(57)【要約】【課題】  トロリ線とすり板との摺接面における微小の間隙で大きな電界が発生し、この大きな電界がすり板を構成する炭素系材料に印加されても、炭素系材料を構成する黒鉛結晶の層間結合が破壊されない炭素系材料からすり板を構成すること。【解決策】  炭素系材料の表面を等電位面とし、表面が等電位面である炭素系材料の集まりを圧縮成形してすり板を製造することによって、炭素系材料に大きな電界が印加されても炭素系材料を構成する黒鉛結晶の層間結合が破壊されない。これによって、摩耗しにくく、電気ノイズが発生しにくいすり板が実現できる。【選択図】図１
2014003876.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
天然黒鉛粒子ないしはカーボンブラックないしは炭素繊維からなる３種類の炭素系材料のうちの少なくともいずれか１種類の炭素系材料の集まりを圧縮成形することによって製造するすり板であって、前記した炭素系材料の表面を等電位面とし、該等電位面を表面に有する炭素系材料の集まりを圧縮成形してすり板を製造することを特徴とするすり板の製造。
【請求項２】
請求項１における炭素系材料の表面を等電位面とする手段は、炭素系材料の表面に銅微粒子を結合させる手段であって、炭素系材料の表面に銅微粒子を結合させることで表面が等電位面となる炭素系材料の集まりを圧縮成形してすり板を製造することを特徴とする請求項１に記載したすり板の製造。
【請求項３】
請求項２における炭素系材料の表面を等電位面にする銅微粒子は、炭素系材料の表面に多層構造として結合する銅微粒子であって、炭素系材料の表面に多層構造からなる銅微粒子を結合させることで表面が等電位面となる炭素系材料の集まりを圧縮成形してすり板を製造することを特徴とする請求項２に記載したすり板の製造。
【請求項４】
請求項２ないしは請求項３のいずれの請求項に記載した炭素系材料の表面を等電位面にする銅微粒子は、炭素系材料の表面に有機銅化合物を吸着させ、該有機銅化合物が吸着した炭素系材料を熱処理して前記有機銅化合物を熱分解させ、これによって、前記炭素系材料の表面に銅微粒子が結合して該炭素系材料の表面を等電位面にする銅微粒子であることを特徴とする請求項２ないしは請求項３のいずれの請求項に記載した炭素系材料の表面を等電位面にする銅微粒子。
【請求項５】
請求項４に記載した有機銅化合物はオクチル酸銅であって、オクチル酸銅を炭素系材料に吸着させ、該オクチル酸銅が吸着した炭素系材料を熱処理して前記オクチル酸銅を熱分解させ、これによって、前記炭素系材料の表面を等電位面にする銅微粒子が該炭素系材料の表面に結合することを特徴とする請求項４に記載した有機銅化合物。
【請求項６】
請求項１から請求項３のいずれの請求項に記載した炭素系材料は、鱗状黒鉛からなる天然黒鉛粒子であることを特徴とする請求項１から請求項３のいずれの請求項に記載したすり板の製造。
【請求項７】
請求項１から請求項３のいずれの請求項に記載した炭素系材料は、アセチレンブラックからなるカーボンブラックであることを特徴とする請求項１から請求項３のいずれの請求項に記載したすり板の製造。
【請求項８】
請求項１から請求項３のいずれの請求項に記載した炭素系材料は、メソフェーズピッチ系炭素繊維からなる炭素繊維であることを特徴とする請求項１から請求項３のいずれの請求項に記載したすり板の製造。
【請求項９】
請求項６ないしは請求項８に記載したすり板を製造する製造方法は、請求項５におけるオクチル酸銅をメタノールに分散させて分散液を作成する第１の製造工程と、請求項６に記載した鱗状黒鉛からなる天然黒鉛粒子の集まりを、ないしは、請求項８に記載したメソフェーズピッチ系炭素繊維からなる炭素繊維の集まりを前記分散液に混合して懸濁液を作成する第２の製造工程と、前記懸濁液を容器に充填する第３の製造工程と、前記容器を大気雰囲気の熱処理炉に配置して前記メタノールを気化した後に前記オクチル酸銅を熱分解して前記鱗状黒鉛からなる天然黒鉛粒子の表面に、ないしは、前記メソフェーズピッチ系炭素繊維からなる炭素繊維の表面に銅微粒子を結合させる第４の製造工程と、前記銅微粒子が表面に結合した鱗状黒鉛からなる天然黒鉛粒子の集まりを、ないしは、前記銅微粒子が表面に結合したメソフェーズピッチ系炭素繊維からなる炭素繊維の集まりを圧縮成形する第５の製造工程からなる５つの製造工程によって、鱗状黒鉛からなる天然黒鉛粒子の集まり、ないしは、メソフェーズピッチ系炭素繊維からなる炭素繊維の集まりによってすり板を製造する製造方法であることを特徴とする。
【請求項１０】
請求項７に記載したすり板を製造する製造方法は、請求項５におけるオクチル酸銅をメタノールに分散させて分散液を作成する第１の製造工程と、請求項７に記載したアセチレンブラックからなるカーボンブラックの集まりに前記オクチル酸銅のメタノール分散液を真空含浸する第２の製造工程と、前記真空含浸したアセチレンブラックからなるカーボンブラックを容器に充填する第３の製造工程と、前記容器を大気雰囲気の熱処理炉に配置して前記メタノールを気化した後に前記オクチル酸銅を熱分解して前記アセチレンブラックからなるカーボンブラックの表面に銅微粒子を結合させる第４の製造工程と、前記銅微粒子が表面に結合したアセチレンブラックからなるカーボンブラックの集まりを圧縮成形する第５の製造工程からなる５つの製造工程によって、アセチレンブラックからなるカーボンブラックの集まりによってすり板を製造する製造方法であることを特徴とする。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】  本発明は鉄道車両のパンタグラフに用いるすり板の製造と製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】  鉄道車両の屋根の上にはトロリ線（電車に電気を供給する架線群を総称して電車線と呼び、この電車線のうちパンタグラフが接触する線をトロリ線と呼ぶ）から電流を取り入れるためにパンタグラフがあり、その最上部にすり板が取り付けられている。すり板はトロリ線と摺接摩擦することによって電流を鉄道車両に取り入れる部材で、車両部品としての機械的強度、電気部品としての導電性、摩擦部品としての潤滑性と耐摩耗性、消耗部品としての経済性が求められる。
すり板がトロリ線と摺接摩擦するため、すり板が摩耗し、摩耗したすり板はトロリ線を攻撃する。電車の走行を運営する会社にとっては、トロリ線の破損事故によってもたらされる経済的損失が極めて大きいため、トロリ線の摩耗状況を定期的に検査している。このため、すり板が摩耗しにくくなり、すり板がトロリ線を攻撃しにくくなれば、トロリ線の定期検査が不要になるばかりでなく、トロリ線を張り替える期間が著しく延長でき、電車の走行を運営する会社にとっては、経済的損失が少なくて済む。また、すり板とトロリ線との摺接摩擦によって起こる火花放電がなくなれば、火花放電の際に発生する電気ノイズの発生がなくなり、電車に搭載した電子機器のノイズ対策が不要になる。
すり板の材料は、１９９０年頃から銅合金の焼結体から摩耗量が相対的に少ない炭素系材料の成形体に移行している。例えば、特許文献１および２には、炭素系材料からなる炭素基材、あるいは、炭素繊維と非繊維状炭素からなる複合材料の基材に金属ないしは合金を含浸させた技術が開示されている。また、特許文献３には、すり板の潤滑性をさらに高めるため、黒鉛からなる黒鉛基材に流動パラフィンを含浸させた技術が開示されている。なお、非特許文献１によれば、特許文献１及び２に記載された技術は、すり板として実用化されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特許３９８７６５６号公報
【特許文献２】特開２０１０−０２２１４２号公報
【特許文献３】特開２００７−０５６１７８号公報
【非特許文献】
【０００４】
【非特許文献１】セラミックス４２（２００７）Ｎｏ．１２  ｐ９７０−９７２
