纤维增强树脂辊及其制造方法 【技术领域】
本发明涉及用于例如造纸、炼铁、薄膜、纤维等各种工业中的纤维增强树脂辊及其制造方法，更加特别涉及用作造纸用的压光辊、造纸用的加压辊、纤维用的压光辊、磁记录介质制造用的压光辊等的大型硬质纤维增强树脂辊及其制造方法。
背景技术
众所周知如下的制造大型的硬质的纤维增强树脂辊的方法：依次运送带状无纺布的同时，将无纺布浸渍在热固性树脂材料中，并将其卷绕在辊芯的外侧，使其固化而成(日本特许公报昭59-25886号、日本特许公开公报昭61-144422号、日本特许公开公报昭49-55905号、日本特许公开公报昭47-10159号)。
大多数现行实用的纤维增强树脂辊是通过将聚酰胺、聚酯等的有机纤维构成的无纺布浸渍在热固性树脂中，并将其卷绕在辊芯的外周上而制得的。在热固性树脂中混入无机粉末的填充材料的情况下，也可制得。但是，采用了有机纤维的无纺布的辊表面容易受损，表面强度上升受限。
日本特许公报昭59-25886号公开了在辊芯的外周上形成纤维增强层，再在该增强层的外周形成浸渍有热固性树脂和和微细无机粉末的混合物的无纺布层，纤维增强层和辊芯的外周及无纺布层结合为一体而成的硬质辊。
作为构成无纺布层地纤维，可用有机纤维及无机纤维，但实施例的记载中，具体使用的仅是有机纤维，对于利用无机纤维的无纺布来制造硬质辊的制造方法无具体说明。采用有机纤维的无纺布的辊如上所述，其表面容易受损，表面强度的上升受限。
另外，无机纤维的无纺布通常因没有有机纤维的无纺布一样的柔软性，再者对于拉伸力来说，纤维容易变形，卷绕在辊芯的外侧是非常困难的。
日本特许公表公报2001-505262号公开了将多层浸渍了热塑性树脂的纤维卷绕在辊筒本体上的造纸机用辊的制造方法。作为纤维材料，揭示了玻璃纤维、碳纤维、陶瓷纤维等的无机纤维。
在该造纸机用辊筒的制造中，利用挤压机将连续的纤维垫浸渍在热塑性树脂中，将该浸渍后的带(band)覆盖在辊筒本体上，并在即将把该浸渍后的带粘附于辊简面上之前，对该带加热。
但是，利用该方法，因所用的树脂为热塑性树脂，所以即使在即将粘附于辊筒上之前对浸渍了树脂的带进行加热，高分子的热塑性树脂的粘度怎么降也不形成液态，树脂不能完全浸渍在纤维材料中。
为此，存在如下问题，即，因纤维材料中没有充分浸渍热塑性树脂，所以很难完全使带相互融合成形为辊筒。即使成形为辊筒，完成后的辊筒因具有纤维材料多层层叠的结构，而不能形成均匀的辊筒。
另外，因纤维材料中没有充分浸渍热塑性树脂，所以不能经树脂的浸渍将纤维材料中存在的空气完全赶出，成形的辊筒内部含有空气。辊筒内部不均匀，含有空气的话，辊筒的品质就下降，并且会成为使用时引起辊筒破裂的原因。
若使用热固性树脂制造强度高的辊筒的话，浸渍的液态热固性树脂必须选择粘度较高的树脂。若树脂的粘度高，很难将带状纤维集合体中的空气赶出而充分浸渍。
尤其在制造硬质的纤维增强树脂辊时，虽较好是混合有无机填充材料，但是将无机填充材料混合的话，树脂的粘度变得更高，树脂浸渍到带状纤维集合体中会更加困难。若往带状纤维集合体的浸渍不充分的话，成形后的辊筒内部含有空气，成为引起使用时辊筒破裂的原因。
发明内容
所以本发明是为了解决上述问题而进行的，本发明的目的在于提供一种表面强度优异、很难受损或破裂的纤维增强树脂辊。
