JP7453759B2 - ロール製造方法 - Google Patents
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Description
本発明は、環境負荷低減を目的としたロールの製造方法（ロール製造方法）に関する。
スマートフォンやタブレット等のモバイル端末やウェアラブル端末には各種の機能を有するフィルムやガラス板（以下「機能性素材」という）が用いられている。これらの機能性素材を製造するための装置には、搬送用ロールやグラビアロール、ニップロールなど様々なロールが用いられている。これらのロールはアルミやＳＵＳ３０４、ＳＴＫＭ１３ａ等の金属で構成されているほかに、ロールの剛性（強度）を高めるために、炭素繊維強化プラスチック（ＣＦＲＰ）も使用されている。
従来、ロールの一種として、炭素繊維強化プラスチック（ＣＦＲＰ）を材料とするカーボンロール（特許文献１）が知られている。カーボンロールは、軽量、高強度、高剛性、低熱膨張等の特性を有し、様々な場面で利用されている。
カーボンロールには前述のような優れた特性がある一方、技術的にもコスト的にもリサイクルが難しいという難点がある。このため、カーボンロールの材料であるＣＦＲＰは埋め立て処分されることがあるが、ＣＦＲＰ自体は自然分解しないため、環境への影響が懸念される。
本発明は前記課題に鑑みてなされたものであり、その解決課題は、ＣＦＲＰに代わる材料を用いたロールであって、ＣＦＲＰに比べて環境負荷が小さいロールの製造方法を提供することにある。
本発明のロール製造方法は、セルロースを含む材料がロール状に成形されたロール母材を成形する工程と、ロール母材の外側に、ロール母材よりも硬度の高い硬質管を焼嵌めにより設ける工程と、硬質管の外側にＤＬＣ膜を設ける工程を含む方法である。セルロースにはナノセルロース、例えば、セルロースナノファイバー（ＣＮＦ）やセルロースナノクリスタル（ＣＮＣ）、バクテリアナノセルロース等を用いることができる。
本発明のロール製造方法で製造されたロールは、自然分解するセルロースを含む材料で構成されているため、環境への影響が小さく、環境保全及び環境改善に資する。
（実施形態）
本願におけるロールの実施形態の一例を、図面を参照して説明する。本願におけるロールは、機能性素材などの製造装置部品である搬送用ロールやグラビアロール、ニップロールといった各種工業用ロールとして用いることができるが、ここでは、ロールがグラビアロールの場合を一例として説明する。
本願におけるロールの実施形態の一例を、図面を参照して説明する。本願におけるロールは、機能性素材などの製造装置部品である搬送用ロールやグラビアロール、ニップロールといった各種工業用ロールとして用いることができるが、ここでは、ロールがグラビアロールの場合を一例として説明する。
一例として図１に示すロールは、セルロースを含む材料で構成されたロール（以下「セルロースロール」という）１である。ここで、セルロースにはいわゆるナノセルロースも含まれる。また、ナノセルロースには、木材などを原料とするセルロースナノファイバー（ＣＮＦ）やセルロースナノクリスタル（ＣＮＣ）のほか、酢酸菌などの微細な菌が作るバクテリアナノセルロースが含まれる。なお、ＣＮＣはセルロースナノウィスカー（ＣＮＷ）とも称される。また、前記ナノセルロースには、電解紡糸法（エレクトロスピニング法）で溶解したセルロースから製造されるものが含まれる。また、前記ナノセルロースはゲル状のものであってもペレット状のものであってもよい。
ここでは、セルロースとしてＣＮＦを用いる場合を一例として説明する。
