JP4500070B2

JP4500070B2 - コロナ放電処理用セラミックスロール

Info

Publication number: JP4500070B2
Application number: JP2004066127A
Authority: JP
Inventors: 善久田中; 周平竹田; 正昭井口
Original assignee: YOSHIKAWAKOGYO CO.,LTD.
Current assignee: YOSHIKAWAKOGYO CO.,LTD.
Priority date: 2004-03-09
Filing date: 2004-03-09
Publication date: 2010-07-14
Anticipated expiration: 2024-03-09
Also published as: JP2005256029A

Description

本発明は、プラスチックフィルム、紙、アルミ箔等への印刷に際して、インク印刷の受容性を高めるためのコロナ放電処理に使用するロールに関する。

このようなコロナ放電処理用ロールとして、表面に多孔質のアルミナのような酸化物セラミックスの皮膜を形成し、この皮膜の孔を高絶縁性の高分子物質で封孔処理を施したものが特許文献１に開示されている。しかしながら、封孔処理剤がコロナ放電中に発生するオゾンや熱に対して充分な耐用性がない欠点がある。

また、特許文献２には、コロナ放電中のロールの加熱や発生オゾンに対して対抗性を付与し、より信頼性を高めるために、ロールの導電性材料の基材表面に、基材から表面にかけて５％以下から１５％以上に気孔率が変化したアルミナまたはアルミナ−チタニアの絶縁性の溶射膜を形成し、この溶射膜にアルミナによる封孔処理を施すことが記載されている。しかしながら、その溶射工程は極めて複雑である上、歩留が著しく悪くなり、皮膜の物性が劣ったものとなる欠点がある。

また、特許文献３には、ロール基材の表面に、アンダーコートとして金属溶射層と、その表面にトップコートとして酸化物系セラミックス溶射層を形成し、かつ、このトップコートのセラミックス溶射層をホウ酸系ガラス、リン酸系ガラス、珪酸系ガラスなどを生成する化合物から選ばれる１種以上の液状物質に、Ａｌ_２Ｏ_３やＭｇＯ、ＳｉＯ_２、ＡｌＮなどから選ばれる１種以上の無機質微粉末を混合した充填材にて封孔充填した複合絶縁皮膜をすることが開示されている。しかしながら、絶縁性皮膜はガラス材であり、金属基材との熱膨張率差から耐用性に問題が残るものである。

さらには、特許文献４には、金属製ロールの表面をブラスト後、金属を溶射して下地層を形成させ、この下地層の上に金属酸化物を溶射して少なくとも下地層に結合した下部多孔層が気孔率３〜６％、厚さ０．２〜１．０ｍｍ、表面層を形成する上部多孔層が気孔率５〜１２％、厚さ０．３〜２．５ｍｍであり、上部多孔層が下部多孔層よりも気孔率が大となるように多孔層を形成させ、あるいは多孔層内の気孔に封孔処理剤を充填し、封孔処理剤を硬化処理して電気絶縁性の金属酸化物によって封孔したものが開示されている。しかしながら、気孔率の異なる２層の溶射皮膜によっての物性が劣ったものになる欠点がある。
特公昭６１−４８４８号公報特開平７−２２４３７１号公報特開平１０−１３０８０７号公報特開平１１−２０９８６４号公報

コロナ放電処理用ロールに求められる特性として、高電圧に耐えること、コロナ放電によって発生するオゾンに耐えること、絶縁性に優れると同時に適度の誘電率を備えていること、価格的に有利な材料もしくは皮膜であることなどが挙げられる。さらには、コロナ放電中に発生する熱によって導電性基材と絶縁性皮膜の熱膨張率の違いによるひび割れ等が発生しない構造のものが求められる。また、長期間の使用に耐えるためにコロナ放電処理用ロールの表層は耐摩耗性の皮膜が要求される。

