JP2024019223A - roll - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、環境負荷低減を目的としたロールに関する。 The present invention relates to a roll aimed at reducing environmental load.
スマートフォンやタブレット等のモバイル端末やウェアラブル端末には各種の機能を有するフィルムやガラス板(以下「機能性素材」という)が用いられている。これらの機能性素材を製造するための装置には、搬送用ロールやグラビアロール、ニップロールなど様々なロールが用いられている。これらのロールはアルミやSUS304、STKM13a等の金属で構成されているほかに、ロールの剛性(強度)を高めるために、炭素繊維強化プラスチック(CFRP)も使用されている。 Films and glass plates (hereinafter referred to as "functional materials") having various functions are used in mobile terminals such as smartphones and tablets, and wearable terminals. Various rolls such as conveyance rolls, gravure rolls, and nip rolls are used in devices for manufacturing these functional materials. These rolls are made of metals such as aluminum, SUS304, and STKM13a, and carbon fiber reinforced plastic (CFRP) is also used to increase the rigidity (strength) of the rolls.
従来、ロールの一種として、炭素繊維強化プラスチック(CFRP)を材料とするカーボンロール(特許文献1)が知られている。カーボンロールは、軽量、高強度、高剛性、低熱膨張等の特性を有し、様々な場面で利用されている。 Conventionally, a carbon roll made of carbon fiber reinforced plastic (CFRP) (Patent Document 1) is known as a type of roll. Carbon rolls have characteristics such as light weight, high strength, high rigidity, and low thermal expansion, and are used in a variety of situations.
カーボンロールには前述のような優れた特性がある一方、技術的にもコスト的にもリサイクルが難しいという難点がある。このため、カーボンロールの材料であるCFRPは埋め立て処分されることがあるが、CFRP自体は自然分解しないため、環境への影響が懸念される。 Although carbon rolls have the above-mentioned excellent properties, they have the disadvantage that they are difficult to recycle from both a technical and cost perspective. For this reason, CFRP, which is the material for carbon rolls, is sometimes disposed of in landfills, but since CFRP itself does not decompose naturally, there are concerns about its impact on the environment.
本発明は前記課題に鑑みてなされたものであり、その解決課題は、CFRPに代わる材料を用いたロールであって、CFRPに比べて環境負荷が小さいロールを提供することにある。 The present invention has been made in view of the above-mentioned problems, and an object to be solved is to provide a roll using a material alternative to CFRP, which has a smaller environmental load than CFRP.
本発明のロールは、セルロースを含む材料がロール状に成形されたものである。セルロースにはナノセルロース、例えば、セルロースナノファイバー(CNF)やセルロースナノクリスタル(CNC)、バクテリアナノセルロース等を用いることができる。 The roll of the present invention is formed from a material containing cellulose into a roll shape. As the cellulose, nanocellulose such as cellulose nanofiber (CNF), cellulose nanocrystal (CNC), bacterial nanocellulose, etc. can be used.
本発明のロールは、自然分解するセルロースを含む材料で構成されているため、環境への影響が小さく、環境保全及び環境改善に資する。 Since the roll of the present invention is made of a material containing cellulose that decomposes naturally, it has little impact on the environment and contributes to environmental conservation and improvement.
(実施形態)
本発明のロールの実施形態の一例を、図面を参照して説明する。本発明のロールは、機能性素材などの製造装置部品である搬送用ロールやグラビアロール、ニップロールといった各種工業用ロールとして用いることができるが、ここでは、ロールがグラビアロールの場合を一例として説明する。
(Embodiment)
An example of an embodiment of the roll of the present invention will be described with reference to the drawings. The roll of the present invention can be used as various industrial rolls such as transport rolls, gravure rolls, and nip rolls that are parts of manufacturing equipment for functional materials, etc., but here, the case where the roll is a gravure roll will be explained as an example. .
