炭素ナノ結晶材料及びそれを用いた電熱板の製造方法
【課題】炭素繊維の電熱板の表面の温度上昇と放熱と均一である炭素ナノ結晶材料とそれを用いた電熱板の製造方法を提供する。
【解決手段】炭素ナノ結晶材料は全体重量の７０〜８０％を占めるアクリロニトリル基炭素繊維と、全体重量の１〜５％を占める炭素ナノ繊維と、全体重量の１５〜２９％を占める炭素結晶とから組成される。アクリロニトリル基炭素繊維は、Ｋ数が１０〜１５Ｋ、直径が１〜５μｍ、長さが２〜４ｍｍと４．５〜６ｍｍのアクリロニトリル基炭素繊維の重量比が０．５〜２：１の組成であり、炭素ナノ繊維は直径５０〜２００ｎｍ、炭素結晶のメッシュの数は４００〜１０００である。炭素ナノ結晶材料は均質な面状発熱体を形成でき、それを用いた電熱板の表面の温度上昇と放熱とを均一にさせることができる。発熱が均一で安定し、温度上昇が速く、絶縁性に優れ、寿命が長いため、生活の需要に応じた大量生産に適する。
【解決手段】炭素ナノ結晶材料は全体重量の７０〜８０％を占めるアクリロニトリル基炭素繊維と、全体重量の１〜５％を占める炭素ナノ繊維と、全体重量の１５〜２９％を占める炭素結晶とから組成される。アクリロニトリル基炭素繊維は、Ｋ数が１０〜１５Ｋ、直径が１〜５μｍ、長さが２〜４ｍｍと４．５〜６ｍｍのアクリロニトリル基炭素繊維の重量比が０．５〜２：１の組成であり、炭素ナノ繊維は直径５０〜２００ｎｍ、炭素結晶のメッシュの数は４００〜１０００である。炭素ナノ結晶材料は均質な面状発熱体を形成でき、それを用いた電熱板の表面の温度上昇と放熱とを均一にさせることができる。発熱が均一で安定し、温度上昇が速く、絶縁性に優れ、寿命が長いため、生活の需要に応じた大量生産に適する。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は炭素ナノ結晶材料及びそれを用いた電熱板の製造方法、詳しく言えば結晶材料およびそれを用いた面状発熱体の製造方法に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
炭素は一定の条件下で優良な性能を呈する半導体材料であるとされる。理論上、炭素結晶を切削して形成された顆粒はいかに小さくても単体ごとに正負電極を有するはずであるが、多くの炭素顆粒はそのような特徴を持っていない。特殊な加工技法、例えば高温高圧環境下でボールミルによる研磨、軟化、精製、抽出などの工程を行うことで炭素類材料の性質を変えることにより、純度が高くメッシュの数が大きい炭素結晶を精製することが可能である。
【０００３】
大量の炭素結晶が電場の作用を受けるとブラウン運動（Ｂｒｏｗｎｉａｎ ｍｏｔｉｏｎ）が起こり、互いに摩擦と振動とをすることで大量の熱エネルギーを生じ、“電気エネルギー→熱エネルギー”という変換を実現可能である。
炭素繊維（ｃａｒｂｏｎ ｆｉｂｅｒｓ）は良好な導電性と導熱性を有する高性能材料であり、そのコストが低いため、日常生活領域におけるその開発・利用の幅が徐々に広がっている。しかし、保温暖房の用途において炭素繊維を用いた電熱板には下記の問題がある。
【０００４】
（１）不適切な炭素繊維、例えば密度が粗く柔らかい炭素繊維を紙パルプに混ぜると一つの塊になり、それを圧延してできた製品は表面の温度上昇と放熱が不均一であり、変形または焦げ付きが起こりやすい。
（２）炭素繊維と導電帯との間に形成される間隙は接触不良の原因になるため、電流を通すとアークを生じ、炭素繊維紙と電極との接合箇所を覆う板材が穿孔・破壊される恐れがある。
【０００５】
（３）炭素繊維材料を塩霧または湿度が高い環境で使用する場合、大量の漏電が発生し、使用の際に生命の安全を脅かす恐れがある。
上述の問題点のため、炭素繊維を用いた電熱板はまだ生活に大規模に利用されるに至っていない。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
本発明の目的は、従来の炭素繊維を用いた電熱板の、表面の温度上昇と放熱が不均一である、炭素繊維と導電帯との接触が不良である、絶縁性に劣る、寿命が短いという問題を解決するために、炭素ナノ結晶材料とそれを用いた電熱板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】
【０００７】
本発明による炭素ナノ結晶材料は、全体重量の７０〜８０％を占めるアクリロニトリル基（Ａｃｒｙｌｏｎｉｔｒｉｌｅ）炭素繊維と、全体重量の１〜５％を占める炭素ナノ繊維（ｃａｒｂｏｎ ｎａｎｏｆｉｂｅｒｓ）と、全体重量の１５〜２９％を占める炭素結晶とから組成される。アクリロニトリル基炭素繊維は、Ｋ数（一株あたりの単一の繊維の数。Ｋは１０００である）が１０〜１５Ｋ、直径が１〜５μｍ、長さがそれぞれ２〜４ｍｍと４．５〜６ｍｍであるアクリロニトリル基炭素繊維から０．５〜２：１の重量比に基づいて組成されたものである。炭素ナノ繊維の直径は５０〜２００ｎｍである。炭素結晶のメッシュの数は４００〜１０００である。
【０００８】
前記炭素ナノ結晶材料を用いた電熱板を製造する方法は下記（１）〜（３）の製造工程を含む。
（１）は炭素ナノ結晶を用いた発熱紙の製造工程であって、下記のステップａ）〜ｃ）を含む。
ステップａ）は、炭素ナノ結晶材料と製紙用パルプとの重量比を１：９〜１９にして、炭素ナノ結晶材料を製紙用パルプに混ぜ、続いてそれを分散剤の水溶液に加えて炭素繊維と製紙用パルプとの混合パルプを形成するステップである。ステップａ）における分散剤の使用量は炭素ナノ結晶材料の重量の０．５〜５％である。
【０００９】
ステップｂ）は、水溶性の接着剤溶液が入れてある高速攪拌機に炭素繊維と製紙用パルプとの混合パルプを流し込み、続いて紙パルプの叩解度（ビーティング）が３５°〜５５°ＳＲの間に達するまで８００〜２０００ｒｐｍの速度で１〜２時間攪拌するステップである。
ステップｃ）は、攪拌処理された炭素繊維と製紙用パルプとの混合パルプを抄紙網のメッシュ数が５０である抄紙機に流し込み、抄紙機の速度を１０〜１５ｍ／ｍｉｎに制御し、かつ毛布を当てて圧縮して、続いて加熱ドラムにより乾燥成型を行うステップである。
【００１０】
（２）はガラス繊維プリプレグの製造工程であって、プリプレグ縦横２５×１６以上のガラス繊維を有するガラス繊維布の上に混合塗料を塗布し、厚さが０．１〜０．３ｍｍのガラス繊維プリプレグを形成することによる。前記混合塗料は重量比が１〜５：４〜８：１のフェノール樹脂、エポキシ樹脂及びアセトンの混合物である。
【００１１】
（３）炭素ナノ結晶を用いた電熱板の製造工程であって、下記のステップｄ）〜ｊ）を含む。
ステップｄ）は、鉄製トレイ上に六層の５０ｇクラフト紙を敷き、そののち厚さが１〜３ｍｍの平坦な鉄板を敷き、続いて鉄板上に離型剤を塗布するステップである。
ステップｅ）は、鉄板上に耐高圧性能を有する厚さが０．０１〜０．０５ｍｍのポリエチレンフィルムを敷き、耐高圧性能を有するポリエチレンフィルムに装飾紙を敷くステップである。
【００１２】
