JP2017197854A - 炭素繊維スペーサー及びその結合方法 - Google Patents

Abstract

【課題】高温耐性、疲労耐久性及び高耐候性の利点を持つ炭素繊維スペーサーを提出する。【解決手段】本発明の炭素繊維スペーサーは、複数の繊維束でクロス織りした炭素繊維布を備え、各前記繊維束は、複数の非連続繊維で形成される。この非連続繊維の織物構造により、例え一部の炭素繊維が破断や損傷した時でも、他の部分の非連続繊維に影響することはなく、構造の緩みまたは層間剥離の問題が発生しにくくなるので、炭素繊維スペーサーの性能と寿命を向上させることができる。【選択図】図２

Description

本発明は、炭素繊維スペーサーに関し、特に、非連続の炭素繊維を含む炭素繊維スペーサーに関するものである。

スペーサーとは、様々な機械構造にとって必要不可欠なパーツであり、例えばボルトとナットを締め付ける際に固定するために用いられる座金、フラットワッシャー、又は緩み止めに用いられるばね座金/スプリングワッシャー、或いは部品の回転に必要のトランスミッションガスケットなどが挙げられる。その内、釣り用リールに用いるトランスミッションガスケットを一例として、従来の釣り用リールに用いるトランスミッションガスケットは、使用中に極めて高い回転速度による摩擦を受ける他、さらに補助ブレーキの需要もあるので、そのトランスミッションガスケットの磨耗耐性、自己潤滑性、高温耐性に対する要求は極めて高くなる。

ところで、現在一般的に釣り用リールまたは他の用途に使われるスペーサーは、主に金属製または複合材料製という二種類がある。その内、金属製のは熱伝導性が優れる利点を持っているが、他のパーツと組み合わせた場合に金属の熱膨張が問題になることがある。一方、複合材料製のトランスミッションガスケットは、多層の連続繊維織物が積層されてなるが、図８に示すように、連続な繊維は使用中に一部の繊維の破断によって織物全体の構造の緩み、または層間剥離を引き起こすことがあるので、使用の寿命が短くなる。

上記従来の問題を解決するために、本発明は１種の炭素繊維スペーサーを開発し、その炭素繊維スペーサーは、非連続の炭素繊維で織られた炭素繊維スペーサーを備えるので、例え炭素繊維スペーサーの一部の炭素繊維が破断や損傷した時でも、他の炭素繊維に影響することはなく、構造の緩みまたは層間剥離にはならないので、使用の寿命が向上させる。

本発明は１種の炭素繊維スペーサーであり、複数の繊維束でクロス織りした炭素繊維布を備え、各前記繊維束は、複数の非連続炭素繊維で形成される。

その内、２つまたは２つ以上の前記炭素繊維布の間に接着材が設けられ、前記接着材は、前記炭素繊維布の繊維の間に一部浸透・含浸させ、前記炭素繊維スペーサーの外表面の少なくとも一部が、前記接着材に浸透・含浸させないようにする。

その内、前記炭素繊維布の炭化率が、１０％〜９５％である。

その内、前記接着材が前記炭素繊維スペーサーの間に含浸する含浸率が、４０％〜８０％である。

その内、前記接着材は、熱可塑性樹脂または熱硬化性樹脂であり、前記非連続炭素繊維は、ポリアクリロニトリル系繊維を炭素化して形成される。

その内、前記熱可塑性樹脂は、ポリエステル系またはポリスルホン系樹脂であり、前記熱硬化性樹脂は、エポキシ系またはフェノール系樹脂である。

その内、２つの前記炭素繊維布がさらに支持部材と共に積層構造を形成し、２つの前記炭素繊維布は、前記積層構造の外側に設けられる。

その内、前記支持部材は、前記炭素繊維布、薄繊維布、玄武岩繊維布、またはガラス繊維布のいずれか一つまたはこれらの組み合わせである。

本発明はさらに１種の炭素繊維スペーサーの結合方法を提供し、その方法は、（１）２つまたは２つ以上の炭素繊維布を準備する工程と、（２）一定の厚さを有する接着材を、前記炭素繊維布の間に施して積層する工程と、（３）積層された前記炭素繊維布と前記接着材とを結合して、前記炭素繊維スペーサーを形成する工程とを含み、前記炭素繊維布は複数の繊維束をクロス織りして形成され、各前記繊維束は、複数の非連続炭素繊維で形成され、前記接着材は、前記炭素繊維布の繊維の間に一部浸透・含浸させ、前記炭素繊維スペーサーの外表面の少なくとも一部が、前記接着材に浸透・含浸させないようにする。

