JP2007016173A

JP2007016173A - シール材

Info

Publication number: JP2007016173A
Application number: JP2005200616A
Authority: JP
Inventors: Katsuhide Horiuchi; 克英堀内
Original assignee: Starlite Co Ltd
Current assignee: Starlite Co Ltd
Priority date: 2005-07-08
Filing date: 2005-07-08
Publication date: 2007-01-25
Anticipated expiration: 2025-07-08
Also published as: JP4792843B2

Abstract

【課題】従来のカーボン成形品よりも軽量で、流体を流さない乾燥運転時にも優れた摩擦摩耗特性を有し、しかも耐衝撃特性やハンドリング性にも優れたロータリージョイント用シール材を提供する。
【解決手段】マトリックス樹脂としての縮合多環多核芳香族樹脂と、ポリフェニレンサルファイド繊維、カーボン繊維などの耐熱性及び耐加水分解性を有する補強繊維と、ランプブラックなどの炭素系充填剤、フッ素樹脂、シリコンコンパウンドなどの潤滑性及び耐摩耗性を向上するための充填剤とを含有する樹脂組成物からなるシール材であり、ロータリージョイント用、特に蒸気用ロータリージョイントに好適なシール材である。
【選択図】なし

Description

本発明は、ロータリージョイント（可動継ぎ手）用のシール材に関するものであり、特に蒸気用ロータリージョイントに好適なシール材に関する。

回転する機器に液体又は蒸気などの流体を漏らすことなく送り込み又は排出するための可動継ぎ手、いわゆるロータリージョイントが使用されている。このようなロータリージョイントにおけるシール材としては、以前からカーボン成形品が使用されてきた。しかしながら、カーボン成形品は硬くて脆いため、ハンドリング時に落として破損したり、流体を急激に供給したりすると、その衝撃圧力に耐えられず、特に成形品が摩耗して肉厚が薄くなると破損しやすいという欠点があった。また、カーボン成形品は、流体を流さない乾燥状態で使用すると、摩擦発熱により摺動面が温度上昇し、それにつれて摩耗が大きくなるという欠点を有する。例えば、製紙機械で紙を乾燥させるドライヤーパートでは、５〜１０本のロールを使用し、ロールの乾燥熱源として高温蒸気を使用するが、時として、紙質調整のため、それらのうちの数本は蒸気を通さず使用する場合があり、その際に、カーボン成形品に大きな摩耗が発生し、シール材が割れて蒸気漏れが発生したり、寿命が短くなり、しばしば生産をストップしてシール材であるカーボン成形品を取り替えなければならなず、生産性が低下するという問題があった。更に最近、これらシール材の使用条件はより厳しいものとなってきている。これにともない、乾燥運転時の摩擦摩耗特性を改善するため、炭素質を変えたり、密度を上げて空隙を埋めるため樹脂の材質や粘度を変えたり、含浸方法を変えたり、金属含浸を行って改善されてきた。例えば、補強繊維として炭素繊維を含有させたり（例えば、特許文献１、２等参照。）、炭素質原料に物性の異なる３種類の天然黒鉛、より好ましくは２種類の土状黒鉛と残部が鱗状黒鉛との３種類の天然黒鉛を使用することが提案されている（特許文献３参照。）。しかしながら、これらの方法では、製造方法が複雑となり、時間がかかったり、金属含浸カーボンでは、高い機械的強度及び摩耗特性を有している反面、非常に高価であり、また金属材料をカーボンに含浸しているため成形品の比重が大きく、コストや機能に悪影響を及ぼすおそれがある。

また、従来から、縮合多環多核芳香族樹脂を用いた摺動材や軸受も提案されている。例えば、芳香族種がナフトール類で、水酸基を金属酸化物で変性した縮合多環多核芳香族樹脂のヘキサミン硬化物を結合材として配合したノンアスベスト摩擦材（特許文献４参照。）や、縮合多環芳香族環を含む芳香環がメチレンを介して架橋した基本構造を有する不溶不融性の縮合多環多核芳香族樹脂中に黒鉛粉末とフッ素樹脂粉末とが分散した複合材料からなる耐揺動性軸受（特許文献５、６参照。）などが知られている。
特開平７−１３３１６３号公報特開２００４−２２４９８２号公報特開平１１−１８０７９０号公報特開平６−２４８２５４号公報特開平７−７０５８０号公報特開平７−７０５８５号公報