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】  しかしながら、従来の技術においては、すり板とトロリ線との摺接摩擦を面接触と捉え、すり板の摩耗量を低減させる考えからすり板の材料に改良を加えたに過ぎない。このため、すり板の摩耗量を相対的に低減させたに過ぎない。本発明は、すり板とトロリ線との摺接摩擦の実態を見直し、この結果から摩耗しにくいすり板材料を明らかにし、新たな材料からなるすり板の製造と製造方法を具体化する。さらに、摺接摩擦に伴う放電現象についても実態を見直し、放電しにくく、電気ノイズが発生しにくいすり板材料を明らかにする。
摩擦現象を利用した工業製品は、摩擦する一方の部品の磨耗が相手部品の磨耗より進行することを前提として、工業製品の動作寿命が予測でき、これによって工業製品の保障期間が決められる。すり板とトロリ線との摺接摩擦においては、すり板の磨耗がトロリ線の磨耗より進行することを前提にして、すり板を構成する材料とトロリ線を構成する材料とが決められる。つまり、すり板はトロリ線に比べて保守にかかる費用が安価で済むため、微量の銀を含む硬質銅線からなるトロリ線より摩耗が相対的に進行する材料によってすり板が構成される。このような考えから、すり板の材料は１９９０年頃から銅合金の焼結体から炭素系材料の成形体に移行している。つまり、銅合金から焼結体は、硬質銅線からなるトロリ線に近い材質であるためトロリ線を攻撃し、トロリ線の摩耗が進行する。
ここで、すり板とトロリ線との摺接摩擦の実態を説明する。固体の表面を、凹凸が全くない完全にフラットな面に加工することは現実的にはできない。このため、摺接面をミクロに観察すれば、ひとつの凹部はより微細な数多くの凹凸によって形成され、また、ひとつの凸部もより微細な数多くの凹凸によって形成される。こうした表面で形成される摺接面は、複数の接触点からなる点接触を形成して摺接する。なお、ここで言う点接触における点とは、面積の測定ができないほど極微小である部位を言う。機械加工による摺接面の表面粗さがマクロ的にはミクロンオーダーであることを考慮すれば、摺接面にはナノからミクロンに及ぶ間隙が形成される。そして、すり板がトロリ線と摺接摩擦を行ないながら移動することで、摺接面における接触点と間隙の大きさとは常に変わる。このような摺接状態において、トロリ線とすり板との間に電圧が印加されて、電流がすり板に流れる。
トロリ線とすり板との間に電圧が印加されると、摺接面の間隙にも電圧が印加される。摺接面の間隙における隣り合う２つの等電位線は、間隙が狭いほど隣り合う２つの等電位線が形成する電位差は小さくなる。これによって、電位差の勾配は増大する。さらに、間隙を形成する空気は、１気圧における比抵抗が１×１０２０Ωｍという大きな数値をもつ。このため、間隙で形成される電位差勾配は、間隙が狭くなるほど直線に近づく。従って、接触点に近い微小な間隙ほど、電位差勾配に相当する電界は増大し、この大きな電界が接触点の近くにあるすり板の表層に印加される。いっぽう、炭素系材料の比抵抗は空気の比抵抗に比べて著しく小さい。このため、すり板を構成する炭素系材料における隣り合う２つの等電位線が形成する電位差は、間隙における隣り合う２つの等電位線が形成する電位差に比べて著しく大きくなる。この結果、炭素系材料に形成される電界の大きさは、間隙で形成される電界の大きさに比べると著しく小さい。こうして、摺接面の微小な間隙で形成された大きな電界が、トロリ線と接触する直前にすり板を構成する炭素系材料に印加される。このため、すり板を構成する炭素系材料に大きな電界が断続的に印加される。なお、炭素系材料からなる基体に金属ないしは合金を含浸した場合は、金属ないし合金は自由電子を持ち、この自由電子によって金属ないしは合金の表面は等電位面となるため、金属ないし合金に電界は作用しない。
微小な間隙で形成された電界Ｅがすり板に印加されると、炭素系材料からなる基体に含浸された金属ないしは合金の自由電子は、クーロン力Ｆによって電界方向に移動する。なお、クーロン力ＦはＦ＝−ｅ・Ｅで与えられる。ここで、Ｆはクーロン力のベクトルで、Ｅは電界ベクトル、ｅは電子の素電荷量（ｅ＝１．６×１０−１９クーロン）ある。これに対し、自由電子を持たない炭素系材料は、炭素系材料を構成する電子に電界によるクーロン力が作用する。いっぽう、炭素系材料における潤滑作用は、黒鉛結晶の層間結合の破壊に基づく自己潤滑性であるため、炭素系材料における黒鉛結晶が占める割合が高いほど優れた潤滑性を示す。こうした炭素系材料を構成する黒鉛結晶に電界が印加すると、黒鉛結晶の層間結合を担うπ電子が電界によるクーロン力によって励起される。このクーロン力が、黒鉛結晶の層間結合力に相当するπ軌道の相互作用より大きな力としてπ電子に作用すると、π電子はπ軌道における拘束から解放されて自由電子になる。この結果、黒鉛結晶の層間結合を担うπ電子がπ軌道から遊離したため、黒鉛結晶における層間結合が破壊される。こうした摺接面における微小な間隙で大きな電界が発生し、この電界が黒鉛結晶に印加されることによって層間結合が破壊される現象が、炭素系材料における摩耗の実態である。
以上に説明したように、摺接面の間隙が狭くなるほど、つまり、接触点に近づくほど大きな電界が発生し、この大きな電界によって、黒鉛結晶の層間結合が破壊される。つまり、すり板がトロリ線と接触する直前に、摺接面が形成する間隙が極めて微小になり、これによって、大きな電界が発生し、この大きな電界がすり板の表層に印加することによって黒鉛結晶が破壊される。黒鉛結晶が破壊される領域は、電界によるクーロン力が黒鉛結晶の層間結合力に相当するπ軌道の相互作用より大きな力となってπ電子に作用する領域になる。その直後、すり板がトロリ線と接触し、黒鉛結晶が剪断応力を受けて、既に層間結合が破壊された黒鉛結晶の領域が黒鉛結晶から脱落する。こうした黒鉛結晶の破壊摩耗が、断続的に摺接面で起こる。この黒鉛結晶における破壊摩耗は、電界という電気的負荷による摩耗であって、接触によって発生する剪断力による摩耗ではない。従来、すり板がトロリ線と面接触で接触すると考えられてきたため、摺接面の摩耗は、剪断力による破壊摩耗として考えてきた。このため、すり板の摩耗量を著しく減らすことは困難であった。
次に、すり板における放電現象の実態について説明する。前記したように、黒鉛結晶が破壊されることで、黒鉛結晶の層間結合の担い手であったπ電子は、π起動から遊離して自由電子となる。自由電子となったπ電子は、電界方向に速度ｖで移動する。自由電子の移動速度ｖは、電子が電位差Ｖによって得られるエネルギーｅＶと電子の運動エネルギー１／２ｍｖ２とが等しいため、すり板に１．５ｋＶの電位差が印加される場合は、電子の移動速度は２．３×１０７ｍ／ｓになる。この速度は、光速の１／１３に相当する。なお、ｅは電子の素電荷量、ｍは電子の質量（９．１×１０−３１ｋｇに相当する）である。こうして、黒鉛結晶の層間結合が破壊された領域に存在した莫大な数のπ電子が、微小な間隙で形成される最も大きな電界方向に集まって、速度ｖを持って一斉に間隙に移動する。間隙に移動する際、電子の集まりは空気分子を瞬間的に励起させ、運動エネルギーの全てを失う。この際、空気分子が激しく擦りあうため、空気分子の発熱によって発光現象を生み、空気分子の摩擦によって電気ノイズが発生する。この発光現象が摺接面で観察される火花放電である。空気分子は瞬間的に発熱し、また瞬時に冷却するため、放電現象は瞬時の現象として観察される。この火花放電が、摺接面で断続的に起こる。火花放電は、自由電子となったπ電子の集まりが間隙に移動する際に起こる現象であるため、間隙の空気分子が励起されることによって、トロリ線の表面に打痕を形成させることがあったとしても、すり板を攻撃することはない。
