JP2010123452A - 炭素繊維混抄自由抵抗シート及びその製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】発熱シートの面積抵抗値を細かく自由自在に変更することができ、また炭素繊維のムラの発生に起因する発熱シート自体の電気抵抗及び温度特性の不安定性を無くし、且つ強度的にも優れた炭素繊維混抄自由抵抗シート及びその製造方法を提供する。
【解決手段】ピッチ系炭素繊維及び／又はＰＡＮ（ポリアクリロニトリル）系炭素繊維と、パルプ繊維シートとから成る炭素繊維混抄の発熱シート１に、導電性ペーストを規則的な配列パターンとなって印刷する。
【選択図】図１

Description

本発明は、床暖房用、施設園芸用、寝具、健康器具といったものから、融雪、水道管等の凍結防止、保温用等、幅広い用途に使用するための炭素繊維混抄自由抵抗シート及びその製造方法に関する。

従来、この電気加熱装置として使用される面状発熱体としては、特許文献１に開示されているように、パルプ繊維に、ピッチ系炭素繊維及び／又はＰＡＮ（ポリアクリロニトリル）系炭素繊維を混ぜて抄紙して形成してなる軽量で取扱いが容易、かつ消費電力も少ない炭素繊維混抄紙による発熱シートが利用されている。

そして、この炭素繊維混抄紙に給電するために、当該炭素繊維混抄紙の辺に沿って導電性の帯状の銀ペーストが互いに対向するように配され、導電性の接着剤が塗布された銅箔テープからなる電流供給用電極層が銀ペースト上に接着されている。

このような発熱シートは、炭素繊維混抄紙に含まれる炭素繊維の状態及び／又は炭素繊維混抄紙の形状に合わせて、電極の配設位置、形状、個数、種類等を調節することによって、電気抵抗値を調節することができ、所望の温度に発熱シートを昇温させることができるものとなっている。しかも、パルプ繊維の紙質によっても大きく抵抗値が変わる。

例えば、特許文献２に開示されているように、炭素繊維混抄紙は、面積抵抗値を高くするため、左右の電極同士の間隔が長く、例えば縦横の比率が約１：２の横長矩形状となって切断形成され、この炭素繊維混抄紙が隙間を介して縦方向に沿って５枚連設されている。この際、炭素繊維混抄紙には紙目が形成され、紙目方向に沿って炭素繊維が配向される。そのため、紙目方向と、これに直交する方向とで電気抵抗値が異なっている。ここで、炭素繊維混抄紙の各辺は、紙目方向と平行又はこれに直交するように矩形状に形成されている。この場合、紙目方向の電気抵抗値は最も低く、紙目方向と直交する方向の電気抵抗値は最も高い。そして、一対のペースト電極が、例えば炭素繊維混抄紙の紙目方向に直交する両辺に沿って配される。
特許第２９０３２１９号公報 実用新案登録第３１４４３８４号公報

しかしながら、従来においては、炭素繊維混抄の度合い、すなわち炭素繊維密度に応じて各１種類の面積抵抗値の発熱シートしか作成できないことから、当該面積抵抗値を変える場合には、炭素繊維密度を変えるか、あるいは電極の配設位置、形状、個数、種類等を調節するか等によって新たに発熱シートを製造しなければならず、このため、製造コストが嵩むものとなっていた。

また、パルプ繊維に、ピッチ系炭素繊維及び／又はＰＡＮ（ポリアクリロニトリル）系炭素繊維を混ぜて抄紙形成する際に、炭素繊維をパルプ繊維に均一に分散させることが非常に困難であり、開繊させるために長時間攪拌させると各繊維が不定寸法に折れて安定した電気抵抗及び温度特性が得られず、しかも各繊維が折れて繊維同士の絡みが弱くなり、強度的にも欠点が生じる虞がある。

