JP2004262716A - ガラスレンズ成形型材 - Google Patents

Abstract

【課題】ガラスレンズ成形用の鋳型として好適な成形型材を提供する。
【解決手段】ガラス状カーボンと気相成長炭素繊維との複合体からなることを特徴とするガラスレンズ成形型材。なお、複合体中の気相成長炭素繊維の割合は０．５体積％以上、３．０体積％未満であり、複合体の焼成温度は１４００〜２３００℃、更に、複合体は高純度化処理されたものであることが好ましい。
【選択図】 なし

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、光学ガラスを溶融し、プレス成形してレンズを製造する際に用いるガラスレンズ成形用の型材に関する。
【０００２】
【従来の技術】
光学ガラスは、原料ガラス塊を加熱して軟化、溶融し、次いで、軟化溶融物を鋳型に入れて、先ずガラスブランクスが作製される。ガラスブランクスは目標形状に対し大まかな形状に成形された素材であり、引き続き研削、研磨して所定の形状および面精度に仕上げ加工されて製造されている。
【０００３】
例えば、光学用のガラスレンズは、先ず大まかなレンズ形状に成形したレンズブランクスを作製し、このレンズブランクスを研削、研磨して表面の傷やシェアマークなどを除去し、更に研磨により所定の面精度に仕上げられる。
【０００４】
すなわち、レンズ製作は、通常、ガラス原料の調合、溶融、流量調節、切断、プレス成形、徐冷などの工程によりレンズブランクスを製造し、レンズブランクスをダイヤモンド研削（荒ずり）、ラッピング（砂掛け）、研磨の３段階の工程を経て製作される。
【０００５】
ダイヤモンド研削工程ではダイヤモンドペレットでガラス表面を破砕して、大きな傷や小泡の集まりであるシェアーマークなどを深く研削して除去している。ラッピング工程はダイヤモンド研削とは異なり、遊離砥粒で研削して表面の面粗さを細かく調整するものである。最後の研磨工程では酸化セリウムなどの細かい砥粒により表面の傷を全て除去し、鏡面に仕上げられる。すなわち、ガラスレンズの製作は多くの工程を必要とする。
【０００６】
このガラスレンズの成形方法として、特許文献１にはレンズ形状に成形する鋳型のキャビテイ壁が高い表面性能と高い表面精度を有するガラス状カーボンから形成した鋳型を使用する方法が提案されている。この方法によれば成形したレンズは、その後の研削作業や研磨作業を必要とせず、安価に経済的にレンズを製造することが可能になるとしている。
【０００７】
ガラス状カーボンは、熱硬化性樹脂を非酸化性雰囲気下で加熱し、焼成炭化して得られる、材質全体が巨視的に無孔組織の三次元網目構造を呈するガラス質の緻密な硬質炭素物質であり、表面平滑性に優れ、強度が高く、化学的安定性、ガス不透過性に優れ、また耐摩耗性や堅牢性も高く、種々の用途分野において有用されている。
【０００８】
例えば、特許文献２には磁気ヘッドなどとして好適な摺接部品を得るためのガラス状カーボン複合材料の製造方法が、特許文献３には機械的、電気的、熱力学的および電気化学的特性に優れた炭素成形体としてアモルファス炭素９７〜２０重量％と、気相成長炭素繊維３〜８０重量％とを含む複合炭素成形体が開示されている。
【０００９】
また、特許文献４には平均気孔径３０μｍ以下、気体透過量０．０１〜２０ｍｌ／ｈｒ．ｃｍ．ｍｍＡｑの組織特性を備えるガラス状カーボン材からガラス成形用カーボン治具が開示されている。これは、溶融ガラスの容器や下敷プレートなどの治具として使用する多孔性ガラス状カーボン材に関するものである。すなわち、これらの特許文献２〜４は、いずれもガラスレンズ成形用の型を意図したものではない。
【００１０】
【特許文献１】
特公昭５４−３８１２６号公報
【特許文献２】
特公平６−６６３号公報
【特許文献３】
特開２００２−２０１７９号公報
【特許文献４】
特開平４−２１９３３２号公報
【００１１】
【発明が解決しようとする課題】
上述のように、特許文献１にはガラスレンズ成形鋳型としてガラス状カーボンで形成した鋳型が開示されている。しかしながら、ガラス状カーボンは金属などに比べると靱性が低いため、プレス成形時の衝撃により端部にチッピングが発生したり、破損することがある。また、使用回数を重ねるに従い鋳型表面に傷が発生し、この傷がレンズ面に転写されることから、使用不可となる場合があり、耐久性の面で課題が残されていた。
【００１２】
そこで、本発明者らはガラス状カーボンの有する優れた特性を生かしつつ、ガラスレンズ成形用の鋳型としてより好適な材質特性を備える成形型材の開発について種々検討した結果、ガラス状カーボンの材質強度や硬度を向上させることにより、ガラスレンズ成形用の型材として成形時の割れ発生や傷の発生を効果的に抑制できることを見出した。
【００１３】
すなわち、本発明はこの知見に基づいて開発されたもので、その目的はガラスレンズ成形用の鋳型として好適な成形型材を提供することにある。
【００１４】
【課題を解決するための手段】
