JP3222024B2 - 剥離性と耐摩耗性の良好な複合材料ロール - Google Patents

剥離性と耐摩耗性の良好な複合材料ロール

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Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【産業上の利用分野】本発明は軽量且つ高剛性を有する
ロールに関し、特に印刷機関係、製紙工業、紙加工業等
における搬送ロール、ガイドロール等のように被処理物
とロール表面との剥離性(または非粘着性)及び耐摩耗
性が要求されるロールに関するものである。
【0002】
【従来の技術】印刷機関係、製紙工業、紙加工業に於い
て使用されているロールはこれまで鋼鉄製かアルミニュ
ーム製のものが主であった。又表面処理としてはCrメ
ッキが主に用いられていたが、最近、フッ素樹脂を表面
に焼き付けコートしたものも使用されるようになってき
ている。一方近年産業の進歩により、上記のような加工
機の高速化が種々試みられているところであるが、この
ような高速化の要求を満足すべく一部CFRP(炭素繊
維複合材料)を母体としたロールも使用されつつある。
CFRPを母材としたロールの場合も表面処理としては
クロムメッキ、ゴム被覆、セラミックコート、フッ素系
樹脂の焼付、テフロンシュリンクチューブ被覆品等であ
る。
【0003】
【発明が解決しようとする課題】母材が金属で製作され
ているロールの場合、重量が重く、そのため慣性モーメ
ント(GD2 )が大きくラインスピードの加減速に時間
を要すること、ロールの回転が重く、非処理物に高い張
力がかかり、例えば薄ものの製品が作り難いこと、又印
刷機の場合は印刷の際色合わせに不具合が発生する等の
問題があった。またこのような金属ロールの場合、CF
RPロールに比べて非弾性率が低くロールの自重たわみ
が大きいことも問題であった。ロールの表面処理につい
ては上述の如く種々あるが、例えば印刷機について見て
みると、ほとんどがクロムメッキされたものであり、イ
ンキの付着がはげしく、汚れの問題、掃除の手間、さら
には有機溶剤などを用いた掃除環境の問題点があった。
【0004】その他の表面処理についても一般産業用途
に使用されていて、公知のところであるが、ゴム被覆ロ
ール、セラミックコートロール等は上述のごとき用途に
は不向きである。フッ素樹脂をロール表面に焼き付けた
ものについては、かなりコスト高になること、又アルミ
ニュームロール等に処理した場合でもロールの変形を来
し、精度の高いロールを作り難いなどの問題があった。
テフロンシュリンクチューブの精度については問題ない
が、チューブのコストが高いことなどの問題があった。
【0005】本発明者らは先に、特願平3−19663
5号において、軽量で剛性に富み、且つ被処理物に対す
る表面剥離性に優れていてインクの付着性の少ない複合
材料ロールを提案したが、本発明では剥離性と共に耐摩
耗性をも向上した複合材料ロールを提供しようとするも
のである。
【0006】
【課題を解決するための手段】本発明は、表面に樹脂皮
膜を一体的に形成してなる炭素繊維強化樹脂製ロールに
於いて、表面に樹脂皮膜を一体的に形成してなる炭素繊
維強化樹脂製ロールに於いて、表面の樹脂皮膜が、共重
合性含フッ素系モノマーとシリコンマクロモノマー、他
の共重合可能なビニル系単量体、及び、共重合して得ら
れるフッ素とシリコンを含有するポリマーに対し、1:
5から5:1の比率で球状微粒子アルミナを配合したフ
ッ素・シリコン含有ポリマーであることを特徴とする剥
離性と耐摩耗性の良好な複合材料ロールを上記課題を解
決するための手段とするものである。又、本発明は、上
記の複合材料ロール表面の上を球状微粒子アルミナを配
合しない塗料で被覆して一体的に被膜形成せしめたこと
を特徴とする剥離性と耐摩耗性の良好な複合材料ロール
