JP2008201988A - ジョイントシート及びこれを用いたガスケット - Google Patents

Abstract

【課題】さらなる材料工夫等により、膨張黒鉛、アラミド繊維、及びゴム結合材を有する材料から形成されるジョイントシートを、高温域でも安定して使えるように耐熱性（耐熱シール性）を有するものとして提供する。
【解決手段】膨張黒鉛、アラミド繊維、及びゴム結合材を有する材料から形成されるジョイントシートにおいて、前記膨張黒鉛と前記アラミド繊維と前記ゴム結合材との三者の和の前記材料に対する質量比率を４０〜５０％に設定する。
【選択図】図１

Description

本発明は、産業用配管等のガスケット材料として好適なジョイントシートに係り、詳しくは膨張黒鉛、アラミド繊維、及びゴム結合材を有する材料から形成されるジョイントシートに関するものである。

この種のジョイントシートとしては、特許文献１において開示されたものが知られている。即ち、これは石綿ジョイントシートに取って代わる材料として開発されたものであり、アラミド繊維、鉱物繊維、無機充填材（カオリン、セピオライト、炭酸カルシウム、黒鉛等）、ゴム質結合材を複合した材料で成るジョイントシート、言わば非石綿系ジョイントシートである。

前記のジョイントシートは、石綿系ジョイントシートに取って代わるものとして開発されたものである。即ち、その昔は、白石綿とゴムラテックスバインダーを主成分とし、その他に加硫剤を配合してなるアスベストビータシートと、石綿を主成分とし、これに石綿の粘結剤としてのゴム及び加硫剤等のゴム薬品を配合して成る石綿ジョイントシートが市場を席巻していた。ところが、石綿系ジョイントシート（ガスケット）は人体に対して有害であり、また環境汚染の問題もあることからその使用が制限され、石綿を使用しないガスケットの開発が急務とされたことに起因している。

しかしながら、前記特許文献１等に示される非石綿系ジョイントシートは、高温域での使用状態が不安定であり、石綿ジョイントシート程の高温特性がなかなか出せない点で改善の余地が残されていた。
特許公報第２５３８５０９号

本発明の目的は、さらなる材料工夫等により、膨張黒鉛、アラミド繊維、及びゴム結合材を有する材料から形成されるジョイントシートを、高温域でも安定して使えるように耐熱性（耐熱シール性）を有するものとして提供する点にある。

請求項１に係る発明は、膨張黒鉛、アラミド繊維、及びゴム結合材を有する材料から形成されるジョイントシートにおいて、
前記膨張黒鉛と前記アラミド繊維と前記ゴム結合材との三者の和の前記材料に対する質量比率が４０〜５０％に設定されていることを特徴とするものである。

請求項２に係る発明は、請求項１に記載のジョイントシートにおいて、前記膨張黒鉛の前記材料に対する質量比率が１５〜３５％に設定されることを特徴とするものである。

請求項３に係る発明は、請求項１又は２に記載のジョイントシートにおいて、前記アラミド繊維の前記材料に対する質量比率が４〜１５％に設定されることを特徴とするものである。

請求項４に係る発明は、請求項１〜３の何れか一項に記載のジョイントシートにおいて、前記ゴム結合材の前記材料に対する質量比率が１０〜１８％に設定されることを特徴とするものである。

請求項５に係る発明は、ガスケットにおいて、請求項１〜４の何れか一項に記載のジョイントシートを用いて形成されることを特徴とするものである。

請求項１の発明によれば、膨張黒鉛、アラミド繊維、及びゴム結合材を有する材料から形成されるジョイントシートにおいて、これら三者の和の配合比率を予測しての種々の実験データや試験データを得るといった鋭意研究及び開発を行うことにより、非石綿系ジョイントシートの高温域での特性を石綿系ジョイントシートと同等の性能に改善することが可能になる。その結果、膨張黒鉛、アラミド繊維、及びゴム結合材を有する材料から形成されるジョイントシートを、高温域でも安定して使えるように耐熱性（耐熱シール性）を有するものとして提供することができる。