この実施形態のセルロースロール１は、ＣＮＦと熱硬化性樹脂（バインダー）が混練された材料（繊維状、又はシート状に成形された状態）をロール状に巻きつけて硬化させたものである。セルロースロール１は、押出し成形（射出成形）によって成型することもできる。
セルロースロールの材料となるＣＮＦには、長さ１５０ｎｍ、幅３ｎｍ程度のものを用いることができる。ＣＮＦはこれより大きくても小さくてもよい。
ＣＮＦと混練する樹脂には、例えば、熱硬化性樹脂、より具体的には、エポキシ樹脂やポリプロピレン樹脂などを用いることができる。ＣＮＦは樹脂中に１ｗｔ％以上含有することが望まれる。ただし、この含有量は一例であり、これ以外であってもよい。なお、樹脂の材質においてはポリカーボネート（ＰＣ）、ポリアミド（ＰＡ）、ポリスチレンテレフタレート（ＰＢＴ）、ポリアセタール（ＰＯＭ）、ポリフェニレンエーテル（ＰＰＥ）などを用いることができ、材質に特に規定はない。
図１に示すように、この実施形態のセルロースロール１はロール本体がセルロース製のパイプ状であり、ベアリング２を介して軸材３の外側に装備して使用される。この場合、ベアリング（軸受）２はセルロースロール１の両端側に埋設された金属性のフランジ１２などを介して設けるのが好ましい。セルロースロール１は無垢材であってもよい。セルロースロール１の外径や内径、長さ等は用途に応じて適宜設計することができる。なお、ロールの構造はロール径や目的によって変えることができる。
セルロースロール１はそれ自体をロールとして使用することもできるが、耐摩耗性向上を目的に図２（ａ）（ｂ）に示すように、ロールのロール母材として使用することもできる。
図２（ａ）（ｂ）は、セルロースロール１をロール母材としたロールの一例を示すものである。セルロースロール１の外側には、セルロースロール１よりも硬度の高い硬質管４が設けられている。硬質管４には、例えば、ＳＵＳ製やアルミニウム製のスリーブを用いることができる。この実施形態では、硬質管４としてＳＵＳ管（ＳＵＳ３０４）を用いている。金属製スリーブの他にはポリ塩化ビニル（ＰＶＣ）やポリプロピレン（ＰＰ）などの樹脂を用いることも可能である。なお、前記金属製スリーブ及び樹脂スリーブの厚さは特に規定はなく、０．１ｍｍ以上であることが望ましく５ｍｍ以上の厚肉であっても問題はない。
この実施形態では、セルロースロール１と硬質管４を図示しない接着剤で接着して両者の密着度を高めている。硬質管４は焼嵌めによってセルロースロール１の外側に装着することもできる。具体的には、セルロースロール１の外側に熱膨張させた硬質管４を被せたのち、その硬質管４を冷却して収縮させることで、硬質管４をセルロースロール１に密着させることができる。焼嵌めのほか、エポキシ接着剤などの接着剤やピンなどを用いて締結することも可能である。
図示は省略しているが、硬質管４の表面にはセルや彫刻などの凹凸を形成することもできる。硬質管４の表面に凹凸を設けることで、グラビアロールとして用いることができる。
図２（ａ）（ｂ）のような硬質管４を備えたロールでは、硬質管４の外周に図３（ａ）（ｂ）に示すようなＤＬＣ膜５を設けることもできる。図３（ａ）（ｂ）に示すロールのＤＬＣ膜５は、厚さ０．５～５０μｍ程度、硬さ８００～６０００ＨＶ程度としてある。ＤＬＣ膜５は膜厚１μｍ以上、好ましくは６μｍ以上とする。
ＤＬＣ膜５の形成には、ソースガスにＣＨ４（メタン）やＣ７Ｈ８（トルエン）、Ｃ２Ｈ２（アセチレン）、Ｃ６Ｈ６（ベンゼン）などの炭化水素系のガスを用いることができる。ＤＬＣ膜５の構造に特に指定はないが、内部応力の緩和にＳｉ（ケイ素）やＯ２（酸素）、Ｂ（ホウ素）、Ｎ２（窒素）、Ｃｒ（クロム）、Ｔｉ(チタン)などの第三元素を含有してもよい。