を上記課題を解決するための手段とするものでもある。
【0007】本発明に使用されるフッ素・シリコン含有
ポリマーとしては、パーフルオロアルキル基またはフル
オロアルキル基含有(メタ)アルキル酸エステル系単量
体とシリコン系マクロモノマー及び他の共重合可能なビ
ニル単量体を共重合して得られるポリマーが挙げられ
る。
【0008】シリコン系マクロモノマーとしては、例え
ば東亜合成化学工業(株)のAK−5、AK−40など
が挙げられ、他の共重合可能なビニル単量体としては、
(メタ)アクリル酸メチル、(メタ)アクリル酸エチ
ル、(メタ)アクリル酸プロピル、(メタ)アクリル酸
ブチル、(メタ)アクリル酸2エチルヘキシル、(メ
タ)アクリル酸ラウリル、スチレン、αメチルスチレ
ン、p−tert−ブチルスチレン、ジメチルスチレ
ン、ビニルトルエン、(メタ)アクリルアミド、N−メ
チロール(メタ)アクリルアミド、ブトキシ(メタ)ア
クリルアミド、2−ヒドロキシ(メタ)アクリレート、
2−ヒドロキシプロピル(メタ)アクリレート、3−ヒ
ドロキシブチル(メタ)アクリレート、3−クロロ−2
−ヒドロキシプロピル(メタ)アクリレート、ジ−2−
ヒドロキシエチルフマレート、モノ−2−ヒドロキシエ
チル−モノブチルフマレート、ポリエチレングリコール
モノ(メタ)アクリレート、ポリプロピレングリコール
モノ(メタ)アクリレート、「プラクセルFMないしF
Aモノマー」(ダイセル化学(株)製のカプロラクトン
付加モノマー)、ジメチルアミノエチル(メタ)アクリ
レート、ジエチルアミノエチル(メタ)アクリレート、
さらには、(メタ)アクリロニトリル、酢酸ビニル、マ
レイン酸ジエチル、マレイン酸ジブチル、フマル酸ジブ
チル、イタコン酸ジエチルまたはイタコン酸ジブチル等
である。これらをラジカル重合性開始剤を用いて、通常
の溶液重合法により含フッ素含有ポリマーを得ることが
出来る。
【0009】フッ素・シリコン含有ポリマーの一成分と
して2ヒドロキシル基含有モノマーを共重合させてアク
リルポリオールとした場合、これを主剤として2ポリイ
ソシアネートを硬化剤として使用することで、より耐久
性は向上する。前記したポリイソシアネートとして代表
的なものには、トリレンジイソシアネート、キシレンジ
イソシアネートもしくはジフェニルメタンジイソシアネ
ートのような芳香族ジイソシアネート、テトラメチレン
ジイソシアネート、ヘキサメチレンジイソシアネート、
もしくはトリメチルヘキサメチレンジイソシアネートの
ような脂肪族ジイソシアネート、またはイソホロンジイ
ソシアネート、メチルシクロヘキサン−2,4−(ない
し2,6−)ジイソシアネート、4,4′−メチレンビ
ス(シクロヘキシルイソシアネート)もしくは1,3−
ジ(イソシアネートメチル)シクロヘキサンのごとき脂
環式ジイソシアネートなどのごときジイソシアネート
類、あるいはこれらの各ジイソシアネート類と前記多価
アルコール類、イソシアネート基と反応する官能基を有
する低分子量のポリエステル系樹脂(油変性タイプのも
のをも含む。)または水などとの付加物、さらにはビュ
レット体あるいは上記した各ジイソシアネート同志の
(共)重合体(オリゴマーも含む)等がある。
【0010】尚、フッ素・シリコン含有ポリマーは臨界
表面張力を低くし、新聞インキの剥離性の向上に役立
ち、さらに新聞紙との摺動抵抗を下げ、耐久性を向上す
るのに役立つ。摺動抵抗は動摩擦抵抗で表現され、これ
は0.2以下の場合耐久性の向上に有効である。
【0011】また新聞印刷において、静電気を発生して
紙粉の付着による印刷不良をおこすことを防止するた
め、ロールの表面に導電性を付与することが望まれる
が、表面電気抵抗を下げる方法として、本発明の樹脂系
にカーボンブラックを1〜10wt%の範囲で配合し、
108オーム以下の表面電気抵抗とすることにより問題
を解決することが出来る。
