JP2004263824A

JP2004263824A - 摺動用シール部材

Info

Publication number: JP2004263824A
Application number: JP2003056829A
Authority: JP
Inventors: Yoshiaki Hirose; 芳明広瀬
Original assignee: Toyo Tanso Co Ltd
Current assignee: Toyo Tanso Co Ltd
Priority date: 2003-03-04
Filing date: 2003-03-04
Publication date: 2004-09-24

Abstract

【課題】高温においても優れたシール性を有し、耐熱性及び耐久性に優れた摺動用シール部材を提供する。
【解決手段】膨張黒鉛や膨張黒鉛に補強材として繊維パルプ等の補強繊維を加えたもの、さらに、熱硬化性樹脂等のバインダを用いて結合、硬化して形成された膨張黒鉛シートを用いる。
【選択図】なし

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、摺動部分のシールを行う摺動用シール部材に関する。
【０００２】
【従来の技術】
摺動部分のシール部材としては、特許文献１に記載されているような、ポリテトラフルオロエチレン樹脂等が、従来から使用されている。
【０００３】
【特許文献１】
特許第２８８５０４２号公報
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、特許文献１に記載のものでは、２５０℃を超える温度での使用は、耐熱性、硬さ、耐久性等の点で問題がある。近年、これら摺動用シール部材が用いられる各種機器の高速化等によって、使用条件は、ますます過酷な状態になっており、これら、耐熱性、耐久性等の特性向上が要求されるようになってきている。
【０００５】
そこで、本発明は、高温においても優れたシール性を有し、耐熱性及び耐久性に優れた摺動用シール部材を提供することを目的とする。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
本発明者らは、膨張黒鉛シートを摺動用シール材として用いることで上記課題を解決できることを見い出した。また、膨張黒鉛に補強材として繊維パルプ等の補強用繊維を加え、これらを熱硬化性樹脂等のバインダを用いて結合することで、強度を高めることができるとともに、せん断力に対しても耐性が向上することを見出した。更には、摺動用シール部材として使用される高温においても、耐シール性、耐久性及び摺動特性を併せ持ったシートとして使用できる膨張黒鉛シートを見出し、本発明を完成させた。
【０００７】
即ち、本発明に係る摺動用シール部材は、膨張黒鉛シートを用いて形成されたものである。さらに、この膨張黒鉛シートは、補強用繊維を含んでいるものである。また、この膨張黒鉛シートは、膨張黒鉛と補強用繊維がバインダにより固化されたものであり、そのかさ密度が、０．３〜１．７Ｍｇ／ｍ^３であり、弾性係数が、１０〜１０００ＭＰａである。また、膨張黒鉛粉末６０〜９９．８質量％と、補強用繊維０．１〜３９．９質量％と、バインダ０．１〜３９．９質量％とを混合し、熱処理により前記バインダを硬化してなるシートから形成されてなるものである。さらに、自己潤滑剤が添加されてなるものである。
【０００８】
本発明の摺動用シール部材に使用される膨張黒鉛は、例えば、燐状黒鉛を硫酸と酸化剤を用いて酸処理黒鉛とし、１０００℃前後に急熱して、１００〜３００倍に膨張させた後、造粒装置を用いて粉末状にする。また、膨張黒鉛をかさ密度０．３〜１．７Ｍｇ／ｍ^３のフェルト状又はシート状に成形後、高速ミルタイプ等の任意の粉砕機で粉末状にする。何れの粉末もかさ密度０．０５〜０．５Ｍｇ／ｍ^３、平均粒子径が１５０〜２５０μｍとしたものが好ましい。なお、造粒法で粉末状にしたものは層間の分離がよく、後述の補強用繊維やバインダと均一に混合しやすくなる。一方、かさ密度が０．３Ｍｇ／ｍ^３未満のフェルト等を粉砕したものは嵩が高く、取り扱いが難しくなる。また、かさ密度が１．７Ｍｇ／ｍ^３以上のシートを粉砕したものは粒状となり膨張黒鉛の特性を損なってしまう。
【０００９】
この補強用繊維は、耐熱性のみならず、膨張黒鉛粉体を補強する上で、パルプ状であり、かつ、比表面積の大きいことが好ましい。繊維としては、無機繊維、有機繊維、金属繊維のいずれでもよいが、実用的には、比表面積を比較的大きくとれる有機繊維が好ましい。具体的に例示すれば、パラ系又はメタ系のアラミド繊維パルプを使用することができる。また、不融性のセルロースパルプ等も限定されるが使用することができる。
