JP3234047B2 - 焼成鉛筆芯及びその製造方法 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は木軸鉛筆芯、シャープペ
ンシル用の芯に関する。詳しくは、体質材と結合材とを
主材として混練、押出成形後高温で熱処理を施す焼成鉛
筆芯の製造方法において、内部に同心で相似の芯体を埋
め込んだ様な新規な内部構造を有する焼成鉛筆芯及びそ
の製造方法に関する。

【０００２】

【従来の技術】従来の木軸鉛筆芯、シャープペンシル用
の芯は、黒鉛、カーボンブラックなどの着色材に、粘
土、天然高分子、合成高分子、ピッチ、アスファルトな
どの結合材を加え、さらに必要に応じて所要の溶剤及び
可塑剤を添加して、これらを混練し、この混練物を線状
体に押出成形した後、９００〜１，２００℃の温度で焼
成し、得られた焼結体の気孔中に油脂類を含浸させて完
成されている。

【０００３】従来の鉛筆芯においても、押出成形時のダ
イスによる高いせん断応力により鱗片状の黒鉛等の体質
材が外周表層部に管状に配向し、強度を高めていること
は知られているが、従来の焼成鉛筆芯の中でも、特に直
径の細いシャープペンシル用芯は芯の強度不足のため、
硬度によっては、いまだに実用強度のレベルに到達して
いない。

【０００４】芯の強度を向上させるため種々の方法が提
案されているが、一般的に強度を向上させると濃度は低
下し、書き味も悪くなる傾向を有し、逆にこれらの筆記
性能を向上させると強度が低下する傾向を有するため、
根本的な問題解決とはなっていない。

【０００５】一般的なシャープペンシル用芯の横断面の
マトリックス組織を主に鱗片状結晶をなす黒鉛の流れを
とって図４に示す。図に示す如く、外周部のスキン層
（表層部）は、鱗片状黒鉛などの体質材が外表面に平行
して同心円管状に配向しているが、内部マトリックス組
織は体質材が蜂の巣の中の蜂の群れの如くランダムであ
る。

【０００６】そこで、このような芯の横断面組織に着目
し、これを改良する方法が種々提案されている。特公昭
６２−３３９５７号公報では、材料を第１段ノズルに
て、星形の様に外表面に凸凹を有する異形線状に押し出
し、次に第２段ノズルにて、この異形線状材を所定の外
径の線状に押出成形することが開示されている。これで
は、内部まで体質材を配向させるには未だ不充分であ
る。

【０００７】特公昭６２−３６８８０号公報では、材料
を第１段ノズルにて、複数の細線に押し出し、次に第２
段ノズルにて、これらの細線をまとめて所定の外径の線
状に押出成形することが開示されている。これも、従来
の鉛筆芯の外周表層部に沿っての配向を内部においても
形成させようとするものであるが、実際には第２段ノズ
ルにて、最初の配向が乱れてしまうばかりでなく、配向
が保たれたと仮定しても複数の細線の半分の側面では体
質材が半径方向に配向されることになる。

【０００８】特開平４−１３９２７４号公報では、芯の
横断面における体質材の配向が中央部から外周部に向っ
て放射状となっている鉛筆芯が開示されている。これは
垂直筆記するプロッターなど、筆跡の濃度を濃くするこ
とを目的としているが、体質材が全体的に放射状に平行
配列しているため、熱処理過程で生ずる芯の外周部から
中央部に向かう収縮応力によって、体質材の平行配列に
沿って亀裂が生じ易いなどの欠点を有している。

【０００９】

【発明が解決しようとする課題】本発明の目的は、芯の
外周表層部に同心円管状に体質材が配向しているのみな
らず、内部に同心で、この外周表層部と相似の芯体を少
なくとも１つ埋め込んだ如き構造を有し、その他の部分
はランダムないし放射状組織を有し、濃度を低下させる
ことなく、曲げ強度を飛躍的に向上させ、強度と濃度の
バランスの優れた鉛筆芯を提供することである。

