
的にＣＦＲＰ製素管の表面に、電解メッキ又は無電解メ
ッキ法により、銅又はニッケル等のメッキ層を設け、そ
の表面にクロムメッキ等をしたものである。メッキ処理
以外のＣＦＲＰ製素管の表面処理の方法として、フッ素
系樹脂の焼き付け、シリコン系樹脂の焼き付け、テフロ
ンシュリンクチューブの被覆等、様々な手段が報告され
ている（特公平３−８４０４号公報、特開平６−１１７
４３０号公報）。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】しかし、このような表
面処理されたＣＦＲＰ製ローラにおいては、以下のよう
な問題がある。

【０００６】クロムメッキに代表されるメッキローラで
は、被処理物との擦れに対するローラ表面の耐摩耗性に
は問題がないが、ローラ表面へのインクの付着が激し
く、インクの剥離性や耐汚性に劣るので、印刷すべき紙
を汚したり、ローラ表面の掃除に手間がかかる問題があ
ると同時に、メッキ処理の製造工程が煩雑で、生産コス
トが高くなるという問題がある。

【０００７】更に、メッキによりローラ外周に、ＣＦＲ
Ｐより比重の重い金属層を設けることになるので、慣性
モーメントが上がり、ＣＦＲＰ製ローラの特徴である低
慣性モーメントの効果が薄れてしまう。

【０００８】フッ素系樹脂やシリコン系樹脂を焼き付け
て表面に被膜を形成したローラでは、素管母材との強固
な密着力やインクとの良好な剥離性を有する被膜を形成
させるために、繊維強化樹脂を構成する樹脂の二次転位
点（Ｔｇ）より高い温度で焼き付け硬化させるが、この
ような高温での焼成は、ローラとしての強度、剛性を低
下させ、更にローラに変形をきたす問題があった。

【０００９】繊維強化樹脂を構成する樹脂のＴｇ未満の
温度で、焼き付け硬化させるフッ素系樹脂やシリコン系
樹脂を焼き付けたＣＦＲＰ製ローラも報告されている
が、このような方法で得たローラは、密着力や剥離性に
劣るものとなってしまう。

【００１０】また、フッ素系樹脂やシリコン系樹脂を焼
き付けて表面に被膜を形成したローラは、例えば、被処
理物が紙であった場合、被処理物とローラ表面の擦れに
より、焼き付け硬化させた被膜が削り取られてしまうこ
とがあり、耐摩耗性に問題があった。

【００１１】テフロンシュリンクチューブ被覆ＣＦＲＰ
製ローラは、チューブのコストが高く、且つ被処理物と
該ローラ表面の擦れにより、被覆したチューブが削れて
しまい耐摩耗性に問題があった。

【００１２】そこで、本発明の目的は、上記従来の各種
表面処理されたＣＦＲＰ製ローラの問題点を解消し、高
速回転が可能で、低慣性モーメントにより高速回転時の
追随性が良く、インクの剥離性や耐汚性が良好であり、
しかも被処理物との擦れに対する耐摩耗性に優れてお
り、高速処理が要求されている印刷機械、製紙機械、紙
加工機械等に適する安価なＣＦＲＰ製ローラを提供する
ことにある。

【００１３】

【課題を解決するための手段】上記した課題を解決する
ことができる本発明は、下記の構成からなる。

【００１４】本発明の炭素繊維強化樹脂複合材製ローラ
は、炭素繊維強化樹脂複合材料製素管の表面に、金属ア
ルコキシド加水分解溶液を適用し、縮重合反応して形成
された被膜を焼成して硬化被膜を形成してなることを特
徴とする。

【００１５】さらに好ましい本発明の炭素繊維強化樹脂
複合材製ローラは、炭素繊維強化樹脂複合材料製素管の
表面に、有機質材又は無機質材を分散させた金属アルコ
キシド加水分解溶液を適用し、縮重合反応して形成され
た被膜を焼成して硬化被膜を形成してなることを特徴と
する。

【００１６】前記した炭素繊維強化樹脂複合材（ＣＦＲ
Ｐ）製ローラにおいて、軸芯部材がＣＦＲＰ製素管の端
部からローラ外周面に露出しないように装着されている
ことを特徴とする。