【００１０】
前述の補強用繊維としてのパラ系アラミド繊維パルプは、比表面積が３．０ｍ^２／ｇ以上、好ましくは５〜２０ｍ^２／ｇであるものが好ましい。また、繊維長は０．９〜２．０ｍｍで分散性も良く、フィラーの保持率も５０〜７０％と高い。なお、比表面積が３．０ｍ^２／ｇ未満では膨張黒鉛の補強効果が不十分で得られたシートの強度が低くなる。
【００１１】
また、これら膨張黒鉛と補強繊維を結合するバインダには、耐熱性を有した熱硬化性樹脂が好ましく、特に、フェノール樹脂、ポリエステル樹脂、エポキシ樹脂等が好ましい。中でも、摺動特性が優れる平均分子量が５０００以上、平均粒子径が２０μｍ以下の微粒子状のフェノール樹脂が好ましい。これによって、溶剤にも溶けやすく、混合時に、膨張黒鉛粉末と繊維パルプ間に均等に分散させることができる。
【００１２】
また、摺動特性を向上させることを目的に、場合によっては、摺動材として二硫化モリブデンの粉末等を４〜５質量％添加することで、摺動特性を制御することもできる。
【００１３】
本発明における膨張黒鉛シートは、膨張黒鉛単体や、前述の各材料を混合して固化することで製造される。混合時の各材料の配合比率は、膨張黒鉛粉末６０〜９９．８質量％、好ましくは７５〜８５質量％、補強用繊維０．１〜３９．９質量％、好ましくは１０〜２０質量％、バインダ０．１〜３９．９質量％、好ましくは５〜１５質量％であることが好ましい。また、場合によっては、摺動材として二硫化モリブデン等の自己潤滑剤を０．１〜１０質量％添加してもよい。
【００１４】
以上の配合比率に各材料を混合したもの、若しくは膨張黒鉛単体や、膨張黒鉛と補強用繊維の混合物を原料として、摺動用シール部材に使用される膨張黒鉛シートを製造する。その製造方法は、乾式法、湿式法に大別される。次に、これら乾式法、湿式法それぞれに分けて説明する。
【００１５】
まず、乾式法による膨張黒鉛と補強用繊維、バインダからなる混合物の製造方法について説明する。予め、バインダをメタノール等の溶媒に溶かしておき、ニーダー等の任意の混合機で、これと前述の補強用繊維や膨張黒鉛粉末とを均一に分散、混合する。次に、このように混合された原料を、ジョイントシート等を製造する装置のカレンダーロールに供給して均一な厚さに圧延してシート化する。加熱されたカレンダーロールに巻きつけることによりバインダを溶かした溶媒が蒸発するとともに、バインダが溶融、固化し、所望のシートとすることが可能となる。
【００１６】
次に、湿式法による膨張黒鉛と補強用繊維、バインダからなる混合物の製造方法について説明する。前述の膨張黒鉛粉末も使用できるが、湿式法ではかさ密度０．０５〜１．５Ｍｇ／ｍ^３のフェルト状の膨張黒鉛成形物を多量の水とハイドロパルパー型等の混合機を用いて粗砕する。そこへ、補強用繊維を添加し、均一に分散させる。これをレファイナー型等の精砕機に通し、膨張黒鉛の平均粒子径が１８０〜２３０μｍとなるように調整する。この時フェルトのかさ密度が０．０５Ｍｇ／ｍ^３より低いと膨張黒鉛粒子の空洞中の膨張ガスが抜けにくく、水中で攪拌を行い、粉砕しても原料が浮いた状態のようになる。また、かさ密度が１．５Ｍｇ／ｍ^３より高くなると、粉砕された原料が粒状となり、シートの強度が小さくなる。次いで、バインダを添加し、均一に分散させる。分散時には、分散性をよくするためにアニオン系の分散剤やＮＢＲ系のラテックスを添加しておくことが好ましい。その後、カチオン性の凝集剤の水溶液を添加し、バインダを完全に定着させる。この混合液中の膨張黒鉛、補強用繊維、バインダ等の原料の濃度は１．０〜２．０％であることが好ましい。
【００１７】
前述の膨張黒鉛、補強用繊維、バインダ等の原料の濃度が１．０〜２．０％の混合液を、所定寸法の抄き網が設けられたタンクに一定量注入し、この混合液と同量の水で希釈し、均一に分散させる。その後、水切り（脱水工程）を行い、含水率５０〜６０％のシートを得る。このシートをフェルトで挟み、プレスで圧縮してさらに、脱水を行い、１００〜１２０℃のオーブンに入れ乾燥する。そして、カレンダーロールに通し、１５０〜２５０℃で０．５〜１．０時間熱処理し、バインダを硬化して、厚み０．２〜３．０ｍｍ、好ましくは０．５〜２．０ｍｍとし、かさ密度０．３〜１．７Ｍｇ／ｍ^３、好ましくは０．５〜１．５Ｍｇ／ｍ^３となるように調整する。ここで、厚みが０．２ｍｍよりも薄い場合、摺動用シール部材として十分な強度が発現しない。また、３．０ｍｍよりも厚くなると、摩擦抵抗が大きくなり、摺動用シール部材として適当でない。