本发明的另一个目的在于提供一种在覆盖层中均匀分散有纤维材料，并且内部不含空气的纤维增强树脂辊。
本发明的另一个目的在于提供一种能够容易将浸渍了液态热固性树脂材料的无机纤维卷绕到辊芯外侧的纤维增强树脂辊的制造方法。
本发明的另一个目的在于提供一种可让卷绕在辊芯外侧的无纺纤维集合体充分浸渍液态的热固性树脂材料的纤维增强树脂辊的制造方法。
本发明的纤维增强树脂辊包括辊芯和直接或通过下卷层形成在该辊芯的外周上的由热固性树脂构成的覆盖层，上述的热固性树脂含有以无机纤维为主体的纤维材料。纤维材料均匀分散在覆盖层中。这里的“均匀”是指在厚度方向上几乎均等地分散有纤维材料。
如上所述使用以无机纤维为主体的纤维材料，并使上述纤维材料均匀地分散在覆盖层中，可提高辊表面的强度，能够制得很难受损或破裂的纤维增强树脂辊。
上述覆盖层中的纤维材料的密度较好在2wt％以上、40wt％以下。更好在5wt％以上、20wt％以下。
如上所述通过将覆盖层的纤维材料的密度控制在2wt％以上、40wt％以下，可制得表面强度优异的、很难受损和破裂的纤维增强树脂辊。若纤维材料的密度比上述范围低的话，就不能充分得到纤维材料所产生的增强的效果。另一方面，若纤维材料的密度高于上述范围的话，很难制成充分浸渍热固性树脂且不含空气的树脂层。
为了制得覆盖层中均匀分散纤维材料、表面强度优异的、不容易受损和破裂的纤维增强树脂辊，纤维材料的长度最好在3mm-50mm的范围。
覆盖层，在一个实施方式中，是通过将利用粘合剂将以无机纤维为主体的纤维材料粘结成带状的并浸渍了热固性树脂材料的无纺纤维集合体卷绕在辊芯上而形成的。
通过使用如上所述的以粘合剂将以无机纤维为主体的纤维材料粘结成带状的无纺纤维集合体，不仅使用了无机纤维，而且浸渍了热固性树脂的无纺纤维集合体，即使在将其卷绕在辊芯的外侧时，也具有充分的拉伸强度，卷绕的操作变得容易。这样，可使无机纤维均匀地分散在由热固性树脂构成的覆盖层中，制得强度优异的、很难受损和破裂的纤维增强树脂辊。
本发明的纤维增强树脂辊的制造方法包括以下3个工序：一边依次运送含纤维材料的带状无纺纤维集合体，一边使液态的热固性树脂材料被浸渍在上述无纺纤维集合体中的工序；直接或者通过下卷层将上述无纺纤维集合体卷绕在辊芯的外周上的工序；使上述热固性树脂材料固化的工序。纤维材料最好主要含有无机纤维。
因为如上所述，在浸渍了液态的热固性树脂材料的状态下将无纺纤维集合体卷绕在辊芯的外侧，经该方法制得的辊具有以无机纤维为主体的纤维材料均匀地分散在热固性树脂中的结构。为此，形成强度高、不容易受损和破裂的辊。因纤维材料被粘合剂粘结，所以不仅仅使用无机纤维的无纺纤维集合体即使在卷绕在辊芯的外侧时，也具有充分的拉伸强度。由此，无纺纤维集合体的卷绕的操作是容易的。
在将浸渍了上述热固性树脂材料的上述无纺纤维集合体的运送中和卷绕在上述辊芯上时的至少一个操作中，最好还包括使含浸在上述无纺纤维集合体中的热固性树脂材料的粘度降低的工序。更加具体地说，浸渍无纺纤维集合体时的液态热固性树脂材料的粘度通常为1500mPa·s-4000mPa·s左右。在将无纺纤维集合体的运送中或卷绕在上述辊芯上时的至少一个操作中，使粘度降至300mPa·s-1000mPa·s。
