JPS6248352B2

JPS6248352B2 -

Info

Publication number: JPS6248352B2
Application number: JP56073799A
Authority: JP
Inventors: Kenji Fukuda; Ryuzo Onooka; Korehiro Nagatsuka
Original assignee: Agency of Industrial Science and Technology
Current assignee: National Institute of Advanced Industrial Science and Technology AIST
Priority date: 1981-05-15
Filing date: 1981-05-15
Publication date: 1987-10-13
Also published as: JPS5782992A

Description

【発明の詳細な説明】本発明は、短繊維状で導電性を有する基材と電
気的絶縁性を有するマトリツクスからなる電気的
発熱体の製造方法に関するものである。

合成樹脂などの電気的絶縁物に導電性を有する
微粒子の適量を充填混合した複合材料は、導電性
粒子相互の接触及び粒子間に介在するマトリツク
スの極く薄い層を通して電気的回路網を形成し、
通電によつて所謂ジユール熱を発生する。而し
て、従来この種の発熱体としては、合成樹脂に導
電性粒子であるカーボンブラツクを充填混入させ
て形成した面状発熱体があり、既に融雪用ルーフ
ヒーテイング、化学薬品用輸送パイプまたはタン
クの保温、あるいは温室栽培用ヒータとして用い
られている。

この種の電気的発熱体においては、主として導
電性充填素材の充填割合により抵抗値が決まるこ
とになり、導電性充填素材相互の接触が球面によ
る点接触であることから比較的高い比抵抗をもつ
材料が得られるが、導電性充填素材の十分な混合
により該素材相互の無数の接触点が発熱体内に均
一に分布し、該素材及びそれらの接触点における
発熱により全体的に発熱量が均等化されて温度分
布が略一定になるという点で有利なものである。

一方、炭素繊維クロスをセラミツクス等のマト
リツクス中に混在させ、繊維状の炭素を抵抗素子
として用いるようにした電気的発熱体もすでに提
案されている（特公昭39―10781号公報参照）。し
かしながら、このような電気的発熱体では、集束
状態の炭素繊維束をマトリツクス内に充填してい
るため、繊維束相互が接触する状態になり、その
ため比較的少ない数の接触部分が抵抗体内に局所
的に分散することになり、それによつて温度分布
が不均一になるばかりでなく、多量の炭素繊維を
充填しなければ電気抵抗が大きくなり、しかも電
気抵抗値のばらつきが大きくなる。

本発明は、このような炭素繊維を用いた電気的
発熱体における電気的熱的特性を改善し、繊維状
の導電性充填素材を用いながら、カーボンブラツ
ク等の微粒子を用いた場合と同様に導電性充填素
材相互の無数の接触点が発熱体内に均一に分布
し、上記充填素材及びそれらの接触点における発
熱により全体的に発熱量が均等化されて温度分布
が略一定になるようにした複合発熱体を容易に製
造する方法を提供するものである。

また、本発明は上述の電気的特性をもつ繊維状
の導電性充填素材を均一に分散させることによつ
てすぐれた補強効果を発揮させ、前記既提案の発
熱体では得ることができないすぐれた機械的強度
をもつ複合発熱体を得ることができる製造方法を
提供するものである。このような機械的補強特性
を有する発熱体は、構造用面発熱体として、例え
ば住宅の壁材や床材に利用してそれらにパネルヒ
ータとしての機能をもたせるなど、新しい分野で
の電気的発熱体の使用を可能にするものである。

上述した目的を達成するための本発明の方法
は、短繊維状の導電性充填素材を用いるため、従
来の導電性粒子を用いる場合のように導電性充填
素材の分布を混練等により簡単に均一化できない
ことから、飛動装置により導電性充填素材として
の短繊維を連続的に分繊して、単繊維状に解繊分
離した状態で空気中に飛動させると共に、その短
繊維の飛動通路に電気的絶縁性を有するマトリツ
クスを連続的に供給して飛動短繊維と混合させ、
それらを捕集帯上に連続的に捕集、固定化するこ
とにより、短繊維状導電性充填素材がマトリツク
ス内に均一に分布した短繊維複合発熱体を得るこ
とを特徴とするものである。