【００１７】本発明の炭素繊維強化樹脂複合材製ローラ
は、インクの剥離性や耐汚性が良好であり、被処理物と
の擦れに対する耐摩耗性に優れている。

【００１８】

【発明の実施の形態】以下本発明を詳細に説明する。

【００１９】本発明の表面被膜を有するローラを図面を
用いて説明する。図１は本発明のＣＦＲＰ製ローラの軸
方向断面図を示した概念図である。図２は図１における
Ａ−Ａ′断面図を示した概念図である。図１、図２にお
いて、１はＣＦＲＰ製素管、２は被膜、３は軸芯部材を
それぞれ示す。

【００２０】図１のＣＦＲＰ製ローラにおいて、ＣＦＲ
Ｐ製素管１の外周部に被膜２を有する。この被膜２はＣ
ＦＲＰ製素管１の外周全面を覆っている。ＣＦＲＰ製素
管１の両端部には軸芯部材３が装着されている。この軸
芯部材３はＣＦＲＰ製素管１の内側に没入するように装
着され、ＣＦＲＰ製素管１の外周面近辺に露出しないこ
とが好ましい。これは軸芯部材３がＣＦＲＰ製素管１の
外周部近辺に露出していると、印刷ローラとして使用し
たとき、軸芯部材３に付着した印刷インク等がローラ汚
染の原因になるからである。

【００２１】次に本発明に係わるＣＦＲＰ製素管１につ
いて説明する。高強度、高弾性の炭素繊維を用い、その
繊維に熱硬化性樹脂を含有させ加熱硬化して素管基体を
成形する。素管基体には、アクリロニトリル系重合体繊
維、ピッチ系繊維を用いることができ、通常のよく知ら
れた方法で、焼成して素管基体を製造することができ
る。特にアクリロニトリル系繊維を原料として得られ
た、所謂アクリル系炭素繊維が好ましい。又、必要に応
じてガラス繊維やアラミド繊維を併用することができ
る。熱硬化性樹脂には、エポキシ樹脂で代表される通常
の炭素繊維との複合材として汎用されている熱硬化性樹
脂が使用できる。

【００２２】素管基体における炭素繊維と熱硬化性樹脂
の比は、炭素繊維の体積含有率（Ｖｆ）で５０％以上が
好ましく、特に好ましくは、６０％以上である。素管基
体の作成方法には、一般的なシートワインディング法、
フィラメントワインディング法、引き抜き成形法等種々
な方法が挙げられ、特に限定するものではない。

【００２３】このようにして成形されたＣＦＲＰ製素管
基体は、一般的にローラの長さを決めるために所定の寸
法で切断され、ヘッダー或いはジャーナル等の軸芯部材
３が取り付けられる。その後、ＣＦＲＰ製素管１の表面
が研磨加工され、塗工工程に持ち込まれる。

【００２４】本発明におけるＣＦＲＰ製素管１の表面に
一体的に形成させた被膜２は、ゾル−ゲル法の被膜生成
プロセスを利用して形成されている。

【００２５】金属アルコキシド加水分解溶液は、酸化物
をつくるための原料化合物、加水分解用の水、溶媒用の
アルコール類、触媒の酸又は塩基等を混合して均質溶液
として調製される。酸化物を作るための原料化合物とし
てはケイ素、アルミニウム、チタン、ジルコニウム等の
金属アルコキシド、アセチルアセトナト、酢酸塩等の有
機金属化合物、硝酸塩などの無機塩などを使用する。

【００２６】尚、金属アルコキシド加水分解溶液中に有
機質材又は無機質材を分散させることにより形成される
被膜内がハイブリット化される。例えば、有機質材に
は、フッ素系樹脂、エポキシ樹脂、ポリアミド樹脂等が
挙げられ、有機質材の形態は、粒子（フッ素系樹脂、ポ
リアミド樹脂等）、溶液（エポキシ樹脂等）を用いるこ
とができる。無機質材には、アルミナ、ジルコニア、シ
リカ等が挙げられる。