ステップｆ）は、装飾紙の上に三層から五層のガラス繊維プリプレグを敷き、そののち炭素ナノ結晶を用いた発熱紙を敷き、続いて両側に錫箔から包まれた銅箔を別々に配置することにより導電電極を形成するステップである。銅箔は幅が１０〜１５ｍｍ、厚さが０．６ｍｍであり、その両側はローレット機により網目模様を形成されている。
【００１３】
ステップｇ）は、前記炭素ナノ結晶を用いた発熱紙の上に三層から五層の繊維プリプレグを敷くステップである。
ステップｈ）は、繊維プリプレグの上に耐高圧性能を有する厚さが０．０１〜０．０５ｍｍのポリエチレンフィルムを敷き、離型剤を塗布し、耐高圧性能を有するポリエチレンフィルムに厚さが１〜３ｍｍの平坦な鉄板を敷き、鉄板上に六層の５０ｇクラフト紙を敷くステップである。
【００１４】
ステップｉ）は、扁平な銅網状の導線を導電電極にはんだ付けして固定することにより正負導電極を形成し、その導線をガラス繊維プリプレグの背面から平行に引き出すステップである。
ステップｊ）は、ステップｉ）でできた半製品を熱圧機の上に置き、予熱が８０度に達したら熱圧機を起動し、２００トンに達するまで加圧し、温度を１００℃まで上昇させ、恒温恒圧を８〜９分維持し、温度を１２０℃まで上昇させ、恒温恒圧を８〜９分維持し、温度を１４０℃まで上昇させ、恒温恒圧を８〜９分維持し、保圧の状態で温度を５５℃まで降下させ、続いて減圧を行い、温度を室温まで降下させた後、型を開いて炭素ナノ結晶を用いた電熱板を完成させるステップである。
【００１５】
前記分散剤はアルギン酸ナトリウム、メチルセルロース、ポリアクリルアミンのいずれか一種を含むか、二種以上の組み合せである。製紙用パルプは木材セルロースを原料とする紙パルプである。水溶性の接着剤はポリアニリン、ポリビニルアルコール、水溶性のフェノール樹脂などのいずれか一種を含むか、二種以上の組み合せである。離型剤はポリアミノエステルの離型剤である。
【００１６】
（発明の効果）
前記炭素ナノ結晶材料において、炭素結晶は格子振動を行い、熱を生じ、長径比が異なるアクリロニトリル基炭素繊維は格子状に連なる。炭素ナノ繊維を加えることで、静電気の消散と火花発生が減少すると同時に、互いに接触しているか原子径の距離で離れている原子に格子状の接続により熱を伝導させる。
【００１７】
また、前記炭素ナノ結晶材料は、三次元的に点、線及び面が交差した網目状の構造を持つため、キャリアーはこの網目に沿い電位が低い方向へ移動する。炭素ナノ結晶材料は微視的に見ると一様でないが、全体的には一様であるように見られる。従って、均質な面状発熱体を形成可能であり、炭素ナノ結晶材料を用いた電熱板の表面の温度上昇と放熱とを均一にさせることができる。
【００１８】
本発明に基づいて製造した炭素ナノ結晶材料を用いた電熱板は、面全体上に放熱を行い、かつ導体が三次元の網目構造を呈し、長さがばらばらの炭素繊維から形成された面状発熱板であり、かつ８〜１０μｍの遠赤外線を発生することが可能であるため、長期間にわたって使用すれば健康維持、トレーニングなどの効果を果たすことがでる。
【００１９】
また材質、安全性、絶縁性などが良好であるため電圧１００００Ｖを遮断することができ、また使用寿命が長いため３万時間以上を持続的に使用しても破裂や剥離などは発生しない。また防湿、防水などの機能を有するため、家庭用暖房、プールの加熱、衣類の乾燥、オフィス、会議室またはホテルに適用できる。
【００２０】
また、本発明により製造された電熱板は発熱が均一で安定し、温度上昇が速く、絶縁性に優れ、寿命が長いため、生活の需要に応じ大量生産をするに足りる。またその製造方法と加工方法は簡単であるため、操作に便利である。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２１】
（第１実施形態）
本発明の第１実施形態による炭素ナノ結晶材料は、全体重量の７０〜８０％を占めるアクリロニトリル基炭素繊維と、全体重量の１〜５％を占める炭素ナノ繊維と、全体重量の１５〜２９％を占める炭素結晶とから組成される。そのうちのアクリロニトリル基炭素繊維は、Ｋ数が１０〜１５Ｋ、直径が１〜５μｍ、長さがそれぞれ２〜４ｍｍと４．５〜６ｍｍであるアクリロニトリル基炭素繊維から０．５〜２：１の重量比に基づいて組成される。炭素ナノ繊維の直径は５０〜２００ｎｍである。炭素結晶のメッシュの数は４００〜１０００である。
【００２２】
その処理方法は下記のステップに基づいて行う。
（１）全体重量の７０〜８０％を占めるアクリロニトリル基炭素繊維と、全体重量の１〜５％を占める炭素ナノ繊維と、全体重量の１５〜２９％を占める炭素結晶とを均質に混合させる。
（２）質量濃度が１０〜３０％のアセトン溶液が入れてある清潔な容器に混合物を流し込み、続いて３００〜６００ｒｐｍの速度で攪拌し、そして一時間で浸漬・軟化を行う。
【００２３】
（３）超音波振動により攪拌処理された溶液を０．５〜２時間で洗浄することにより、雑物を除去し、表面を清潔に維持する。
（４）洗浄処理された溶液を加熱し、アセトンを完全に揮発させれば、炭素ナノ結晶材料が完成する。
【００２４】
（第２実施形態）
本発明の第２実施形態による炭素ナノ結晶材料は、第１実施形態による炭素ナノ結晶材料と構成及び作用効果において実質的に同じである。第１実施形態による炭素ナノ結晶材料との違いは、全体重量の７２〜７８％を占めるアクリロニトリル基炭素繊維と、全体重量の２〜４％を占める炭素ナノ繊維と、全体重量の１８〜２５％を占める炭素結晶とから組成されることである。
【００２５】
（第３実施形態）
本発明の第３実施形態による炭素ナノ結晶材料は、第１実施形態による炭素ナノ結晶材料と構成及び作用効果において実質的に同じである。第１実施形態による炭素ナノ結晶材料との違いは、全体重量の７５％を占めるアクリロニトリル基炭素繊維と、全体重量の３％を占める炭素ナノ繊維と、全体重量の２０％を占める炭素結晶とから組成されることである。
【００２６】
（第４実施形態）
本発明の第４実施形態による炭素ナノ結晶材料は、第１実施形態による炭素ナノ結晶材料と構成及び作用効果において実質的に同じである。第１実施形態による炭素ナノ結晶材料との違いは、アクリロニトリル基炭素繊維の直径が２〜４μｍであることである。
（第５実施形態）
本発明の第５実施形態による炭素ナノ結晶材料は、第１実施形態による炭素ナノ結晶材料と構成及び作用効果において実質的に同じである。第１実施形態による炭素ナノ結晶材料との違いは、アクリロニトリル基炭素繊維の直径が３μｍであることである。
【００２７】
（第６実施形態）
本発明の第６実施形態による炭素ナノ結晶材料は、第１実施形態による炭素ナノ結晶材料と構成及び作用効果において実質的に同じである。第１実施形態による炭素ナノ結晶材料との違いは、炭素ナノ繊維の直径が８０〜１５０ｎｍであることである。
（第７実施形態）
本発明の第７実施形態による炭素ナノ結晶材料は、第１実施形態による炭素ナノ結晶材料と構成及び作用効果において実質的に同じである。第１実施形態による炭素ナノ結晶材料との違いは、炭素ナノ繊維の直径が１００ｎｍであることである。
【００２８】
（第８実施形態）
本発明の第８実施形態による炭素ナノ結晶材料は、第１実施形態による炭素ナノ結晶材料と構成及び作用効果において実質的に同じである。第１実施形態による炭素ナノ結晶材料との違いは、炭素結晶のメッシュの数が６００〜９００であることである。
