(57)【要約】【課題】容易に製造可能な高導電性炭素繊維シート及びその製造方法を提供する。【解決手段】高導電性炭素繊維シート１０は、炭素繊維１３の布１１と、布１１上に直接的に金属ペーストで印刷された金属層１２とを備える。高導電性炭素繊維シート１０の製造方法は、炭素繊維１３の布１１を準備する工程と、布１１上に直接的に金属ペーストで金属層１２をスクリーン印刷する工程と、金属層１２を印刷した布１１を加熱する工程とを含む。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
炭素繊維の布と、
前記布上に直接的に金属ペーストで印刷された金属層とを備える、高導電性炭素繊維シート。
【請求項２】
請求項１に記載の高導電性炭素繊維シートであって、
前記布は前記炭素繊維の織物である、高導電性炭素繊維シート。
【請求項３】
請求項１に記載の高導電性炭素繊維シートであって、
前記布は一方向に延びる複数の炭素繊維を含み、
前記金属層は前記一方向と交差する方向に延びる複数の金属配線を含む、高導電性炭素繊維シート。
【請求項４】
請求項１〜３のいずれか１項に記載の高導電性炭素繊維シートであって、
前記金属層は前記布の両面に形成され、互いに導通する、高導電性炭素繊維シート。
【請求項５】
炭素繊維の布を準備する工程と、
前記布上に直接的に金属ペーストで金属層をスクリーン印刷する工程と、
前記金属層を印刷した布を加熱する工程とを含む、高導電性炭素繊維シートの製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、高導電性炭素繊維シート及びその製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
炭素繊維は軽量かつ高強度であることから飛行機や風力発電のブレード等の外装材に用いられる。炭素繊維は導電性を有することから落雷を受けやすい。しかしながら、炭素繊維はさほど導電性が高くないことから、落雷の電気エネルギーを分散しきれず、落雷箇所が焼け焦げたりこの箇所に穴が空いたりするなどの損傷を生じる。
【０００３】
落雷による損傷を抑制（以下、「耐雷」という場合もある。）するため、炭素繊維の導電性を高くることが望まれる。導電性を高くする技術として、例えば、特開２０１２−８２３９４号公報（特許文献１）、特表２０１２−５２４３８２号公報（特許文献２）、特開２０１２−１９７４４７号公報（特許文献３）などがある。
【０００４】
一方、特開平６−２０７０３３号公報（特許文献４）には、長繊維状金属被覆炭素繊維と、粉体状導電性物質（銅、ニッケル、クロム、鉄、銀、亜鉛などの粉末）と、樹脂とからなる導電性プリプレグが記載されている。
【０００５】
また、ＷＯ２００８／０２５９５９Ａ１公報（特許文献５）には、プリプレグと、その表面に塗布された導電性インクとを備えた複合材料が記載されている。このプリプレグは、ポリマー樹脂と、炭素繊維とを含む。導電性インクは、スクリーン印刷によりパターン化され、プリプレグの表面に印刷される。
【０００６】
プリプレグは未完成の中間材料であり、未硬化樹脂からなるため、その表面は粘着性がある。このような粘着性のあるプリプレグの表面に導電性インクをスクリーン印刷することは非常に困難である。通常、導電性インクの硬化温度は８０〜１６０℃であるから、スクリーン印刷した導電性インクを加熱して硬化させると、プリプレグまで硬化してしまい、中間材料として機能しなくなる。これらの問題を解決するために、特許文献５に記載の発明は、導電性インクの表面張力をプリプレグの表面エネルギーよりも低くしたり、印刷した導電性インクを硬化させるために導電性インクを室温で３０分もかけて乾燥させたり、必要になるまで複合材料を冷凍庫で保存したりするなど、非常に煩雑な手段を採っている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００７】
【特許文献１】特開２０１２−８２３９４号公報
【特許文献２】特表２０１２−５２４３８２号公報
【特許文献３】特開２０１２−１９７４４７号公報
【特許文献４】特開平６−２０７０３３号公報
【特許文献５】ＷＯ２００８／０２５９５９Ａ１公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
本発明の目的は、容易に製造可能な高導電性炭素繊維シート及びその製造方法を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
本発明の一実施形態による高導電性炭素繊維シートは、炭素繊維の布と、布上に直接的に金属ペーストで印刷された金属層とを備える。
【００１０】
本発明の一実施形態による高導電性炭素繊維シートの製造方法は、炭素繊維の布を準備する工程と、布上に直接的に金属ペーストで金属層をスクリーン印刷する工程と、金属層を印刷した布を加熱する工程とを含む。
【発明の効果】
【００１１】
