JP5423208B2

JP5423208B2 - 鉛筆芯

Info

Publication number: JP5423208B2
Application number: JP2009174841A
Authority: JP
Inventors: 等藤曲
Original assignee: Pentel Co Ltd
Current assignee: Pentel Co Ltd
Priority date: 2009-07-28
Filing date: 2009-07-28
Publication date: 2014-02-19
Anticipated expiration: 2029-07-28
Also published as: JP2011026480A

Description

本発明は、少なくとも体質材と結合材とを主材として使用し、混練した材料を細線状に成形後、熱処理を施してなる鉛筆芯において、外周面にＤＬＣ薄膜を形成した鉛筆芯に関する。

一般に、鉛筆芯は、黒鉛、窒化ホウ素、タルクなどの体質材と、ポリ塩化ビニル樹脂、ポリ塩化ビニリデン樹脂、ポリ酢酸ビニル樹脂、塩素化ポリエチレン樹脂、ポリビニルアルコール樹脂、ポリアクリルアミド樹脂、塩素化パラフィン樹脂、フェノール樹脂、フラン樹脂、尿素樹脂、ブチルゴムなどの有機結合材や粘土などの無機結合材とを主材として使用し、必要に応じて、フタル酸エステルなどの可塑剤、メチルエチルケトン、水などの溶剤、ステアリン酸塩などの安定剤、ステアリン酸などの滑材、カーボンブラックなどの充填材などを併用し、これらの原材料を分散混合、混練し、細線状に成形した後、適宜温度まで熱処理を施し、更に必要に応じて、シリコーン油、流動パラフィン、スピンドル油、スクワラン、α−オレフィンオリゴマー、パラフィンワックス、マイクロクリスタリンワックス、ポリエチレンワックス、モンタンワックス、カルナバワックスなどの適宜油状物を含浸させて製造している。

ところで、従来より鉛筆芯の外周面に薄膜を形成させることにより、曲げ強さや筆記の滑らかさ向上を図る方法が知られており、一例として、鉛筆芯の外周面に気相めっき法によりカーボンあるいは黒鉛の皮膜を形成する方法（特許文献１）や、プラズマ法によりフッ化黒鉛層を形成する方法（特許文献２）などが挙げられる。

（特許文献１）特公昭６０−５５５５７号公報
（特許文献２）特公平４−８１９６０号公報

特許文献１の発明では、鉛筆芯の外周面に形成するカーボンあるいは黒鉛の皮膜が鉛筆芯と同等の材質であるため、皮膜と鉛筆芯外周面との界面の濡れ性が良く密着性が強固になるため鉛筆芯の曲げ強さが向上するとの記載があるが、形成された皮膜がカーボンあるいは黒鉛という鉛筆芯と同等の材質である以上、特性の向上には限りがあり、格段の向上は望めない。また、皮膜の厚さは１μｍ以下では曲げ強さや筆記の滑らかさが向上せず、バラツキが生じ易くなるため、５〜５０μｍの範囲が好ましいとあるが、この５〜５０μｍという皮膜の厚さが鉛筆芯筆記時に皮膜未形成の鉛筆芯本来の書き味との違和感をもたらしてしまう。
特許文献２の発明では、鉛筆芯の外周面にフッ化黒鉛層を形成することにより筆記の滑らかさを向上させることを目的としたものであり、鉛筆芯の曲げ強さを向上させようとするものではない。また、特許文献１と同様に、皮膜の厚さは１μｍ以下では筆記の滑らかさが向上しないため、５〜５０μｍの範囲が好ましいとあり、特許文献１と同じく皮膜の厚さが鉛筆芯筆記時に皮膜未形成の鉛筆芯本来の書き味との違和感を生じさせてしまう。
鉛筆芯の外周面に形成された皮膜は、鉛筆芯筆記の際に常に紙面に接しながら鉛筆芯自体と共に摩耗するため、鉛筆芯の書き味は皮膜の材質により大きな影響を受ける。これは、鉛筆芯の直径に対する皮膜の膜厚の比率が大きくなるシャープペンシル用芯などの細径芯の場合に特に顕著となる。皮膜自体の材質がたとえ鉛筆芯の材質に近いものであっても、皮膜部分の摩耗時の書き味はどうしても鉛筆芯自体のそれとは異なるものとなってしまうため、書き味が変わらないようにするには鉛筆芯の外周に形成する皮膜の厚さをできるだけ薄くすることが望ましくなる。
本発明は、鉛筆芯の外周面にＤＬＣ薄膜を形成させることにより、従来の皮膜形成方法に比べ、書き味が変わらない程度の薄い膜厚の皮膜でも曲げ強さと筆記の滑らかさが向上した鉛筆芯を提供することを目的とする。

本発明は、少なくとも体質材と結合材とを主材として使用し、混練した材料を細線状に成形後、熱処理を施してなる鉛筆芯において、外周面にＤＬＣ薄膜を形成した鉛筆芯を要旨とする。

