JP2002212422A - 無機有機ハイブリッド材料 - Google Patents
無機有機ハイブリッド材料Info
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- JP2002212422A JP2002212422A JP2001009484A JP2001009484A JP2002212422A JP 2002212422 A JP2002212422 A JP 2002212422A JP 2001009484 A JP2001009484 A JP 2001009484A JP 2001009484 A JP2001009484 A JP 2001009484A JP 2002212422 A JP2002212422 A JP 2002212422A
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- Compositions Of Macromolecular Compounds (AREA)
- Silicon Polymers (AREA)
Abstract
(57)【要約】
【課題】 耐熱性と熱伝導性に加えて、高い伸縮性と親
油性を有し、ピストンリング等の摺動部材に適する材料
を提供する。 【解決手段】 ポリシロキサン、及びそのポリシロキサ
ンのマトリックス中に分散された無機粉末を含んでな
り、そのポリシロキサンに含まれるＳｉの少なくとも一
部にフェニル基と炭素数１〜８のアルキル基又はフルオ
ロアルキル基が結合したことを特徴とする無機有機ハイ
ブリッド材料である。好ましくは、フェニル基／Ｓｉの
モル比が１／１０〜９／１０であり、アルキル基又はフ
ルオロアルキル基／Ｓｉのモル比が９／１０〜１／１０
であり、かつ少なくとも１５％の伸びを有し、Ｓｉの５
〜２０モル％が、Ｔｉ、Ｔａ又はＺｒで置換され、スト
ライベック線図において境界潤滑下の摩擦係数が０．８
以下である。
油性を有し、ピストンリング等の摺動部材に適する材料
を提供する。 【解決手段】 ポリシロキサン、及びそのポリシロキサ
ンのマトリックス中に分散された無機粉末を含んでな
り、そのポリシロキサンに含まれるＳｉの少なくとも一
部にフェニル基と炭素数１〜８のアルキル基又はフルオ
ロアルキル基が結合したことを特徴とする無機有機ハイ
ブリッド材料である。好ましくは、フェニル基／Ｓｉの
モル比が１／１０〜９／１０であり、アルキル基又はフ
ルオロアルキル基／Ｓｉのモル比が９／１０〜１／１０
であり、かつ少なくとも１５％の伸びを有し、Ｓｉの５
〜２０モル％が、Ｔｉ、Ｔａ又はＺｒで置換され、スト
ライベック線図において境界潤滑下の摩擦係数が０．８
以下である。
Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は、高い耐熱性と熱伝
導性を有し、伸縮性が付与され、かつ親油性が著しく改
良された、ピストンリング等の摺動部材に使用されるの
に適する無機有機ハイブリッド材料に関する。
導性を有し、伸縮性が付与され、かつ親油性が著しく改
良された、ピストンリング等の摺動部材に使用されるの
に適する無機有機ハイブリッド材料に関する。
【０００２】
【従来の技術及び発明が解決しようとする課題】自動車
用エンジン等の内燃機関のピストンには、一般に、燃料
の燃焼エネルギーを効果的にピストンに伝達させるた
め、ピストンリングが装着される。このピストンリング
は、燃焼室のシール性を確保するように、温度変化に伴
う寸法変化が少ないことが必要であり、さらに、シリン
ダーと摺動する際の摩擦力が極めて低いことが必要であ
る。
用エンジン等の内燃機関のピストンには、一般に、燃料
の燃焼エネルギーを効果的にピストンに伝達させるた
め、ピストンリングが装着される。このピストンリング
は、燃焼室のシール性を確保するように、温度変化に伴
う寸法変化が少ないことが必要であり、さらに、シリン
ダーと摺動する際の摩擦力が極めて低いことが必要であ
る。
【０００３】したがって、このピストンリングの材料に
は、寸法精度、耐熱性、及び熱伝導性がいずれも高いこ
とが要求され、さらに、エンジンオイルとの親油性が高
く、十分に潤滑される性質が要求される。現在、自動車
エンジンのピストンリングには、鋳鉄を材料としたもの
が広く使用されている。
は、寸法精度、耐熱性、及び熱伝導性がいずれも高いこ
とが要求され、さらに、エンジンオイルとの親油性が高
く、十分に潤滑される性質が要求される。現在、自動車
エンジンのピストンリングには、鋳鉄を材料としたもの
が広く使用されている。
【０００４】こうしたピストンリングは、ピストンに形
成されたピストン外径よりも小さい外径の溝の中に収め
る必要がある。このため、リングの形状のままではピス
トンに装着することができず、リングに合口（切れ目）
を設け、外力によって合口の間隔を一時的に拡げ、それ
によりピストンの溝に収めることが行われている。この
ため、かかる仕方で装着されるピストンリングには、合
口から燃焼ガスが漏れるブローバイの発生の恐れがあ
る。
成されたピストン外径よりも小さい外径の溝の中に収め
る必要がある。このため、リングの形状のままではピス
トンに装着することができず、リングに合口（切れ目）
を設け、外力によって合口の間隔を一時的に拡げ、それ
