JPS63227853A - 繊維集積体の製造方法並びに装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 ［産業上の利用分野］ 本発明は、繊維集積体の製造方法並びに装置に係り、詳
しくは繊維の多くが円周接線方向に配向したとくに繊維
強化金属の製造に用いて好適な筒状の繊維集積体を得る
ための方法並びに装置に関する。

［従来の技術］ 従来、繊維強化金属の製造に使用される短Ｉ！維又はウ
ィスカ等の比較的短い１１１Ｍの集積体を得るために、
たとえば濾過膜を内張すした多孔円筒体内にＩＩ雑分散
液を供給し、遠心作用により濾液を飛散させて繊維の中
空集積体を成形するようにした遠心成形方法（特開昭６
０−６５２００号公報）や、シリンダ内に供給した繊維
分散液をプランジャで加圧する一方、下底部から濾過材
を介して濾液を積極排出するようにした吸引成形方法な
どが知られている。

しかし、上記の成形方法によって得られた繊維集積体は
、繊維の多くが二次元又は三次元方向に配向したもので
あって繊維の体積率が低く、特に５ｌｌＩ１強化金属の
狙いが強度の向上や“熱膨張の抑ＩＩＩにある場合には
、きわめて不満足な結果しか得られなかった。

［発明が解決しようとする問題点］ 本発明は、繊維の多くが一次元配向した繊維集積体を得
るために、誘で液体中に繊維を分散させたＩ！維懸濁液
を、正負電極間に形成された電界内に注入して該＄１１
１を静電配向させると同時に橋絡させ、同配向繊維を順
次沈降させて集積するという技術思想を基礎としている
。

しかしながら、かかる基礎技術を工業的に実施する上で
生ずる問題も少なくはない。

例えば平行配置された正負電極間に形成された電界内へ
繊維懸濁液を注入して咳ｍＨを静電配向させた場合には
、繊維の多くは一次元方向すなゎら直線方向に配向した
集積体が得られ、該集積体はそれなりにきわめて有用で
はある。ところが繊維強化金属の適用を希求されている
機能部品には円筒形状のものも少なくなく、上記直線配
向した繊維集積体ではこのような機能部品には好適に対
応できないという問題がある。

本発明は、非連続繊維の多くが円周の接線方向に配向し
た円筒状のｌ！雄集積体を得ることを解決すべき技術課
題とするものである。

［問題点を解決するための手段］ 本発明は上記課題解決のため、直立円筒状空間内の円周
の法線方向に交互に配された複数対の正負電極間に電界
を形成し、短繊維、ウィスカ等の非連続繊維を誘電液体
中に分散させたＩｌｌ懸濁液を上記電界内に注入して該
繊維を円周接線方向に静電配向させると同時にＮＩ！８
させ、同配向繊維を順次沈降させて集積するという基本
構成に加えて、上記電極を直立円筒状空間の中心線を軸
心として緩やかに回動させ、かつ該電極下端縁と、累積
繊維層との間隙を常に所定値に保つよう直立円筒状空間
の長手方向に対する電極位置を順次相対的に変位させる
という技術手段を講じている。

とくに本発明の重要な特徴は静電配向させるための電極
にあり、針状、網状若しくはこれらの組合せ形状となさ
れた電極は、直立円筒状空間内の円周の法線方向に配置
ｇれると同時に垂直方向に延在されており、その極数に
とくに制限はないが正Ｎ極と負電極の数が等しく、かつ
正Ｎ極と負電極が円周方向に交互に配設される。もっと
も好ましい形態は、直立円筒状空間が水平面内において
各電極により偶数等分されていることであり、換言すれ
ば電極で区画された各扇状断面空間の寸法がほぼ等しく
、これによって各区画域に形成される電界の強さがほぼ
均一となされることである。

上記Ｉ！極は直立円筒状空間内において配向繊維を分断
する形態で配設されるため、配向ａｙｓの離断を防ぎ、
かつ該電極付近の繊維の集溜によって生じ易い成形体の
密度斑を解消する意味から、これを連続又は間歇的に回
動させて水平面内における電極位置を流動的に変化させ
、同時に該回動電極の下端縁が順次集積する繊ｌ１ＩＩ
Ｉｌとは常に所定の間隙を保持して干渉を生じないよう
、該繊維層の累積高さに応じて直立円筒状空間内におけ
るＮ極位置を長手方向にも変位させるものである。なお
、上記電極の回動は一方向のみに限らず、所定の回動角
内でこれを正逆動させるようにしてもよく、また、上記
直立円筒状空間内における電極の長手方向の変位は、こ
れを直立円筒状空間自体の変位に置き換えることもでき
る。