【００１０】

【課題を解決するための手段】本発明者は、体質材と結
合材を主材とする混練体を押出成形するに当り、押出ノ
ズル上流部に、ノズル口へ向かって連続的に流路断面積
が減少する、複数の同心円錐管状の整流板を設けて、芯
体を押出成形した。その芯体の焼成後の横断面組織を調
べた所、内部に円管状の組織がみられたので、平成４年
９月２５日体質材が中心部から外周部に至るまで同心円
管状に配向してなる鉛筆芯として特許出願した。

【００１１】平成４年９月２９日に、特開平４−２７２
９７１号公報が公開され、横断面における体質材の配向
が同心状となっている鉛筆芯と称して公開された。その
製造方法は側壁に放射状溝を有し、また中央部に貫通孔
を有する錐状体をその頂部が押出側となるようにノズル
のテーパー孔部に配したダイスにより押出成形するもの
である。

【００１２】明らかに製造方法は異なるにも拘らず、同
様な横断面構造となる事はおかしいので、早速両者を詳
細に追試してみた。その結果、本発明の複数の同心円錐
管状の整流板をノズル口前に設けた装置では、整流板の
枚数により異なるが、従来の外周表層部に同心円管状に
体質材が配向した内部に１つまたは２つ以上の同心で相
似の芯体を埋め込んだような構造を有し、その間は体質
材はランダム又は放射状に配向してなるものであること
を見い出した。横断面の組織の顕微鏡写真を図１２に示
す。

【００１３】これに対し、特開平４−２７２９７１号公
報の装置によると、外周表層部には明らかに厚手の同心
状組織が見られるが、その内部は同心とも放射状ともい
えない複雑な組織となっている。横断面の組織の顕微鏡
写真を図１３に示す。この写真によると、この公報の芯
は完全な同心円状の構造ではなく、周辺の厚手の同心状
組織の体質材の緻密性が高まりすぎて強度は向上するも
のの筆記時に極端に摩耗し難い、濃度の出ない芯体とな
ってしまうことを見い出した。

【００１４】これに対して、本発明の装置によると、複
数の円管状配向の間はランダムまたは放射状となってい
るので、強度と濃度のバランスの優れた鉛筆芯となるこ
とを見い出した。

【００１５】即ち本発明は次の通りである。 （１） 鉛筆芯の外周表層部においては、体質材が同心
円管状に配向し、且つ中心部との間の内部において、半
径方向に間隔をおいて該体質材が同心円管状に配向して
いる層を一層以上有しており、残りの部分においては該
体質材がランダムないし放射状に配向してなる鉛筆芯で
ある。

【００１６】（２） 体質材と結合材とを主材として混
練、押出成形後高温で熱処理を施す焼成鉛筆芯の製造方
法において、押出ノズル上流部に、ノズル口へ向かって
連続的に流路断面積が減少する、複数の同心円錐管状の
整流板を設け、この整流板と押出ノズルとによって押出
成形することを特徴とする焼成鉛筆芯の製造方法であ
る。

【００１７】芯の曲げ強度は内部に比較して、外周部の
スキン層ほど高いことは知られているが、これは芯を押
出成形する際のダイス管壁との高いせん断応力によっ
て、外周部の体質材の配向が高まることに起因する。本
発明者が調査した所、例えば呼び径０．５ｍｍの曲げ強
度３７０ＭＰａを有する硬度ＨＢの芯の場合、スキン層
の強度は１，０００ＭＰａもの極めて高い値を有してい
ることを見い出した。

【００１８】本発明者は、上記の事実に鑑み、芯の内部
に外周部のスキン層並の同心円管部を形成すべく、複数
の同心円錐管状の整流板をノズル口前に設けた押出装置
で押出成形した所、体質材が中心部から外周部に至るま
で全体的に同心円管状に配向した芯は得られなかった
が、図１、図２、図３に示す如く、整流板の数とか混練
物の粘度などによって異なるが、黒鉛などの体質材が芯
の外周表層部においては同心円管状に配向し、且つ内部
において、半径方向に間隔をおいて、体質材が同心円管
状に配向している層を一層以上有することにより、あた
かも外周部にスキン層を有する芯体の内部に、一回り芯
径の細い相似の芯体を同心状に埋め込んだごとき構造を
とることが判った。