（第９実施形態）
本発明の第９実施形態による炭素ナノ結晶材料は、第１実施形態による炭素ナノ結晶材料と構成及び作用効果において実質的に同じである。第１実施形態による炭素ナノ結晶材料との違いは、炭素結晶のメッシュの数が８００であることである。
【００２９】
（第１０実施形態）
本発明の第１０実施形態による炭素ナノ結晶材料を用いた電熱板の製造方法は、第１実施形態による炭素ナノ結晶材料で電熱板を製造する方法であり、その製造方法は次の製造工程を含む。
（１）炭素ナノ結晶を用いた発熱紙の製造工程は下記のステップａ）〜ｃ）を含む。
【００３０】
ステップａ）において、炭素ナノ結晶材料と製紙用パルプとの重量比を１：９〜１９にして、炭素ナノ結晶材料を製紙用パルプに混ぜ、続いてそれを分散剤の水溶液に加えて炭素繊維と製紙用パルプとの混合パルプを形成する。分散剤の使用量は炭素ナノ結晶材料の重量の０．５〜５％であり、分散剤はアルギン酸ナトリウム、メチル基繊維素、ポリアクリルアミンなどのいずれか一種または二種以上の組み合せであり、製紙用パルプは木材セルロースを原料とする紙パルプである。
【００３１】
ステップｂ）において、水溶性の接着剤溶液が入れてある高速攪拌機に炭素繊維と製紙用パルプとの混合パルプを流し込み、続いて紙パルプの叩解度が３５°〜５５°ＳＲの間に達するまで８００〜２０００ｒｐｍの速度で１〜２時間攪拌する。水溶性の接着剤はポリアニリン、ポリビニルアルコール、水溶性のフェノール樹脂などのいずれか一種または二種以上の組み合せである。
【００３２】
ステップｃ）において、攪拌処理された炭素繊維と製紙用パルプとの混合パルプ抄紙網のメッシュ数が５０である抄紙機に流し込み、抄紙機の速度を１０〜１５ｍ／ｍｉｎに制御し、かつ毛布を当てて圧縮して、続いて加熱ドラムにより乾燥成型を行い、それを巻き取り、巻き取った炭素ナノ結晶の発熱紙から裁断設備と検査装置とにより炭素結晶の含有量が製品の必要条件を満たす原紙を選び出し、かつ製品の必要に応じそれを所定の形に裁断する。
【００３３】
（２）ガラス繊維プリプレグの製造工程は、縦横が２５×１６以上のガラス繊維を有する繊維布の上に混合塗料を塗布し、厚さが０．１〜０．３ｍｍのガラス繊維プリプレグを形成することである。混合塗料は重量比が１〜５：４〜８：１のフェノール樹脂、エポキシ樹脂及びアセトンの混合物である。フェノール樹脂はフェノール樹脂１４１１であり、エポキシ樹脂はエポキシ樹脂Ｅ４４である。
【００３４】
（３）炭素ナノ結晶を用いた電熱板の製造工程は下記のステップｄ）〜ｊ）を含む。
ステップｄ）において、鉄製トレイ上に六層の５０ｇクラフト紙を敷き、厚さが１〜３ｍｍの平坦な鉄板を敷き、続いて鉄板上に離型剤を塗布する。離型剤はポリアミノエステルの離型剤である。
ステップｅ）において、鉄板上に耐高圧性能を有する厚さが０．０１〜０．０５ｍｍのポリエチレンフィルムを敷き、耐高圧性能を有するポリエチレンフィルムに装飾紙を敷く。
【００３５】
ステップｆ）において、装飾紙の上に三層から五層の繊維プリプレグを敷き、そののち炭素ナノ結晶紙を敷き、続いて両側に錫箔から包まれた銅箔を別々に配置することにより導電電極を形成する。銅箔は幅が１０〜１５ｍｍ、厚さが０．６ｍｍであり、その両側にローレット機によって網目模様を形成されている。前記網目模様により錫箔、銅箔と炭素結晶紙は十分に接触する。
【００３６】
ステップｇ）において、炭素ナノ結晶紙の上に三層から五層の繊維プリプレグを敷く。
ステップｈ）において、繊維プリプレグの上に耐高圧性能を有する厚さが０．０１〜０．０５ｍｍのポリエチレンフィルムを敷き、離型剤を塗布し、耐高圧性能を有するポリエチレンフィルムに厚さが１〜３ｍｍの平坦な鉄板を敷き、鉄板上に六層の５０ｇクラフト紙を敷く。離型剤はポリアミノエステルの離型剤である。
【００３７】
ステップｉ）において、扁平な銅網状の導線を導電電極にはんだ付けして固定し正負導電極を形成し、その導線をガラス繊維プリプレグの背面から平行に引き出す。
ステップｊ）において、それを熱圧機の上に置き、予熱が８０度に達したら熱圧機を起動し、２００トンに達するまで加圧し、温度を１００℃まで上昇させ、恒温恒圧を８〜９分維持し、温度を１２０℃まで上昇させ、恒温恒圧を８〜９分維持し、温度を１４０℃まで上昇させ、恒温恒圧を８〜９分維持し、保圧の状態で温度を５５℃まで降下させ、減圧を行い、温度を室温まで降下させた後、型を開けば炭素ナノ結晶を用いた電熱板が完成する。
【００３８】
第１０実施形態における発熱紙は、坪量（Ｂａｓｉｓ ｗｅｉｇｈｔ）が３０〜７０ｇ／ｍ2、厚さが６０〜８０μｍである。上下の両層のクラフト紙は減圧緩衝作用を果たすことが可能である。分散剤が混合物である場合、各種の分散剤を任意の比率で配合することが可能である。水溶性の接着剤が混合物である場合、各種の水溶性の接着剤を任意の比率で配合することが可能である。混合塗料のうちのフェノール樹脂は固化剤、エポキシ樹脂は接着剤、アセトン溶液は希釈剤である。
【００３９】
下記の実験に基づいて本発明の第１０実施形態の効果を実証する。
国際基準に達する温度制御・密閉方式による個室内で実験を進める。個室は内外の熱源がなく、かつ断熱に近いように設定される。個室の内部の実際の大きさは地面が（３．９３±０．２ｍ）×（３．９３±０．２ｍ）であり、高度が２．８±０．２ｍである。個室は地面に炭素ナノ結晶を用いた電熱板（６００ｍｍ×９００ｍｍ）を１６枚有し、すべての炭素ナノ結晶の電熱板の間は直列に接続される。
【００４０】
測定条件は、標準の個室に炭素ナノ結晶を用いた電熱板を水平に舗装し、かつ電熱板の辺縁から壁面までに０．３ｍの距離を置いた範囲内に舗装することである。
測定器材は、熱電対温度計、ヒートセンサー、温度表示器、電圧計器、電流計器、風速計器、湿度測定器、電流メーターなどである。
【００４１】
続いて、任意の電熱板を選び出し、図１に示すように電熱板の表面に温度測定点を八箇所設定し、標準の個室内に置く。個室は内部に空調などの冷熱源を備えず、かつ断熱に近いように設定される。室温が１２．５℃に達したら、炭素ナノ結晶の電熱板に電流を通して温度測定を持続的に行う。表１に温度が上昇する際の電熱板の測定点の温度を示し、表２に温度が安定した後の電熱板の測定点の温度を示す。
【００４２】
表１及び表２に示す測定結果から、表１の温度を上昇させる過程及び表２の温度を安定させる過程のいずれにおいても、電熱板の表面の各測定点間の温度は均一であり、等温の温度場に近い状態を実現し、それぞれの測定時間と測定点の平均の最高温度と最低温度の差は０．５〜２．５℃の範囲内であることが判明した。
【００４３】
【表１】
【００４４】
【表２】
【００４５】
図２に室温が１２．５℃の標準の個室内において炭素ナノ結晶の電熱板に電流を通した後、１６枚の電熱板の表面の平均温度が時間に伴い生じた変化を示す。これにより、電流を通した後、電熱板の表面温度は迅速に上昇し、わずか４．４分間が経過した後、１６枚の電熱板の平均温度は地面を暖める適切な温度３６℃に達することが判明した。
