JP2008155555A - 流体機器用樹脂部品、流体機器用樹脂部品の製造方法、及び、流体機器 - Google Patents

Abstract

【課題】 複雑な形状であっても製品の寸法精度を確保でき、且つ、型の破損を招くおそれが少ない流体機器用樹脂部品の製造方法を提供する。
【解決手段】 消失模型を用いて作成した焼成型に、カルベン構造を持つルテニウムまたはオスミウム錯体触媒の存在下で、メタセシス重合可能なシクロオレフィン類を注入して重合させて、流体機器用樹脂部品を製造する。
【選択図】 図１

Description

本発明は、流体機器用樹脂部品、流体機器用樹脂部品の製造方法、及び、流体機器に関する。

従来、大型の配管類、ポンプ、水車のケーシング部品等、強度或いは耐食性を備えた部品材料として一般的に金属鋳物が用いられていたが、材料費が高価であり重量が重いという難点があったため、近年、金属鋳物に代わる安価で軽量かつ耐食性に優れた樹脂部品の開発が要請されている。

そのような樹脂部品として、従来、大気中の水分や酸素により触媒が失活するため大気中下で成形できず、成形に際して大掛かりな反応射出成形機及び射出圧力に耐えられる強固な金型等が必要とされていたメタセシス重合可能なシクロオレフィン類を、カルベン構造を持つルテニウムまたはオスミウム錯体触媒の存在下で、大気中下の砂型に注入して重合させ、この重合させて得られる樹脂材料を成形する樹脂部品が提案されている。
特開２００３−３３５８４４号公報

しかし、そのような砂型を用いる場合には、製品の寸法精度が確保し辛く後加工が必要となるばかりか、型が破損し易く頻繁に補修作業が必要となり、樹脂注入時に型が破損すると歩留まりが低下して製品コストが上昇するという問題があった。また、砂型を用いる場合には張り合わせが必須となり、三次元の複雑形状に対応した型の作成が困難であるという問題もあった。

本発明は上述した従来の問題点に鑑みてなされたものであり、複雑な形状であっても製品の寸法精度を確保でき、且つ、型の破損を招くおそれが少ない流体機器用樹脂部品、流体機器用樹脂部品の製造方法、及び、流体機器用樹脂部品を用いた流体機器を提供することを目的とする。

上述の目的を達成するため、本発明による流体機器用樹脂部品の第一の特徴構成は、特許請求の範囲の書類の請求項１に記載した通り、消失模型を用いて作成した焼成型に樹脂を注入して成形した点にある。

上述した構成によれば、複雑な形状を備えた流体機器用の樹脂部品であっても、消失模型を用いることで成形でき、且つ、砂型に比べて強度のある焼成型を使用しているので、樹脂注入時に型が破損するおそれが少なく安定した品質の流体機器用樹脂部品を得ることができる。

同第二の特徴構成は、同請求項２に記載した通り、上述の第一特徴構成に加えて、前記樹脂部品が強化材で強化されている点にある。

上述の構成によれば、強化材により強化された十分に強度を確保した流体機器用樹脂部品を得ることができる。

同第三の特徴構成は、同請求項３に記載した通り、上述の第一または第二特徴構成に加えて、前記樹脂がカルベン構造を持つルテニウムまたはオスミウム錯体触媒の存在下で、メタセシス重合可能なシクロオレフィン類を重合させて得られる樹脂である点にある。

上述の構成によれば、大気中下であっても触媒の失活を招くことなく、強度或いは耐食性を備えた流体機器用樹脂部品を得ることができる。

本発明による流体機器の特徴構成は、同請求項４に記載した通り、上述の第一から第三の何れかの流体機器用樹脂部品を用いた点にある。

上述の構成によれば、寸法制度を確保でき、安定した品質の樹脂部品を用いた流体機器を得ることができる。

本発明による流体機器用樹脂部品の製造方法の第一の特徴構成は、同請求項５に記載した通り、流動状態にある樹脂材料を消失模型を用いて作成した焼成型に注入して固化成形する点にある。

上述の構成によれば、複雑な形状を備えた流体機器用の樹脂部品であっても、消失模型を用いることで成形でき、且つ、砂型に比べて強度のある焼成型を使用しているので、樹脂注入時に型が破損するおそれが少なく製造プロセスが安定した流体機器用の樹脂部品の製造方法を得ることができる。

