JP2013007006A

JP2013007006A - 水潤滑式軸受材料

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Publication number: JP2013007006A
Application number: JP2011142246A
Authority: JP
Inventors: Tetsuya Watanabe; 哲也渡辺
Original assignee: Nok Corp
Current assignee: Nok Corp
Priority date: 2011-06-27
Filing date: 2011-06-27
Publication date: 2013-01-10

Abstract

【課題】耐水性に優れ、且つ吸水による硬度低下が小さい水潤滑式軸受を提供する。
【解決手段】水潤滑式軸受材料は、ポリカーボネートジオールとジイソシアネートとからなるポリウレタンエラストマーに、ポリカーボネートジオール１００重量部に対しポリエチレンワックスを５〜３５重量部含有させることを特徴とし、好ましくは、前記ジイソシアネートが、３，３’−ジメチルビフェニル−４，４’−ジイソシアネート（ＴＯＤＩ）であることを特徴とする。
【選択図】なし

Description

本発明は、水潤滑式軸受材料に関し、より詳しくは、耐水性に優れ、自己潤滑性に富むポリウレタン組成物からなる水潤滑式軸受材料に関する。

海洋環境保全の観点から、従来の油潤滑式に対して、クリーンな水潤滑式の船尾管軸受が注目されている。このような水潤滑式軸受としては、ゴム軸受や樹脂軸受が一般的であるが、軽量化や低コストの点からポリウレタン製の軸受も使用されている。

クリーンな水潤滑式の船尾管軸受は、水中使用であるから耐水性に優れた特性が求められ、ポリウレタン材料の選定は極めて重要である。また、長期使用によって含水し、硬度低下による耐面圧性の悪化を招く可能性があるものであってはならない。

したがって、耐水性に優れ、且つ吸水による硬度低下が小さい水潤滑式軸受材料が求められる。

特開平０９−０４２２７９号公報特開２００４−３０６８０８号公報特開２００６−１０３４１２号公報

そこで、本発明の課題は、耐水性に優れ、且つ吸水による硬度低下が小さい水潤滑式軸受を提供することにある。

また本発明の他の課題は、以下の記載によって明らかとなる。

なお、ポリウレタン材料を水潤滑式軸受の素材として使用する従来技術としては、特許文献１、２、３が知られている。

この特許文献１は、海水環境で使用される水中軸受において、硬質ポリウレタンよりなる軸受スリーブ表面に、シリコーンゴム系の生物付着防止剤をコートした軸受を提案している。そして、この軸受スリーブにはシリコーンオイルが含有されると記載されている。

しかしながら、特許文献１は、ポリウレタン材料について具体的に開示がなく、耐水特性は不明であり、専ら、フジツボ等の水中生物や植物の付着成長を防止して長期使用を意図する技術であり、耐水性に優れ、且つ吸水による硬度低下が小さい水潤滑式軸受材料を提案していない。

また特許文献２は、金属製のプロペラシャフトとスリーブとの接触摩耗や電食を回避するため、プロペラシャフトの表面に固体潤滑剤を含有した樹脂ペーストをコートし熱処理することによって固体潤滑剤層を形成することが記載されており、熱硬化性ポリウレタン樹脂１００重量部に超高分子ポリエチレン樹脂粉末やフッ素樹脂を５重量部配合した樹脂ペーストが用いられている。

しかしながら、この固体潤滑剤層は、その構造上、プロペラシャフトの摩耗を防止するために軸受の内側に支持体を介して配置される潤滑層に係るものであるため、それ自身は摩耗されるものである。

したがって、水中で長期に亘り使用した場合に自己潤滑性を保ちつつ、硬度変化、形状変化に対応し得ることを可能とする水潤滑式軸受へ適用し得るものではない。

特許文献３は、ポリウレタン樹脂に潤滑剤が配合され、さらに、グラファイト、ガラス繊維、炭素繊維等の強化剤も配合される軸受用材料が記載されている。しかし、ポリウレタンの化学組成、潤滑剤の詳細や配合量については記載されておらず、水中で長期に亘り使用した場合に自己潤滑性を保ちつつ、硬度変化、形状変化に対応し得ることを可能とする水潤滑式軸受を示唆していない。

上記課題は、以下の各発明によって解決される。

（請求項１）
ポリカーボネートジオールとジイソシアネートとからなるポリウレタンエラストマーに、ポリカーボネートジオール１００重量部に対しポリエチレンワックスを５〜３５重量部含有させることを特徴とする水潤滑式軸受材料。