上記正負電極の表面には導電性繊維の短絡を防ぎ、かつ
繊維懸濁液の乱流を抑制する隔膜が被装される。該隔膜
はこれをイオン交換膜とするのが好ましく、その場合、
正電極の表面には陰イオン交換膜が、負電極の表面には
陽イオン交換膜が被装される。これによって該陰イオン
交換膜が正電極側に発生する陽イオンのＩ維配向域への
透過侵入を阻止し、同様に該陽イオン交換膜が負電極側
に発生する陰イオンの繊維配向域への透過侵入を阻止す
るため、イオンに起因する繊維懸濁液の乱れは巧みに防
止される。

ＩＩ帷集積体の製造は、短繊維、ウィスカ等の繊維を誘
電液体中に分散させて繊維懸濁液とすることから始まる
。

上記繊維として、短繊維及びウィスカの範晴に入るもの
のすべてを用いることができ、その径及び長さはとくに
限定されない。該繊゛維の材質としては、ｌ１ｌｆｔ懸
濁液として所定の電界内に注入された際、誘電液体中で
静電配向するものであればよく、例えば、アルミナ、シ
リカ、アルミナ−シリカ、ベリリヤ、炭素、炭化珪素、
窒化珪素、ガラスのほか各種金属等を使用することがで
きる。また、該繊維のうちちの２種以上を混合して使用
することもできる。

上記誘電液体とは、電圧の印加により誘電性を示す液体
をいい、これには四塩化炭素、フッ素塩素置換炭化水素
、ｎ−ヘキサン又はシクロヘキサン等が挙げられる。こ
れらの誘電液体のうち四塩化炭素がとくに好ましく、ま
た、フッ素塩素Ｍ換炭化水素は取扱い上、安全性の面で
優れている。

なお、該誘電液体中に繊維をなるべく均一に分散させる
には、通常界面活性剤特にノニオン系界面活性剤を適当
量添加することが望ましい。

続いては直立円筒状空間内の円周の法線方向に交互に配
置され、かつ、連続又は間歇的に緩やかに回動せしめら
れる複数対の正負電極間に電界を形成し、上記繊維懸濁
液を該電界内に注入して、誘電液体中で個々の繊維をそ
の一端が正電極に他端が負電極に指向した円周接線方向
に配向させ、同時に橋絡をともなってこれを沈降させる
ことである。

正負電極間に電圧を印加して形成される上記電界の強さ
は、通常的０．５〜５ｋｖ／ｃｍで、これが０．２ｋｖ
／ｃＩ１１程度以下ではｍ雑の静電配向が十分でなく、
また１０ｋｖ／ｃｎ＋程度以上においては繊維懸濁液に
撹乱が生じて繊維の配向精度が劣化する。もつとも好ま
しい電界の強さは約１〜２ｋｖ／ｃｍである。なお、該
電界の強さは、使用繊維の種類、誘電液体の誘電特性及
び製造される繊維集積体の厚さなどにより、もつとも好
ましい値が設定される。電極の上記回動によって偏在す
ることなく均一に配向した繊維は順次橋絡沈降して直立
円筒状空間の下部に集積されるが、これが所望厚さに達
するまでの間上記繊維懸濁液の注入は続けられ、容器の
底壁からはほぼ等量の液の排出が行われる。この場合、
液の排出には注意が肝要で、液に力学的な乱れの生じな
い程度に流量を調節したうえで、自然流出若しくは吸引
排出させることが望ましい。上記流排出は直立円筒状空
間の下部に配設された濾過体を介して行うことが、流量
の調節ばかりでなく繊維の漏出や液の乱れを防止するう
えで効果的であり、該濾過体としてはたとえば多孔質セ
ラミックなどを使用することができる。

なお、橋絡沈降して該濾過体上に集積された繊維層が回
動する電極の干渉によって撹乱されないよう、電極は繊
維層の累積高さに応じて昇動し、その下端縁は繊維層と
常に所定の間隙を保つようになされる。

かくて集積を終え、残留誘電液体の排出除去をまって取
出された円筒状のＩＩＩ集積体は、円筒状に形成された
機能部品のＩＩ維強化金属用繊維成形体として供される
ものである。