しかしながら、上記の各従来技術においては、ロール表面にセラミックス溶射層を設け、高耐摩耗性とオゾンによる皮膜劣化の防止を図っているが、コロナ放電処理中や処理後に発生する熱でコロナ放電処理用ロールの導電性基材と絶縁性セラミックス溶射皮膜の熱膨張率の違いのために微小なクラックが発生し、この繰返しによって、セラミックス溶射皮膜の絶縁性が低下して絶縁破壊を起し、商品としての寿命が短いものになるという問題がある。さらに基材とセラミックス溶射皮膜との密着性が高くないという問題もある。

本発明が解決しようとする課題は、コロナ放電処理用ロール表層のセラミックス溶射皮膜の利点を最大限に活用し、コロナ放電処理中や処理後に発生する基材とセラミックス溶射皮膜の熱膨張率の違いによって発生するセラミックス溶射皮膜の微小クラックによって耐電圧特性が低下するのを防止することにあって、これによって長寿命のコロナ放電処理用ロールを提供するものである。

本発明は、導電性基材とセラミックス溶射皮膜間に、絶縁性樹脂層を設けること、すなわち、導電性基材の外周面に絶縁性樹脂をコーティング（被覆）して下地層とし、セラミックス溶射皮膜の密着力を向上させることによって上記課題を解決したものである。

すなわち、本願発明の解決手段は、導電性ロールの表面に絶縁性の下地層をコーティングし、下地層に凹凸を形成し、その凹凸を形成した層の上に絶縁性のセラミックスを溶射し、次いで、その溶射層を絶縁性樹脂によって封孔したものである。

前記絶縁性の下地層の凹凸皮膜は、ガラス繊維入り不飽和ポリエステル樹脂、エポキシ樹脂、アクリル樹脂、ポリエステル樹脂あるいはエチルシリケート等の絶縁性樹脂にプラスチック粉末あるいはセラミックス粉末を混合して形成し、または、耐熱性ポリイミド樹脂等の絶縁性樹脂にプラスチック粉末あるいはセラミックス粉末を混合した下地材をコーティングして０．５ｍｍ〜３．０ｍｍの厚みの凹凸皮膜を形成することができる。

また、それぞれの樹脂に混合するプラスチック粉末あるいはセラミックス粉末の重量割合を２０〜６０質量％とすることで、上記絶縁性の下地層に適した凹凸皮膜を形成することができる。

さらに、導電性ロールの表面に形成した凹凸表面を有する下地層上に形成する絶縁性のセラミックスの溶射層は、Ａｌ_２Ｏ_３、ＴｉＯ_２、ＭｇＯあるいはＺｒ_２Ｏ_２・ＳｉＯ_２の金属酸化物を単独で用いた、あるいは混合した材料からなり、粒度構成が最大粒径０．１ｍｍで、これ以下の大部分（８０％以上）の粒子が０．０１ｍｍ〜０．０５ｍｍからなる粉末を溶射し、厚み０．１ｍｍ〜１．０ｍｍの溶射皮膜を形成させる。

またさらに、セラミックス溶射層の溶射皮膜の気孔部を封孔するための絶縁性樹脂としては、絶縁性のエポキシ樹脂、シリコーン樹脂、アクリル樹脂、ポリエステル樹脂、エチルシリケート樹脂、耐熱性ポリイミド樹脂のうちのいずれか１種を用いる。

さらに、上記封孔処理したコロナ放電処理用セラミックスロールの表面粗度Ｒａを０．１〜２．０μｍとなるように研磨して仕上げる。

製作されたコロナ放電処理用セラミックスロールの使用に際しては、導電性ロール基材を内部より水または空気で冷却し、または、ロールの被覆表層を空気によって外部冷却して蓄熱を防ぐものである。

本願発明のコロナ放電処理用セラミックスロールは、セラミックス溶射層の密着力を高めることができる上、表面の高耐摩耗性の確保、さらに絶縁性下地層のみでもコロナ放電による皮膜破壊を防止できる。従って、長期間の使用によってセラミックス溶射層にクラックが入った場合でもコロナ放電処理を継続することができる。

また、コロナ放電処理用セラミックスロールの使用中にロールの表面または内部から冷却できるのでセラミックス溶射皮膜にクラックが発生することなく長期間安定的に使用できる。

