JP2011099171A - 繊維基材及びこの繊維基材を用いた樹脂製歯車 - Google Patents
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Abstract
【解決手段】短繊維の凝集体を集積して所定の形状に形成されている繊維基材である。この繊維基材は、媒体に、その凝集体を生成する濃度になるように短繊維を分散させ、当該短繊維の凝集体を生成した後に、所定形状に抄造することにより製造される。好ましくは、短繊維の分散濃度が、6g/リットル以上であり、媒体中における直径が3mm以上になった凝集体を含んだ状態で抄造する。
【選択図】 図1
Description
また、熱硬化性樹脂と短繊維の補強繊維を主成分とする抄造シートをプレス抜きした、抄造紙シート素形体を複数枚積み重ねて、成形金型内で加熱加圧成形する樹脂製歯車の製造法が、特許文献2記載されている。
また、特許文献4には、短繊維の集積体として、抄造法により得られる円筒状に継ぎ目なく形成された補強用繊維基材を成形金型内で加熱加圧成形する樹脂製歯車の製造法が開示されている。
また、湿式抄造法における補強繊維の形態は、短繊維が収束した繊維束の状態が一般的である。これを分散及び/又は混合するために、大量の水を使用している。このため、タンク等の大きな製造設備が必要となる。また抄造工程で発生した排水を処理する設備も必要となる。
(1)短繊維の凝集体を集積して所定の形状に形成されていることを特徴とする繊維基材。
(2)短繊維としてアラミド繊維短繊維を含むことを特徴とする請求項1記載の繊維基材。
(3)項(1)又は(2)に記載の繊維基材に樹脂が保持され歯部が形成された樹脂製歯車。
(4)媒体に、その凝集体を生成する濃度になるように短繊維を分散させ、当該短繊維の凝集体を生成した後に、所定形状に抄造することを特徴とする繊維基材の製造法。
(5)短繊維の分散濃度が、6g/リットル以上であることを特徴とする請求項4記載の繊維基材の製造法。
(6)媒体中における直径が3mm以上になった凝集体を含んだ状態で抄造することを特徴とする繊維基材の製造法。
(7)媒体が水であり、アラミド繊維短繊維を含む短繊維を抄造する項(4)から(6)のいずれかに記載の繊維基材の製造法。
具体的には、短繊維の凝集体が発生する濃度(アラミド短繊維使用時:6g/リットル)に調整し、短繊維の凝集体を意図的に発生させて抄造した繊維基材を作製することによって、積層状態の配向とは異なる繊維配向を有した繊維基材を得ることが可能になる。
更に、排水処理の際は、界面活性剤等の薬品の処理が不要であるので、排水処理設備にかける投資を抑制できる効果もある。
本発明にて用いる媒体は、短繊維を分散可能であり、使用する短繊維に対して、性状を悪化させないものでれば、特に限定されるものではなく、有機溶媒、有機溶媒と水との混合物、水等を用いることができ、特に経済的で、環境への負荷が少ない、水を使用することが好ましい。
有機溶媒を用いる場合には、安全面に充分注意し、メタノール、エタノール、アセトン、トルエン、ジエチルエーテル等の有機溶媒を使用することも可能である。
本発明に用いる短繊維は、融点、又は分解温度が、250℃以上の短繊維からなるものが好ましい。このような短繊維を用いることで、成形時の成形温度や加工温度、実使用時の雰囲気温度において、短繊維が熱劣化を起こすことなく、耐熱性に優れた繊維基材又は樹脂製歯車とすることができる。このような短繊維としては、パラ系アラミド繊維、メタ系アラミド繊維、炭素繊維、ガラス繊維、ボロン繊維、セラミック繊維、超高強力ポリエチレン繊維、ポリケトン繊維、ポリパラフェニレンベンゾビスオキサゾール繊維、全芳香族ポリエステル繊維、ポリイミド繊維、及びポリビニルアルコール系繊維から選ばれた、少なくとも1種以上の短繊維を使用することが好ましく、特に、パラ系アラミド繊維と、メタ系アラミド繊維との混合繊維を用いた場合には、耐熱性、強度、樹脂成形後の加工性のバランスが優れている。