【００１９】その間隔をおく中間部は体質材が放射状ま
たはランダムに配向しているので、これが濃度を濃くす
ることに貢献し、内部組織の体質材の配向による補強効
果の増大と相まって、濃度を低下させることなく、強度
を飛躍的に向上させた、強度と濃度のバランスの優れた
鉛筆芯を得た。

【００２０】本発明の半径方向に間隔をおいた複数の同
心円管状の体質材配向を得る方法を具体的に説明する。
黒鉛、カーボンブラックなどの着色材に、粘土、天然高
分子、合成高分子、ピッチ、アスファルトなどの結合材
を加え、さらに必要に応じて所要の溶剤及び／又は可塑
剤を添加してこれらを混練し、この混練物を押出成形す
る際、図５及び図６に示す押出ノズル上流部に、ノズル
口へ向かって連続的に流路断面積が減少する、複数の同
心円錐管状の整流板を取り付けた押出用ダイスを用いる
（図５は横断面図、図６は側面図）。

【００２１】混練物が整流板の間隙を通過する際に、混
練物中に含まれる黒鉛などの体質材は整流板壁面との高
い剪断応力によって押出方向の配向が高まり、更にテー
パー部を通過し混練物の流れが合流する際に、整流板壁
面に接触する部分は体質材が同心円状に高度に配向する
層を形成し、内部組織のそれ以外の部分は、図１に示す
如く体質材が蜂の巣に蜂が群れる如くランダム状の構造
であったり、図２に示す如く体質材が放射状に配向した
構造を形成する。

【００２２】図５、図６の整流板を図７、図８の様にし
ても同様の結果を得る。この整流板の数を増加させたの
が図９、図１０である。これらの内部組織の相違は、使
用する体質材及び結合材の種類、整流板の間隙、混練物
が整流板を通過する際の粘度、剪断応力、剪断速度に依
存する。従って所望の構造体を得るためには、任意の押
出条件を設定すれば良い。また図３に示す如く内部組織
中の同心円管状の層状構造の数を２層以上形成させるに
は、図９及び図１０に示す様に同心円錐管状の整流板の
数を増やすと良い（図９は横断面図、図１０は側面
図）。

【００２３】特開平４−１３９２７４号で開示されてい
る体質材が中央部から外周部に向かって放射状に配向し
ている鉛筆芯は、熱処理過程で生ずる外周部から中央部
に向かう収縮応力によって、体質材の平行配列に沿って
亀裂が生じ易いなどの欠点を有しているが、本発明にお
ける図２及び図３に示される鉛筆芯は横断面組織の一部
に放射状の組織を有しているにも関わらず亀裂の問題は
発生しない。これは内部組織において体質材が同心円管
状に配向している層を一層以上有している事により、熱
処理過程での収縮応力を適度に緩和するものと思われ
る。このようにして押出成形によって得られた線状体を
９００〜１２００℃の温度で焼成し、得られた焼結体の
気孔中に油脂類を含浸させることにより本発明の鉛筆芯
を得ることが出来る。

【００２４】本発明に用いられる体質材は、天然黒鉛、
人造黒鉛、キッシュ黒鉛、カーボンブラック、コークス
粉末、雲母、タルク、窒化ほう素などの一種または二種
以上を選択し、平均粒径５０μｍ以下、好ましくは１〜
１０μｍの粒子径のものを用いると良い。粒子径が５０
μｍ超の場合は強度が発現せず、又粒子径が１μｍ未満
の場合は体質材の配向性が劣り、強度が発現しないばか
りでなく硬度だけが硬くなる傾向を有するので好ましく
ない。