によりピストンの溝に収めることが行われている。この
ため、かかる仕方で装着されるピストンリングには、合
口から燃焼ガスが漏れるブローバイの発生の恐れがあ
る。
【０００５】したがって、かかる合口を設ける必要のな
いピストンリング材料が望まれているが、そのために
は、ピストンリングの材料に、特定の有機材料のような
高い伸縮性を付与することが考えられる。即ち、ピスト
ンリング材料が十分な伸縮性を有すれば、ピストンリン
グを装着する際に、外力によって外径を拡張した状態で
ピストンの溝にピストンリングを配置し、次いで外力を
除くことで溝に装着することが可能となる。
いピストンリング材料が望まれているが、そのために
は、ピストンリングの材料に、特定の有機材料のような
高い伸縮性を付与することが考えられる。即ち、ピスト
ンリング材料が十分な伸縮性を有すれば、ピストンリン
グを装着する際に、外力によって外径を拡張した状態で
ピストンの溝にピストンリングを配置し、次いで外力を
除くことで溝に装着することが可能となる。
【０００６】一方、ピストンリングは、エンジンオイル
によってシリンダーとの潤滑なされているが、鋳鉄のよ
うな金属は、親油性が十分ではないと考えられ、特定の
有機材料のような高い親油性をピストンリングに付与す
れば、ピストンリングが高い慴動性を有して、燃費の向
上等の利益が期待される。
によってシリンダーとの潤滑なされているが、鋳鉄のよ
うな金属は、親油性が十分ではないと考えられ、特定の
有機材料のような高い親油性をピストンリングに付与す
れば、ピストンリングが高い慴動性を有して、燃費の向
上等の利益が期待される。
【０００７】即ち、現状のピストンリング材料を改良
し、材料の特性として、耐熱性や熱伝導性のような金属
又は無機材料から得られ易い特性を保持することを前提
に、伸縮性や親油性のような有機材料から得られ易い特
性を付与すれば、ブローバイの恐れが解消し、さらには
燃費が向上することが期待される。
し、材料の特性として、耐熱性や熱伝導性のような金属
又は無機材料から得られ易い特性を保持することを前提
に、伸縮性や親油性のような有機材料から得られ易い特
性を付与すれば、ブローバイの恐れが解消し、さらには
燃費が向上することが期待される。
【０００８】このような金属又は無機材料と有機材料の
特性を併せて有する、いわゆる無機有機ハイブリッド材
料として、特開平１１−１０９１５４号公報、特開平４
−２２６５４６号公報、特開昭５９−５８０６３号公報
に有機ケイ素等を含む材料が記載されている。これらの
公報は、ピストンリングに適する摺動性等を有する材料
は記載していない。また、特開平８−２３９６８０号公
報、特開平８−１３４４８５号公報、特開平７−２７８
３１１号公報に、シール材等に使用される無機有機ハイ
ブリッド材料が記載されている。これらの公報は、伸縮
性又は親油性を有する材料は記載していない。
特性を併せて有する、いわゆる無機有機ハイブリッド材
料として、特開平１１−１０９１５４号公報、特開平４
−２２６５４６号公報、特開昭５９−５８０６３号公報
に有機ケイ素等を含む材料が記載されている。これらの
公報は、ピストンリングに適する摺動性等を有する材料
は記載していない。また、特開平８−２３９６８０号公
報、特開平８−１３４４８５号公報、特開平７−２７８
３１１号公報に、シール材等に使用される無機有機ハイ
ブリッド材料が記載されている。これらの公報は、伸縮
性又は親油性を有する材料は記載していない。
【０００９】したがって、本発明は、従来にない無機有
機ハイブリッド材料を提供し、それにより、耐熱性と熱
伝導性に加えて、高い伸縮性と親油性を有し、とりわ
け、ピストンリング等の摺動部材に適する材料を提供す
ることを目的とする。
機ハイブリッド材料を提供し、それにより、耐熱性と熱
伝導性に加えて、高い伸縮性と親油性を有し、とりわ
け、ピストンリング等の摺動部材に適する材料を提供す
ることを目的とする。
【００１０】
【課題を解決するための手段】上記の目的は、ポリシロ
キサン、及びそのポリシロキサンのマトリックス中に分
散された無機粉末を含んでなり、そのポリシロキサンに
含まれるＳｉの少なくとも一部にフェニル基（Ｃ6Ｈ5）
と炭素数１〜８のアルキル基又はフルオロアルキル基
（ＣnＨ2n+1-xＦx、ｎ＝１〜８、ｘ＝０〜２ｎ＋１）が
結合したことを特徴とする無機有機ハイブリッド材料に
よって達成される。
キサン、及びそのポリシロキサンのマトリックス中に分
散された無機粉末を含んでなり、そのポリシロキサンに
含まれるＳｉの少なくとも一部にフェニル基（Ｃ6Ｈ5）
と炭素数１〜８のアルキル基又はフルオロアルキル基
（ＣnＨ2n+1-xＦx、ｎ＝１〜８、ｘ＝０〜２ｎ＋１）が
結合したことを特徴とする無機有機ハイブリッド材料に
よって達成される。
【００１１】即ち、本発明は、特定の成分の組み合わせ
によって摺動部材に適する特性が付与された無機有機ハ
イブリッド材料であり、これらの各成分は、主として、
−（Ｓｉ−Ｏ）m−の骨格を有するポリシロキサンが耐
熱性を提供し、Ｓｉに結合したフェニル基が親油性を与
え、Ｓｉに結合した炭素数１〜８のアルキル基又はフル
オロアルキル基が伸縮性を与え、無機粉末が熱伝導性を
高めるものと考えられる。
によって摺動部材に適する特性が付与された無機有機ハ