また、上記繊維の単繊維繊度(太さ)は、好ましくは、0.1〜5.5dtex、より好ましくは、0.3dtex〜2.5dtexの範囲である。0.1dtex未満の場合、製糸技術上困難な点が多く、断糸や毛羽が発生して良好な品質の繊維を使用することが困難なだけでなく、コストが高くなり好ましくない。5.5dtexを越えると、繊維の強度低下が、徐々に大きくなるため好ましくない。
短繊維の長さは、特に限定されるものではないが、好ましくは、1〜12mm、より好ましくは、2〜6mmである。繊維長が1mm未満の場合、短繊維の凝集体を形成するのが、徐々に困難になり好ましくない。繊維長さが、12mmを越えると、短繊維の絡み合いが大きすぎて均一な地合形成が困難になるだけでなく、水に分散させた短繊維を抄造圧縮装置に移送する配管内で、徐々に短繊維による詰まりが発生し易くなり好ましくない。
そのため、樹脂成形体に含まれる短繊維の割合は、強度があり、短繊維が確実に充填され、しかも樹脂の含浸を阻害しない範囲を選択することが好ましく、35〜45体積%が、特に好ましい。
本発明にて述べる短繊維の分散濃度は、濃度:6g/リットル以上であり、好ましくは、10g/リットル以下である。繊維長を2mmより短くした場合、分散濃度を10g/リットルより高濃度化することが可能であるが、樹脂製歯車の機械特性が低下する。また、短繊維の繊維長を6mmより長くした場合は、分散濃度6g/リットルより低濃度でも短繊維の凝集体を発生させること可能であるが、短繊維の繊維束をほぐして解離することが困難になる。
本発明にて述べる短繊維の凝集体の径は3mm以上が好ましい。凝集体の径が3mmより小さくなっていくと、凝集体を意図的に発生させて抄造した繊維基材を用いた樹脂製歯車に発生したクラックが凝集体部分で不規則に折れ曲り進行する亀裂の折れ曲がり量が少なくなり、積層配向に沿ったクラックの進行スピードとの差がなくなるため、樹脂製歯車の耐久性に差が無くなっていく。
本発明にて述べる樹脂製歯車は、繊維基材に樹脂を含浸硬化させ、歯車形状に成形したものであれば、特に限定されるものではない。より具体的には、歯車を回転させる回転軸に嵌合する金属製ブッシュと、この金属製ブッシュの周囲に配置される歯部とを有するものを、好適に使用することができる。
図1は、模式的に示した本発明の1実施例である樹脂製歯車の縦断面図である。この樹脂製歯車1は、図示しない回転軸を中心にして回転する金属製ブッシュ2を備えている。金属製ブッシュ2の中央部には、図示しない軸が嵌合される貫通孔3が形成されている。
また、金属製ブッシュ2の外周部には、複数の回り止め部を構成する突出部4Aが、周方向に所定の間隔をあけて一体に形成されている。この間隔は、適宜決定されるものであるが、金属製ブッシュ2の中心部から見て、等角度間隔に設けることで、抜けに対する強度を均一にすることができる。
尚、金属製ブッシュ2は、軸が一体に形成されているものでもよい。
回転方向への負荷に耐える回り止め部の作用を高めるためには、図2に示すように、回り止め部となる突出部4Aは、少なくとも高さh1の突出部4Aと二つの突出部4A間に形成されて高さh2の底部を有する凹部4Bとが交互に配列されたものが好ましい。このようなアンダーカットの形状を持ち、角度θが、5〜40°の突出部4Aを用いると、後述する繊維基材5内に、回り止め部としての複数の突出部4Aが完全に埋まった状態となり、両者間の機械的結合の強度を充分なものとすることができる。尚、隣り合う二つの突出部4A間に形成される凹部4B内に繊維基材5の一部が入ることによっても、前述の機械的強度は当然にして増加する。
