JP2010274369A - 繊維強化砥石 - Google Patents

Abstract

【課題】原料の混練および成形加工時の作業性を阻害することがなく容易に製造することができ、高強度・高耐衝撃吸収性・高耐久性が付与された繊維強化砥石を提供すること。
【解決手段】砥粒と短繊維と結合剤により構成される研削砥石であって、該短繊維の配合量が０．５〜３０重量％、単糸繊維径が２０〜１２０μｍ、繊維長が０．８〜１５ｍｍ、引張強度が１５ｃＮ／ｄｔｅｘ以上および引張弾性率が３５０ｃＮ／ｄｔｅｘ以上、密度が１．５ｇ／ｃｍ^３以下である繊維強化砥石とする。
【選択図】なし

Description

本発明は耐久性および耐衝撃性に優れた繊維強化研削砥石に関するものである。

従来より砥粒を結合剤で固めた砥石には、チッピングや割れ等の損傷発生を防ぐ為に、補強材としてガラスファイバー、セラミックスファイバーやカーボンファイバー等が用いられており、砥石自身にある程度の柔軟性、屈曲性および耐久性等を持たせていた。

具体的には、「ディスク状砥石」（特開２００１−２６００３７号公報）、「オンラインロール研削用短繊維強化砥石」（特開平１−３０１０７１号公報）、及び「研削砥石」（特開平６−７１５６８号公報、特開平７−１１６９６２号公報）に開示され、ガラス繊維、セラミックスファイバー、炭素繊維、およびポリアミド繊維などを使用することが教示されており、これらの繊維を使用して補強を行うことにより砥石の耐久性、耐衝撃性等の機械的特性を向上させることが可能になっている。

しかしながら、補強用繊維が長繊維で織物状や不織布シートといった場合、砥石成形時に結合材が完全に繊維間に含浸されず、繊維間に残留した小さな気泡が膨張して砥石中で大きな気泡となり結合強度を下げるばかりでなく、チッピングや割れ等の損傷が発生し、砥石を最後まで使い切ることが出来ないという問題があった。

上記の補強用繊維を短繊維として使用する場合、補強効果を充分に発現させるためには、砥石中の繊維の１本１本が均一に分散して存在し、周囲の砥粒と結合剤を介して強固に結合していることが重要であるが、繊維本数を多くするために短繊維を細くすると砥粒と混練する際に、繊維のダマや分散不良物が多く残り、成形作業を阻害してしまうばかりか、結合剤が繊維間に完全に充填されずに空隙を多く含むことになり、性能が低下する。

その対策として繊維の分散をよくするために、集束剤を用いて５０〜５００本を束にした集束繊維にすることが行われている。（特開平７−３００７７３号公報、特開平８−３２５９４７号公報、特開平９−２７８５０３号公報等）
しかしながら分散性は良好なものの補強に寄与する短繊維本数は減り、繊維混入量に見合った補強効果を発現させることができないという問題があり、又集束繊維とするための工程が必要となり、コストの高いものとなっていた。

又炭素繊維の短繊維の場合は砥石中に分散させるための混練処理中に折れて短くなり、必要な長さが維持できないので期待通りの補強効果が得られなくなるという問題を有している。
こうした現状に鑑み集束繊維としなくとも混合時に繊維のダマや絡まりが少なく１本１本が均一に分散させることができる補強用繊維を含む繊維強化砥石が大いに望まれていた。

特開２００１−２６００３７号公報 特開平１−３０１０７１号公報 特開平６−７１５６８号公報 特開平７−１１６９６２号公報 特開平７−３００７７３号公報 特開平８−３２５９４７号公報 特開平９−２７８５０３号公報