図３（ａ）（ｂ）に示すロールは、硬質管４の表面に直接ＤＬＣ膜５を形成するものであるが、両者の密着性を向上させるため、硬質管４とＤＬＣ膜５の間にＨＣｒめっき層とは異なる中間層（以下「ミキシング層」という）を設けることもできる。
ミキシング層は、ＳｉやＣｒ、Ｔｉを主とするもの、窒素と化合物化したもの、又は、Ｃ（炭素）やＨ（水素）を一緒に含有したもの等とすることができる。ミキシング層は必要に応じて設ければよく、不要な場合は省略することができる。
図２（ａ）（ｂ）のような硬質管４を備えたロールでは、ＤＬＣ膜５に変えて、硬質管４の外周に図４（ａ）（ｂ）に示すようなめっき層６を設けることもできる。具体的には、ＨＣｒめっき層やＮｉめっき層を硬質管４の外側に設けることができる。めっき層６は従来の方法で形成することができる。なお、硬質管４がアルミニウムの場合は、Ｎｉめっきを施してからＨＣｒめっきをするのが望ましい。
（その他の実施形態）
図２の例では、セルロースロール１の外周に硬質管４を設ける場合を一例としているが、硬質管４に代えてめっき層６を設けることもできる。この場合、めっき層６の外側にＤＬＣ膜５を設けることもできる。また、セルロースロール１の外周に硬質管４やめっき層６を設ける代わりに、ＤＬＣ膜５を設けることもできる。
図２の例では、セルロースロール１の外周に硬質管４を設ける場合を一例としているが、硬質管４に代えてめっき層６を設けることもできる。この場合、めっき層６の外側にＤＬＣ膜５を設けることもできる。また、セルロースロール１の外周に硬質管４やめっき層６を設ける代わりに、ＤＬＣ膜５を設けることもできる。
前記実施形態で示す各ロールの最外周（一番外側）には、洗浄用や脱水用のスポンジ（スポンジ層）を設けることができる。スポンジ層は、ロールの長手方向全長に設けることも部分的に設けることもできる。スポンジ層の材質に特に制限はなく、例えば、ポリ塩化ビニル（ＰＶＣ）やポリビニルアルコール（ＰＶＡ）といったウレタン系のスポンジに代表される各種材質のものを用いることができる。
前記実施形態で示す各ロールのセルロースロール１は、フランジ１２に取り付けられたベアリング２を介して軸材に装備される場合を一例としているが、各ロールのセルロースロール１は、図５（ａ）（ｂ）のように、長手方向両端のそれぞれに埋設された軸部材１３の外側に装備することもできる。
前記実施形態で示す各ロールの最外周（一番外側）には、搬送用やニップ用、テンションカット用のゴム材（ゴム層）を設けることができる。ゴム層は、ロールの長手方向全長に設けることも部分的に設けることもできる。ゴム層の材質に特に制限はなく、例えば、ＥＰＤＭ（ＥＰＴ）やウレタン、バイトン、シリコーン、フッ素系ゴムに代表される各種材質のものを用いることができる。
次に、前記ロールの製造方法の一例について説明する。ここでは、セルロースロール１の外側に硬質管４が設けられ、その硬質管４の表面にＤＬＣ膜５が形成されたロールを製造する場合を一例とする。
図６に示すように、前記ロールは、母材製作工程Ｓ１、硬質管装着工程Ｓ２、クリーニング工程Ｓ３、ミキシング層形成工程Ｓ４及び成膜工程Ｓ５を経て製造することができる。クリーニング工程Ｓ３及びミキシング層形成工程Ｓ４は必要な場合のみ実施すればよく、不要な場合には省略することができる。
前記各工程のうち、クリーニング工程Ｓ３、ミキシング層形成工程Ｓ４及び成膜工程Ｓ５は、図７に示す装置を用いて実施することができる。図７において、７は真空チャンバー、８はＲＦ高周波電源、９はＲＦ電極、１０は高電圧パルス電源、１１はガス注入口である。ＲＦ高周波電源８に代えてＩＣＰ（Ｉｎｄｕｃｔｉｖｅｌｙ Ｃｏｕｐｌｅｄ Ｐｌａｓｍａ：誘導結合プラズマ）電源を用いることもできる。ＩＣＰ電源を用いることでＲＦ高周波電源８よりもプラズマ密度が高くなり、ＲＦ高周波電源８を用いる場合よりも短時間でＤＬＣ膜５を厚くすることができる。
