JPH10132021A

JPH10132021A - 圧電制振材料

Info

Publication number: JPH10132021A
Application number: JP28491196A
Authority: JP
Inventors: Keiichi Asami; 圭一浅見
Original assignee: Unitika Ltd
Current assignee: Unitika Ltd
Priority date: 1996-10-28
Filing date: 1996-10-28
Publication date: 1998-05-22

Abstract

(57)【要約】【課題】粒状グラッシーカーボンを導電性粒子として
使用することにより優れた制振効果を得るための導電率
の調整及び制御が容易になり、工業的規模での製造に好
適な圧電制振材料を提供する。【解決手段】粒子状の圧電性物質と導電性粒子とが高
分子マトリックス中に分散されてなる圧電制振材料であ
り、導電性粒子が、平均粒子径0.１〜１００μｍの粒状
グラッシーカーボンであることを特徴とする圧電制振材
料。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、圧電制振材料に関
するものである。特に、車両、鉄道、航空機などの輸送
機器関連部材、建築・建材関連部材、家電・ＯＡ機器の
ような業務用関連部材などにおいて発生する振動を減免
するための制振部材として好適な優れた制振特性を有す
る圧電制振材料に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】従来知られている制振材料としては、高
分子系粘弾性材料を利用したものが多く、例えば、薄い
鋼板の間に高分子系粘弾性層をサンドイッチした制振鋼
板が実用化されている。これは、発生した振動の力によ
って高分子系粘弾性層が変形し、これが元の状態に戻る
時に分子間の摩擦により振動エネルギーが熱に変化し、
制振効果を発現させようとするものである。

【０００３】また、最近、圧電特性を有する材料を制振
材料として利用する試みもなされている（「新素材」vo
l.5 、p66-69、1993、特開平5-240298号公報、特開平6-
85346 号公報）。この場合の制振材料は、圧電粒子と導
電性粒子とを充填した樹脂複合材料からなるものであ
る。その機構は、発生した振動エネルギーを圧電変換に
より電気的ポテンシャルとして取り出し、さらに導電性
粒子が形成する導電路に発生電流を流すことにより振動
エネルギーをジュール熱として消費するようにしたもの
である。すなわち、圧電複合材料に対して振動が加えら
れると振動エネルギーは圧電効果により電気的エネルギ
ーに変換されて圧電粒子に交流電圧が発生する。そし
て、複合材料中に導電粒子が存在することによって複合
材料は適当な抵抗を持ち、それにより発生した電気エネ
ルギーが最終的にジュール熱として消費されるのであ
る。

【０００４】この場合の圧電複合材料の抵抗をＲ，圧電
粒子の容量をＣ，減衰させたい振動数をωとすると、イ
ンピーダンスの整合条件として、Ｒ＝１／ωＣの条件が
成立するときに、最も迅速に振動が減衰することが知ら
れている。従って、固有振動数に対応する適当な導電率
を設定することにより制振効果を大きくすることができ
るのである。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】ところで、圧電粒子と
導電性粒子とを含有する複合材料からなる制振材料にお
いては、導電性粒子として一般的にカーボンブラック、
アセチレンブラック等のカーボン粒子が使用される。こ
のようなカーボン粒子を使用した場合、カーボン粒子が
ある特定の濃度（臨界充填量）になった時点で複合材料
の導電率が急激に増大することが知られている（特開平
5-240298号公報、「日本接着協会誌」vol.23、p103-11
1、1987）。

【０００６】この点を解決するために特開平6-85346 号
公報では、力学的な外力が与えられた場合において圧縮
性と圧縮に対する回復力の双方を有する弾性黒鉛を使用
することでカーボン粒子が網目状の凝集を起こす濃度付
近で導電率を緩やかに変化させることができることが開
示されている。しかし、弾性黒鉛を使用した場合も一般
的なカーボン粒子を使用した場合に比べ導電率の変化
は、わずかに緩やかにはなっているが、導電率を所定の
最適範囲に調整することは極めて困難である。