本発明方法の実施には、たとえば第１図及び第２図に模
式的に示すような装置が用いられる。図中１は外筒２を
有する有底容器で、該外筒２と同心的に配置された内筒
３がたとえば３個の脚３ａにより有底容器１の内底面上
に支持されており、上記外筒２と内筒３との間には繊維
配向域となる直立円筒状空間４が形成されている。直立
円筒状空間４内には該空間４を円周の法線方向に等分区
画するように配置され、かつ垂直方向に延在された２本
１組の針状の正電極５及び負電極６が、交互に複数対た
とえば各３組設けられている。該正及び負の各電極５．
６の基端は環状に形成された絶縁性の支持部材７中に埋
設され、該支持部材７は連接部材８及びプーリ９を介し
て回転駆動系と連結せしめられるとともに、一方では上
記円筒３と螺合１５することにより回動と同時に昇降動
も可能となされている。１０は直立円筒状空間４の下部
全域に配設されて実質的に該空間４の底壁を形成する濾
過体で、誘電液体１１中に分散した繊維は分極配向し、
かつ、橋絡沈降して該濾過体１０上に集積１２される。

そして正及び負の電極５．６の表面には陰及び陽のイオ
ン交換膜が被装されるとともに、合圧及び負の電極５．
６は該正負電極５．６間に所定の電界を形成する゛ため
の図示しない電圧印加装置と接続されている。なお、有
底容器１の底部には吸引装置とも連接可能な導ｖ！１１
３及びコック１４からなる排液手段が設けられている。

［発明の効果］ 本発明の繊維集積体の製造方法は、直立円筒状空間内の
円周の法線方向に交互に配された複数対の正負電極９間
に電界を形成し、短繊維、ウィスカ等の非連続繊維をＭ
’ｌｌ液体中に分散させたＩＩＩ［懸濁液を上記電界内
に注入して該繊維を円周接線方向に静電配向させ、これ
に沈降集積して筒状の繊維集積体を得るようにし、しか
も上記電極を直立円筒状空間内で回動させると同時に、
集積される繊維層の累積高さに応じてこれを長手方向に
も変位させるようにしたものであるから、本発明方法に
より得られた繊維集積体を円筒状に形成された機能部品
の繊維強化金属成形体として使用するとき、以下に列記
する優れた効果を奏する。

（１）繊維強化金属中の非連続繊維の多くが円周接線方
向に良好に配向し、しかも電極による配向ｍ雑の離断や
偏在がないため、同方向の応力も該ＩＩが十分に担受し
て強化金属の強度が大幅に向上するとともに、とくに繊
維配向と膨張方向とが一致するため、強化金属の熱膨張
を有効に抑制することができる。

（２）円周方向に巻回させた連続繊維による強化金属と
の比較において、連続繊維の場合は熱サイクルに弱く、
繊維とマトリックス金属とはその熱膨張差により剥離や
、ｓａｇの座屈を生じるが、円周接線方向に配向した非
連続繊維の場合は、上記両者の熱膨張による歪を繊維端
面付近のマトリックス金属が吸収するため、上記のよう
な欠陥は生起しない。

（３）二次元又は三次元ランダムに配向した非連続繊維
による強化金属とは比較するまでもなく、上記応力方向
と繊維配向とが一致している円周接線方向配向繊維によ
るものが、強度、熱膨張のいずれの観点からも格段と優
れている。

さらに本発明の繊維集積体の製造装置は、直立円筒状空
間内の円周の法線方向に配置された電極を針状又は網状
として、円周接線方向に配向した繊維の該電極による離
断を極力防止するようにしたものであるから、繊維強化
金属の強度向上に一層顕著な効果を発揮する。

［実施例］ 以下、実施例により本発明を説明する。

（第１実施例） 第１図及び第２図に示す装置において、正負電極５．６
はそれぞれ直径２ＩＩｌの針状１ｉ１２本を１組として
交互に各３組等間隔に配置し、外筒２の内径は１００１
１ｍに設定した。

そして、まず表面処理をしないアルミナ短繊維（平均繊
維径約３μｍ、平均ｔａ長１０〜５００μｍ）を、四塩
化炭素の誘電液体中にごく少量のノニオン系界面活性剤
とともに添加し、これらを撹拌して該繊維を分散させた
繊維懸濁液とした。