さらに、炭素繊維の長さが３ｍｍ未満の場合には、他の炭素繊維又はパルプ繊維との絡みが弱くなり、１０ｍｍを超える場合には、パルプ繊維への分散性が低下し、炭素繊維のムラを生じると共に電気抵抗及び温度特性が不安定となる虞も生じる。

そこで、本発明は、叙上のような従来存した諸事情に鑑み案出されたもので、特許第２９０３２１９号の発熱シートの製造を基にして作成された発熱シートの面積抵抗値を細かく自由自在に変更することができ、また炭素繊維のムラの発生に起因する発熱シート自体の電気抵抗及び温度特性の不安定性を無くし、且つ強度的にも優れた炭素繊維混抄自由抵抗シート及びその製造方法を提供することを目的とする。

上述した課題を解決するため、本発明に係る炭素繊維混抄自由抵抗シートにあっては、ピッチ系炭素繊維及び／又はＰＡＮ（ポリアクリロニトリル）系炭素繊維と、パルプ繊維シートとから成る炭素繊維混抄の発熱シートに、導電性ペーストを規則的な配列パターンとなって印刷して成ることを特徴とする。

炭素繊維混抄自由抵抗シートには、少なくとも対向する２個のペースト電極が印刷され、該ペースト電極に沿って金属箔の補助電極が接着されている。

導電性ペーストには、金ペースト・銀ペースト・銅ペースト・ニッケルペースト・アルミペースト・カーボンペーストのいずれかを使用している。

一方、本発明に係る炭素繊維混抄自由抵抗シートの製造方法にあっては、ピッチ系炭素繊維及び／又はＰＡＮ（ポリアクリロニトリル）系炭素繊維と、パルプ繊維シートとから成る炭素繊維混抄の発熱シートを形成するシート形成工程と、当該発熱シートに、金ペースト・銀ペースト・銅ペースト・ニッケルペースト・アルミペースト・カーボンペーストのいずれかの導電性ペーストを規則的な配列パターンとなってシルク印刷もしくはオフセット印刷する印刷工程と、印刷後の発熱シートに、少なくとも対向する２個のペースト電極がシルク印刷もしくはオフセット印刷され、該ペースト電極に沿って金属箔の補助電極を接着する電極形成工程とから成ることを特徴としている。

本発明によれば、特許第２９０３２１９号の発熱シートの製造を基にして作成された発熱シートの面積抵抗値を細かく自由自在に変更することができ、また炭素繊維のムラの発生に起因する発熱シート自体の電気抵抗及び温度特性の不安定性を無くし、且つ強度的にも優れた炭素繊維混抄自由抵抗シート及びその製造方法を提供することができる。

すなわち、本発明に係る炭素繊維混抄自由抵抗シートにあっては、ピッチ系炭素繊維及び／又はＰＡＮ（ポリアクリロニトリル）系炭素繊維と、パルプ繊維シートとから成る炭素繊維混抄の発熱シートに、導電性ペーストを規則的な配列パターンとなって印刷して成るので、従来のように面積抵抗値を変える度に、新たに発熱シートを製造する必要が無くなり、特許第２９０３２１９号の発熱シートの製造を基にして作成された発熱シートに導電性ペーストを規則的な配列パターンとなって印刷するだけで、発熱シートの面積抵抗値を細かく自由自在に変更することができる。しかも、導電性ペーストは印刷によりムラの無い規則的な配列パターンを有していることから、電気抵抗及び温度特性の安定性が担保される。

また、炭素繊維混抄自由抵抗シートには、少なくとも対向する２個の電極が印刷され、該電極に沿って金属箔の補助電極が接着されているので、発熱シートにおける発熱温度を安定化させることができる。また、従来の電極として導電性ペーストのみの使用では、電極の電気抵抗が電極間（発熱シート）の電気抵抗よりも少なくなると電極自身が発熱するという虞があったが、この点も防止することができる。