トロリ線とすり板との摺接摩擦で発生する放電現象を、従来はアーク放電と記載している例が多く見られるが、これは明らかに誤りである。すり板が低電位の負極を構成し、負極を構成する炭素系材料は、トロリ線を構成する銅に比べると沸点は著しく高い。このため、すり板の放電現象をアーク放電とした場合は、負極の加熱によって起こる熱電子が放出される熱陰極アークに該当する。いっぽう、炭素系材料、例えば天然黒鉛粒子は大気雰囲気では６００℃付近から酸化が始まる。このため、黒鉛から熱電子が放出する以前に黒鉛は酸化し、熱電子は放出されない。また、火花放電が継続すると、グロー放電ないしはアーク放電が起こり得るが、トロリ線とすり板との摺接摩擦で発生する放電現象は、雷のように瞬時的な放電現象であって、継続して放電現象は起こらない。このように、トロリ線とすり板との摺接摩擦で発生する放電現象は、火花放電であって、アーク放電ではない。【０００６】  次に、炭素系材料における潤滑性と導電性を説明する。なぜならば、すり板は潤滑性と導電性とが同時に必要になるからである。炭素系材料における潤滑作用は、黒鉛結晶の層間結合が破壊することでもたらされる自己潤滑性である。例えば、安価な単結晶炭素材料である天然黒鉛粒子においては、黒鉛結晶の基底面の層間結合が破壊することで自己潤滑作用がもたらされる。また、炭素繊維においては、黒鉛結晶が繊維軸方向に配向した構造を有するため、黒鉛粒子と同様に、黒鉛結晶の基底面の層間結合が破壊することで自己潤滑作用がもたらされる。いっぽう、カーボンブラックにおいては、黒鉛の結晶化が進行した炭素原子が球状粒子を構成し、この球状粒子が３次元的に鎖状に繋がってストラクチャーを形成する。このため、球状粒子を構成する黒鉛結晶の基底面の層間結合が破壊することでストラクチャーが破壊し、自己潤滑作用がもたらされる。炭素系材料の潤滑作用は、いずれも、非特許文献２において、ブルネルが提唱した４つの摩耗機構における破壊摩耗に相当し、黒鉛結晶の層間結合が破壊されることによって自己潤滑作用がもたらされる。
いっぽう、炭素系材料は導電性を持つが、自由電子を有する金属ないしは合金に比較すれば比抵抗は大きい。例えば、炭素原子のみからなる安価な単結晶材料であり、黒鉛の結晶化が完全に進行し黒鉛結晶のみからなる天然黒鉛では、基底面に平行な方向の比抵抗は３．８×１０−７Ωｍであり、基底面に垂直な方向の比抵抗は７．６×１０−３Ωｍである。なお、銅の比抵抗は１．６８×１０−８Ωｍである。また、炭素原子のみからなる物質で、全てが結晶構造を取らず、一部が結晶構造を取る物質がある。正確に言えば、全ての炭素原子の位置が規定できない物質と言える。このような物質は、黒鉛の結晶化の進行度に応じて比抵抗が低下し、自己潤滑作用は増大する。こうした物質として人造黒鉛、カーボンブラックおよび炭素繊維がある。人造黒鉛には、熱分解黒鉛とキッシュ黒鉛とがある。熱分解黒鉛は、炭化水素雰囲気中で基材を２０００℃以上の温度で加熱して炭化水素の分解重合反応を起こさせ、これによって基材表面に炭素が沈積することによって得られる。キッシュ黒鉛は、融体の鉄をゆっくりと冷却して析出させることで得られる。人造黒鉛は天然黒鉛に比べると黒鉛の結晶化度は相対的に低く、結晶化度を高めるためには還元雰囲気での熱処理温度を３０００℃まで上げなければならない。このため、人造黒鉛は高価な工業材料であり、黒鉛の結晶化を進めることで更に高価な工業材料になる。カーボンブラックの中でも導電性が相対的に高いアセチレンブラックの比抵抗は２．１×１０−３Ωｍである。カーボンブラックの比抵抗が黒鉛粒子の比抵抗より大きい理由は、製法上の制約からくるもので、全ての球状粒子を完全に黒鉛結晶となった炭素から構成することが困難であること、また、水素分子を完全に排除することが困難であることによる。従って、カーボンブラックの比抵抗は、黒鉛結晶の進行度に依存し、黒鉛の結晶度が進行したものほど比抵抗が低く、また、優れた自己潤滑作用を発揮する。炭素繊維については、炭素繊維の中でも相対的に導電性が高いピッチ系炭素繊維の比抵抗は２〜５×１０−６Ωｍである。炭素繊維の比抵抗が黒鉛粒子の比抵抗より大きい理由は、製法上の制約から、炭素原子の全てを黒鉛結晶とし、黒鉛結晶を繊維軸方向に全て配向させることが困難であることによる。このため、黒鉛の結晶化の進行度に応じて比抵抗が低下し、比抵抗が小さい炭素繊維ほど優れた自己潤滑作用を発揮する。なお、有機物の固相炭化によって生成される結晶構造を全く取らない無定形構造（アモルファス構造とも言う）からなるガラス状炭素の比抵抗は３．５〜５．０×１０−５Ωｍである。このガラス状炭素は、炭素原子の集合体がリボン状に絡み合った、ないしは、海綿状に結合した構造を形成し、この構造によってガラス状炭素は破壊されにくい性質をもつ。例えば、曲げ強度が１０００〜１５００ｋｇ／ｃｍ２と大きく、ショア硬度が１００近い硬い物質であるため、固体潤滑材としては適さない。さらに、微細孔構造を有する活性炭は、黒鉛の結晶化が進行しないことによって、黒鉛結晶の間に隙間ができ、この隙間がマイクロ孔を形成し、このマイクロ孔が様々な物質を吸着する。従って、黒鉛の結晶化が進行していない活性炭も、固体潤滑材としては適さない。
以上に説明したように、潤滑性と導電性とを兼備する炭素系材料としては、天然黒鉛、カーボンブラックおよび炭素繊維が適切である。しかしながら、これらの炭素系材料はいずれも、黒鉛結晶の進行度が進むほど潤滑性と導電性とに優れるが、前記した摺接面の微小な間隙で大きな電界が発生し、この電界が印加することで黒鉛結晶の層間結合が破壊されやすくなり、摩耗が進む。また、火花放電に伴う電気ノイズが発生しやすくなる。
従って、本発明における課題は、黒鉛結晶を成分として有する炭素系材料に電界という電気的負荷が印加されても、黒鉛結晶の層間結合が破壊されない炭素系材料を実現することにある。これによって、潤滑性と導電性とを兼備する炭素系材料は、摩耗しにくくなると共に火花放電と電気ノイズとが発生しにくくなる。
【先行技術文献】
【非特許文献】
【０００７】
【非特許文献２】Ｊ．Ｄ．Ｂｅｒｎａｌ：Ｐｒｏｃ．Ｒｏｙ．Ｓｏｃ．Ａ  １０６，Ｐ７４９−７７３，１９２４
【課題を解決するための手段】
【０００８】  すり板はトロリ線と摺接摩擦することで電流の伝達が行なわれるので、すり板には導電性と潤滑性とを兼備することが必要となる。このため、すり板を構成する上で、黒鉛結晶を成分として有する炭素系材料で構成することは変えられない。その理由は、黒鉛結晶が次の３つの特徴を兼備する優れた固体潤滑材料であるからである。第一に、結晶の異方性に基づいて層間結合が優先的に破壊される固体潤滑材料である。第二に、熱伝導率が最も高く線膨張率が最も小さい固体潤滑材料である。第三に、結晶子である基底面の比抵抗は銅の比抵抗の２３倍に過ぎない半金属材料である。
いっぽう、すり板とトロリ線とが点接触で摺接するがゆえに、接触点に近い微小の間隙で大きな電界が発生し、この大きな電界が炭素系材料を構成する黒鉛結晶に作用することで黒鉛結晶のπ電子はπ軌道から遊離して自由電子となり、これによって、黒鉛結晶の層間結合が破壊する。自由電子となったπ電子の集まりは、電位差によってエネルギーを得て、一斉に間隙に移動する。この際に火花放電と電気ノイズが発生する。従って、すり板が磨耗する主な要因と電気ノイズが発生する要因とは、大きな電界が黒鉛結晶に作用することによる。このため、黒鉛結晶を成分として有する炭素系材料によってすり板を構成する限り、すり板の磨耗と電気ノイズの発生とを回避することはできない。
従って、磨耗量が激減し、電気ノイズの発生が抑止でき、さらに、経時劣化がなく、かつ、安価であるすり板は、次の３つの要件が必要になる。第一の要件は、すり板を構成する炭素系材料の表面が等電位面である。これによって、接触点に近い微小の間隙で発生する大きな電界がすり板に印加されても、炭素系材料の表面に電界は作用しない。この結果、すり板の摩耗量が激減する。また、火花放電が発生せず、電気ノイズが発生しない。第二の要件は、炭素系材料の電気抵抗が銅に近い電気抵抗をもつ。これによって、すり板に大電流が流れてもすり板で発生するジュール熱が抑えられ、すり板に熱的損傷をもたらす負荷が発生せず、経時的な劣化が起こらない。さらに、炭素系材料におけるエネルギー損失が著しく減る。第三の要件は、前記二つの要件を持つ新たな炭素系材料は、１回の製造タクトで大量に製造できる工業的手法に基づいて製造できることである。これによって、前記した２つの要件を持つすり板は、従来のすり板より安価な費用で製造できる。
