(57)【要約】抄紙機に使用される平面エレメントであって、ナノ粒子をポリマ樹脂マトリクスに混ぜ込んでいる合成構造体を含む平面エレメントである。【特許請求の範囲】
【請求項１】
抄紙機に使用される平面エレメントであって、ナノ粒子をポリマ樹脂マトリクスに錬り込んだ合成構造体を含むことを特徴とする平面エレメント。
【請求項２】
請求項１に記載の平面エレメントにおいて、前記ナノ粒子が、粉状、粒状、繊維状、またはペレット状のものから成る群から選択されることを特徴とする平面エレメント。
【請求項３】
請求項１または２に記載の平面エレメントにおいて、前記ナノ粒子が、金属系であり、金属酸化物、炭化物または窒化物、金属錯体、イオン構造体、および共有結合化合物から成る群から選択されることを特徴とする平面エレメント。
【請求項４】
請求項１または２に記載の平面エレメントにおいて、前記ナノ粒子が、非金属系および／または共有結合系であり、クレイ粒子、シリケート、セラミック材、ガラス粒子、カーボンブラック、ヒュームドシリカ、炭酸カルシウム、カーボンナノチューブ、およびセラミック粉体のナノスフェアから成る群から選択されることを特徴とする平面エレメント。
【請求項５】
請求項１に記載の平面エレメントにおいて、前記ナノ粒子が、前記ポリマ樹脂マトリクスの重量基準で約０．５％〜７５％の範囲で含まれることを特徴とする平面エレメント。
【請求項６】
請求項５に記載の平面エレメントにおいて、前記ナノ粒子が、前記ポリマ樹脂マトリクスの重量基準で約５％〜２０％の範囲で含まれることを特徴とする平面エレメント。
【請求項７】
請求項６に記載の平面エレメントにおいて、前記ナノ粒子が、前記ポリマ樹脂マトリクスの重量基準で約１０％〜１５％の範囲で含まれることを特徴とする平面エレメント。
【請求項８】
請求項１に記載の平面エレメントが、前記ポリマ樹脂マトリクスで含浸された複数の織物状基板から構成されるコンポジットを含むことを特徴とする平面エレメント。
【請求項９】
請求項１に記載の平面エレメントが、複数の織物状基板とそれらの間に挟まれたフィルム層とのコンポジットを含み、前記織物状基板とフィルム層の少なくとも一層が前記ポリマ樹脂マトリクスで含浸されていることを特徴とする平面エレメント。
【請求項１０】
請求項８または９に記載の平面エレメントにおいて、前記織物状基板が、ガラス、炭素、およびアラミドの繊維から成る群から選択される繊維を含むことを特徴とする平面エレメント。
【請求項１１】
請求項１０に記載の平面エレメントにおいて、前記繊維が織られていることを特徴とする平面エレメント。
【請求項１２】
請求項１０に記載の平面エレメントにおいて、前記繊維が織られていないことを特徴とする平面エレメント。
【請求項１３】
請求項１０に記載の平面エレメントにおいて、前記繊維が一方向に配列されていることを特徴とする平面エレメント。
【請求項１４】
請求項１０に記載の平面エレメントにおいて、前記繊維が複数方向に配列されていることを特徴とする平面エレメント。
【請求項１５】
請求項８または９に記載の平面エレメントにおいて、前記織物状基板が、カーボンナノチューブとポリアクリロニトリルとから製造された炭素繊維を含むことを特徴とする平面エレメント。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本出願は、２００４年６月１４日出願の米国特許仮出願第６０／５７９，４１３号に基づいて優先権を主張するものである。
【０００２】
本発明は、一般に、ドクターブレード、クレープブレード、塗工機ブレード、ブレードホルダに収められたトッププレート、フォイルブレードに付けられた耐摩耗表面のような、抄紙機に採用される平面エレメントに関連し、特に、ポリマ樹脂マトリクスにナノ粒子を錬り込んだ平面エレメントの合成コンポジット構造体に関する。
【背景技術】
【０００３】
ドクターブレードは、抄紙機や巻取紙製造機のロールの表面と接触し、クリーニングまたはシート剥がしを行うために用いられる。従来のドクターブレードは、金属、および合成ポリマコンポジット双方を含む広範な材料から製造されている。
【０００４】
合成ドクターブレードは、従来、織物状基板をポリマ樹脂で結合して構成されたものであって、基板と樹脂との組み合わせによって効率的なドクター作用に望ましい諸性質が得られる。典型的な基板としては、ガラスやコットンや炭素があり、一方、熱硬化性と熱可塑性の両樹脂を使用し、基板を結合し、具体的な特性を付与する。熱硬化性樹脂、例えば、エポキシ樹脂は、より硬くて耐摩耗性のものとなる傾向があり、一方、高性能の熱可塑性樹脂、例えば、ポリフェニレンサルファイド（ＰＰＳ）は、より高い機械温度に耐えることが可能な傾向があり、しかも化学腐食による影響が少ない。