如上所述通过使浸渍无纺纤维集合体的热固性树脂材料的粘度降低可促进该热固性树脂材料的流动。这样，可促进树脂浸透到无纺纤维集合体中，在无纺纤维集合体的纤维之间充满树脂，并且还可将空气从无纺纤维集合体中赶出。
尤其是无纺纤维集合体因是用粘合剂粘结以无机纤维为主体的纤维材料而成的集合体，所以卷绕在辊芯的外侧时，具有足够的拉伸强度。这样通过卷绕时的压紧力和粘度降低所产生的热固性树脂材料的流动化的协同作用，可有效地将空气从无纺纤维集合体中赶出，使热固性树脂完全填满在无纺纤维集合体中。其结果是，制成的辊已不具有无纺纤维集合体叠层的结构，而且纤维材料均匀地分散在覆盖层中，并且内部不含有空气。
作为使浸渍无纺纤维集合体的热固性树脂材料的粘度降低的手段，可用加热无纺纤维集合体的方法。无纺纤维集合体的加热，可利用热风装置或通过加热器进行。也可以利用加热以外的方法来将热固性树脂材料的粘度降低。
利用加热使热固性树脂材料的粘度降低的情况下，若在将无纺纤维集合体卷绕在辊芯的外侧的操作结束之前，热固性树脂材料进行反应的话，不能将空气从无纺纤维集合体中赶出。为此，加热至高温，在无纺纤维集合体中浸渍了液态的热固性树脂材料后，最好立即降温。从该点看，作为加热手段，在将无纺纤维集合体的运送中和卷绕在上述辊芯上时的至少一个操作中，最好局部设置加热装置，在浸渍了液态的热固性树脂材料的无纺纤维集合体通过加热装置时进行瞬间加热。构成无纺纤维集合体的无机纤维因较有机纤维具有更好的耐热性，所以即使在经过加热手段进行加热时，也不受到损伤。由此，纤维材料对树脂辊的增强的效果明显。
通过在将无纺纤维集合体的运送中和卷绕在上述辊芯上时的至少一个操作中，降低浸渍无纺纤维集合体的热固性树脂材料的粘度，如上所述可促进热固性树脂材料浸透到无纺纤维集合体中，和卷绕在辊芯的外侧时的压紧力一起，将存在于无纺纤维集合体中的空气赶出，并且可完全将热固性树脂填充在无纺纤维集合体中。其结果是，制成的辊已不具有无纺纤维集合体叠层的结构，而且纤维材料均匀地分散在覆盖层中，并且内部不含有空气。此时，作为降低浸渍无纺纤维集合体的热固性树脂材料的粘度的手段，也可用加热无纺纤维集合体的方法。纤维材料无论是有机纤维还是无机纤维都可以。
最好是多次或多处将树脂材料的粘度降低来更有效地将空气从无纺纤维集合体中赶出，并且将热固性树脂填满无纺纤维集合体。
上述无纺纤维集合体最好具有50N/15mm以上的长度方向拉伸强度。
无纺纤维集合体具有50N/15mm以上的长度方向拉伸强度时，由无纺纤维集合体构成的带状物即使在卷绕在辊芯的外侧时，也具有足够的拉伸强度。为此，卷绕的操作变得容易。另一方面，若由无纺纤维集合体构成的带状物的长度方向拉伸强度低于上述范围时，卷绕在辊芯的外侧时的拉力会使构成带状物的纤维变形，带状物容易折断，卷绕困难。
无纺纤维集合体较好具有30g/m2-100g/m2的单位面积重量。
若无纺纤维集合体的单位面积重量小于30g/m2时，由无纺纤维集合体构成的带状物的强度变小，卷绕在辊芯的外侧时的拉力可能折断带状物。若无纺纤维集合体的单位面积重量小时，因带状物的厚度小，要使由浸渍了热固性树脂材料的无纺纤维集合体构成的覆盖层达到规定厚度时，必须增加卷绕带状物的次数，很花时间。另外，若无纺纤维集合体的单位面积重量超过100g/m2，过大时，带状物的厚度大，所以卷绕容易出现不均匀，很难制得均匀的辊。