上述した炭素繊維スペーサーの結合方法において、前記接着材は、フィルムスタッキング法、塗布、またはスプレー方法で前記炭素繊維布上に施され、積層された前記炭素繊維布と前記接着材は、ホットプレス方法により結合されて前記炭素繊維スペーサーを形成する。

以上の説明でわかるように、本発明は少なくとも以下の利点がある：

１．本発明の炭素繊維スペーサーは、高温耐性、疲労耐久性及び高耐候性が優れるという利点以外、最外層に設けられた炭素繊維スペーサーは短繊維、非連続繊維が露出した形態を維持するので、本発明が使用された時に、従来技術より優れる自己潤滑性と磨耗耐性を発揮することができる。

２．本発明は非連続の炭素繊維を利用して織られたので、例え一部の炭素繊維が破断や損傷した時でも、他の非連続繊維に影響することはなく、構造の緩みまたは層間剥離の問題が発生しにくくなるので、性能と寿命を向上させることができる。

３．本発明の炭素繊維スペーサーは異なる炭化率を持つことで様々な領域に幅広く応用されることができる。例えば、高炭化率の炭素繊維スペーサーは、自動変速機、釣り用リールなど、特にギアが高速に回転する機械に応用され、中炭化率の炭素繊維スペーサーは、食品工業用機械など、あまりギアの回転速度が要求されない機械に応用して、一般ギアの間に使われる潤滑油の代わりとして利用し、潤滑油が食品に残留する問題を防ぐ、そして低炭化率の炭素繊維スペーサーは、ギアの回転速度がさらに遅い機械、またはボルトとナットの間の一般的なスペーサーとして応用されることができる。

本発明の炭素繊維スペーサーのＳＥＭ写真である。 本発明の炭素繊維スペーサーのＳＥＭ写真である。 本発明の炭素繊維スペーサーの断面のＳＥＭ写真である。 本発明の炭素繊維スペーサーの断面のＳＥＭ写真である。 本発明の第２の好ましい実施形態の概略図である。 本発明の各サンプルが４００℃でのＴＧＡ試験の結果である。 本発明の各サンプルが５００℃でのＴＧＡ試験の結果である。 従来連続な炭素繊維で織られた炭素繊維スペーサーの概略図である。

本発明は、複数の繊維束１１１でクロス織りした炭素繊維布１１を備え、各繊維束１１１は、複数の非連続繊維１１１１で形成される。好ましくは、図１〜図４の電子顕微鏡（ＳＥＭ）の観察図に示すように、経緯方向で交差するように織られた複数の繊維束１１１は、経緯方向で上下に交差するように形成される。

当該炭素繊維布１１の製造方法の１つの好ましい実施形態は、以下の工程を含む：

（１）複数の非炭素化の非連続繊維を撚り合わせて、束ねて繊維束となり、ヤーンを形成する；その非連続繊維はポリアクリロニトリル系繊維であっても良い。

（２）繊維束となった非炭素化の非連続繊維を、様々な柄または模様で非炭素化繊維布を織り出す。その非炭素化繊維布の織り方については特に限定されないが、好ましくはシャットル・レス形式、例えば平織りによって、その非炭素化繊維布が当該炭素繊維スペーサー１０に形成された後に、使用された時に横向きのせん断力の伝導が遮断される状況を減らし、破壊の問題を大幅に低減することができる。