一例として図1に示すロールは、セルロースを含む材料で構成されたロール(以下「セルロースロール」という)1である。ここで、セルロースにはいわゆるナノセルロースも含まれる。また、ナノセルロースには、木材などを原料とするセルロースナノファイバー(CNF)やセルロースナノクリスタル(CNC)のほか、酢酸菌などの微細な菌が作るバクテリアナノセルロースが含まれる。なお、CNCはセルロースナノウィスカー(CNW)とも称される。また、前記ナノセルロースには、電解紡糸法(エレクトロスピニング法)で溶解したセルロースから製造されるものが含まれる。また、前記ナノセルロースはゲル状のものであってもペレット状のものであってもよい。 As an example, the roll shown in FIG. 1 is a roll (hereinafter referred to as "cellulose roll") 1 made of a material containing cellulose. Here, cellulose also includes so-called nanocellulose. In addition, nanocellulose includes cellulose nanofibers (CNF) and cellulose nanocrystals (CNC), which are made from wood and other materials, as well as bacterial nanocellulose produced by microscopic bacteria such as acetic acid bacteria. Note that CNC is also called cellulose nanowhisker (CNW). Further, the nanocellulose includes one manufactured from cellulose dissolved by an electrospinning method. Furthermore, the nanocellulose may be in the form of a gel or pellets.
ここでは、セルロースとしてCNFを用いる場合を一例として説明する。 Here, a case where CNF is used as cellulose will be explained as an example.
この実施形態のセルロースロール1は、CNFと熱硬化性樹脂(バインダー)が混練された材料(繊維状、又はシート状に成形された状態)をロール状に巻きつけて硬化させたものである。セルロースロール1は、押出し成形(射出成形)によって成型することもできる。
The
セルロースロールの材料となるCNFには、長さ150nm、幅3nm程度のものを用いることができる。CNFはこれより大きくても小さくてもよい。 The CNF used as the material for the cellulose roll can have a length of about 150 nm and a width of about 3 nm. The CNF may be larger or smaller than this.
CNFと混練する樹脂には、例えば、熱硬化性樹脂、より具体的には、エポキシ樹脂やポリプロピレン樹脂などを用いることができる。CNFは樹脂中に1wt%以上含有することが望まれる。ただし、この含有量は一例であり、これ以外であってもよい。なお、樹脂の材質においてはポリカーボネート(PC)、ポリアミド(PA)、ポリスチレンテレフタレート(PBT)、ポリアセタール(POM)、ポリフェニレンエーテル(PPE)などを用いることができ、材質に特に規定はない。 As the resin to be kneaded with CNF, for example, a thermosetting resin, more specifically, an epoxy resin or a polypropylene resin can be used. It is desirable that CNF be contained in the resin in an amount of 1 wt% or more. However, this content is just an example, and it may be other than this content. As for the material of the resin, polycarbonate (PC), polyamide (PA), polystyrene terephthalate (PBT), polyacetal (POM), polyphenylene ether (PPE), etc. can be used, and there is no particular restriction on the material.