集束繊維としなくとも混合時に絡まりが少ない補強用繊維を含む軽量で高強度・耐高衝撃吸収性・高耐久性の繊維強化砥石を提供する。

本発明者らは、鋭意検討を重ねた結果、砥石に特定の短繊維を含有させることで、上記問題点が解決できることを見出し、本発明を完成するに至った。

即ち、本発明によれば、
砥粒と短繊維と結合剤で構成される研削砥石であって、下記要件を満足する繊維強化砥石、
ａ）短繊維径が２０〜１００μｍ、短繊維長が０．８〜１５ｍｍの短繊維であること。
ｂ）短繊維の引張強度が１５ｃＮ／ｄｔｅｘ、引張弾性率が３５０ｃＮ／ｄｔｅｘ以上であること。
ｃ）短繊維の密度が１．５ｇ／ｃｍ^３以下であること。
又好ましくは短繊維がコポリパラフェニレン・３，４’−オキシジフェニレン・テレフタラアミド繊維である繊維強化砥石、
が提供される。

本発明の繊維強化砥石は、原料の混練および成形加工時の作業性を阻害することがなく容易に製造することができ、高強度、高耐衝撃吸収性、高耐久性が付与された切削砥石が提供される。

以下、本発明を詳細に説明する。
本発明でいう繊維強化砥石とは、砥粒と補強用繊維とを結合剤により結合させたものをさす。
本発明の繊維強化砥石に使用する砥粒としては、アルミナ、融解アルミナ、ホウ素、ダイヤモンド、立方晶窒化ホウ素、または融解ジルコニアが用いられる。砥粒は、砥石用仕込み全量に対し、砥粒を５０〜９７重量％、好ましくは５５〜８０重量％の範囲で使用する。５０重量％未満では砥粒が少なすぎて十分な研削力が得られず、また９７重量％を超える場合では、相対的に結合材料が少なく、砥粒を接着する十分な強度が得られず耐久性が乏しくなる。

本発明で使用する結合剤としては長石や陶石、耐火粘土等の無機質結合剤であるビトリファイドボンド、天然ゴムや合成ゴム等のゴム状結合剤であるラバーボンド、またはフェノール樹脂、エポキシ樹脂、メラミン樹脂、ポリイミド樹脂、不飽和ポリエステル樹脂などの熱硬化樹脂結合剤および芳香族ポリアミド樹脂、ポリアミドイミド樹脂、ポリカーボネート樹脂、ポリエーテルエーテルケトン樹脂等の熱可塑性樹脂結合剤であるレジノイドボンドが用いられる。

結合剤の使用量としては、通常、砥石用仕込み全量に対し、３〜５０重量％、好ましくは５〜４０重量％の範囲で使用する。３重量％未満では砥粒を接着する十分な強度が得られず、また、５０重量％以上では砥石としての研削力が不十分であるという問題が発生する。

本発明で使用する補強用繊維（単に繊維と呼ぶ場合がある）は、カーボン繊維、ガラス繊維、セラミック繊維、鋼繊維、アスベスト繊維等の無機繊維、アラミド繊維、ビニロン繊維、ポリプロピレン繊維、ポリエチレン繊維、ポリアリレート繊維、ポリベンズオキサゾール（ＰＢＯ）繊維、ナイロン繊維、ポリエステル繊維、ポリケトン繊維、アクリル繊維、塩化ビニル繊維、セルロース繊維、パルプ繊維等の有機繊維のいずれをも使用することができる。なかでもパラ型アラミドからなる繊維が他の繊維に比べて補強効果が大きいので好ましく、特にコポリパラフェニレン・３，４’オキシジフェニレン・テレフタラミド繊維は、耐薬品性に優れ、高温高圧下雰囲気中に長時間保持してもその機械的特性の劣化が小さく、高い強力保持率を有するので好ましい。

補強用繊維の繊維長としては０．８〜１５ｍｍ、好ましくは０．９〜１０ｍｍ、より好ましくは１〜６ｍｍで、繊維径は２０〜１２０μｍ、好ましくは３０〜１００μｍ、より好ましくは４０〜８０μｍのものを用いる必要がある。補強用繊維の繊維長が０．８ｍｍ未満及び繊維径が１２０μｍを超える場合、繊維が均一に分散するものの、砥石との接着が不足して耐久性に乏しい。一方、繊維長が１５ｍｍを超えたり繊維径が２０μｍ未満であれば、繊維同士の絡まりが発生し均一に繊維が砥石中で存在せず十分な補強効果が得られない場合がある。