しかしながら、上記のような従来のカーボン成形品、更には縮合多環多核芳香族樹脂を用いたものでは、例えば製紙機械のドライヤーパートに使用される蒸気用ロータリージョイントシール材のような厳しい環境下での使用において要求される特性を必ずしも満足できていない。そこで本発明は、従来のカーボン成形品よりも軽量で、流体を流さない乾燥運転時にも優れた摩擦摩耗特性を有し、しかも耐衝撃特性やハンドリング性にも優れたロータリージョイント用シール材を提供せんするものである。

本発明に係るロータリージョイントシール材は、マトリックス樹脂としての縮合多環多核芳香族樹脂と、耐熱性及び耐加水分解性を有する補強繊維と、潤滑性及び耐摩耗性を向上するための充填剤とを含有する樹脂組成物からなることを特徴とする。

前記補強繊維としては、ポリフェニレンサルファイド繊維又はカーボン繊維が好適であるが、特にポリフェニレンサルファイド繊維が好ましい。

前記充填剤としては、炭素系充填剤が好ましく、そのなかでもランプブラックがより好ましい。

また、前記充填剤としてフッ素樹脂及び／又はシリコンコンパウンドを用いることもできる。

本発明のシール材の好適な実施の形態では、縮合多環多核芳香族樹脂３５〜６０重量％、ポリフェニレンサルファイド繊維１５〜６０重量％、カーボン繊維４〜３０重量％及びランプブラック１０〜４０重量％を含有する樹脂組成物からなる。更に好適な実施の形態では、前記に加えてシリコンコンパウンドを５〜３０重量％含有する樹脂組成物からなる。

本発明に係るロータリージョント用シール材にあっては、マトリックス樹脂としての縮合多環多核芳香族樹脂が、耐熱性に優れるだけでなく高温の水蒸気に対しても高い耐加水分解性を有しており、加えて耐熱性及び耐加水分解性を有する補強繊維を含有することから、蒸気用ロータリージョイントのシール材として好適である。更に、潤滑性及び耐摩耗性を向上するための充填剤を含有するので、乾燥運転時における摩耗特性にも優れ、例えば製紙機械のドライパートにおけるロータリージョイントのシール材として好適である。

本発明のシール材を構成する樹脂組成物中、マトリックスである縮合多環多核芳香族樹脂（以下、「ＣＯＰＮＡ樹脂」という。）は、耐熱性だけでなく高温の水蒸気に対して高い耐加水分解性を有している。シール材のマトリックスとしては、ポリエーテルサルフォン樹脂（ＰＥＳ）、ポリエーテルエーテルケトン（ＰＥＥＫ）、ポリテトラフルオロエチレン（ＰＴＦＥ）なども使用されるが、熱硬化性樹脂であるＣＯＰＮＡ樹脂は、高温での物性も高いため、負荷能力に優れている。ＣＯＰＮＡ樹脂としては、例えばエア・ウォーター・ケミカル株式会社のＳＫレジンＱＨ−Ｂ０１などが挙げられる。樹脂組成物中のＣＯＰＮＡの含有量としては、３５〜６０重量％の範囲が好ましい。ＣＯＰＮＡ樹脂の含有量が増加するとともに材料の圧縮強度が上昇し、負荷能力が増すとともに耐摩耗性が向上する。ＣＯＰＮＡ樹脂の含有量が３５重量％に満たない場合には、補強繊維や他の充填剤との接着性が低下し、その結果、耐摩耗性も低下する。また、反対に、ＣＯＰＮＡ樹脂の含有量が６０重量％を超えると、補強繊維などとの接着性は向上するものの、その分、補強繊維や他の充填剤の量が少なくなる結果、やはり成形品の強度が低下し、また潤滑性を付与する充填剤が少なくなる結果、耐摩耗性も低下する。