同第二の特徴構成は、同請求項６に記載した通り、上述した第一特徴構成に加えて、前記消失模型が光造型または粉末焼結造型により製作された消失模型である点にある。

上述の構成によれば、消失模型を作成するために型を作成する必要が無く、少量の生産でも安価に流体機器用樹脂部品を製造することができるようになる。

同第三の特徴構成は、同請求項７に記載した通り、上述した第一または第二特徴構成に加えて、強化材を混入した消失模型を用いて焼成型を作成し、消失模型を消失させることで前記焼成型内部に強化材を残存させた後、流動状態にある樹脂を焼成型に注入して固化成形する点にある。

上述の構成によれば、消失模型を製作する際に強化繊維を混入し、消失模型を消失させることで、焼成型内部に強化繊維を残存させることができ、当該焼成型に樹脂を注入すると、樹脂内部に強化繊維が混入された状態で成形されるため、十分に強度を確保した流体機器用樹脂部品を製造することができる。

以上説明した通り、本発明によれば、複雑な形状であっても製品の寸法精度を確保でき、且つ、型の破損を招くおそれが少ない流体機器用樹脂部品、流体機器用樹脂部品の製造方法、及び、流体機器用樹脂部品を用いた流体機器を提供することができるようになった。

以下に、本発明による流体機器用樹脂部品、流体機器用樹脂部品の製造方法を用いてポンプケーシングを成形する例を説明する。

図１（ｄ）、（ｅ）に示すように、シェルモールド法により製作された焼成型３の空洞部４に、熱硬化性樹脂５の一例であるメタセシス重合可能なシクロオレフィン類を、カルベン構造を持つルテニウムまたはオスミウム錯体触媒の存在下で、空気雰囲気中で流し込んで重合させる。

このとき流動可能な状態にまでシクロオレフィン類を重合させておいてもよく、樹脂が反応固化した後、型ばらしをして樹脂周囲から除去することにより、図１（ｇ）に示すような斜流ポンプのケーシング６が成形される。

メタセシス重合可能なシクロオレフィン類として、二環体以上のノルボルネン類及び炭素数４以上の単環シクロオレフィン類から選ばれる少なくとも一種を使用することができ、置換または非置換のノルボルネン、ジシクロペンタジエン、ジヒドロジシクロペンタジエンなどのノルボルネンが好適である。

ノルボルネン類としては、ノルボルネン、ノルボルナジエン、メチルノルボルネン、ジメチルノルボルネン、エチルノルボルネン、エチリデンノルボルネン、ブチルノルボルネン、５−アセチル−２−ノルボルネン、ジメチル−５−ノルボルネン−２，３−ジカルボキシレート、Ｎ−ヒドロキシ−５−ノルボルネン−２，３−ジカルボキシイミド、５−ノルボルネン−２−カルボニトリル、５−ノルボルネン−２−カルボキシアルデヒド、５−ノルボルネン−２，３−ジカルボン酸モノメチルエステル、５−ノルボルネン−２，３−ジカルボン酸ジメチルエステル、５−ノルボルネン−２，３−ジカルボン酸ジエチルエステル、５−ノルボルネン−２，３−ジカルボン酸ジ−ｎ−ブチルエステル、５−ノルボルネン−２，３−ジカルボン酸ジシクロヘキシルエステル、５−ノルボルネン−２，３−ジカルボン酸ジベンジルエステル、５−ノルボルネン−２，３−ジカルボン酸無水物、３，６−エポキシ−１，２，３，６−テトラヒドロフタル酸無水物、５−ノルボルネン−２，３−ジカルボン酸、５−ノルボルネン−２−メタノール、６−トリエトキシシリル−２−ノルボルネン、５−ノルボルネン−２−オールなどの二環ノルボルネン、ジシクロペンタジエン（シクロペンタジエンの二量体）、ジヒドロジシクロペンタジエン、メチルジシクロペンタジエン、ジメチルジシクロペンタジエン、などの三環ノルボルネン、テトラシクロドデセン、メチルテトラシクロドデセン、ジメチルシクロテトラドデセンなどの四環ノルボルネン、トリシクロペンタジエン（シクロペンタジエンの三量体）、テトラシクロペンタジエン（シクロペンタジエンの四量体）などの五環以上のノルボルネンが挙げられ、２個以上のノルボルネン基を有する化合物、例えばテトラシクロドデカジエン、対称型トリシクロペンタジエン等を用いてもよい。