補強用繊維の引張強度は１５ｃＮ／ｄｔｅｘ以上、より好ましくは２０ｃＮ／ｄｔｅｘ以上、および引張弾性率は３５０ｃＮ／ｄｔｅｘ以上、より好ましくは５００ｃＮ／ｄｔｅｘ以上である必要がある。繊維の引張強度が１５ｃＮ／ｄｔｅｘ、および引張弾性率が３５０ｃＮ／ｄｔｅｘ未満では、所定の補強効果を得るために繊維添加量を増やさなければならず、繊維の分散性低下を招く場合があるので好ましくない。

又補強用繊維の強度、引張弾性率が上記の範囲の場合繊維一本一本が硬いため混合時にからまりにくく砥石中に良好に分散する。逆に引張強度及び引張弾性率が上記の範囲を外れる場合、繊維径、繊維長が適正でも砥粒と繊維を混合する時繊維同士が絡まり易くなり、補強効果が低下する。

補強用繊維の密度は１．５ｇ／ｃｍ^３以下であることが望ましい。従来使用されているガラス繊維と同繊維径および同繊維長の短繊維を砥石中に同重量混入する場合、繊維本数は多くすることができ且つより優れた強化性能が発現する。

砥石への補強用短繊維の添加量は砥石仕込み全量に対して、０．５〜３０．０重量％の範囲であり、好ましくは１．０〜２０．０重量％、より好ましくは２．０〜１０．０重量％である。補強用短繊維の添加量が０．５重量％未満では補強性能が劣り、一方、３０．０重量％を超える場合は繊維が砥石中で均一に分散せず、繊維間に残留した小さな気泡が膨張して砥石中で大きな気泡となり結合強度を下げるばかりでなく、チッピングや割れ等の損傷が発生してしまう。

本発明の切削用砥石の製造方法としては、結合剤がレジノイドボンドの場合、通常のレジノイド砥石と同様の製造方法で得られるが、結合剤、砥石、補強用繊維を所定の攪拌機で混練し、得られた原料を成形金型に詰め、高温に加熱して硬化を行う熱間成形法（ホットプレス法）により製造できる。このとき、結合剤の接着性を良好にする場合は、準熱間成形法（セミホットプレス法）を行うことが好ましい。これにより、耐衝撃性、耐久性に優れた繊維補強砥石を得ることができる。

以下に実施例および比較例を挙げて本発明をより具体的に説明する。
なお、実施例における各種の評価は、次のようにして測定した。

（１）繊維長
ＪＩＳ−Ｌ−１０１５に準拠して測定した。

（２）繊維強化砥石の原料混練性と繊維分散性
粉末フェノール樹脂（住友ベークライト株式会社製）５００ｇ、砥粒（炭化珪素）１０００ｇ、及び短繊維を、アイリッヒミキサー（日本アイリッヒ株、Ｒ−０２タイプ、容量：５Ｌ）を用いて３０００ｒｐｍの撹拌速度で約１分間混練して得られた砥石原料の混練性について、繊維同士の絡まりが無く且つ成形時における金型充填作業等を阻害しないときは良好とし、繊維の絡まりが有りまた成形時の作業を阻害するときは不良とした。