図1に示すように、この実施形態のセルロースロール1はロール本体がセルロース製のパイプ状であり、ベアリング2を介して軸材3の外側に装備して使用される。この場合、ベアリング(軸受)2はセルロースロール1の両端側に埋設された金属性のフランジ12などを介して設けるのが好ましい。セルロースロール1は無垢材であってもよい。セルロースロール1の外径や内径、長さ等は用途に応じて適宜設計することができる。なお、ロールの構造はロール径や目的によって変えることができる。
As shown in FIG. 1, the
セルロースロール1はそれ自体をロールとして使用することもできるが、耐摩耗性向上を目的に図2(a)(b)に示すように、ロールのロール母材として使用することもできる。
The
図2(a)(b)は、セルロースロール1をロール母材としたロールの一例を示すものである。セルロースロール1の外側には、セルロースロール1よりも硬度の高い硬質管4が設けられている。硬質管4には、例えば、SUS製やアルミニウム製のスリーブを用いることができる。この実施形態では、硬質管4としてSUS管(SUS304)を用いている。金属製スリーブの他にはポリ塩化ビニル(PVC)やポリプロピレン(PP)などの樹脂を用いることも可能である。なお、前記金属製スリーブ及び樹脂スリーブの厚さは特に規定はなく、0.1mm以上であることが望ましく5mm以上の厚肉であっても問題はない。
FIGS. 2(a) and 2(b) show an example of a roll using
この実施形態では、セルロースロール1と硬質管4を図示しない接着剤で接着して両者の密着度を高めている。硬質管4は焼嵌めによってセルロースロール1の外側に装着することもできる。具体的には、セルロースロール1の外側に熱膨張させた硬質管4を被せたのち、その硬質管4を冷却して収縮させることで、硬質管4をセルロースロール1に密着させることができる。焼嵌めのほか、エポキシ接着剤などの接着剤やピンなどを用いて締結することも可能である。
In this embodiment, the cellulose roll 1 and the
図示は省略しているが、硬質管4の表面にはセルや彫刻などの凹凸を形成することもできる。硬質管4の表面に凹凸を設けることで、グラビアロールとして用いることができる。
Although not shown in the drawings, it is also possible to form irregularities such as cells and engravings on the surface of the
図2(a)(b)のような硬質管4を備えたロールでは、硬質管4の外周に図3(a)(b)に示すようなDLC膜5を設けることもできる。図3(a)(b)に示すロールのDLC膜5は、厚さ0.5~50μm程度、硬さ800~6000HV程度としてある。DLC膜5は膜厚1μm以上、好ましくは6μm以上とする。
In a roll equipped with a
DLC膜5の形成には、ソースガスにCH4(メタン)やC7H8(トルエン)、C2H2(アセチレン)、C6H6(ベンゼン)などの炭化水素系のガスを用いることができる。DLC膜5の構造に特に指定はないが、内部応力の緩和にSi(ケイ素)やO2(酸素)、B(ホウ素)、N2(窒素)、Cr(クロム)、Ti(チタン)などの第三元素を含有してもよい。
To form the
図3(a)(b)に示すロールは、硬質管4の表面に直接DLC膜5を形成するものであるが、両者の密着性を向上させるため、硬質管4とDLC膜5の間にHCrめっき層とは異なる中間層(以下「ミキシング層」という)を設けることもできる。
The rolls shown in FIGS. 3(a) and 3(b) form the
ミキシング層は、SiやCr、Tiを主とするもの、窒素と化合物化したもの、又は、C(炭素)やH(水素)を一緒に含有したもの等とすることができる。ミキシング層は必要に応じて設ければよく、不要な場合は省略することができる。 The mixing layer can be made of a material mainly composed of Si, Cr, or Ti, a material made into a compound with nitrogen, or a material containing C (carbon) or H (hydrogen) together. The mixing layer may be provided as necessary, and can be omitted if unnecessary.
図2(a)(b)のような硬質管4を備えたロールでは、DLC膜5に変えて、硬質管4の外周に図4(a)(b)に示すようなめっき層6を設けることもできる。具体的には、HCrめっき層やNiめっき層を硬質管4の外側に設けることができる。めっき層6は従来の方法で形成することができる。なお、硬質管4がアルミニウムの場合は、Niめっきを施してからHCrめっきをするのが望ましい。
In a roll equipped with a
(その他の実施形態)
図2の例では、セルロースロール1の外周に硬質管4を設ける場合を一例としているが、硬質管4に代えてめっき層6を設けることもできる。この場合、めっき層6の外側にDLC膜5を設けることもできる。また、セルロースロール1の外周に硬質管4やめっき層6を設ける代わりに、DLC膜5を設けることもできる。
(Other embodiments)
In the example shown in FIG. 2, a
前記実施形態で示す各ロールの最外周(一番外側)には、洗浄用や脱水用のスポンジ(スポンジ層)を設けることができる。スポンジ層は、ロールの長手方向全長に設けることも部分的に設けることもできる。スポンジ層の材質に特に制限はなく、例えば、ポリ塩化ビニル(PVC)やポリビニルアルコール(PVA)といったウレタン系のスポンジに代表される各種材質のものを用いることができる。 A sponge (sponge layer) for cleaning and dehydration can be provided on the outermost periphery (outermost side) of each roll shown in the embodiment. The sponge layer may be provided over the entire longitudinal length of the roll or may be provided partially. The material of the sponge layer is not particularly limited, and various materials such as urethane sponges such as polyvinyl chloride (PVC) and polyvinyl alcohol (PVA) can be used.