上記の目的を達成するための本発明に係るガラスレンズ成形型材は、ガラス状カーボンと気相成長炭素繊維との複合体からなることを構成上の特徴とする。また、複合体中の気相成長炭素繊維の割合は０．５体積％以上、３．０体積％未満であり、複合体は熱硬化性樹脂に気相成長炭素繊維を混合し、混合物を成形硬化した後、非酸化性雰囲気中で１４００〜２３００℃の温度で焼成した複合炭素であり、更に、複合体は高純度化処理されたものであることが好ましい。
【００１５】
【発明の実施の形態】
ガラス状カーボンは熱硬化性樹脂を焼成炭化して得られる無定形で均質緻密な組織を備える高強度の炭素質材料である。気相成長炭素繊維はＦｅ、Ｃｏ、Ｎｉなどの金属の微粒子を触媒として、炭化水素ガスを熱分解して得られるもので、例えば１０ｎｍ前後の鉄微粒子を触媒として、ベンゼン蒸気やメタンガスを１１００℃付近の温度で熱分解して得られ、網面が繊維軸に平行に配向して年輪状を呈し、極めて高い引張り強さおよび引張り弾性率を有している。
【００１６】
本発明のガラスレンズ成形型材は、このガラス状カーボンと気相成長炭素繊維との複合体からなることを特徴とし、この複合体は強度、硬度などの材質特性に優れ、またガラス状カーボン特有の緻密で表面が平滑な性状を備えている。
【００１７】
すなわち、高強度および高硬度の材質特性により、ガラスレンズ成形型とした場合にプレスの衝撃によるチッピングや割れの発生を抑止し、また型表面への傷も付き難くなるという効果がもたらされる。一方、緻密で表面平滑な材質性状から、溶融ガラスとの濡れ性が低く、反応性も殆どなく、冷却固化したガラスとの離型性に優れた性能が発揮される。
【００１８】
この場合、複合体中の気相成長炭素繊維の割合は、０．５体積％以上、３．０体積％未満に設定される。複合体の作製は、ガラス状カーボンに転化する熱硬化性樹脂の前駆体に気相成長炭素繊維を混合して成形硬化し、焼成炭化することにより行われるが、気相成長炭素繊維の混合量を増加するにつれ熱硬化性樹脂前駆体の粘度が増大するために均一に混合することが難しく、均質組織の複合体が得ることが困難となる。更に、組織中に気泡が残存して焼成炭化時に割損し易く、また組織中にポアが残存するために成形型材とした場合に微量のガラスが付着して型面に傷が生じ易く、ガラスレンズ成形型材として不適なものとなる。
【００１９】
そのため、本発明のガラスレンズ成形型材は複合体中の気相成長炭素繊維の割合は３．０体積％未満に設定する。なお、気相成長炭素繊維の複合割合が少ない場合には十分な複合効果が得られないので、複合割合は０．５体積％以上に設定される。
【００２０】
また、本発明のガラスレンズ成形型材は、熱硬化性樹脂の前駆体に気相成長炭素繊維を混合して、混合物を所定形状に成形し、硬化した成形体を焼成炭化することにより得られるが、焼成炭化は非酸化性雰囲気中で１４００〜２３００℃の温度で熱処理することにより行われる。混合は、より均一な混合物を得るために例えば、３本ロールのような大きな剪断力がかかる混練機を用いることが好ましく、また混合物中に気泡が残らないように真空脱泡処理を施すことが好ましい。なお、熱硬化性樹脂としては、ガラス状カーボンの製造に常用されるフェノール系樹脂、フラン系樹脂、ポリイミド系樹脂などが用いられる。
【００２１】
ガラスレンズ成形型材としては、当然不純物が少なく、高純度であることが必要であり、複合体は高純度化処理されたものであることが好ましいことになる。高純度化処理は、例えば、焼成炭化時にハロゲン系のガス雰囲気中で２０００℃程度の温度で熱処理することにより行うことができる。
【００２２】
このように、本発明のガラス状カーボンと気相成長炭素繊維との複合体からなるガラスレンズ成形型材によれば、高強度および高硬度の材質特性によりチッピングや割れの発生が抑止され、型表面への傷も付き難く、更に、緻密で表面平滑な材質性状から、溶融ガラスとの濡れ性が低く、反応性も少なく、冷却固化したガラスとの離型性に優れた性能が付与される。
【００２３】
【実施例】
以下、本発明の実施例を具体的に説明する。
【００２４】
実施例１
熱硬化性樹脂としてフェノール樹脂（住友デュレズ株製、ＰＲ５０００１Ｅ）に平均径０．１５μｍ、平均長さ１５μｍの気相成長炭素繊維（昭和電工株製、ＶＧＣＦ）を０．５、１．０、１．５，２．５、３．０体積％の割合で添加し、３本ロールにて混合した後、２００ｍｍ角、深さ５０ｍｍのポリプロピレン製のバットに流し込んだ。バットを真空装置に入れて、５Ｔｏｒｒの真空下に、３０℃の温度で１０時間脱泡処理した。次いで、電気オーブンにより９０℃の温度で４８時間加熱して２００ｍｍ角、厚さ７ｍｍの成形体を得、成形体を黒鉛板で挟んだ状態で、１５０℃の温度で４８時間熱処理して、硬化処理した。
【００２５】
この硬化成形体をアルゴンガス雰囲気に保持された加熱炉に移し、２０００℃の温度で炭化処理して、ガラス状カーボンと気相成長炭素繊維との複合体を作製した。この複合体から３．０ｍｍ×４．０ｍｍ×５０ｍｍの試験サンプルを切り出して、曲げ強度、ヤング率、ビッカ−ス硬度を測定した。また、１０ｍｍφ×４．５ｍｍの試験サンプルを切り出して、１０ｍｍφの表面を鏡面研磨して、５μｍ以上のポアの存在を１００倍の顕微鏡で観測した。得られた結果を表１に示した。
【００２６】
【表１】

