(57)【要約】【課題】炭素繊維の接触面積を大きくして、熱伝導性を向上させるようにした炭素繊維含有シートを提供することを目的とする。【解決手段】廃材などの炭素繊維としてＰＡＮ系の炭素繊維を気流粉砕で互いに衝突させて粉砕させ、繊維長が２０μｍ乃至１００μｍ、繊維径が５乃至１５μｍの第一繊維要素３と、繊維長が２０μｍ以下で繊維径が２００ｎｍの第二繊維要素４を含むようにする。そして、この第一繊維要素２０乃至３０重量部に対して第二繊維要素１重量部含むようにＰＶＣに含有させ、ミキサー６１で回転撹拌させ、各繊維要素を配向させる。そして、ミキシングロール６２で均等化させた後、カレンダーロール６３でシート状にしていく。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
バインダーとなる合成樹脂と、
当該合成樹脂に含有される炭素繊維とを備えてなる炭素繊維含有シートにおいて、
前記炭素繊維を
第一の径を有する第一繊維要素と
当該第一径よりも小さな径を有する第二繊維要素と、を備え、
当該第一繊維要素と第二繊維要素を略同じ方向に揃えて配列させるようにしたことを特徴とする炭素繊維含有シート。
【請求項２】
前記第一繊維要素と第二繊維要素の繊維径の比が５０：１乃至１００：１である請求項１に記載の炭素繊維含有シート。
【請求項３】
前記第一繊維要素の繊維長が、２０μｍ乃至１００μｍであり、第二繊維要素の繊維長が第一繊維要素よりも短く構成されている請求項１に記載の炭素繊維含有シート。
【請求項４】
前記第一繊維要素に対して第二繊維要素を３乃至５重量部の割合で混入させるようにした請求項１に記載の炭素繊維含有シート。
【請求項５】
バインダーとなる合成樹脂と、
当該合成樹脂に含有される炭素繊維とを備えてなる炭素繊維含有シートの製造方法において、
ＰＡＮ径の炭素繊維を気流粉砕させて、第一の径を有する第一繊維要素と、当該第一径よりも小さな径を有する第二繊維要素とを生成する工程と、
当該第一繊維要素と第二繊維要素を加熱させた合成樹脂に混入させ、回転攪拌させてカレンダーロールに通すことにより、第一繊維要素と第二繊維要素を略同じ方向に揃えて配列させる工程と、
を備えたことを特徴とする炭素繊維含有シートの製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、炭素繊維を含有させるようにした炭素繊維含有シートに関するものであり、より詳しくは、熱伝導性などを高めるようにした炭素繊維含有シートに関するものである。
【背景技術】
【０００２】
従来より、炭素繊維を含む炭素繊維含有シートなどとして、天然黒鉛を圧延してシート状にしたマルチ炭素繊維含有シートや、ポリイミド等のプラスチックフィルムを真空または不活性雰囲気中で焼成したマルチ炭素繊維含有シートなどが提案されている。このようなマルチ炭素繊維含有シートを用いれば、例えば、農業用地における畦の近くにパイプ状の加熱部を設け、そこからの熱を炭素繊維を介して地面に伝達させることができるため、作物の育成を促進させることができるようになる（特許文献１）。
【０００３】
ところで、このような炭素繊維を含有する炭素繊維含有シートを製造する場合、従来では、炭素繊維をミルカッターで細かく粉砕させるとともに、その粉砕物を合成樹脂に混入させてマルチ炭素繊維含有シートを製造する方法なども用いられている。このような方法によれば、廃材である炭素繊維を粉砕させて使用することができるため、コストを下げて製造することができるというメリットがある。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２０１１−１９３８５９号公報