本発明の短繊維複合発熱体のマトリツクスとし
ては、複合材料として成形可能な絶縁性材料で熱
変形温度が比較的高い材料であれば、有機材料及
び無機材料のいずれでも使用することができ、例
えばエポキシ樹脂やガラス等を用いることができ
る。

また、導電性充填素材としては、炭素繊維や
銅、ニクロム線など、導電性を有する繊維状材料
すなわち直径に対して長さが比較的大きな線状物
を用いることができる。特に強力の大きな電気的
発熱体を得るに際しては、炭素繊維などの補強効
果の大きい導電性充填素材を用いるのが効果的で
あるが、ガラス繊維等の非導電性の補強繊維を上
記導電性充填素材と共に所要の比率でマトリツク
ス中に充填することもできる。導電性充填素材と
非導電性補強繊維との混合率、及びこれら充填素
材とマトリツクスとの複合比率は、電気的発熱体
として必要な比抵抗ならびに機械的強度について
の要求性能に応じて適当に定められる。

さらに、ガラス、ビニロンなどの非導電性の補
強繊維を混合充填した場合は、導電性充填素材と
しての短繊維と非導電性繊維との間の摩擦力によ
り、成形時における繊維の移動が防止でき、成形
の作業性ならびに繊維分布の均一性を高めること
ができる。

第１図及び第２図は本発明によつて製造される
短繊維複合発熱体の一例を示すもので、発熱板１
は、炭素繊維等の短繊維状導電性充填素材２が、
その各繊維が単繊維状に解繊分離されて単繊維相
互の無数の接触点が均一に分布した状態で合成樹
脂等からなるマトリツクス３内に充填されてい
る。なお、発熱板１の両側端には電流を流すため
の導線４を必要に応じて埋設することができる。

短繊維状の導電性充填素材２は、無配向とする
こともできるが、一定の方向に配向させることに
よつて発熱板の平面内における電気的特性に方向
性をもたせることもできる。

上記発熱板において、導電性充填素材としての
短繊維の厚さ方向の分布は、電気的絶縁性を得る
必要がある表層部を除いて、均一であることが必
要である。

また、面方向の導電性短繊維の分布は、一般的
には均一であることが望ましいが、例えば前記導
線４の付近の発熱量を抑制するためにその導線に
近い部分に充填量を多くして電気抵抗を少なくす
る等、目的に応じてその分布に任意の変化を与え
ることができる。

第３図は本発明の方法を実施する装置の概要を
示すもので、飛動装置１１の導入口１３に供給さ
れた導電性の繊維１２は、誘導ローラ１４により
分繊飛動ローラ１５との接触点まで誘導され、こ
こで高速回転する分繊飛動ローラ１５により切断
と同時に分繊されて、単繊維状に解繊分離した状
態態で連続的に空気流中に飛動せしめられ、飛動
通路１６を通してその先端の放出口１７からベル
ト状の捕集帯１８上に供給され、該捕集帯１８に
捕集される。上記放出口１７を飛動する短繊維の
長さよりも充分に小さい間隙を有するスリツト状
に形成すれば、それを通過した短繊維をスリツト
の長手方向に配向して集積させることができる。

一方、合成樹脂等からなるマトリツクス１９の
供給装置２０は、ホツパー２１に充填したマトリ
ツクス１９を上記飛動通路１６の始端に開口する
供給口２２を通じて該飛動通路の空気流中に供給
するもので、この飛動通路へのマトリツクスの供
給により、上記捕集帯１８上には短繊維とマトリ
ツクスが均一に混合した状態で捕集されて層状混
合体２３を形成し、捕集帯１８の移動に伴つて矢
印方向に移動する。

次に、この層状混合体２３は捕集体１８に沿つ
て配置した加熱装置２４に送られ、ここでマトリ
ツクス１９の軟化点以上の温度に加熱して融着さ
れ、必要に応じてローラ２５などで加圧されて帯
状の短繊維複合発熱板２６が形成される。層状混
合体２３の加熱、加圧に際して、その上下両面ま
たはいずれかの面に、表面の保護、絶縁性の向
上、あるいは壁材や床材として使用する場合等に
おける表面仕上げのためのシート状材料２７を予
め重合し、上記加熱、加圧の際にそれらを短繊維
複合発熱板２６に一体化させることもできる。