シール材に耐熱性及び耐加水分解性を有する補強繊維としては、ポリフェニレンサルフェイド（以下、ＰＰＳ）繊維やカーボン繊維が好適に使用される。

組成物中のＰＰＳ繊維の含有量は１５〜６０重量％の範囲とすることが好ましく、更には３０重量％以下とすることがより好ましい。ＰＰＳ繊維の含有量が１５重量％に満たない場合には、目的とする補強効果が十分に発揮されない場合がある。また、ＰＰＳ繊維が３０重量％を超えると、摩擦摩耗特性が低下する傾向にあり、摩擦係数がテスト開始直後に０．３６と高く摩耗量も含有量３０重量％以下の場合に較べて２３時間後に１．４倍という試験結果も出ている（ピンオンディスク型摩擦摩耗試験機による無潤滑、接触圧力０．５ＭＰａ、すべり速度１．２ｍ／秒、温度１８０°、相手材クロムメッキ面）。また、ＰＰＳ繊維は、化学的に非常に安定な繊維であることから、マトリックス樹脂であるＣＯＰＮＡ樹脂との接着性があまり良くない。このため、含有量が６０重量％を超えると成形品の圧縮強度が逆に低下する傾向がある。
本発明のシール材に使用されるＰＰＳ繊維の繊度は１．０〜３．０デシテックス程度、長さは１〜１０ｍｍがよい。

カーボン繊維は、ＰＰＳ繊維とともに補強繊維として併用してもよいし、単独で使用してもよい。単独で使用する場合の組成物中のカーボン繊維の含有量は、１５〜４０重量％、またＰＰＳ繊維と併用する場合には、４〜３０重量％の範囲内とすることが好ましい。カーボン繊維が４重量％未満では添加した効果が表れず、また４０重量％を超えるとマトリックスＣＯＰＭＡ樹脂の含有量が少なくなって接着性が低下し、機械的強度や摩擦摩耗特性が低下する。カーボン繊維は、耐熱性が高く、加水分解を生ずることもなく、弾性率が大きく高強度であるため、シール材の耐衝撃性、摩耗特性、負荷能力の向上に寄与するとともに、蒸気中の摺動で摩擦係数を低下させる効果がある。
本発明のシール材に使用されるカーボン繊維の繊維径は５〜１０μｍ、長さは３０〜３００μｍがよい。

潤滑性及び耐摩耗性を向上するための充填剤としては、特に限定されるものではなく、炭素系充填剤、ＰＴＦＥなどのフッ素樹脂、シリコンコンパウンド、固体潤滑剤、無機フィラーなどが挙げられるが、これらの中でも、炭素系充填剤、フッ素樹脂、シリコンコンパウンドが好ましい。更に、炭素系充填剤としては天然黒鉛やカーボンなど各種のものが使用できるが、これらの中でも、炭素系充填剤としてはランプブラックが好ましい。ランプブラックとは、いわゆる炭素の一種であるが、本発明では、カーボンブラックと称される炭素の中でもランプブラックは特に水蒸気中での摺動に対して極めて低摩擦、低摩耗性を示すことを見出した。なお、炭素系充填剤の中でも、例えば天然黒鉛や人造黒鉛などは、高温乾燥時の摩擦摩耗性を向上させる効果に優れるものの、水蒸気中ではカーボン成形品の７倍の摩擦係数を示し、摩耗量も多くなる傾向がある。また、例えば活性炭や、フェノール樹脂を炭化して作るカーボン、コークスから作るカーボンなどもあるが、いずれも一長一短がある。これに対し、ランプブラックは、水蒸気中及び乾燥時の両雰囲気中で使用されるロータリージョイントの場合にあっても、カーボン成形品に優るとも劣らない摩擦摩耗特性を発揮する。ランプブラックは、粒径が０．１〜０．２μｍと非常に小さく表面積も大きいことから、組成物中に多量に添加するとマトリックス樹脂の拘束力がなくなり、強度が低下し摩耗量が増大する傾向がある。このため、組成物中の添加量の上限は４０重量％とすることが好ましく。一方、ランプブラックの添加量が少なすぎると水蒸気中での低摩擦係数を確保できなくなる。従って、ランプブラックの好ましい添加量は、樹脂組成物中で１０〜４０重量％の範囲内である。

