JP3742717B2

JP3742717B2 - 金属繊維焼結シートの製造方法

Info

Publication number: JP3742717B2
Application number: JP31464597A
Authority: JP
Inventors: 康晴水元
Original assignee: Tomoegawa Paper Co Ltd
Current assignee: Tomoegawa Co Ltd
Priority date: 1997-10-31
Filing date: 1997-10-31
Publication date: 2006-02-08
Anticipated expiration: 2017-10-31
Also published as: JPH11131105A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明はフィルター材料、耐熱材料、導電材料等に使用される多孔性シートであって、１００％金属繊維で構成されている金属繊維焼結シートの製造方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来１００％の金属繊維シート状物としては、金網、ウェブ、織布および焼結体等が知られている。金網、ウェブ、織布は金属繊維の単繊維あるいは複数繊維の長繊維を用いて、メッシュ状あるいは布状に編組、紡織したもので、焼結体は粉末状又は短繊維状の金属を散布し、これを真空中あるいは不活性ガス中で加圧、加熱し融着させたものである。
しかしながら、編組あるいは紡織して製造した金網、ウェブ、織布においては薄いシートが作れなく、孔径の小さなものができないこと、また従来の製造方法にて製造した焼結体においては生産性が悪く、厚薄のムラが大きいこと、低密度であるため導電材料として必ずしも好ましい特性を有していないこと、長尺品を製造することができないこと、等の問題があった。
【０００３】
このため本出願人は先に前記従来技術の問題を解決するため特開昭６１−２２３１０５号や特開平７−１３８６０６号等において、金属繊維を７０重量％以上含有する湿式抄紙法によりシート化して得た金属繊維高配合シートを、そのまま真空、又は水素や不活性ガス雰囲気の下に金属繊維の融点を越えない温度にて繊維間を焼結する金属繊維焼結シートの製造方法を提案した。しかしながら該製造方法から得られた金属繊維焼結シートは、緻密な網状構造で均一性のあるシートが得られにくく、特に金属繊維の繊維径が１０μｍ以上の太径繊維のものでは、繊維の十分な絡み合いが得られにくいため、抄紙機での製造において湿式の強度が得られず断紙によるトラブルや均一性のあるシートが得られず、品質上、生産上の問題を有するものであり、加えて坪量２００ｇ／ｍ²以下の薄葉シートは全く生産できない状況であった。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
本発明は上記の事情に鑑みてなされたもので、緻密な網状構造で、均一性を有し、かつ、薄葉から厚手のものまで任意の繊維径の金属繊維からなる優れた金属繊維焼結シートが得られる製造方法を提供するものである。
【０００５】
【課題を解決するための手段】
本発明は、金属繊維、１本の繊維が該繊維を構成する２種類以上のポリマー成分が放射状に配列した断面構造の繊維であって物理的に複数の繊維に分割された極細繊維から成る分割繊維およびバインダーを含有する繊維のスラリーを湿式抄紙法によりシート化して金属繊維配合シートを作製し、然るのち分割繊維及びバインダーを熱分解して除去した後、金属繊維の融点を越えない温度にて繊維間を焼結することを特徴とする金属繊維焼結シートの製造方法である。以下に本発明の金属繊維焼結シートの製造方法について詳述する。
【０００６】
