JP2006182889A

JP2006182889A - 樹脂組成物及びバルブシート

Info

Publication number: JP2006182889A
Application number: JP2004377056A
Authority: JP
Inventors: Masa Makita; 雅牧田; Shuichiro Wada; 周一郎和田
Original assignee: Nichias Corp
Current assignee: Nichias Corp
Priority date: 2004-12-27
Filing date: 2004-12-27
Publication date: 2006-07-13

Abstract

【課題】従来よりも格段に耐クリーブ性及びシール性能を向上させたバルブシートを提供する。
【解決手段】ポリテトラフルオロエチレンと、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とからなり、かつ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を重量比率で３〜１５％含有する樹脂混合物に、それぞれ重量比率で５〜３０％のカーボン繊維及び５〜３０％のカーボンブラックを混入してなる樹脂組成物、並びに前記樹脂組成物からなるバルブシート。
【選択図】図１

Description

本発明は、樹脂組成物及びバルブシートに関する。

水・油・ガス等の生活関連分野、或いは化学工業・石油化学工業・薬品工業・飲料食品工業等のあらゆる製造工業分野において、流体を制御するためにバルブが用いられている。
例えば、図１に示すボールバルブでは、バルブボデー１の内部に、弁室２と、弁室２の両側に弁室２に通じる入口３及び出口４を有する。弁室２にはバルブボール５が配置されており、このバルブボール５に連結する駆動軸６を回転させることにより、入口３と出口４とを互いに連通したり、隔絶する。また、弁室２の入口３及び出口４の端部でバルブボール５と対向する位置には、弾性材料からなる円環状のバルブシート７が配置されており、バルブボール５が隔絶状態にあるときに弁室２とバルブボール５との間を密封する。

従来では、このバルブシート７の材料として、耐摩擦性や耐薬品性、耐熱性等に優れることから、ポリテトラフルオロエチレン（ＰＴＦＥ）が広く一般に使用されている。しかし、ＰＴＦＥは耐クリープ性に劣る欠点を有しており、クリープを発生して永久変形を起こし、ボールバルブの機能を著しく低下させるという問題がある。耐クリープ性を高めるために、フィラーを多く配合することも行われているが、一方でシール性が低下するという問題がある。

このような問題を解消したバルブシート７として、ＰＴＦＥに、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（ＰＦＡ）を混合したバルブシートが知られている（特許文献１参照）。このバルブシートは、ＰＴＦＥが有する上記各特性と、ＰＦＡが有する耐クリープ性とを兼備したものである。また、ＰＴＦＥに、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（ＰＦＡ）を混合したものに、更にカーボン繊維を配合して耐摩耗性を向上させたバルブシートも使用されている（特許文献２参照）。
特開昭６１−１２７９７６号公報特許第２５７９７５６号公報

ＰＴＦＥは耐クリープ性に劣ることから、特許文献１及び特許文献２に記載のバルブシートではＰＦＡを配合して耐クリープ性の向上を図っている。

しかし、バルブの高性能化への要望は強く、それに伴ってバルブシートの密封性能の更なる要求は必至である。そこで、本発明は、耐クリーブ性を損なわずにシール性能を更に向上させたバルブシートを提供することを第１の目的とする。

また、耐クリープ性やシール性能は、バルブシール以外にもピストンリング、シールリング等の樹脂成形品に要求される特性である。そこで、本発明は、優れた耐クリープ性及びシール性能を備えるこれら樹脂成形品が得られる樹脂組成物を提供することを第２の目的とする。

上記の目的を達成するために、本発明は、下記の樹脂組成物及びバルブシートを提供する。
（１）ポリテトラフルオロエチレンと、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とからなり、かつ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を重量比率で３〜１５％含有する樹脂混合物に、それぞれ重量比率で５〜３０％のカーボン繊維及び５〜３０％のカーボンブラックを混入してなることを特徴とする樹脂組成物。
（２）ポリテトラフルオロエチレンが、パーフルオロアルコキシを共重合させて変性した変性ポリテトラフルオロエチレンであることを特徴とする上記（１）記載の樹脂組成物。
（３）カーボン繊維が平均繊維径５〜３０μｍで平均繊維長５０〜１０００μｍであり、カーボンブラックが平均粒径０．１μｍ以上であることを特徴とする上記（１）または（２）記載の樹脂組成物。
（４）バルブの弁をシールするバルブシートであって、上記（１）〜（３）の何れか１項に記載の樹脂組成物からなることを特徴とするバルブシート。