また、かさ密度を０．３Ｍｇ／ｍ^３未満とすると、厚みを薄くした場合と同様に摺動用シール部材として十分な強度が発現しない。また、かさ密度が１．７Ｍｇ／ｍ^３を越えるものは、動摩擦係数の変動が大きくなり、時間の経過とともに摩擦係数が大きくなる傾向にあり、摺動用シール部材として長時間の使用が困難となる。そして、かさ密度をこのような範囲内に納めることで、弾性係数を１０〜１０００ＭＰａ、好ましくは５０〜５００ＭＰａとすることができ、摺動部分をシールするために、押圧した場合であっても、弾性変形させることができる。加えて、ガス透過率を８．０×１０^−５ｃｍ^２／ｓ以下とでき、優れた摺動特性を有するとともに、シール性に優れ、摺動用シール部材として、長期にわたって使用することができる。
【００１８】
また、連続シートを製造する場合は、前述の膨張黒鉛、補強用繊維、バインダ等の原料の濃度が１．０〜２．０％の混合液を、一定量タンクに注入し、この原料混合液と同量の水で希釈し、均一に分散させる。この水懸濁液を長網式の上下ダブルワイヤーを通し、抄いて７０％前後の水分を含むシートとする。さらにフェルトプレスを通し、含水率を５０％前後に脱水した後に、多筒式ドライヤーを通し乾燥する。このシートを室温のカレンダーロールに通し、厚み０．２〜３．０ｍｍ、好ましくは０．５〜２．０ｍｍとし、かさ密度０．３〜１．７Ｍｇ／ｍ^３、好ましくは０．５〜１．５Ｍｇ／ｍ^３となるように調整する。その後、１５０〜２５０℃の乾燥炉で０．５〜１．０時間熱処理を行い、バインダを硬化させる。
【００１９】
以上のようにして形成されたシートから、任意の大きさ、形状に打ち抜き加工することで、あらゆる形状の摺動部分に対応可能となる。そして、従来の高温においても使用することが可能となるため、例えば、電動送風機や掃除機等の摺動部分の摺動用シール部材として使用することができる。
【００２０】
【実施例】
以下、実施例により本発明における摺動用シール部材の特性を具体的に説明する。
【００２１】
（実施例１）
酸処理黒鉛を約１０００℃で３００倍に膨張させ、圧延機によりかさ密度０．１Ｍｇ／ｍ^３の板状にした。この板状の膨張黒鉛６００ｇ（６０％）を水２０００ｇと共に、混合機で約１０分攪拌し、細かく粉砕する。補強用繊維としては、アラミドパルプ２００ｇ（２０％）を水２０００ｇと一緒に混合機に投入し、５分攪拌し、アラミドパルプをほぐすと共に、水に均一に分散させる。アラミドパルプの比表面積は１５ｍ^２／ｇであった。これを配合タンクで均一に混合し、バインダとして平均分子量が３０００以上のフェノール樹脂１８０ｇ（１８％）を攪拌しながら加え、均一に混合する。５分程攪拌し、均一にした後、ＮＢＲラテックスを攪拌しながら２０ｇ（２％）加え、均一に懸濁させた。さらに、このフェノール樹脂を膨張黒鉛及びアラミドパルプの凝集体に定着させるため、カチオン系の凝集剤の水溶液を添加し、水が透明になるまで攪拌し、混合液とした。次に、この混合液を抄き網を設けたタンクに入れ、水を更に加え濃度を０．５％になるように希釈し、均一に分散させた後、水切りを行いシート化した。さらにサクションポンプで水切りを行い、布フェルトに挟みプレスで圧縮して脱水を行いシート化した。これを１２０℃で乾燥した後、カレンダーロールを通して厚みを１．０ｍｍ、密度を１．０Ｍｇ／ｍ^３に調整した。次いで、フェノール樹脂を硬化するために２００℃で１時間熱処理し、摺動用シール部材とした。
【００２２】
（実施例２）
酸処理黒鉛を約１０００℃で３００倍に膨張させ、圧延機によりかさ密度０．１Ｍｇ／ｍ^３の板状にした。この板状の膨張黒鉛８００ｇ（８０％）を水２０００ｇと共に、混合機で約１０分攪拌し、細かく粉砕する。補強用繊維としては、アラミドパルプ１７０ｇ（１７％）を水２０００ｇと一緒に混合機に投入し、５分攪拌し、アラミドパルプをほぐすと共に、水に均一に分散させる。アラミドパルプの比表面積は１５ｍ^２／ｇであった。これを配合タンクで均一に混合し、バインダとして平均分子量が３０００以上のフェノール樹脂１ｇ（０．１％）を攪拌しながら加え、均一に混合する。５分程攪拌し、均一にした後、ＮＢＲラテックスを攪拌しながら２０ｇ（２％）加え、均一に懸濁させた。さらに、このフェノール樹脂を膨張黒鉛及びアラミドパルプの凝集体に定着させるため、カチオン系の凝集剤の水溶液を添加し、水が透明になるまで攪拌し、混合液とした。次に、この混合液を抄き網を設けたタンクに入れ、水を更に加え濃度を０．５％になるように希釈し、均一に分散させた後、水切りを行いシート化した。さらにサクションポンプで水切りを行い、布フェルトに挟みプレスで圧縮して脱水を行いシート化した。これを１２０℃で乾燥した後、カレンダーロールを通して厚みを１．０ｍｍ、密度を１．０Ｍｇ／ｍ^３に調整した。次いで、フェノール樹脂を硬化するために２００℃で１時間熱処理し、摺動用シール部材とした。
