JP2005248167A

JP2005248167A - ポリテトラフルオロエチレン系樹脂製シール用部材およびその製造法

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Publication number: JP2005248167A
Application number: JP2005017619A
Authority: JP
Inventors: Toshihiko Umehara; 俊彦梅原; Kaoru Ito; 薫伊藤; Yasuyori Sasaki; 康順佐々木
Original assignee: Nok Corp
Current assignee: Nok Corp
Priority date: 2004-02-04
Filing date: 2005-01-26
Publication date: 2005-09-15
Anticipated expiration: 2025-01-26
Also published as: JP4725115B2

Abstract

【課題】ポリテトラフルオロエチレン系樹脂が本来有する耐熱性、耐薬品性、低摩擦性等の好ましい性質を実質的に損なうことなく、弾性回復性すなわち歪み回復率が高く、しかも歪み回復速度が速く、弾性的変形領域が広い柔軟なポリテトラフルオロエチレン系樹脂製シール用部材を提供する。
【解決手段】結晶化度(密度測定法により算出)70％以下のポリテトラフルオロエチレン系樹脂製シール用部材。このような結晶化度を有するポリテトラフルオロエチレン系樹脂は、テトラフルオロエチレンの単独重合体または5モル%以下のパーフルオロアルキルビニルエーテルを共重合させたテトラフルオロエチレン-パーフルオロアルキルビニルエーテル共重合体よりなるポリテトラフルオロエチレン系樹脂を所定形状に融点以上の温度で焼成した後、融点から0.1℃／分以上の冷却速度で270℃迄冷却し、結晶化度を70％以下とすることによって製造される。
【選択図】図１

Description

ポリテトラフルオロエチレン系樹脂製シール用部材およびその製造法に関する。さらに詳しくは、弾性および柔軟性にすぐれ、回転、往復運動部位に用いる動的シールとして好適に用いられるポリテトラフルオロエチレン系樹脂製シール用部材およびその製造法に関する。

ポリテトラフルオロエチレン系樹脂は、他の有機重合体に比べて耐薬品性、耐熱性がすぐれているため、シール用部材として用いられている。

しかるに、ポリテトラフルオロエチレン系樹脂は、弾性率が高いこと、弾性的変形領域が狭いこと(即ちこの弾性変形領域を超えた歪みをかけると永久変形する)、更に弾性回復速度が遅いことが、柔軟性を要求するシール部材として用いた場合の欠点であった。例えば、以下のようなシール上の不具合があった。
(1) 通常、シール性を確保するためにシール部材は数％の圧縮歪みを受け、その変形の弾性的変形分が弾性的ばね作用でシール対象物をシールしているが、弾性率が高いために面圧が高くなり、シールの組付け性の低下、シール対象物の変形によるシール性の低下が懸念される。また、弾性的変形領域が狭いので永久変形してしまい、時間と共にシール面圧の低下が起きやすく、シール寿命の低下が懸念される。
(2) 相手面の表面粗さやうねりなどを吸収できる圧縮歪みを付与できず、安定したシール設計ができないことがある。
(3) シール対象面が振動している場合シール界面にも振動が伝達され、弾性的変形領域が狭いため、シール部材のシール面の部分又は全体が永久変形して、シール面に十分な弾性的ばね作用が不十分となって、シール界面に隙間が発生しやすくシール性の低下が懸念される。
(4) シール部材をシャフトやハウジングなどへ挿入する際、挿入抵抗が大きくなり、シール部材の組み込み時の装着性が悪く、シール面の変形や傷の発生によるシール性の低下が懸念される。

更に、回転・往復等シール面が動く場合には、
(5) シール相手面に対する押付圧が高いことから、摺動摩擦による発熱量も大きくて温度が上昇し、またシールによるエネルギー損失が大きくなり、シールおよびシール相手面の摩耗を促進し、シール寿命の低下が懸念される。
(6) 真円ではないシャフトやケーシングの動的シールに用いた場合、あるいはシャフトやケーシングが振動している場合、シール界面にも振動が伝達され、弾性的変形領域が狭いため、シール部材のシール面の部分又は全体が弾性的回復せずに変形したままの状態または永久変形して、シール面に十分な弾性的ばね作用が得られず、即ち動的運動に対するシール部材の追随性不足によるシール性の低下が懸念される。
(7) 運動速度が速くなるにつれ運動周期が短くなる、あるいは偏心量が大きくなるにつれ、シール部材のシール面の部分又は全体が弾性回復せずに変形したままの状態または永久変形して、シール部材とシール相手面との界面に隙間が発生しやすくなりシール性の低下が懸念される。