【０００５】
ベベル刃（bevel edge）をポリマコンポジットに機械加工で設けることによって、ブレードの先端に角度をもった斜めの部分が生じ、ロールのクリーニングやシート剥がしが容易に行われる。この刃が鋭く、きれいに加工されていればいるほど、ドクターブレードの性能は優れたものとなる。
【０００６】
従来技術から見ると、多くの相異なる合成材料から製造された合成ドクターブレードが既知である。例えば、米国特許第４，５４９，９３３号（ジャッド（Judd）ら）には、コットン、紙、ガラス繊維、またはこれらの相当品から成る繊維層を有する、繊維と炭素繊維とを交互に重ね合わせた多層から成る抄紙機ドクターブレードが記載されている。米国特許第５，１１７，２６４号（フランケル（Frankel）ら）には、ポリエステルや強化カーボンやアラミド繊維のような樹脂を用いて製造された合成ドクターブレードが記載されており、一方、米国特許第４，７３５，１４４号（ジェンキンズ（Jenkins））には、ポリテトラフルオロエチレン樹脂とポリフェニレンサルファイド樹脂と組み合わせた系から構成されるドクターブレードが教示されている。
【０００７】
【特許文献１】米国特許第４，５４９，９３３号明細書
【特許文献２】米国特許第５，１１７，２６４号明細書
【特許文献３】米国特許第４，７３５，１４４号明細書
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
塗工機ブレードは、ドクターブレードと同様に機能し、掻き取りモードで用いられ、紙のシートまたは他の素材の上に載った液の層がこれによって計量される。しかし、塗工機ブレードは、従来のドクターブレードより刃厚が薄い傾向があり、一般に、０．３ｍｍ〜０．７ｍｍの厚さを有する。従来の塗工機ブレードの材料としては、鋼やステンレス鋼が使用され、耐用年数を延ばすため鋼は刃に処理が行われたりする。
【０００９】
幾つかの適用例では、塗工機ブレードは、ロール表面の上に載った液の層を直接計量し、塗膜は、後方のポイントの材料のシートに転送される。塗工機ブレードは、ドクターブレードと同様なホルダに保持される。計量された液または塗膜の厚さは、塗工機ブレードの後縁に加えられた圧力の大きさに依存する。圧力の大きさが増大すれば、塗膜厚さは減少するであろう。同様に、圧力の大きさが減少すれば、塗膜厚さは増大するであろう。塗工機ブレードは、適用する塗膜薬剤に対して不活性である必要があり、また、汚れが付かない刃を備えていなければならない。
【００１０】
トッププレートは、回転メカニズムとブレード保持装置とを接続するドクター系のバックボーンを形成するものである。合成トッププレートは、現在、合成ドクターブレードと同様な材料から製造され、繊維または織物で強化されたポリマ樹脂コンポジットから構成される。トッププレートは、平坦な形状で、幅方向には剛性が高いが、長さ方向にはフレキシビリティに富むので、ロール表面に馴染むことができる。
【００１１】
フォイルブレードは、紙層形成織物の下に配置され、抄紙機の紙層形成部で紙料／スラリーを脱水するのに用いられる。フォイルブレードは、紙層形成織物の下に真空を誘起することで作動し、この真空作用でシートの脱水が容易に行われる。
【００１２】
フォイルブレード形成体は、従来、高密度ポリエチレン（ＨＤＰＥ）であったが、この材料は、耐摩耗性が不十分なので、これらの状況の多くでは所要の時間の間寿命が保たないという欠点があった。この問題に対処し、より均一な摩耗パターンを得るため、アルミナ、ジルコニア、シリコン窒化物、およびシリコンカーバイドを含む多岐にわたるセラミック材料がこれらのＨＤＰＥ形成体の先端部に付加されている。
【課題を解決するための手段】
【００１３】
本明細書で記載の表現では、「平面エレメント（planar element）」は、上記のドクターブレード、塗工機ブレード、トッププレート、およびフォイルブレードのすべてのみならず、織物強化材を含まないドクターブレード、クレープブレード、および紙層形成ボードとサクションボックス用のカバーをも広く網羅する意味で用いられる。
【００１４】