導電性ペーストには、金ペースト・銀ペースト・銅ペースト・ニッケルペースト・アルミペースト・カーボンペーストのいずれかを使用しているので、軽量で且つ機械的強度にも優れ、少ない消費電力で安定した状態で所望の温度に暖めることができる炭素繊維混抄自由抵抗シートが得られる。

本発明に係る炭素繊維混抄自由抵抗シートの製造方法にあっては、ピッチ系炭素繊維及び／又はＰＡＮ（ポリアクリロニトリル）系炭素繊維と、パルプ繊維シートとから成る炭素繊維混抄の発熱シートを形成するシート形成工程と、当該発熱シートに、金ペースト・銀ペースト・銅ペースト・ニッケルペースト・アルミペースト・カーボンペーストのいずれかの導電性ペーストを規則的な配列パターンとなってシルク印刷もしくはオフセット印刷する印刷工程と、印刷後の発熱シートに、少なくとも対向する２個のペースト電極がシルク印刷もしくはオフセット印刷され、該ペースト電極に沿って金属箔の補助電極を接着する電極形成工程とから成るので、特許第２９０３２１９号の発熱シートの製造を基にして作成された当該発熱シートの面積抵抗値を細かく自由自在に変更することができ、また炭素繊維のムラの発生に起因する発熱シート自体の電気抵抗及び温度特性の不安定性を無くし、且つ強度的にも優れた炭素繊維混抄自由抵抗シートを低コストで容易に製造することができる。

以下、図面を参照して本発明を実施するための最良の一形態を詳細に説明する。
本発明に係る炭素繊維混抄自由抵抗シートＰは、図１（ａ）乃至（ｃ）に示すように、パルプ繊維シートによる基材に、ピッチ系及び／又はＰＡＮ（ポリアクリロニトリル）系の炭素繊維を混抄させる、特許第２９０３２１９号に開示された技術による例えば面積抵抗４５Ω、厚さ約９５μｍの発熱シートの製造を基にして作成された当該発熱シート１の全面（片面もしくは両面）に、導電性ペーストを規則的な任意の配列パターンとなってシルク印刷（もしくはスクリーン印刷）した印刷部分２を形成して構成されている。尚、このシルク印刷に替わって例えばオフセット印刷や、その他の種々の印刷技術を採用しても良い。

すなわち、ピッチ系炭素繊維及び／又はＰＡＮ（ポリアクリロニトリル）系炭素繊維は、長さ３ｍｍ以上、５ｍｍ未満又は長さ５ｍｍ以上、１０ｍｍ以下の長さを有する繊維となっており、この炭素繊維がパルプ繊維シート中に所定の比率で分散含有されている。

また、発熱シート１の製造に使用されるパルプ繊維シートとして、例えば攪拌機によって紙目無しの状態に形成されたパルプ繊維シートを使用しても良い。この場合、パルプ繊維シートとしては、例えば針葉樹、広葉樹等の木材繊維、綿、カボック等の種子毛繊維、三椏、楮、雁皮、桑、黄麻、亜麻、大麻、芋麻、ラミー等の靱皮繊維、マニラ麻、サイザル麻等の葉繊維及び稲わら、モミガラ、竹、バガス、エスパルト等のカ本科繊維等から成る群の１種又は２種以上より選択される植物パルプが使用される。尚、前記植物パルプに合成パルプを混合して用いることも可能であるが、経済性、強度の点から植物パルプ単独の使用が望ましい。

また、紙目を出さないための攪拌機としては、上記した植物パルプを、例えばパルパー等の公知の攪拌機により、水に約２０〜３０分間回流させて撹拌させる方法が採られる。このとき、水流中での激しいバイブレーションで層流無しの乱流状態とすることで、パルプ繊維同士の絡みが進行し、紙目の無い状態が容易に得られるのである。そして、公知の円網式抄紙機（ヤンキーマシン）、長網抄紙機等により所望の厚さ及び坪量に抄造する。