イブリッド材料であり、これらの各成分は、主として、
−（Ｓｉ−Ｏ）m−の骨格を有するポリシロキサンが耐
熱性を提供し、Ｓｉに結合したフェニル基が親油性を与
え、Ｓｉに結合した炭素数１〜８のアルキル基又はフル
オロアルキル基が伸縮性を与え、無機粉末が熱伝導性を
高めるものと考えられる。
【００１２】
【発明の実施の形態】本発明の無機有機ハイブリッド材
料のマトリックスを構成するポリシロキサンは、主鎖に
シロキサン結合−Ｓｉ−Ｏ−を有する。ここで、このポ
リシロキサンは、好ましくは、直鎖状に延びるポリマー
であるが、−Ｓｉ−Ｏ−の結合が一部に枝分かれし、又
は環状構造を形成したポリマーであることもできる。
料のマトリックスを構成するポリシロキサンは、主鎖に
シロキサン結合−Ｓｉ−Ｏ−を有する。ここで、このポ
リシロキサンは、好ましくは、直鎖状に延びるポリマー
であるが、−Ｓｉ−Ｏ−の結合が一部に枝分かれし、又
は環状構造を形成したポリマーであることもできる。
【００１３】このポリシロキサンに含まれるＳｉの少な
くとも一部に、フェニル基と炭素数１〜８のアルキル基
又はフルオロアルキル基が側鎖として結合する。このＳ
ｉに結合したフェニル基は、ポリシロキサンに含まれる
Ｓｉを基準に、フェニル基／Ｓｉのモル比として１／１
０〜９／１０が好ましく、より好ましくは２／１０〜６
／１０である。このモル比がかかる下限より低いと親油
性が十分に発現せず、また、かかる上限を超えても親油
性は顕著には増加しないためである。
くとも一部に、フェニル基と炭素数１〜８のアルキル基
又はフルオロアルキル基が側鎖として結合する。このＳ
ｉに結合したフェニル基は、ポリシロキサンに含まれる
Ｓｉを基準に、フェニル基／Ｓｉのモル比として１／１
０〜９／１０が好ましく、より好ましくは２／１０〜６
／１０である。このモル比がかかる下限より低いと親油
性が十分に発現せず、また、かかる上限を超えても親油
性は顕著には増加しないためである。
【００１４】また、このＳｉに結合したアルキル基又は
フルオロアルキル基は、ポリシロキサンに含まれるＳｉ
を基準に、アルキル基又はフルオロアルキル基／Ｓｉの
モル比として９／１０〜１／１０が好ましく、より好ま
しくは８／１０〜４／１０である。このモル比がかかる
下限より低いと伸縮性が十分に発現せず、また、かかる
上限を超えても伸縮性は顕著には増加しないためであ
る。
フルオロアルキル基は、ポリシロキサンに含まれるＳｉ
を基準に、アルキル基又はフルオロアルキル基／Ｓｉの
モル比として９／１０〜１／１０が好ましく、より好ま
しくは８／１０〜４／１０である。このモル比がかかる
下限より低いと伸縮性が十分に発現せず、また、かかる
上限を超えても伸縮性は顕著には増加しないためであ
る。
【００１５】このアルキル基又はフルオロアルキル基と
しては、一般式：ＣnＨ2n+1-xＦx（ｎ＝１〜８、ｘ＝０
〜２ｎ＋１）で表される任意のものが本発明に適する
が、より好ましくは、メチル基、エチル基、プロピル
基、又はこれらの基に含まれる水素原子の一部又は全て
がフッ素原子で置換された基である。なお、Ｓｉに結合
したアルキル基又はフルオロアルキル基は、複数種の基
であってよく、さらに、これらのフェニル基とアルキル
基又はフルオロアルキル基の他に、アミノ基やビニル基
がＳｉに結合してもよい。
しては、一般式：ＣnＨ2n+1-xＦx（ｎ＝１〜８、ｘ＝０
〜２ｎ＋１）で表される任意のものが本発明に適する
が、より好ましくは、メチル基、エチル基、プロピル
基、又はこれらの基に含まれる水素原子の一部又は全て
がフッ素原子で置換された基である。なお、Ｓｉに結合
したアルキル基又はフルオロアルキル基は、複数種の基
であってよく、さらに、これらのフェニル基とアルキル
基又はフルオロアルキル基の他に、アミノ基やビニル基
がＳｉに結合してもよい。
【００１６】好ましい態様において、ポリシロキサンに
含まれるＳｉの５〜２０％、より好ましくは５〜１５％
が、Ｔｉ、Ｔａ又はＺｒで置換される。このようなＳｉ
の一部置換により、より均一で高強度の無機有機ハイブ
リッド材料が得られ易いためである。
含まれるＳｉの５〜２０％、より好ましくは５〜１５％
が、Ｔｉ、Ｔａ又はＺｒで置換される。このようなＳｉ
の一部置換により、より均一で高強度の無機有機ハイブ
リッド材料が得られ易いためである。
【００１７】また、本発明の無機有機ハイブリッド材料
には、ポリシロキサンのマトリックスの中に分散された
状態で無機粉末の粒子が含まれる。この無機粉末は、Ｂ
Ｎ（窒化ホウ素）、ＡｌＮ（窒化アルミニウム）、Ｓｉ
Ｃ（炭化ケイ素）、Ｓｉ3Ｎ4（窒化ケイ素）のような比
較的高い熱伝導率を有する無機材料の粉末が適切であ
る。
には、ポリシロキサンのマトリックスの中に分散された
状態で無機粉末の粒子が含まれる。この無機粉末は、Ｂ
Ｎ（窒化ホウ素）、ＡｌＮ（窒化アルミニウム）、Ｓｉ
Ｃ（炭化ケイ素）、Ｓｉ3Ｎ4（窒化ケイ素）のような比
較的高い熱伝導率を有する無機材料の粉末が適切であ
る。
【００１８】これらの無機粉末は、平均粒子径が３００
μｍ未満であることが好ましく、より好ましくは１００
μｍ未満の平均粒子径を有する。かかる上限を超える
と、粒子が脱落したときにシリンダーや無機有機ハイブ
リッド材料自体を損傷させ易く、また、粒子径が小さい
方が添加量あたりの熱伝導率の向上効果が大きいためで