かかる点を解決すべく、図１に示されるように樹脂製シールリップ101を備えた密封装置100において、ポリテトラフルオロエチレン系樹脂などからなる樹脂製シールリップの柔軟性を向上させたものが提案されている。すなわち、かかる密封装置は、樹脂製シールリップの外径端部102を一対の補強環103、104にて狭持固定したものであり、樹脂製シールリップの欠点である回転軸に対する追随性不足と微少隙間からの油漏れ等を防止するために、樹脂製シールリップの密封流体側と非密封流体側の周面にそれぞれ溝部105・107および106・108を形成している。

しかしながら、このような手段によって柔軟性を向上させたとしてもそれには限界があり、ゴム状弾性体製シールリップのような弾性のある柔軟性を得られない。かかる方法により柔軟性を高めるためには、溝107、108の深さをより深くする必要がある。特許文献１には、シールリップ部の溝形状を略三角形状としてその深さは厚みの70〜90％とする方法が提案されている。しかし、この薄肉部は、型成形で製作する場合には圧力の上昇や流動不良等が発生しやすくて加工性が悪化し、切削で製作する場合には切削不良を起こしやすい。また、摺動時の摩擦力で他の厚肉部に比べて伸びが大きくなり、弾性的変形領域をはるかに超え、永久変形する。繰返しこのような摩擦力が作用すると亀裂・破断が生じ、シール性の低下が懸念される。
特開２００２−１３６４３号公報

一方、ポリテトラフルオロエチレン系樹脂に柔軟性を付与する他の方法として、テトラフルオロエチレンと共重合性のある不飽和結合を有するモノマー、例えばエチレン、プロピレン、フッ化ビニリデン、ヘキサフルオロプロペンなどを共重合させることが考えられるが、シール部材として用いる場合に必要とされる柔軟性を呈する程度にこれらの共重合性モノマーを共重合すると、ポリテトラフルオロエチレン系樹脂の最大の特徴である耐熱性(耐熱老化性、耐熱変形性)や耐薬品性を低下させるという問題がある。

さらに、フッ素樹脂に放射線を照射して柔軟性を付与した材料がリップシール部材として提案されているが、放射線設備が高価であり、分解物による汚染、安全性にも問題がある。
特開２００１−２５４８３９号公報特開２００３−０４９９５０号公報

本発明の目的は、ポリテトラフルオロエチレン系樹脂が本来有する耐熱性、耐薬品性、低摩擦性等の好ましい性質を実質的に損なうことなく、弾性回復性すなわち歪み回復率が高く、しかも歪み回復速度が速く、弾性的変形領域が広い柔軟なポリテトラフルオロエチレン系樹脂製シール用部材を提供することにある。

かかる本発明の目的は、結晶化度(密度測定法により算出)70％以下のポリテトラフルオロエチレン系樹脂製シール用部材によって達成され、このような結晶化度を有するポリテトラフルオロエチレン系樹脂は、テトラフルオロエチレンの単独重合体または5モル%以下のパーフルオロアルキルビニルエーテルを共重合させたテトラフルオロエチレン-パーフルオロアルキルビニルエーテル共重合体よりなるポリテトラフルオロエチレン系樹脂を所定形状に融点以上の温度で焼成した後、融点から0.1℃／分以上の冷却速度で270℃迄冷却し、結晶化度を70％以下とすることによって製造される。

結晶化度が70％以下のポリテトラフルオロエチレン系樹脂を用いることにより、この樹脂が本来有する耐熱性、耐薬品性、低摩擦性等の好ましい性質を実質的に損なうことなく、弾性回復性すなわち歪み回復率が高く、しかも歪み回復速度が速く弾性的変形領域が広い柔軟なシール用部材が得られる。