なお、上記装置において、マトリツクス１９の
供給口２２を飛動装置１１の分繊飛動ローラ直上
部に開口させ、短繊維とマトリツクスを混合した
状態で飛動通路１６に飛動させてもよい。また、
必要に応じて飛動装置の数を増し、厚いものを製
造することもできる。

次に本発明の実施例を示す。

マトリツクスとしてエポキシ樹脂、導電性充填
素材として炭素繊維（太さ10μ）を用い、炭素繊
維は第３図に示す分繊装置を使用して平均繊維長
30mmの単繊維に分繊し、無配向のウエブを作成し
た。エポキシ樹脂100重量部に対し、硬化剤とし
て芳香族アミン20重量部を混合したマトリツクス
を上記のウエブに含滲、真空脱泡後、圧力10〜15
Kg／cm²、温度150℃の条件でプレスし、厚さ1.2mm
の板状発熱体を成形した。

炭素繊維の充填率が2.5〜20％（Vo1.％）の板
状複合発熱体についての面方向及び厚さ方向の電
気抵抗率を第４図に示す。

また、第５図ａ，ｂに電流量1.5Aと3.0Aの場
合の熱流量と通電時間との関係を、炭素繊維の充
填率が５，10，15，20％（wt.％）の場合につい
て示している。

これらの実験結果から明らかなように、炭素繊
維の充填率５％〜20％の範囲の複合発熱体では、
その体積抵抗値が面方向において0.3〜0.03Ω・
cm、厚さ方向において10⁶〜10²Ω・cmの範囲のも
のが得られた。

また、これらの発熱体は、1.5Aの通電の下で
の熱流量が600〜100Kcal／m²ｈ、3.0Aの通電の
下での熱流量が800〜400Kcal／m²ｈであつた。

このように、短繊維複合板状発熱体の比抵抗
は、面方向に比較して厚さ方向の値が非常に大き
く、絶縁性を示している。このことは、使用上に
おいて発熱面からの漏電防止が容易であるなどの
利点をもたらすことになる。

第６図ａ，ｂは導電性充填素材としての炭素繊
維に非導電性の補強繊維であるガラス繊維を混合
した場合における補強効果についての実験例を示
すものである。同図ａは、上述した板状発熱体に
おける炭素繊維の充填率と曲げ強度及び曲げ弾性
率の関係を示し、また同図ｂは、上記板状発熱体
における炭素繊維に、マトリツクス（エポキシ樹
脂）に対する総繊維量が20％（Vo1.％）となる
までＥガラス繊維（太さ10μ、平均繊維長30mm）
を混合した場合における曲げ強度及び弾性率を示
しており、第６図ａにおける炭素繊維充填率20％
の場合が同図ｂにおける炭素繊維の割合100％の
場合に相当している。而して、第５図からわかる
ように、発熱体の炭素繊維充填率は、必要とする
熱流量に応じて決められることになるが、その場
合の発熱体の機械的強度は、第６図ａ，ｂの関連
から、補強繊維の混合によつて充分に高め得るこ
とがわかる。従つて、熱流量及び機械的強度の両
者が設定値を保つ発熱体を容易に得ることができ
る。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明によつて製造される短繊維複合
発熱体の構造例を示す一部破断平面図、第２図は
その側断面図、第３図は本発明の方法を実施する
装置の概要を側断面によつて示す構成図、第４
図、第５図ａ，ｂ及び第６図ａ，ｂは本発明の短
繊維複合発熱体についての実験結果を示すグラフ
である。２……導電性充填素材、３，１９……マトリツ
クス、１１……飛動装置、１２……導電性繊維、
１６……飛動通路、１８……捕集体、２３……層
状混合体、２６……短繊維複合発熱体。

Claims

【特許請求の範囲】

１飛動装置により導電性充填素材としての短繊
維を連続的に分繊して、単繊維状に解繊分離した
状態で空気中に飛動させると共に、その短繊維の
飛動通路に電気的絶縁性を有するマトリツクスを
連続的に供給して飛動短繊維と混合させ、それら
を略水平方向に移動する捕集帯上に連続的に捕集
し、捕集帯上に形成される層状混合体をマトリツ
クスの融着等により固定化して、単繊維相互の無
数接触点が均一に分布した短繊維複合発熱体を得
ることを特徴とする短繊維複合発熱体の製造方
法。