本発明において、焼結前の金属繊維配合シートの作製にあたっては湿式抄紙法を採用する。すなわち金属繊維の配合率が好ましくは４０重量％以上に調製されたスラリーを湿式抄紙法により脱水プレスおよび加熱乾燥して金属繊維高配合シートを作製する。この場合、金属繊維の配合率が４０重量％未満であると後の焼結の際、金属繊維間の焼結融合が阻害されるおそれがあり、また、熱分解除去する成分が６０％以上に多くなると生産性、コスト的にも好ましくない。
本発明で使用する金属繊維としては、繊維径が１〜４０μｍ、繊維長が１〜２０ｍｍのステンレス、チタン、真ちゅう、銅、アルミニウム等の繊維であり、これらの中でも細線加工が可能、耐熱性、耐錆性等に優れていることからステンレス繊維が本発明に好適に用いられる。
【０００７】
本発明で用いる分割繊維とは、１本の繊維が繊維の長さ方向つまり縦に裂けて複数本の微細繊維になるもので、例えば２種類の異なったポリマー成分が交互に放射状に配列した断面構造をした繊維であって、分散機等により物理的な力を加えることにより１本の繊維が例えば４分割乃至１６分割されて、上記の２種類の異なったポリマーの極細繊維となるものである。このようにある程度分散した状態で極細繊維に分割するため、予め極細繊維を用いた場合には得られない金属繊維の優れた分散状態が達成されるものである。
【０００８】
このような分割繊維を構成するポリマーとしては、ポリエチレン、ポリプロピレン、ポリエステル、エチレン−ビニルアルコール共重合体、ナイロン等が挙げられ、本発明においてはこれらを適宜組み合わせた分割繊維を用いることができるが、中でも、ポリエチレン、ポリプロピレン等のポリオレフィン系を含む分割繊維が好適であり、特にポリプロピレンとエチレンビニルアルコール共重合体からなる分割繊維が、優れた分散性が達成されると共に、湿式抄紙の際に湿紙強度の向上が得られると共に、抄紙原料となるスラリーの調製に必要とされる叩解を必要とすることない生産性のメリットも有することから好ましく用いることができる。このような分割繊維の市販品としては、例えば、大和紡績社製の商品名“セパ”が挙げられる。
【０００９】
また、バインダーとしては湿式抄紙の際の乾燥工程でシート中において熱溶融する機能を有するものであれば適宜使用することができる。具体的には、ポリビニルアルコール繊維、ポリエチレン繊維、ポリプロピレン繊維等が挙げられるが、本発明においては、水への分散性に優れ、金属繊維との混合性が良いこと、比較的低い温度で熱溶融すること等からポリビニルアルコール繊維が好ましく、特に、例えば（株）クラレ社製のクラレビニロンフィブリットＶＰ（商品名）として知られているような水中溶解温度４０〜１００℃の易溶解性ポリビニルアルコール繊維が好適に用いられる。
【００１０】
本発明においては、上記の如き金属繊維、１本の繊維が該繊維を構成する２種類以上のポリマー成分が放射状に配列した断面構造の繊維であって物理的に複数の繊維に分割された極細繊維から成る分割繊維及びバインダーを少なくとも含有する繊維のスラリーを調製して、湿式抄紙法により抄造、脱水及び加熱乾燥することにより金属繊維配合シートを形成するものである。ここで、該スラリーにおける配合割合は、特に限定されるものではないが金属繊維は前述のように４０重量％以上、好ましくは７０〜９５重量％、特に好ましくは８０〜９０重量％であり、該分割繊維は１〜２０重量％、好ましくは１〜１０重量％、特に好ましくは３〜７重量％であり、バインダーは４０重量％以下、好ましくは２０重量％以下、特に好ましくは５〜１５重量％である。なお、該分割繊維の配合量が少な過ぎると湿紙強度が不足して断紙等のトラブルを生じるだけでなく、良好な金属繊維の分散性が得られずに地合いの悪い不均一なシートとなり、逆に多過ぎると得られた金属繊維配合シートの湿式抄紙法により得られる加熱乾燥後の強度が不十分となり、繊維の脱離を生じやすくなり取扱い性等の問題を生じるおそれがある。また、バインダーが少な過ぎると上記と同様にか熱乾燥後のシートの強度が不十分となり、逆に多すぎると焼結後の金属繊維シートの強度が損われるおそれがあり好ましくない。