（請求項２）
前記ジイソシアネートが、３，３’−ジメチルビフェニル−４，４’−ジイソシアネート（ＴＯＤＩ）であることを特徴とする請求項１記載の水潤滑式軸受材料。

（請求項３）
船舶のスクリューシャフトの滑り軸受用として使用することを特徴とする請求項１又は２記載の水潤滑式軸受材料。

本発明によれば、耐水性に優れ、且つ吸水による硬度低下が小さい水潤滑式軸受を提供することができる。

より詳細には、ポリウレタン材料としてポリカーボネートジオール及びジイソシアネートを使用することで、耐水性に優れ、且つ吸水による硬度低下が小さい水潤滑式軸受を得ることができる。

また、上記ポリウレタン材料は、グリップ性が高いため、軸受機能としての潤滑性能に劣るが、本発明によれば、上記ポリウレタン材料へポリエチレンワックスを添加することで、軸受として自己潤滑性に富み、シャフトのトルクを低減させることができる。

本発明の上記ポリウレタン軸受は、高い耐水性と耐吸水性を有し、水潤滑方式などの水と接触する環境で使用しても、硬度変化が小さく、長期使用においても安定した機能を発揮することができる。

さらに、ポリカーボネートジオールとＴＯＤＩを構成原料とするため、ポリウレタンエラストマーとして高硬度の配合設計を容易に行うことができる。

以下、本発明の実施の形態について説明する。

本発明の水潤滑式軸受材料は、ポリカーボネートジオールとジイソシアネートとからなるポリウレタンエラストマーに、ポリカーボネート１００重量部に対しポリエチレンワックスを５〜３５重量部含有させることを特徴とする。

本発明のポリウレタンエラストマーは、ポリカーボネートジオール及びジイソシアネートを構成原料とする。

本発明に用いられるポリカーボネートジオールは、末端活性水素を有する長鎖グリコールであり、例えば、ポリテトラメチレンカーボネートジオール、ポリヘキサメチレンカーボネートジオール、ポリ−１,４−シクロヘキサンジメチレンカーボネートジオールなどを挙げることができる。これらのなかでも、ポリヘキサメチレンカーボネートジオール（ＰＨＣポリオール）が好ましい。

該ポリカーボネートジオールは、数平均分子量Ｍｎが５００〜４，０００の範囲のものが好ましく、より好ましくは１，０００〜３，０００の範囲のものである。Ｍｎが５００未満であると、本発明の水潤滑式軸受材料に適したゴム弾性のものが得られず、一方、４，０００を超えると、本発明の水潤滑式軸受材料に適した十分な材料強度を得ることができない。

水酸基価は３０〜１５０の範囲のものが好ましく、より好ましくは４０〜１００の範囲のものである。

該ポリカーボネートジオールは、市販品として入手でき、市販品としては、例えば、ダイセル化学工業社製「プラクセルＣＤ２２０」等が挙げられる。

本発明に用いられるジイソシアネートは、トリジンジイソシアネート（３，３’−ジメチルビフェニル−４，４’−ジイソシアネート（ＴＯＤＩ））が好ましい。

該トリジンジイソシアネートは、市販品として入手でき、市販品としては、例えば、ＴＯＤＩ［日本曹達（株）製：ＣＡＳＮｏ．９１−９７−４］等が挙げられる。

本発明において、ポリウレタンエラストマーを得る上で、ポリカーボネート系ジオールとジイソシアネートの配合比は、好ましくは重量比で１００：７５〜１２０の割合であり、より好ましくは１００：８０〜１００の割合である。

本発明のポリウレタンエラストマーには、ポリエチレンワックスが配合される。

本発明に用いられるポリエチレンワックスは、融点４５℃〜１１０℃のものを好ましく用いることができる。

ポリエチレンワックスは、変性された変性ポリエチレンワックスでもよいし、あるいはポリエチレンワックスの部分酸化された酸化ポリエチレンワックスでもよい。

本発明において用いられるポリエチレンワックスは、市販品として入手でき、市販品としては、例えば、三井化学製「三井ハイワックス」、三洋化成工業製「サンワックス」、イーストマンケミカル社製「エポレン」、アライドシグナルズ社製「アライドワックス」、松本油脂製薬社製「ＥＴＡ−１」等が挙げられる。

ポリエチレンワックスは、ポリウレタンエラストマーのポリカーボネートジオール１００重量部に対して、５〜３５重量部の範囲で含有され、好ましくは７〜３０重量部の範囲で含有され、最も好ましくは１０〜２５重量部の範囲で含有される。ポリエチレンワックスの量が５重量部未満であると、摺動特性が低下し、すなわち、潤滑性が低下し、またシャフトのトルクが増加し好ましくない。また、ポリエチレンワックスの量が３５重量部を超過すると、材料硬度が著しく低下する為、軸受としての機能が発揮できず、好ましくない。

本発明において、ポリエチレンワックスと併用できる有機系滑剤としては、カルナウバワックス、パラフィンワックス、マイクロクリスタリンワックス、フィッシャートロプシュワックスなどから選ばれる１種または２種以上が挙げられる。