（３）当該非炭素化繊維布を、４００℃〜３５００℃のの温度範囲で炭素化して炭素繊維布１１に形成する。炭素繊維布の炭化率が、１０％〜９５％であることが好ましい。

図３〜図４を参照して、本発明の第１の好ましい実施形態は、前述した製造方法によって製造された炭素繊維布１１を２つずつ積層されることで形成された積層構造であり、その２つの炭素繊維布１１の間は接着材２０によって結合固定され、その接着材２０は、ポリエステルまたはポリスルホン等の熱可塑性樹脂、またはエポキシ樹脂またはフェノール樹脂等の熱硬化性樹脂を採用することができる。また、前述した炭素繊維布１１と接着材２０の粘着・接着工程において、ホットプレス機を利用して４５〜２５０ｋｇ／ｃｍ^２の圧力と≦３５０℃の温度で、当該炭素繊維布１１を一定の厚さのシート状支持部材２０と積層して熱圧着させることで、図３〜図４に示すように、接着材２０を炭素繊維布１１の繊維の中に一部含浸・浸透させる。そして、その接着材２０が硬化（熱硬化・熱固化など）された後、２つの炭素繊維布１１は一定強度を備えた構造剛性で結合されので、層間剥離の状況を減らすことができる。前述した一定の厚さのシート状支持部材３０について、その一定の厚さは、炭素繊維布１１の厚さ、体積百分率及び所要の含浸率によって制御される。例えば、接着材２０を炭素繊維布１１の間に半含浸（４０％〜８０％）にする場合、その炭素繊維布１１の４０〜８０ｖｔ％の厚さの接着材２０を、塗布（Ｃｏａｔｉｎｇ）、スプレー（Ｓｐｒａｙ）、またはフィルムスタッキング（Ｆｉｌｍ Ｓｔａｋｉｎｇ）法で施されることで、接着材２０が炭素繊維布１１の繊維の間に半含浸することにより、本実施形態の最外層に設けられた炭素繊維布１１は短繊維、非連続繊維が露出した形態を維持し、使用された時に従来技術より優れる自己潤滑性、磨耗耐性、及び耐久性を発揮することができる。

なお、大規模な量産に関して、ロールに巻かれた炭素繊維布１１と、支持部材２０と、及びもう一つの炭素繊維布１１とを、ロールツーロール（ｒｏｌｌ ｔｏ ｒｏｌｌ）方式で貼り合わせることで、多層構造の炭素繊維スペーサーを製造することができる。その内、貼り合わせる対象の表面特性によって、前述した接着材２０を適切に選択することができる。また、その貼り合わせ工程において、高温高圧を施すことで、多層構造の当該炭素繊維布の構造特性をさらに高めることが好ましい。そして、この工程が終わった後にロールに巻かれた多層構造の当該炭素繊維布または連続シート状材料は、さらにスタンピング、カッティング等の工程で当該炭素繊維スペーサー１０を切り取ることができる。

本発明の第２の好ましい実施形態では、２つの炭素繊維布１１の間に、その接着材２０以外、さらに炭素繊維布、接着材、支持部材、接着材、及び炭素繊維布の順で支持部材３０と共に積層する。つまり、単一の炭素繊維布１１の厚さが薄いので、使用された時は主に機械部品の潤滑、摩擦機能を担当し、一方その支持部材３０は炭素繊維布１１の厚さと強度を増強することができる。当該支持部材は、玄武岩繊維布、ガラス繊維布、または炭素繊維布等から選択することができる。なお、本発明が三層または三層以上の炭素繊維スペーサー構造に形成される場合、炭素繊維布１１は最外層に積層され、その他の支持部材３０（単層に限らず、多層に積層することもできる）は内層に積層または包まれるという、サンドイッチ構造に形成される。

以下は、本発明の磨耗耐性、自己潤滑性、熱伝導性と放熱速度に関する検証である。以下の表１及び表２に参照し、それらは本発明が前述した製造方法により製造された各サンプルのリストである。

本発明の各サンプルの熱伝導率は、いずれも約５（Ｗ/ｃｍ・℃）であることから見ると、各サンプルが摩擦より生じた高温の下で優れる放熱効果があるため、高温が重なることによる機械または繊維の損傷を防ぐことができる。図６〜図７を参照して、それらは表１と表２の各サンプルが４００℃及び５００℃でのＴＧＡ分析（ＴＧＡ Ｑ５００）の試験結果である。図に示すように、温度４００℃で得られた各サンプルの重量損失率（％/時間）が３％以下であり、温度５００℃で得られた各サンプルの重量損失率（％/時間）が１８％以下であるので、本発明の各サンプルが高温の下でも安定し、構造または繊維の損傷が生じにくいことが証明された。

表３に参照し、それは本発明の各サンプルがＡＳＴＭ Ｄ１８９４、ＡＳＴＭ Ｄ３８８４及ＡＳＴＭ Ｄ６４８の基準で測定された静、動摩擦係数、磨耗耐性テスト及び熱変形温度テストの結果である。表に示す静、動摩擦係数の結果から見れば、本発明の非連続な炭素繊維の織り構造は、優れた自己潤滑性が得られる。また、磨耗耐性及び熱変形温度の結果から見れば、本発明の非連続繊維で製造された炭素繊維スペーサー１０は優れた高温耐性及び磨耗耐性を示している。

以上の各実験結果からわかるように、本発明の非連続炭素繊維で織られた構造は、自己潤滑性、磨擦耐性、高温耐性及び磨耗耐性を備える以外、例え一部の炭素繊維が破断や損傷した時でも、破断炭素繊維が他の部分の繊維の織り構造に影響することはなく、炭素繊維スペーサー全体の構造の緩みまたは層間剥離の問題が発生しにくくなるので、性能と寿命を向上させる効果を奏する。