ある。
μｍ未満であることが好ましく、より好ましくは１００
μｍ未満の平均粒子径を有する。かかる上限を超える
と、粒子が脱落したときにシリンダーや無機有機ハイブ
リッド材料自体を損傷させ易く、また、粒子径が小さい
方が添加量あたりの熱伝導率の向上効果が大きいためで
ある。
【００１９】このようにして構成される本発明の無機有
機ハイブリッド材料は、伸縮性を有し、少なくとも１５
％の伸びを有することができる。この「伸び」とは、Ｊ
ＩＳ−Ｋ６２５１（１９９３）の方法にしたがい、ダン
ベル状試験片を用いて測定される切断時伸び率を意味す
る。なお、１５％の伸びを有する材料からピストンリン
グを形成すれば、そのピストンリングは、上述のよう
に、合口を設ける必要なしに、外的な張力を加えること
によりピストンの溝に装着することが可能である。
機ハイブリッド材料は、伸縮性を有し、少なくとも１５
％の伸びを有することができる。この「伸び」とは、Ｊ
ＩＳ−Ｋ６２５１（１９９３）の方法にしたがい、ダン
ベル状試験片を用いて測定される切断時伸び率を意味す
る。なお、１５％の伸びを有する材料からピストンリン
グを形成すれば、そのピストンリングは、上述のよう
に、合口を設ける必要なしに、外的な張力を加えること
によりピストンの溝に装着することが可能である。
【００２０】また、このようにして構成される本発明の
無機有機ハイブリッド材料は、図３に例示したストライ
ベック線図から的確に把握することができる、固有な摩
擦特性を有することができる。この固有な摩擦特性と
は、第１に、境界潤滑下(A)の摩擦係数であり、これ
は、最大摩擦係数を評価するのに適する因子である。第
２に、境界潤滑(A)から混合潤滑(B)への移行点(6)にお
ける速度／面圧の比と摩擦係数であり、これは、最大摩
擦係数を示す領域からの解放されやすさを評価するのに
適する因子である。第３に、混合潤滑(B)から液体潤滑
(C)への移行点(7)における速度／面圧の比と摩擦係数で
あり、これは、摩擦係数の低い領域範囲と最小摩擦係数
を評価するのに適する因子である。
無機有機ハイブリッド材料は、図３に例示したストライ
ベック線図から的確に把握することができる、固有な摩
擦特性を有することができる。この固有な摩擦特性と
は、第１に、境界潤滑下(A)の摩擦係数であり、これ
は、最大摩擦係数を評価するのに適する因子である。第
２に、境界潤滑(A)から混合潤滑(B)への移行点(6)にお
ける速度／面圧の比と摩擦係数であり、これは、最大摩
擦係数を示す領域からの解放されやすさを評価するのに
適する因子である。第３に、混合潤滑(B)から液体潤滑
(C)への移行点(7)における速度／面圧の比と摩擦係数で
あり、これは、摩擦係数の低い領域範囲と最小摩擦係数
を評価するのに適する因子である。
【００２１】かかるストライベック線図から把握される
特性として、本発明の無機有機ハイブリッド材料は０．
８以下、より好ましくは、０．６以下の境界潤滑下の摩
擦係数を有することができ、境界潤滑から混合潤滑への
移行点が、０．２ｍｓ-1Ｍｐａ-1以下の速度／面圧の比
であって０．１以下の摩擦係数、より好ましくは０．１
ｍｓ-1Ｍｐａ-1以下の速度／面圧の比であって０．０６
以下の摩擦係数であることができ、混合潤滑から液体潤
滑への移行点が、１．０ｍｓ-1Ｍｐａ-1以下の速度／面
圧の比であって０．０２以下の摩擦係数、より好ましく
は０．１ｍｓ-1Ｍｐａ-1以下の速度／面圧の比であって
０．０１以下の摩擦係数であることができる。なお、本
発明で指称するストライベック線図とは、下記の実施例
に記載した方法によって得られるものを言う。
特性として、本発明の無機有機ハイブリッド材料は０．
８以下、より好ましくは、０．６以下の境界潤滑下の摩
擦係数を有することができ、境界潤滑から混合潤滑への
移行点が、０．２ｍｓ-1Ｍｐａ-1以下の速度／面圧の比
であって０．１以下の摩擦係数、より好ましくは０．１
ｍｓ-1Ｍｐａ-1以下の速度／面圧の比であって０．０６
以下の摩擦係数であることができ、混合潤滑から液体潤
滑への移行点が、１．０ｍｓ-1Ｍｐａ-1以下の速度／面
圧の比であって０．０２以下の摩擦係数、より好ましく
は０．１ｍｓ-1Ｍｐａ-1以下の速度／面圧の比であって
０．０１以下の摩擦係数であることができる。なお、本
発明で指称するストライベック線図とは、下記の実施例
に記載した方法によって得られるものを言う。
【００２２】また、このようにして構成される本発明の
無機有機ハイブリッド材料は、少なくとも５．０Ｗｍ-1
Ｋ-1、より好ましくは、１０．０Ｗｍ-1Ｋ-1の熱伝導率
を有することができる。このような高い熱伝導率を有す
るためには、窒化ホウ素、窒化アルミニウム、炭化ケイ
素、窒化ケイ素、及びこれらの混合物からなる群より選
択された無機粉末を、ポリシロキサンを基準に０．０１
〜５０質量％、より好ましくは、５〜５０質量％の割合
で無機有機ハイブリッド材料に含ませることが適切であ
る。
無機有機ハイブリッド材料は、少なくとも５．０Ｗｍ-1
Ｋ-1、より好ましくは、１０．０Ｗｍ-1Ｋ-1の熱伝導率
を有することができる。このような高い熱伝導率を有す
るためには、窒化ホウ素、窒化アルミニウム、炭化ケイ
素、窒化ケイ素、及びこれらの混合物からなる群より選
択された無機粉末を、ポリシロキサンを基準に０．０１