【０００７】このように、従来の圧電制振材料において
は、カーボン粒子の臨界充填量近傍において導電率が急
激に変化するので、導電率を所定の最適範囲に調整する
ことが非常に困難であるという問題点があった。このよ
うに、材料の導電率を所望の値に調整することが困難で
あるということは、良好な制振効果が発現される導電率
を有する圧電材料を工業的に生産することが困難である
ことを意味する。

【０００８】本発明は、上述した従来技術に鑑みてなさ
れたものであって、優れた制振効果を得るための導電率
の調整ないし制御の容易化が図られ、従って工業的規模
での製造に好適な圧電複合材料を提供することを目的と
する。

【０００９】

【課題を解決するための手段】本発明者は、このような
課題を解決するために鋭意検討の結果、導電性粒子とし
て粒状グラッシーカーボンを用いることにより、導電率
の調整を容易に行うことができることを見出し、本発明
に到達した。すなわち、本発明は、粒子状の圧電性物質
と導電性粒子とが高分子マトリックス中に分散されてな
る圧電制振材料であって、導電性粒子が、粒状グラッシ
ーカーボンであることを特徴とする圧電制振材料を要旨
とするものである。

【００１０】

【発明の実施の態様】以下、本発明を詳細に説明する。
本発明者の知見によれば、導電性を付与する成分とし
て、粒状グラッシーカーボンを含有させることによっ
て、粒状グラッシーカーボンの含有量変化に対する導電
率の変化をゆるやかにすることができることを見出し
た。

【００１１】このように、粒状グラッシーカーボンを採
用することにより導電率の変化を緩やかにすることがで
きる理由については必ずしも明らかではないが、以下の
ようなメカニズムによるものと推定される。カーボンブ
ラック、アセチレンブラックや弾性黒鉛のようなカーボ
ン粒子の臨界充填量の近傍において導電率が急激に変化
する理由は、カーボン粒子のような導電性粒子が臨界量
近傍で高分子マトリックス中において編み目状の凝集を
起こし、これによって粒子間の距離が近接して導電率が
急激に増大することに起因するものと考えられる。とこ
ろが、本発明におけるような粒状グラッシーカーボンを
用いた場合、上記のようなカーボン粒子のように凝集を
起こさないため急激な導電率の増大が起こらないと考え
られる。

【００１２】本発明における粒子状の圧電性物質として
は、本発明の目的が達成され得る限りにおいて、従来公
知のセラミックス系及び高分子系圧電材料を用いること
ができる。セラミックス系圧電材料としては、チタン酸
バリウム系（ＢＴ）、ジルコン酸チタン酸鉛系（ＰＺ
Ｔ）、ジルコン酸チタン酸ランタン酸鉛系（ＰＬＺ
Ｔ）、チタン酸鉛（ＰＴ）−ジルコン酸鉛（ＰＺ）を基
本とした３成分系もしくは４成分系が好適に用いられ
る。３成分系もしくは４成分系の元素としては、Ｎｂ、
Ｍｇ、Ｎｉ、Ｍｎ、Ｃｏ、Ｓｎ、Ｆｅ、Ｃｄ、Ｓｂ、Ａ
ｌ、Ｙｂ、Ｉｎ、Ｙ、Ｔａ、Ｂｉ、Ｗ、Ｔｌ、Ｒｅなど
が用いられる。また、高分子系圧電材料としては、ポリ
ーγーメチルグルタメート、ジアセチルセルロース、ポ
リフッ化ビニリデン、テトラフルオロエチレン、トリフ
ルオロエチレン、ポリ塩化ビニル、ナイロン11、ナイロ
ン７等が挙げられる。

【００１３】粒子状の圧電性物質の平均粒子径は、0.１
〜５０μｍ程度のものが好ましく、粒子状の圧電性物質
の含有量としては、圧電制振材料全体に対して１０〜８
０ｖｏｌ％が好ましく、２０〜７０ｖｏｌ％がより好ま
しい。８０ｖｏｌ％を越えると圧電制振材料の加工性が
悪くなり、１０ｖｏｌ％未満の場合は、振動エネルギー
から電気エネルギーへの変換効率が低くなるため好まし
くない。