さらには、その冷却手段としては、一般の製造工場内で使用されている０．４ＭＰａ程度のエアーまたは水道水を通過させること等で充分であるので、専用あるいは大型の冷却設備は不要であり、コロナ放電処理用セラミックスロールの製造コストを下げ得るし、コロナ放電処理設備費の低減も可能である。

図１は、本願発明のコロナ放電処理用セラミックスロールの一例を断面を示す模式図である。

同図において、導電性ロール基材１の表面に設けられた絶縁性樹脂からなる絶縁性の下地層２、この下地層２の上に絶縁性のセラミックス溶射層３、このセラミックス溶射層３の内部および外表面に樹脂により封孔層４を設け、この表面をＲａ＝０．１〜２．０μｍになるよう研磨したコロナ放電処理用ロールである。

導電性ロール基材１としては、炭素鋼、合金鋼、ステンレス鋼などの金属あるいは炭素繊維等が使用できる。

導電性ロール基材１の表面に施工される絶縁性下地層２は、ガラス繊維入り不飽和ポリエステル樹脂、耐熱性ポリイミド樹脂、エポキシ樹脂、ポリアミド樹脂、ポリエーテルエーテルケトン樹脂、あるいはフッ素樹脂等を導電性ロール基材１に巻装するか、あるいは導電性ロール基材１を前記の樹脂液状物にディッピングして、厚み０．５ｍｍ〜３．０ｍｍの絶縁皮膜で、コロナ放電用処理電源の約１０ｋＶ〜２０ｋＶの電圧に耐えられる１．０ｍｍ〜２．５ｍｍの厚みが好ましい。

絶縁皮膜である下地層２の上に形成するセラミックス溶射を行うために、その絶縁性下地層２表面に凹凸を形成する。この凹凸は、エポキシ樹脂、アクリル樹脂、ポリエステル樹脂あるいはエチルシリケート樹脂等の絶縁性樹脂中にプラスチック粉末あるいはセラミックス粉末を、重量割合で前記絶縁性樹脂１００質量％に対し、２０〜６０質量％を混合し、絶縁性下地層２上に厚さ０．０２〜０．１ｍｍにコーティングして形成される。

ここで凹凸は一般的に金属製基材にブラスト処理する程度の粗度、例えば、Ｒｚで２０μｍ〜６０μｍの粗度で充分である。また、プラスチック粉末、セラミックス粉末を混合する割合を２０〜６０質量％としたのは、２０質量％未満であれば凹凸の形成が不充分となり、６０質量％超になると粉末を構成する粒子−粒子間の結合力が弱く脆い凹凸皮膜になるためである。

絶縁性のセラミックス溶射層３は、Ａｌ_２Ｏ_３、ＴｉＯ_２、ＭｇＯあるいはＺｒ_２Ｏ_２・ＳｉＯ_２の絶縁性の金属酸化物を単独あるいは混合したセラミックス材料であり、粒度が最大粒径０．１ｍｍで粒子の大部分（８０％以上）が０．０１ｍｍ〜０．０５ｍｍから構成される粉末を用いて溶射することによって０．１ｍｍ〜１．０ｍｍ厚さの溶射皮膜が形成される。ここで溶射皮膜の厚さが０．１ｍｍ〜１．０ｍｍであることは、材料コストを有利にするためと後述する研磨において研磨に必要な膜厚を確保するためである。

この絶縁性のセラミックス溶射層３の外表面および内部の気孔を封孔する絶縁性樹脂は、エポキシ樹脂、シリコーン樹脂、アクリル樹脂、ポリエステル樹脂、エチルシリケート樹脂、耐熱性ポリイミド樹脂のうちのいずれか１種を用いる。上記の方法によって製作されたコロナ放電処理用セラミックスロールの皮膜の外表面の凹凸をＲａ＝０．１〜２．０μｍになるように研磨する。