歯部は、先に述べた金属製ブッシュの外周に配置される。先に説明した図1を用いて、より具体的に述べると、1つの繊維基材5が、金属製ブッシュ2の外周部4の外側の位置に、外周部4に嵌った状態で配置されている。そして、繊維基材5は、樹脂が含浸され且つ樹脂が硬化して形成された樹脂成形体6となる。歯部は、この樹脂成形体6の外周に形成される。
繊維基材5は、図3に概略的に示すように、抄造と圧縮を連続して行うことができる抄造圧縮装置7を用いて、金属製ブッシュ2の外周部4の外側位置に繊維集積体8を形成し、この繊維集積体8を、金属製ブッシュ2を回転させる回転軸(図示省略)の軸線方向に圧縮することにより形成される。
図3(A)に示すように、抄造圧縮装置7で用いる金型は、圧縮動作時に繊維集積体8(図3(B)参照)が金属製ブッシュ2の径方向外側に広がるのを規制する筒状金型9と、この筒状金型9の内部に配置されて、金属製ブッシュ2の外周部よりも内側に位置する部分を軸線方向の両側から挟み且つ圧縮動作時に繊維集積体8が、金属製ブッシュ2の径方向内側に広がるのを規制する一対のブッシュ支持用金型10及び11と、筒状金型9と一対のブッシュ支持用金型10及び11の間に位置して、圧縮動作時に繊維集積体8を軸線方向両側から挟んで圧縮する一対の圧縮用金型12及び13を備えている。
そして下側となる圧縮用金型13では、繊維集積体8に含まれる水の透水性を付与するために、排水を行う貫通孔14が形成されている。この貫通孔14には、図示を省略する真空吸引するポンプを取付けると、排水を短時間で完了することができ好ましい。尚、この例では、排水時の短繊維流出防止のために、下側の圧縮用金型13の上面に、底部材15が配置されている。
この底部材15には、金網を使用でき、そのメッシュサイズを、10〜250メッシュとすることが好ましい。250メッシュより大きくなると、徐々に水と短繊維の濾過抵抗が大きくなり、金型の内部に入れた短繊維を含む後述のスラリーを、ポンプで吸引して水分を金型から排水させ、短繊維と水の分離を行う時間が長くなり、製造サイクルが長くなる。また、10メッシュより小さいと、繊維長が長い短繊維を使用しても網目(貫通孔)が大きいために短繊維の多くが、水と共に流出してしまう。そのために、繊維集積体8の繊維密度が著しく低下してしまう問題が発生する。
尚、本明細書にて用いるメッシュサイズは、JIS G 3555に規定されるものに順ずる。
一対のブッシュ支持用金型10及び11は、金属製ブッシュ2の外周部よりも内側に短繊維が入り込まないように、金属製ブッシュ2の外周部よりも内側に位置する部分を、筒状金型9の中心線が延びる方向の両側から挟んで支持する。図3に示す例では、下側のブッシュ支持用金型11、上側のブッシュ支持用金型10、下側の圧縮用金型13、上側の圧縮用金型12、及び筒状金型9はそれぞれ単独で上下に移動可能に構成されている。
金属製ブッシュ2を一対のブッシュ支持用金型10及び11の間に挟む場合には、図3(A)に示すように、上側のブッシュ支持用金型10が上方向に移動する。そして金属製ブッシュ2を下側のブッシュ支持用金型11の上に位置決めした後に、図3(B)に示すように、上側のブッシュ支持用金型10を下方向に移動して、一対のブッシュ支持用金型10及び11の間に金属製ブッシュ2を挟持する。
前述の抄造圧縮装置7で用いる金型であれば、一対の圧縮用金型12及び13で繊維集積体8を圧縮した場合に、金属製ブッシュ2の径方向の内側及び外側の両方向に短繊維が膨出するのを確実に阻止することができる。