上述无纺纤维集合体最好是内部不含加固纱、针孔法(needle-punch)所形成的纤维强制性缠结(intertwinement)等不均匀性要素的集合体。该意思是：无纺纤维集合体较好用将纤维材料抄浆而形成的材料。这样，可制得表面均匀的辊。
若采用将纤维材料抄浆而形成的材料来作为无纺纤维集合体时，制得的纤维增强树脂辊因具有纤维材料在辊面的方向(周方向或轴方向)取向的结构，所以还具有抑制破裂发生的效果。
作为构成无纺纤维集合体的无机纤维，可用玻璃纤维、碳纤维、陶瓷纤维、金属纤维等。其中，考虑到成本等，较好用玻璃纤维。无机纤维通常可单独使用1种的纤维，也可以将2种以上的纤维混合使用。例如，将玻璃纤维和碳纤维混合来防止辊的带电。
对粘合无纺纤维集合体的纤维材料的粘合剂的种类无特别限制，通常使用环氧树脂、聚乙烯醇等。特别是通过使浸渍无纺纤维集合体的热固性树脂材料和粘合纤维材料的粘合剂为相同种类的材料，可不损害热固性树脂材料的物性来制得表面特性、驱动特性等都优异的纤维增强树脂辊。这意味着较好是将热固性树脂材料和粘合剂都选择为环氧树脂类材料。
作为本发明的热固性树脂，较好使用热固性树脂和无机填充材料的混合物。
纤维增强树脂辊通过不仅含有无纺纤维集合体的无机纤维，还含有无机填充材料，可制得强度更加优异的、很难损伤和破裂的辊。
作为无机填充材料，可用二氧化硅粉末、石英、玻璃、粘土、碳酸钙、炭精、陶瓷等的粉末、微珠、短纤维、金属须等。无机填充材料可以仅使用1种的上述物质，也可将2种以上混合使用。尤其是考虑到耐磨耗性、耐损伤性、压缩强度等的辊的物性的提高和成本等方面，较好是使用二氧化硅粉末。
通过混合炭精等的导电性的填充材料，还可实现辊的带电防止。通过将无机纤维作为玻璃纤维、使用二氧化硅粉末作为无机填充材料进行组合，可制得强度特别优异的、很难损伤和破裂的辊。
作为浸渍无纺纤维集合体的热固性树脂材料，可用环氧树脂、聚酯树脂、聚酰亚胺树脂、聚氨酯树脂等。尤其是环氧树脂较好。通过使用环氧树脂，可制得强度好、不易损伤和破裂的辊。
本发明的纤维增强树脂辊的含在覆盖层中的纤维材料较好取向在树脂辊的面的方向(周方向或轴方向)。纤维材料若取向在树脂辊的半径方向上的话，树脂辊的压缩弹性率增大到所需的压缩弹性率以上，会妨害压缩(nip)时的弹性变形，可能对辊的特性产生不利影响。纤维材料在树脂辊的面的方向上进行取向的话，不仅可避免上述特性劣化，而且还可抑制树脂辊破裂的发生。
本发明的纤维增强树脂辊，覆盖层的厚度，或者在具有下卷层时，下卷层和覆盖层的厚度合计较好为3mm-15mm。覆盖层的厚度或者下卷层和覆盖层的厚度的合计比3mm小的话，可能不能得到足够的压缩(nip)幅度。若覆盖层的厚度或者下卷层和覆盖层的厚度的合计超过15mm的话，在覆盖层中容易产生裂缝，所以不理想。
本发明的纤维增强树脂辊的辊芯，除了使用通常的辊芯以外，还可用设置了能够从内部进行加热或冷却的加热及/或冷却手段的辊芯。
