JP2504170B2 - 環状繊維集積体の製造装置 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 ［産業上の利用分野］ 本発明は、繊維強化金属の製造に用いて好適な繊維集
積体の製造装置に係り、詳しくは繊維の多くが円周接線
方向に配向した環状繊維集積体の製造装置に関する。

［従来の技術］ 繊維の多くが一次元配向した繊維集積体を得るため
に、誘電液体中に繊維を分散させた繊維懸濁液を、平行
する正負電極間に醸成された電界内に注入して、該繊維
を静電配向させると同時に橋絡させ、同配向繊維を順次
沈降させて集積するという基本的な技術は知られてい
る。

この場合、繊維の多くは一次元方向すなわち直線方向
に配向した集積体が得られ、該集積体はそれなりにきわ
めて有用である。ところが繊維強化金属の適用を希求さ
れている機能部品には環（円筒）形状のものも少なくな
く、上記直線配向した繊維集積体ではこのような機能部
品の品質要求に応えられないという問題がある。

第３図及び第４図に示す特開昭63−227853号に開示の
発明は、このような問題解決を目的としたものであっ
て、同発明は直立円筒状空間４内の円周の法線方向に交
互に配された複数対の正負電極５、６間に電界を醸成
し、短繊維、ウイスカ等の非連続繊維を誘電液体11中に
分散させた繊維懸濁液を、上記電界内に注入して該繊維
を円周接線方向に静電配向させると同時に橋絡させ、同
配向繊維を順次沈降させて集積するとともに、上記電極
５、６を直立円筒状空間４の軸心の回りに緩やかに回動
させ、かつ該電極５、６下端縁と、集積繊維層12との間
隙を常に所定値に保つよう、直立円筒状空間４の長手方
向に対する電極位置を順次相対的に変位させるという技
術手段を講じたものである。

［発明が解決しようとする課題］ しかしながら、上述した環状繊維集積体の製造技術で
は、配向繊維の均斉化を狙って、針状若しくは網状に形
成された複数対の電極が繊維懸濁液中を回動するもので
あるため、これが配向、橋絡の過程にある繊維群に逆に
撹乱を生起させる結果となりやすく、しかも沈降集積し
た繊維層と常に所定の間隙を保持する電極下端部には不
可避的に電界が集中し、集積繊維層12の表層繊維に吊り
上がり現象が発生して、折角配向集積された繊維に再度
動乱を生じさせる不具合がある。

本発明は、配向繊維の乱れ要因を極力排除して、非連
続繊維の多くが円周の接線方向に整然と配向した環状繊
維集積体を得ることを解決すべき技術課題とするもので
ある。

［課題を解決するための手段］ 本発明は上記課題解決のため、同心的な内外筒によっ
てその間に直立円筒状空間が形成された有底容器と、該
外筒の内周壁に交互に、かつ垂直状に埋設された正及び
負の電極と、該直立円筒状空間の下部に配置された濾過
体と、上記外筒と濾過体とを直立円筒状空間の軸心の回
りに相対的に回転させる手段と、上記有底容器の底壁に
設けられた排液手段と、上記各電極に接続された電圧印
加装置とからなる新規な構成を採用している。

とくに本発明の重要な特徴の一つは、上記外筒の内周
壁に垂直状に埋設された正負の電極であって、その内面
は外筒の内周壁と整合するように形成される。該電極の
極数に制限はないが、正電極と負電極は円周方向に交
互、かつ等分に配置され、各正負電極間に醸成される電
界の強さがほぼ均一となるよう構成することが好まし
い。

そして他の重要な特徴の一つは、上記外筒と上記濾過
体とを直立円筒状空間の軸心の回りに相対的に回転させ
る手段をもつことであり、もっとも望ましい形態は外筒
を固定して濾過体及び内筒を共に回転させることであ
る。かかる形態によれば、電極の静止に伴って配向繊維
の泳動に基づく誘電液体の対流も生ぜず、しかも集積繊
維層は濾過体及び内筒との摩擦力により安定的に保持さ
れて橋絡、沈降繊維との間に常に均等な相対角変位が得
られるとともに、電極への通電配線類に対する面倒な回
転吸収対策も不必要となる。なお、上記内筒とは厳密な
意味の筒体ほか、柱体の適用も包含するものであり、ま
た、導電性繊維を使用した場合には、繊維の短絡を防
ぎ、かつ繊維懸濁液の乱流を抑制するため、上記正及び
負電極の露出表面に陰及び陽のイオン交換膜を被装する
ことが好ましい。