前記母材製作工程Ｓ１では、ＣＮＦと熱硬化性樹脂が混練された材料をロール状に巻きつけて硬化させ、セルロースロール１を製作する。セルロースロール１は、押出し成形（射出成形）によって成型することもできる。
前記硬質管装着工程Ｓ２では、製作したセルロースロール１の外周に硬質管４を被せる。具体的には、セルロースロール１の外径よりも内径が小さな硬質管４を加熱して膨張させ、セルロースロール１の外側に被せる。その後、被せた硬質管４を自然冷却或いは強制冷却させることによってセルロースロール１の外周に密着させる。セルロースロール１と硬質管４の間には接着剤（図示しない）を介在させることもできる。
なお、硬質管４の表面に凹凸を設ける場合、凹凸は硬質管４をセルロースロール１の外周に被せる前に形成することも、硬質管４をセルロースロール１の外周に被せたあとに形成することもできる。
前記クリーニング工程Ｓ３では、硬質管４を被せたセルロースロール１を真空チャンバー７のＲＦ電極９内にセットし、真空チャンバー７内を真空状態にする。この状態で、硬質管４の表面の洗浄及び付着力向上を目的として、硬質管４の表面をアルゴン、水素イオンによりエッチング処理してクリーニングする。エッチング処理は従来と同様の方法で行うことができる。クリーニングは、例えば次の条件で行うことができる。
使用ガス ：Ａｒ、Ｈ２
負パルス電圧：－１～－１５ｋＶ
ＲＦ出力 ：５０～１５００Ｗ
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前記ミキシング層形成工程Ｓ４では、セルロースロール１の外側に被せた硬質管４の表面にＨＣｒめっきを目的としないミキシング層（図示しない）を形成する。具体的には、硬質管４を被せたセルロースロール１を真空チャンバー７のＲＦ電極９内にセットし、真空チャンバー７内を真空状態にする。ガス注入口１１から原料ガス（例えば、Ｃ、Ｓｉ）を真空チャンバー７内に注入し、Ｃラジカルを生成して硬質管４の表面にミキシング層を形成してＤＬＣの付着力（密着性）を高める。
なお、原料ガスとしてＳｉイオンを注入すると、Ｓｉがプライマーの役割を担うことができる。また、原料ガスとして、Ｎ２、Ａｒ（アルゴン）、ＣＨ４、Ｃ２Ｈ２、ＣＦ４（四フッ化炭素）、Ｃ、Ｈ、Ｂ等の混合ガスを注入することもできる。ミキシング層の形成は、例えば次の条件で行うことができる。
使用ガス ：ＨＭＤＳＯやＨＭＤＳやＴＭＳ（Ｓｉ系ガス）、ＣＨ４、Ｃ２Ｈ２
負パルス電圧：－１～－１５ｋＶ
ＲＦ出力 ：５０～１５００Ｗ
使用ガス ：ＨＭＤＳＯやＨＭＤＳやＴＭＳ（Ｓｉ系ガス）、ＣＨ４、Ｃ２Ｈ２
負パルス電圧：－１～－１５ｋＶ
ＲＦ出力 ：５０～１５００Ｗ
前記成膜工程Ｓ５では、セルロースロール１の外側の硬質管４の表面（ミキシング層を成形した場合はその表面。以下同じ。）にＤＬＣ膜５を形成する。具体的には、硬質管４を被せたセルロースロール１がセットされた真空チャンバー７内を常温（望ましくは２０℃～５０℃程度）且つ真空状態にする。
この状態で、ＲＦ高周波電源８により高周波電圧を印加して、硬質管４の周辺（具体的には、真空チャンバー７内のＲＦ電極９の周辺）にプラズマを発生させ、高電圧パルス電源１０によりセルロースロール１に負の高電圧パルスを印加する。
その後、ガス注入口１１から原料ガス（例えば、Ｃ、Ｏ２）を真空チャンバー７内に注入して、その原料ガスを真空チャンバー７内で反応させ、硬質管４の表面にＤＬＣを堆積させることによって、硬質管４の表面にＤＬＣ膜５を形成する。ＤＬＣ膜５は膜厚１μｍ以上、好ましくは６μｍ以上とする。この製造方法では、ＤＬＣ膜５を常温環境下で成膜するため、硬質管４が熱膨張しにくく、長時間かけて成膜してもセルロースロール１や硬質管４が変形しにくい。このため、長時間かけることで膜厚６μｍ以上のＤＬＣ膜５を成膜することができる。