【0012】本発明では上記樹脂成分に対し、1:5〜
5:1の比率で、球状微粒子アルミナを配合して、塗装
樹脂系に耐摩耗性を格段に向上させるところに特徴があ
る。アルミナは粒径30μ以下(望ましくは25μ以
下)の微細粉末で球状となっているものが、摺動性、耐
摩耗性を得る面で好ましい。
【0013】複合材料ロールの表面に塗料被膜を形成す
る場合、上記アルミナ含有塗料をスプレー塗装して硬化
させることにより達成されるが、さらに表面の剥離性と
平滑性を得るため、アルミナの入っていないベースレジ
ンからなる塗料系で重ね塗りを行うことによって達成さ
れる。重ね塗りは下塗り塗料が硬化してから、または硬
化が進む前、ウエット・オン・ウエットの方法で塗装被
膜を作ることによっても達成できる。
【0014】次に本発明に係わる複合材料ロールの製造
法について説明する。炭素繊維トウに代表される高強
度、高弾性補強繊維を用い、該繊維に熱硬化性樹脂を含
浸させ加熱硬化して素管を成形する。炭素繊維の種類と
しては、特に限定するものではないが、より軽量で且つ
剛性を上げるためにはより弾性率の高い高弾性糸を使用
することが好ましい。また必要に応じガラス繊維、アラ
ミド繊維等を使用又は併用することができる。
【0015】また成形法としては、シートラッピング
法、フィラメントワインディング法、引抜成形法、レジ
ントランスファーモウルデアイング法等種々な方法があ
り、特に限定するものではない。従って当然のことなが
ら樹脂の含浸方法もこれらの成形法によって一般的に行
われている方法によってなされる。また樹脂の種類も特
に限定するものではないが、エポキシ樹脂、ビニルエス
テル樹脂、あるいはこれらを併用したものが一般的であ
る。
【0016】上記シートラッピング法及びフィラメント
ワインディング法で成形されるものは、金属性マンドレ
ルにラッピング或いはフィラメントワインドした後加熱
硬化して素管を成形する。引抜法により成形されるもの
は中空パイプ形状のダイスにて引抜成形し、素管を成形
する。レジントランスファーモウルディング法によって
成形されるものは金属型或いは樹脂型等にて成形され
る。
【0017】このようにして成形された素管は、ロール
の長さを決めるために丈決めを行い、しかる後ヘッダー
またはジャーナルを取り付ける。ヘッダー或いはジャー
ナルの接合は接着接合、機械的接合、或いは接着接合と
機械的接合の併用によって行う。しかる後、CFRPの
外周面の研磨及びベアリング嵌め合い部、軸受部の仕上
を行うヘッダー又はジャーナルの接合前にCFRP外周
面を研磨し、しかる後にヘッダー又はジャーナルを接合
し、ベアリング嵌め合い部、軸受部の仕上を行ってもよ
い。
【0018】その後バランス取りを行い、上述の球状微
粒子アルミナ配合塗料をコーティングして製品とする。
バランス取りはロールの長さ及び回転スピード等によっ
て静バランス又は動バランス取りを行うが、輪転機ロー
ルのように高速で回転するものについては、動バランス
を取る必要がある。ロール長が短いもの或いは回転スピ
ードの遅いものについては、静バランス取りで十分であ
る。
【0019】次に本発明の球状微粒子アルミナ配合フッ
素・シリコン含有ポリマー塗料とその塗工法について説
明する。本発明の塗料の調製には、まずフッ素・シリコ
ン含有ポリマーにアルミナを配合分散し、希釈して硬化
剤と配合するか、またはフッ素・シリコン含有ポリマー
にアルミナを高濃度でブレンドしてマスターバッチを作
製し、これとフッ素・シリコン含有ポリマーを適宜比率
をきめて調合し、シンナーで希釈後硬化剤を混合する方
法を採ることができる。主剤と硬化剤の比率は主剤のO
H当量と硬化剤のNCO当量が等しくなるように調合す
る。
【0020】塗工に際しては、粘度状態が表面塗装性に
大きく影響するのでフォードカップ又はイワタカップ等
で粘度の測定を行う。この場合の目安としては8〜25