また、シリコンコンパウンドは、シリカとシリコーンオイルを含むシリコーン含浸フィラーであり、本発明者は、このシリコンコンパウンドは、水蒸気中のシール材の摩耗に影響を与えずに摩擦係数を早期に低摩擦で安定を図るとともに乾燥時の摩擦係数の大幅な低減及び摩耗量の低減を図ることができることも見出した。組成物中のシリコンコンパウンドの含有量は５〜３０重量％である。シリコンコンパウンドが５重量％未満の場合には添加の効果が見られず、また３０重量％を超えるとマトリックス、補強繊維、他の充填剤などの含有量が相対的に低下し、その結果、目的とする耐熱性、乾燥時の耐摩擦摩耗特性が発揮されない恐れがある。

以上のことから、本発明のシール材を構成する樹脂組成物の好ましい配合としては、縮合多環多核芳香族樹脂３５〜６０重量％、ポリフェニレンサルファイド繊維１５〜６０重量％、カーボン繊維４〜３０重量％及びランプブラック１０〜４０重量％の範囲内であり、さらにシリコンコンパウンドを５〜３０重量％の範囲で配合したものが好ましい。

本発明のシール材の製造方法としては、特に限定されるものではない。その一例を示すと、先ず、成形材料として樹脂組成物は、マトリックスとなるＣＯＰＮＡ樹脂、補強繊維、充填材をヘンシェルミキサーに投入し、２１００ｒｐｍ、１分間攪拌、混合する。得られた混合物を１００℃８０分、熱風乾燥機で予備加熱して成形材料を得る。この成形材料から、本発明のシール材を成形する方法としては、前記成形材料を必要量計量し、１３５℃に加熱した金型に投入し、４０分間保持した後、１７０℃まで昇温して１２０分間保持し、冷却し、金型温度１００℃で金型から取り出す。成形圧力は、例えば１０ＭＰａで２０分保持した後、３０ＭＰａで２２０分間保持する。

以上のようにして、従来のカーボン成形品にも優るとも劣らない摩擦摩耗特性を有し、しかもカーボン成形品に較べて耐衝撃性及びハンドリング性に優れたシール材用の成形材料が得られる。

以下、本発明の実施例を挙げるが、本発明はこれらの実施例に限定されるものではない。なお、実施例の記載に先立ち、使用した成形材料及び評価方法を以下に記す。

（１）成形材料
〔マトリックス樹脂〕
ＣＯＰＮＡ樹脂：エアウォーターケミカル株式会社ＳＫレジンＱＨＢ−０１
フェノール樹脂：住友ベークライト株式会社ＰＲ５０９６５
〔補強繊維〕
ＰＰＳ繊維：東レ株式会社ＰＰＳ繊維「トルコン」Ｓ１０１（繊度：１．０デシテックス、繊維長：６ｍｍ）
カーボン繊維：東レ株式会社「トレカ」ＭＬＤ３００（繊維径：７μｍ、長さ：１３０μｍ）
〔炭素系充填剤〕
黒鉛１（天然黒鉛）：株式会社中越黒鉛工業所ＣＰＢ３（１５μｍ）
黒鉛２（人造黒鉛）：株式会社エスイーシーＳＧＰ３（３μｍ）
黒鉛３（人造黒鉛）：株式会社エスイーシーＳＧＰ２５（２５μｍ）
カーボン１：株式会社エスイーシーＳＣＮ４０（カーボン粒径４０μｍ）
カーボン２：株式会社エスイーシーＳＣＮ５（カーボン粒径５μｍ）
カーボン３：カネボウ株式会社ベルパールＣ−８００
カーボン４：福泉化成株式会社ＬＡＭＰＢＬＡＣＫＣＡＲＢＯＮ
カーボン５：東海カーボン株式会社親水性カーボンブラックＨＡ３
〔固体潤滑剤〕
ＰＴＦＥ：株式会社喜多村ＫＴＬ６２０
（その他の充填剤）
シリコンコンパウンド：東レ・ダウコーニング・シリコーン株式会社「トレフィル」Ｆ−２０１