〜５０質量％、より好ましくは、５〜５０質量％の割合
で無機有機ハイブリッド材料に含ませることが適切であ
る。
【００２３】このような本発明の無機有機ハイブリッド
材料の製造は、例えば、フェニルトリメトキシランＣ6
Ｈ5Ｓｉ(ＯＣＨ3)3、ジフェニルジエトキシラン(Ｃ
6Ｈ5)2(ＯＣ2Ｈ5)2、トリフェニルクロロシラン(Ｃ
6Ｈ5)3ＳｉＣｌのようなフェニル基を有するシランと、
ジメチルジエトキシシラン(ＣＨ3)2Ｓｉ(ＯＣ2Ｈ5)2、
メチルトリエトキシシランＣＨ3Ｓｉ(ＯＣ2Ｈ5)3、ジエ
チルジクロロシラン(Ｃ2Ｈ5)2ＳｉＣｌ2、ジプロピルジ
エトキシシラン(Ｃ3Ｈ7)2Ｓｉ(ＯＣ2Ｈ5)2、フルオロジ
メチルジエトキシシラン(ＣＨ2Ｆ)2Ｓｉ(ＯＣ2Ｈ5)2、
トリフルオロプロピルトリメトキシシランＣ3Ｈ4Ｆ3Ｓ
ｉ(ＯＣＨ3)3のようなアルキル基又はフルオロアルキル
基を有するシランを、2-エトキシエタノール、脱水エタ
ノールのような溶媒に溶かし、これに、所望により、オ
ルトチタン酸テトライソプロピル等のようなＴｉ、Ｔａ
又はＺｒを含む化合物を3-オキソブタン酸エチルなどで
キレート形成させた化合物もしくはＴａ(ＯＣ2Ｈ5)5、
Ｚｒ(ＯＣ2Ｈ5)4 のようなアルコキシド、及び無機粉末
を混合してスラリーを調製し、次いでそのスラリーに酢
酸や塩酸のような酸、及び水を添加し、次いで加熱して
上記のシラン化合物を脱水縮合させることによって行う
ことができる。
材料の製造は、例えば、フェニルトリメトキシランＣ6
Ｈ5Ｓｉ(ＯＣＨ3)3、ジフェニルジエトキシラン(Ｃ
6Ｈ5)2(ＯＣ2Ｈ5)2、トリフェニルクロロシラン(Ｃ
6Ｈ5)3ＳｉＣｌのようなフェニル基を有するシランと、
ジメチルジエトキシシラン(ＣＨ3)2Ｓｉ(ＯＣ2Ｈ5)2、
メチルトリエトキシシランＣＨ3Ｓｉ(ＯＣ2Ｈ5)3、ジエ
チルジクロロシラン(Ｃ2Ｈ5)2ＳｉＣｌ2、ジプロピルジ
エトキシシラン(Ｃ3Ｈ7)2Ｓｉ(ＯＣ2Ｈ5)2、フルオロジ
メチルジエトキシシラン(ＣＨ2Ｆ)2Ｓｉ(ＯＣ2Ｈ5)2、
トリフルオロプロピルトリメトキシシランＣ3Ｈ4Ｆ3Ｓ
ｉ(ＯＣＨ3)3のようなアルキル基又はフルオロアルキル
基を有するシランを、2-エトキシエタノール、脱水エタ
ノールのような溶媒に溶かし、これに、所望により、オ
ルトチタン酸テトライソプロピル等のようなＴｉ、Ｔａ
又はＺｒを含む化合物を3-オキソブタン酸エチルなどで
キレート形成させた化合物もしくはＴａ(ＯＣ2Ｈ5)5、
Ｚｒ(ＯＣ2Ｈ5)4 のようなアルコキシド、及び無機粉末
を混合してスラリーを調製し、次いでそのスラリーに酢
酸や塩酸のような酸、及び水を添加し、次いで加熱して
上記のシラン化合物を脱水縮合させることによって行う
ことができる。
【００２４】ここで、上記のシラン化合物と無機粉末等
を含むスラリーを調製した後、そのスラリーをリング型
に流し込んで脱水縮合させれば、その型の形状を有する
図１のような本発明の無機有機ハイブリッド材料からな
るピストンリング(1) を得ることができる。また、図２
(a)のような合口(2)を有する金属材料(3)を利用し、同
様な流し込みによる方法により、図２(b)のように合口
部分とリング外側を、あるいは、図２(c)のように合口
部分とリング外周を本発明の無機有機ハイブリッド材料
(4)から形成したピストンリングを得ることもできる。
を含むスラリーを調製した後、そのスラリーをリング型
に流し込んで脱水縮合させれば、その型の形状を有する
図１のような本発明の無機有機ハイブリッド材料からな
るピストンリング(1) を得ることができる。また、図２
(a)のような合口(2)を有する金属材料(3)を利用し、同
様な流し込みによる方法により、図２(b)のように合口
部分とリング外側を、あるいは、図２(c)のように合口
部分とリング外周を本発明の無機有機ハイブリッド材料
(4)から形成したピストンリングを得ることもできる。
【００２５】このようにして得られる本発明の無機有機
ハイブリッド材料は、主として、ポリシロキサンによる
高い耐熱性、Ｓｉに結合したフェニル基による高い親油
性、Ｓｉに結合したアルキル基又はフルオロアルキル基
による高い伸縮性、無機粉末による高い熱伝導性を有
し、少なくとも１５％、好ましくは２５％以上の伸びを
有し、少なくとも３ＭＰａ、好ましくは６ＭＰａ以上、
より好ましくは１０ＭＰａ以上の引張強度を有すること
ができる。
ハイブリッド材料は、主として、ポリシロキサンによる
高い耐熱性、Ｓｉに結合したフェニル基による高い親油
性、Ｓｉに結合したアルキル基又はフルオロアルキル基
による高い伸縮性、無機粉末による高い熱伝導性を有
し、少なくとも１５％、好ましくは２５％以上の伸びを
有し、少なくとも３ＭＰａ、好ましくは６ＭＰａ以上、
より好ましくは１０ＭＰａ以上の引張強度を有すること
ができる。
【００２６】したがって、本発明の無機有機ハイブリッ
ド材料から、あるいは、金属材料と本発明の無機有機ハ
イブリッド材料を組み合わせて、従来のような合口が存
在しなくてもピストンに装着可能なピストンリングを得
ることができる。また、親油性と熱伝導性は必要である
が伸縮性はそれ程要求されない、オイルシール、メカニ
カルシール、ピストンスカート等の摺動部材にも好適に
使用されることができる。