シクロオレフィン類としては、シクロブテン、シクロペンテン、シクロオクテン、シクロドデセン、１，５−シクロオクタジエン、１，３，５，７−シクロオクタテトラエン、１，５，７−シクロドデカトリエン、５，６−エポキシ−１−シクロオクテン、３，４−エポキシ−１−シクロオクテン、５−メトキシ−１−シクロオクテン、５−ブロモ−１−シクロオクテン、５−イソプロポキシ−１−シクロオクテン、５−ホルミル−１−シクロオクテン、５−メトキシ−１−シクロオクテン、エチル−シクロオクト−１−エン−５−カルボキシレート、（トリメチルシリル）シクロオクト−１−エン−５−カルボキシレート、テトラヒドロインデン、メチルテトラヒドロインデンなどが挙げられる。

メタセシス重合触媒としては、以下の一般式（ａ）、（ｂ）、（ｃ）で示される少なくとも一種の触媒を使用できる。

ここで、Ｍはルテニウムまたはオスミウム；Ｒ、Ｒ¹、Ｒ²、Ｒ³、Ｒ⁴及びＲ⁵は、それぞれ独立に水素、炭素数１〜２０のアルキル基、炭素数２〜２０のアルケニル基、炭素数２〜２０のアルキニル基、アリール基、炭素数１〜２０のカルボキシレート基、炭素数１〜２０のアルコキシ基、炭素数２〜２０のアルケニルオキシ基、アリールオキシ基、炭素数２〜２０のアルコキシカルボニル基、炭素数１〜２０のアルキルチオ基、炭素数１〜２０のアルキルスルフォニル基又は炭素数１〜２０のアルキルスルフィニル基、炭素数１〜２０のアルキルセレノ基、炭素数１〜２０のアルキルセレニニル基又は炭素数１〜２０のアルキルセレノニル基から選ばれ、それぞれは炭素数１〜５のアルキル基、ハロゲン、炭素数１〜５のアルコキシ基又はフェニル類で置換されていてもよい。また、前記フェニル類はハロゲン、炭素数１〜５のアルキル基、炭素数１〜５のアルコキシ基で置換されていてもよい。

ここに、Ｘ及びＸ¹はそれぞれ独立にアニオン配位子を示す。アニオン配位子は、中心金属への配位を外したときに陰性電荷をもつ基のことである。このような基としては、例えば、水素、ハロゲン、ＣＦ₃ＣＯ₂、ＣＨ₃ＣＯ₂、ＣＦＨ₂ＣＯ₂、（ＣＨ₃）₃ＣＯ、（ＣＦ₃）₂（ＣＨ₃）ＣＯ、（ＣＦ₃）（ＣＨ₃）₂ＣＯ、炭素数１〜５のアルキル基、炭素数１〜５のアルコキシ基、フェニル基、フェノキシ基、トシル基、メシル基、トルフルオロメタンスルホネート基等があり、特に好ましいものは両方にハロゲン（特に、塩素）を含むものである。

Ｌ及びＬ¹はそれぞれ独立に中性の電子供与基を示す。中性の電子供与基は、中心金属への配位を外したときに中性電荷をもつ基のことである。このような基としては、例えば、ＰＲ₂Ｒ₃Ｒ₄（ここで、Ｒ₂は２級のアルキル基又はシクロアルキル基、Ｒ₃及びＲ₄はそれぞれ独立に、アリール基、炭素数１〜１０の１級アルキル基もしくは２級アルキル基、シクロアルキル基を示す。）で表されるホスフィン系電子供与基や、ピリジン、ｐ−フルオロピリジン、イミダゾリリデン化合物等がある。好ましいＬ及びＬ¹は、両方共に−Ｐ（シクロヘキシル）₃、−Ｐ（シクロペンチル）₃、又はＰ（イソプロピル）₃であるが、Ｌ及びＬ¹互いに異なる電子供与基であってもよい。

メタセシス重合触媒は、単独または２種類以上を組み合わせて使用することができる。このとき、触媒量はメタセシス重合可能なシクロオレフィン類１００重量部に対し、０．００１〜２０重量部、好ましくは０．０１〜５重量部である。