【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、このようなミルカッターなどで炭素繊維を粉砕して炭素繊維含有シートを製造する場合、次のような問題がある。
【０００６】
すなわち、このような炭素繊維をミルカッターなどで粉砕させる場合、カッターで強制的に繊維を切断されるため、繊維径がほぼ均一の状態で粉砕されることになる。
【０００７】
しかるに、このように繊維径が均一な状態で切断されると、各繊維同士の接触面積が小さくなり、熱伝導性が悪くなってしまう。また、繊維状に粉砕させて合成樹脂に混入させる場合、各繊維の方向が不均一な状態であると、各繊維の接触部分が点接触になってしまうために、伝導性が悪くなる。
【０００８】
また、全ての炭素繊維を径が小さくなるまで粉砕させると、粉砕に時間がかかるばかりでなく、粒子状に粉砕されてしまうために、炭素繊維が点接触になって熱伝導性が悪くなってしまうといった問題もある。
【０００９】
そこで、本発明は上記課題に着目したもので、炭素繊維の接触面積を大きくして、熱伝導性を向上させるようにした炭素繊維含有シートを提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
すなわち、本発明は上記課題を解決するために、バインダーとなる合成樹脂と、当該合成樹脂に含有される炭素繊維とを備えてなる炭素繊維含有シートにおいて、前記炭素繊維を、第一の径を有する第一繊維要素と、当該第一径よりも小さな径を有する第二繊維要素とを備えて構成し、当該第一繊維要素と第二繊維要素を略同じ方向に揃えて配列させるようにしたものである。
【００１１】
このように構成すれば、同じ方向に配列された太い炭素繊維の間に細い炭素繊維を混入させることができるため、各炭素繊維の接触面積を大きくして熱伝導性を確保することができるようになる。なお、ここで略同じ方向に揃えて配列させる場合、好ましくは、７０％以上の炭素繊維を、約３０度以内の角度で方向を揃えるようにする。
【００１２】
また、このような発明において、前記第一繊維要素と第二繊維要素の繊維径の比を、５０：１乃至１００：１とする。
【００１３】
このようにすれば、太い径の第一繊維要素で炭素繊維含有シートの強度を保つことができるとともに、細い径の第二繊維要素との接触面積を大きくして熱伝導性の精度を高めることができるようになる。
【００１４】
さらに、前記第一繊維要素の繊維長を、２０μｍ乃至１００μｍとし、第二繊維要素の繊維長を第一繊維要素よりも短く構成する。
【００１５】
このようにすれば、炭素繊維含有シートの柔らかさと、熱伝導性の精度を高めることができるようになる。
【００１６】
また、前記第一繊維要素に対して第二繊維要素を３乃至５重量部の割合で混入させるようにする。
【００１７】
このように構成すれば、太い第一繊維要素の隙間に第二繊維要素を入り込ませて、接触面積を大きくすることができるようになる。
【００１８】
また、このような炭素繊維含有シートを製造する場合、ＰＡＮ系の炭素繊維を気流粉砕させて、第一の径を有する第一繊維要素と、当該第一径よりも小さな径を有する第二繊維要素とを生成する工程と、当該第一繊維要素と第二繊維要素を加熱させた合成樹脂に混入させ、回転攪拌させてカレンダーロールに通すことにより、第一繊維要素と第二繊維要素を略同じ方向に揃えて配列させる工程とを備えて製造する。
【００１９】
このようにすれば、気流粉砕によって、ＰＡＮ系の炭素繊維を互いに衝突させて粉砕させることができるため、他の粉砕方法に比べて異径の繊維要素に粉砕させることができるようになる。また、このように粉砕させた後、回転撹拌させてカレンダーロールを通すため、上流から下流に向けて繊維の方向が揃い、炭素繊維に配向性を持たせることができるようになる。