前記実施形態で示す各ロールのセルロースロール1は、フランジ12に取り付けられたベアリング2を介して軸材に装備される場合を一例としているが、各ロールのセルロースロール1は、図5(a)(b)のように、長手方向両端のそれぞれに埋設された軸部材13の外側に装備することもできる。
The
前記実施形態で示す各ロールの最外周(一番外側)には、搬送用やニップ用、テンションカット用のゴム材(ゴム層)を設けることができる。ゴム層は、ロールの長手方向全長に設けることも部分的に設けることもできる。ゴム層の材質に特に制限はなく、例えば、EPDM(EPT)やウレタン、バイトン、シリコーン、フッ素系ゴムに代表される各種材質のものを用いることができる。 A rubber material (rubber layer) for conveyance, nipping, and tension cutting can be provided on the outermost periphery (outermost side) of each roll shown in the embodiment. The rubber layer may be provided over the entire longitudinal length of the roll or may be provided partially. The material of the rubber layer is not particularly limited, and various materials such as EPDM (EPT), urethane, Viton, silicone, and fluorine rubber can be used.
次に、前記ロールの製造方法の一例について説明する。ここでは、セルロースロール1の外側に硬質管4が設けられ、その硬質管4の表面にDLC膜5が形成されたロールを製造する場合を一例とする。
Next, an example of a method for manufacturing the roll will be described. Here, we will take as an example a case in which a roll is manufactured in which a
図6に示すように、前記ロールは、母材製作工程S1、硬質管装着工程S2、クリーニング工程S3、ミキシング層形成工程S4及び成膜工程S5を経て製造することができる。クリーニング工程S3及びミキシング層形成工程S4は必要な場合のみ実施すればよく、不要な場合には省略することができる。 As shown in FIG. 6, the roll can be manufactured through a base material manufacturing process S1, a hard tube mounting process S2, a cleaning process S3, a mixing layer forming process S4, and a film forming process S5. The cleaning step S3 and the mixing layer forming step S4 may be performed only when necessary, and can be omitted when unnecessary.