上記装置の各正負電極に約ｉｋＶ／Ｃ１の電界を形成し
て、直立円筒状空間４の上方から全ての電極５．６問に
繊維懸濁液を注入した。

注入された繊維は該誘電液体１１中で誘電分極して円周
接線方向に静電配向され、次いでその多くは橋絡を生じ
て質量を増し、円周接線方向の配向状態を保って沈降す
る。このときの電極５．６の回動速度は２ｒｐｍとした
。

上記配向橋絡繊維は、ｌ１ｌＩＩＩ！！濁液の注入と並
行して行われる導管１３からの濾液の排出によって順次
濾過体１０上に集積１２され、上記電極５．６は集積さ
れる繊維層の累！高さに応じてその下端縁が所定の間隙
を保つよう、内筒３と螺合１５する支持部材７のねじピ
ッチを２１１１１に設定した。

かくて所定厚さく約１５１）の繊維集積体としたのち、
残存液を排出除去して取出される。

この４１帷集積体は円筒形状をなし、繊維の離断や偏在
がなく円周接線方向にきわめて均一良好に配向しており
、その内周部は外周部と比べて幾分繊維体積率が大きい
。しかし直立円筒状空１ｉＩ４の外周域により高温度の
繊維懸濁液を供給することにより、全体的にほぼ同等の
繊維体積率の集積体とすることもできる。

なお、本実施例では、直立円筒状空間４の下部全域に濾
過体１ｏを有するので、液の流排出にともなう乱流もほ
とんど生ぜず、繊維の多くがきわめて良好に円周接線方
向に配向された繊維集積体を製造できる。

このａ！雑集積体はこれを繊維強化金属用に供したとき
、該強化金属は円周法線方向の強度が一層高く、かつ熱
膨張が小さいことから、例えば各種ピストン等に有効に
利用できる。

（第２実施例） 本実施例は正負電極５．６を網状（＃４）として各２個
等間隔に配置し、誘電液体をフッ素塩素＋ａ換炭化水素
、繊維を炭化珪素ウィスカ（平均繊維径０．７μｍ、平
均繊維長５０μｍ）とし、さらに電界の強さを１．５ｋ
ｖ／ｃｍとした以外は第１実施例と同様の方法で繊維集
積体を製造した。

本実施例においてもＩＩの多くが良好に円周接線方向に
配向した繊維集積体が得られた。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明装置の実施例を模式的に示した断面図、
第２図は同一部省略平面図である。 １・・・有底容器　　　　２・・・外筒３・・・内筒　
　　　　　４・・・直立円筒状空間５・・・正電極　　
　　　６・・・負電極７・・・支持部材　　　　９・・
・プーリ１０・・・濾過体　　　　１３・・・導管１４
・・・コック

Claims (5)

【特許請求の範囲】
1. （１）直立円筒状空間内の円周の法線方向に交互に配さ
   れた複数対の正負電極間に電界を形成し、短繊維、ウイ
   スカ等の非連続繊維を誘電液体中に分散させた繊維懸濁
   液を上記電界内に注入して該繊維を円周接線方向に静電
   配向させると同時に橋絡させ、同配向繊維を順次沈降さ
   せて集積するようにした繊維集積体の製造方法であって
   、上記電極を直立円筒状空間の中心線を軸心として緩や
   かに回動させ、かつ該電極下端縁と累積繊維層との間隙
   を常に所定値に保つよう直立円筒状空間の長手方向に対
   する電極位置を順次相対的に変位させることを特徴とす
   る繊維集積体の製造方法。
2. （２）上記電極の回動が所定の回動角内での正逆動であ
   る特許請求の範囲第１項記載の方法。
3. （３）同心的な内、外筒によってその間に直立円筒状空
   間を形成した有底容器と、該直立円筒状空間内の円周の
   法線方向に交互に複数対配置され、かつ垂直方向に延在
   された針状の正及び負の電極と、該電極を直立円筒状空
   間の中心線を軸心として回動させる手段と、該直立円筒
   状空間の下部に配設された濾過体と、該濾過体上に集積
   される繊維層の累積高さに応じて該電極を昇動させる手
   段と、上記有底容器の底壁に設けられた排液手段と、上
   記各電極に接続された電圧印加装置とからなる繊維集積
   体の製造装置。
4. （４）上記直立円筒状空間は水平面内において上記各電
   極により偶数等分されている特許請求の範囲第３項記載
   の装置。
5. （５）上記電極が網状に形成されている特許請求の範囲
   第３項又は第４項記載の装置。