（２）評価方法
雰囲気温度１５０℃、相対湿度１００％で１００時間処理した時の圧縮強度及び摩擦摩耗特性の変化により、シール材の耐蒸気性を調べた。

（試験方法）
ａ）圧縮強度：ＪＩＳＫ６９１１に準拠して測定した。
ｂ）曲げ強度：ＪＩＳＫ６９１１に準拠して測定した。
ｃ）曲げ弾性係数：ＪＩＳＫ６９１１に準拠して測定した。
ｄ）アイゾット衝撃強度：ＪＩＳＫ６９１１に準拠して測定した。
ｅ）摩擦摩耗試験：下記のとおり。
（ｉ）無潤滑
試験機：ピンオンディスク型摩擦摩耗試験機
すべり速度：１．２ｍ／秒
接触圧力：０．５ＭＰａ
相手材：硬質クロムメッキ
潤滑：無潤滑
相手材温度：１８０℃
試験時間：２０時間
（ii）潤滑（蒸気中）
試験機：ピンオンディスク型摩擦摩耗試験機
すべり速度：１．２ｍ／秒
接触圧力：０．５ＭＰａ
相手材：硬質クロムメッキ
潤滑：１２０℃蒸気（蒸気噴出口近辺）
相手材温度：１８０℃
試験時間：８時間

（実施例１〜２、比較例１〜２）
表１に示す配合の材料を、ヘンシェルミキサーに投入し、２１００ｒｐｍ、１分間攪拌、混合し、混合物を１００℃で８０分間、熱風乾燥機で予備加熱して成形材料を得た。この成形材料を１３５℃に加熱した金型に投入し、４０分間保持した後、１７０℃まで昇温して１２０分間保持し、冷却し、金型温度１００℃で金型から取り出し、実施例１〜２および比較例１のシール材を得た。成形圧力は、１０ＭＰａで２０分保持した後、３０ＭＰａで２２０分間保持した。なお、比較例２としては、カーボン成形品を用いた。得られた実施例１〜２および比較例１〜２のシール材の評価結果を表１に示す。

表１から明らかなように、本発明のシール材は、比較例１に示すフェノール樹脂製のシール材のような蒸気処理前後における圧縮強度の変化がない。また、比較例２に示す従来のカーボン成形品に較べてアイゾット衝撃強度が非常に高い。

（実施例３〜１３、比較例３）
表２−１、表２−２に示す配合の材料にて、実施例１と同様にしてシール材を得た。得られたシール材の評価結果を表２−１、表２−２に示す。また、表２−１には、前記実施例２のシール材の評価結果も併記した。

表２−１、表２−２から明らかなように、ＣＯＰＮＡ樹脂をマトリックス樹脂とし、補強繊維としてＰＰＳ繊維及び／又はカーボン繊維を含有し、更に黒鉛、カーボンなどの炭素系充填剤やフッ素樹脂（ＰＴＦＥ）、シリコンコンパウンドなどの充填剤を含有してなる本発明のシール材は、無潤滑時（乾燥時）と潤滑時（蒸気中）とのいずれにおいても摩擦摩耗特性に優れる。更に、充填剤としてカーボンを用いると、無潤滑時（乾燥時）と潤滑時（蒸気中）とで摩擦摩耗特性に差が少ない。また、炭素系充填剤としてランプブラックを用いた場合には、潤滑（蒸気中）の摩擦摩耗特性に優れる。これに対し、ＣＯＰＮＡ樹脂をマトリックス樹脂とし、補強繊維としてＰＰＳ繊維を含有するが充填剤は含有しない比較例３のシール材は、乾燥時に較べて蒸気中では摩擦摩耗特性が大幅に低下する。

Claims

マトリックス樹脂としての縮合多環多核芳香族樹脂と、耐熱性及び耐加水分解性を有する補強繊維と、潤滑性及び耐摩耗性を向上するための充填剤とを含有する樹脂組成物からなることを特徴とするロータリージョイントシール材。
前記補強繊維が、ポリフェニレンサルファイド繊維又はカーボン繊維である請求項１記載のシール材。
前記充填剤として炭素系充填剤を含む請求項１又は２に記載のシール材。
前記炭素系充填剤がランプブラックである請求項３記載のシール材。
前記充填剤が、フッ素樹脂及び／又はシリコンコンパウンドを含む請求項１〜４のいずれかに記載のシール材。
縮合多環多核芳香族樹脂３５〜６０重量％、ポリフェニレンサルファイド繊維１５〜６０重量％、カーボン繊維４〜３０重量％及びランプブラック１０〜４０重量％を含有する樹脂組成物からなる請求項４記載のシール材。
前記樹脂組成物が、更にシリコンコンパウンドを５〜３０重量％含有してなる請求項６記載のシール材。