本発明に係る鉛筆芯において、書き味が変わらない程度の薄い膜厚の皮膜形成でも曲げ強さと筆記の滑らかさに優れた鉛筆芯を提供できる理由は次のように推測される。
ＤＬＣは、ＤｉａｍｏｎｄＬｉｋｅＣａｒｂｏｎ（ダイヤモンドライクカーボン）の頭文字を取って命名されたもので、その薄膜はダイヤモンド状の炭素―炭素結合を持ったダイヤモンドに近い特性を有する非晶質炭素膜であり、同素材でありながら黒鉛薄膜やカーボン薄膜とは全く構造の異なるものである。ＤＬＣ薄膜は非晶質で結晶粒界を持たないため非常に平滑な表面を有し、この表面の平滑さにより、潤滑性に優れた低摩擦係数の薄膜となるのであり、鉛筆芯の外周面に形成することで鉛筆芯の書き味をより滑らかにすることができる。
また、結晶粒界を持たないことは薄膜自体に強度欠陥がないことを意味し、他の薄膜に比べて遙かに薄い膜厚で充分な強度を呈することができ、更に、膜の硬さに比してヤング率が小さい弾性変形能の大きな薄膜であるため、鉛筆芯の外周面に形成させることにより、他の薄膜形成よりも鉛筆芯の曲げ強さをより向上させることができる。
そして、他の薄膜形成よりも遙かに薄い膜厚で鉛筆芯の曲げ強さと筆記の滑らかさに充分な効果を奏することができるため、鉛筆芯の筆記時における皮膜による書き味への悪影響を極力抑えることができる。
即ち、書き味を変えずに曲げ強さと筆記の滑らかさに優れた鉛筆芯を提供することができるのである。

以下、詳述する。
本発明で鉛筆芯の外周面に形成するＤＬＣ薄膜は前述したように、ダイヤモンド状の炭素―炭素結合を持ったダイヤモンドに近い特性を有する非晶質炭素膜で、結晶粒界を持たずに強度欠陥がないため、非常に平滑な表面を有すると共に、薄い膜厚で充分な強度を呈するものである。また、薄膜形成時の条件により、ダイヤモンドにより近く硬い特性を持つ薄膜や、グラファイトにより近く柔らかい特性を持つ薄膜などをそれぞれ対象物の所望する特性に合わせて自由に形成させることができる。ＤＬＣ薄膜が形成された具体的な製品例としては、表面硬さが求められる刃物、摺動性が求められる部品や冶工具、ガスバリア性が求められるペットボトルの内面コーティングなどが挙げられる。
ＤＬＣ薄膜は、イオンプレーティング法、スパッタ法などのＰＶＤ法（物理蒸着法）やプラズマＣＶＤ法（化学蒸着法）など様々なプロセスにより形成でき、膜の構造も純粋な炭素膜、ＤＬＣの下地に金属、金属窒化物、金属炭化物などをコーティングした多層膜、複合膜など様々な構造が考案されており、どのプロセスにより、どの構造の膜を形成させても良い。ＤＬＣ薄膜の膜厚は、プロセスの違いや形成条件により約０．０１〜２０μｍ程度まで自由に設定することができ、また、薄膜の表面摩擦係数は約０．２以下と非常に小さい値を呈する。
本発明のように鉛筆芯の外周面にＤＬＣ薄膜を形成する場合、単純に鉛筆芯の曲げ強さを向上させるだけであれば、よりダイヤモンドに近い硬い薄膜を形成させるので構わないが、紙面筆記という鉛筆芯の目的上、鉛筆芯が紙面への筆記により摩耗しなければならないため、薄膜の強度を多少落としてもグラファイトに近い柔らかな薄膜を形成させる方が適している。また、薄膜の膜厚は適宜設定すれば良いが、あまりに厚い膜厚であると摩擦係数が小さくなり過ぎて筆記による摩耗がしにくく、鉛筆芯の筆記濃度が低下すると共に書き味も皮膜未形成の鉛筆芯本来の書き味との違和感が生じるため、膜厚はあまり厚くない方が望ましい。前述したように、ＤＬＣ薄膜は結晶粒界を持たずに強度欠陥がないため、先行技術に記載された従来の薄膜に比べて遙かに薄い膜厚でも充分な効果を呈することができるためである。

外周面にＤＬＣ薄膜を形成させる鉛筆芯としては、従来公知の材料と方法で製造すればよい。体質材としては、一般的な、鱗状黒鉛、鱗片状黒鉛、土状黒鉛、人造黒鉛、窒化ホウ素、あるいはタルクなどの中より選択された１種もしくは２種以上のものを例示できる。また、結合材としては、ポリ塩化ビニル樹脂、ポリ塩化ビニリデン樹脂、ポリ酢酸ビニル樹脂、塩素化ポリエチレン樹脂、ポリビニルアルコール樹脂、ポリアクリルアミド樹脂、塩素化パラフィン樹脂、フラン樹脂、尿素樹脂、ブチルゴムなどの有機結合材や粘土などの無機結合材などの中より選択された１種もしくは２種以上のものが例示できる。更に、必要に応じて、フタル酸ジオクチル、フタル酸ジブチル、リン酸トリクレジル、ジプロピレングリコールジベンゾエート、アジピン酸ジオクチル、プロピオンカーボネートなどの可塑剤、カーボンブラック、無定形シリカなどの充填材、ステアリン酸塩などの安定剤、ステアリン酸などの滑材、メチルエチルケトン、水などの溶剤などを適宜使用できる。