【００１４】本発明で用いられる粒状グラッシーカーボ
ンとしては、フルフリルアルコール樹脂やフェノール樹
脂等の熱硬化性樹脂を不活性雰囲気中（真空を含む）で
炭素化して得られたものが使用できる。その中でも特に
球状フェノール樹脂を不活性雰囲気中1000℃以上の温度
で焼成して得られる球状グラッシーカーボンが好まし
い。球状フェノール樹脂の製造方法は、特公平5-72924
号公報に開示されており、また市販品も入手することが
できる。

【００１５】本発明で用いる粒状グラッシーカーボンの
平均粒径は、0.１〜１００μｍの範囲内であることが好
ましく、１〜７０μｍがより好ましく、さらに３〜３０
μｍのものがより好ましい。平均粒径が、0.１μｍより
小さい場合及び１００μｍより大きい場合は、抵抗の制
御が難しくなる。本発明による平均粒径とは、１００個
以上の粒状グラッシーカーボンを倍率２００倍の顕微鏡
で観察し、その内１００個の平均をいう。

【００１６】粒状グラッシーカーボンの含有量は、特に
制限されるものではなく、目的とする機能の発現に応じ
て適宜選択されうる。例えば、減免したい振動の大きさ
や振動の箇所に応じて、圧電材料、高分子マトリックを
選択し、最適な導電率になるように粒状グラッシーカー
ボンの含有量を設計することができる。圧電制振材料の
導電率（log σ）が、−５〜−９Ω^-1・ｃｍ^-1の範囲に
なるように粒状グラッシーカーボンを加えることが好ま
しく、−６〜−８Ω^-1・ｃｍ^-1の範囲になるように加え
ることがより好ましい。

【００１７】高分子マトリックスとしては、フェノール
樹脂、エポキシ樹脂などの熱硬化性樹脂、ポリエチレ
ン、ポリプロピレン等のポリオレフィン、ポリ塩化ビニ
ル、ポリフッ化ビニリデン、ポリテトラフルオロエチレ
ン、ポリウレタン、ポリアミド、ポリエステル、ポリエ
ーテル、ポリアリレート、液晶ポリマー等の熱可塑性樹
脂及び天然ゴム、シリコンゴム、ブタジエンなどの合成
ゴムも使用することができる。特に、高誘電率を有する
圧電性高分子であるポリフッ化ビニリデンを用いた場合
は、高温で分極処理を行うことにより複合材全体の圧電
効果を高めることができる。従って、力学エネルギーを
電気的エネルギーに変換する効率が大きくなるため、エ
ネルギー変換効率が大きくなる。

【００１８】本発明の圧電制振材料は、その高分子マト
リックスの性状に応じた射出成形、押し出し成形、注型
成形、真空成形、プレス成形、トランスファー成形、ペ
ースト加工などの通常の成形方法により容易に所望形状
に成形でき、二次加工も簡単である。また制振性の部材
・部品を成形する場合は、部材・部品全体を本発明の圧
電制振材料から構成することできる。また、部材・部品
のうち振動源に近い領域にのみ本発明の圧電制振材料を
使用した一種の積層構造または傾斜構造とすることもで
きる。

【００１９】本発明の圧電制振材料は、自動車、オーデ
ィオ、建築・建設など産業用、民生用を問わず幅広い分
野における振動・騒音の抑制、減衰に有効に使用するこ
とができる。

【００２０】

【実施例】次に、本発明を実施例によって具体的に説明
する。実施例１粒子状の圧電性物質として平均粒径約５μｍの圧電セラ
ミックスＰＺＴ（富士チタン工業社製ＰＥ６０Ａ）、導
電性粒子として平均粒径約５μｍである球状グラッシー
カーボン（ユニチカ社製ＧＣＰ−１０Ｈ、1900℃焼成
品）、高分子マトリックスとしてポリフッ化ビニリデン
（ＰＶＤＦ）を使用した。粒子状の圧電性物質の体積分
率を４０ｖｏｌ％に統一し、球状グラッシーカーボンの
充填量を変えることにより導電率を変化させた圧電制振
材料を以下の方法で作製した。