請求項２の発明のように、膨張黒鉛の材料全体に対する質量比率を１５〜３５％に設定すれば、シール性、強度（引張強度）、及び熱クリープ性が劣化する不都合がないようにしながら、加熱時の復元性に優れるジョイントシートを提供することができる。

請求項３の発明のように、アラミド繊維の材料全体に対する質量比率を４〜１５％に設定すれば、簡易蒸気試験やシール性能に悪影響を与えることがないようにしながら、強度（引張強度）や熱クリープ試験に効果があるジョイントシートを提供することができる。

請求項４の発明のように、ゴム結合材の材料全体に対する質量比率を１０〜１８％に設定すれば、簡易蒸気試験及び熱クリープ試験に悪影響が出ないようにしながら、シール性及び強度（引張強度）に好影響を与える効果を有するジョイントシートを提供することができる。

請求項５の発明によれば、請求項１〜４の発明による前記いずれかの効果を奏するジョイントシートガスケットを提供することができる。

以下に、本発明によるジョイントシート及びこれを用いたガスケットの実施の形態を、図面を参照しながら説明する。図１，図２はそれぞれ実施例１〜７と比較例１〜６のジョイントシートの成分表を示す図、図３〜図５はそれぞれジョイントシートのアラミド繊維、ゴム結合剤、膨張黒鉛の各配合比率に関係する特性グラフを示す図、図６，図７はそれぞれ簡易蒸気試験、熱クリープ試験を示す作用図である。

本発明によるジョイントシートは、膨張黒鉛、アラミド繊維、ゴム結合材、無機繊維、ゴム薬品からなる材料から形成されるものであって、膨張黒鉛とアラミド繊維とゴム結合材との三者の和の材料全体に対する質量比率が４０〜５０％の範囲に設定されているものを用いて作成されている。個々においては、膨張黒鉛の質量比率は１５〜３５％の範囲に設定され、かつ、アラミド繊維の質量比率は４〜１５％の範囲に設定され、かつ、ゴム結合材の質量比率は１０〜１８％の範囲に設定されるのが望ましい。ジョイントシートを刳り貫く等してリング状に形成されたものが、図６に示すガスケット（ジョイントシート製ガスケット）Ｇである。

ジョイントシートとしての試料作成は、石綿ジョイントシートの製造方法に準じた方法で行われる。即ち、まず基材繊維、充填材、ゴム薬品、及び溶剤に溶解させたゴムを加えてヘンシェルミキサーで混合する。そして、その混合物（混合材料組成物）を、１５０℃に加熱されている熱ロールと２０℃に保たれている冷ロールとからなる一対のカレンダーロールの間に投入し、熱ロール側に積層させながら溶剤の蒸発、加硫を行い、厚さ１．５ｍｍに達したシートを熱ロールから剥離する、という製造方法である。

膨張黒鉛は、図５に示すジョイントシート（ガスケット）の膨張黒鉛に関する特性グラフ〔膨張黒鉛量（配合比率）に対する各種性能との関係グラフ〕から判るように、その配合量（配合比率）を増やすと加熱時の復元性に効果がある材料であり、特に簡易蒸気試験に寄与する。しかしながら、膨張黒鉛の配合量を増やし過ぎるとシール性及び強度（引張強度）が次第に劣化し、かつ、熱クリープ性は急激に劣化するという悪影響を与える傾向がある。そこで、それらの悪影響を回避しながら長所を享受するために、膨張黒鉛の配合比率は１５〜３５質量％に設定することとした。

有機繊維であるアラミド繊維は、図３に示すジョイントシート（ガスケット）のアラミド繊維量（配合比率）に対する特性グラフから判るように、引張試験、熱クリープ試験に効果がある材料、即ち補強効果に優れる材料である。しかしながら、図３では示されて以内が、配合量（配合比率）を増やし過ぎると簡易蒸気試験やシール性能に悪影響を与えることが知見されている。従って、アラミド繊維の望ましい配合比率は４〜１５質量％に設定することとした。