本発明のポリウレタンエラストマーには、鎖伸長剤が配合される。本発明に用いられる鎖伸長剤としては、ポリカーボネート以外のジオールであって、例えば１，４−ブタンジオール、１，６−ヘキサンジオール、２，３−ブタンジオール、トリメチロールプロパン等の炭素数が４〜１６のグリコール、もしくはメチル基やエチル基などの側鎖を有するグリコール類の１種もしくは２種以上の混合物が用いられる。

例えば、１，４−ブタンジオールとトリメチロールプロパンの混合物が好ましく使用され、例えば、１，４−ブタンジオールとトリメチロールプロパンのモル比が、８０：２０〜９９：１、好ましくは９０：１０〜９７：３の割合で使用される。

また、鎖伸長剤は、ポリウレタンエラストマー組成（カーボネートジオール、ジイソシアネート及び鎖伸長剤）の合計量中の１〜２０重量％の量で用いられる。

本発明において用いられる鎖伸長剤は、市販品として入手でき、市販品としては、例えば、１,４−ＢＤ［三菱化学製（１,４−ブタンジオール）］、ＮＤ［クラレ製（１，９−ノナンジオール）］、ＴＭＰ［三菱ガス化学製（トリメチロールプロパン）］等が挙げられる。

本発明のポリウレタンエラストマーの製造方法としては、以上の各成分を用いてポリウレタン化反応を行うが、その際、ワンショット法またはプレポリマー法で行われる。本発明では、プレポリマー法が好ましく採用され、ポリカーボネートジオールとジイソシアネートとからウレタンプレポリマーを製造し、その後、鎖延長剤を添加して反応させ、最終的にポリウレタンエラストマーを製造する。

以上の各成分を用いてのポリウレタン化反応に際しては、錫化合物やその他のアミン化合物等を触媒として反応させることができる。また、上記各成分以外にも、さらに充填剤、金属酸化物、金属水酸化物等を必要に応じて適宜配合して用いることができる。

各成分は、混合撹拌後、金型に流し込みポリウレタン化反応が進行し成形されるが、成形後好ましくは１００〜１５０℃で、５〜２４時間程度二次架橋することができる。

以下に、本発明の実施例を説明するが、本発明はかかる実施例によって限定されない。

（実施例１）
数平均分子量Ｍｎ２，０００、水酸基価５６のポリヘキサメチレンカーボネートジオール（ダイセル化学工業社製、製品名：プラクセルＣＤ２２０）１００重量部と３，３’−ジメチルビフェニル−４，４’−ジイソシアネート（ＴＯＤＩ）９０重量部を反応器に仕込み、反応させてウレタンプレポリマーを得た。
次いで、この反応器内のウレタンプレポリマーを撹拌しながら、１，４−ブタンジオール（三菱化学社製）９３ｍｏｌ％とトリメチロールプロパン（オクセアジャパン社製）７ｍｏｌ％からなる鎖伸長剤２４．７重量部、及び融点が約６０℃であるポリエチレンワックス（松本油脂製薬社製、製品名：ＥＴＡ−１）２３．９重量部を加え、９０〜１２０℃において１〜２分間撹拌し反応させ、反応物を金型に流し込み、ポリウレタンエラストマーの成形品を得た。

（物性評価）
得られたポリウレタンエラストマー成形品について、その成型品から試験片を作成し、以下の物性評価を実施した。

＜評価項目＞
１．常態物性
（１）硬さ：ＪＩＳＫ６２５３に準拠し、タイプＤデュロメーターで測定した。
（２）引張特性：ＪＩＳＫ６２５１に準拠し、ダンベル状５号形を試験片として用いて、引張強さ（ＭＰa）及び切断時伸び（％）を測定した。
２．摺動特性（動摩擦係数）
鈴木式摩擦摩耗試験（ＪＩＳＫ７２１８）に準拠し、相手材をＳＵＳ３０４とし、１０ｍｍ／ｓ×２ＭＰａの摺動条件で行った。
３．耐水特性
ＪＩＳＫ６２５８に準拠し、浸漬試験（条件：試料を８０℃の温水に１，０００時間浸漬した）後の硬さ、引張強さ、切断時伸び及び体積を測定し、浸漬前後の値と比較し、硬さ変化、引張強さ変化、伸び変化率及び体積変化率を求めた。これらの変化が小さいほど本発明の軸受材料として好ましい。

これらの結果を表１に示す。

（実施例２）
ポリエチレンワックスの添加量を１１．３重量部とした以外は実施例１の方法と同様にして、ポリウレタンエラストマーを得た。実施例１と同様に評価し、その結果を表１に示す。

