JP2015101039A - 配向性繊維シートの製造方法 - Google Patents

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Abstract

【課題】任意の厚さが得られるとともに量産に適した配向性繊維シートの製造方法を提供する。
【解決手段】基板Ｋの表面に垂直方向で多数形成されたカーボンナノチューブＣを当該基板Ｋからチューブ同士が軸心方向で連なるようにシート状に引き出す引出工程と、このシート状に引き出されたカーボンナノチューブＣを主板材２ａに複数回巻き取り環状カーボンナノチューブ層Ｃ１を得る巻取工程と、この環状カーボンナノチューブ層Ｃ１を固定用溶液８に浸漬させる浸漬工程と、固定用溶液が含浸された環状カーボンナノチューブ層Ｃ１の巻取方向における前後端部を切断して帯状カーボンナノチューブ層Ｃ２を得る切断工程と、この帯状カーボンナノチューブ層Ｃ２の前端部または後端部を厚さ方向に沿って切断して垂直に配向されたカーボンナノチューブシートＳ１を得るシート取得工程とを具備する方法である。
【選択図】図２

Description

本発明は、繊維材が垂直方向で多数並置されてシート状にされてなる配向性繊維シートの製造方法に関する。
例えば、熱伝導シートとしては、ポリイミド樹脂シートを高温で炭化させたシートなどがあり、またシートの厚み方向で繊維材が配向されてなるシートとしては、例えば垂直配向性カーボンナノチューブに樹脂を含浸させたものがある（例えば、特許文献１参照）。
ところで、特許文献１に記載された熱伝導シートの製造方法は、垂直に配向されたカーボンナノチューブアレイを形成するステップと、このカーボンナノチューブアレイにポリマーの前駆物質を充填するステップと、このカーボンナノチューブアレイの四方を側板で囲むとともに互いに対向する一対の側板を接近させてカーボンナノチューブアレイの密度を高めるステップと、カーボンナノチューブアレイに凝固剤を添加してポリマーの前駆物質を重合させるステップと、凝固剤により固められたカーボンナノチューブアレイをその表面と平行な面に沿って切断してシート状のカーボンナノチューブ層を得るステップとから成るものである。
特許第４９９１６５７号公報
しかし、上記従来の製造方法によると、得られるシート状のカーボンナノチューブ層の厚さがカーボンナノチューブの高さに依存するため、任意の厚さのカーボンナノチューブ層を得ることが難しいという問題がある。また、シート状のカーボンナノチューブを得る際に、カーボンナノチューブアレイの四方を側板で囲むとともに互いに対向する側板を接近させてカーボンナノチューブアレイの密度を高めるという面倒な作業があるため、量産するのには適していないという問題がある。
そこで、本発明は、任意の厚さが得られるとともに量産に適した配向性繊維シートの製造方法を提供することを目的とする。
上記課題を解決するため、本発明の第１の配向性繊維シートの製造方法は、繊維材をシート状に引き出す引出工程と、
この引出工程でシート状に引き出された繊維材を芯材に複数回巻き取り環状繊維材層を得る巻取工程と、
この巻取工程で巻き取られた環状繊維材層を固定用溶液に浸漬させる浸漬工程と、
この浸漬工程にて固定用溶液が含浸された環状繊維材層の巻取方向における前後端部を切断して帯状繊維材層を得る切断工程と、
この切断工程にて得られた帯状繊維材層の前端部または後端部を繊維の向きに直角方向に沿って所定の厚さとなるように切断して、シートの厚さ方向に配向された繊維材からなる配向性繊維シートを得るシート取得工程とを具備する方法である。
また、本発明の第２の配向性繊維シートの製造方法は、基板の表面に垂直方向で多数形成された繊維材を当該基板の一端側から且つ繊維材同士が軸心方向で連なるようにシート状に引き出す引出工程と、
この引出工程でシート状に引き出された繊維材を板材に複数回巻き取り環状繊維材層を得る巻取工程と、