ゴム結合剤は、図４に示すジョイントシート（ガスケット）のゴム結合剤量（配合比率）に対する特性グラフから判るように、配合量（配合比率）を増やせばシール性がより良好になるというシール性能に効果がある材料である。そして、配合量を適度の範囲に設定すれば引張強度等にも好影響を与える特性を有している。しかしながら、配合量（配合比率）を増やし過ぎると、引張強度以外に簡易蒸気試験、熱クリープ試験にも悪影響が出るため、ゴム結合剤の配合比率は１０〜１８質量％に設定することとした。尚、ゴム結合剤の種類としては、耐油性、圧縮復元性、機械強度にバランス良く優れるＮＢＲが採用されている。

石綿ジョイントシートと同等な高温粋での良好なシール性、即ち耐熱シール性を発揮させるには、簡易蒸気試験、熱クリープ試験、シール試験、引張試験（強度試験）の四試験を全てクリヤして良好な成績を出す必要がある。そこで、次に各試験の概要について簡単に説明する。

簡易蒸気試験は、加熱された状態（２００〜４００℃レベル）でのジョイントシート（ガスケット）のシール性を確保する能力を示す試験である。これは、ガスケットには、加熱された状態で復元性を有して応力緩和が少ない、という性能が要求されるからである。例えば、図６に示すように、水の収容が可能な圧力容器１、電気炉等の加熱手段（図示省略）等を用意して、リング状のガスケットＧを使用状態において高圧高温蒸気に晒す試験が実施される。圧力容器１は、上フランジ２と下フランジ３とを円環状のガスケットＧを介して複数のボルト・ナット４で締付けられたものであり、上フランジ２には水や蒸気の装脱孔５とそのプラグ（栓）６とが装備されている。そして、加熱手段（図示省略）で圧力容器１を加熱し、内部に収容されている水Ｗを加圧水として容器内上部に蒸気Ｓを生じさせ、その蒸気Ｓを所定時間付加することにより、ガスケットＧのシール性や耐久性を試験するのである。

熱クリープ試験とは、加熱された状態（２００〜４００℃レベル）で圧縮された場合におけるジョイントシート（ガスケット）の変形を調べる試験（高温下でクリープさせる試験）である。これは、ガスケットには、容易に変形しないために強度が高くて圧縮に耐える抗圧縮性が要求されるからである。例えば、図７（ａ）に示すように、所定の高温（例：２００℃）に調温されたステンレス鋼製の受台１１に試料としてのガスケット用の円形ジョイントシートＪを置き、油圧プレスＢにより受台１１と押圧台１２との間にて高面圧（例：９８Ｎ／ｍｍ² ）で設定時間（例：１分）負荷を与える試験が実施される。この場合、図７（ｂ）に示すように、熱プレス前の状態Ｊｂと後の状態Ｊａとの双方においてジョイントシートの２箇所の直径の平均値を測定し、熱クリープ率を求める。即ち、試験前の直径をｄ１、試験後の直径をｄ２とすると、熱クリープ率（％）Ｒは、Ｒ＝ｄ２2−ｄ１2／ｄ１2×１００で算出される。

シール試験とは、流体の漏れを防止する能力を示す試験である。これは、適度な柔軟性と復元性とを有して座面に密着し、かつ、ガスケット本体からの漏れを防止すべくガスケット自体に連続した空隙が少ない（又は無い）ことが要求されるからである。例えば、所定の面圧まで加圧して３分間保持し、次に、窒素ガスを負荷して１０分間保持した後に、漏洩量を石鹸膜移動法により測定する、というＪＩＳに規定される標準的なシール試験方法に準じた常温ガスシール試験が実施される。