采用可从内部进行加热及/或冷却的类型的辊芯时，特别是采用纤维增强树脂辊作为压光辊时，可使处理对象的网状(web)材料的处理性能提高。和有机纤维相比，因无机纤维的导热性高，所以采用能够从内部进行加热及/或冷却的类型的辊芯时，如本发明那样，用于覆盖层的无纺纤维集合体为无机纤维时可更加有效。此时，通过在无机纤维中使用碳纤维或金属纤维，可得到更高的导热性，纤维增强树脂辊的加热和冷却是有效的。在使用能够从内部进行加热及/或冷却的类型的辊芯时，覆盖层厚度薄的辊芯为导热性好的辊芯。因此，此时的覆盖层的厚度或者下卷层和覆盖层的厚度合计最好为3mm-15mm，更好为3mm-10mm。辊芯从内部加热和冷却可通过水、油、蒸气、电磁感应等进行。此时的纤维增强树脂辊可在10℃-150℃的范围内进行加热及冷却。
本发明的纤维增强树脂辊的覆盖层的玻璃化温度(Tg)较好在120℃-200℃。覆盖层的玻璃化温度(Tg)低于120℃时，纤维增强树脂辊的耐久性、耐热性可能会变低。另一方面，若覆盖层的玻璃化温度(Tg)超过200℃时，纤维增强树脂辊在冷却时容易出现裂缝。
附图说明
图1是显示本发明的第1实施方式的纤维增强树脂辊的纵切面的截面图。
图2是显示本发明的第1实施方式的纤维增强树脂辊的横切面的截面图，是显示图1的II-II线截面的截面图。
图3A及图3B为本发明的第1实施方式的纤维增强树脂辊的部分扩大示意图。
图4是为说明本发明的纤维增强树脂辊的制造方法的示意图。
图5是显示本发明的第2实施方式的纤维增强树脂辊的纵切面的截面图。
具体实施方式
以下用图1-图5对本发明的实施方式进行说明。图1和图2是本发明的第1实施方式的纤维增强树脂辊1的截面图。图3A和图3B是纤维增强树脂辊1的部分扩大示意图。如图1及图2所示，纤维增强树脂辊1包括辊芯2、纤维增强下卷层3和覆盖层4。
辊芯2例如为长2370mm、直径为415mm的铁制辊芯。下卷层3是为了提高纤维增强树脂辊1的强度而被形成在辊芯2的外周上的。
上述下卷层3可具有例如3mm左右的厚度，可按照日本特许公报昭59-25886号等的方法制得公知的构造，通过浸渍了热固性树脂或热固性树脂和无机粉末的混合物的增强纤维等形成。作为下卷层3的增强纤维，可单独使用无机或有机纤维的粗纱、织布和无纺布等，也可以将这些进行组合使用。纤维增强树脂辊1的使用条件较为温和的情况下，还可省略下卷层3。
覆盖层4具有例如7mm左右的厚度，在下卷层3之上，将由粘合剂粘结以玻璃纤维等无机纤维为主体的纤维材料而成的带状的无纺纤维集合体卷绕而形成。
覆盖层4和下卷层3的厚度比率较好为1/9-9/1。例外，下卷层3和覆盖层4的总厚度较好在3mm以上。若下卷层3和覆盖层4的总厚度小于3mm的话，在使纤维增强树脂辊和金属辊对置加上负荷时，不能得到最佳的压缩幅度。
更详细说，如下所述将浸渍了液态的热固性树脂材料的上述无纺纤维集合体卷绕在辊芯2的外周，然后使树脂固化而形成覆盖层4。
覆盖层4，如图3A所示意，多层无纺纤维集合体以被树脂充满的状态叠层，固化后的树脂辊不是多层结构，而是如图3B所示那样处于纤维材料6均匀分散于覆盖层4中的状态。
本发明的覆盖层4的上述纤维材料的延伸方向(各纤维的长度方向)最好为树脂辊1的周方向或轴方向。若纤维向着树脂辊1的半径方向的话，宛如纤维竖起的状态，树脂辊1的压缩弹性率会比需要的大。为此，会妨碍压缩时的弹性变形，对于辊的特性是不理想的。