前記各工程のうち、クリーニング工程S3、ミキシング層形成工程S4及び成膜工程S5は、図7に示す装置を用いて実施することができる。図7において、7は真空チャンバー、8はRF高周波電源、9はRF電極、10は高電圧パルス電源、11はガス注入口である。RF高周波電源8に代えてICP(Inductively Coupled Plasma:誘導結合プラズマ)電源を用いることもできる。ICP電源を用いることでRF高周波電源8よりもプラズマ密度が高くなり、RF高周波電源8を用いる場合よりも短時間でDLC膜5を厚くすることができる。
Among the above steps, the cleaning step S3, the mixing layer forming step S4, and the film forming step S5 can be performed using the apparatus shown in FIG. 7. In FIG. 7, 7 is a vacuum chamber, 8 is an RF high frequency power source, 9 is an RF electrode, 10 is a high voltage pulse power source, and 11 is a gas injection port. In place of the RF high
前記母材製作工程S1では、CNFと熱硬化性樹脂が混練された材料をロール状に巻きつけて硬化させ、セルロースロール1を製作する。セルロースロール1は、押出し成形(射出成形)によって成型することもできる。
In the base material manufacturing step S1, a material obtained by kneading CNF and a thermosetting resin is wound into a roll shape and hardened to manufacture the
前記硬質管装着工程S2では、製作したセルロースロール1の外周に硬質管4を被せる。具体的には、セルロースロール1の外径よりも内径が小さな硬質管4を加熱して膨張させ、セルロースロール1の外側に被せる。その後、被せた硬質管4を自然冷却或いは強制冷却させることによってセルロースロール1の外周に密着させる。セルロースロール1と硬質管4の間には接着剤(図示しない)を介在させることもできる。
In the hard tube mounting step S2, the
なお、硬質管4の表面に凹凸を設ける場合、凹凸は硬質管4をセルロースロール1の外周に被せる前に形成することも、硬質管4をセルロースロール1の外周に被せたあとに形成することもできる。
In addition, when providing unevenness on the surface of the
前記クリーニング工程S3では、硬質管4を被せたセルロースロール1を真空チャンバー7のRF電極9内にセットし、真空チャンバー7内を真空状態にする。この状態で、硬質管4の表面の洗浄及び付着力向上を目的として、硬質管4の表面をアルゴン、水素イオンによりエッチング処理してクリーニングする。エッチング処理は従来と同様の方法で行うことができる。クリーニングは、例えば次の条件で行うことができる。
使用ガス :Ar、H2
負パルス電圧:-1~-15kV
RF出力 :50~1500W
In the cleaning step S3, the
Gas used: Ar, H2
Negative pulse voltage: -1 to -15kV
RF output: 50~1500W
前記ミキシング層形成工程S4では、セルロースロール1の外側に被せた硬質管4の表面にHCrめっきを目的としないミキシング層(図示しない)を形成する。具体的には、硬質管4を被せたセルロースロール1を真空チャンバー7のRF電極9内にセットし、真空チャンバー7内を真空状態にする。ガス注入口11から原料ガス(例えば、C、Si)を真空チャンバー7内に注入し、Cラジカルを生成して硬質管4の表面にミキシング層を形成してDLCの付着力(密着性)を高める。
In the mixing layer forming step S4, a mixing layer (not shown) not intended for HCr plating is formed on the surface of the
なお、原料ガスとしてSiイオンを注入すると、Siがプライマーの役割を担うことができる。また、原料ガスとして、N2、Ar(アルゴン)、CH4、C2H2、CF4(四フッ化炭素)、C、H、B等の混合ガスを注入することもできる。ミキシング層の形成は、例えば次の条件で行うことができる。
使用ガス :HMDSOやHMDSやTMS(Si系ガス)、CH4、C2H2
負パルス電圧:-1~-15kV
RF出力 :50~1500W
Note that when Si ions are implanted as a source gas, Si can play the role of a primer. Further, a mixed gas such as N 2 , Ar (argon), CH 4 , C 2 H 2 , CF 4 (carbon tetrafluoride), C, H, and B can also be injected as the source gas. The mixing layer can be formed, for example, under the following conditions.