さらに、前記により製作したコロナ放電処理用セラミックスロールの使用に当っては、導電性ロール基材１の内部を水あるいは空気で冷却するか。あるいは該セラミックスロールの表層に空気を噴射して冷却することで、導電性ロール基材１と下地層２である絶縁性樹脂と絶縁性セラミックス溶射層３との温度上昇を抑制するとともに夫々の間の熱膨張差を小さくして、絶縁性セラミックス溶射層３におけるクラックの発生を抑制することができる。ここで、水および空気は一般的な製造工場で用いられている清掃用に使用される程度の圧力で充分である。

表１は、図１に示す本願発明のコロナ放電処理用セラミックスロールの概略仕様を示し、夫々ケース１、ケース２、ケース３、ケース４によって区分している。

ケース１は、ロール外径１５０ｍｍ×ロール胴長６００ｍｍの炭素鋼製ロール１の外周にガラス繊維入りポリエステル樹脂を厚さ２．５ｍｍにコーティングして絶縁性皮膜を形成し、この皮膜の上にエポキシ樹脂１００質量％に対して硬質プラスチック粉末を５０質量％混合したものを０．３ＭＰａの圧力でエアースプレーガンにて厚さ約５０μｍを塗布し、表面粗度Ｒｚ＝３０〜４５μｍの絶縁性粗面皮膜である下地層２を形成した。

この下地層２の上に粒径１０〜４４μｍが大部分を占めるＡｌ_２Ｏ_３セラミックス粉末をプラズマ溶射ガンにて溶射し、厚さ約０．５ｍｍのセラミックス溶射皮膜層３を形成した。

さらに、このセラミックス溶射皮膜３中の気孔を封孔するためエポキシ樹脂を０．３ＭＰａの圧力でエアースプレーガンによってコーティングして絶縁性樹脂封孔層４を形成した。

そしてコロナ放電処理用セラミックスロールのセラミックス溶射層３の表面凹凸部を平滑化するためにその外表面から研磨を行い、セラミックス溶射層３の厚みを０．３ｍｍとした。この際、絶縁性樹脂封孔層４も研磨により除去されるがセラミックス溶射層３の表面凹凸部の凹部が完全に研磨されない限り、該凹部内にその樹脂が残留するし、そのセラミックス溶射層３内部に充填された樹脂が存在することで絶縁性が研磨により低下することはない。

ケース２は、ケース１と同じ工程で製造したコロナ放電処理用セラミックスロールである。

ケース３は、ケース１に使用した炭素鋼製ロールと同一サイズのものを使用し、この外周にシリコーンを厚さ３．０ｍｍで巻装したもので、一般的に使用されるコロナ放電ロール仕様とした。

ケース４は、ケース３と同じ工程で製造したコロナ放電処理用ロールである。

上記のようにして製造した各ケース１〜４の各ロールを春日電機（株）製ＣＧ−１０２型コロナ放電発生装置を使用して、加電圧を約１０〜１１ｋＶに設定して、コロナ放電させロール表面の温度の経時変化を赤外線表面温度計（ＴＨＩ−４４０Ｓ、ＴＡＳＣＯ社製）によって測定した。

この中で、ケース２のコロナ放電処理用セラミックスロールは、ロール表面に０．４ＭＰａの常温エアー（空気）をコロナ放電用電極の対向反対面側から吹き付け該ロール表面を冷却した。また、ケース１のコロナ放電処理用セラミックスロールとケース３、ケース４のコロナ放電処理用ロールは、エアー等によるロール表面の冷却を行わなかった。

図２は、各ケースのコロナ放電処理中の温度経時変化を示す。

図中の実施例１は、ケース１のコロナ放電処理用セラミックスロールをコロナ放電させたロール表面の温度経時変化を示す。コロナ放電開始後、温度上昇を始め６０分後から１８０℃の表面温度となり、導電性ロール基材１と下地層２である絶縁性樹脂皮膜およびセラミックス溶射層３間の熱膨張差によるクラックがそのセラミックス溶射皮膜上の数ヶ所に観測されたものの皮膜の絶縁破壊は発生せず、該ロール表面の温度が１９０℃となるまでコロナ放電を行ったが絶縁破壊は起きなかった。