引張試験（強度試験）はＪＩＳに準じて行われる試験であり、自由な形状に切断されて形状を保持する能力や、フランジに装着されてボルトで締付けられて圧縮されても形状を保持する能力を示すことができる。この試験により、本発明によるジョイントシート製ガスケットと比較例のガスケットとの取扱い性を観察することが可能である。

図１，図２に、ジョイントシートの複数の実施例と複数の比較例との成分表を示す。実施例１〜７は、膨張黒鉛とアラミド繊維とゴム結合材との三者の和の配合比率（質量比率）が４０〜５０％の範囲に設定されているジョイントシートであり、比較例１〜６は、前記三者の配合比率（質量比率）が４０％未満か、又は５０％超に設定されているジョイントシートである。各実施例及び各比較例は、それらのいずれも各材料自体は同じものを用いている。また、ゴム薬品には、硫黄、加硫促進剤、老化防止剤、着色剤等も含まれている。尚、図１，２において、×は不合格であり、それ以外の丸印は合格である。合格の丸印の重複数が多いほど合格のレベルが高い。また、図１において丸印の右横に記載の数字は、実施例１〜７中でのデータの優秀さ順位を表している。

無機繊維は、特に限定されないが、ロック・スラグ繊維、アルミナ−シリケート繊維、アルミナ繊維、ジルコニヤ繊維、ロックウールなどのセラミック繊維、石英ガラス繊維、高珪酸ガラス繊維などのガラス繊維、カーボン繊維、ホスフェート繊維、金属繊維等を使用しても良い。

無機繊維は、加熱強度の向上、特に初期加熱時の熱変形（熱クリープ）の防止、復元性の向上等に寄与するものである。この無機充填材は、目詰め材としても機能し、シール性をあるレベルまで向上させるとともに、耐締め付け荷重や耐熱性の向上に寄与するものである。従って、その配合量（配合比率）としては、２０〜４０％（ｗｔ％）が好ましく、他の材料との配合量の関係から４０％を越えると強度低下を招きやすく、２０％未満であるとガスケット取付け時の耐締め付け荷重が低下し易い。無機質充填材としては、カオリン、セピオライト、クレー、タルク、重質炭酸カルシューム、軽質炭酸カルシューム、シリカ、マイカ、硫酸バリウム、カーボンブラック、アルミナ、ひる石などの１種または２種以上、さらには、ケイ素およびアルミニウムを主体とし、マグネシウム、鉄、アルカリ土類金属、アルカリ金属を含む含水珪酸塩鉱物の粉末、ワラストナイトなどの天然鉱物粉末などの無機質粉体を使用しても良い。

実施例１〜７のジョイントシートの成分表を示す図 比較例１〜６のジョイントシートの成分表を示す図 アラミド繊維の配合比率と補強効果との関係グラフを示す図 ＮＢＲの配合比率と各種特性との関係グラフを示す図 膨張黒鉛の配合比率と各種特性との関係グラフを示す図 簡易蒸気試験の概要を示す原理図 熱クリープ試験を示し、（ａ）は熱プレスの原理図、（ｂ）は熱プレスによるガスケットのクリープ状態を示す図

符号の説明

Ｇ ガスケット
Ｊ ジョイントシート

Claims (5)

1. 膨張黒鉛、アラミド繊維、及びゴム結合材を有する材料から形成されるジョイントシートであって、
   前記膨張黒鉛と前記アラミド繊維と前記ゴム結合材との三者の和の前記材料に対する質量比率が４０〜５０％に設定されているジョイントシート。
2. 前記膨張黒鉛の前記材料に対する質量比率が１５〜３５％に設定される請求項１に記載のジョイントシート。
3. 前記アラミド繊維の前記材料に対する質量比率が４〜１５％に設定される請求項１又は２に記載のジョイントシート。
4. 前記ゴム結合材の前記材料に対する質量比率が１０〜１８％に設定される請求項１〜３の何れか一項に記載のジョイントシート。
5. 請求項１〜４の何れか一項に記載のジョイントシートを用いて形成されるガスケット。

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