下側の圧縮用金型13に設けた複数の貫通孔14から水分を排出した後、図3(C)に示すように、金属製ブッシュ2が、一対の圧縮用金型12と13の間の中央に位置する状態となる位置まで、上側の圧縮用金型12を下降させる。その後、図3(D)に示すように、金属製ブッシュ2が一対の圧縮用金型12及び13の中央に位置する状態で、一対の圧縮用金型12及び13をそれぞれ移動させ、繊維集積体8が所定の厚みとなるまで圧縮する。尚、圧縮を行う時間、温度は、使用する短繊維の種類によって任意であるが、前記圧縮の際、上側の圧縮用金型12にヒータを取り付け、加熱した状態で圧縮することにより、抄造後の繊維基材に含まれる水分を取り除く時間を短縮することができるとともに、圧縮後の繊維基材5の厚みの経時変化を抑えることができる。好ましくは使用する溶媒、本例では水の沸点以上の温度100〜180℃で、0.5〜10分間圧縮することにより、厚みの経時変化のほとんど無い繊維基材5を得ることができる。
また、前記圧縮の際、下側の圧縮用金型13の貫通孔14から真空吸引した状態で圧縮することにより、抄造後の繊維基材に含まれる水分を取り除く時間を短縮することができる。
更に、金属製ブッシュ2の外周部4に設けた回り止め部(図1に示す突出部4A)と樹脂部の結合を強固たるものとするためには、回り止め部は頂部の厚さが厚く基部の厚さが薄いアンダーカット形状であり、金属製ブッシュ2の横断面に対する角度が5〜40°、好ましくは、10〜35°であるものが効果的である。これは外径方向への抜け阻止に作用するものである。
上記アンダーカット形状を有した回り止め部を構成する突出部4Aは、焼結法で成形すれば、精度よく設計どおりに作ることができる。突出部4Aの最適構造は、たとえば外径60mmの樹脂製歯車の場合、突出部(山)の数が30であり、突出部の間に形成される凹部すなわち谷部分の数は29である。なおこれらの数は、樹脂製歯車の径や厚さ、歯の構造に応じて適宜変更される。
繊維基材5又は繊維集積体8を形成するために用いる短繊維の種類は前述したように、種々のものを用いることができる。そして短繊維の長さは、好ましくは1〜12mmであり、より好ましくは2〜6mmである。繊維長が1mm未満の場合、繊維同士の絡みが少なくなり、短繊維の凝集体の発生が困難になるだけでなく、樹脂成形体の機械特性が低下する。また、繊維長が12mmを超えると、短繊維の凝集体の発生は容易になるが、繊維束を水中で解離し分散させるときに、繊維束の解離が困難になる。
図4に示すように、繊維基材5を備えた樹脂製歯車成形用半加工品16を、金型17内に配置した後に、金型17に液状樹脂を注入して繊維基材5に樹脂を含浸させ、その後硬化させて、樹脂成形体を備えた樹脂製回転体を成形する。金型17は、固定金型18と、この固定金型18の中心に配置されて上下方向に変位する移動金型19と、この移動金型19と対になって金属製ブッシュ2を挟持する上金型20とを備えている。
このようにして成形した樹脂製回転体の樹脂成形体の外周部に機械加工を施して歯を形成すれば樹脂製歯車を得ることができる。また外周面に沿って溝を形成すれば、プーリを得ることができる。
繊維基材5に含浸させる樹脂としては、熱硬化性樹脂、熱可塑性樹脂等の何れでも良く、エポキシ樹脂、ポリアミノアミド樹脂、フェノール樹脂、不飽和ポリエステル樹脂、ポリイミド樹脂、ポリエーテルサルフォン樹脂、ポリエーテルエーテルケトン樹脂、ポリアミドイミド樹脂、ポリアミド樹脂、ポリエステル樹脂、ポリフェニレンサルファイド樹脂、ポリエチレン樹脂、ポリプロピレン樹脂等から選ばれた1以上の樹脂と、選択された樹脂の種類に応じた硬化剤とを組み合わせたものが使用できる。
これらの中でも、樹脂硬化物の強度、耐熱性等の点からポリアミノアミド樹脂が好ましく、耐熱性、強度が優れる2,2’−(1,3フェニレン)ビス2−オキサゾリンとアミン硬化剤の混合物100質量部に対し、触媒には硬化促進剤として、例えば、n−オクチルブロマイドを5質量部以下からなる樹脂を使用することが好ましい。尚、この触媒を5質量部を超えて添加すると、硬化時間が短くなって、繊維基材5に樹脂が充分含浸される前に樹脂が硬化してしまうため、樹脂含浸不良の問題が発生し易くなる。