このシール用部材は、相手摺動軸またはハウジングへの挿入抵抗が低いので、シール組込時の装着抵抗が小さく、シール用部材の変形や表面の傷の発生が抑えられる。また、使用時のシール面に対するシールリップの押付圧の経時変化が少ないので、初期面圧をあまり大きくとらずに設定でき、その結果摺動時の摩擦発熱によるエネルギー損失や摩耗が少なく、長期間安定したシール機能を発揮することができる。さらに、軟質で歪み回復速度が優れているので、高温から低温にわたり相手面の表面の粗さ、うねりや相手軸の偏心、振動伝達があったとしても、これらに十分追随することができ、相手摺動面に適度なシール面圧を維持し、安定したシール性を示す。

ポリテトラフルオロエチレン系樹脂としては、例えばテトラフルオロエチレンの単独重合体、テトラフルオロエチレンにパーフルオロ(メチルビニルエーテル)、パーフルオロ(エチルビニルエーテル)、パーフルオロ(プロピルビニルエーテル)等のパーフルオロ(アルキルビニルエーテル)を5モル％以下共重合した共重合体(変性ポリテトラフルオロエチレン樹脂)、すなわちポリテトラフルオロエチレン単独重合体の融点を著しく低下させない範囲内の共重合体等を使用することができる。さらに、その性質を著しく損なわない程度に他の樹脂を加えたブレンド物、あるいはこれらにガラス繊維、炭素繊維、気相成長炭素繊維、ウィスカー、金属、無機物質などの繊維状充填剤、ガラス粉末、炭素粉末、カーボンブラック、グラファイト粉末、コークス粉末、MoS₂粉末、銅および銅合金粉末、Al₂O₃、SiC無機物質などの粉体状充填剤を、摩耗性、摩擦性、耐熱性などの特性改善を目的として適宜配合することもできる。

ポリテトラフルオロエチレン系樹脂としては、結晶化度が70％以下、好ましくは60％以下のものが用いられる。結晶化度がこれより高いものを用いると、樹脂自体が硬く、弾性回復率が悪くなる。

結晶化度の調節は、ポリテトラフルオロエチレン系樹脂を所定形状、好ましくはシート状あるいはパイプ状に融点以上、例えばポリテトラフルオロエチレン単独重合体の場合にあっては340℃以上の温度で焼成した後、融点から0.1℃／分以上、好ましくは0.5℃／分以上の冷却速度で270℃まで冷却することによって行われる。冷却速度がこれよりも遅いと所定の結晶化度のものが得られない。冷却方法としては、例えばバッチ式焼成炉などを使用して、ポリテトラフルオロエチレン系樹脂材料を融点以上で焼成成形した後、ポリテトラフルオロエチレン系樹脂製成形物の温度が融点以下になる前に、焼成炉の降温速度を0.1℃／分以上、好ましくは0.5℃／分以上の冷却速度に設定して、融点から270℃まで冷却する方法、焼成成形後のポリテトラフルオロエチレン系樹脂製成形物を冷えた金属板や金属ロールに接触させて冷却する方法、焼成成形後のポリテトラフルオロエチレン系樹脂製成形物を、不燃性ガス、メタノール、エタノール、アセトン等の水と相溶性のある有機溶剤水溶液、水または水溶液の凝固点を下げる添加物混入水性液を50〜-100℃に冷却したものに浸せきあるいは冷却液を吹付けて冷却する方法等が挙げられる。

ここで、ポリテトラフルオロエチレン系樹脂材料には、金属、カーボン等の熱伝導率の良い充填剤を配合することが好ましい。これらの充填剤の配合により、冷却をより早く行うことが可能となり、材質内の結晶化度の均一化を図ることができる。また、冷却速度をコントロールし易いように、ポリテトラフルオロエチレン系樹脂製成形物としては、シート状あるいはパイプ状であって、その肉厚が5mm以下、好ましくは0.1〜3mmのものが用いられる。冷却終了後、得られたポリテトラフルオロエチレン系樹脂製成形物は、厚みがシールリップに用いるシート厚み以上のものについては、通常用いられるシールリップの厚みである0.1〜0.5mmとなるように切り出し、シールリップとして用いることができる。シート状またはパイプ状のものからのシールリップ状への成形は、プレスで予備成形した後、旋盤等の切削機による切削加工または打抜型による打抜き等の方法によって行われる。