【０００９】  本発明に係わるすり板を製造する第１特徴手段は、天然黒鉛粒子ないしはカーボンブラックないしは炭素繊維からなる３種類の炭素系材料のうちの少なくともいずれか１種類の炭素系材料の集まりを圧縮成形することによってすり板を製造するすり板であって、前記炭素系材料の表面を等電位面とし、表面が等電位面である前記炭素系材料の集まりを圧縮成形してすり板を製造する点にある。
【発明の効果】
【００１０】  つまり、この特徴手段によれば、炭素系材料の表面に電界が印加されても、炭素系材料の表面が等電位面であるため、電界は炭素系材料に作用しない。これによって、すり板とトロリ線との摺接面の微小な間隙で発生する大きな電界がすり板に印加されても、炭素系材料を構成する黒鉛結晶は破壊されない。この結果、炭素系材料はトロリ線と接触することによって、接触点を含む極微小の限定された領域のみが剪断力によって破壊され、すり板の摩耗量が著しく低減する。また、黒鉛結晶の破壊によって生じる火花放電と電気ノイズとが発生しない。このため、電車に搭載する電子機器に電気ノイズ対策が不要になる。
【００１１】  本発明に係わるすり板を製造する第２特徴手段は、前記した第１特徴手段における表面が等電位面である炭素系材料は、銅微粒子を炭素系材料の表面に結合させ、該銅微粒子によって前記炭素系材料の表面を等電位面とする点にある。
【発明の効果】
【００１２】  つまり、この特徴手段によれば、炭素系材料の表面に結合させた銅微粒子によって、炭素系材料の表面は等電位面となる。これによって、すり板とトロリ線との摺接面の微小な間隙で発生する大きな電界がすり板に印加されても、炭素系材料を構成する黒鉛結晶は破壊されない。この結果、すり板の摩耗量が著しく低減し、また、黒鉛結晶の破壊によって生じる火花放電と電気ノイズとが発生しない。さらに、表面に結合した銅微粒子によって、炭素系材料の電気抵抗は銅の電気抵抗に近づく。この結果、すり板に大電流が流れても、発生するジュール熱が著しく低減し、炭素系材料に熱的損傷をもたらす負荷が発生せず、経時的な劣化が起こらない。また、炭素系材料におけるエネルギー損失が著しく減る。
いっぽう、すり板がトロリ線と接触した際に、接触点に存在する銅微粒子が優先的に剥ぎ取られる。これによって、炭素系材料は銅微粒子によって新たな自己潤滑作用を発揮する。さらに、トロリ線と銅微粒子との接触は点接触であるため、１度の接触で剥ぎ取られる銅微粒子の数はわずかな数である。炭素系材料の表面に結合した莫大な数の銅微粒子の大部分が剥ぎ取られるには、すり板がトロリ線と莫大な回数接触しなければならない。莫大な回数の接触によって、すり板を構成する炭素系材料の集まりの中で、すり板の最も表層に存在する炭素系材料の大半の銅微粒子が剥ぎ取られ、この炭素系材料における電界の印加による黒鉛結晶の破壊摩耗が徐々に進行し、この炭素系材料はいずれ脱落する。そして、すり板の次の表層にある炭素系材料に同様の現象が起こる。莫大な数の銅微粒子が表面に結合した炭素系材料が、莫大な数の炭素系材料が集まって圧縮成形体を構成するため、すり板は摩耗しにくくなり、電気ノイズを発生しにくくなる。
【００１３】  いっぽう、すり板は、舟体ないしはすり板体と呼ばれる細長い長方形の台と一体化され、この舟体がパンタグラフの最上部に固定される。従って、すり板は、舟体の形状を反映した細長い直方体の形状を有する。このため、すり板は舟体に組み付ける際に１００ＭＰａ以上の曲げ強度が必要になる。また、鉄道車両ないしはトロリ線の振動を受けるため、すり板は４ｋＪ／ｍ２以上の衝撃強度が必要になる。従って、炭素系材料の集まりの圧縮成形体からなるすり板は、１００ＭＰａ以上の曲げ強度と４ｋＪ／ｍ２以上の衝撃強度とを有する必要がある。
【００１４】  本発明に係わるすり板を製造する第３特徴手段は、前記した第２特徴手段における炭素系材料の表面を等電位面にする銅微粒子は、前記炭素系材料の表面に多層構造として結合する銅微粒子である点にある。
【発明の効果】
【００１５】  つまり、この特徴手段によれば、多層構造として銅微粒子が表面に結合した炭素系材料の集まりを圧縮成形してすり板を製造する際に、隣接する銅微粒子が互いに点接触で接触するため、接触点には過大な摩擦熱が発生し、この摩擦熱によって、莫大な数の銅微粒子同士が全て接合し、この銅微粒子同士の接合によって炭素系材料が接合して成形体になる。また、１個の炭素系材料の表面に結合された多層構造からなる銅微粒子についても、隣接する銅微粒子の接触点に過大な摩擦熱が発生し、この摩擦熱によって、多層構造を形成する銅微粒子同士が全て接合する。こうした莫大な数からなる銅微粒子同士が接合することによって、成形体の強度が著しく増大する。これによって、成形体は必要となる曲げ強度を有し、すり板として用いることができる。また、すり板が振動するトロリ線と接触して最表層の銅微粒子が衝撃力を受けても、銅微粒子が多層構造として接合しているため、衝撃力は莫大な数からなる銅微粒子に分散され、成形体は破壊されない。この結果、圧縮成形体は必要となる衝撃強度を有し、すり板として用いることができる。
さらに、すり板がトロリ線と接触した際に、過大な剪断力によって接触点に存在する銅微粒子が剥ぎ取られる。トロリ線とすり板との接触は点接触であるため、１度の接触で剥ぎ取られる銅微粒子の数はわずかな数であり、炭素系材料の表面に形成した多層構造からなる銅微粒子の大部分が剥ぎ取られるには、すり板がトロリ線と莫大な回数接触しなければならない。莫大な回数の接触によって、すり板を構成する最も表層にある炭素系材料の電界の印加による黒鉛結晶の破壊摩耗が進行し、最も表層にある炭素系材料は脱落するが、次の表層にある炭素系材料に同様の現象が起こる。この結果、多層構造からなる銅微粒子が表面に結合された炭素系材料が、莫大な数として集まった圧縮成形体がすり板を構成するため、すり板はさらに摩耗しにくくなり、また、電気ノイズをさらに発生しにくくなる。
【００１６】  １回の製造タクトで大量に製造できる工業的手法に基づいて、炭素系材料の表面に銅微粒子が結合されることによって、従来のすり板より安価な費用ですり板が製造できる。前記した天然黒鉛粒子、カーボンブラックないしは炭素繊維からなる炭素系材料の表面に、物理的に銅微粒子を結合させることは困難である。このため、銅を析出する原料を莫大な数からなる炭素系材料の表面に吸着させ、次に銅を析出する原料に化学反応を起こさせ、銅を析出する原料が分解して銅が析出することで、莫大な数からなる炭素系材料の表面に銅微粒子を同時に結合することができれば、１回の製造タクトで莫大な数の炭素系材料の表面を等電位面とする銅微粒子が、炭素系材料の表面に結合する。
【００１７】  本発明に係わるすり板を製造する第４特徴手段は、前記した第２特徴手段ないしは第３特徴手段のいずれの特徴手段における炭素系材料の表面を等電位面にする銅微粒子は、熱分解によって銅が析出する有機銅化合物を炭素系材料に吸着させ、該有機銅化合物が吸着した炭素系材料を熱処理して前記有機銅化合物を熱分解させ、これによって、前記炭素系材料の表面を等電位面にする銅微粒子を該炭素系材料の表面に結合させる点にある。
【発明の効果】