通过将纤维材料的取向方向主要沿树脂辊1的周方向或轴方向，可避开相应的特性劣化。另外还可以抑制树脂辊1的破裂的发生。
下面，对本发明的纤维增强树脂辊1的制造方法，利用图4进行说明。
首先，利用喷砂器将辊芯2的外周面进行粗面化，在该辊芯2的外周面上形成厚度3mm的下卷层3。下卷层3是在辊芯2的周围，将浸渍了混合有20wt％的二氧化硅粉末的环氧树脂液体的玻璃粗纱卷绕1mm厚，然后，在该玻璃粗纱的外周上，卷绕浸渍了同样的环氧树脂液体的玻璃网状带(crosstape)2mm厚而形成。
接着，利用如图4所示的方法，一边将经环氧树脂粘合剂粘合玻璃纤维而成的玻璃纸(SYS-041：オリベスト公司制造)8浸渍在如上所述那样的混合有20wt％的二氧化硅粉末的环氧树脂液体12中，一边将其卷绕在下卷层3上形成覆盖层4。
作为玻璃纸8，例如可用长度方向拉伸强度为63.7N/15mm、单位面积重量为40.7g/m2、幅宽为50mm、厚度为0.34mm的玻璃纸。
如图4所示，依次将玻璃纸8从卷状物7拉出，通过拉杆9(tension bar)将拉出的玻璃纸8浸渍在树脂槽13内的环氧树脂12中。树脂槽13内的环氧树脂12的粘度约为1500mPa·s-4000mPa·s。
通过树脂槽13后，利用2根节流杆(throttle bar)10调整环氧树脂12的浸渍量，将玻璃纸8卷绕在以规定转数旋转的辊芯2外侧的下卷层3上。
此时，玻璃纸8，分别通过设置在刚要卷绕在辊芯2之前和卷绕的途中的2处的热风加工机等的加热装置11，于约600℃的温度进行局部加热。这样，可瞬间降低浸渍玻璃纸8的环氧树脂液体12的粘度，使环氧树脂液体12充分浸渍玻璃纸8，同时从浸渍了环氧树脂液体12的玻璃纸8中除去空气。
此时，如图4所示，较好是直接从玻璃纸8的正反面对树脂进行加热。由此可有效地降低树脂液体的粘度。加热瞬间，环氧树脂液体12的粘度降低到300mPa·s-1000mPa·s左右。
作为加热装置11，不仅可用将热风吹到玻璃纸8上的上述热风加工机，还可以用加热器等。
玻璃纸8的卷绕，通过在辊芯2转动1周的时间内，沿着辊芯2的轴方向移动玻璃纸8幅宽的1/2，从轴方向的一端到另一端反复移动12次而进行。这样可形成厚度约为7mm的覆盖层4。
然后，于180℃温度对层压了辊芯2、下卷层3和覆盖层4的层压圆筒体加热，固化环氧树脂。切削外周面，研磨，完成长度为5200mm、直径为431mm的纤维增强树脂辊1。
图5显示了本发明的第2实施方式的纤维增强树脂辊101的截面图。第2实施方式的纤维增强树脂辊101和第1实施方式的纤维增强树脂辊1的不同之处在于：辊芯102是能够从内部进行加热及/或冷却的类型的辊芯。除此以外，下卷层103、覆盖层104及纤维增强树脂辊101的制造方法和第1实施方式的下卷层3、覆盖层4及纤维增强树脂辊1的制造方法相同。辊芯102的内部为中空，从设置在辊芯102的两端轴部的注入部和排出部105、106可注入和排出水、油、蒸气等的加热介质。
如上，参考附图对本发明的实施方式进行了说明，但是上述为实例，只要在和本发明相同的范围内，或均等于本发明的范围内，也可以进行各种修正或变化。
产业上应用的可能性
本发明可用作造纸、炼铁、薄膜、纤维等各种工业中所用的纤维增强树脂辊，具有实用性。