【００２５】又、本発明に用いられる粘結材としては、
カオリナイト、ハロイサイト、モンモリロナイト、ベン
トナイトなどの粘土鉱物、塩化ビニル樹脂、塩素化塩化
ビニル樹脂、ポリビニルアルコールなどの熱可塑性樹
脂、フラン樹脂、フェノール樹脂、エポキシ樹脂などの
熱硬化性樹脂、リグニン、セルロース、トランガントガ
ムなどの天然高分子物質、石油アスファルト、コールタ
ールピッチ、ナフサ分解ピッチ、合成樹脂の乾留ピッチ
などのピッチ類から選択される一種または二種以上を用
いると良い。

【００２６】さらには、高せん断力を加えて行う混練時
の特性向上及び／又は押出成形の特性向上の目的で、
水、ＤＯＰ、ＤＢＰ、ＴＣＰ、ＤＯＡ、ＤＡＰ、プロピ
レンカーボネート、アルコール類、ケトン類、エステル
類などの可塑剤又は溶剤の一種又は二種以上を、必要に
応じて添加しても良い。

【００２７】

【実施例】次に本発明を実施例により、更に具体的に説
明するが、本発明はこの実施例によって何等限定される
ものではない。 （実施例１） （重量部） 黒鉛（天然鱗状黒鉛） ５０部 ポリ塩化ビニル ５０部 ステアリン酸塩 １部 ジオクチルフタレート（ＤＯＰ） ２０部 上記材料をヘンシェルミキサーで混合分散し、加圧ニー
ダー、二本ロールで混練した後、図５及び図６に示す同
心円錐管状の整流板を取り付けた押出用ダイスを用いて
線状体に押出成形した後、これから残留する可塑剤を除
去すべく空気中で１８０℃にて１０時間熱処理して固化
して、しかるのち窒素雰囲気中にて３００℃迄は１０℃
／ｈｒ、３００℃から１，０００℃迄は３０℃／ｈｒで
昇温させ、１，０００℃にて１時間焼成し、最後にアル
ファーオレフィンオリゴマー（ライオン（株）製、リポ
ルーブ２０）中に浸漬して油浸させて直径０．５７０ｍ
ｍのシャープペンシル用芯を得た。得られた芯の横断面
組織は、図２に示す如く、体質材の黒鉛が芯の外周部に
おいては同心円状に配向し、且つ内部組織においても半
径方向に間隔をおいて体質材が同心円状に配向している
層を一層有し、内部組織のそれ以外の部分は、体質材が
放射状に配向した構造を形成していた。また焼成過程で
の亀裂の発生は無かった。

【００２８】（実施例２）図９及び図１０に示す同心円
錐管状の整流板を取り付けた押出用ダイスを用いて押出
成形した以外、実施例１と同一の材料を用い、同様の工
程を経て、直径０．５７０ｍｍのシャープペンシル用芯
を得た。得られた芯の横断面組織は、図３に示す如く、
体質材の黒鉛が芯の外周部においては同心円状に配向
し、且つ内部組織においても体質材が同心円状に配向し
ている層を二層有し、内部組織のそれ以外の部分は、体
質材が放射状に配向した構造を形成していた。また焼成
過程での亀裂の発生は無かった。

【００２９】 （実施例３） （重量部） 天然鱗状黒鉛 ７０部 モンモリロナイト粘土 １５部 ハロイサイト粘土 １５部 水 ３０部 上記材料をヘンシェルミキサーで混合分散し、２本ロー
ルで水分を１８部程度になるまで充分加熱混練する。得
られた混練物を図７及び図８に示す同心円錐管状の整流
板を取り付けた押出用ダイスを用いて線状体に押出成形
した後、空気中１２０℃にて２０時間熱処理して残留水
分を除去し、窒素雰囲気中で１，２００℃まで１０時
間、１，２００℃にて１時間焼成し、最後に動物油中に
浸漬して油浸させて直径２．０５ｍｍの木軸鉛筆芯を得
た。得られた鉛筆芯の横断面組織は、図１に示す如く、
体質材の黒鉛が芯の外周部においては同心円状に配向
し、且つ内部組織においても体質材が同心円状に配向し
ている層を一層有し、内部組織のそれ以外の部分は、体
質材が蜂の巣に蜂が群れる如くランダム状の構造を形成
していた。また焼成過程での亀裂の発生はなかった。