この巻取工程で巻き取られた環状繊維材層を固定用溶液に浸漬させる浸漬工程と、
この浸漬工程にて固定用溶液が含浸された環状繊維材層の巻取方向における前後端部を切断して帯状繊維材層を得る切断工程と、
この切断工程にて得られた帯状繊維材層の前端部または後端部を繊維の向きに直角方向に沿って所定の厚さとなるように切断して、シートの厚さ方向に配向された繊維材からなる配向性繊維シートを得るシート取得工程とを具備する方法である。
また、本発明の第３の配向性繊維シートの製造方法は、基板の表面に垂直方向で多数形成された繊維材を当該基板の一端側から且つ繊維材同士が軸心方向で連なるようにシート状に引き出す引出工程と、
この引出工程でシート状に引き出された繊維材を往復移動させて複数層に折り重ねられた重畳繊維材層を得る重ね工程と、
この重ね工程で得られた重畳繊維材層を固定用溶液に浸漬させる浸漬工程と、
この浸漬工程にて固定用溶液が含浸された重畳繊維材層の上記往復移動方向における前後端部を切断して帯状繊維材層を得る切断工程と、
この切断工程にて得られた帯状繊維材層の前端部または後端部を繊維の向きに直角方向に沿って所定の厚さとなるように切断して、シートの厚さ方向に配向された繊維材からなる配向性繊維シートを得るシート取得工程とを具備する方法である。
また、本発明の他の製造方法は、上記各製造方法において、繊維材として、電気伝導性または熱伝導性を有するものを用いる方法である。
さらに、本発明の他の製造方法は、上記各製造方法において、繊維材として、炭素繊維、金属繊維、および金属がコーティングされた合成樹脂繊維のうちいずれか、または２種以上からなるものを用いる方法である。
上記第１の製造方法によると、シート状に引き出された繊維材を芯材に複数回巻き取り所定厚さの環状繊維材層を得た後、この環状繊維材層を固定用溶液に浸漬し、次にその前後を切断して所定厚さの帯状繊維材層を得、さらにこの帯状繊維材層の前端部または後端部を繊維の向きに直角方向に沿って所定のシート厚さとなるように切断することにより、シートの厚さ方向に配向された配向性繊維シートを得るようにしたので、従来のように、繊維材を四方から側板を用いて押圧する必要がないため、製造方法の簡略化を図ることができる。また、帯状繊維材層を切断することにより繊維シートが得られるので、任意厚さの繊維シートを容易に製造することができる。
また、上記第２および第３の製造方法によると、基板の表面に垂直方向で多数形成された配向性繊維材をその一端側から且つその軸心方向で連なるようにシート状に引き出すとともにこのシート状の繊維材を、そのまま板材に複数回巻き取り所定厚さの環状繊維材層を得た後、または所定長さでもって折り重ねて重畳繊維材層を得た後、この繊維材層を固定用溶液に浸漬し、次にその前後の湾曲部分または屈曲部分を切断して所定厚さの帯状繊維材層を得、さらにこの帯状繊維材層の前端部または後端部を繊維の向きに直角方向に沿って所定のシート厚さとなるように切断することにより、シートの厚さ方向に配向された繊維材からなる配向性繊維シートを得るようにしたので、従来のように、繊維材を四方から側板を用いて押圧する必要がないため、製造方法の簡略化を図ることができる。また、帯状繊維材層を切断することにより繊維シートが得られるので、任意厚さの繊維シートを容易に製造することができる。
本発明の実施例１に係る配向性繊維シートの製造装置の模式図である。 同実施例１の製造方法を説明する図で、（ａ）は基板の表面に形成されたカーボンナノチューブ群の斜視図、（ｂ）は巻取工程を示す要部断面図、（ｃ）は浸漬工程を示す要部断面図、（ｄ）は切断工程を示す要部断面図、（ｅ）は帯状カーボンナノチューブ層を得る際の要部断面図、（ｆ）はシート取得工程を示す要部断面図である。 本発明の実施例２に係る配向性繊維シートの製造方法を説明する図で、（ａ）は基板の表面に形成されたカーボンナノチューブ群の斜視図、（ｂ）は折り重ね工程を示す要部側面図、（ｃ）は浸漬工程を示す要部断面図、（ｄ）は切断工程を示す要部断面図、（ｅ）はシート取得工程を示す要部断面図である。