【００２７】この金属アルコキシド加水分解溶液は縮重
合反応を起こし、酸化物微粒子又は高分子が分散した液
体のゾルとなる。このゾルをスプレーガンにてＣＦＲＰ
製素管１の表面に塗布した後、更に反応を進めるため加
熱し、粒子をつなげ乾燥ゲルとする。このときの加熱温
度は、繊維強化樹脂を形成する樹脂のＴｇ未満の温度で
可能である。ゾルからゲルになる縮重合反応では、側鎖
修飾型の合成反応が進み、特に、アルキルオキシシラン
系化合物を用いた場合には、乾燥ゲルは分子レベルでガ
ラスに類似した強固な三次元網目構造を形成する。

【００２８】側鎖修飾型硬化被膜は、高硬度で且つ耐汚
性を特徴とする。したがって、前述の通り、金属アルコ
キシド加水分解溶液中に有機質材又は無機質材を分散さ
せハイブリット化させた溶液を用いることにより、側鎖
修飾型硬化被膜の特徴に加え、さらに別の機能、特徴を
持たせることが可能となる。例えば、ローラ表面とイン
クとの剥離性を良好とするために、フッ素系樹脂、シリ
コーン系樹脂等を添加分散させるとよい。また、被処理
物との擦れに対して良好な耐摩耗性をローラ表面に付与
するために、高硬度無機材料である、アルミナ、シリカ
等を添加分散させるとよい。

【００２９】金属アルコキシド加水分解溶液を塗布する
には、例えば、スプレーガンを用いＣＦＲＰ製素管１表
面に塗装することができる。厚めに塗装したい場合は一
度塗装後、数分放置し再度塗装を行う。所定厚さの塗装
が完了した後、溶媒成分であるアルコール類を揮発させ
るため、数時間放置し、その後、加熱により反応を進
め、被膜を焼成させる。このときの加熱温度は、繊維強
化樹脂を構成する樹脂のＴｇ未満の温度で可能である。

【００３０】

【実施例】以下に本発明を具体的に説明する。実施例に
おける各種測定方法を以下に示す。 （１）対水接触角の測定方法 ローラと同一条件にて平板を作製したモデルにより接触
角を測定する。 （２）動摩擦係数の測定方法 ５００ｒｐｍにて回転しているローラ表面に線圧１０ｇ
／ｃｍ² の圧力にて新聞紙を押圧した時の摩擦力を測定
し、両面間の法線力との比として算出する。 （３）被膜硬度測定方法 ＪＩＳ Ｋ５４００に規定の鉛筆硬度試験法を用いる。 （４）被膜の密着強度測定方法 カッターナイフにて１１本のスリットを１ｍｍピッチに
て、縦横に刻み基盤目を形成し、粘着テープを張り付け
た後引き剥がす、メッキ及び塗膜のテストに用いられる
所謂基盤目試験法を採用する。 （５）ローラの振れ ローラ両端の軸芯をＶ字ブロックに乗せ、回転させたと
きのローラ中央の変位をダイヤルゲージにて測定する。

【００３１】被膜を有するＣＦＲＰ製ローラの製造 エポキシ系樹脂を含浸させた炭素繊維プリプレグシート
をシートワインディング法にて、外径８８ｍｍのマンド
レルに積層した後、収縮テープを巻き付け、加熱硬化さ
せてＣＦＲＰ製素管を成形した。このときＣＦＲＰを構
成する樹脂のＴｇは１５０℃であった。

【００３２】その後、ＣＦＲＰ製素管の長さを１８００
ｍｍの寸法で切断し、鉄製のジャーナルを接着し、その
後、ＣＦＲＰ製素管を円筒研磨機にて研磨加工した。得
られたＣＦＲＰ製素管の寸法は、外径９９．９６ｍｍ、
面長１８００ｍｍ、全長２０１０ｍｍであった。

【００３３】この後、ＣＦＲＰ製素管の表面を除塵及び
脱脂処理した後、アルキルオキシシランの加水分解溶液
２５部、メタノール２５部、酢酸ブチル１０部、酢酸５
部、ブタノール１５部、アルミナ５部、シリカ１０部、
酸化チタン５部、酸化鉄１０部、フッ素系樹脂２部を配
合した加水分解液をスプレーガンにより、ローラ基体表
面に厚さ２０μｍ塗装し、５時間放置後１１０℃雰囲気
の炉内に１時間投入し、縮重合反応を進め、素管表面に
被膜を形成した。