【発明の効果】
【００２０】
本発明によれば、バインダーとなる合成樹脂と、当該合成樹脂に含有される炭素繊維とを備えてなる炭素繊維含有シートにおいて、前記炭素繊維を、第一の径を有する第一繊維要素と、当該第一径よりも小さな径を有する第二繊維要素とを備えて構成し、当該第一繊維要素と第二繊維要素を略同じ方向に揃えて配列させるようにしたので、同じ方向に配列された太い炭素繊維の間に細い炭素繊維を混入させることができるため、各炭素繊維の接触面積を大きくして熱伝導性を確保することができるようになる。
【図面の簡単な説明】
【００２１】
【図１】本発明の一実施の形態を示す炭素繊維含有シートの断面図
【図２】ピッチ系とＰＡＮ系の断面を示す図
【図３】同形態における粉砕機を示す図
【図４】同形態のインペラを示す図
【図５】同形態における製造工程を示す図
【図６】本発明と他製品の熱伝導状態を示す比較例
【発明を実施するための最良の形態】
【００２２】
以下、本発明の一実施の形態について図面を参照しながら説明する。
【００２３】
この実施の形態における炭素繊維含有シート１は、例えば、農業用の炭素繊維含有シート１などとして用いられるものであって、バインダーとなる合成樹脂に炭素繊維を含有させる際、その炭素繊維を、第一の径を有する第一繊維要素３と、当該第一径よりも小さな径を有する第二繊維要素４とを含有するようにし、その際、第一繊維要素３に対して第二繊維要素４を３乃至５重量部の割合で混入させるようにしたものである。以下、本実施の形態における炭素繊維含有シート１について詳細に説明する。
【００２４】
まず、バインダーとなる合成樹脂は、シート本体２のベースとなるものであって、ポリ塩化ビニル（ＰＶＣ）、ポリエチレン（ＰＥ）、ポリプロピレン（ＰＰ）、ポリスチレン（ＰＳ）、アクリルニトリル・ブタジエン・スチレン（ＡＢＳ）、ポリカーボネート（ＰＣ）、ポリアミド樹脂（ＰＡ）、メタクリル樹脂（ＰＭＭＡ）、ポリエチレンテレフタレート（ＰＥＴ）、ポリオレフィン（ＰＯ）、エチレン酢酸ビニル（ＥＶＡ）などを用いることができる。このうち、ポリ塩化ビニルは、コストも安く、柔軟性があり、保温力に優れるため、農業用の保温資材として好適に使用することができる。このようなポリ塩化ビニルを農業用の保温資材として用いる場合、土を被せても破れにくく、また、土の押圧に馴染む柔軟性を有している必要がある。また、本実施の形態では、炭素繊維を一方向に配列させる必要がある。そこで、この実施の形態では、平均重合度として７００乃至９００（好ましくは、７５０乃至８５０）の重合度のポリ塩化ビニルを用いるようにしている。
【００２５】
この合成樹脂に含有される炭素繊維は、炭素繊維含有シート１のシート本体２に強度を持たせるとともに、一方向に沿った熱伝導性を持たせるようにしたものであって、この実施の形態では、ＰＡＮ系の炭素繊維を気流粉砕させた炭素繊維を用いる。ここで、ＰＡＮ系以外にピッチ系の炭素繊維を用いることもできるが、このようなピッチ系の炭素繊維は、細い繊維の集合体であるため（図２参照）、これを粉砕させた場合、各繊維がバラバラになって均一な径の繊維要素に分解されてしまう。これに対して、ＰＡＮ系炭素繊維（図２下図参照）を粉砕させた場合、不均一な繊維径の繊維要素に粉砕させることができるため、この実施の形態では、ＰＡＮ系炭素繊維を用いるようにする。
【００２６】