本発明の樹脂組成物は、ＰＴＦＥとＰＦＡとの混合物に、カーボン繊維及びカーボンブラックを特定量配合したものであり、これを成形して得られる成形品は、ＰＴＦＥに由来する耐摩擦性や耐薬品性、耐熱性と、ＰＦＡに由来する耐クリープ性とを兼備するとともに、カーボン繊維及びカーボンブラックを加えることで耐クリープ性を発現する温度範囲が広がる。更に、ＰＦＡは焼成時に溶融して流動するため、ＰＴＦＥとカーボンファイバーやカーボンブラックとの空隙を埋める効果があり、耐クリーブ性を損なうことなくシール性能を向上させる。従って、本発明の樹脂組成物からなるバルブシートは、従来よりも耐クリーブ性及びシール性能に格段に優れたものとなる。

以下、本発明に関して詳細に説明する。

本発明の樹脂組成物は、ＰＴＦＥとＰＦＡとの樹脂混合物にカーボン繊維及びカーボンブラックを特定量配合したものである。

ＰＴＦＥには制限がなく、市販品を含め、種々の分子量のものを使用できるが、全量に対し９８％質量以上の四弗化エチレンとパーフルオロアルキルトリフルオロエチレンあるいはオキシパーフルオロアルキルトリフルオロエチレンとを乳化重合せしめて顆粒状とした市販のペースト押出用四弗化エチレン樹脂粉末が好ましい。中でも、ＰＴＦＥに１重量％以下のパーフルオロアルコキシを共重合させた変性ＰＴＦＥは、ＰＦＡとの親和性が高まるため好ましい。このような変性ＰＴＦＥとして、三井・デュポンフロロケミカル社製の「６２Ｊ」や同「７０Ｊ」、ダイキン工業社製の「Ｍ１１１」や同「Ｍ１１２」を市場から入手することができる。

ＰＦＡにも制限はなく、市販品を含め、種々の分子量のものを使用できる。このＰＦＡは、上記ＰＴＦＥとの樹脂混合物中に重量比率で３〜１５％となるように配合される。ＰＴＦＥは熱溶融性が低いため、カーボン繊維やカーボンブラックとの間で微小隙間を形成し、バルブシートや成形品の耐クリープ性やシール性能を低下させることが考えられる。そこで、熱溶融性のＰＦＡを配合することにより、ＰＴＦＥとカーボン繊維との間の微小隙間を埋めてバルブシートや成形品の耐クリーブ性及びシール性能を高める。このような微小隙間の閉塞作用を確実に発現するには、ＰＦＡが樹脂混合物中に３質量％以上、好ましくは５質量％以上配合する必要がある。但し、ＰＦＡの配合比率が高まるのに従ってＰＴＦＥによる耐摩擦性や耐薬品性、耐熱性等が十分に発現しなくなる。また、ＰＦＡは一般に高価であることから、配合比率が高まるのに従ってコストも上昇する。そこで、本発明では、これらを勘案して樹脂混合物におけるＰＦＡの配合比率の上限を３０質量％とする。

上記樹脂混合物には、カーボン繊維が配合される。カーボン繊維の配合により、バルブシートや成形品は広い温度範囲において耐クリープ性に優れるようになる。また、静電気防止効果が付加されるため、バルブや成形品を装着した装置の安全性が高まるという利点もある。カーボン繊維としては、平均繊維径が５〜３０μｍ、好ましくは７〜１５μｍで、平均繊維長が５０〜１０００μｍ、好ましくは７０〜２００μｍの比較的短寸のものが好ましい。

本発明において、カーボン繊維の配合量は、樹脂組成物全量の５〜３０質量％とする。カーボン繊維の配合量が５質量％未満では上記の効果が十分に発現せず、３０質量％を超えると相対的に樹脂混合物やカーボンブラックの配合量が減り、耐クリープ性やシール性能に悪影響が出てくる。

また、上記樹脂混合物には、更にカーボンブラックが配合される。カーボンブラックの配合により、バルブシートや成形品の耐クリーブ性が更に向上する。カーボンブラックの種類には制限がないが、平均粒径０．１μｍ以上、好ましくは０．２μｍ以上の比較的大径のものを使用することにより、耐クリーブ性及びシール性能が更に高まる。

本発明において、カーボンブラックの配合量は、樹脂組成物全量の５〜３０質量％とする。カーボンブラックの配合量が５質量％未満では上記の効果が十分に発現せず、３０質量％を超えると相対的に樹脂混合物やカーボン繊維の配合量が減り、特にシール性能に悪影響が出てくる。

また、上記のカーボン繊維及びカーボンブラックは、樹脂混合物への分散性を高めるために、カップリング剤等を用いて表面改質してもよい。

更に、本発明の樹脂組成物には、耐クリーブ性やシール性能を損なわない範囲で、従来からフッ素系樹脂材料に使用される添加剤を配合してもよい。

本発明の樹脂組成物は、ＰＴＦＥ粉末、ＰＦＡ粉末、カーボン繊維及びカーボンブラックを所定割合で攪拌、混合することにより得られる。更に必要に応じて添加剤を加えてもよい。そして、バルブシートや成形品とするには、それぞれの金型に樹脂組成物を充填し、加熱圧縮すればよい。