繊維集積体の製造は、短繊維、ウイスカ等の繊維を誘
電液体中に分散させて繊維懸濁液とし、正負電極間に電
界が醸成された直立円筒状空間内にこれを注入するとと
もに、外筒と濾過体とを緩やかに相対回転させることに
よって行われる。

上記繊維には、短繊維及びウイスカの範疇に入るもの
のすべてを用いることができ、その径及び長さはとくに
限定されない。該繊維の材質としては、繊維懸濁液とし
て所定の電界内に注入された際、誘電液体中で静電配向
するものであればよく、例えば、アルミナ、シリカ、ア
ルミナーシリカ、ベリリヤ、炭素、炭化珪素、窒化珪
素、ガラスのほか各種金属等を使用することができる。
また、該繊維のうちの２種以上を混合して使用すること
もできる。

上記誘電液体とは、電圧の印加により誘電性を示す液
体をいい、これには四塩化炭素、フッ素塩素置換炭化水
素、ｎ−ヘキサン又はシクロヘキサン等が挙げられる。
これらの誘電液体のうち四塩化炭素がとくに好ましく、
また、フッ素塩素置換炭化水素は取扱い上、安全性の面
で優れている。なお、該誘電液体中に繊維をなるべく均
一に分散させるには、通常界面活性剤特にノニオン系界
面活性剤を適当量添加することが望ましい。

正負電極間に電圧を印加して醸成される上記電界の強
さは、通常約0.5〜5kv/cmで、これが0.2kv/cm程度以下
では繊維の静電配向が十分でなく、また10kv/cm程度以
上においては繊維懸濁液に撹乱が生じて繊維の配向精度
が劣化する。もっとも好ましい電界の強さは約１〜2kv/
cmである。なお、該電界の強さは、使用繊維の種類、誘
電液体の誘電特性及び製造される繊維集積体の厚さなど
により、もっとも好ましい値が設定される。

上記繊維懸濁液の注入により電界内に置かれた誘電液
体中の個々の繊維は、その一端が正電極に他端が負電極
に指向した円周接線方向に配向すると同時に順次橋絡沈
降し、例えば濾過体の回転に基づいて同橋絡沈降繊維は
わずかに配向方位をずらしながら該濾過体上に集積され
るが、これが所望厚さに達するまでの間上記繊維懸濁液
の注入は続けられ、容器の底壁からはほぼ等量の液の排
出が行われる。この場合、液の排出には注意が肝要で、
液に力学的な乱れの生じない程度に流量を調節したうえ
で、自然流出若しくは吸引排出させることが望ましい。
上記流排出は直立円筒状空間の下部に配設された濾過体
を介して行うことが、流量の調節ばかりでなく繊維の漏
出や液の乱れを防止するうえで効果的であり、該濾過体
としてはたとえば多孔質セラミックなどを使用すること
ができる。

かくて集積を終え、残留誘電液体の排出除去をまって
取出された円筒状の繊維集積体は、円筒状に形成された
機能部品の繊維強化金属用繊維成形体として供されるも
のである。

［実施例］ 以下、本発明の具体的な実施例を第１図及び第２図に
基づいて説明する。

図において、10は水平状に架設され中央に給液孔10a
が開口されたフレーム、12は該フレーム10から一体状に
垂設された直円筒状の外筒で、該外筒12内には同心的に
整合され内筒（図に円柱状として示されている）14が配
置されている。そして該内筒14の下端に固着され、かつ
鉛直方向に小孔群の貫設された円板状の濾板16は、上記
外筒12の下端開口を遮蔽するほどに拡延されて、これら
外筒12、内筒14及び濾板16の３者が繊維配向域となる直
立円筒状空間18を備えた有底容器を形成している。20、
22は上記外筒12の内周壁に垂直状に埋設された正負電極
で、各正負電極20、22間に醸成される電界の強さがほぼ
均一となるよう円周方向に交互、かつ等分に配置されて
おり、上記外筒12の内壁面と整合するように形成された
正及び負電極20、22の露出内面には、必要に応じ陰及び
陽のイオン交換膜が被装される。勿論、これらの各電極
20、22は正負の電極20、22間に所定の電界を醸成するた
めの直流電圧印加装置50と接続されている。