【００４６】
図３に標準の個室の内部の空気温度が時間に伴い生じた変化を示す。これにより炭素ナノ結晶の電熱板は空気中、熱を迅速に拡散させ、室内温度の上昇は早く、室内を暖める標準の温度１８℃まで上昇するまでの所要時間わずか２３．２分間であることが判明した。
図４に１６枚の電熱板の表面の平均発熱量が時間に伴い生じた変化をグラフで示す。これにより、通電された電熱板の発熱量は迅速に上昇し、４．３分が経過した後、発熱量は最大に達し、かつ安定状態を持続することが判明した。
【００４７】
（第１１実施形態）
本発明の第１１実施形態による炭素ナノ結晶材料を用いた電熱板の製造方法は、第１０実施形態と基本的な製造方法及び効果において実質的に同じである。第１０実施形態との違いは、炭素ナノ結晶材料と製紙用パルプとの重量比が１：１２〜１７であることである。
（第１２実施形態）
本発明の第１２実施形態による炭素ナノ結晶材料を用いた電熱板の製造方法は、第１０実施形態と基本的な製造方法及び効果において実質的に同じである。第１０実施形態との違いは、炭素ナノ結晶材料と製紙用パルプとの重量比が１：１５であることである。
【００４８】
（第１３実施形態）
本発明の第１３実施形態による炭素ナノ結晶材料を用いた電熱板の製造方法は、第１０実施形態と基本的な製造方法及び効果において実質的に同じである。第１０実施形態との違いは、フェノール樹脂、エポキシ樹脂及びアセトンの重量比が３：６：１であることである。
【図面の簡単な説明】
【００４９】
【図１】本発明の第１０実施形態による炭素ナノ結晶材料を用いた電熱板の製造方法において、温度測定点の分布を示す模式図である。
【図２】本発明の第１０実施形態による炭素ナノ結晶材料を用いた電熱板の製造方法において、室内の空気温度が時間に伴い生じた変化を示すグラフである。
【図３】本発明の第１０実施形態による炭素ナノ結晶材料を用いた電熱板の製造方法において、電熱板の表面の平均温度が時間に伴い生じた変化を示すグラフである。
【図４】本発明の第１０実施形態による炭素ナノ結晶材料を用いた電熱板の製造方法において、電熱板の表面の発熱量が時間に伴い生じた変化を示すグラフである。
【技術分野】
【０００１】
本発明は炭素ナノ結晶材料及びそれを用いた電熱板の製造方法、詳しく言えば結晶材料およびそれを用いた面状発熱体の製造方法に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
炭素は一定の条件下で優良な性能を呈する半導体材料であるとされる。理論上、炭素結晶を切削して形成された顆粒はいかに小さくても単体ごとに正負電極を有するはずであるが、多くの炭素顆粒はそのような特徴を持っていない。特殊な加工技法、例えば高温高圧環境下でボールミルによる研磨、軟化、精製、抽出などの工程を行うことで炭素類材料の性質を変えることにより、純度が高くメッシュの数が大きい炭素結晶を精製することが可能である。
【０００３】
大量の炭素結晶が電場の作用を受けるとブラウン運動（Ｂｒｏｗｎｉａｎ ｍｏｔｉｏｎ）が起こり、互いに摩擦と振動とをすることで大量の熱エネルギーを生じ、“電気エネルギー→熱エネルギー”という変換を実現可能である。
炭素繊維（ｃａｒｂｏｎ ｆｉｂｅｒｓ）は良好な導電性と導熱性を有する高性能材料であり、そのコストが低いため、日常生活領域におけるその開発・利用の幅が徐々に広がっている。しかし、保温暖房の用途において炭素繊維を用いた電熱板には下記の問題がある。
【０００４】
（１）不適切な炭素繊維、例えば密度が粗く柔らかい炭素繊維を紙パルプに混ぜると一つの塊になり、それを圧延してできた製品は表面の温度上昇と放熱が不均一であり、変形または焦げ付きが起こりやすい。
（２）炭素繊維と導電帯との間に形成される間隙は接触不良の原因になるため、電流を通すとアークを生じ、炭素繊維紙と電極との接合箇所を覆う板材が穿孔・破壊される恐れがある。
【０００５】
（３）炭素繊維材料を塩霧または湿度が高い環境で使用する場合、大量の漏電が発生し、使用の際に生命の安全を脅かす恐れがある。
上述の問題点のため、炭素繊維を用いた電熱板はまだ生活に大規模に利用されるに至っていない。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
本発明の目的は、従来の炭素繊維を用いた電熱板の、表面の温度上昇と放熱が不均一である、炭素繊維と導電帯との接触が不良である、絶縁性に劣る、寿命が短いという問題を解決するために、炭素ナノ結晶材料とそれを用いた電熱板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】
【０００７】
本発明による炭素ナノ結晶材料は、全体重量の７０〜８０％を占めるアクリロニトリル基（Ａｃｒｙｌｏｎｉｔｒｉｌｅ）炭素繊維と、全体重量の１〜５％を占める炭素ナノ繊維（ｃａｒｂｏｎ ｎａｎｏｆｉｂｅｒｓ）と、全体重量の１５〜２９％を占める炭素結晶とから組成される。アクリロニトリル基炭素繊維は、Ｋ数（一株あたりの単一の繊維の数。Ｋは１０００である）が１０〜１５Ｋ、直径が１〜５μｍ、長さがそれぞれ２〜４ｍｍと４．５〜６ｍｍであるアクリロニトリル基炭素繊維から０．５〜２：１の重量比に基づいて組成されたものである。炭素ナノ繊維の直径は５０〜２００ｎｍである。炭素結晶のメッシュの数は４００〜１０００である。
【０００８】
前記炭素ナノ結晶材料を用いた電熱板を製造する方法は下記（１）〜（３）の製造工程を含む。
（１）は炭素ナノ結晶を用いた発熱紙の製造工程であって、下記のステップａ）〜ｃ）を含む。
ステップａ）は、炭素ナノ結晶材料と製紙用パルプとの重量比を１：９〜１９にして、炭素ナノ結晶材料を製紙用パルプに混ぜ、続いてそれを分散剤の水溶液に加えて炭素繊維と製紙用パルプとの混合パルプを形成するステップである。ステップａ）における分散剤の使用量は炭素ナノ結晶材料の重量の０．５〜５％である。
【０００９】
ステップｂ）は、水溶性の接着剤溶液が入れてある高速攪拌機に炭素繊維と製紙用パルプとの混合パルプを流し込み、続いて紙パルプの叩解度（ビーティング）が３５°〜５５°ＳＲの間に達するまで８００〜２０００ｒｐｍの速度で１〜２時間攪拌するステップである。
ステップｃ）は、攪拌処理された炭素繊維と製紙用パルプとの混合パルプを抄紙網のメッシュ数が５０である抄紙機に流し込み、抄紙機の速度を１０〜１５ｍ／ｍｉｎに制御し、かつ毛布を当てて圧縮して、続いて加熱ドラムにより乾燥成型を行うステップである。
【００１０】
（２）はガラス繊維プリプレグの製造工程であって、プリプレグ縦横２５×１６以上のガラス繊維を有するガラス繊維布の上に混合塗料を塗布し、厚さが０．１〜０．３ｍｍのガラス繊維プリプレグを形成することによる。前記混合塗料は重量比が１〜５：４〜８：１のフェノール樹脂、エポキシ樹脂及びアセトンの混合物である。
【００１１】
（３）炭素ナノ結晶を用いた電熱板の製造工程であって、下記のステップｄ）〜ｊ）を含む。
ステップｄ）は、鉄製トレイ上に六層の５０ｇクラフト紙を敷き、そののち厚さが１〜３ｍｍの平坦な鉄板を敷き、続いて鉄板上に離型剤を塗布するステップである。