また、炭素繊維混抄自由抵抗シートＰにおいて、電極部分は、該炭素繊維混抄自由抵抗シートＰに少なくとも対向する例えば銀ペースト等の２個のペースト電極３をシルク印刷し、該ペースト電極３に沿って、例えば銅箔等の金属箔による補助電極４を接着させることにより、炭素繊維混抄自由抵抗シートＰの発熱温度を安定化させる。また、従来の導電性ペーストのみの使用では、電極の電気抵抗が、電極間（炭素繊維混抄自由抵抗シートＰ）の電気抵抗よりも少なくなると電極自身が発熱するという虞があったが、この点も防止することができる。

ここで炭素繊維混抄自由抵抗シートＰに少なくとも２個のペースト電極３とは、当該ペースト電極３が対向しておれば、２箇所でもそれ以上でもよく、炭素繊維混抄自由抵抗シートＰ自身の大きさ及び形状に応じて、なるべく電気抵抗値を少なくするように設計するこができることである。

例えば、長方形の炭素繊維混抄自由抵抗シートＰの両端辺に前記ペースト電極３を貼着し、前記両端辺より等距離の位置になるよう１個のペースト電極３を貼着することで、電極間の距離を狭くし、電極間の電気抵抗を少なくすることにより、より高温度な発熱温度を保持することができる。

前記印刷部分２の導電性ペーストとしては、例えば金ペースト、銀ペースト、銅ペースト、ニッケルペースト、アルミペースト等を好ましく挙げることができる。また前記補助電極４の金属箔としては、例えばアルミ、銅、ニッケル、ステンレル等を好ましく挙げることができる。

シルク印刷に使用されるシルクスクリーン（パターンシルク印刷版）の作成には、印刷部分２を形成するための任意の配列パターンの図柄を切り抜いた紙やフィルムに、目の粗い薄絹のスクリーンを貼り合わせる。これによって導電性ペーストによるインクの通る部分と通らない部分が区分されるので、あとはそれを版として発熱シート１の上に載せて、適量の導電性ペーストによるインクをヘラ（スキージー）で伸ばして行けばよい。この方法で精緻な図柄を作る場合には、あらかじめ溶剤を一様に塗布したスクリーンから、図柄となる部分を熱や薬液で溶して「孔」を作り、版の「孔」の部分を通過したカーボンインクが図柄となるようにする。

また、パルプ繊維シートにシルク印刷される導電性ペーストの印刷部分２の具体的な形状と配列パターとしては、当該印刷部分２が均等に配列された形状であれば如何なる配置でもかまわない。しかし、均等に並んだ形状の１つの模様は左右上下が均等となる必要がある。

例えば、図１（ａ）に示すように、発熱シート１に、例えば約０．１ｍｍ〜３ｍｍ程度の範囲の長さを有する棒状の導電性ペーストによる印刷部分２が直列となって且つ一列ごとに位相をずらして印刷形成される。

あるいは、図１（ｂ）に示すように、上記と略同じ長さの棒状の導電性ペーストによる印刷部分２がクロス状となって互いに並設されたり、図１（ｃ）に示すように、約０．１ｍｍ〜３ｍｍ程度の直径を有するドット状の導電性ペーストによる印刷部分２が均一密度状態となって配列される。この他、種々の形状と配列パターンによる印刷部分２の形成が考えられる。

次に、以上のように構成された最良の形態についての製造方法の一例について説明する。

図２に示すように、先ず、特許第２９０３２１９号に開示された技術によるシート形成工程Ａにおいて、パルプ繊維シートによる基材に、ピッチ系及び／又はＰＡＮ（ポリアクリロニトリル）系の炭素繊維を混抄させ、例えば面積抵抗４５Ω、厚さ約９５μｍの発熱シート１の製造する。