【００３４】得られた被膜が形成されたＣＦＲＰ製ロー
ラは、内径８８ｍｍ、外径１００ｍｍ、長さ１８００ｍ
ｍであった。

【００３５】このようにして製作されたローラの表面特
性を調べるべく、対水接触角を測定したところ、θ＝７
８°であり剥離特性の面で良好な性能を有していた。ま
た、新聞紙との動摩擦係数は０．１０であった。更に耐
汚性を調べるべく、ローラ表面に印刷用インクを塗布し
た後、布ウエスで拭き取ったところ、インクによる汚れ
は残らなかった。更に、被膜硬度は鉛筆硬度試験におい
て、硬度８Ｈ以上であり、紙の搬送用ロールやガイドロ
ールの表面特性として十分な硬度を有していた。

【００３６】被膜の密着強度は基盤試験に合格し、ＣＦ
ＲＰ製素管とは強固に密着していることを確認した。な
お、このローラの振れの変化はなかった。

【００３７】本実施例の被膜を形成したＣＦＲＰ製ロー
ラを印刷機械のガイドローラとして使用したところ、ロ
ーラ表面にインクの付着がなくなり、紙の汚れや掃除の
問題がなくなった。又、同一寸法のＣＦＲＰ製素管表面
にクロムメッキをしたローラより、慣性モーメントが低
いため追随性に優れていた。更に表面硬度が硬いため、
フッ素系又はシリコン系樹脂焼き付けローラやテフロン
シュリンクチューブ被覆ローラのように、紙とローラ表
面の擦れによるローラ表面の削れがなく、耐摩耗性にも
優れたローラであった。

【００３８】

【発明の効果】本発明の金属アルコキシド加水分解溶液
を縮重合反応させて被膜を形成したＣＦＲＰ製ローラ
は、以下の特徴を有する。 （１）ローラ表面へのインクの付着がなくなり、被処理
物へのインクの転写汚れがなくなるとともに掃除の手間
が省ける。 （２）ローラ表面が剥離性良好なため、粘着性のある処
理物を処理する場合に容易に剥離できる。 （３）動摩擦係数が低く且つ表面硬度が硬いため、フッ
素系又はシリコン系樹脂焼き付けＣＦＲＰ製ローラやテ
フロンシュリンクチューブ被覆ＣＦＲＰ製ローラに比べ
て、耐摩耗性に優れる。 （４）クロムメッキ処理したＣＦＲＰ製ローラに比べ
て、慣性モーメントが低いためスピードへの追随性に優
れる。 （５）製造工程が、クロムメッキ処理ＣＦＲＰ製ローラ
のように煩雑でなく、フッ素系又はシリコン系樹脂焼き
付けＣＦＲＰ製ローラと同様で工程が簡単であり、且つ
テフロンシュリンクチューブのような高価な材料を使わ
ないため、生産コストが安く経済性に優れる。 （６）表面に被膜を形成させる温度が低いため、ローラ
精度及び強度、剛性の特性を損ねることがない。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明のＣＦＲＰ製ローラの軸方向断面図を示
した概念図。

【図２】図１におけるＡ−Ａ′断面図を示した概念図。

【符号の説明】

１ ＣＦＲＰ製素管 ２ 被膜 ３ 軸芯部材

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 炭素繊維強化樹脂複合材料製素管の表面
   に、金属アルコキシド加水分解溶液を適用し、縮重合反
   応して形成された被膜を焼成して硬化被膜を形成してな
   ることを特徴とする炭素繊維強化樹脂複合材製ローラ。
2. 【請求項２】 炭素繊維強化樹脂複合材料製素管の表面
   に、有機質材又は無機質材を分散させた金属アルコキシ
   ド加水分解溶液を適用し、縮重合反応して形成された被
   膜を焼成して硬化被膜を形成してなることを特徴とする
   炭素繊維強化樹脂複合材製ローラ。
3. 【請求項３】 請求項１又は２記載の炭素繊維強化樹脂
   複合材製ローラにおいて、軸芯部材が炭素繊維強化樹脂
   複合材料製素管の端部から外周面に露出しないように装
   着されていることを特徴とする炭素繊維強化樹脂複合材
   製ローラ。