Gas used: HMDSO, HMDS, TMS (Si-based gas), CH 4 , C 2 H 2
Negative pulse voltage: -1 to -15kV
RF output: 50~1500W
前記成膜工程S5では、セルロースロール1の外側の硬質管4の表面(ミキシング層を成形した場合はその表面。以下同じ。)にDLC膜5を形成する。具体的には、硬質管4を被せたセルロースロール1がセットされた真空チャンバー7内を常温(望ましくは20℃~50℃程度)且つ真空状態にする。
In the film forming step S5, a
この状態で、RF高周波電源8により高周波電圧を印加して、硬質管4の周辺(具体的には、真空チャンバー7内のRF電極9の周辺)にプラズマを発生させ、高電圧パルス電源10によりセルロースロール1に負の高電圧パルスを印加する。
In this state, a high-frequency voltage is applied by the RF high-
その後、ガス注入口11から原料ガス(例えば、C、O2)を真空チャンバー7内に注入して、その原料ガスを真空チャンバー7内で反応させ、硬質管4の表面にDLCを堆積させることによって、硬質管4の表面にDLC膜5を形成する。DLC膜5は膜厚1μm以上、好ましくは6μm以上とする。この製造方法では、DLC膜5を常温環境下で成膜するため、硬質管4が熱膨張しにくく、長時間かけて成膜してもセルロースロール1や硬質管4が変形しにくい。このため、長時間かけることで膜厚6μm以上のDLC膜5を成膜することができる。
Thereafter, a raw material gas (for example, C, O 2 ) is injected into the
DLC膜5については特に指定はなく、構成される主元素である炭素や水素の他にケイ素や窒素などの第三元素を有してもよい。また、DLC膜5は酸素を含む親水性DLC膜であってもよい。DLC膜5の形成は、例えば次の条件で行うことができる。
使用ガス :CH4、C2H2
負パルス電圧:-1~-15kV
RF出力 :50~1500W
There is no particular specification for the
Gas used: CH 4 , C 2 H 2
Negative pulse voltage: -1 to -15kV
RF output: 50~1500W
DLC膜5は2回以上に分けて形成することもできる。この場合、前記条件で1回目の成膜を行った後、例えば、次の条件で2回目の成膜を行うことができる。
使用ガス :C7H8、C2H2
負パルス電圧:-1~-15kV
RF出力 :50~1500W
The
Gas used : C7H8 , C2H2
Negative pulse voltage: -1 to -15kV
RF output: 50~1500W
なお、DLC膜5の形成後、特に研磨などの工程を行わずに製品となる。
Note that after the
本発明のロールは、DLC膜5の形成後でも硬質管4の表面の凹凸形状は成膜前とほとんど変化せず、面積比にして10%以下である。
In the roll of the present invention, even after the
なお、図6に示す製造工程は一例であり、本発明のロールはこれ以外の方法で製造することもできる。例えば、セルロースロール1自体をロールとして使用する場合には、図6に示す製造工程のうち、硬質管装着工程S2以降の工程は省略することができる。
In addition, the manufacturing process shown in FIG. 6 is an example, and the roll of this invention can also be manufactured by a method other than this. For example, when the
同様に、硬質管4の外側にDLC膜5もめっき層6も設けない場合には、図6に示す製造工程のうち、クリーニング工程S3以降の工程は省略することができる。また、硬質管4の外側にDLC膜5に代えてめっき層6を設ける場合には、成膜工程S5の代わりにめっき工程(図示しない)を実施する。
Similarly, when neither the
本発明のロールは、フィルムやガラス板等の機能性素材の製造に用いることができる。 The roll of the present invention can be used for manufacturing functional materials such as films and glass plates.
1 セルロースロール
2 ベアリング(軸受)
3 軸材
4 硬質管
5 DLC膜
6 めっき層
7 真空チャンバー
8 RF高周波電源
9 RF電極
10 高電圧パルス電源
11 ガス注入口
12 フランジ
13 軸部材
1
3
Claims (2)
セルロースを含む材料がロール状に成形されたロール母材を備え、
前記ロール母材の外側に、当該ロール母材よりも硬度の高い硬質管が設けられ、
前記硬質管の外側に、セルロースを含まないスポンジが設けられた、
ことを特徴とするロール。 In the roll,
Equipped with a roll base material made of a material containing cellulose formed into a roll shape,
A hard tube having a higher hardness than the roll base material is provided on the outside of the roll base material,
A sponge not containing cellulose is provided on the outside of the hard tube.
A roll characterized by:
スポンジが、洗浄用スポンジ又は脱水用スポンジである、
ことを特徴とするロール。
The roll according to claim 1,
The sponge is a cleaning sponge or a dehydration sponge,
A roll characterized by:
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