[実施例1]
スラリーを製造するために、短繊維の分散濃度が、8g/リットルとなる量の水を満たしたタンクを用意する。そしてこのタンク内に、樹脂成形体中の短繊維総量が40体積%となる量の短繊維を入れる。具体的には、短繊維として、単繊維繊度:1.7dtex、繊維長:3mm長のパラ系アラミド短繊維(帝人株式会社製「テクノーラ(帝人株式会社商標)」)を45質量%と、単繊維繊度:2.2dtex、繊維長:3mm長のメタ系アラミド短繊維(帝人株式会社製「コーネックス(帝人株式会社商標)」)を50質量%、そしてデュポン株式会社製「ケブラー(デュポン株式会社商標)パルプ」をフリーネス値:300mlまでフィブリル化処理した微細繊維:5質量%となる量をそれぞれ投入する。次に攪拌機でタンク内の水を攪拌し短繊維を分散させ、短繊維の凝集体を発生させる。短繊維の凝集体の径が4mmに成長するまで攪拌を継続する。
そして、図3(B)に示すように、上側のブッシュ支持用金型10を下方向に移動して、一対のブッシュ支持用金型10及び11の間に金属製ブッシュを挟持する。ここで、下側の圧縮用金型13の位置は、金属製ブッシュ2の軸方向中央から底部材15上面までの距離が40mmとなる位置とした。この抄造圧縮装置7内に、分散させた短繊維を含むスラリーを充填する。そして、真空吸引をして下側の圧縮用金型13に設けた複数の貫通孔14から水を排水することにより、短繊維と水を分離して円筒状の繊維集積体8を得る。なお排水時に貫通孔14より短繊維が流出するのを防止するために、下側の圧縮用金型13上には底部材15を配置した。この底部材15としては金属製100メッシュの金網を用いた。
スラリーを製造するために、短繊維の分散濃度が、4g/リットルとなる量の水を満たしたタンクで短繊維を分散させ、短繊維の凝集体の発生していないスラリーを使用する以外は実施例1と同様にして樹脂製歯車を作製した。
モータリング耐久寿命:下記表1に示す試験条件により歯元応力を変化させて樹脂製歯車を連続回転させ、樹脂製歯車が破壊するまでの総回転数を測定した。
図5の横軸は総回転数を示しており、縦軸は歯元に加わる歯元応力を示している。図5から分かるように、歯元応力が大きい場合でも、また小さい場合でも、同じ歯元応力が歯元に加わっている場合には、常に比較例1のほうが、少ない総回転数で破壊に至っている。このことから、本発明に係る樹脂製歯車は、短繊維の凝集体の発生する濃度に調整し、短繊維の凝集体を意図的に発生させて抄造した繊維基材を使用することにより、モータリング耐久寿命が大幅に向上することが理解できる。
Claims (7)
- 短繊維の凝集体を集積して所定の形状に形成されていることを特徴とする繊維基材。
- 短繊維としてアラミド繊維短繊維を含むことを特徴とする請求項1記載の繊維基材。
- 請求項1又は2に記載の繊維基材に樹脂が保持され歯部が形成された樹脂製歯車。
- 媒体に、その凝集体を生成する濃度になるように短繊維を分散させ、当該短繊維の凝集体を生成した後に、所定形状に抄造することを特徴とする繊維基材の製造法。
- 短繊維の分散濃度が、6g/リットル以上であることを特徴とする請求項4記載の繊維基材の製造法。
- 媒体中における直径が3mm以上になった凝集体を含んだ状態で抄造することを特徴とする繊維基材の製造法。
- 媒体が水であり、アラミド繊維短繊維を含む短繊維を抄造する請求項4から6のいずれかに記載の繊維基材の製造法。
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