【００１８】  つまり、この特徴手段によれば、有機銅化合物を溶媒に分散させ、この分散液に炭素系材料の集まりを混合し、ないしは、炭素系材料に分散液を含浸させ、この後、溶媒を気化させると全ての炭素系材料の表面に有機銅化合物が吸着する。この有機銅化合物が吸着した炭素系材料の集まりを、有機銅化合物の熱分解が完了する温度まで昇温すると、銅微粒子が析出して全ての炭素系材料の表面に銅微粒子が結合する。このような簡単な手段によって、莫大な数からなる炭素系材料の表面を等電位面にする銅微粒子が、全ての炭素系材料の表面に同時に結合する。この後、銅微粒子が結合した炭素系材料の集まりを圧縮成形するだけですり板が製造される。このように、１回の製造タクトで、莫大な数からなる炭素系材料を等電位面とする銅微粒子が炭素系材料の表面に結合することができ、この炭素系材料を複数の金型に充填して圧縮成形するだけで、多量のすり板が製造できるので、従来のすり板より安価な製造費用ですり板が製造できる。
なお、無機銅化合物は溶媒に分散しにくく、あるいは、溶媒に溶解する性質を持つため、銅を析出する原料としては望ましくない。つまり、無機銅化合物が溶媒に分散しなければ、炭素系材料の表面に無機銅化合物が吸着しない。また、無機銅化合物が溶媒に溶解する場合は、炭素系材料の表面に吸着する無機銅化合物が一部の無機銅化合物に限られるので、炭素系材料の表面に銅微粒子を結合させる原料としては望ましくない。
【００１９】  本発明に係わるすり板を製造する第５特徴手段は、前記した第４特徴手段における有機銅化合物がオクチル酸銅である点にある。
【発明の効果】
【００２０】  つまり、前記した炭素系材料は、いずれも黒鉛結晶を構成物質として有することで、潤滑作用と導電性とを発揮する。従って、銅を析出する原料としての有機銅化合物は、次の５つの性質を兼備することが必要になる。第一に、安価な原料を用いて、安価な費用で合成できる安価な工業用材料である。第二に、溶媒に分散する。この性質によって、溶媒に分散した有機銅化合物が炭素系材料の全ての表面と接触する。第三に、黒鉛結晶の表面と相互作用を持つ。この性質によって、溶媒に分散された有機銅化合物における溶媒を気化させると、有機銅化合物が炭素系材料の全ての表面に相互作用によって吸着する。第四に、炭素系材料の表面に吸着した有機銅化合物は、安価な処理方法で分解して銅が析出する。第五に、析出した銅が黒鉛結晶と反応して、黒鉛結晶の全ての表面に銅微粒子が結合する。これらの５つの性質を兼備する有機銅化合物を用いることで、安価な製造費用で、かつ、１回の製造タクトで、莫大な数からなる炭素系材料の表面に銅微粒子を結合させることができ、これによって、全ての炭素系材料の表面を等電位面にすることができる。
前記した５つの性質を兼備する物質として、新たにオクチル酸銅を合成した。第一に、オクチル酸銅は安価なカルボン酸であるオクチル酸を用いて、次の製造方法で容易に合成できる。最初に、組成式がＣ１７Ｈ１５ＣＯＯＨで表されるオクチル酸を、組成式がＮａＯＨである水酸化ナトリウムの水溶液と反応させると、オクチル酸のカルボキシル基ＣＯＯＨを構成する水素が水素イオンとして電離し、組成式がＣ１７Ｈ１５ＣＯＯ−Ｎａ−Ｃ１７Ｈ１５ＣＯＯで表されるオクチル酸ナトリウムが析出する。この析出したオクチル酸ナトリウムを水洗して、オクチル酸ナトリウムを精製する。次に、オクチル酸ナトリウムを組成式がＣｕＳＯ４である硫酸銅の水溶液と反応させると、組成式がＣ１７Ｈ１５ＣＯＯ−Ｃｕ−Ｃ１７Ｈ１５ＣＯＯで表されるオクチル酸銅が析出する。析出したオクチル酸銅を水洗すると、オクチル酸銅が精製される。このようにオクチル酸銅は、汎用的な安価な薬品を用いて簡単に合成できる有機銅化合物であり、前記した第１の性質を持つ。
オクチル酸の組成式はＣ１７Ｈ１５ＣＯＯＨであり、構造式はＣＨ３（ＣＨ２）３ＣＨ（ＣＨ２ＣＨ３）ＣＯＯＨであり、飽和炭化水素Ｃ１７Ｈ１５にカルボキシル基ＣＯＯＨが結合した飽和脂肪酸である。飽和炭化水素Ｃ１７Ｈ１５は、ＣＨにＣＨ３（ＣＨ２）３とＣＨ２ＣＨ３とが結合した分岐鎖構造を有する。従って、オクチル酸は、分岐鎖構造の炭化水素がカルボキシル基に結合した飽和脂肪酸であるため極性を持つ。このため、オクチル酸銅もオクチル酸の極性によって極性を持つ。極性を持つオクチル酸銅は、極性を持つ溶媒であるアルコールに分散する。さらに、分岐鎖構造のオクチル酸と銅との化合物であるため、直鎖構造の飽和脂肪酸と銅との化合物に比べ、アルコールに分散できる濃度は相対的に高まり、メタノールに対し１０重量％まで分散する。このようにオクチル酸銅は、前記した第２の性質を持つ。
黒鉛結晶を形成する炭素原子は４つの価電子を持つ。このうちの１つの価電子はπ電子と呼ばれ、ｓｐ２混成軌道に入る３つのσ電子とは孤立した２ｐｚ軌道に入る。この２ｐｚ軌道のエネルギー準位は、ｓｐ２混成軌道のエネルギー準位に比べて高い。２ｐｚ軌道に入るπ電子は、２ｐｚ軌道が持つエネルギー準位に準じて２ｐｚ軌道上を動く。このため、２ｐｚ軌道に存在するπ電子は、一時的な電荷の偏りをもたらし、これによって黒鉛結晶の表面は誘導双極子が形成される。いっぽう、有極性物質であるオクチル酸銅は電気双極子を持つ。オクチル酸銅の電気双極子と黒鉛結晶の表面が持つ誘導双極子との間に、電気双極子−誘起双極子の相互作用が働き、これによって、黒鉛結晶の表面にオクチル酸銅が物理吸着する。このようにオクチル酸銅は、前記した第３の性質を持つ。
オクチル酸銅は、組成式がＣ１７Ｈ１５ＣＯＯ−Ｃｕ−ＣＯＯ  Ｃ１７Ｈ１５で与えられるように、中央の銅イオンＣｕ２＋が、カルボキシル基ＣＯＯＨを構成する酸素イオンＯ−の２つと共有結合で結合する。銅イオンＣｕ２＋の共有結合半径は１１２ｐｍであり、カルボキシル基を構成する酸素イオンＯ−の共有結合半径は６３ｐｍであり、炭素原子の共有結合半径は７５ｐｍであり、酸素原子の共有結合半径は５７ｐｍである。このため、オクチル酸銅を構成するイオンないしは原子の中で、銅イオンとカルボキシル基を構成する酸素イオンとの距離が最大の距離になる。このため、オクチル酸銅を大気中で熱分解すると、最初に銅イオンと酸素イオンとの結合部が切れ、これによって銅が析出する。さらに、オクチル酸が飽和脂肪酸であり、かつ、分岐鎖構造からなるため飽和炭化水素の鎖の長さが短い。これによって、オクチル酸の沸点は２２８℃と有機酸の中で相対的に低い沸点を持つ。このため、オクチル酸銅はオクチル酸の沸点付近で熱分解が開始し、２８９℃で熱分解が終了し銅が析出する。このように、オクチル酸銅は、大気雰囲気で熱分解し、熱分解が終了する温度が２８９℃と低い。このため、安価な熱処理費用でオクチル酸銅が熱分解し銅が析出する。このようにオクチル酸銅は、前記した第４の性質を持つ。
なお、銅イオンが配位子を形成する物質との間で配位結合して、銅錯体ないしは銅錯塩を形成するカルボン酸銅は、熱分解によって銅を析出せず、酸化銅を析出する。つまり、カルボキシル基の酸素イオンＯ−が配位子を形成して銅イオンに近づいて配位結合し、銅錯体ないしは銅錯塩を形成する。このため、銅錯体ないしは銅錯塩における銅イオンと配位子である酸素イオンＯ−との距離は短い。従って、熱分解において最初に結合が切れる部位は、配位子である酸素イオンが銅イオンと配位結合する部位ではなく、配位子である酸素イオンが炭素原子と結合する部位になる。これによって、銅イオンと配位子である酸素イオンとが配位結合する部位は、熱分解が完了しても残り酸化銅が残渣物として残る。従って、銅錯体ないしは銅錯塩は銅を析出する原料にならない。このような銅錯体ないしは銅錯塩を形成するカルボン酸銅として、酢酸銅、安息香酸銅、カプリル酸銅などがある。
オクチル酸銅を熱分解することで析出した銅は、不純物を持たない活性状態にある。前記したように、オクチル酸銅は２２８℃のオクチル酸の沸点付近から熱分解が始まる。この際、オクチル酸銅は銅とオクチル酸とに分離する。銅は銅分子となって、液状物質であるオクチル酸に埋もれる。いっぽう、オクチル酸は蒸気となって気化するが、気化するためには気化熱が必要になり、２８９℃まで昇温するとオクチル酸の気化が完了する。オクチル酸の気化が完了すると、銅微粒子が析出する。このため、オクチル酸銅の熱分解で析出した銅微粒子は、不純物を持たない活性状態にある。なお、銅は、オクチル酸の沸点である２２８℃からオクチル酸の気化が完了する２８９℃までの間に、銅分子が集まって銅となり、更に銅が銅微粒子に成長し、２８９℃の温度で銅微粒子として析出する。