以下の表４を参照し、それは本発明のサンプルナンバーＣＦ−１００１−Ｚが異なる炭化温度で達成された違う炭化率の元素分析表である。本発明が相対的に低温度で炭素化した炭素繊維スペーサーは、より多くの官能基を有することで、接着材等の樹脂系材料との結合（ｂｏｎｄｉｎｇ）上に有利になるため、層間剥離の問題が発生しにくくなるという有利な結果が得られる。

本発明による異なる炭化率を持つ炭素繊維スペーサーは、様々な領域に幅広く応用されることができる。例えば、高炭化率（６０％〜９０％）の炭素繊維スペーサーは、自動変速機、釣り用リールなど、特にギアが高速に回転する機械に応用され、中炭化率（３０％〜６０％）の炭素繊維スペーサーは、食品工業用機械など、ギアの回転速度が相対的に低い機械に応用して、一般ギアの間に使われる潤滑油の代わりとして利用し、潤滑油が食品に残留する問題を防ぐ、そして低炭化率（１０％〜３０％）の炭素繊維スペーサーは、炭素化のコストを減らすことができる以外、回転速度がさらに遅い機械のギアスペーサー、またはボルトとナットの間の一般的なスペーサーとして応用されることができる。

１０ 炭素繊維スペーサー
１１ 炭素繊維布
１１１ 繊維束
１１１１ 非連続繊維
２０ 接着材
３０ 支持部材

Claims (10)

1. 複数の繊維束でクロス織りした炭素繊維布を備え、各前記繊維束は、複数の非連続炭素繊維で形成されることを特徴とする、炭素繊維スペーサー。
2. ２つまたは２つ以上の前記炭素繊維布の間に接着材が設けられ、前記接着材は、前記炭素繊維布の繊維の間に一部浸透・含浸させ、前記炭素繊維スペーサーの外表面の少なくとも一部が、前記接着材に浸透・含浸させないようにすることを特徴とする、請求項１記載の炭素繊維スペーサー。
3. 前記炭素繊維布の炭化率が、１０％〜９５％であることを特徴とする、請求項１または２記載の炭素繊維スペーサー。
4. 前記接着材が前記炭素繊維スペーサーの間に含浸する含浸率が、４０％〜８０％であることを特徴とする、請求項２記載の炭素繊維スペーサー。
5. 前記接着材は、熱可塑性樹脂または熱硬化性樹脂であり、前記非連続炭素繊維は、ポリアクリロニトリル系繊維を炭素化して形成されることを特徴とする、請求項４記載の炭素繊維スペーサー。
6. 前記熱可塑性樹脂は、ポリエステル系またはポリスルホン系樹脂であり、前記熱硬化性樹脂は、エポキシ系またはフェノール系樹脂であることを特徴とする、請求項５記載の炭素繊維スペーサー。
7. ２つの前記炭素繊維布がさらに支持部材と共に積層構造を形成し、２つの前記炭素繊維布は、前記積層構造の外側に設けられることを特徴とする、請求項２記載の炭素繊維スペーサー。
8. 前記支持部材は、前記炭素繊維布、薄繊維布、玄武岩繊維布、またはガラス繊維布のいずれか一つまたはこれらの組み合わせであることを特徴とする、請求項７記載の炭素繊維スペーサー。
9. 炭素繊維スペーサーの結合方法であって、
   （１）２つまたは２つ以上の炭素繊維布を準備する工程と、
   （２）一定の厚さを有する接着材を、前記炭素繊維布の間に施して積層する工程と、
   （３）積層された前記炭素繊維布と前記接着材とを結合して、前記炭素繊維スペーサーを形成する工程と、
   を含み、
   前記炭素繊維布は複数の繊維束をクロス織りして形成され、各前記繊維束は、複数の非連続炭素繊維で形成され、前記接着材は、前記炭素繊維布の繊維の間に一部浸透・含浸させ、前記炭素繊維スペーサーの外表面の少なくとも一部が、前記接着材に浸透・含浸させないようにすることを特徴とする、炭素繊維スペーサーの結合方法。
10. 前記接着材は、フィルムスタッキング法、塗布、またはスプレー方法で前記炭素繊維布上に施され、積層された前記炭素繊維布と前記接着材は、ホットプレス方法により結合されて前記炭素繊維スペーサーを形成することを特徴とする、請求項９記載の炭素繊維スペーサーの結合方法。