ド材料から、あるいは、金属材料と本発明の無機有機ハ
イブリッド材料を組み合わせて、従来のような合口が存
在しなくてもピストンに装着可能なピストンリングを得
ることができる。また、親油性と熱伝導性は必要である
が伸縮性はそれ程要求されない、オイルシール、メカニ
カルシール、ピストンスカート等の摺動部材にも好適に
使用されることができる。
【００２７】
【実施例】実施例１ ５．０モルのジエトキシジメチルシランと５．０モルの
フェニルトリエトキシシランを１０．０モルの2-エトキ
シエタノールに溶かし、さらに１．０モルのオルトチタ
ン酸テトライソプロピルと２．０モルの3-オキソブタン
酸エチルを加えた。上記の比率で混合したゾル１００ｇ
に対し、平均粒子径が０．１μｍのＢＮ粉末を５４ｇ添
加し、さらに２９モルの水と０．２９モルの酢酸を添加
し、均一なスラリーを形成するまで攪拌した。
フェニルトリエトキシシランを１０．０モルの2-エトキ
シエタノールに溶かし、さらに１．０モルのオルトチタ
ン酸テトライソプロピルと２．０モルの3-オキソブタン
酸エチルを加えた。上記の比率で混合したゾル１００ｇ
に対し、平均粒子径が０．１μｍのＢＮ粉末を５４ｇ添
加し、さらに２９モルの水と０．２９モルの酢酸を添加
し、均一なスラリーを形成するまで攪拌した。
【００２８】この得られたスラリーを平らな底部を有す
る型の中に流し込み、約１００℃に１時間加熱して溶媒
の除去及びゲル化させ、次いで空気雰囲気中の約４５０
℃で３時間焼成し、上記のシラン化合物を脱水縮合さ
せ、本発明の無機有機ハイブリッド材料を得た。この材
料は、ポリシロキサンと、そのポリシロキサンの中に分
散されたＢＮ粉末からなり、そのポリシロキサンのＳｉ
の一部にメチル基とフェニル基が結合し、フェニル基／
Ｓｉのモル比は５／１０であり、メチル基／Ｓｉのモル
比は５／１０であり、また、Ｓｉの１０％がＴｉで置換
されていた。
る型の中に流し込み、約１００℃に１時間加熱して溶媒
の除去及びゲル化させ、次いで空気雰囲気中の約４５０
℃で３時間焼成し、上記のシラン化合物を脱水縮合さ
せ、本発明の無機有機ハイブリッド材料を得た。この材
料は、ポリシロキサンと、そのポリシロキサンの中に分
散されたＢＮ粉末からなり、そのポリシロキサンのＳｉ
の一部にメチル基とフェニル基が結合し、フェニル基／
Ｓｉのモル比は５／１０であり、メチル基／Ｓｉのモル
比は５／１０であり、また、Ｓｉの１０％がＴｉで置換
されていた。
【００２９】得られたシート状の材料からダンベル状試
験片を打ち抜き、ＪＩＳ−Ｋ６２５１にしたがって引張
試験をしたところ、平均で、切断時伸び率は２５．５
％、引張強度は５．１ＭＰａであった。この材料の熱伝
導率は５．４Ｗｍ-1Ｋ-1であり、また、エンジンオイル
に対する濡れ性は極めて良好であった。なお、熱伝導率
はレザーフラッシュ法によって測定した。
験片を打ち抜き、ＪＩＳ−Ｋ６２５１にしたがって引張
試験をしたところ、平均で、切断時伸び率は２５．５
％、引張強度は５．１ＭＰａであった。この材料の熱伝
導率は５．４Ｗｍ-1Ｋ-1であり、また、エンジンオイル
に対する濡れ性は極めて良好であった。なお、熱伝導率
はレザーフラッシュ法によって測定した。
【００３０】実施例２ 実施例１におけるジエトキシジメチルシランに代えてト
リエトキシシランを用いた以外は実施例１と同様にして
本発明の無機有機ハイブリッド材料を得た。この材料の
フェニル基／Ｓｉのモル比は７／１０であり、メチル基
／Ｓｉのモル比は３／１０であり、また、Ｓｉの１０％
がＴｉで置換されていた。この材料を実施例１と同様に
して引張試験をしたところ、平均で、切断時伸び率は２
１．５％、引張強度は３．２ＭＰａであった。この材料
のエンジンオイルに対する濡れ性は極めて良好であっ
た。
リエトキシシランを用いた以外は実施例１と同様にして
本発明の無機有機ハイブリッド材料を得た。この材料の
フェニル基／Ｓｉのモル比は７／１０であり、メチル基
／Ｓｉのモル比は３／１０であり、また、Ｓｉの１０％
がＴｉで置換されていた。この材料を実施例１と同様に
して引張試験をしたところ、平均で、切断時伸び率は２
１．５％、引張強度は３．２ＭＰａであった。この材料
のエンジンオイルに対する濡れ性は極めて良好であっ
た。
【００３１】実施例３ 実施例１における酢酸に代えて塩酸を用いた以外は実施
例１と同様にして本発明の無機有機ハイブリッド材料を
得た。この材料のフェニル基／Ｓｉのモル比は５／１０
であり、メチル基／Ｓｉのモル比は５／１０であり、ま
た、Ｓｉの１０％がＴｉで置換されていた。この材料を
実施例１と同様にして引張試験をしたところ、平均で、
切断時伸び率は２６．０％、引張強度は６．８ＭＰａで
あった。この材料のエンジンオイルに対する濡れ性は極
めて良好であった。
例１と同様にして本発明の無機有機ハイブリッド材料を
得た。この材料のフェニル基／Ｓｉのモル比は５／１０
であり、メチル基／Ｓｉのモル比は５／１０であり、ま
た、Ｓｉの１０％がＴｉで置換されていた。この材料を
実施例１と同様にして引張試験をしたところ、平均で、
切断時伸び率は２６．０％、引張強度は６．８ＭＰａで
あった。この材料のエンジンオイルに対する濡れ性は極
めて良好であった。
【００３２】実施例４ 実施例１におけるオルトチタン酸テトライソプロピルに