ＤＬＣ膜５については特に指定はなく、構成される主元素である炭素や水素の他にケイ素や窒素などの第三元素を有してもよい。また、ＤＬＣ膜５は酸素を含む親水性ＤＬＣ膜であってもよい。ＤＬＣ膜５の形成は、例えば次の条件で行うことができる。
使用ガス ：ＣＨ４、Ｃ２Ｈ２
負パルス電圧：－１～－１５ｋＶ
ＲＦ出力 ：５０～１５００Ｗ
使用ガス ：ＣＨ４、Ｃ２Ｈ２
負パルス電圧：－１～－１５ｋＶ
ＲＦ出力 ：５０～１５００Ｗ
ＤＬＣ膜５は２回以上に分けて形成することもできる。この場合、前記条件で１回目の成膜を行った後、例えば、次の条件で２回目の成膜を行うことができる。
使用ガス ：Ｃ７Ｈ８、Ｃ２Ｈ２
負パルス電圧：－１～－１５ｋＶ
ＲＦ出力 ：５０～１５００Ｗ
使用ガス ：Ｃ７Ｈ８、Ｃ２Ｈ２
負パルス電圧：－１～－１５ｋＶ
ＲＦ出力 ：５０～１５００Ｗ
なお、ＤＬＣ膜５の形成後、特に研磨などの工程を行わずに製品となる。
本願におけるロールは、ＤＬＣ膜５の形成後でも硬質管４の表面の凹凸形状は成膜前とほとんど変化せず、面積比にして１０％以下である。
なお、図６に示す製造工程は一例であり、本願におけるロールはこれ以外の方法で製造することもできる。例えば、セルロースロール１自体をロールとして使用する場合には、図６に示す製造工程のうち、硬質管装着工程Ｓ２以降の工程は省略することができる。
同様に、硬質管４の外側にＤＬＣ膜５もめっき層６も設けない場合には、図６に示す製造工程のうち、クリーニング工程Ｓ３以降の工程は省略することができる。また、硬質管４の外側にＤＬＣ膜５に代えてめっき層６を設ける場合には、成膜工程Ｓ５の代わりにめっき工程（図示しない）を実施する。
本願におけるロールは、フィルムやガラス板等の機能性素材の製造に用いることができる。
１ セルロースロール
２ ベアリング（軸受）
３ 軸材
４ 硬質管
５ ＤＬＣ膜
６ めっき層
７ 真空チャンバー
８ ＲＦ高周波電源
９ ＲＦ電極
１０ 高電圧パルス電源
１１ ガス注入口
１２ フランジ
１３ 軸部材
２ ベアリング（軸受）
３ 軸材
４ 硬質管
５ ＤＬＣ膜
６ めっき層
７ 真空チャンバー
８ ＲＦ高周波電源
９ ＲＦ電極
１０ 高電圧パルス電源
１１ ガス注入口
１２ フランジ
１３ 軸部材
Claims (5)
- ロールの製造方法において、
セルロースを含む材料がロール状に成形されたロール母材を成形する工程と、
前記ロール母材の外側に、当該ロール母材よりも硬度の高い硬質管を焼嵌めにより設ける工程と、
前記硬質管の外側にＤＬＣ膜を設ける工程を含む、
ことを特徴とするロール製造方法。 - 請求項１記載のロール製造方法において、
硬質管とＤＬＣ膜の間にミキシング層を設ける工程を含む、
ことを特徴とするロール製造方法。 - 請求項１又は請求項２記載のロール製造方法において、
セルロースがナノセルロースである、
ことを特徴とするロール製造方法。 - 請求項１から請求項３のいずれか１項に記載のロール製造方法において、
セルロースが、セルロースナノファイバー、セルロースナノクリスタル、バクテリアナノセルロースのいずれかである、
ことを特徴とするロール製造方法。 - 請求項１から請求項４のいずれか１項に記載のロール製造方法において、
硬質管の外側にゴム層が設けられた、
ことを特徴とするロール製造方法。
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