本発明による高導電性炭素繊維シートは、容易に製造可能である。
【図面の簡単な説明】
【００１２】
【図１】図１は、本発明の一実施形態による高導電性炭素繊維シートを示す平面図である。
【図２】図２は、図１に示した高導電性炭素繊維シートの断面図である。
【図３】図３は、他の実施形態の平面図である。
【図４】図４は、さらに他の実施形態の平面図である。
【図５】図５は、さらに他の実施形態の断面図である。
【図６】図６は、さらに他の実施形態の平面図である。
【発明を実施するための形態】
【００１３】
まず、本発明の一実施形態の概要を説明する。
高導電性炭素繊維シートは、炭素繊維の布と、布上に直接的に金属ペーストで印刷された金属層とを備える。
【００１４】
この高導電性炭素繊維シートは、炭素繊維の布上に直に金属層が印刷されているため、容易に製造することができる。
【００１５】
好ましくは、布は炭素繊維の織物である。この場合、炭素繊維は互いに絡まって固定されるため、プリプレグのように炭素繊維を樹脂で固めなくても、炭素繊維がばらばらに解けることはない。したがって、金属層を布上に直に印刷しやすい。
【００１６】
好ましくは、布は一方向に延びる複数の炭素繊維を含む。金属層は一方向と交差する方向に延びる複数の金属配線を含む。この場合、各金属配線が複数の炭素繊維を繋ぎ止めるため、プリプレグのように炭素繊維を樹脂で固めなくても、炭素繊維がばらばらに解けることはない。したがって、金属層を布上に直に印刷しやすい。
【００１７】
好ましくは、金属層は布の両面に形成され、互いに導通する。この場合、導電性を高くしやすい。
【００１８】
高導電性炭素繊維シートの製造方法は、炭素繊維の布を準備する工程と、布上に直接的に金属ペーストで金属層をスクリーン印刷する工程と、金属層を印刷した布を加熱する工程とを含む。
【００１９】
この製造方法で製造された高導電性炭素繊維シートは、炭素繊維の布上に直に金属ペーストで金属層をスクリーン印刷し、その布を加熱することにより金属ペーストを硬化させているため、容易に製造することができる。
【００２０】
［高導電性炭素繊維シート］
以下、本発明の一実施形態による高導電性炭素繊維シートの詳細を説明する。
図１に示すように、高導電性炭素繊維シート１０は、炭素繊維の布１１と、布１１上に直接的に形成された金属層１２とを備える。炭素繊維は、例えば直径５〜１０μｍの糸である。布１１は、図２に示すように、炭素繊維１３ａ，１３ｂの織物である。具体的には、布１１は、縦方向に延びる複数の炭素繊維（以下、「縦糸」という場合がある。）１３ａと、横方向に延びる複数の炭素繊維（以下、「横糸」という場合がある。）１３ｂとを含む。図２では、４本の縦糸１３ａ又は横糸１３ｂがひとまとまりで織られている態様が代表的に示されているが、実際には数１０本から数１００本の縦糸１３ａ又は横糸１３ｂがひとまとまりで織られている。ただし、ひとまとまりで織られる縦糸１３ａ又は横糸１３ｂの数は特に限定されない。
【００２１】
金属層１２は布１１上に直接的に金属ペーストで印刷されることにより形成される。この金属ペーストは、金属の粒子と、樹脂とを含む。金属ペーストは、必要に応じて添加物をさらに含む。金属ペーストは、樹脂よりも金属の粒子を多く含む。金属層１２は金属線のメッシュなどよりも薄く軽量にしやすい。金属ペーストの一部は炭素繊維１３ａ，１３ｂの間に浸透する。浸透した金属ペーストは布１１の裏面側に露出する。
【００２２】
金属ペーストは、例えば銀ペーストである。銀ペーストは、表１に示すように、銀や銅の単体よりも導電率（導電性）が低いが、導電性ポリマーよりも導電率が高い。銀ペーストはその総重量を１００％としたとき、銀の含有量は６０％以上が好ましく、さらに好ましくは７０％以上である。銀の含有量は８０％以下が好ましい。
【００２３】
【表１】
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【００２４】
金属の粒子は、銀に限らず、例えば金、銅、錫、アルミニウム、ニッケル、またはこれらの金属でコーティングした粉末（例えば、ニッケル粉や銅粉を銀でコーティングしたもの）であってもよい。金属ペーストは、金属の粒子に加えて、導電体としてカーボンを含んでもよい。樹脂は、例えばポリエステル、フェノール系樹脂、エポキシ系樹脂、アクリル系樹脂、またはこれらの混合物が好ましい。金属ペーストは導電性ポリマーよりも安価である。
【００２５】
金属層１２は、図１に示すようにパターン化され、複数の金属配線１２ａを含む。金属配線１２ａは平行で、縦糸１３ａと直行する方向に延びている。代替的に、金属配線１２ａは横糸１３ｂと直行する方向に延びていてもよい。あるいは、金属配線１３ｂは、斜めに、つまり縦糸１３ａ及び横糸１３ｂと交差する方向に延びていてもよい。
【００２６】