【００２１】すなわち、１９０℃でプラストミルにより
混練後、２００℃、４０ｋｇ／ｃｍ²、３分間加熱プレ
ス成形した後、４０ｋｇ／ｃｍ²、３分間冷却プレスす
ることにより厚さ0.５ｍｍのシートを得た。該シートか
ら１００×１５ｍｍのシートを切り出し導電率を測定し
た。導電率は、ロレスタＡＰ及びハイレスタ（三菱化学
社製）を用い測定した。さらに、図１の装置を用い、シ
ートの片端を固定して加振機により振動を与え、残留振
動を非接触変位センサーを使用して検出し、振幅が１／
ｅになる時間（τ：減衰時定数）を算出した。τの数値
により制振効果が評価できる。

【００２２】比較例１球状グラッシーカーボンをカーボンブラック（ＣＢ：TO
KAI SEAST 300 ）に変更したこと以外は、実施例１と同
様の方法で実験を行った。

【００２３】参考例１特開昭64-9808 号公報の方法に従って弾性黒鉛の合成し
た。コークス粉末（ロンザ社製、ＰＣ−４０）６ｇを９
７％濃硫酸と７０％濃硝酸５０／５０容量比の混酸１０
０ｍｌ中に少量ずつ加えた後、１００℃で１時間加熱し
た。ついで濾過し十分水洗した後、乾燥した。これを水
に分散させ、撹拌しながらｐＨ１０になるまで１Ｎ−Ｎ
ａＯＨを加えた。メンブランフィルター（0.１μｍ）で
濾過した後、濾液に１Ｎ−ＨＣｌをｐＨ２以下となるよ
うに加え析出した粉末を濾過し乾燥した。この粉末をア
ルゴン気流中４００℃／ｍｉｎの昇温速度で２８００℃
まで加熱して、３０分間保持して黒鉛化処理し、平均粒
径約２μｍの弾性黒鉛を得た。収量３.3ｇであった。

【００２４】比較例２球状グラッシーカーボンを上記参考例１で得た弾性黒鉛
に変更したこと以外は、実施例１と同様の方法で実験を
行った。

【００２５】実施例１及び比較例１及び２の試料につい
て測定した導電率の値を図２に、減衰時定数を図３に示
す。図２は、導電粒子の含有率（vol ％）を横軸とし、
試料の導電率（Ω^-1・ｃｍ^-1）の対数を縦軸に表したグ
ラフであり、これから明らかなように、本発明の圧電制
振材料は、球状グラッシーカーボンの充填量の変化に伴
って導電率が非常に緩やかに変化していること、また比
較例１及び２では、導電率が特定の含有量において殆ど
垂直に立ち上がるように変化していることがわかる。こ
のことは、所望の導電率の調整を簡単に行うことが出来
る事を示している。また、図３は、導電粒子の含有率
（vol ％）を横軸とし、試料の減衰時定数（msec）を縦
軸に表したグラフであり、これから明らかなように、本
発明の圧電制振材料は、比較例より幅広い範囲で減衰効
果が大きいことがわかる。

【００２６】

【発明の効果】本発明によれば、優れた制振効果を得る
ための導電率の調整ないし制御の容易化が図られ、従っ
て工業的規模での製造に好適な圧電複合材料を提供でき
るため、自動車、オーディオ、建築・建設など産業用、
民生用を問わず幅広い分野における振動・騒音の抑制、
減衰に有効に使用することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の圧電制振材料の残留振動を測定するた
めの、残留振動測定装置を示すブロック図である。

【図２】本発明の圧電制振材料及び比較例の材料につい
て、導電粒子の含有率に対する導電率の変化を表したグ
ラフである。

【図３】本発明の圧電制振材料及び比較例の材料につい
て、導電粒子の含有率に対する減衰時定数の変化を表し
たグラフである。

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】粒子状の圧電性物質と導電性粒子とが高
分子マトリックス中に分散されてなる圧電制振材料であ
って、導電性粒子が、粒状グラッシーカーボンであるこ
とを特徴とする圧電制振材料。