以下に触媒の合成例を示す。５００ｍｌのFisher-Porter bottleにシクロオクタジエンルテニウムジクロライド（２１ｍｍｏｌ）、トリシクロヘキシルホスフィン（４２ｍｍｏｌ）、水酸化ナトリウム（７．２ｇ）、酸素を除去したｓｅｃ−ブタノール２５０ｍｌを入れ、水素０．２０ＭＰａ（２気圧）下で９０℃で加熱する。水素の吸収が終了するまで数回加圧を繰り返し、一晩撹拌を続ける。水素の圧力をかけたままで室温まで冷却し、淡黄色の沈殿物を得る。水３０ｍｌを加え沈殿物を濾過し、水素気流中で乾燥して、Ｒｕ（Ｈ）₂（Ｈ₂）₂（Ｐｃｙ₃）₂を得る（収率約８０％、ｃｙはシクロヘキシルを示す）。次に、このＲｕ（Ｈ）₂（Ｈ₂）₂（Ｐｃｙ₃）₂（１．５ｍｍｏｌ）をジクロロエタン溶液３０ｍｌに溶解し、−３０℃に冷却する。３−クロロ−３−メチル−１−ブチン（１．５ｍｍｏｌ）を加える。溶液は即座に赤紫に変わり、そのまま１５分反応させる。冷却浴をはずし、脱ガスしたメタノール（２０ｍｌ）を加えると紫色の結晶が沈殿する。メタノールで洗浄し、乾燥させて前記式（３）のＲｕカルベン触媒（Ｃｌ）₂（Ｐｃｙ₃）₂Ｒｕ＝ＣＨ−ＣＨ＝Ｃ（ＣＨ₃）₂を得る（収率９５％）。（参考文献：Organometallics 第１６巻、１８号、３８６７ページ（１９９７年））

メタセシス重合触媒を用いる場合には、触媒の使用量、反応温度、反応調整（抑制）剤の使用等、成形時の条件を適当に選ぶことで、重合反応の速度を任意に調整することができる。

上述した製造方法では、熱硬化性樹脂としてカルベン構造を持つルテニウムまたはオスミウム錯体触媒の存在下でメタセシス重合可能なシクロオレフィン類を用いたものを説明したが、これらに限定されるものではなく、アクリル樹脂、エポキシ樹脂等の他の熱硬化性樹脂や熱可塑性樹脂を用いて樹脂成形品を製造することも可能である。

以下に、焼成型の製造方法及び流体機器用樹脂部品の製造方法について説明する。図１（ａ）に示すように、先ず、案内羽根を備えたポンプケーシングの金型１ａ、１ｂ、１ｃ、１ｄ、１ｅを製作し、当該金型１ａ、１ｂ、１ｃ、１ｄ、１ｅを組み込んだ空洞部にワックスを充填して、図１（ｂ）に示すような消失模型となるワックスモデル２を作成する。図１（ｃ）に示すように、作成されたワックスモデル２に同じくワックスで形成された樹脂注入道（図示せず）を組み込み、当該ワックスモデル２に粘結材と耐火材をコーティングし、乾燥させる。コーティングと乾燥処理を数回繰り返すことにより、薄くて強い型３が形成される。

次に、図１（ｄ）に示すように、高温高圧蒸気等で型３の中にあるワックスモデル２を溶かし出した後に、型３を炉内で焼成してセラミックスの型３を作成する。このような焼成型３の製造方法は一般的にロストワックスを用いたシェルモールド法といわれる。上述の方法で作成された焼成型３は、砂型に比べて十分な強度が確保できるばかりでなく、ＮＣ加工に近い寸法精度で軽量且つコンパクトな型が得られる。

図１（ｅ）に示すように、作成された焼成型３の空洞部４に熱硬化性樹脂５を流し込み、樹脂が固化した後に焼成型３をばらして樹脂注入道を切断することにより、図１（ｆ）に示すような樹脂製のポンプケーシング５を得る。最後に図１（ｇ）に示すように、右側フランジ部に揚水管との連結孔６ｃを、左側フランジ部に吸込み管との連結穴６ｄを形成するための機械加工を施し、必要に応じて表面処理を施してケーシング６ａと案内羽根ｂが一体形成された最終製品６となる。

上述のシェルモールド法における金型によるワックスモデルの製作に代えて、ラピッドプロトタイピング法（Rapid Prototyping :迅速原形製造法：以下「ＲＰ法」と記す。）を用いて消失模型を製作してもよい。ＲＰ法として、イメージした物体の３次元ＣＡＤデータからＸＹ平面の多層のスライスデータを算出し、立体化フォーマットを付加して成形機に送り、成形機では、光硬化樹脂等をスライスデータに基づいてレーザービーム等の照射位置をコントロールして、一層ずつ硬化、積層させ、イメージした物体の実体を作り出す光造形法を採用することができ、光造形法以外に粉末焼結造型法、液滴噴射法、バインダ噴射法、溶融堆積法、薄板積層法、固体下地硬化法等を採用することも可能である。