【００３０】（比較例１）図１１に示す押出用ダイスを
用いて押出成形した以外、実施例１と同一の材料を用
い、同様の工程を経て、直径０．５７０ｍｍのシャープ
ペンシル用芯を得た。得られた芯の横断面組織は、図４
に示す如く従来の組織構造を有していた。

【００３１】（比較例２）図１１に示す押出用ダイスを
用いて押出成形した以外、実施例３と同一の材料を用
い、同様の工程を経て、直径２．０５ｍｍの木軸鉛筆芯
を得た。得られた鉛筆芯の横断面組織は、図４に示す如
く従来の組織構造を有していた。前記により製造した実
施例１，２，３、比較例１，２の芯について、ＪＩＳＳ
６００５に準拠して、曲げ強度（ＭＰａ）、濃度
（Ｄ）、硬度を試験した。その結果を次の表１に示す。

【００３２】

【表１】

【００３３】

【発明の効果】実施例の結果より明らかなように、本発
明による、芯の横断面組織において、体質材が芯の外周
表層部においては同心円管状に配向し、且つ内部組織に
おいても体質材が同心円管状に配向している層を一層以
上有している鉛筆芯は、濃度を低下させることなく強度
を飛躍的に向上させた、強度と濃度のバランスの極めて
優れた特徴を有するものである。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の芯の断面の組織の模式図で外周表層部
の同心円管状の配向の外に内部にもう１つの同心円管状
の配向を有し、他はランダム組織のもの。

【図２】本発明の芯の断面の他の組織の模式図で、図１
の２つの同心円管状の配向の他の部分が中心からの放射
状組織となっているもの。

【図３】本発明の芯の断面の他の組織の模式図で、同心
円管状の配向を３個有し、他の部分が中心からの放射状
組織となっているもの。

【図４】従来の外周表層部のみに同心円管状配向を有す
るもの。

【図５】本発明の鉛筆芯の押出成形時にノズル口の前に
配置する整流板の水平面断面図を示す。

【図６】図５の押出用ダイスの中心線を通る垂直面断面
図を示す。

【図７】図５の変形の整流板で、中央に中心孔を有して
いないものの水平面断面図。

【図８】図７の押出用ダイスの中心線を通る垂直面断面
図を示す。

【図９】図７の整流板の数を増加させたものの水平面断
面図。

【図１０】図９の押出用ダイスの中心線を通る垂直面断
面図を示す。

【図１１】従来の鉛筆芯の押出用ダイスの中心線を通る
垂直面断面図。

【図１２】本発明の芯の横断面の黒鉛の結晶の粒子配列
構造を示す顕微鏡写真である。

【図１３】特開平４−２７２９７１号公報の芯の横断面
の黒鉛の結晶の粒子配列構造を示す顕微鏡写真である。

Claims (2)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 鉛筆芯の外周表層部においては、体質材
   が同心円管状に配向し、且つ中心部との間の内部におい
   て、半径方向に間隔をおいて該体質材が同心円管状に配
   向している層を一層以上有しており、残りの部分におい
   ては該体質材がランダムないし放射状に配向してなる焼
   成鉛筆芯。
2. 【請求項２】 体質材と結合材とを主材として混練、押
   出成形後高温で熱処理を施す焼成鉛筆芯の製造方法にお
   いて、押出ノズル上流部に、ノズル口へ向かって連続的
   に流路断面積が減少する、複数の同心円錐管状の整流板
   を設け、この整流板と押出ノズルとによって押出成形す
   ることを特徴とする焼成鉛筆芯の製造方法。