次に、実施例について本発明を説明する。

実施例１〜５、比較例
厚さ2mmのポリテトラフルオロエチレン樹脂製リング状シートを、バッチ式焼成炉を使用して330℃以上で焼成成形した後、実施例1〜2については、成形物を焼成炉から取り出し、成形物の温度が330℃以下になる前に-80℃に冷却された窒素ガスを試料に吹き付けることにより、また実施例3〜5および比較例については、焼成炉中で成形物の温度が330℃以下になる前に、焼成炉の降温速度を所定の冷却速度に設定して、330℃から270℃まで冷却した。冷却速度および結晶化度(密度測定法により算出)は、次の表１に示される。

表１
実施例
1 2 3 4 5 比較例
冷却速度(℃／分) 8000 350 10 0.6 0.1 0.02
結晶化度 (％) 36 45 50 60 70 75

得られた成形物を、スライサーを用いて厚さ0.3mmのポリテトラフルオロエチレン樹脂製のリング状シートとした後、この内周部を、プレス金型で塑性変形し、端部から外周面側に、深さ0.1mm、ピッチ0.7mmの連続した一本のスパイラル状のねじ溝を内周端部から5mmのところ迄形成した。このリング状シートの外径側は、このリング状シートよりも小径の支持部材に組付けられていて、この支持部材はハウジング内に勘合されるL字形断面の外環と外環内周に勘合される同じくL字形断面の内環とからなっている。リング状シートは、外環と内環の反密封流体側に端縁に形成された半径方向内方に延びるフランジ間に挟みつけ、外環の密封流体側の端縁をかしめることにより支持部材に組付けられている。組付け後、このリング状シートの軸に外挿してラッパ状に広げ、図１に示されるようなシールリップとした。

得られたポリテトラフルオロエチレン樹脂製シールリップまたはテストピースを用いて、弾性率、歪み回復率、歪み回復速度、摩擦・摩耗試験および回転試験を行った。
弾性率：圧縮弾性率(1％圧縮時の張力／断面積)
歪み回復率：10mm／分で10％伸張した直後より10mm／分で応力解放し、残留歪分を
除いた回復歪の全体の歪(全歪)に占める割合(回復歪／全歪×100)
として測定
歪み回復速度：長さ90mm×幅25mm×厚さ2mmの短冊状テストピースを、長さ方向の中心から半分に折り曲げ、両端が接触した瞬間に応力を解放し、平面上で長さが80mm迄戻るまでの時間(秒)を測定
なお、1分間以上放置しても80mm迄戻らないものは、−とした
摩擦・摩耗試験：相手材としてS45C(Rz=1.5)を用い、圧力0.8MPa、周速0.5m／秒、
テスト時間24時間、ドライ環境下で測定
回転試験：軸外径30mm、リップシール内径25mmとして、油圧0.3MPa、回転数100、
1000、3000rpmにおいて回転試験を実施し、また回転数1000rpmにおける
軸偏心量を0.1、0.2、0.3mmとした際の油漏れを以下の基準に従い評価
○：油が相手軸に滲む程度に漏れるもの
△：相手軸に油滴が見られる程度に漏れるもの
×：油が相手軸に連続的に流れ出る程度に漏れるもの

得られた結果は、次の表２に示される。
表２
実施例
1 2 3 4 5 比較例
弾性率 (MPa) 190 340 400 560 700 740
歪み回復率 (％) 75 66 58 53 50 46
歪み回復速度(秒) 5 10 17 22 29 -
摩耗係数 8 8 7 8 6 8
(×10^-5cm・s／(MPa・m・h))
摩擦係数 0.25 0.25 0.24 0.25 0.27 0.26
回転試験
回転速度 100rpm ○ ○ ○ ○ ○ △
〃 1000rpm ○ ○ ○ ○ ○ ×
〃 3000rpm ○ ○ ○ ○ △ ×
軸偏心量 0.1mm ○ ○ ○ ○ △ ×
〃 0.2mm ○ ○ ○ △ △ ×
〃 0.3mm ○ ○ ○ △ × ×