広い意味では、本発明に基づく平面エレメントは、ナノ粒子を含む合成構造体（synthetic construction）を含む。ナノ粒子は、原子３個分の厚さを有する極めて小さなもので、普通０．１ｎｍ〜１００ｎｍのサイズで、分子または原子のレベルで相互作用を有し得る。これらの作用およびその結果として生じる特性は、より大きいスケールのものとは格段に相異なり、多くの新規用途で優れた性能を示す特性が現在得られている。例えば、ナノ粒子は、耐海水汚染ペイントや耐落書きペイントの付着防止特性の向上に役立つことが見出されている。これらは、日焼け防止剤の紫外線ブロック特性を向上することもわかっており、自己洗浄性を有する窓の製造も可能にし、病院からレストランに及ぶクリーンな環境下に使用の自己衛生化タイルを生産するのにも使用されつつある。
【００１５】
本発明に基づき、平面エレメント構造体は、ポリマ樹脂マトリクスにナノ粒子を分散し、ナノ粒子充填のポリマコンポジットを製造することによって達成し得る。ナノ粒子の量は、ポリマ樹脂マトリクスの重量基準で約０．５％〜７５％、好ましくは約５％〜２０％、そして最も好ましくは約１０％〜１５％とし得る。
【００１６】
ナノ粒子は、粉状、粒状、繊維状、またはペレット状のいずれともし得る。金属のナノ粒子は、金属酸化物、金属炭化物または金属窒化物、金属錯体、イオン構造体、および共有結合化合物から成る群から選択し得る。非金属および／または共有結合のナノ粒子は、クレイ粒子、シリケート、セラミック材、ガラス粒子、カーボンブラック、ヒュームドシリカ、炭酸カルシウム、カーボンナノチューブ、および酸化チタンのようなセラミック粉体のナノスフェアから成る群から選択し得る。
【発明の効果】
【００１７】
本発明に基づいてナノ粒子を錬り込んだ合成ドクターブレードは、機械的性質が向上し、耐摩耗／耐摩滅性が増大し、曲げ強さが増加し、硬度も高くなる。ナノ粒子で強化されたドクターブレードは、摩耗特性が改良され、ベベル刃の摩耗は、より均一となり、鋭さと完全性が、ナノ粒子を含まない対応するブレードに比較して、より長く維持され、一方では、硬度が高くなることで、耐インパクト性が向上し、その結果として破壊が時期尚早に起こるのが防止される。ナノ粒子を使用すると、ナノ粒子を含まない合成ドクターブレードで得られるよりも、より鋭く、より均質なベベル刃が得られるが、それは、そうでなければ樹脂マトリクス中に存在するであろう微細な空隙を埋めるのにナノ粒子が役立つからである。
【００１８】
さらに、ナノ粒子を使用すると、合成ドクターブレードを構成する層の層間接着性が改良され、従って層間接合力が強化され、その結果として層の耐剥離性が向上する。
【００１９】
ナノ粒子充填の合成ドクターブレードのさらなる利点は、摩擦力が減少することである。この利点により、紙製造業者としては、固定スピードで機械を動かせばエネルギー使用量が、より少なくなり、あるいは別法として、エネルギー使用量を増加せずに、より高速で機械を運転可能となる。ナノ粒子を使用すると、耐薬剤性もさらに付与される。このことは、ドクターブレードの苛酷な運転環境下でドクターブレードが化学的劣化に耐えるために重要なことである。
【００２０】
カーボンナノチューブとポリアクリロニトリル（炭素繊維の前駆体）とから製造された炭素繊維を織物状基板に使用すると、追加的な強化が得られうる。これらのファイバは、標準炭素繊維に較べて、より強力で、より剛性で、より高い寸法安定性を示すからである。
【００２１】
合成塗工機ブレードにナノ粒子を混ぜ込むことは、コーティング刃の均一性と均質性を改良することと、耐薬剤性が追加的に付与されることの双方で有利である。刃の耐摩耗性と曲げ強度が改良され、接着性が向上し、摩擦力が減少することは、また、塗工機ブレードの性能にとって有益である。
【００２２】
トッププレートのポリマ樹脂系に分散されたナノ粒子は、これら複合構造の強度を増すので、それらのサポート能力を向上させることになる。
【００２３】
ナノ粒子を充填したポリマ樹脂フォイルブレードは、表面の耐摩耗性が向上し、曲げ強度が増し、破壊に対する強靱性が増大し、摩擦係数が低下する。ナノ粒子は、また、より一貫性のある耐摩耗表面を作るので、より均一な脱水性が得られ、より均一な水分分布となるので、究極的に、より優れた品質の紙シートが製造される。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２４】