この炭素繊維を粉砕する気流粉砕機５は、図３に示すように、ホッパー５１から投入された炭素繊維を、一対の回転可能なインペラ５２ａ、５２ｂを有する粉砕室５２に導き、そこでインペラ５２ａ、５２ｂに沿って逆方向に旋回させて互いに衝突させるようにしたものである。このインペラ５２ａ、５２ｂは、モーターによって、同じ方向に回転するように設けられており、図４に示すように、その回転軸の周りに粉砕対象物を回転させるとともに、そのインペラ５２ａ、５２ｂの外周突起５３ｃに沿っても回転させるようになっている。そして、前後一対のインペラ５２ａ、５２ｂや外周突起５３ｃによって互いに逆方向に回転させ、粉砕対象物である炭素繊維を互いに衝突させるようになっている。このとき、粉砕される炭素繊維は、最初は大きな状態で互いに衝突して、径の太い繊維要素に粉砕され、また、繊維長も比較的長い状態に粉砕される。そして、そこから更に粉砕させていくと、繊維径が細くなるように粉砕され、また、繊維長も短くなるように粉砕されて、最後には粒子状に粉砕される。このように炭素繊維を粉砕させる際、４０００乃至９０００ｒｐｍの回転数で３０分乃至６０分程度インペラ５２ａ、５２ｂを回転させて粉砕させるようにする。このとき、回転数が高すぎると、互いの炭素繊維の衝突力が強くなりすぎて、粒子状になってしまう。一方、回転数が低く過ぎると、細かく粉砕させることができない。そこで、この実施の形態では、第一繊維要素３の繊維系が５乃至１５μｍ、繊維長が２０乃至１００μｍ、第二繊維要素４の繊維径が１００乃至５００ｎｍ、繊維長が２０μｍ以下となるように粉砕させ、しかも、第一繊維要素３と第二繊維要素４の重量部の比率が、３０：１から２０：１程度の割合となるように粉砕させる。この際、粒子状に粉砕された繊維要素も含まれていても良い。
【００２７】
次に、このような炭素繊維を含む炭素繊維含有シート１の製造方法について、図５を参照して説明する。
【００２８】
まず、前述の合成樹脂に可塑剤、熱安定剤、第一繊維要素３、第二繊維要素４を含ませた原料を用意する。この原料の配合量としては、合成樹脂であるポリ塩化ビニル１００重量部に対して、可塑剤を５０重量部、熱安定剤を３重量部、第一繊維要素３を２０乃至３０重量部、第二繊維要素４を１重量部の割合で配合する。
【００２９】
この可塑剤としては、熱可塑性合成樹脂に柔軟性や耐候性を加えるようにしたものであって、フタル酸エステルであるフタル酸ジオクチル（ＤＯＰ）、フタル酸ジイソノニル（ＤＩＮＰ）、フタル酸ジイソデシル（ＤＩＤＰ）、フタル酸ジブチル（ＤＢＰ）、アジピン酸エステルであるアジピン酸ジオクチル（ＤＯＡ）、アジピン酸ジイソノニル（ＤＩＮＡ）、トリメリット酸エステルであるトリメリット酸トリオオクチル（ＴＯＴＭ）、ポリエステル、リン酸エステル、クエン酸エステル、エポキシ化植物油、セバシン酸エステル、アゼライン酸エステル、マレイン酸エステル、安息香酸エステルなどを用いる。
【００３０】
また、熱安定剤としては、熱によるシートの劣化を防止するものとして、高級脂肪酸の亜鉛塩、バリウム塩、亜鉛塩とカルシウム塩の組み合わせ、有機すずマレエートや有機すずメルカプトなどのすず系を用いる。このとき、炭素繊維の繊維要素の配向性を損なわない粘性の少ない安定剤を好適に使用する。
【００３１】
また、第一繊維要素３としては、繊維長が２０乃至１００μｍで、繊維径が５乃至１５μｍ程度の第一繊維要素３を用い、２０乃至３０重量部の範囲で含有させる。このとき、炭素繊維含有シート１を柔らかくする場合は、２０重量部とし、硬めにする場合や３０重量部とする。
【００３２】
一方、第二繊維要素４として、繊維長が２０μｍ以下で、繊維径が２００ｎｍ程度の第二繊維要素４を用い、１重量部程度の範囲で配合させる。
【００３３】