以下、本発明の実施例１に係る配向性繊維シートの製造方法を図１および図２に基づき説明する（請求項２に相当する）。
本実施例１においては、基板の表面に垂直方向の配向性繊維材としてのカーボンナノチューブ（カーボンナノチューブ群であるが、以下、単にカーボンナノチューブと称して説明するが、「群」であることを強調した方が適切である場合には、カーボンナノチューブ群と称す）が多数並列に形成されたもので、言い換えれば、垂直配向性のカーボンナノチューブ群が層状に形成されたものである。
ところで、本実施例１に係る製造方法においては、シート状に引き出されたカーボンナノチューブを巻き取る巻取装置を用いるため、先に、この巻取装置について説明する。
図１に示すように、この巻取装置１は、所定長さで平面視が長方形状（矩形状）の主板材２ａおよび当該主板材２ａの左右の側縁部に垂直で且つ取り外し可能（着脱自在）に取り付けられた側板材２ｂからなる巻取体２と、この巻取体２をその側板材２ｂと平行な面内で回転させる回転装置としての電動機３とから構成されている。
上記巻取体２は、側板材２ｂの中心位置で外側に突設された支持軸材２ｃを介して軸受（図示せず）に回転自在に支持されるとともに、一方の支持軸材２ｃに電動機３がカップリング４を介して切り離し可能に連結されている。上記電動機３が駆動されると、巻取体２は、矢印ａで示すように、主板材２ａの長手方向を含む鉛直面内で回転される。
また、上記巻取体２は電動機３から切り離し得るようにされるとともに、支持軸材２ｃについても軸受から取り外し得るようにされており、さらに側板材２ｂも主板材２ａから取り外し得るようにされている。
上記構成において、配向性繊維シートの製造方法について説明する。
まず、図２（ａ）に示すように、ステンレス製の薄い鋼板からなる基板Ｋの表面に、例えばＣＶＤ法（化学的気相成長法：熱ＣＶＤ法も含む）を用いて、垂直配向性のカーボンナノチューブ群Ｃを所定高さでもって形成する。
次に、基板Ｋの表面に垂直方向で多数形成されカーボンナノチューブＣを、その前端側から全幅でもって（列状ともいえる）をゆっくり引き出し、一枚の布状つまりシート状のカーボンナノチューブ（カーボンナノチューブ層ともいえる）Ｃを得る。なお、カーボンナノチューブＣを前端側から引き出すと、各カーボンナノチューブ同士のファンデルワース力により、順次、カーボンナノチューブが引っ張られ、シート状に引き出される。
次に、図２（ｂ）に示すように、シート状に引き出されたカーボンナノチューブＣの前端部分を巻取体２の主板材２ａにその引き出し方向（主板材の長手方向）で巻き付け、そして電動機３を駆動して巻取体２をゆっくりと回転させ、カーボンナノチューブＣを主板材２ａの周囲に巻き付けて所定厚さの環状カーボンナノチューブ層（環状繊維材層の一例）Ｃ（Ｃ１）を得る。
次に、図２（ｃ）に示すように、巻取体２を電動機３から切り離すとともに軸受から取り外し、両側板材２ｂ同士間の底面および前後の端面に、底板材５および前後の端壁板材６を配置して、環状カーボンナノチューブ層Ｃ１を収納し得る大きさの容器（型枠ともいえる）７を形成する。
次に、この容器７内に、シリコンゴムなどの合成樹脂が用いられる固定用液体８を充填するとともに、環状カーボンナノチューブ層Ｃ１を入れて、固定用液体を当該環状カーボンナノチューブ層Ｃ１に含浸させる。この固定用液体８の含浸を、真空の容器内で行なえば、液体の内部浸透の促進および内部での気泡の発生を抑制することができる。なお、合成樹脂についてはエポキシ樹脂を用いてもよい。
固定用液体８が固まると、環状カーボンナノチューブ層Ｃ１を囲んでいる各板材２ｂ，５，６を外す。すなわち、容器７から環状カーボンナノチューブ層Ｃ１を取り出す。