なお、シール用部材には、リップタイプのシールとOリングなどのスクイズタイプのシールとがあり、それの使用方法によって差異はあるものの、一般に5〜30％程度の伸張変形あるいは圧縮変形を受けるため、シール部材の10％伸張変形時の歪み回復率を評価した。

結晶化度が70％以下のポリテトラフルオロエチレン樹脂を用いた場合には、実施例1〜5に記載したように歪み回復率(弾性回復率)が50％以上であり、これを静的シールとして用いた場合には、初期歪みに対して約50％以上の回復歪みに相当する押付圧が保持されることとなる。これは、シール対象物をシールする能力を保持していることを示している。また、弾性率が低いので、シール対象面に強く押し付けることなく、シール対象物に密着することができ、シール性に優れている。一方、比較例の結晶化度75％のポリテトラフルオロエチレン樹脂を用いた場合には、弾性率が高く、弾性回復率が50％以下であり、シール対象面に強く押付けなければシールできないばかりか、相手面の表面粗さ、あるいはうねりなどの凹凸が数μm以上の深さである場合は、隙間漏れが起きるおそれが生じる。

また、シール性について比較すると、結晶化度が高くなるにしたがって、低回転数から高回転数領域にかけて、油滴として認められる程度の油漏れがみられるが、結晶化度が70％以下のものを用いると、油の滲みがみられる程度である。さらに、回転数1000rpmで、軸を0.1〜0.3mm偏心させて回転試験を実施したところ、結晶化度が75％のものは高くなるにつれて、偏心量が小さくてもあるいは回転数が低い場合にも油漏れが見られる傾向があるのに対し、結晶化度が70％以下では、結晶化度が低くなるにつれて、偏心量あるいは回転数が大きい場合にも油漏れがみられなくなり、動的シール用部材としてシール性を示すことが認められた。

本発明に係るポリテトラフルオロエチレン系樹脂製シール用部材は、回転、往復運動部位に用いられる動的シール、Oリング、角型リング、X型リング、D型パッキン、L型パッキン、U型パッキン、V型パッキンなどとして好適に用いられる。

密封装置の断面図である。

符号の説明

１００密封装置
１０１樹脂製シールリップ
１０２外径端部
１０３，１０４補強環
１０５，１０６溝部の山
１０７，１０８溝部の溝

Claims

結晶化度が70％以下のポリテトラフルオロエチレン系樹脂製シール用部材。
ポリテトラフルオロエチレン系樹脂としてテトラフルオロエチレンの単独共重合体または5モル%以下のパーフルオロアルキルビニルエーテルを共重合させたテトラフルオロエチレン-パーフルオロアルキルビニルエーテル共重合体が用いられた請求項１記載のシール用部材。
動的シールのシール用部材として用いられる請求項１または２記載のシール用部材。
動的シールがリップシールである請求項３記載のシール用部材。
テトラフルオロエチレンの単独共重合体または5モル%以下のパーフルオロアルキルビニルエーテルを共重合させたテトラフルオロエチレン−パーフルオロアルキルビニルエーテル共重合体よりなるポリテトラフルオロエチレン系樹脂を所定形状に融点以上の温度で焼成した後、融点から0.1℃／分以上の冷却速度で270℃迄冷却し、結晶化度を70％以下とすることを特徴とするポリテトラフルオロエチレン系樹脂製シール用部材の製造法。
所定形状に焼成されたポリテトラフルオロエチレン系樹脂が厚さ5mm以下のシート状またはパイプ状のポリテトラフルオロエチレン系樹脂である請求項５記載のポリテトラフルオロエチレン系樹脂製シール用部材の製造法。
冷却が冷えた金属板や金属ロールに接触させることにより行われる請求項５または６記載のポリテトラフルオロエチレン系樹脂製シール用部材の製造法。
冷却が水性液中への浸せきまたは水性液の吹付けにより行われる請求項５または６記載のポリテトラフルオロエチレン系樹脂製シール用部材の製造法。