【００２３】
（実施例３）
酸処理黒鉛を約１０００℃で３００倍に膨張させ、圧延機によりかさ密度０．１Ｍｇ／ｍ^３の板状にした。この板状の膨張黒鉛７００ｇ（７０％）を水２０００ｇと共に、混合機で約１０分攪拌し、細かく粉砕する。補強用繊維としては、アラミドパルプ１００ｇ（１０％）を水２０００ｇと一緒に混合機に投入し、５分攪拌し、アラミドパルプをほぐすと共に、水に均一に分散させる。アラミドパルプの比表面積は１５ｍ^２／ｇであった。これを配合タンクで均一に混合し、バインダとして平均分子量が３０００以上のフェノール樹脂１８０ｇ（１８％）を攪拌しながら加え、均一に混合する。５分程攪拌し、均一にした後、ＮＢＲラテックスを攪拌しながら２０ｇ（２％）加え、均一に懸濁させた。さらに、このフェノール樹脂を膨張黒鉛及びアラミドパルプの凝集体に定着させるため、カチオン系の凝集剤の水溶液を添加し、水が透明になるまで攪拌し、混合液とした。次に、この混合液を抄き網を設けたタンクに入れ、水を更に加え濃度を０．５％になるように希釈し、均一に分散させた後、水切りを行いシート化した。さらにサクションポンプで水切りを行い、布フェルトに挟みプレスで圧縮して脱水を行いシート化した。これを１２０℃で乾燥した後、カレンダーロールを通して厚みを１．０ｍｍ、密度を１．０Ｍｇ／ｍ^３に調整した。次いで、フェノール樹脂を硬化するために２００℃で１時間熱処理し、摺動用シール部材とした。
【００２４】
（実施例４）
膨張黒鉛シート（東洋炭素製、ＰＦ−１００、厚み１．０ｍｍ、かさ密度１．０Ｍｇ／ｍ^３）を摺動用シール部材とした。
【００２５】
（比較例１）
厚み１．０ｍｍ、かさ密度１．０Ｍｇ／ｍ^３の市販のポリテトラフルオロエチレン（ＰＴＦＥ）製シートを用い、摺動用シール部材とした。
【００２６】
実施例１〜４及び比較例１の試料について、それぞれ、動摩擦係数、摩耗量、ガス透過率、弾性係数、耐熱性を測定した。
【００２７】
（動摩擦係数）
φ３０ｍｍのディスクを取り出し、このディスクにピン状の相手材を押し付けて行う、いわゆるピンオンディスク法により測定した。測定条件は、以下の通りである。
ピン：ＳＵＳ３０４
ピン径：５ｍｍ
荷重：１ｋｇ
回転速度：２５０ｍｍ／ｓ
回転半径：１２．６ｍｍ
測定時間：３６００ｓ
測定温度：室温
【００２８】
（摩耗量）
シートから５×２０ｍｍのサンプルを取り出し、これを回転する相手材にある一定の荷重で押し付け、厚みの変化から摩耗量を測定した。測定条件は、以下の通りである。
相手材：ＳＵＳ３０４
回転速度：５．４ｍ／ｓ
回転時間：３６００ｓ
荷重：３ｋｇ
【００２９】
（ガス透過率）
シートからφ５５ｍｍのサンプルを取り出し、透過ガスに窒素を用いて、圧力差２０ｋＰａで各シートのガス透過率を測定した。具体的には、図１に示す測定装置を用いた。図１に示すように、まず、試料をチャンバー１内にセットした後、チャンバー１、３内を真空ポンプ２で減圧する。そして、チャンバー１内が一定の圧力に減圧した後、チャンバー１内の減圧を止め、次いで、チャンバー１内に所定の圧力となるように窒素ガス４を導入する。そして、チャンバー３内の減圧を止めると、試料を通過したガスによってチャンバー３内の圧力が上昇する。このチャンバー３内の初期圧力上昇速度より、次式に示すＤａｒｃｙの式によってガス透過率を測定した。
Ｋ＝（Ｑ・Ｌ）／（ΔＰ・Ａ）
Ｑ＝［（Ｐ_Ｂ２−Ｐ_Ｂ１）・Ｖ_Ｂ］／（ｔ_２−ｔ_１）
ここで、Ｋはガス透過率（ｃｍ^２／ｓ）、Ｑはガスの流量（Ｐａ・ｃｍ^３／ｓ）、Ｌは試験片の厚さ（ｃｍ）、Ａは試験片のガス透過率面積（ｃｍ^２）、Ｐはチャンバー１、２間の圧力差（Ｐａ）、Ｖ_Ｂはチャンバー３の容積（ｃｍ^３）、Ｐ_Ｂ１は時間ｔ_１におけるチャンバー３の圧力（Ｐａ）、Ｐ_Ｂ２は時間ｔ_２におけるチャンバー３の圧力（Ｐａ）である。
【００３０】
（弾性係数）
インストロン４３０１に試料をセットし、上側から３００ｋｇ／ｃｍ^２まで圧力を１ｋｇ／ｃｍ^２／ｍｉｎでかけていき、このときの応力と厚みから算出した。弾性係数Ｅの算出には、以下の式を用いた。
Ｅ＝（σ／ε）×［（σ×ｔ）／Δｔ］
ここで、σは応力（ｋｇ／ｃｍ^２）、εはひずみ（ｃｍ）、ｔはもとの厚み（ｃｍ）、Δｔは厚み変化量（ｃｍ）である。
【００３１】
表１に各特性をまとめて示す。
【００３２】
【表１】