ポリスチレンを用いて粉末焼結造型法で消失模型を作成する場合には、ポリスチレンの物性から消失させやすいという利点がある。

ＲＰ法による消失模型の製作によれば、金型が不要となるのでコストの増大を招くことなく、数量の少ない個別オーダー品に対応可能となる。また、複雑な形状でも迅速一体成形が可能となる。

また、上述の消失模型を水溶した石膏中に投入し、固化した石膏を焼成する方法を採用する場合には、樹脂成形後の型ばらし時に例えば水を噴霧する或いは水中に浸漬することにより石膏型が溶解するため、良好な離型性を確保することができる。

さらに、図２（ｂ）に示す消失模型の製作時に型内に強化材としてフィラー、ガラス繊維、カーボン繊維、アラミド繊維等の強化繊維７を混入、つまり、ワックスや光硬化樹脂に予め強化繊維７を混入してワックスモデルや樹脂モデルを製作すれば、コーティング処理の後にワックスモデルや樹脂モデルを溶かし出したときに、型４の内部に強化繊維７が残留するため、そのような型４に流し込まれる樹脂内部に強化繊維が分散して強度のある樹脂成形品を得ることができるようになる。

尚、強化繊維７は、繊維担体であってもよいが、布状その他成形された状態のものであってもよい。また、強化材は繊維に限定されるものではなく、棒状、板状、骨組状の形態であってもよく、金属材料でもよい。

上述の実施形態で説明した各種の熱硬化性樹脂は例示に過ぎずこれらの記載に限定されるものではなく、熱可塑性樹脂であってもよい。また、このような製造方法で製造される流体機器用樹脂部品もポンプケーシングに限るものではなく、大型の配管類、ポンプ、水車のケーシング等の任意の流体機器用樹脂部品の製造に適用することが可能となる。

上述の実施形態では、焼成型に樹脂を大気中下で流し込むものを説明したが、樹脂材料の粘度等に応じて加圧下で注入するものであってもよい。

（ａ）から（ｆ）は本発明による流体機器用樹脂部品の製造方法の説明図であり、（ｇ）は本発明による流体機器用樹脂部品の製造方法により製造された樹脂部品の断面図 （ａ）から（ｆ）は消失模型に強化繊維を混入するときの流体機器用樹脂部品の製造方法の説明図であり、（ｇ）は本発明による流体機器用樹脂部品の製造方法により製造された樹脂部品の断面図

符号の説明

１ａ〜１ｅ：金型
２：消失模型（ワックスモデル、樹脂モデル）
３：焼成型（セラミックス、石膏）
４：焼成型内の空洞部
５：注入される樹脂、樹脂部品
６：樹脂部品
６ａ：ポンプケーシング
６ｂ：案内羽根
６ｃ：フランジ部に形成された揚水管との連結孔
６ｄ：フランジ部に形成された吸込み管との連結穴
７：強化繊維

Claims (7)

1. 消失模型を用いて作成した焼成型に樹脂を注入して成形したことを特徴とする流体機器用樹脂部品。
2. 前記樹脂部品が強化材で強化されていることを特徴とする請求項１記載の流体機器用樹脂部品。
3. 前記樹脂がカルベン構造を持つルテニウムまたはオスミウム錯体触媒の存在下で、メタセシス重合可能なシクロオレフィン類を重合させて得られる樹脂であることを特徴とする請求項１または２記載の流体機器用樹脂部品。
4. 請求項１から３の何れか記載の流体機器用樹脂部品を用いたことを特徴とする流体機器。
5. 流動状態にある樹脂材料を消失模型を用いて作成した焼成型に注入して固化成形する流体機器用樹脂部品の製造方法。
6. 前記消失模型が光造型または粉末焼結造型により製作された消失模型であることを特徴とする請求項５記載の流体機器用樹脂部品の製造方法。
7. 強化材を混入した消失模型を用いて焼成型を作成し、消失模型を消失させることで前記焼成型内部に強化材を残存させた後、流動状態にある樹脂を焼成型に注入して固化成形することを特徴とする請求項５または６記載の流体機器用樹脂部品の製造方法。