なお、以下単に分割繊維と称するは、１本の繊維が該繊維を構成する２種類以上のポリマー成分が放射状に配列した断面構造の繊維であって物理的に複数の繊維に分割された極細繊維から成る分割繊維を指すものとする。
【００１１】
次にこのようにして得られた金属繊維配合シートを、真空または低真空度の雰囲気ガス下で前記分割繊維とバインダーを熱分解し除去する。
金属繊維配合シート中の分割繊維とバインダーを熱分解し除去するためには、例えば真空焼結炉を用いて行うことができる。すなわち、真空焼結炉とは、密閉された容器中の空気をポンプで吸引して真空とすることができ、かつ容器の外部より熱を加えることができる装置である。
【００１２】
このような真空焼結炉の内部に金属繊維配合シートを設置し、内部の空気をポンプで吸引し真空度１０^-2ｔｏｒｒ程度に高めた後、非金属繊維である分割繊維とバインダーの分解開始温度よりも高い温度で１〜６時間程度熱を加え、分割繊維及びバインダーを十分燃焼し、熱分解させ金属繊維配合シートより除去する。この場合は、真空下で金属繊維配合シートに熱を加えたが、雰囲気ガス下で熱を加えてもよい。雰囲気ガスとしては、アルゴン等の不活性ガス、窒素ガスあるいは水素ガス等が挙げられる。雰囲気ガス下で熱を加えて熱分解除去する場合は、真空度は１〜４００ｔｏｒｒ程度の低真空度の雰囲気下でおこなうことが好ましく、該雰囲気ガスは新旧のガスを入れ替えしながら対流させることが好ましい。雰囲気ガスの対流量は１０リットル／分以上が好ましい。なぜならば、雰囲気ガス下で熱を加えると該雰囲気ガスが熱の伝導体となり、金属繊維配合シート中から分割繊維及びバインダーを分解しやすくなるからである。また、雰囲気ガスを対流させることにより熱によって分解して金属繊維配合シートよりガス化した分割繊維とバインダーが、雰囲気ガスと共に真空焼結炉外に排気されるからである。
【００１３】
上記の熱分解のための加熱温度は、金属繊維が高温度による脆性の発生する温度以下でなければならず、例えば、金属繊維にステンレスを使用した場合は６００℃以下が適正とされる。そして、分割繊維及びバインダーの組成に応じて適宜設定されるものであるが、前記の分割繊維とバインダーの分解開始温度としては、例えばポリビニルアルコールの場合は、２５０℃以上であることから、通常４００℃〜５００℃に加熱することが好ましい。４００℃程度で金属繊維配合シートを加熱するとポリビニルアルコールを形成する分子の主鎖が細かく切断され低分子で分解し気化しやすくなる。
【００１４】
次に金属繊維の融点を越えない温度にて繊維間を焼結する。焼結する工程は前記バインダーを分解除去した真空焼結炉をそのまま使用してもよいし、水素ガスによる連続焼結炉を用いて焼結させてもよい。
その際の焼結温度条件として金属繊維の融点近くの温度、例えばステンレス繊維の場合は約１１００℃を焼結温度に設定し１〜２時間焼結する。この場合、焼結を真空あるいは前記雰囲気ガス下でおこなうことが酸化防止のために好ましい。
【００１５】
本発明では、前記分割繊維とバインダーの分解除去工程および焼結工程をおこなうことにより均一で地合いが良好で、しかも十分に耐酸腐食性の優れた任意の繊維径の金属繊維焼結シートが得られるが、さらに耐酸腐食性を向上させるために前記焼結直後において、冷却水あるいは冷却ガスにより急冷させることが好ましい。
前記焼結直後で熱された金属繊維焼結シートを冷却水あるいは冷却ガスで急冷することによって、金属繊維内部の組成が調整され、耐酸腐食性および軟化性が保持される。
金属繊維焼結シートを冷却水で冷却するには前記真空焼結炉の容器の回りに冷却用の配管を施し冷却水を多量に流水させることにより冷却することができる。また、冷却ガスを使用する場合は、前記雰囲気ガスを多量に真空焼結炉内に放出させ該雰囲気ガスを対流させることにより冷却することができる。
【００１６】
【実施例】
以下、実施例および比較例をもって本発明をさらに詳細に説明する。
実施例１