いっぽう、黒鉛結晶は、結晶子に相当する基底面の比抵抗は銅の比抵抗の２３倍に過ぎない。この理由は、黒鉛結晶の基底面が、伝導電子と正孔からなるキャリアを持つためである。つまり、基底面は、価電子バンドの一部の電子が伝導電子バンドに存在する確率を持ち、価電子バンドの底部に正孔が、伝導電子バンドの底部に伝導電子が存在する。このため、黒鉛結晶の表面に吸着したオクチル酸銅が熱分解し、黒鉛結晶の表面に銅微粒子が析出する際に、不純物を持たない活性状態にある銅微粒子は黒鉛結晶の表面と共有結合する。つまり、黒鉛結晶の表面に銅微粒子が析出する際に、銅が持つ自由電子の電子軌道が、基底面が持つ伝導電子の電子軌道と共有され、銅は基底面と共有結合して基底面の表面に銅微粒子として結合する。このようにオクチル酸銅は、前記した第５の性質を持つ。
【００２１】  本発明に係わるすり板を製造する第６特徴手段は、前記した第１特徴手段から第３特徴手段のいずれの特徴手段における炭素系材料は、鱗状黒鉛からなる天然黒鉛粒子であることを特徴とする点にある。
【発明の効果】
【００２２】  つまり、この特徴手段によれば、鱗状黒鉛は、黒鉛の結晶化が１００％進んだ黒鉛結晶からなる単結晶材料であるため、黒鉛結晶の層間結合の破壊によってもたらされる自己潤滑性が炭素系材料の中で最も効率よく作用し、鱗状黒鉛の集まりからすり板を構成することですり板の潤滑性が向上する。また、鱗状黒鉛は、豊富な地下資源として存在する天然黒鉛であるため、安価な炭素系材料である。従って、鱗状黒鉛を工業的に精製した天然黒鉛粒子は安価な工業材料である。この鱗状黒鉛からなる天然黒鉛粒子の集まりを用いて、前記したオクチル酸銅によって天然黒鉛粒子の表面に銅微粒子を結合して等電位面とし、この等電位面を有する天然黒鉛粒子を圧縮成形することで、摩耗が起こりにくく、電気ノイズが発生しにくい安価なすり板が製造できる。
なお、天然黒鉛の中ではα黒鉛と呼ばれる六方晶系の結晶構造をもつ天然黒鉛が、豊富な資源として存在する。さらに、α黒鉛は非晶質の土壌黒鉛と結晶化が１００％進んだ鱗状黒鉛とに分かれる。従って、炭素原子のみからなる炭素系材料の中で、鱗状黒鉛のみが黒鉛の結晶化が１００％進んだ単結晶材料であり、炭素系材料の中で最も潤滑性が高く、かつ、比抵抗が小さい。
【００２３】  本発明に係わるすり板を製造する第７特徴手段は、前記した第１特徴手段から第３特徴手段のいずれの特徴手段における炭素系材料は、アセチレンブラックからなるカーボンブラックであることを特徴とする点にある。
【発明の効果】
【００２４】  つまり、この特徴手段によれば、アセチレンブラックは、黒鉛の結晶化が相対的に進んだ球状微粒子からなるカーボンブラックであるため、黒鉛結晶の層間結合の破壊によってもたらされる自己潤滑性がカーボンブラックの中で最も効率よく作用し、アセチレンブラックの集まりからすり板を構成することですり板の潤滑性が向上する。さらに、比抵抗がカーボンブラックの中では、相対的に小さいため導電性に優れる。また、アセチレンガスを８００℃の温度に昇温された分解炉に供給すると炭素と水素とに解離する反応が始まるが、この分解反応において多量の反応熱が発生するため、その後は熱の供給が少なくても発熱反応によって２０００℃の反応温度が確保され、アセチレンガスの分解反応が進む。このため、アセチレンブラックは安価な工業製品である。このアセチレンブラックの集まりを用いて、前記したオクチル酸銅によってアセチレンブラックの表面に銅微粒子を結合して等電位面とし、この等電位面を有するアセチレンブラックを圧縮成形することで、摩耗が起こりにくく、電気ノイズが発生しにくい安価なすり板が製造できる。
【００２５】  本発明に係わるすり板を製造する第８特徴手段は、前記した第１特徴手段から第３特徴手段のいずれの特徴手段における炭素系材料は、メソフェーズピッチ系炭素繊維からなる炭素繊維であることを特徴とする点にある。
【発明の効果】
【００２６】  つまり、この特徴手段によれば、メソフェーズピッチ系炭素繊維は、多くの炭素原子が黒鉛結晶化され、この黒鉛結晶を繊維軸方向に配向させた炭素繊維であるため、黒鉛結晶の層間結合の破壊によってもたらされる自己潤滑性が炭素繊維の中では最も効率よく作用し、メソフェーズピッチ系炭素繊維の集まりからすり板を構成することですり板の潤滑性が向上する。さらに、比抵抗が炭素繊維の中では相対的に小さいため導電性に優れる。また、メソフェーズピッチ系炭素繊維は、ポリアクリロニトリルを原料とするＰＡＮ系炭素繊維に対し、コールタールピッチや石油ピッチなどのメソフェーズピッチを原料とするため、ＰＡＮ系炭素繊維に比べて安価である。従って、このメソフェーズピッチ系炭素繊維の集まりを用いて、前記したオクチル酸銅によってメソフェーズピッチ系炭素繊維の表面に銅微粒子を結合して等電位面とし、この等電位面を有するメソフェーズピッチ系炭素繊維を圧縮成形することで、摩耗が起こりにくく、電気ノイズが発生しにくい安価なすり板が製造できる。
【００２７】  本発明に係わる天然黒鉛粒子の集まりないしは炭素繊維の集まりからすり板を製造する製造方法は、第５特徴手段に記載したオクチル酸銅をメタノールに分散させて分散液を作成する第１の製造工程と、第６特徴手段に記載した鱗状黒鉛からなる天然黒鉛粒子の集まり、ないしは、第８特徴手段に記載したメソフェーズピッチ系炭素繊維からなる炭素繊維の集まりのいずれかを前記分散液に混合して懸濁液を作成する第２の製造工程と、前記懸濁液を容器に充填する第３の製造工程と、前記容器を大気雰囲気からなる熱処理炉に配置して前記メタノールを気化した後に前記オクチル酸銅を熱分解して、前記鱗状黒鉛からなる天然黒鉛粒子の表面に、ないしは、前記メソフェーズピッチ系炭素繊維からなる炭素繊維の表面に銅微粒子を結合させる第４の製造工程と、前記銅微粒子が表面に結合した鱗状黒鉛からなる天然黒鉛粒子の集まりを、ないしは、前記銅微粒子が表面に結合したメソフェーズピッチ系炭素繊維からなる炭素繊維の集まりを圧縮成形する第５の製造工程からなる５つの製造工程によって、前記鱗状黒鉛からなる天然黒鉛粒子の集まりないしは前記メソフェーズピッチ系炭素繊維の集まりからすり板を製造する製造方法である。
【発明の効果】
【００２８】  つまり、この特徴手段によれば、５つの製造工程によって、安価なすり板が製造できる。
予め、２０段落で記載した製造方法に基づいてオクチル酸銅を合成する。第１の製造工程は、オクチル酸銅をメタノールに分散するだけの工程である。第２の製造工程は、鱗状黒鉛からなる天然黒鉛粒子の集まりを、ないしはメソフェーズピッチ系炭素繊維からなる炭素繊維の集まりを、オクチル酸銅のメタノール分散液に対して予め決めた両者の重量比率で混合し、この混合液を撹拌するだけでの工程である。第３の製造工程は、懸濁液を容器に充填するだけの工程である。第４の製造工程は、容器を熱処理炉に所定時間配置するだけの工程である。こうして、容器には、銅微粒子が表面に結合した鱗状黒鉛からなる天然黒鉛粒子の集まり、ないしは、銅微粒子が表面に結合したメソフェーズピッチ系炭素繊維からなる炭素繊維の集まりが製造される。第５の製造工程は、容器から鱗状黒鉛からなる天然黒鉛粒子の集まり、ないしは、メソフェーズピッチ系炭素繊維からなる炭素繊維の集まりを取り出し、所定の形状を有する複数の金型に充填し、油圧プレス機を用いて、充填された鱗状黒鉛からなる天然黒鉛粒子の集まり、ないしは、メソフェーズピッチ系炭素繊維からなる炭素繊維の集まりに所定の圧縮荷重を加えるだけで、多量のすり板が製造できる。こうして、多量のすり板が安価に製造できる。