これらの原材料をヘンシェルミキサーなどによる分散混合、ニーダー、３本ロールなどによる混練の後、細線状に押出成形し、空気中で室温から３００℃前後までの熱処理を施し、その後、不活性雰囲気中で８００℃〜１３００℃の焼成処理を施し、更に必要に応じて、シリコーン油、流動パラフィン、スピンドル油、スクワラン、α−オレフィンオリゴマー、パラフィンワックス、マイクロクリスタリンワックス、ポリエチレンワックス、モンタンワックス、カルナバワックスなどの適宜油状物を含浸させて鉛筆芯を製造する。
得られた鉛筆芯の外周面にＤＬＣ薄膜を適宜プロセスにて適宜膜厚に形成させる。なお、ＤＬＣ薄膜形成時の処理温度は概ね２００℃以下であるが、鉛筆芯に含浸させる油状物は沸点がＤＬＣ薄膜形成時の処理温度以上のものを使用した方が好ましい。沸点がＤＬＣ薄膜形成時の処理温度以下の油状物を使用する場合には、芯体にＤＬＣ薄膜を形成した後に油状物を含浸させた方が良いが、その場合のＤＬＣ薄膜は芯体の両端面を除いた外周面だけに形成させることが望ましい。油状物は芯体の側面よりも両端面からの方が含浸され易いからである。

以下、実施例に基づき本発明を説明するが、本発明は実施例に限定されるものではない。
（実施例１）
黒鉛（体質材）８０重量部
ポリ塩化ビニル樹脂（結合材）５５重量部
フタル酸ジオクチル（可塑剤）２５重量部
ステアリン酸塩（安定剤）２重量部
ステアリン酸（滑材）１重量部
カーボンブラック（充填材）２重量部
メチルエチルケトン（溶剤）２０重量部
上記原材料をヘンシェルミキサーによる分散混合処理、３本ロールによる混練処理をした後、細線状に押出成形し、空気中で室温から３００℃まで約１０時間かけて昇温し、３００℃で約１時間保持する加熱処理をし、更に、密閉容器中で１０００℃を最高とする焼成処理を施し、冷却後、流動パラフィン（沸点：３３０℃）を含浸させて、呼び径０．５の鉛筆芯を得た。得られた鉛筆芯の外周面にメタンガスを原料に、アルゴンガスをキャリアーガスとして、低温プラズマＣＶＤ法により、膜厚０．１μｍのアモルファス構造のＤＬＣ薄膜を形成させた。

（実施例２、３、４）
実施例１において、ＤＬＣ薄膜の形成条件を変えることで、鉛筆芯の外周面に形成されるＤＬＣ薄膜の膜厚を０．１μｍから０．０１μｍ、１μｍ、１０μｍに変えた以外、すべて実施例１と同様にして、呼び径０．５の鉛筆芯を得た。

（比較例１）
実施例１において、鉛筆芯の外周面にＤＬＣ薄膜を形成しなかった以外、すべて実施例１と同様にして、呼び径０．５の鉛筆芯を得た。

（比較例２）
実施例１において、鉛筆芯の外周面にＤＬＣ薄膜の代わりにイオンプレーティング法により膜厚１０μｍの黒鉛薄膜を形成させた以外、すべて実施例１と同様にして、呼び径０．５の鉛筆芯を得た。

（比較例３）
実施例１において、鉛筆芯の外周面にＤＬＣ薄膜の代わりにプラズマ法により膜厚１０μｍのフッ化黒鉛薄膜を形成させた以外、すべて実施例１と同様にして、呼び径０．５の鉛筆芯を得た。

以上、各実施例及び比較例で得た鉛筆芯について、ＪＩＳＳ６００５に準じて曲げ強さと濃度とを測定し、摩擦係数測定装置により動摩擦係数を測定した。その結果を表１に示す。
また、書き味について、それぞれの鉛筆芯と薄膜形成前の鉛筆芯（比較例１）とを比較した結果、実施例１〜３のものは書き味に全く遜色が無かったが、実施例４と比較例２、３のものは筆記時の滑り感や摩耗感などの書き味において多少の違和感があった。

Claims

少なくとも体質材と結合材とを主材として使用し、混練した材料を細線状に成形後、熱処理を施してなる鉛筆芯において、外周面にＤＬＣ薄膜を形成した鉛筆芯。