ステップｅ）は、鉄板上に耐高圧性能を有する厚さが０．０１〜０．０５ｍｍのポリエチレンフィルムを敷き、耐高圧性能を有するポリエチレンフィルムに装飾紙を敷くステップである。
【００１２】
ステップｆ）は、装飾紙の上に三層から五層のガラス繊維プリプレグを敷き、そののち炭素ナノ結晶を用いた発熱紙を敷き、続いて両側に錫箔から包まれた銅箔を別々に配置することにより導電電極を形成するステップである。銅箔は幅が１０〜１５ｍｍ、厚さが０．６ｍｍであり、その両側はローレット機により網目模様を形成されている。
【００１３】
ステップｇ）は、前記炭素ナノ結晶を用いた発熱紙の上に三層から五層の繊維プリプレグを敷くステップである。
ステップｈ）は、繊維プリプレグの上に耐高圧性能を有する厚さが０．０１〜０．０５ｍｍのポリエチレンフィルムを敷き、離型剤を塗布し、耐高圧性能を有するポリエチレンフィルムに厚さが１〜３ｍｍの平坦な鉄板を敷き、鉄板上に六層の５０ｇクラフト紙を敷くステップである。
【００１４】
ステップｉ）は、扁平な銅網状の導線を導電電極にはんだ付けして固定することにより正負導電極を形成し、その導線をガラス繊維プリプレグの背面から平行に引き出すステップである。
ステップｊ）は、ステップｉ）でできた半製品を熱圧機の上に置き、予熱が８０度に達したら熱圧機を起動し、２００トンに達するまで加圧し、温度を１００℃まで上昇させ、恒温恒圧を８〜９分維持し、温度を１２０℃まで上昇させ、恒温恒圧を８〜９分維持し、温度を１４０℃まで上昇させ、恒温恒圧を８〜９分維持し、保圧の状態で温度を５５℃まで降下させ、続いて減圧を行い、温度を室温まで降下させた後、型を開いて炭素ナノ結晶を用いた電熱板を完成させるステップである。
【００１５】
前記分散剤はアルギン酸ナトリウム、メチルセルロース、ポリアクリルアミンのいずれか一種を含むか、二種以上の組み合せである。製紙用パルプは木材セルロースを原料とする紙パルプである。水溶性の接着剤はポリアニリン、ポリビニルアルコール、水溶性のフェノール樹脂などのいずれか一種を含むか、二種以上の組み合せである。離型剤はポリアミノエステルの離型剤である。
【００１６】
（発明の効果）
前記炭素ナノ結晶材料において、炭素結晶は格子振動を行い、熱を生じ、長径比が異なるアクリロニトリル基炭素繊維は格子状に連なる。炭素ナノ繊維を加えることで、静電気の消散と火花発生が減少すると同時に、互いに接触しているか原子径の距離で離れている原子に格子状の接続により熱を伝導させる。
【００１７】
また、前記炭素ナノ結晶材料は、三次元的に点、線及び面が交差した網目状の構造を持つため、キャリアーはこの網目に沿い電位が低い方向へ移動する。炭素ナノ結晶材料は微視的に見ると一様でないが、全体的には一様であるように見られる。従って、均質な面状発熱体を形成可能であり、炭素ナノ結晶材料を用いた電熱板の表面の温度上昇と放熱とを均一にさせることができる。
【００１８】
本発明に基づいて製造した炭素ナノ結晶材料を用いた電熱板は、面全体上に放熱を行い、かつ導体が三次元の網目構造を呈し、長さがばらばらの炭素繊維から形成された面状発熱板であり、かつ８〜１０μｍの遠赤外線を発生することが可能であるため、長期間にわたって使用すれば健康維持、トレーニングなどの効果を果たすことがでる。
【００１９】
また材質、安全性、絶縁性などが良好であるため電圧１００００Ｖを遮断することができ、また使用寿命が長いため３万時間以上を持続的に使用しても破裂や剥離などは発生しない。また防湿、防水などの機能を有するため、家庭用暖房、プールの加熱、衣類の乾燥、オフィス、会議室またはホテルに適用できる。
【００２０】
また、本発明により製造された電熱板は発熱が均一で安定し、温度上昇が速く、絶縁性に優れ、寿命が長いため、生活の需要に応じ大量生産をするに足りる。またその製造方法と加工方法は簡単であるため、操作に便利である。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２１】
（第１実施形態）
本発明の第１実施形態による炭素ナノ結晶材料は、全体重量の７０〜８０％を占めるアクリロニトリル基炭素繊維と、全体重量の１〜５％を占める炭素ナノ繊維と、全体重量の１５〜２９％を占める炭素結晶とから組成される。そのうちのアクリロニトリル基炭素繊維は、Ｋ数が１０〜１５Ｋ、直径が１〜５μｍ、長さがそれぞれ２〜４ｍｍと４．５〜６ｍｍであるアクリロニトリル基炭素繊維から０．５〜２：１の重量比に基づいて組成される。炭素ナノ繊維の直径は５０〜２００ｎｍである。炭素結晶のメッシュの数は４００〜１０００である。
【００２２】
その処理方法は下記のステップに基づいて行う。
（１）全体重量の７０〜８０％を占めるアクリロニトリル基炭素繊維と、全体重量の１〜５％を占める炭素ナノ繊維と、全体重量の１５〜２９％を占める炭素結晶とを均質に混合させる。
（２）質量濃度が１０〜３０％のアセトン溶液が入れてある清潔な容器に混合物を流し込み、続いて３００〜６００ｒｐｍの速度で攪拌し、そして一時間で浸漬・軟化を行う。
【００２３】
（３）超音波振動により攪拌処理された溶液を０．５〜２時間で洗浄することにより、雑物を除去し、表面を清潔に維持する。
（４）洗浄処理された溶液を加熱し、アセトンを完全に揮発させれば、炭素ナノ結晶材料が完成する。
【００２４】
（第２実施形態）
本発明の第２実施形態による炭素ナノ結晶材料は、第１実施形態による炭素ナノ結晶材料と構成及び作用効果において実質的に同じである。第１実施形態による炭素ナノ結晶材料との違いは、全体重量の７２〜７８％を占めるアクリロニトリル基炭素繊維と、全体重量の２〜４％を占める炭素ナノ繊維と、全体重量の１８〜２５％を占める炭素結晶とから組成されることである。
【００２５】
（第３実施形態）
本発明の第３実施形態による炭素ナノ結晶材料は、第１実施形態による炭素ナノ結晶材料と構成及び作用効果において実質的に同じである。第１実施形態による炭素ナノ結晶材料との違いは、全体重量の７５％を占めるアクリロニトリル基炭素繊維と、全体重量の３％を占める炭素ナノ繊維と、全体重量の２０％を占める炭素結晶とから組成されることである。
【００２６】
（第４実施形態）
本発明の第４実施形態による炭素ナノ結晶材料は、第１実施形態による炭素ナノ結晶材料と構成及び作用効果において実質的に同じである。第１実施形態による炭素ナノ結晶材料との違いは、アクリロニトリル基炭素繊維の直径が２〜４μｍであることである。
（第５実施形態）
本発明の第５実施形態による炭素ナノ結晶材料は、第１実施形態による炭素ナノ結晶材料と構成及び作用効果において実質的に同じである。第１実施形態による炭素ナノ結晶材料との違いは、アクリロニトリル基炭素繊維の直径が３μｍであることである。
【００２７】
（第６実施形態）
本発明の第６実施形態による炭素ナノ結晶材料は、第１実施形態による炭素ナノ結晶材料と構成及び作用効果において実質的に同じである。第１実施形態による炭素ナノ結晶材料との違いは、炭素ナノ繊維の直径が８０〜１５０ｎｍであることである。
（第７実施形態）