【００２９】  本発明に係わるカーボンブラックの集まりからなるすり板を製造する製造方法は、第５特徴手段におけるオクチル酸銅をメタノールに分散させて分散液を作成する第１の製造工程と、第７特徴手段におけるアセチレンブラックからなるカーボンブラックの集まりに前記オクチル酸銅のメタノール分散液を真空含浸する第２の製造工程と、前記真空含浸の処理を行なったアセチレンブラックからなるカーボンブラックの集まりを容器に充填する第３の製造工程と、前記容器を大気雰囲気の熱処理炉に配置して前記メタノールを気化した後に前記オクチル酸銅を熱分解して前記アセチレンブラックからなるカーボンブラックの表面に銅微粒子を結合させる第４の製造工程と、前記銅微粒子が表面に結合したアセチレンブラックからなるカーボンブラックの集まりを圧縮成形する第５の製造工程からなる５つの製造工程によって、前記アセチレンブラックの集まりからなるすり板を製造する製造方法である。
【発明の効果】
【００３０】  つまり、この特徴手段によれば、５つの製造工程によって、安価なすり板が製造できる。
予め、２０段落に記載した製造方法に基づいてオクチル酸銅を合成する。第１の製造工程は、オクチル酸銅をメタノールに分散するだけの工程である。第２の製造工程は、アセチレンブラックの集まりに、予め決めた分散度を有するオクチル酸銅のメタノール分散液を真空含浸するだけでの工程である。第３の製造工程は、真空含浸の処理を行なったアセチレンブラックの集まりを、容器に充填するだけの工程である。第４の製造工程は、容器を大気雰囲気の熱処理炉に所定時間配置するだけの工程である。こうして、容器には、銅微粒子が表面に形成されたアセチレンブラックの集まりが製造される。第５の製造工程は、容器からアセチレンブラックの集まりを取り出し、所定の形状を有する複数の金型に充填し、油圧プレス機を用いて、充填されたアセチレンブラックの集まりに所定の圧縮荷重を加えるだけで、多量のすり板が製造できる。こうして、多量のすり板が安価に製造できる。
【図面の簡単な説明】
【００３１】
【図１】鱗片状黒鉛粒子を用いてすり板を製造する製造工程を示す説明図である。
【図２】アセチレンブラックを用いてすり板を製造する製造工程を示す説明図である。
【図３】ピッチ系炭素繊維を用いてすり板を製造する製造工程を示す説明図である。
【本発明を実施するための形態】
【すり板を製造する第１実施形態】
【００３２】  本発明に係わる炭素系材料からなるすり板を製造する第１実施形態は、鱗状黒鉛を工業的に精製した鱗片状黒鉛粒子を用いてすり板を製造する実施形態である。
図１に、鱗片状黒鉛粒子からなるすり板を製造する製造工程を示す。鱗状黒鉛を工業的に精製した黒鉛粒子として鱗片状黒鉛粒子の集まりを用意する（Ｓ１０工程）。また、銅微粒子の原料として、オクチル酸銅を２０段落に記載した製造方法に基づいて合成する（Ｓ１１工程）。次に、オクチル酸銅をメタノールに分散させて分散液を作成する（Ｓ１２工程）。さらに、オクチル酸銅のメタノール分散液に鱗片状黒鉛粒子の集まりを混合し、この混合液をマグネチックスターラーによって撹拌し、鱗片状黒鉛粒子がメタノール分散液に懸濁化された懸濁液を作成する（Ｓ１３工程）。この懸濁液を容器に充填し、容器を大気雰囲気からなる熱処理炉に投入する（Ｓ１４工程）。熱処理炉は、７０℃の低温焼成室と２９０℃の高温焼成室とから構成される。容器は低温焼成室に１分間入り、容器からメタノールが気化し、気化したメタノールを回収装置によって回収する（Ｓ１５工程）。これによって、鱗片状黒鉛粒子の全ての表面にオクチル酸銅が吸着する。次に、容器は高温焼成室に３０秒間入り、鱗片状黒鉛粒子の表面に吸着したオクチル酸銅が熱分解し、全ての鱗片状黒鉛粒子の全表面に満遍なく銅微粒子が結合する（Ｓ１６工程）。こうして、全ての鱗片状黒鉛粒子の表面は、銅微粒子によって等電位面が形成される。次に、この鱗片状黒鉛粒子の集まりを、すり板の形状を反映した形状からなる金型に充填し、油圧プレス機で圧縮成形し、すり板を製造する（Ｓ１７工程）。
【すり板を製造する第２実施形態】
【００３３】  本発明に係わるすり板を製造する第２実施形態は、アセチレンブラックを用いてすり板を製造する実施形態である。
図２に、アセチレンブラックからなるすり板を製造する製造工程を示す。最初に、アセチレンガスを分解炉で炭素と水素に解離させて生成した粉状のアセチレンブラックの集まりを用意する（Ｓ２０工程）。また、銅微粒子の原料として、オクチル酸銅を２０段落に記載した製造方法に基づいて合成する（Ｓ２１工程）。次に、オクチル酸銅をメタノールに分散させて分散液を作成する（Ｓ２２工程）。さらに、オクチル酸銅のメタノール分散液とアセチレンブラックの集まりを真空含浸装置に入れる（Ｓ２３工程）。最初に、真空含浸装置の真空度を高め、アセチレンブラックの球状粒子が繋がってストラクチャーで形成される空間に存在する大気を排出する。この後、真空含浸装置内にあるオクチル酸銅のメタノール分散液が入った液槽にアセチレンブラックの集まりを浸漬し、アセチレンブラックのストラクチャーが形成される空間にメタノール分散液を充填する（Ｓ２４工程）。さらに、真空含浸装置の弁を解除して大気圧に戻し、アセチレンブラックの集まりを取り出す。このアセチレンブラックの集まりを容器に充填し、容器を大気雰囲気からなる熱処理炉に投入する（Ｓ２５工程）。熱処理炉は、７０℃の低温焼成室と２９０℃の高温焼成室とから構成される。最初に、低温焼成室に１分間入った容器からメタノールが気化し、気化したメタノールを回収装置によって回収する（Ｓ２６工程）。これによって、アセチレンブラックを構成する球状粒子の全ての表面にオクチル酸銅が吸着する。次に、容器が高温焼成室に３０秒間入り、アセチレンブラックを構成する球状粒子の表面に吸着したオクチル酸銅が熱分解し、全ての球状粒子の表面に満遍なく銅微粒子が結合する（Ｓ２７工程）。こうして、アセチレンブラックを構成する球状粒子の表面は、銅微粒子によって等電位面が形成される。次に、この等電位面が形成されたアセチレンブラックの集まりを、すり板の形状を反映した形状からなる金型に充填し、油圧プレス機で圧縮成形し、すり板を製造する（Ｓ２８工程）。
【すり板を製造する第３実施形態】
【００３４】  本発明に係わるすり板を製造する第３実施形態は、メソフェーズピッチ系炭素繊維を用いてすり板を製造する実施形態である。なお、ピッチ系炭素繊維は、等方性ピッチを用いて炭素繊維を製造する等方性ピッチ系炭素繊維と、メソフェーズピッチを用いて炭素繊維を製造するメソフェーズピッチ系炭素繊維とに分かれる。等方性ピッチ系炭素繊維は高温での熱処理による黒鉛化を行なっても黒鉛結晶が成長しにくいのに対し、メソフェーズピッチ系炭素繊維は容易に黒鉛結晶の成長が進む。黒鉛結晶に基づく潤滑性と導電性とから、ピッチ系炭素繊維としてメソフェーズピッチ系炭素繊維を用いる。
図３にメソフェーズピッチ系炭素繊維からなるすり板を製造する製造工程を示す。最初に、炭素繊維としてメソフェーズピッチ系炭素繊維の集まりを用意する（Ｓ３０工程）。また、銅微粒子の原料として、オクチル酸銅を２０段落に記載した製造方法に基づいて合成する（Ｓ３１工程）。次に、オクチル酸銅をメタノールに分散させて分散液を作成する（Ｓ３２工程）。さらに、オクチル酸銅のメタノール分散液にメソフェーズピッチ系炭素繊維の集まりを混合し、この混合液をマグネチックスターラーによって撹拌し、メソフェーズピッチ系炭素繊維がメタノール分散液に懸濁化された懸濁液を作成する（Ｓ３３工程）。この懸濁液を容器に充填し、容器を大気雰囲気からなる熱処理炉に投入する（Ｓ３４工程）。熱処理炉は７０℃の低温焼成室と２９０℃の高温焼成室とから構成される。低温焼成室に１分間入った容器からメタノールが気化し、気化したメタノールを回収装置によって回収する（Ｓ３５工程）。これによって、全てのメソフェーズピッチ系炭素繊維の表面にオクチル酸銅が吸着する。次に、容器が高温焼成室に３０秒間入り、メソフェーズピッチ系炭素繊維の表面に吸着したオクチル酸銅が熱分解し、全てのメソフェーズピッチ系炭素繊維の表面に満遍なく銅微粒子が結合する（Ｓ３６工程）。こうして、全てのメソフェーズピッチ系炭素繊維の表面は、銅微粒子によって等電位面が形成される。次に、この等電位面が形成されたメソフェーズピッチ系炭素繊維の集まりを、すり板の形状を反映した形状からなる金型に充填し、油圧プレス機で圧縮成形し、すり板を製造する（Ｓ３７工程）。