具体的には、長さ８ｍｍのＰＡＮ（ポリアクリロニトリル）系炭素繊維０．１２５ｇ、マニラパルプ１．１８８ｇ及びクラフトパルプ（Ｎ−ＢＫＰ）０．９０ｇを試験用小型ミキサーに水と共に投入し、約１０秒間、混合撹拌して、各成分を分散させる。次いで、長さ４ｍｍのＰＡＮ（ポリアクリロニトリル）系炭素繊維０．１２５ｇを添加し、再び約１０秒間混合撹拌を行う。得られた分散液を２５０ｍｍ×２５０ｍｍの大きさのタッピマシンに流し込み、秤量３５ｇ／ｍ^２に抄造した後、乾燥ドラムに通過させて、面積抵抗４５Ω、厚さ約９５μｍの発熱シート１を得る。

印刷工程Ｂにおいて、発熱シート１に、導電性ペーストによる印刷部分２を施す。このとき、印刷部分２は、導電性ペーストを規則的な所定の配列パターンとなるようにシルク印刷により形成する。

具体的には、得られた発熱シート１の片面全体または両面全体を、シルクスクリーン（パターンシルク印刷版）を使用して、シルク印刷する。

このシルクスクリーン（パターンシルク印刷版）は、図１（ａ）に示すように、紙やフィルムに例えば約０．１ｍｍ〜３ｍｍ程度の範囲の長さを有する棒状の「孔」を直列で且つ一列ごとに位相をずらした状態となって図柄を形成しておき、この図柄を切り抜いてから、目の粗い薄絹のスクリーンを貼り合わせて作成される。これによってカーボンインクの通る部分と通らない部分が区分されるので、あとは、それを版として発熱シート１の上に載せて、適量の導電性ペーストによるインクをヘラ（スキージー）で伸ばして行けばよい。

このとき、図１（ｂ）に示すように、上記と略同じ長さの棒状の導電性ペーストによる印刷部分２がクロス状となって互いに並設されたり、図１（ｃ）に示すように、約０．１ｍｍ〜３ｍｍ程度の直径を有するドット状の導電性ペーストによる印刷部分２が均一密度状態となって配列されるようにしても良い。こうして、炭素繊維混抄自由抵抗シートＰが形成されるのである。

図２に示すように、電極形成工程Ｃにおいて、印刷後の発熱シート１である炭素繊維混抄自由抵抗シートＰに、少なくとも対向する２個の銀ペースト等のペースト電極３を貼着（印刷）し、次いで、該ペースト電極３に沿って銅箔等の金属箔による補助電極４を接着する。

すなわち、一対の補助電極４は、ペースト電極３よりも幅の狭い帯状の銅箔テープからなり、導電性の粘着面が片面に配されている。そして、補助電極４は、炭素繊維混抄自由抵抗シートＰの両面の各ペースト電極３と密着するようにして、ペースト電極３の幅方向中央部に配される。そのため、補助電極４の側縁とペースト電極３の側縁とは重ならずに離間した状態となっている。この一対の補助電極４は、複数の炭素繊維混抄自由抵抗シートＰが一対の主電極に対して電気的に並列となるように、各炭素繊維混抄自由抵抗シートＰを接続している。この際、各炭素繊維混抄自由抵抗シートＰは、一対の補助電極４の延びる方向に互いに一定の隙間が設けられるように離間して配されている。また、ペースト電極３、補助電極４、及び主電極は、それぞれの幅がこの順に狭くなるように形成されている。

コーティング工程Ｄにおいて、上記した構成による炭素繊維混抄自由抵抗シートＰ全体を、例えばポリエチレンテレフタレート（ＰＥＴ）等のポリエステル製フィルム、又はより耐熱性に優れたポリイミド製フィルム等の熱可塑性樹脂フィルムでラミネート加工して密封する。

こうして製造された炭素繊維混抄自由抵抗シートＰとして、例えば４つのパターンによる導電性ペーストの印刷部分２を１００ｍｍ×１００ｍｍの大きさの発熱シート１の片面または両面に形成した場合の電気抵抗値を測定して面積抵抗値を求め、その結果を図３に表形態で示してある。この場合、基準紙とは導電性ペーストによる印刷部分２が施されていない発熱シート１であり、電気抵抗値は４５Ωである。