【００３３】
表１からわかるように、実施例１は、比較例１と動摩擦係数は同等であるが、強度が大幅に向上しているのがわかる。また、摩耗量も比較例１のものに比較して１／２０にまで低減しており、摺動用シール部材として優れた特性を有していることがわかる。
【００３４】
【発明の効果】
本発明は、以上のように構成されており、高温においても優れたシール性を有した耐熱性及び耐久性に優れた摺動用シール部材を提供することが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【図１】ガス透過率測定装置の概略図である。
【符号の説明】
１，３チャンバー
２真空ポンプ
４窒素ガス

Claims

膨張黒鉛シートを用いた摺動用シール部材。
前記膨張黒鉛シートは、補強用繊維を含んだものである請求項１に記載の摺動用シール部材。
前記膨張黒鉛シートは、膨張黒鉛と補強用繊維がバインダにより固化されたものである請求項１又は２に記載の摺動用シール部材。
前記膨張黒鉛シートのかさ密度が、０．３〜１．７Ｍｇ／ｍ^３である請求項１乃至３のいずれかに記載の摺動用シール部材。
前記膨張黒鉛シートの弾性係数が、１０〜１０００ＭＰａである請求項１乃至４のいずれかに記載の摺動用シール部材。
膨張黒鉛粉末６０〜９９．８質量％と、補強用繊維０．１〜３９．９質量％と、バインダ０．１〜３９．９質量％とを混合し、熱処理により前記バインダを硬化してなるシートから形成されてなる請求項３乃至５のいずれかに記載の摺動用シール部材。
さらに、自己潤滑剤が添加されてなる請求項１乃至６のいずれかに記載の摺動用シール部材。