秒程度が好ましい。このように調合した塗料をスプレー
塗装器にて、研磨された複合材料ロール表面に塗装す
る。この際霧化しにくく糸引き状の場合は希釈シンナー
を適量追加して粘度の調整を行う。厚めに塗装したい場
合は一度塗装後数分間放置し2度目の塗装を行う。更に
厚塗りが必要な場合は同様の操作を数回に亘って行う。
【0021】なお、アルミナ入りの塗料で被覆された塗
装面は面粗度が粗く仕上がるので、表面の滑らかさが要
望される場合、アルミナ入り塗料で塗装した後、アルミ
ナを配合しないフッ素・シリコン含有ポリマー塗料で上
塗りすることで、表面のインク剥離性を良好に保ち、耐
摩耗性を高度に維持する表面被膜を得ることができる。
この場合、アルミナ入り塗料で塗装後完全硬化する前に
上塗りするウエット・オン・ウエット塗装法と、下塗り
が完全硬化してからその表面を研磨し塗装するドライ・
オン・ウエット塗装法の何れも採用できる。しかし塗装
作業の連続性から、工数の削減出来るウエット・オン・
ウエット法の方が有利である。
【0022】加熱硬化法については、塗装後10〜15
分後に加熱を開始するか、又は塗工厚さが厚い場合、や
や時間を経過し、希釈シンナーが十分揮発してから加熱
するのが好ましい。加熱温度については短時間にて処理
したい場合は、比較的高温短時間にて処理するが、十分
時間的余裕がある場合は、常温で時間をかけて硬化して
も被膜性能及び表面剥離性能の点で劣るものではない。
【0023】
【実施例】以下実施例により、本発明を具体的に説明す
る。
【0024】(実施例1)内径93mm、外径100m
m、長さ2000mmで母材として炭素繊維(三菱レイ
ヨン製パイロフィルTR40繊維の縦弾性率24000
kg/mm2)を使用し、外表面が上述の塗料で被覆さ
れ一体的に被膜形成されたCFRP製印刷機用ロールを
製作した。まず、素管の製作はフィラメントワインディ
ング機を使用し、外径93mmの鉄製マンドレル上に、
樹脂で含浸された炭素繊維トウを巻き付け、加熱硬化し
て素管を形成した。このときの素管のマトリックス樹脂
はエポキシ系樹脂であり、2次転移点(Tg)は165
℃であった。繊維の巻付角は塗装の平滑性を良好な状態
とするため、最外層繊維の配向をロールの軸芯に対して
90°方向になるように巻き付けた。フィラメントワイ
ンディング機にて成形する場合、繊維配向が90°以外
のときは、繊維と繊維の交絡があるため表面の平滑性が
損なわれるためである。このように成形された素管を円
筒研磨機にて研磨し、次にヘッダーのベアリング嵌合部
を62mmの内径に仕上げた。
【0025】この後ロール表面を更に#240のサンド
ペーパーで仕上げ、表面の凹凸をとった後、2,2,2
−トリフルオロエチルメタアクリレート300部、AK
−5(東亜剛性化学工業社製;シリコンマクロモノマ
ー)0.6部、スチレン157.2部、2ヒドロキシエ
チルメタクリレート139.2部、メタクリル酸3部か
らなるモノマー混合物をトルエン中で溶液重合してなる
フッ素・シリコン含有ポリマー100部に対し、カーボ
ンブラック4部と25μの平均粒径をもつ球状微粒子ア
ルミナを100部分散させ、これにポリイソシアネート
(スミジュールN75:住友バイエルウレタン社製)を
NCO/OH=1/1(等量比)になるよう配合し、フ
ォードカップNo4にて15秒に希釈し、スプレー塗装
機にて厚さ40μになるよう塗装し、1時間放置後80
℃で60分間硬化した。得られた塗装表面の粗度は3μ
程度で粗いが、非粘着性であり、表面硬度が高く新聞輪
転機の搬送ロールとして、耐摩耗性が良好で、軽量高剛
性で印刷開始、停止時のロスが少なく、優れた性能を有
していた。表1は上記のロールについて縦弾性率、重
量、GD2等を計算したものである。鉄、アルミ、アル
ミロールに比べて、力学的性能がいかに優れたものか即
座に判断できる。
【0026】
【表1】
【0027】このようにして製作されたロールの表面被