本発明の第７実施形態による炭素ナノ結晶材料は、第１実施形態による炭素ナノ結晶材料と構成及び作用効果において実質的に同じである。第１実施形態による炭素ナノ結晶材料との違いは、炭素ナノ繊維の直径が１００ｎｍであることである。
【００２８】
（第８実施形態）
本発明の第８実施形態による炭素ナノ結晶材料は、第１実施形態による炭素ナノ結晶材料と構成及び作用効果において実質的に同じである。第１実施形態による炭素ナノ結晶材料との違いは、炭素結晶のメッシュの数が６００〜９００であることである。
（第９実施形態）
本発明の第９実施形態による炭素ナノ結晶材料は、第１実施形態による炭素ナノ結晶材料と構成及び作用効果において実質的に同じである。第１実施形態による炭素ナノ結晶材料との違いは、炭素結晶のメッシュの数が８００であることである。
【００２９】
（第１０実施形態）
本発明の第１０実施形態による炭素ナノ結晶材料を用いた電熱板の製造方法は、第１実施形態による炭素ナノ結晶材料で電熱板を製造する方法であり、その製造方法は次の製造工程を含む。
（１）炭素ナノ結晶を用いた発熱紙の製造工程は下記のステップａ）〜ｃ）を含む。
【００３０】
ステップａ）において、炭素ナノ結晶材料と製紙用パルプとの重量比を１：９〜１９にして、炭素ナノ結晶材料を製紙用パルプに混ぜ、続いてそれを分散剤の水溶液に加えて炭素繊維と製紙用パルプとの混合パルプを形成する。分散剤の使用量は炭素ナノ結晶材料の重量の０．５〜５％であり、分散剤はアルギン酸ナトリウム、メチル基繊維素、ポリアクリルアミンなどのいずれか一種または二種以上の組み合せであり、製紙用パルプは木材セルロースを原料とする紙パルプである。
【００３１】
ステップｂ）において、水溶性の接着剤溶液が入れてある高速攪拌機に炭素繊維と製紙用パルプとの混合パルプを流し込み、続いて紙パルプの叩解度が３５°〜５５°ＳＲの間に達するまで８００〜２０００ｒｐｍの速度で１〜２時間攪拌する。水溶性の接着剤はポリアニリン、ポリビニルアルコール、水溶性のフェノール樹脂などのいずれか一種または二種以上の組み合せである。
【００３２】
ステップｃ）において、攪拌処理された炭素繊維と製紙用パルプとの混合パルプ抄紙網のメッシュ数が５０である抄紙機に流し込み、抄紙機の速度を１０〜１５ｍ／ｍｉｎに制御し、かつ毛布を当てて圧縮して、続いて加熱ドラムにより乾燥成型を行い、それを巻き取り、巻き取った炭素ナノ結晶の発熱紙から裁断設備と検査装置とにより炭素結晶の含有量が製品の必要条件を満たす原紙を選び出し、かつ製品の必要に応じそれを所定の形に裁断する。
【００３３】
（２）ガラス繊維プリプレグの製造工程は、縦横が２５×１６以上のガラス繊維を有する繊維布の上に混合塗料を塗布し、厚さが０．１〜０．３ｍｍのガラス繊維プリプレグを形成することである。混合塗料は重量比が１〜５：４〜８：１のフェノール樹脂、エポキシ樹脂及びアセトンの混合物である。フェノール樹脂はフェノール樹脂１４１１であり、エポキシ樹脂はエポキシ樹脂Ｅ４４である。
【００３４】
（３）炭素ナノ結晶を用いた電熱板の製造工程は下記のステップｄ）〜ｊ）を含む。
ステップｄ）において、鉄製トレイ上に六層の５０ｇクラフト紙を敷き、厚さが１〜３ｍｍの平坦な鉄板を敷き、続いて鉄板上に離型剤を塗布する。離型剤はポリアミノエステルの離型剤である。
ステップｅ）において、鉄板上に耐高圧性能を有する厚さが０．０１〜０．０５ｍｍのポリエチレンフィルムを敷き、耐高圧性能を有するポリエチレンフィルムに装飾紙を敷く。
【００３５】
ステップｆ）において、装飾紙の上に三層から五層の繊維プリプレグを敷き、そののち炭素ナノ結晶紙を敷き、続いて両側に錫箔から包まれた銅箔を別々に配置することにより導電電極を形成する。銅箔は幅が１０〜１５ｍｍ、厚さが０．６ｍｍであり、その両側にローレット機によって網目模様を形成されている。前記網目模様により錫箔、銅箔と炭素結晶紙は十分に接触する。
【００３６】
ステップｇ）において、炭素ナノ結晶紙の上に三層から五層の繊維プリプレグを敷く。
ステップｈ）において、繊維プリプレグの上に耐高圧性能を有する厚さが０．０１〜０．０５ｍｍのポリエチレンフィルムを敷き、離型剤を塗布し、耐高圧性能を有するポリエチレンフィルムに厚さが１〜３ｍｍの平坦な鉄板を敷き、鉄板上に六層の５０ｇクラフト紙を敷く。離型剤はポリアミノエステルの離型剤である。
【００３７】
ステップｉ）において、扁平な銅網状の導線を導電電極にはんだ付けして固定し正負導電極を形成し、その導線をガラス繊維プリプレグの背面から平行に引き出す。
ステップｊ）において、それを熱圧機の上に置き、予熱が８０度に達したら熱圧機を起動し、２００トンに達するまで加圧し、温度を１００℃まで上昇させ、恒温恒圧を８〜９分維持し、温度を１２０℃まで上昇させ、恒温恒圧を８〜９分維持し、温度を１４０℃まで上昇させ、恒温恒圧を８〜９分維持し、保圧の状態で温度を５５℃まで降下させ、減圧を行い、温度を室温まで降下させた後、型を開けば炭素ナノ結晶を用いた電熱板が完成する。
【００３８】
第１０実施形態における発熱紙は、坪量（Ｂａｓｉｓ ｗｅｉｇｈｔ）が３０〜７０ｇ／ｍ2、厚さが６０〜８０μｍである。上下の両層のクラフト紙は減圧緩衝作用を果たすことが可能である。分散剤が混合物である場合、各種の分散剤を任意の比率で配合することが可能である。水溶性の接着剤が混合物である場合、各種の水溶性の接着剤を任意の比率で配合することが可能である。混合塗料のうちのフェノール樹脂は固化剤、エポキシ樹脂は接着剤、アセトン溶液は希釈剤である。
【００３９】
下記の実験に基づいて本発明の第１０実施形態の効果を実証する。
国際基準に達する温度制御・密閉方式による個室内で実験を進める。個室は内外の熱源がなく、かつ断熱に近いように設定される。個室の内部の実際の大きさは地面が（３．９３±０．２ｍ）×（３．９３±０．２ｍ）であり、高度が２．８±０．２ｍである。個室は地面に炭素ナノ結晶を用いた電熱板（６００ｍｍ×９００ｍｍ）を１６枚有し、すべての炭素ナノ結晶の電熱板の間は直列に接続される。
【００４０】
測定条件は、標準の個室に炭素ナノ結晶を用いた電熱板を水平に舗装し、かつ電熱板の辺縁から壁面までに０．３ｍの距離を置いた範囲内に舗装することである。
測定器材は、熱電対温度計、ヒートセンサー、温度表示器、電圧計器、電流計器、風速計器、湿度測定器、電流メーターなどである。
【００４１】
続いて、任意の電熱板を選び出し、図１に示すように電熱板の表面に温度測定点を八箇所設定し、標準の個室内に置く。個室は内部に空調などの冷熱源を備えず、かつ断熱に近いように設定される。室温が１２．５℃に達したら、炭素ナノ結晶の電熱板に電流を通して温度測定を持続的に行う。表１に温度が上昇する際の電熱板の測定点の温度を示し、表２に温度が安定した後の電熱板の測定点の温度を示す。
【００４２】
表１及び表２に示す測定結果から、表１の温度を上昇させる過程及び表２の温度を安定させる過程のいずれにおいても、電熱板の表面の各測定点間の温度は均一であり、等温の温度場に近い状態を実現し、それぞれの測定時間と測定点の平均の最高温度と最低温度の差は０．５〜２．５℃の範囲内であることが判明した。