代えてＴａ（ＯＣ2 Ｈ 5 ）5 を用いた以外は実施例１と
同様にして本発明の無機有機ハイブリッド材料を得た。
この材料のフェニル基／Ｓｉのモル比は５／１０であ
り、メチル基／Ｓｉのモル比は５／１０であり、また、
Ｓｉの１０％がＴａで置換されていた。この材料を実施
例１と同様にして引張試験をしたところ、平均で、切断
時伸び率は２０．５％、引張強度は４．８ＭＰａであっ
た。この材料のエンジンオイルに対する濡れ性は極めて
良好であった。
代えてＴａ（ＯＣ2 Ｈ 5 ）5 を用いた以外は実施例１と
同様にして本発明の無機有機ハイブリッド材料を得た。
この材料のフェニル基／Ｓｉのモル比は５／１０であ
り、メチル基／Ｓｉのモル比は５／１０であり、また、
Ｓｉの１０％がＴａで置換されていた。この材料を実施
例１と同様にして引張試験をしたところ、平均で、切断
時伸び率は２０．５％、引張強度は４．８ＭＰａであっ
た。この材料のエンジンオイルに対する濡れ性は極めて
良好であった。
【００３３】実施例５ 実施例１におけるＢＮ粉末に代えてＡｌＮ粉末を用いた
以外は実施例１と同様にして本発明の無機有機ハイブリ
ッド材料を得た。この材料を実施例１と同様にして引張
試験をしたところ、平均で、切断時伸び率は２０．５
％、引張強度は７．１ＭＰａであった。この材料の熱伝
導率は２３．９Ｗｍ-1Ｋ-1であり、また、エンジンオイ
ルに対する濡れ性は極めて良好であった。
以外は実施例１と同様にして本発明の無機有機ハイブリ
ッド材料を得た。この材料を実施例１と同様にして引張
試験をしたところ、平均で、切断時伸び率は２０．５
％、引張強度は７．１ＭＰａであった。この材料の熱伝
導率は２３．９Ｗｍ-1Ｋ-1であり、また、エンジンオイ
ルに対する濡れ性は極めて良好であった。
【００３４】実施例６ 実施例１におけるＢＮ粉末に代えてＳｉＣ粉末を用いた
以外は実施例１と同様にして本発明の無機有機ハイブリ
ッド材料を得た。この材料を実施例１と同様にして引張
試験をしたところ、平均で、切断時伸び率は２０．５
％、引張強度は５．９ＭＰａであった。この材料の熱伝
導率は４３．８Ｗｍ-1Ｋ-1であり、また、エンジンオイ
ルに対する濡れ性は極めて良好であった。
以外は実施例１と同様にして本発明の無機有機ハイブリ
ッド材料を得た。この材料を実施例１と同様にして引張
試験をしたところ、平均で、切断時伸び率は２０．５
％、引張強度は５．９ＭＰａであった。この材料の熱伝
導率は４３．８Ｗｍ-1Ｋ-1であり、また、エンジンオイ
ルに対する濡れ性は極めて良好であった。
【００３５】−摩擦試験− 実施例１の無機有機ハイブリッド材料を、ストライベッ
ク線図を作成する摩擦試験に供した。この試験は、潤滑
油をエンジンオイルとし、静置材料を鋳鉄Ｓ４５Ｃと
し、試験片を回転運動によって摺動させ、試験片の静置
材料に対する速度と面圧を変化させて摩擦係数を測定し
たものである。表面粗さＲａは、静置材料と試験片のい
ずれも０．３μｍに調整した。
ク線図を作成する摩擦試験に供した。この試験は、潤滑
油をエンジンオイルとし、静置材料を鋳鉄Ｓ４５Ｃと
し、試験片を回転運動によって摺動させ、試験片の静置
材料に対する速度と面圧を変化させて摩擦係数を測定し
たものである。表面粗さＲａは、静置材料と試験片のい
ずれも０．３μｍに調整した。
【００３６】この測定結果は、速度／面圧に対する摩擦
係数として図５のストライベック線図に示している。ま
た、図５には、市販の窒化珪素焼結体とアルミナ焼結
体、及び通常のピストンリング材料の鋳鉄Ｓ４５Ｃにつ
いて同様に測定した結果を併せて示している。これらの
結果より、本発明の材料は、既存の材料に比較して、境
界潤滑(A)下の摩擦係数、境界潤滑(A)から混合潤滑(B)
への移行点(6)の速度／面圧の比と摩擦係数、混合潤滑
(B)から液体潤滑(C)への移行点(7)の速度／面圧の比と
摩擦係数が顕著に低いことがわかる。
係数として図５のストライベック線図に示している。ま
た、図５には、市販の窒化珪素焼結体とアルミナ焼結
体、及び通常のピストンリング材料の鋳鉄Ｓ４５Ｃにつ
いて同様に測定した結果を併せて示している。これらの
結果より、本発明の材料は、既存の材料に比較して、境
界潤滑(A)下の摩擦係数、境界潤滑(A)から混合潤滑(B)
への移行点(6)の速度／面圧の比と摩擦係数、混合潤滑
(B)から液体潤滑(C)への移行点(7)の速度／面圧の比と
摩擦係数が顕著に低いことがわかる。
【００３７】
【発明の効果】ピストンリング等の慴動部材に適する材
料として好適な、耐熱性、熱伝導性を有し、かつ親油性
と伸縮性が顕著に改良された材料を提供することができ
る。
料として好適な、耐熱性、熱伝導性を有し、かつ親油性
と伸縮性が顕著に改良された材料を提供することができ
る。
【図１】ピストンリングの斜視図である。
【図２】金属片と無機有機ハイブリッド材料からなるピ
ストンリングを例示する斜視図である。
ストンリングを例示する斜視図である。
【図３】ピストンリングとシリンダーの位置関係を示す
模式図である。
模式図である。
【図４】本発明の無機有機ハイブリッド材料の内部構造
を示す模式図である。
を示す模式図である。
【図５】摩擦試験の結果を示したストライベック線図で
ある。
ある。
１…ピストンリング ２…合口 ３…金属材料 ４…無機有機ハイブリッド材料 ５…シリンダー ６…境界潤滑から混合潤滑への移行点 ７…混合潤滑から液体潤滑への移行点