次に、図２（ｄ）に示すようには、容器７が取り外されて主板材２ａに巻き付けられた状態の平面視が長方形状の環状カーボンナノチューブ層Ｃ１の前後端部を所定位置（イ、ロ）で切断し、図２（ｅ）に示すように、主板材２ａから分離させて上下に分割された２つの帯状カーボンナノチューブ層（帯状繊維材層の一例）Ｃ（Ｃ２）を得る。
そして、図２（ｆ）に示すように、上記帯状カーボンナノチューブ層Ｃ２を、例えば丸鋸などのカッター１１により前端部または後端部の端面側からカーボンナノチューブの向きに直角方向に沿って所定のシート厚さとなるように切断して、シートの厚さ方向に配向されたカーボンナノチューブからなる配向性カーボンナノチューブシート（配向性繊維シート）Ｓ１を得る（シート取得工程）。なお、この切断の厚さを調節することにより、任意の厚さの配向性カーボンナノチューブシートＳ１が得られることになる。
このように、基板の表面に垂直方向で多数形成された配向性カーボンナノチューブ（繊維材）をその一端側から且つその軸心方向で連なるようにシート状に引き出し、このシート状のカーボンナノチューブを板材に複数回巻き取り所定厚さの環状カーボンナノチューブ層（環状繊維材層）を得た後、固定用溶液に浸漬し、次にその前後の湾曲部分を切断して所定厚さの帯状カーボンナノチューブ層（帯状繊維材層）を得、さらにこの帯状カーボンナノチューブ層の前端部または後端部をカーボンナノチューブの向きに直角方向に沿って（厚さ方向に沿って）切断することにより、シートの厚さ方向に配向された（垂直配向性）のカーボンナノチューブからなる配向性繊維シートを得るようにしたので、従来のように、カーボンナノチューブを四方から側板を用いて押圧する必要がないため、製造方法の簡略化を図ることができる。また、帯状カーボンナノチューブ層を切断することによりカーボンナノチューブシートが得られるので、任意厚さのシートを容易に製造することができる。
なお、上記実施例１においては、主板材２ａに巻き付けられた状態の環状カーボンナノチューブ層Ｃ１に容器７内で固定用液体８を含浸させるように説明したが、例えばカーボンナノチューブＣを主板材２ａの周囲に巻き付けて所定厚さの環状カーボンナノチューブ層Ｃ１を得た後に、側板材２ｂを取り外すとともに主板材２ａも抜き出して環状カーボンナノチューブ層Ｃ１だけを取り出し、そしてこの環状カーボンナノチューブ層Ｃ１を押し潰した後に、別途用意された容器内に入れた後、固定用液体８を充填して当該環状カーボンナノチューブ層Ｃ１に含浸させるようにしてもよい。
ところで、上記実施例１においては、基板の表面に垂直方向で多数形成された繊維材を当該基板の一端側から且つ繊維材同士が軸心方向で連なるようにシート状に引き出す引出工程と、この引出工程でシート状に引き出された繊維材を板材に複数回巻き取り環状繊維材層を得る巻取工程と、この巻取工程で巻き取られた環状繊維材層を固定用溶液に浸漬させる浸漬工程と、この浸漬工程にて固定用溶液が含浸された環状繊維材層の巻取方向における前後端部を切断して帯状繊維材層を得る切断工程と、この切断工程にて得られた帯状繊維材層の前端部または後端部を厚さ方向に沿って切断して垂直に配向された繊維材からなる配向性繊維シートを得るシート取得工程とを具備する製造方法として説明したが、例えば繊維材をシート状に引き出す引出工程と、この引出工程でシート状に引き出された繊維材を芯材に複数回巻き取り環状繊維材層を得る巻取工程と、この巻取工程で巻き取られた環状繊維材層を固定用溶液に浸漬させる浸漬工程と、この浸漬工程にて固定用溶液が含浸された環状繊維材層の巻取方向における前後端部を切断して帯状繊維材層を得る切断工程と、この切断工程にて得られた帯状繊維材層の前端部または後端部を繊維の向きに直角方向に沿って所定の厚さとなるように切断して、シートの厚さ方向に配向された繊維材からなる配向性繊維シートを得るシート取得工程とを具備する製造方法であってもよい（請求項１に相当する）。この製造方法によると、カーボンナノチューブに加えて、炭素繊維、金属繊維、および金属がコーティングされた合成樹脂繊維のうちいずれか、または２種以上からなるものに好適に対応することができ、また繊維シートを巻き付ける芯材としては円柱状部材でもよい。