例えば、２０平方ｍｍ中央に直径１ｍｍのドット状の導電性ペーストの印刷部分２が形成されている状態が繰り返された配列パターン（図１（ｃ）参照）の場合、片面印刷では面積抵抗値が４１．２５Ω、両面印刷では４２．５Ωとなる。

また、１０平方ｍｍ中央に直径１ｍｍのドット状の導電性ペーストの印刷部分２が形成されている状態が繰り返された配列パターンの場合、片面印刷では面積抵抗値が４０Ω、両面印刷では３７．５Ωとなる。

また、１０平方ｍｍ中央に直径２ｍｍのドット状の導電性ペーストの印刷部分２が形成されている状態が繰り返された配列パターンの場合、片面印刷では面積抵抗値が３７．５Ω、両面印刷では３５Ωとなる。

また、２０平方ｍｍ中央に直径４ｍｍのドット状の導電性ペーストの印刷部分２が形成されている状態が繰り返された配列パターンの場合、片面印刷では面積抵抗値が４０Ω、両面印刷では３７．５Ωとなる。

尚、本発明は、前記実施の形態に限定されるものではなく、本発明の目的を達成できる範囲での改良変形等は本発明に包含されるものである。

本発明を実施するための最良の形態における炭素繊維混抄自由抵抗シートの概略構成を示すもので、（ａ）は棒状の炭素繊維印刷部分が直列となって且つ一列ごとに位相をずらして印刷形成された状態の斜視図、（ｂ）は棒状の炭素繊維印刷部分がクロス状となって互いに並設された状態の斜視図、（ｃ）はドット状の炭素繊維印刷部分が均一密度状態となって配列された状態の斜視図である。 炭素繊維混抄自由抵抗シートの製造工程を示す説明図である。 ４つのパターンによる導電性ペーストの印刷部分を発熱シートの片面または両面に形成した場合の電気抵抗値を測定して求めた面積抵抗値の結果を表形態で示した図である。

符号の説明

Ｐ 炭素繊維混抄自由抵抗シート
Ａ シート形成工程
Ｂ 印刷工程
Ｃ 電極形成工程
Ｄ コーティング工程
１ 発熱シート
２ 印刷部分
３ ペースト電極
４ 補助電極

Claims (4)

1. ピッチ系炭素繊維及び／又はＰＡＮ（ポリアクリロニトリル）系炭素繊維と、パルプ繊維シートとから成る炭素繊維混抄の発熱シートに、導電性ペーストを規則的な配列パターンとなって印刷して成ることを特徴とする炭素繊維混抄自由抵抗シート。
2. 炭素繊維混抄自由抵抗シートには、少なくとも対向する２個のペースト電極が印刷され、該ペースト電極に沿って金属箔の補助電極が接着されている請求項１記載の炭素繊維混抄自由抵抗シート。
3. 導電性ペーストには、金ペースト・銀ペースト・銅ペースト・ニッケルペースト・アルミペースト・カーボンペーストのいずれかを使用している請求項１または２記載の炭素繊維混抄自由抵抗シート。
4. ピッチ系炭素繊維及び／又はＰＡＮ（ポリアクリロニトリル）系炭素繊維と、パルプ繊維シートとから成る炭素繊維混抄の発熱シートを形成するシート形成工程と、当該発熱シートに、金ペースト・銀ペースト・銅ペースト・ニッケルペースト・アルミペースト・カーボンペーストのいずれかの導電性ペーストを規則的な配列パターンとなってシルク印刷もしくはオフセット印刷する印刷工程と、印刷後の発熱シートに、少なくとも対向する２個のペースト電極がシルク印刷もしくはオフセット印刷され、該ペースト電極に沿って金属箔の補助電極を接着する電極形成工程とから成ることを特徴とした炭素繊維混抄自由抵抗シートの製造方法。

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