同図中の実施例２は、ケース２のコロナ放電処理用セラミックスロールをコロナ放電させて、該ロール表面の温度経時変化を測定したもので、コロナ放電開始後、温度が上昇し始めたもののその温度上昇の程度は実施例１に比べ小さく、コロナ放電開始３０分後に５０℃に達し、以降３００分間５０℃で経過し、実施例１とは異なり安定した低い温度を維持しエアー冷却の効果が発揮された。

同図中の比較例１は、ケース３のコロナ放電処理用ロールをコロナ放電させた該ロール表面の温度経時変化を示す。コロナ放電開始後、温度が上昇し始め、その上昇割合は、コロナ放電開始後１０分間は実施例１で測定した温度上昇程度とほぼ同一であるが、その後、実施例１で測定した温度上昇程度より暫時低減した温度上昇割合となり、コロナ放電開始後７０分後以降３００分経過までほぼ一定した１７０℃の温度を維持した。

同図中の比較例２は、ケース４の工程で製造したコロナ放電処理用ロールをコロナ放電させた該ロール表面の温度経時変化を示す。比較例１の再現性の確認をしたもので、コロナ放電開始後、温度が上昇し始め、その上昇割合は、コロナ放電開始後１０分間は実施例１、比較例１で測定した温度上昇程度とほぼ同一であるが、その後、実施例１とは異なり、比較例１と同様に実施例１の温度上昇程度より暫時低減した温度上昇割合となり、コロナ放電開始後７０分後以降３００分経過までほぼ一定した１６０℃の温度を維持した。

本発明のコロナ放電処理用セラミックスロールは、樹脂フィルムやシート、アルミ箔等の印刷インキに対して親和性の低いものへの印刷やグラビア印刷等上質の印刷を行うための印刷装置にとくに適している。

本発明のコロナ放電処理用セラミックスロールの断面を示す模式図。コロナ放電処理中の各ロールの表面温度の経時変化を示す図。

符号の説明

１導電性ロール基材
２絶縁性下地層
３絶縁性セラミックス溶射層
４絶縁性樹脂封孔層

Claims

導電性ロール基材の表面に、ガラス繊維入り不飽和ポリエステル樹脂、耐熱性ポリイミド樹脂、エポキシ樹脂、ポリアミド樹脂、ポリエーテルエーテルケトン樹脂、あるいはフッ素樹脂で絶縁性下地層を被覆した後、その上にエポキシ樹脂、アクリル樹脂、ポリエステル樹脂あるいはエチルシリケート樹脂の絶縁性樹脂にプラスチック粉末あるいはセラミックス粉末を重量割合で前記絶縁性樹脂１００質量％に対し、２０〜６０質量％を混合し、前記絶縁性下地層上に厚さ０．０２〜０．１ｍｍにコーティングして絶縁性で且つＲｚで２０μｍ〜６０μｍの粗度の凹凸表面を有する下地層を形成し、
この下地層の上に高耐摩耗性の金属酸化物セラミックス溶射層を０．１ｍｍ〜１ｍｍの厚みに形成後、このセラミックス溶射層の内部および外表面に絶縁性樹脂による封孔層を設け、さらに、この表面をＲａ０．１〜２．０μｍに研磨したコロナ放電処理用ロール。
セラミックス溶射層が、高耐摩耗性のＡｌ_２Ｏ_３、ＴｉＯ_２、ＭｇＯあるいはＺｒ_２Ｏ_２・ＳｉＯ_２の金属酸化物を単独または混合した材料からなる請求項１に記載のコロナ放電処理用セラミックスロール。
前記高耐摩耗性の金属酸化物セラミックス溶射層の表面及び内部の気孔を浸透、被覆して封孔処理するための樹脂が、エポキシ樹脂、シリコーン樹脂、アクリル樹脂、ポリエステル樹脂、エチルシリケート、耐熱性ポリイミドのうちのいずれか１種の絶縁性樹脂である請求項１に記載のコロナ放電処理用セラミックスロール。