そして、このような原料をミキサー６１に投入し、８０乃至９０℃の加熱状態で１０００ｒｐｍ乃至１５００ｒｐｍで回転撹拌させる（図５参照）。すると、この回転撹拌によって、各材料が混ざり合うとともに、第一繊維要素３が分散された状態で各繊維要素が回転方向に沿って配向するようになる。
【００３４】
そして、このように撹拌させた原料を、１７０乃至１９０℃に加熱した一対のミキシングロール６２にて混練を行い、各材料を均等にする。このとき、繊維要素はミキシングロール６２の軸方向に揃うようになる。
【００３５】
次に、このような混練によって均等化した原料を、６本のカレンダーロール６３にてシート状に成形していく。この成形時の加工温度は、１７０乃至１９０℃で、カレンダーロール６３のクリアランスは、最終部分で０．２５ｍｍ程度となるようにしておく。このとき、ミキサー６１やミキシングロール６２によって繊維要素を配向させた状態になっており、また、クリアランスの小さな隙間で流速が速くなるため、図１に示すように、炭素繊維含有シート１の長手方向に沿って第一繊維要素３や第二繊維要素４が分散された状態で配向するようになる。
【００３６】
このように製造された炭素繊維含有シート１に熱を加えた際の熱伝導性について、図６を用いて比較する。
【００３７】
図６においては、ＰＶＣ１００重量部、可塑剤５０重量部、熱安定剤２．５重量部、第一繊維要素２５重量部、第二繊維要素１重量部の材料で生成された製品Ｄと、これらの繊維要素に替えてピッチ系炭素繊維を２５重量部含ませた製品Ｃと、粒子状のカーボン顔料２０重量部含ませた製品Ｂと、ＰＶＣだけの製品Ａとを比較したもので、下方に設けられた６０℃の電気ヒーターからの熱伝導状態を示したものである。図６から分かるように、ＰＶＣだけの製品Ａでは、ほぼ熱が下から伝導してこない。これに対して、製品Ｂから製品Ｄに向かうに従って、徐々に熱が下から上に向かって伝達していることが分かる。
【００３８】
このように、上記実施の形態によれば、バインダーとなる合成樹脂と、当該合成樹脂に含有される炭素繊維とを備えてなる炭素繊維含有シート１において、前記炭素繊維を、第一の径を有する第一繊維要素３と、当該第一径よりも小さな径を有する第二繊維要素４とを備えて構成し、当該第一繊維要素３と第二繊維要素４を略同じ方向に揃えて配列させるようにしたので、同じ方向に配列された太い炭素繊維の間に細い炭素繊維を混入させることができるため、各炭素繊維の接触面積を大きくして熱伝導性を確保することができるようになる。
【００３９】
なお、本発明は上記実施の形態に限定されることなく、種々の態様で実施することができる。
【００４０】
例えば、上記実施の形態では、炭素繊維としてＰＡＮ系の炭素繊維を用いるようにしたが、ピッチ系の炭素繊維で径の異なる繊維要素を混合させることができる場合は、ピッチ系の炭素繊維を用いるようにしてもよい。あるいは、ピッチ系とＰＡＮ系の混合を用いるようにしてもよい。
【００４１】
また、上記実施の形態では、農業用の保温シートに用いる場合を例に挙げて説明したが、これ以外の用途に用いるようにしてもよい。
【００４２】
さらに、上記実施の形態では、同じ方向に配列された炭素繊維含有シート１を例に挙げて説明したが、これを直交方向に積層させて、異なる方向にも熱伝導性を確保できるようにしてもよい。
【符号の説明】
【００４３】
１・・・炭素繊維含有シート
２・・・シート本体
３・・・第一繊維要素
４・・・第二繊維要素
５・・・粉砕器
５１・・・ホッパー
５２・・・粉砕室
６１・・・ミキサー
６２・・・ミキシングロール
６３・・・カレンダーロール
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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