24は上記外筒12の外郭をさらに囲繞するように配設さ
れたケーシングで、支持台26上に図示しない軸受要素を
介して立設され、その内壁の一部に形成された張出縁24
aは例えばキー部24bを介して上記濾板16相対回転不能に
支承している。28は該濾板16上に固止されて実質的に直
立円筒状空間18の底壁を形成する濾過体で、該濾過体28
は減速機付電動機30と直結した上記ケーシング24及び濾
板16と連動して、直立円筒状空間18の軸心の回りに緩速
回転するように構成されている。そして上記支持台26に
はケーシング24の底壁24cに貫設された通孔31と樋部32
を介して対応した通孔34が貫設され、各通孔30、34は吸
引装置とも連接可能な導管36及びコック38からなる排液
手段と結合されている。なお、40は集積繊維層の積層を
解消するために装置全体を揺振させる加振機である。

本発明装置は上述のように構成されており、まず表面
処理をしないアルミナ短繊維（平均繊維径約３μｍ、平
均繊維長10〜500μｍ）を、四塩化炭素の誘電液体中に
ごく少量のノニオン系界面活性剤とともに添加し、これ
らを撹拌して該繊維を分散させた繊維懸濁液とした。

上記装置の各正負電極に約1kv/cmの電界を醸成して、
給液孔10aから直立円筒状空間18内へ繊維懸濁液を注入
した。

注入された繊維は該誘電液体中で誘電分極して円周接
線方向に静電配向され、次いでその多くは橋絡を生じて
質量を増し、円周接線方向の配向状態を保って沈降す
る。

上記配向橋絡繊維は、繊維懸濁液の注入と並行して行
われる導管36からの濾液の排出によって順次濾過体28上
に集積されるが、集積繊維層Ｆは濾過体28の緩速回転
（１周約15分）につれて刻々と変位するので、繊維は円
周の接線方向に万遍なく積層される。なお、このとき加
振機40の作動によって装置全体を揺振させれば、集積繊
維層Ｆの粗密むらは一層効果的に解消される。かくて所
定厚さ（約15mm）に達した積層繊維層Ｆは残存液を排出
除去して取出される。

この環状繊維集積体は繊維の離断や偏在がなく円周接
線方向にきわめて均一良好に配向されており、これを繊
維強化金属用に供したとき、該強化金属は円周法線方向
の強度が一層高く、かつ熱膨脹が小さいことから、例え
ば各種ピストン等に有効に利用できる。

［発明の効果］ 以上、詳述したように本発明は、電界を醸成する電極
が繊維配向域すなわち直立円筒状空間の外壁面に埋設さ
れているため、電極の運動による直接的な液の攪乱や、
電界の集中に基づく集積繊維層の吊り上がり現象などが
ことごとく消去されて、配向繊維の乱れは著しく改善さ
れる。しかも電極を保持した外筒と配向橋絡繊維を受承
する濾過体との緩やかな相対回転により、同配向繊維は
順次位相差を生じながら集積されるので、円周の接線方
向に均一良好に配向した繊維集積体を得ることができ
る。とりわけ固定した外筒に対して濾過体を緩速回転さ
せる手段を採用すれば、電極の静止に伴って配向繊維の
泳動もなく、これによって生じる液の対流も必然的に消
滅させることができる。さらに加振機を発動して装置全
体を揺振させるようにしたものでは、集積繊維層の更な
る疎密むらの解消に見逃し難い効果を発揮する。なお、
上記環（円筒）状繊維集積体を用いて製造された繊維強
化金属が、強度、熱膨脹のいずれの観点からも卓越した
ものであることは十分認識されており、この点の詳しい
説明は省略する。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明装置の実施例を模式的に示した断面正面
図、第２図は同一断面平面図、第３図は従来装置を模式
的に示した断面図、第４図は同一部省略平面図である。 12…外筒、14…内筒 18…直立円筒状空間、20…正電極 22…負電極、24…ケーシング 26…支持台、28…濾過体 36…導管、38…コック 40…加振機、50…直流電圧印加装置

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 平井 秀敏 愛知県刈谷市豊田町２丁目１番地 株式 会社豊田自動織機製作所内 (56)参考文献 特開 昭63−227853（ＪＰ，Ａ) 特開 昭63−79924（ＪＰ，Ａ)

Claims (1)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】同心的な内外筒によってその間に直立円筒
   状空間が形成された有底容器と、該外筒の内周壁に交互
   に、かつ垂直状に埋設された正及び負の電極と、該直立
   円筒状空間の下部に配置された濾過体と、上記外筒と濾
   過体とを直立円筒状空間の軸心の回りに相対的に回転さ
   せる手段と、上記有底容器の底壁に設けられた排液手段
   と、上記各電極に接続された電圧印加装置とからなる環
   状繊維集積体の製造装置。