【００４３】
【表１】
【００４４】
【表２】
【００４５】
図２に室温が１２．５℃の標準の個室内において炭素ナノ結晶の電熱板に電流を通した後、１６枚の電熱板の表面の平均温度が時間に伴い生じた変化を示す。これにより、電流を通した後、電熱板の表面温度は迅速に上昇し、わずか４．４分間が経過した後、１６枚の電熱板の平均温度は地面を暖める適切な温度３６℃に達することが判明した。
【００４６】
図３に標準の個室の内部の空気温度が時間に伴い生じた変化を示す。これにより炭素ナノ結晶の電熱板は空気中、熱を迅速に拡散させ、室内温度の上昇は早く、室内を暖める標準の温度１８℃まで上昇するまでの所要時間わずか２３．２分間であることが判明した。
図４に１６枚の電熱板の表面の平均発熱量が時間に伴い生じた変化をグラフで示す。これにより、通電された電熱板の発熱量は迅速に上昇し、４．３分が経過した後、発熱量は最大に達し、かつ安定状態を持続することが判明した。
【００４７】
（第１１実施形態）
本発明の第１１実施形態による炭素ナノ結晶材料を用いた電熱板の製造方法は、第１０実施形態と基本的な製造方法及び効果において実質的に同じである。第１０実施形態との違いは、炭素ナノ結晶材料と製紙用パルプとの重量比が１：１２〜１７であることである。
（第１２実施形態）
本発明の第１２実施形態による炭素ナノ結晶材料を用いた電熱板の製造方法は、第１０実施形態と基本的な製造方法及び効果において実質的に同じである。第１０実施形態との違いは、炭素ナノ結晶材料と製紙用パルプとの重量比が１：１５であることである。
【００４８】
（第１３実施形態）
本発明の第１３実施形態による炭素ナノ結晶材料を用いた電熱板の製造方法は、第１０実施形態と基本的な製造方法及び効果において実質的に同じである。第１０実施形態との違いは、フェノール樹脂、エポキシ樹脂及びアセトンの重量比が３：６：１であることである。
【図面の簡単な説明】
【００４９】
【図１】本発明の第１０実施形態による炭素ナノ結晶材料を用いた電熱板の製造方法において、温度測定点の分布を示す模式図である。
【図２】本発明の第１０実施形態による炭素ナノ結晶材料を用いた電熱板の製造方法において、室内の空気温度が時間に伴い生じた変化を示すグラフである。
【図３】本発明の第１０実施形態による炭素ナノ結晶材料を用いた電熱板の製造方法において、電熱板の表面の平均温度が時間に伴い生じた変化を示すグラフである。
【図４】本発明の第１０実施形態による炭素ナノ結晶材料を用いた電熱板の製造方法において、電熱板の表面の発熱量が時間に伴い生じた変化を示すグラフである。
【特許請求の範囲】
【請求項１】
全体重量の７０〜８０％を占めるアクリロニトリル基炭素繊維と、全体重量の１〜５％を占める炭素ナノ繊維と、全体重量の１５〜２９％を占める炭素結晶とから組成されることを特徴とする炭素ナノ結晶材料。
【請求項２】
全体重量の７２〜７８％を占める前記アクリロニトリル基炭素繊維と、全体重量の２〜４％を占める前記炭素ナノ繊維と、全体重量の１８〜２５％を占める前記炭素結晶とから組成されることを特徴とする請求項１に記載の炭素ナノ結晶材料。
【請求項３】
前記アクリロニトリル基炭素繊維は、Ｋ数が１０〜１５Ｋ、直径が１〜５μｍ、長さがそれぞれ２〜４ｍｍと４．５〜６ｍｍである長短のアクリロニトリル基炭素繊維の重量比を０．５〜２：１にした組成であり、前記炭素ナノ繊維の直径は５０〜２００ｎｍであり、前記炭素結晶のメッシュの数は４００〜１０００であることを特徴とする請求項１または請求項２に記載の炭素ナノ結晶材料。
【請求項４】
請求項１に記載の炭素ナノ結晶材料を用いた電熱板の製造方法であって、炭素ナノ結晶を用いた発熱紙の製造工程と、ガラス繊維プリプレグの製造工程と、炭素ナノ結晶を用いた電熱板の製造工程とを含み、
前記炭素ナノ結晶を用いた発熱紙の製造工程は、
請求項１に記載の炭素ナノ結晶材料と製紙用パルプの重量比を１：９〜１９にして、前記炭素ナノ結晶材料を製紙用パルプに混ぜ、分散剤の水溶液に加えて炭素繊維と製紙用パルプとの混合パルプを形成し、前記分散剤の使用量は前記炭素ナノ結晶材料の重量の０．５〜５％であるステップａ）と、
水溶性の接着剤溶液が入れてある高速攪拌機に前記混合パルプを流し込み、前記混合パルプの叩解度が３５°〜５５°ＳＲの範囲に達するまで８００〜２０００ｒｐｍの速度で１〜２時間攪拌するステップｂ）と、
攪拌処理された前記混合パルプを抄紙網のメッシュ数が５０である抄紙機に流し込み、前記抄紙機の速度を１０〜１５ｍ／ｍｉｎに制御し、かつ毛布を当てて圧縮して、続いて加熱ドラムにより乾燥成型を行うステップｃ）とを含み、
前記ガラス繊維プリプレグの製造工程は、
横縦２５×１６以上のガラス繊維を有するガラス繊維布の上に混合塗料を塗布し、厚さが０．１〜０．３ｍｍのガラス繊維プリプレグを形成し、前記混合塗料はフェノール樹脂とエポキシ樹脂とアセトンの重量比を１〜５：４〜８：１にした混合物であり、
前記炭素ナノ結晶を用いた電熱板の製造工程は、
鉄製トレイ上に六層の５０ｇクラフト紙を敷き、そののち厚さが１〜３ｍｍの平坦な鉄板を敷き、その上に離型剤を塗布するステップｄ）と、
前記鉄板上に厚さが０．０１〜０．０５ｍｍの耐高圧性能を有する第一のポリエチレンフィルムを敷き、前記耐高圧性能を有する第一のポリエチレンフィルムに装飾紙を敷くステップｅ）と、
前記装飾紙の上に三層から五層の前記ガラス繊維プリプレグを敷き、前記炭素ナノ結晶を用いた発熱紙を敷き、続いて両側に錫箔から包まれた銅箔を別々に配置することにより導電電極を形成するステップｆ）と、
前記炭素ナノ結晶を用いた発熱紙の上に三層から五層の前記ガラス繊維プリプレグを敷くステップｇ）と、
その上に０．０１〜０．０５ｍｍの耐高圧性能を有する第二のポリエチレンフィルムを敷き、離型剤を塗布し、前記耐高圧性能を有する第二のポリエチレンフィルムに厚さが１〜３ｍｍの平坦な鉄板を敷き、その上に六層の５０ｇクラフト紙を敷くステップｈ）と、
扁平な銅網状の導線を前記導電電極にはんだ付けして固定することにより正負導電極を形成し、その導線をガラス繊維プリプレグの背面から平行に引き出すステップｉ）と、
ステップｉ）でできた半製品を熱圧機の上に置き、予熱が８０度に達したら熱圧機を起動し、２００トンに達するまで加圧し、温度を１００℃まで上昇させ、恒温恒圧を８〜９分維持し、温度を１２０℃まで上昇させ、恒温恒圧を８〜９分維持し、温度を１４０℃まで上昇させ、恒温恒圧を８〜９分維持し、保圧の状態で温度を５５℃まで降下させ、続いて減圧を行い、温度を室温まで降下させた後、型を開いて炭素ナノ結晶を用いた電熱板を完成させるステップｊ）とを含むことを特徴とする炭素ナノ結晶材料を用いた電熱板の製造方法。
【請求項５】
前記分散剤はアルギン酸ナトリウム、メチルセルロース、ポリアクリルアミンのいずれかを含むか又はその組み合せであることを特徴とする請求項４に記載の炭素ナノ結晶材料を用いた電熱板の製造方法。
【請求項６】
前記製紙用パルプは木材セルロースを原料とする紙パルプであることを特徴とする請求項４に記載の炭素ナノ結晶材料を用いた電熱板の製造方法。
【請求項７】