図１を最初に参照する。本発明に基づいて構成されたドクターブレードという形の平面エレメントが１０で示されているが、これは、樹脂を含浸した織物状シート（普通、「プリプレグ（pre-pregs）」と称される）１２を多層に重ねたコンポジットを含む。プリプレグは、一般に、ガラス、炭素またはアラミドの繊維で、タイプは織布でも不織布でもよく、配列は一方向でも複数方向でも差し支えない。代表的な例としては、英国シャーボーン（Sherborne）のＰＤインターグラス・テクノロジーズ社（PD Interglas Technologies Ltd．）から供給される２００ｇｓｍ平織Ｅ−グラススタイル７６２８、または高張力標準弾性率炭素Ｔ３００である。
【００２５】
層１２は、クレイのナノ粒子分散物を含む樹脂で含浸され、表面被覆される。代表的な樹脂分散物は、英国テルフォード（Telford）のベークライトポリマーズＵＫ社（Bakelite Polymers UK Ltd.）から供給されるビスフェノールＡ型エポキシ樹脂にクレイのナノ粒子を樹脂マトリクス重量基準で１５％の量で添加し、均一に分散させたものである。１６の箇所の樹脂層間（resin interface）は、周知の実際的技術に基づいて高温高圧の条件下に積層操作を行う際に層１２を接合する役目を果たす。
【００２６】
当業者に既知の平面エレメント１０の製造法としては、他に引抜、樹脂射出、および反応性樹脂射出成形がある。
【００２７】
ナノ粒子は、それがなければポリマ樹脂マトリクス中に存在する微細な空隙を満たすのに役立ち、従って、より鋭く、より均一なベベル刃の形成に寄与する。ナノ粒子は、また、ポリマコンポジットを強化し、機械のロールに対する耐機械摩耗・摩滅性を向上させ、従って得られたドクダーブレードは現代の高速抄紙機に使用するのに特に好適となる。従来のドクターブレードでは、高速にすれば摩耗が速く、しかも激しくなるのである。総括的結果としては、ナノ粒子充填のブレードは、ナノ粒子を含まない従来のドクターブレード相当品に較べて、より均一に摩耗し、より鋭いベベル刃が維持される。毎分１０００ｍ／毎分６６８回転、設定角度２５°、荷重０．１７８ｋｇ／ｃｍ（１ｐｌｉ）で運転の乾燥鋼製ロールに対して行われた摩耗試験では、ナノ粒子充填のコンポジット製ブレードは、ナノ粒子を含まない従来のドクターブレード相当品に較べて、１００時間当たり１．５％少ない摩耗を記録した。
【００２８】
ナノ粒子充填コンポジット製ドクターブレードの別の利点は、ロール表面に対する摩擦力が減少することである。ナノ粒子は、摩擦力を減少する効果があるので、機械は、同一速度ではパワー消費量が少なく、あるいは同一エネルギー消費量では高速で運転可能となる。毎分１０００ｍ（毎分６６８回転）、設定角度２５°、荷重０．１７８ｋｇ／ｃｍ（１ｐｌｉ）で運転の乾燥鋼製ロールに対して行われた試験では、摩擦力が７％減少した。
【００２９】
ナノ粒子と強化基板との間、それからナノ粒子とポリマ樹脂との間に働く原子レベルの分子間相互作用の結果、従来の合成ドクターブレードに較べて、層間積層結合力と耐薬剤性が双方とも改良される。ナノ粒子が、それがなければ樹脂中に存在する微細な空隙を満たすという事実は、クラックの伝播を防止するのに役立ち、結合強化を助け、従って層間積層結合強度を改良する。
【００３０】
ナノ粒子の混ぜ込みは、また、合成ドクターブレードの硬度と曲げ強度の双方とも向上させる。曲げ強度については２５〜３０％、それから弾性係数については２７〜３２％の改良が、ナノ粒子を含まないブレードに較べて記録され、その際ガラス転移温度にも顕著な損失は見られなかった。これらの特性が改良されたことで、ナノ粒子充填のコンポジット製ドクターブレードは、より高いインパクト、荷重、およびショックに耐え得る。
【００３１】
本発明の実施の形態の一つとして、カーボンナノチューブとポリアクリロニトリル（炭素繊維の前駆体）とから製造された炭素繊維をさらなる強化のために織物状基板に使用可能である。これらの繊維は、標準炭素繊維より、強度が大きく、剛性が高く、形状安定性が優れている傾向があるからである。
【００３２】
図２は、別法のブレード構造体１０’を示す。この構造では、プリプレグ層１２’がそれらの間に挟まれた樹脂フィルムコンポーネント１８によって接着されている。層１２’および／またはフィルム１８は、ナノ粒子を含有し得る。
【図面の簡単な説明】
【００３３】
【図１】寸法は説明のために誇張してあるが、本発明の実施の形態の一つに基づくブレード構造体の部分断面図である。
【図２】図１と同様な図であるが、本発明の別の実施の形態を示す図である。
【図１】
2008502817.tif 000002
【図２】
2008502817.tif 000003
【国際調査報告】
2008502817.tif 000004
2008502817.tif 000005