本発明はまた、このようにして得られるバルブシートも包含する。バルブシートの形状には制限がなく、図１に示したようなボールバルブ用のバルブシート７の他にも、バタフライバルブ等の種々のバルブにおいて弁をシールするために使用されるバルブシートとすることができる。そして、本発明のバルブシートは、上記した材料に由来する優れた耐クリープ性及びシール性能を発現する。

以下に、実施例及び比較例を示し、さらに具体的に本発明を説明するが、本発明はこれにより何ら制限されるものではない。

（実施例１〜５及び比較例１〜５）
表１に示すように、パーフルオロアルコキシを共重合させた変性ＰＴＦＥ（三井・デュポンフロロケミカル社製「６２−Ｊ」）、ＰＦＡ（三井・デュポンフロロケミカル社製「ＭＰ−１０」）、カーボン繊維（呉羽化学社製「クレカチョップ」；平均繊維径１２．５μｍ、平均繊維長１３０μｍ）、カーボンブラック（ＭＴ−カーボン；平均粒径０．２〜０．５μｍ）を混合し、下記の試験に適した形状に圧縮成形、焼成した後切削加工して試験片を作製した。そして、各試験片を下記の試験に供した。

（１）ガス透過性試験
直径１０ｍｍで厚さ２ｍｍの試験片を用意し、図２に示すように、この試験片１０を上下一対の試験治具１１，１２で挟み込み、水中（１３℃）またはシリコンオイル中（１００℃）に浸漬して窒素ガスを試験治具に導入し、試験片Ａを透過した窒素ガス量を測定部１３に導いて水またはシリコンオイルの置換量から求めた。尚、試験片１０のガス透過面積は９８．５ｃｍ²である。試験は、試験片１０に２ＭＰａの面圧がかかるように窒素ガスを２４時間連続して供給し、そのときの透過総量を求めた。結果を表１に併記する。

（２）圧縮クリープ特性試験
ＡＳ５−６−０１４０ｃに準拠し、直径１２．７ｍｍで高さ１２．７ｍｍの円筒状の試験片に２００℃の大気中で６．９ＭＰａの荷重を付加し、荷重付加後１０秒後の高さ（Ｔ１）及び荷重付加後２４時間後の高さ（Ｔ２）を測定し、下記式より圧縮クリープ率（Ｄ）を求めた。結果を表１に併記する。
Ｄ＝〔（Ｔ１−Ｔ２）／１２．７〕×１００（％）

（３）永久クリープ特性試験
ＡＳ５−６−０１４１ｃに準拠し、直径１２．７ｍｍで高さ１２．７ｍｍの円筒状の試験片に２００℃の大気中で６．９ＭＰａの荷重を付加し、荷重を２４時間付加した後、荷重を解除して３０分経過した時の高さ（Ｔ３）を測定し、下記式より圧縮永久変形率（Ｅ）を求めた。結果を表１に併記する。
Ｅ＝〔（１２．７−Ｔ３）／１２．７〕×１００（％）

表１に示すように、本発明に従う各実施例の試験片は、シール性能及び耐クリーブ性に優れている。

これに対し、比較例１の試験片は特許文献２に従うものであるが、カーボンブラックを含有しないため、耐クリーブ性が実施例の試験片に比べると劣っている。また、比較例２はカーボンブラックを過剰に含有するため、シール性能に悪影響を与え、更に耐クリープ性も悪化する。

その他の成分に関しては、ＰＦＡを含有しない比較例３の試験片はシール性能が大きく劣っている。また、カーボン繊維を含有しない比較例４の試験片は耐クリーブ性が大きく劣っており、カーボン繊維が耐クリープ性の向上に寄与することが確認された。しかし、比較例５の試験片のようにカーボン繊維を過剰に含有しても耐クリープ性の向上は少なく、むしろシール性能に悪影響が出てくる。

ボールバルブの一例を示す断面図である。ガス透過試験の試験方法を説明するための模式図である。

符号の説明

１バルブボデー
２弁室
３入口
４出口
５バルブボール
６駆動軸
７バルブシート

Claims

ポリテトラフルオロエチレンと、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とからなり、かつ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を重量比率で３〜１５％含有する樹脂混合物に、それぞれ重量比率で５〜３０％のカーボン繊維及び５〜３０％のカーボンブラックを混入してなることを特徴とする樹脂組成物。
ポリテトラフルオロエチレンが、パーフルオロアルコキシを共重合させて変性した変性ポリテトラフルオロエチレンであることを特徴とする請求項１記載の樹脂組成物。
カーボン繊維が平均繊維径５〜３０μｍで平均繊維長５０〜１０００μｍであり、カーボンブラックが平均粒径０．１μｍ以上であることを特徴とする請求項１または２記載の樹脂組成物。
バルブの弁をシールするバルブシートであって、請求項１〜３の何れか１項に記載の樹脂組成物からなることを特徴とするバルブシート。