【オクチル酸銅を製造する実施例】
【００３５】  本発明に係わる銅微粒子を析出する原料となるオクチル酸銅は、２０段落に説明した製造方法によって新たに合成した。２０段落で説明した製造方法に基づいて、オクチル酸銅を製造する実施例を説明する。
原料となるオクチル酸（協和発酵ケミカル株式社の製品）と水酸化ナトリウム（試薬１級品）を蒸留水に溶かした水酸化ナトリウム水溶液を用意した。水酸化ナトリウムとオクチル酸とがモル比で１対１の割合になるように、オクチル酸と水酸化ナトリウムの水溶液を混合し、混合液を９０℃まで昇温して反応させた。この後、１０℃まで温度を下げてオクチル酸ナトリウムの結晶を生成した。生成したオクチル酸ナトリウムの結晶を、水洗した後に乾燥してオクチル酸ナトリウムを得た。次に、オクチル酸ナトリウムが２モルに対し、硫酸銅（ＩＩ）（試薬１級品）が１モルの割合になるように混合し、この混合物を９０℃の蒸留水に投入して反応させた。この後、１０℃まで温度を下げてオクチル酸銅の結晶を生成した。さらに、多量の水でオクチル酸銅の結晶を水洗した後に乾燥し、オクチル酸銅を得た。
【すり板を製造する実施例１】
【００３６】  炭素系材料として鱗片状黒鉛粒子を用いてすり板を製造する実施形態は、３２段落のすり板を製造する第１実施形態で説明した。３２段落で説明した製造方法に基づいて、鱗片状黒鉛粒子を用いてすり板を製造する実施例を説明する。
鱗状黒鉛を工業的に精製した黒鉛粒子である鱗片状黒鉛粒子の集まり（日本黒鉛株式会社のＣＢ黒鉛）を用意した。また、銅微粒子の原料として、オクチル酸銅を３５段落に記載した製造方法に基づいて合成した。次に、オクチル酸銅の重量がメタノールの重量に対して９重量％の割合になるように、オクチル酸銅をメタノールに分散させた。さらに、オクチル酸銅と黒鉛粒子との重量比率が１対１になるように、オクチル酸銅のメタノール分散液に鱗片状黒鉛粒子の集まりを混合し、この混合液をマグネチックスターラーによって撹拌し、鱗片状黒鉛粒子がメタノール分散液に懸濁化された懸濁液を作成した。この懸濁液を容器に充填し、容器を大気雰囲気からなる熱処理炉に投入した。熱処理炉は、７０℃の低温焼成室と２９０℃の高温焼成室とから構成される。低温焼成室に１分間入った容器からメタノールが気化し、気化したメタノールを回収装置によって回収した。これによって、全ての鱗片状黒鉛粒子の表面にオクチル酸銅が吸着する。次に、容器は高温焼成室に３０秒間入り、鱗片状黒鉛粒子の表面に吸着したオクチル酸銅が熱分解し、銅微粒子が鱗片状黒鉛粒子の表面に結合する。この結果、４０ｎｍ〜５０ｎｍの大きさからなる銅微粒子が、３層構造として鱗片状黒鉛粒子の表面に結合した。この鱗片状黒鉛粒子の集まりを容器から取りだし、すり板の形状を反映した細長い直方体の形状からなる金型に充填し、油圧プレス機で４．５トン／ｃｍ２の圧縮荷重を加えて圧縮成形し、すり板を製造した。このような製造条件で製造したすり板は、１３０ＭＰａの曲げ強度を有し、５ｋＪ／ｍ２の衝撃強度を有した。
【すり板を製造する実施例２】
【００３７】  炭素系材料としてアセチレンブラックを用いてすり板を製造する実施形態は、３３段落のすり板を製造する第２実施形態で説明した。３３段落で説明した製造方法に基づいて、アセチレンブラックを用いてすり板を製造する実施例を説明する。
アセチレンガスを分解炉で炭素と水素に解離させて生成した平均粒径が３５μｍの粉状のアセチレンブラックの集まり（電気化学工業株式会社の製品）を用意した。また、銅微粒子の原料として、オクチル酸銅を２０段落に記載した製造方法に基づいて合成した。次に、オクチル酸銅の重量がメタノールの重量に対して９重量％の割合になるように、オクチル酸銅をメタノールに分散させた。さらに、オクチル酸銅とアセチレンブラックとの重量比率が１対１になるように、オクチル酸銅のメタノール分散液とアセチレンブラックの集まりを真空含浸装置に入れた。最初に、装置内の真空度を１５０ｍｍＨｇまで高め、アセチレンブラックの球状粒子が繋がってストラクチャーで形成される空間に存在する大気を排出させた。この後、装置内にあるオクチル酸銅のメタノール分散液が入った液槽にアセチレンブラックの集まりを浸漬し、ストラクチャーが形成される空間にメタノール分散液を充填させた。さらに、真空含浸装置の弁を解除して大気圧に戻し、アセチレンブラックの集まりを取り出した。このアセチレンブラックの集まりを容器に充填し、容器を大気雰囲気からなる熱処理炉に投入した。熱処理炉は、７０℃の低温焼成室と２９０℃の高温焼成室とから構成される。最初に、低温焼成室に１分間入った容器からメタノールが気化し、気化したメタノールを回収装置によって回収した。これによって、アセチレンブラックを構成する球状粒子の表面にオクチル酸銅が吸着する。次に、容器が高温焼成室に３０秒間入り、アセチレンブラックを構成する球状粒子の表面に吸着したオクチル酸銅が熱分解し、球状粒子の表面に銅微粒子が結合する。こうして、４０ｎｍ〜５０ｎｍの大きさからなる銅微粒子が、３層構造として鱗片状黒鉛粒子の表面に結合した。この等電位面が形成されたアセチレンブラックの集まりを、すり板の形状を反映した細長い直方体の形状からなる金型に充填し、油圧プレス機で４トン／ｃｍ２の圧縮荷重を加えて圧縮成形し、すり板を製造した。このような製造条件で製造したすり板は、１３０ＭＰａの曲げ強度を有し、５ｋＪ／ｍ２の衝撃強度を有した。
【すり板を製造する実施例３】
【００３８】  炭素系材料としてメソフェーズピッチ系炭素繊維を用いてすり板を製造する実施形態は、３４段落のすり板を製造する第３実施形態で説明した。３４段落で説明した製造方法に基づいて、メソフェーズピッチ系炭素繊維を用いてすり板を製造する実施例を説明する。
繊維径が１１μｍで繊維長が６ｍｍからなるメソフェーズピッチ系炭素繊維の集まり（三菱樹脂株式会社のメソフェーズピッチ系炭素繊維、Ｋ２２３ＨＥ）を用意した。また、銅微粒子の原料として、オクチル酸銅を３５段落に記載した製造方法に基づいて製造した。次に、オクチル酸銅の重量がメタノールの重量に対して９重量％の割合になるように、オクチル酸銅をメタノールに分散させた分散液を作成した。さらに、オクチル酸銅とメソフェーズビッチ系炭素繊維との重量比率が１対１になるように、オクチル酸銅のメタノール分散液にメソフェーズピッチ系炭素繊維の集まりを混合し、この混合液をマグネチックスターラーによって撹拌し、メソフェーズピッチ系炭素繊維がメタノール分散液に懸濁化された懸濁液を作成した。この懸濁液を容器に充填し、容器を大気雰囲気からなる熱処理炉に投入した。熱処理炉は、７０℃の低温焼成室と２９０℃の高温焼成室とから構成される。低温焼成室に１分間入った容器からメタノールが気化し、気化したメタノールを回収装置によって回収した。これによって、全てのメソフェーズピッチ系炭素繊維の表面にオクチル酸銅が吸着する。次に、容器は高温焼成室に３０秒間入り、メソフェーズピッチ系炭素繊維の表面に吸着したオクチル酸銅が熱分解し、銅微粒子が鱗片状黒鉛粒子の表面に結合する。この結果、４０ｎｍ〜５０ｎｍの大きさからなる銅微粒子が、４層構造としてメソフェーズピッチ系炭素繊維の表面に結合した。この鱗片状黒鉛粒子の集まりを容器から取りだし、すり板の形状を反映した細長い直方体の形状からなる金型に充填し、油圧プレス機で５トン／ｃｍ２の圧縮荷重を加えて圧縮成形し、すり板を製造した。このような製造条件で製造したすり板は、１５０ＭＰａの曲げ強度を有し、７ｋＪ／ｍ２の衝撃強度を有した。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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