膜特性を調べるべく、鉛筆高度試験を行ったところ、硬
度は5H以上あり、紙搬送ロールに十分な硬度を有し、
碁盤目剥離テストではCFRP母材と強固に密着してい
ることが確認された。
【0028】(実施例2)実施例1で用いたのと同様の
CFRPロール素管と、実施例1で用いたのと同様のア
ルミナ微粒子を配合したフッ素・シリコン含有ポリマー
系塗料及びアルミナ微粒子を配合しないフッ素・シリコ
ン含有ポリマー系塗料を用意した。CFRPロール素管
の表面を円筒研磨、サンドペーパー処理を行ったのち、
アルミナ含有塗料を実施例1と同様にして、スプレー塗
装を行い、約50μ塗装後、10〜20分室温で放置
し、次いでアルミナ微粒子を配合しない塗料を同様にし
てスプレー塗装した。1時間ほど放置した後、80℃で
60分間硬化したところ、塗装表面は非常に平滑で被膜
性能も良好なものであった。
【0029】このようにして製作されたロールの表面特
性を調べるべく、水との接触角を測定したところ、10
1°と極めて高く、インク剥離性などに良好な性能を有
していることが判明した。またロールの表面張力が23
dyne/cm、表面電気抵抗が3×104オームであ
り、新聞紙との動摩擦抵抗は0.12であった。このロ
ールを新聞輪転機用ロールに使用したところ、軽量でイ
ンキの付着がなく、紙粉の付着もなく、耐摩耗性があ
り、極めて良好なロールであった。なお、参考のためロ
ールを回転させ、一定荷重で新聞紙を摺動させる摩耗加
速テスト機によって本ロールの摩耗速度を測定したとこ
ろ、2μ/5万m・kg程度の摩耗があっただけで、そ
の後摩耗の進行は殆ど起こらなかった。比較のために、
ポリテトラフロロエチレンチューブで被覆した同寸法の
ロールについて、同様の摩耗テストを行ったところ、2
0μ/5万m・kgの摩耗が発生し、摩耗速度の低下は
なかった。
【0030】
【発明の効果】本発明に係わる複合材料ロールは、従来
の複合材料製ロールに比べてロール表面へのインキの付
着蓄積がなく、輪転機のような高速処理分野への使用が
可能であり、しかも従来のテフロンチューブの被覆等に
比べて耐摩耗性が非常に良好で、工業的に優れたもので
ある。
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き 審査官 森川 元嗣 (56)参考文献 特開 平6−207614(JP,A) 特開 昭62−207356(JP,A) 特開 平6−256008(JP,A) (58)調査した分野(Int.Cl.7,DB名) F16C 13/00

Claims (3)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 表面に樹脂皮膜を一体的に形成してなる
    炭素繊維強化樹脂製ロールに於いて、表面の樹脂皮膜
    が、共重合性含フッ素系モノマーとシリコンマクロモノ
    マー、他の共重合可能なビニル系単量体、及び、共重合
    して得られるフッ素とシリコンを含有するポリマーに対
    し、1:5から5:1の比率で球状微粒子アルミナを配
    合したフッ素・シリコン含有ポリマーであることを特徴
    とする剥離性と耐摩耗性の良好な複合材料ロール。
  2. 【請求項2】 請求項1記載の複合材料ロール表面の上
    を球状微粒子アルミナを配合しない塗料で被覆して一体
    的に被膜形成せしめたことを特徴とする剥離性と耐摩耗
    性の良好な複合材料ロール。
  3. 【請求項3】 ロール表面の樹脂皮膜が炭素繊維強化樹
    脂を構成する樹脂の2次転位点(Tg)未満の温度で焼
    付硬化したフッ素・シリコン含有ポリマーである請求項
    1又は2記載の剥離性と耐摩耗性の良好な複合材料ロー
    ル。
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