【００２７】
表１から、気相成長炭素繊維を複合しないガラス状カーボンのみの比較例に比べて、ガラス状カーボンと気相成長炭素繊維の複合体からなる実施例１−１〜１−５は、曲げ強度、ヤング率およびビッカース硬度が著しく高くなることが分かる。なお、気相成長炭素繊維の複合割合が３．０体積％の実施例１−５ではポアが多くなる傾向が認められる。
【００２８】
実施例２
実施例１と同じ方法により、気相成長炭素繊維を１．０体積％の割合で混合した硬化成形体を１０００℃、１４００℃、２０００℃、２３００℃の温度で炭化して、ガラス状カーボンと気相成長炭素繊維との複合体を作製した。これらの複合体について、下記の方法で溶融ガラスとの濡れ性を比較した。得られた結果を表２に示した。
濡れ性試験；
高温濡れ性・個体接触角測定装置を用い、静止液滴法によりガラスとの接触角を測定した。ガラスにはＴａＦ−３（Ｔｇ＝６８０℃、比重４．６５）を使用して、接触角測定は窒素雰囲気中、温度９００℃で行った。また、接触角を測定したサンプルの表面をＳＥＭ観察して、ガラスとの反応性を観察した。
【００２９】
実施例３
実施例２−３と同じ方法で複合体を作製し、但し、２０００℃の温度で炭化する際に窒素をキャリアーとして塩化水素ガスを流して高純度化処理を行い、作製した複合体について、実施例２と同じ方法で溶融ガラスとの濡れ性を測定した。得られた結果を表２に併載した。
【００３０】
【表２】

【００３１】
表２から、溶融ガラスとの濡れ性が低く、ガラスとの反応性もなく、ガラス離型性に優れていることが分かる。なお、焼成温度が１０００℃および２３００℃の実施例２−１、２−４の場合には、微細なガラスの付着が認められ、離型性が若干低下する傾向がみめられる。なお、高純度化処理を施した実施例３では、ガラスとの濡れ性が更に低くなる傾向が認められる。
【００３２】
【発明の効果】
以上のとおり、本発明のガラス状カーボンと気相成長炭素繊維との複合体からなるガラスレンズ成形型材によれば、高強度および高硬度の材質特性によりチッピングや割れの発生が抑止され、型表面への傷も付き難い。更に、緻密で表面平滑な材質性状から、溶融ガラスとの濡れ性が低く、反応性も少なく、冷却固化したガラスとの離型性に優れ、ガラスレンズ成形用の鋳型として好適な成形型材を提供することができる。

Claims (4)

1. ガラス状カーボンと気相成長炭素繊維との複合体からなることを特徴とするガラスレンズ成形型材。
2. 複合体中の気相成長炭素繊維の割合が、０．５体積％以上、３．０体積％未満である請求項１記載のガラスレンズ成形型材。
3. 複合体が熱硬化性樹脂に気相成長炭素繊維を混合し、混合物を成形硬化した後、非酸化性雰囲気中で１４００〜２３００℃の温度で焼成した複合炭素である請求項１または２記載のガラスレンズ成形型材。
4. 複合体が高純度化処理されたものである請求項１、２または３記載のガラスレンズ成形型材。