（比較例１）
３，３’−ジメチルビフェニル−４，４’−ジイソシアネート（ＴＯＤＩ）を７５重量部、鎖伸長剤を１９．９重量部とし、ポリエチレンワックスを使用しなかった以外は実施例１の方法と同様にして、ポリウレタンエラストマーの成形品を得た。実施例１と同様に評価し、その結果を表１に示す。

（比較例２）
ポリヘキサメチレンカーボネートジオールの代わりに、数平均分子量Ｍｎ２，０００、水酸基価５６のポリカプロラクトンジオール（ダイセル化学工業社製、製品名：プラクセル２２０Ｎ）を使用し、３，３’−ジメチルビフェニル−４，４’−ジイソシアネート（ＴＯＤＩ）を９８重量部、鎖伸長剤を２７．３重量部とし、ポリエチレンワックスの添加量を２５．０重量部とした以外は実施例１の方法と同様にして、ポリウレタンエラストマーの成形品を得た。実施例１と同様に評価し、その結果を表１に示す。

（比較例３）
ポリヘキサメチレンカーボネートジオールの代わりに、数平均分子量Ｍｎ１，０００、水酸基価１１２のポリテトラメチレングリコール（ＢＡＳＦ社製、製品名：ＰｏｌｙＴＨＦ）を使用し、３，３’−ジメチルビフェニル−４，４’−ジイソシアネート（ＴＯＤＩ）を１２０重量部、鎖伸長剤を３４．５重量部とし、ポリエチレンワックスの添加量を２８．３重量部とした以外は実施例１の方法と同様にして、ポリウレタンエラストマーの成形品を得た。実施例１と同様に評価し、その結果を表１に示す。

（比較例４）
ポリウレタン組成において、市販のポリテトラメチレングリコール／ＴＤＩ系プレポリマー（ケムチュラ社製、製品名：アジプレンＬＦ６５０Ｄ）１００重量部に対し、鎖伸長剤として４，４’−メチレンビス（２−クロロアニリン）（ＭＯＣＡ）（イハラケミカル工業社製、製品名：イハラキュアミンＭＴ）２３．４重量部、融点が約６０℃であるポリエチレンワックス（松本油脂製薬社製、製品名：ＥＴＡ−１）１３．７重量部とした以外は実施例１の方法と同様にして金型に流し込み、ポリウレタンエラストマーの成形品を得た。実施例１と同様に評価し、その結果を表１に示す。

表１より、実施例１及び２に示される本発明の水潤滑式軸受材料は、他のポリウレタン材料を用いた比較例と比較して、常態物性、摺動特性及び耐水特性が良好な水潤滑式軸受材料であることがわかる。

比較例１において示されるように、添加剤としてポリエチレンワックスを添加しないと、本発明の水潤滑式軸受材料と比較して、摺動特性が望ましくないことがわかる。

比較例２において示されるように、ポリウレタン材料としてポリカプロラクトンジオールを用いた場合、本発明の水潤滑式軸受材料と類似の常態物性のものが得られたが、浸漬試験後の常態物性は大きく異なっており、良好な耐水特性を有する水潤滑式軸受材料が得られなかったことがわかる。

比較例３において示されるように、ポリウレタン材料としてポリテトラメチレングリコールを用いた場合、成形時に亀裂が発生し、本発明の水潤滑式軸受材料に用いることが不可能であることがわかる。

比較例４において示されるように、ポリウレタン材料としてポリテトラメチレングリコール／ＴＤＩ系プレポリマー及び４，４−メチレンビス（２−クロロアニリン）（ＭＯＣＡ）を用いた場合、本発明の水潤滑式軸受材料と類似の常態物性のものが得られたが、浸漬試験後の常態物性が良好ではなく、それゆえ本発明の水潤滑式軸受材料において示されるような、十分な耐水特性が得られないことがわかる。

本発明の水潤滑式軸受材料は、耐水性に優れ、且つ吸水による硬度低下が小さいことを特徴とする。さらに、軸受として自己潤滑性に富んでいるため、水潤滑方式などの水と接触する環境で使用しても、硬度変化が小さく、長期使用においても安定した機能を発揮することができる。例えば、本発明の水潤滑式軸受材料は、船舶のスクリューシャフトの滑り軸受用などの水潤滑式軸受材料として使用される。

Claims

ポリカーボネートジオールとジイソシアネートとからなるポリウレタンエラストマーに、ポリカーボネートジオール１００重量部に対しポリエチレンワックスを５〜３５重量部含有させることを特徴とする水潤滑式軸受材料。
前記ジイソシアネートが、３，３’−ジメチルビフェニル−４，４’−ジイソシアネート（ＴＯＤＩ）であることを特徴とする請求項１記載の水潤滑式軸受材料。
船舶のスクリューシャフトの滑り軸受用として使用することを特徴とする請求項１又は２記載の水潤滑式軸受材料。