次に、本発明の実施例２に係る配向性繊維シートの製造方法を図３に基づき説明する（請求項３に相当する）。
上記実施例１においては、配向性繊維材としてのカーボンナノチューブをシート状に引き出したものを、巻取装置にて、その長手方向に沿って巻き取ったものを用いるようにしたが、本実施例２においては、配向性繊維材としてのカーボンナノチューブをシート状に引き出したものを、ジグザグ状に折り重ねたものを用いるようにしたものである（請求項３に相当する）。
以下、具体的な製造方法について説明する。
すなわち、まず、図３（ａ）に示すように、ステンレス製の薄い鋼板からなる基板Ｋの表面に、例えばＣＶＤ法（化学的気相成長法：熱ＣＶＤ法も含む）を用いて、垂直配向性のカーボンナノチューブ群Ｃを所定高さでもって形成する。
次に、基板Ｋの表面に垂直方向で多数形成されカーボンナノチューブＣを、その前端側から全幅でもって（列状ともいえる）ゆっくり引き出し、一枚の布状つまりシート状のカーボンナノチューブ（カーボンナノチューブ層ともいえる）Ｃを得る。なお、カーボンナノチューブＣを前端側から引き出すと、各カーボンナノチューブ同士のファンデルワース力により、順次、カーボンナノチューブが引っ張られ、シート状に引き出される。
次に、図３（ｂ）に示すように、シート状に引き出されたカーボンナノチューブＣを、所定長さ間隔でもって折り重ねて、所定厚さの重畳カーボンナノチューブ層（重畳繊維材層の一例）Ｃ（Ｃ１１）を得る。
次に、図３（ｃ）に示すように、容器２１内に、シリコンゴムなどの合成樹脂が用いられる固定用液体２２を充填するとともに、重畳カーボンナノチューブ層Ｃ１１を入れて、固定用液体２２を当該重畳カーボンナノチューブ層Ｃ１１に含浸させる。この固定用液体２２の含浸を、真空の容器内で行なえば、液体の内部浸透の促進および内部での気泡の発生を抑制することができる。なお、合成樹脂についてはエポキシ樹脂を用いてもよい。
次に、図３（ｄ）に示すように、容器２１から重畳カーボンナノチューブ層Ｃ１１を取り出して、平面視が長方形状の重畳カーボンナノチューブ層Ｃ１１の前後端部を所定位置（イ、ロ）で切断して帯状カーボンナノチューブ層（帯状繊維材層の一例）Ｃ（Ｃ１２）を得る。
そして、図２（ｅ）に示すように、上記帯状カーボンナノチューブ層Ｃ１２を、例えば丸鋸などのカッター２３により前端部または後端部の端面側からカーボンナノチューブの向きに直角方向に沿って所定のシート厚さとなるように切断して、シートの厚さ方向に配向されたカーボンナノチューブからなる配向性カーボンナノチューブシート（配向性繊維シート）Ｓ２を得る。なお、この切断の厚さを調節することにより、任意の厚さの配向性カーボンナノチューブシートＳ２が得られることになる。
このように、基板の表面に垂直方向で多数形成された配向性カーボンナノチューブ（繊維材）をその一端側から且つその軸心方向で連なるようにシート状に引き出し、このシート状のカーボンナノチューブを所定長さ毎に折り重ねて所定厚さの重畳カーボンナノチューブ層（重畳繊維材層）を得た後、固定用溶液に浸漬し、次にその前後の屈曲部分を切断して所定厚さの帯状カーボンナノチューブ層（帯状繊維材層）を得、さらにこの帯状カーボンナノチューブ層の前後の端部をカーボンナノチューブの向きに直角方向に沿って（厚さ方向に沿って）所定のシート厚さとなるように切断することにより、シートの厚さ方向に配向された（垂直配向性）カーボンナノチューブからなる配向性繊維シートを得るようにしたので、従来のように、カーボンナノチューブを四方から側板を用いて押圧する必要がないため、製造方法の簡略化を図ることができる。また、帯状カーボンナノチューブ層を切断することによりカーボンナノチューブシートが得られるので、任意厚さのシートを容易に製造することができる。