（３）繊維強化砥石の曲げ強度、および衝撃吸収性
縦１３０ｍｍ×横１３０ｍｍの成形金型に上記で得られた混合物を１７０ｇ充填した後、所定のプレス装置を用いて１１０℃、１ｔｏｎ、５分間のセミホットプレスで成形した。この後成形金型から脱型し、さらに２００℃、５時間で焼成した。このようにして得られた成形品を、ダイヤモンドカッターを用いて幅１０ｍｍ×高さ４ｍｍ×長さ８０ｍｍに切り出し、繊維強化砥石の供試体を作成した。
曲げ強度測定について、上記供試体をＩＳＯ １７８ ３点曲げ測定法に準拠して測定した。すなわち、１０トン用引張圧縮試験機（ＴＯＹＯ ＢＡＬＤＷＩＮ社製、ＵＮＩＶＥＲＳＡＬ ＴＥＳＴＩＮＧ ＩＮＳＴＲＵＭＥＮＴ ＭＯＤＥＬ ＵＴＭ １０ｔ）を用い、支点間距離６４ｍｍの中心を２ｍｍ／ｍｉｎの速度で圧縮し、応力の最高点より曲げ強度を求めた。
また、衝撃吸収性について、上記供試体をＪＩＳ−Ｋ−７７０１ シャルピー衝撃強さの試験に準拠して測定した。すなわち、シャルピー衝撃試験機（東洋精機製、ＤＧ−ＣＢ型）を用い、試験片の中心を２．０Ｊ用振り子の打撃刃先端が接触するように試験片を設置して測定を行い、衝撃エネルギーの値は、振り子の振り下ろす前の位置エネルギーと試験片破壊後に残された振り子のエネルギーの差から求めた。
衝撃吸収性とし、曲げ強度４ｋｇ／ｍｍ^２以上で且つ衝撃吸収エネルギー３ｋＪ／ｍ^２以上を良好とし、曲げ強度４ｋｇ／ｍｍ^２または衝撃吸収エネルギー３ｋＪ／ｍ^２未満を不良とした。

［実施例１］
表１に示す配合割合で繊維強化砥石を調整し、短繊維としてアラミド繊維（帝人テクノプロダクツ株式会社製「テクノーラ」（密度１．３９ｇ／ｃｍ^３、繊維径４５μｍ、長さ３ｍｍ、引張強力２４．５ｃＮ／ｄｔｅｘ、引張弾性率５６０ｃＮ／ｄｔｅｘ）を使用した。繊維強化砥石の原料混練性、曲げ強度、および衝撃吸収性測定を行い、評価結果を表２に示す。

［実施例２〜５、比較例１〜９］
実施例１において、繊維強化砥石の配合割合、短繊維種、短繊維の重量混入率、繊維径、繊維長、引張強力および引張弾性率を表１に示す通り変更して繊維強化砥石を調整し、繊維強化砥石の原料混練性、曲げ強度、および衝撃吸収性測定を行い、評価結果を表２に示す。

本発明の繊維強化砥石は原料の良好な混練性および成形時の作業性を阻害することなく、繊維は均一に分散している。また得られた供試体は、作用応力が増加しても急激な繊維の破断は生じず、曲げ応力も低下することがなく、該繊維強化されていない砥石に比べ優れた耐久性、耐衝撃性が認められた。また、三点曲げ試験において、曲げ応力が３ｋｇ／ｍｍ^２、衝撃吸収エネルギー３ｋＪ／ｍ^２以上であることが明らかである。

本発明の繊維補強砥石は材料の混練性に優れ、成形時の施工性を阻害しない。又、優れた衝撃吸収性を有し、耐久性の高い砥石を提供することができるので、砥石を欠損することなく、最後まで使い切ることができる。

Claims (3)

1. 砥粒と短繊維と結合剤により構成される研削砥石であって、下記要件を満足することを特徴とする繊維強化砥石。
   ａ）短繊維の単糸繊維径が２０〜１２０μｍ、短繊維長が０．８〜１５ｍｍの短繊維であること。
   ｂ）短繊維の引張強度が１５ｃＮ／ｄｔｅｘ以上、引張弾性率が３５０ｃＮ／ｄｔｅｘ以上であること。
   ｃ）短繊維の密度が１．５ｇ／ｃｍ^３以下であること。
   ｄ）短繊維の配合量が砥石全重量に対して０．５〜３０重量％であること。
2. 短繊維がアラミド繊維である請求項１記載の繊維強化砥石。
3. アラミド繊維がコポリパラフェニレン・３，４’−オキシジフェニレン・テレフタルアミド繊維である請求項１に記載の繊維強化砥石。