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (51)Int.Cl.7 識別記号 ＦＩ テーマコート゛(参考） Ｃ０８Ｋ 3/34 Ｃ０８Ｋ 3/34 3/38 3/38 (72)発明者 酒井 武信 愛知県豊田市トヨタ町１番地 トヨタ自動 車株式会社内 (72)発明者 片山 真吾 千葉県富津市新富20−１ 新日本製鐵株式 会社技術開発本部内 (72)発明者 山田 紀子 千葉県富津市新富20−１ 新日本製鐵株式 会社技術開発本部内 Ｆターム(参考） 4F071 AA67 AA68 AB26 AB27 AF28Y AF44Y AH18 BC07 4J002 CP031 CP081 CP201 DF016 DJ006 DK006 GM05 4J035 BA04 CA061 CA16K CA171 HA05 LA03 LB20
Claims (10)
- 【請求項１】 ポリシロキサン、及びそのポリシロキサ
ンのマトリックス中に分散された無機粉末を含んでな
り、そのポリシロキサンに含まれるＳｉの少なくとも一
部にフェニル基と炭素数１〜８のアルキル基又はフルオ
ロアルキル基が結合したことを特徴とする無機有機ハイ
ブリッド材料。 - 【請求項２】 フェニル基／Ｓｉのモル比が１／１０〜
９／１０であり、アルキル基又はフルオロアルキル基／
Ｓｉのモル比が９／１０〜１／１０であり、かつ少なく
とも１５％の伸びを有する請求項１に記載の無機有機ハ
イブリッド材料。 - 【請求項３】 Ｓｉの５〜２０モル％が、Ｔｉ、Ｔａ又
はＺｒで置換された請求項１又は２に記載の無機有機ハ
イブリッド材料。 - 【請求項４】 ストライベック線図において境界潤滑下
の摩擦係数が０．８以下である請求項１〜３のいずれか
１項に記載の無機有機ハイブリッド材料。 - 【請求項５】 ストライベック線図における境界潤滑か
ら混合潤滑への移行点が、０．２ｍｓ-1Ｍｐａ-1以下の
速度／面圧の比であって０．１以下の摩擦係数である請
求項４に記載の無機有機ハイブリッド材料。 - 【請求項６】 ストライベック線図における混合潤滑か
ら液体潤滑への移行点が、１．０ｍｓ-1Ｍｐａ-1以下の
速度／面圧の比であって０．０２以下の摩擦係数である
請求項４又は５に記載の無機有機ハイブリッド材料。 - 【請求項７】 無機粉末が、窒化ホウ素、窒化アルミニ
ウム、炭化ケイ素、窒化ケイ素、及びこれらの混合物か
ら選択され、前記ポリシロキサンを基準に０．０１〜５
０質量％で含まれる請求項１〜６のいずれか１項に記載
の無機有機ハイブリッド材料。 - 【請求項８】 熱伝導率が少なくとも５．０Ｗｍ-1Ｋ-1
である請求項７に記載の無機有機ハイブリッド材料。 - 【請求項９】 請求項１〜８のいずれか１項に記載の無
機有機ハイブリッド材料を使用した摺動部材。 - 【請求項１０】 フェニル基を有するシランと炭素数１
〜８のアルキル基又はフルオロアルキル基を有するシラ
ンを含む溶液、Ｔｉ、Ｔａ又はＺｒを含むキレート化合
物又はアルコキシド、及び無機粉末を混合してスラリー
を調製し、次いでそのスラリーを加熱して脱水縮合反応
させることを特徴とする請求項３〜８のいずれか１項に
記載の無機有機ハイブリッド材料の製造方法。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP2001009484A JP3662499B2 (ja) | 2001-01-17 | 2001-01-17 | 無機有機ハイブリッド材料 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP2001009484A JP3662499B2 (ja) | 2001-01-17 | 2001-01-17 | 無機有機ハイブリッド材料 |
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| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JP2002212422A true JP2002212422A (ja) | 2002-07-31 |
| JP3662499B2 JP3662499B2 (ja) | 2005-06-22 |
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ID=18876963
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|---|---|---|---|
| JP2001009484A Expired - Lifetime JP3662499B2 (ja) | 2001-01-17 | 2001-01-17 | 無機有機ハイブリッド材料 |
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- 2001-01-17 JP JP2001009484A patent/JP3662499B2/ja not_active Expired - Lifetime
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