ところで、上述した各実施例においては、繊維材としてカーボンナノチューブを用いたものについて説明したが、カーボンナノチューブ以外の炭素繊維でもよい。広く言えば、電気伝導性または熱伝導性を有するものであればよく、具体的には、金属繊維、金属がコーティングされた合成樹脂繊維を用いることができる。また、この他、炭素繊維、金属繊維、および金属がコーティングされた合成樹脂繊維のうち２種以上からなるものを用いることもできる。
Ｃ カーボンナノチューブ
Ｃ１ 環状カーボンナノチューブ層
Ｃ２ 帯状カーボンナノチューブ層
Ｃ１１ 重畳カーボンナノチューブ層
Ｃ１２ 帯状カーボンナノチューブ層
Ｋ 基板
Ｓ１ カーボンナノチューブシート
Ｓ２ カーボンナノチューブシート
１ 巻取装置
２ 巻取体
２ａ 主板材
２ｂ 側板材
２ｃ 支持軸材
３ 電動機
７ 容器
８ 固定用液体
１１ カッター
２１ 容器
２２ 固定用液体
２３ カッター

Claims (5)

  1. 繊維材をシート状に引き出す引出工程と、
    この引出工程でシート状に引き出された繊維材を芯材に複数回巻き取り環状繊維材層を得る巻取工程と、
    この巻取工程で巻き取られた環状繊維材層を固定用溶液に浸漬させる浸漬工程と、
    この浸漬工程にて固定用溶液が含浸された環状繊維材層の巻取方向における前後端部を切断して帯状繊維材層を得る切断工程と、
    この切断工程にて得られた帯状繊維材層の前端部または後端部を繊維の向きに直角方向に沿って所定の厚さとなるように切断して、シートの厚さ方向に配向された繊維材からなる配向性繊維シートを得るシート取得工程とを具備することを特徴とする配向性繊維シートの製造方法。
  2. 基板の表面に垂直方向で多数形成された繊維材を当該基板の一端側から且つ繊維材同士が軸心方向で連なるようにシート状に引き出す引出工程と、
    この引出工程でシート状に引き出された繊維材を板材に複数回巻き取り環状繊維材層を得る巻取工程と、
    この巻取工程で巻き取られた環状繊維材層を固定用溶液に浸漬させる浸漬工程と、
    この浸漬工程にて固定用溶液が含浸された環状繊維材層の巻取方向における前後端部を切断して帯状繊維材層を得る切断工程と、
    この切断工程にて得られた帯状繊維材層の前端部または後端部を繊維の向きに直角方向に沿って所定の厚さとなるように切断して、シートの厚さ方向に配向された繊維材からなる配向性繊維シートを得るシート取得工程とを具備することを特徴とする配向性繊維シートの製造方法。
  3. 基板の表面に垂直方向で多数形成された繊維材を当該基板の一端側から且つ繊維材同士が軸心方向で連なるようにシート状に引き出す引出工程と、
    この引出工程でシート状に引き出された繊維材を往復移動させて複数層に折り重ねられた重畳繊維材層を得る重ね工程と、
    この重ね工程で得られた重畳繊維材層を固定用溶液に浸漬させる浸漬工程と、
    この浸漬工程にて固定用溶液が含浸された重畳繊維材層の上記往復移動方向における前後端部を切断して帯状繊維材層を得る切断工程と、
    この切断工程にて得られた帯状繊維材層の前端部または後端部を繊維の向きに直角方向に沿って所定の厚さとなるように切断して、シートの厚さ方向に配向された繊維材からなる配向性繊維シートを得るシート取得工程とを具備することを特徴とする配向性繊維シートの製造方法。
  4. 繊維材として、電気伝導性または熱伝導性を有するものを用いたことを特徴とする請求項１乃至３のいずれか一項に記載の配向性繊維シートの製造方法。
  5. 繊維材として、炭素繊維、金属繊維、および金属がコーティングされた合成樹脂繊維のうちいずれか、または２種以上からなるものを用いたことを特徴とする請求項１乃至３のいずれか一項に記載の配向性繊維シートの製造方法。
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