高導電性炭素繊維シート１０は、金属層１２（金属ペースト）が炭素繊維１３ａ，１３ｂよりも高い導電性を有することから、耐雷性を必要とする外装材に利用できる。また、金属層１２が布１１上に直に印刷されるため、粘着性のあるプリプレグ上に金属ペーストを印刷する方法よりも容易に高導電性炭素繊維シート１０を製造することができる。また、布１１は炭素繊維１３ａ，１３ｂの織物であるため、炭素繊維１３ａ，１３ｂは互いに絡まって固定される。そのため、プリプレグのように炭素繊維を樹脂で固めなくても、炭素繊維１３ａ，１３ｂがばらばらに解けることはない。また、各金属配線１２ａが複数の炭素繊維１３ａ，１３ｂを繋ぎ止めるため、プリプレグのように炭素繊維を樹脂で固めなくても、炭素繊維１３ａ，１３ｂがばらばらに解けることはない。したがって、金属層１２を布１１上に直に印刷しやすい。
【００２７】
また、高導電性炭素繊維シート１０は、金属層２を所望の形状にパターン化すれば、雷の電流を制御可能な電気回路を形成することもできる。また、高導電性炭素繊維シート１０は、金属層１２よりも接着性に優れる炭素繊維１３ａ，１３ｂの一部が金属層１２の間から露出しているため、樹脂製の保護層や他の高導電性炭素繊維シートを積層しやすい。
【００２８】
［製造方法］
本発明の一実施形態による高導電性炭素繊維シート１０の製造方法を説明する。この製造方法は、炭素繊維１３ａ，１３ｂの布１１を準備する工程と、準備した布１１上に直接的に金属ペーストで金属層１２をスクリーン印刷する工程と、金属層１２を印刷した布１１を加熱する工程とを含む。
【００２９】
印刷工程は２回以上印刷（重ね印刷）してもよい。重ね印刷は印刷毎に導電率が異なる金属ペーストを用いてもよい。重ね印刷は印刷毎に金属層１２のパターンを変えてもよい。
【００３０】
加熱温度は、金属ペーストが硬化する８０〜１６０℃が好ましい。金属ペーストが加熱により硬化すれば、金属ペーストが収縮し、これに含まれる金属粒子が互いに接触し、電気抵抗が低下する。
【００３１】
この製造方法は、炭素繊維１３ａ，１３ｂよりも導電性を高くした高導電性炭素繊維シート１０を製造できる。この製造方法は、炭素繊維１３ａ，１３ｂの布１１上に直に金属ペーストで金属層１２をスクリーン印刷し、さらにその布１１を加熱することにより金属ペーストを硬化させているため、粘着性のあるプリプレグ上に金属ペーストを印刷する方法よりも容易に高導電性炭素繊維シート１０を製造することができる。この製造方法は、重ね印刷することで、金属層１２の厚みや導電率を変更できる。この製造方法は、例えばロールツーロール(Roll to Roll)方式などで高導電性炭素繊維シート１０を容易に量産できる。
【００３２】
［他の実施形態］
金属層１２は、図３に示すようにパターン化され、横方向に延びる複数の金属配線１２ａと、縦方向に延びる複数の金属配線１２ｂとを含んでもよい。また、金属層１２は、図４に示すようにパターン化され、ボルトなどを通す孔１４を避けて形成されてもよい。また、金属層１２は布１１の表面の一部を露出させたパターンに限らず、布１１の表面全体を覆ってもよい。また、互いに異なる導電率を有する２以上の金属層１２を積層してもよい。この場合、各金属層１２の厚さは他の金属層１２と同じも異なっていてもよい。
【００３３】
また、図５に示すように、金属層１２は、布１１の両面に形成されてもよい。布１１の両面に形成された金属層１２は、炭素繊維１３ａ，１３ｂの隙間に浸透して互いに導通してもよい。この場合、導電性を高くしやすい。
【００３４】
また、図６に示すように、布１１は、炭素繊維の織物（織布）ではなく、一方向（図６では縦方向）に延びる複数の炭素繊維を含んでもよい。この場合、金属層１２は、上記一方向と直行する方向（図６では横方向）に延びる複数の金属配線１２ａを含んでもよい。この種の布１１としては、例えば炭素繊維の束を開繊した開繊布、長い炭素繊維を結束したスパンボンド又はスパンレース不織布などがある。この実施形態によれば、金属配線１２ａが炭素繊維と交差しているため、各金属配線１２ａが複数の炭素繊維を繋ぎ止める。そのため、プリプレグのように炭素繊維を樹脂で固めなくても、炭素繊維がばらばらに解けることはない。したがって、金属層１２を布１１上に直に印刷しやすい。このような高導電性炭素繊維シート１０を製造するためには、スクリーン印刷の前に、炭素繊維を仮に固定してもよい。具体的には、炭素繊維を微粘着性のベルトコンベア又は微粘着フィルム上に並べて配置してもよい。また、布は、短い炭素繊維を互いに融着又は溶着した不織布でもよく、長い炭素繊維を編んだ編み物でもよい。
【産業上の利用可能性】
【００３５】
本発明の高導電性炭素繊維シートは、飛行機や風力発電のブレードの外装材に利用できる。
【符号の説明】
【００３６】
１０：高導電性炭素繊維シート
１１：布
１２：金属層
１２ａ，１２ｂ：金属配線
１３ａ，１３ｂ：炭素繊維
【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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