前記水溶性の接着剤は、ポリアニリン、ポリビニルアルコール、水溶性のフェノール樹脂のいずれかを含むか又はその組み合せであることを特徴とする請求項４に記載の炭素ナノ結晶材料を用いた電熱板の製造方法。
【請求項８】
前記フェノール樹脂はフェノール樹脂１４１１であり、前記エポキシ樹脂はエポキシ樹脂Ｅ４４であることを特徴とする請求項４に記載の炭素ナノ結晶材料を用いた電熱板の製造方法。
【請求項９】
前記銅箔は幅が１０〜１５ｍｍ、厚さが０．６ｍｍであり、その両側にローレット機により網目模様を形成されたものであることを特徴とする請求項４に記載の炭素ナノ結晶材料を用いた電熱板の製造方法。
【請求項１０】
前記離型剤はポリアミノエステルの離型剤であることを特徴とする請求項４に記載の炭素ナノ結晶材料を用いた電熱板の製造方法。
【請求項１】
全体重量の７０〜８０％を占めるアクリロニトリル基炭素繊維と、全体重量の１〜５％を占める炭素ナノ繊維と、全体重量の１５〜２９％を占める炭素結晶とから組成されることを特徴とする炭素ナノ結晶材料。
【請求項２】
全体重量の７２〜７８％を占める前記アクリロニトリル基炭素繊維と、全体重量の２〜４％を占める前記炭素ナノ繊維と、全体重量の１８〜２５％を占める前記炭素結晶とから組成されることを特徴とする請求項１に記載の炭素ナノ結晶材料。
【請求項３】
前記アクリロニトリル基炭素繊維は、Ｋ数が１０〜１５Ｋ、直径が１〜５μｍ、長さがそれぞれ２〜４ｍｍと４．５〜６ｍｍである長短のアクリロニトリル基炭素繊維の重量比を０．５〜２：１にした組成であり、前記炭素ナノ繊維の直径は５０〜２００ｎｍであり、前記炭素結晶のメッシュの数は４００〜１０００であることを特徴とする請求項１または請求項２に記載の炭素ナノ結晶材料。
【請求項４】
請求項１に記載の炭素ナノ結晶材料を用いた電熱板の製造方法であって、炭素ナノ結晶を用いた発熱紙の製造工程と、ガラス繊維プリプレグの製造工程と、炭素ナノ結晶を用いた電熱板の製造工程とを含み、
前記炭素ナノ結晶を用いた発熱紙の製造工程は、
請求項１に記載の炭素ナノ結晶材料と製紙用パルプの重量比を１：９〜１９にして、前記炭素ナノ結晶材料を製紙用パルプに混ぜ、分散剤の水溶液に加えて炭素繊維と製紙用パルプとの混合パルプを形成し、前記分散剤の使用量は前記炭素ナノ結晶材料の重量の０．５〜５％であるステップａ）と、
水溶性の接着剤溶液が入れてある高速攪拌機に前記混合パルプを流し込み、前記混合パルプの叩解度が３５°〜５５°ＳＲの範囲に達するまで８００〜２０００ｒｐｍの速度で１〜２時間攪拌するステップｂ）と、
攪拌処理された前記混合パルプを抄紙網のメッシュ数が５０である抄紙機に流し込み、前記抄紙機の速度を１０〜１５ｍ／ｍｉｎに制御し、かつ毛布を当てて圧縮して、続いて加熱ドラムにより乾燥成型を行うステップｃ）とを含み、
前記ガラス繊維プリプレグの製造工程は、
横縦２５×１６以上のガラス繊維を有するガラス繊維布の上に混合塗料を塗布し、厚さが０．１〜０．３ｍｍのガラス繊維プリプレグを形成し、前記混合塗料はフェノール樹脂とエポキシ樹脂とアセトンの重量比を１〜５：４〜８：１にした混合物であり、
前記炭素ナノ結晶を用いた電熱板の製造工程は、
鉄製トレイ上に六層の５０ｇクラフト紙を敷き、そののち厚さが１〜３ｍｍの平坦な鉄板を敷き、その上に離型剤を塗布するステップｄ）と、
前記鉄板上に厚さが０．０１〜０．０５ｍｍの耐高圧性能を有する第一のポリエチレンフィルムを敷き、前記耐高圧性能を有する第一のポリエチレンフィルムに装飾紙を敷くステップｅ）と、
前記装飾紙の上に三層から五層の前記ガラス繊維プリプレグを敷き、前記炭素ナノ結晶を用いた発熱紙を敷き、続いて両側に錫箔から包まれた銅箔を別々に配置することにより導電電極を形成するステップｆ）と、
前記炭素ナノ結晶を用いた発熱紙の上に三層から五層の前記ガラス繊維プリプレグを敷くステップｇ）と、
その上に０．０１〜０．０５ｍｍの耐高圧性能を有する第二のポリエチレンフィルムを敷き、離型剤を塗布し、前記耐高圧性能を有する第二のポリエチレンフィルムに厚さが１〜３ｍｍの平坦な鉄板を敷き、その上に六層の５０ｇクラフト紙を敷くステップｈ）と、
扁平な銅網状の導線を前記導電電極にはんだ付けして固定することにより正負導電極を形成し、その導線をガラス繊維プリプレグの背面から平行に引き出すステップｉ）と、
ステップｉ）でできた半製品を熱圧機の上に置き、予熱が８０度に達したら熱圧機を起動し、２００トンに達するまで加圧し、温度を１００℃まで上昇させ、恒温恒圧を８〜９分維持し、温度を１２０℃まで上昇させ、恒温恒圧を８〜９分維持し、温度を１４０℃まで上昇させ、恒温恒圧を８〜９分維持し、保圧の状態で温度を５５℃まで降下させ、続いて減圧を行い、温度を室温まで降下させた後、型を開いて炭素ナノ結晶を用いた電熱板を完成させるステップｊ）とを含むことを特徴とする炭素ナノ結晶材料を用いた電熱板の製造方法。
【請求項５】
前記分散剤はアルギン酸ナトリウム、メチルセルロース、ポリアクリルアミンのいずれかを含むか又はその組み合せであることを特徴とする請求項４に記載の炭素ナノ結晶材料を用いた電熱板の製造方法。
【請求項６】
前記製紙用パルプは木材セルロースを原料とする紙パルプであることを特徴とする請求項４に記載の炭素ナノ結晶材料を用いた電熱板の製造方法。
【請求項７】
前記水溶性の接着剤は、ポリアニリン、ポリビニルアルコール、水溶性のフェノール樹脂のいずれかを含むか又はその組み合せであることを特徴とする請求項４に記載の炭素ナノ結晶材料を用いた電熱板の製造方法。
【請求項８】
前記フェノール樹脂はフェノール樹脂１４１１であり、前記エポキシ樹脂はエポキシ樹脂Ｅ４４であることを特徴とする請求項４に記載の炭素ナノ結晶材料を用いた電熱板の製造方法。
【請求項９】
前記銅箔は幅が１０〜１５ｍｍ、厚さが０．６ｍｍであり、その両側にローレット機により網目模様を形成されたものであることを特徴とする請求項４に記載の炭素ナノ結晶材料を用いた電熱板の製造方法。
【請求項１０】
前記離型剤はポリアミノエステルの離型剤であることを特徴とする請求項４に記載の炭素ナノ結晶材料を用いた電熱板の製造方法。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図２】
【図３】
【図４】
【公開番号】特開２００９−１３２５７４（Ｐ２００９−１３２５７４Ａ）
【公開日】平成２１年６月１８日（２００９．６．１８）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００７−３１０６１７（Ｐ２００７−３１０６１７）
【出願日】平成１９年１１月３０日（２００７．１１．３０）
【出願人】（５０７３９５４０７）
【出願人】（５０７３９５４１８）
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２１年６月１８日（２００９．６．１８）
【国際特許分類】
【出願日】平成１９年１１月３０日（２００７．１１．３０）
【出願人】（５０７３９５４０７）
【出願人】（５０７３９５４１８）
【Ｆターム（参考）】
[ Back to top ]