繊維径２０μｍ、繊維長５ｍｍのステンレス繊維（材質：ＳＵＳ３１６Ｌ、東京製綱社製商品名：サスミック）８５重量部、分割繊維（材質：ポリプロピレン／エチレンビニルアルコール共重合体、大和紡績社製商品名：セパＤＦ−２）５重量部および水中溶解温度７０℃であるポリビニルアルコール繊維（クラレ社製商品名：フィブリボンドＶＰＢ１０５−１）１０重量部からなるスラリーを湿式抄紙法にて脱水プレス、加熱乾燥して坪量１５０ｇ／ｍ²の金属繊維配合シートを得た。
【００１７】
次いで該シートを真空焼結炉でまず、アルゴンガス雰囲気下（真空度：１００ｔｏｒｒ）で４００℃、２時間加熱して分割繊維とバインダーの分解除去をおこない、ついでアルゴンガス雰囲気下（真空度：１００ｔｏｒｒ）において１０℃／分の速度で１１２０℃まで昇温して１１２０℃で１時間焼結処理をおこなった後、冷却水を真空焼結炉の回りに流水させると共にアルゴンガスを５ｋｇｆ／ｃｍ²の条件で封入させ急冷し、本発明の製造方法による金属繊維焼結シートを作製した。
【００１８】
実施例２
実施例１において、ステンレス繊維の配合量を９０重量部とし、ポリビニルアルコール繊維の配合量を５重量部とした以外は、全く同様にして本発明の製造方法による金属繊維焼結シートを作製した。
【００１９】
実施例３
実施例１で湿式抄紙法により作製した金属繊維配合シートを用いて、該シートを水素ガス雰囲気の連続焼結炉（メッシュベルト付きろう付け炉）を用い、熱処理温度：１１２０℃、ベルト速度０．１５ｍ／ｍｉｎ、水素ガス量４．５ｍ³／ｈｒで熱処理を行ない、本発明の製造方法による金属繊維焼結シートを作製した。
【００２０】
比較例１
実施例１において分割繊維に代えてミクロフィブリル化セルロース（ダイセル化学社製、商品名：セリッシュ）を用いた以外は、全く同様にして比較用の金属繊維焼結シートを得た。
【００２１】
比較例２
実施例１において分割繊維を用いずにステンレス繊維の配合量を９０重量部とした以外は、全く同様にして比較用の金属繊維焼結シートを得た。
【００２２】
比較例３
実施例１においてポリビニルアルコール繊維を用いずに分割繊維の配合量を１５重量部とした以外は、全く同様にして比較用の金属繊維焼結シートを得た。
【００２３】
上記の実施例１〜３及び比較例１〜３で得られた金属繊維焼結シートについて、目視にて地合いを観察し、シートの均一性の評価を行ったところ、実施例のシートはいずれも均一性に優れたものであった。一方、比較例１及び２のシートは均一性に劣るものであった。また、実施例においてはいずれも全くトラブルなく良好な生産性が得られたのに対して、比較例１及び２は湿紙の強度が弱いために抄紙工程において紙切れが多発して生産性に問題があり、実用に供することのできるものではなかった。また、比較例３においては抄紙工程で得られた加熱乾燥後の金属繊維配合シートの強度が不十分で、その後の焼結処理による分割繊維の熱分解工程において取扱性に問題を有するものであった。
【００２４】
【発明の効果】
本発明の金属繊維焼結シートの製造方法は、抄紙工程で分割繊維を用いることにより、金属繊維の分散性、均一性が優れた金属繊維焼結シートが得られ、加えて、湿紙強度の良好なシートが形成されるため、従来は製造することができなかった金属繊維として繊維径１０〜５０μｍの太径繊維を用いた坪量２００ｇ／ｍ²以下の低坪量の金属繊維焼結シートを効率よく生産できるという効果を有するものである。

Claims

金属繊維、１本の繊維が該繊維を構成する２種類以上のポリマー成分が放射状に配列した断面構造の繊維であって物理的に複数の繊維に分割された極細繊維から成る分割繊維およびバインダーを少なくとも含有する繊維のスラリーを湿式抄紙法によりシート化して金属繊維配合シートを作製し、然るのち該分割繊維及びバインダーを熱分解して除去した後、金属繊維の融点を越えない温度にて繊維間を焼結することを特徴とする金属繊維焼結シートの製造方法。
前記分割繊維がポリプロピレン繊維とエチレン−ビニルアルコール共重合体繊維からなることを特徴とする請求項１記載の金属繊維焼結シートの製造方法。
前記バインダーがポリビニルアルコール繊維であることを特徴とする請求項１又は２記載の金属繊維焼結シートの製造方法。