JP2016501935A - 環状分岐構造を有するシロキサントラクション流体及びその使用方法 - Google Patents

Abstract

互いに対して動く２つの表面間の界面摩擦を増大させるトラクション流体及びこのようなトラクション流体を用いて界面摩擦を増大させる方法が提供される。トラクション流体は、次の構造式に対応するポリシロキサン基油を含んでいても良く、（Ｉ）Ｒ及びＲ’は独立に選択されて、Ｒは１〜３の炭素原子を有するアルキル基であり、Ｒ’は５〜２０の炭素原子を有するシクロアルキルジシクロアルキル、又はアリール基であり、ｍは整数であり、ｎは整数又は０であり、５＜（ｍ＋ｎ）＜１００及び０．５０＜ｍ／（ｍ＋ｎ）＜１．００である。

Description

本開示は概ね、２つの機械的表面が互いに対して動くときの表面間の界面摩擦を増大させるために用いるトラクション流体に関する。より具体的には、本開示は、アルキル官能基と、アリール、ジアリール、シクロアルキル、又はジシクロアルキル官能基の群から選択される少なくとも１つとの組み合わせを有するポリシロキサン基油を含むトラクション流体に関する。本開示は更に、上記ポリシロキサン基油の使用、並びにトラクション流体としてのポリ（アルキルアリール）シロキサン基油の使用に関する。

この項目における記載は、単に、本開示に関連する背景情報を提供しているにすぎず、先行技術を構成するわけではない。

トラクションドライブ（例えば無段変速機（ＣＶＴ））は、数十年に渡って開発されており、最新の用途では多くの構成が揃っている。多くの製造、自動車、及び航空宇宙会社が、異なるタイプのトラクションドライブをその製造ラインについて研究することを、効率を増大させて伝達部品を減らすために行なっている。トラクションドライブ（例えばＣＶＴ）を種々のエンジン用途でテストして、車両性能を向上させエンジン寿命を延ばす可能性を調べることが、最大出力又は効率で一定のエンジン速度で走らせることによって行われている。しかし、トラクションドライブを自動車用途に導入すると、例えば、部品重量、耐久性、及びコストといった機能上及び経済上の問題が長い間つきまとう。

トラクションドライブ（例えば、トロイダル状、円錐状、又は遊星状のＣＶＴ）を用いれば、ある機械要素から別の機械要素へトルクを伝達すること又は力を効果的に伝達することが、ギアを用いることなく行なわれる。トラクションドライブは典型的に、力を移すことを、クラッチ及びブレーキの特徴であるより大きい表面積ではなくて、点又は線接触を通して行なう。トラクションドライブに必要な流体は、より一般的な潤滑された界面とは異なる。なぜならば、これらの流体は、良好な表面保護及び低摩耗性を維持しながら、駆動及び被駆動部品間の界面摩擦を増大させる必要があるからである。トラクションドライブの極圧及び剪断条件によって、トラクション流体が剪断応力（分子破壊を起こすことによってその有効性を減じる可能性がある）を受ける可能性がある。

弾性流体力学的（ＥＨＤ）摩擦μ_ＥＨＤ（トラクションとしても知られている）は、トラクション流体における主要な性能パラメータである。トラクション流体が効を奏するには、十分に低い粘性を低温において維持しながら通常の潤滑剤よりもＥＨＤ摩擦が高くなければならない。これは、起動中のその循環及び高温での十分に高い粘性によって、設計された負荷を、十分にウォームアップしたときにサポートできるようにするためである。更なる要求としては、接触状態にある金属表面に対する化学的不活性、ほどよい潤滑特性、及び放熱が挙げられる。

脂肪族、ナフテン系、及びシクロアルキル分岐炭化水素構造を含む炭化水素系流体が、トラクション性能についてテストされている。オリーブ、ゴマ、キャノーラ、及び大豆油を含む種々の天然の種油も、膜形成及びトラクション性能について評価されている。シラハイドロカーボン、シロキサン、及び過フッ素化ポリアルキルエーテルを含む複数の合成潤滑剤も研究されて、そのトライボロジー性能について調べられている。

シロキサン系ポリマーは、ケイ素−酸素主鎖を、炭化水素内に存在する炭素−炭素主鎖の代わりに有している。シロキサンは、多くの炭化水素ポリマーよりも酸化安定性が高くて粘性温度依存性が低いことが分かっている。加えて、シロキサン分子は、対応する炭化水素よりも柔軟である。なぜならば、シロキサン分子が示す立体障害は、主鎖構造の周りに生じる鎖回転と比べて小さいからである。この立体障害の低さは、例えば、Ｓｉ−Ｏ結合がより長いこと（０．１６４ｎｍ、比較としてＣ−Ｃの場合には０．１５３ｎｍ）、酸素原子が側基によって塞がれていないこと、Ｓｉ−Ｏ−Ｓｉ結合角がより大きいこと（約１４３°、比較としてＣ−Ｃ−Ｃの場合には約１１０°）をはじめとする要因に帰すると考えられる。シロキサンの柔軟性を強化することで、緻密度を上げ、融解温度を下げ、かつガラス転移温度を低くすることができる。

永続的な粘性破壊（「分子開裂」として知られている）が、トライボロジー接触における高せん断応力によってポリマーが機械的に破壊されてより短くてより低重量のセグメントになったときに生じる。トライボロジー接触は、機械要素（流体潤滑膜）における第１の表面との潤滑剤界面と、機械要素における第２の表面との潤滑剤界面とを含み、剪断応力が生じるのは、主に潤滑剤膜内であって、機械要素／潤滑剤界面ではそれほどでもないようになっている。工業用潤滑剤は多くの場合に、厳しい剪断試験、例えば剪断安定性指数（ＰＳＳＩ）に合格してその永続的な剪断安定性を確認する必要がある。シロキサンは、競合する炭化水素よりも、永続的な粘性破壊に対する回復力があることが知られている。実際には、ポリシロキサンの永続的な剪断閾値は、有機ポリマーよりも一桁大きい。シロキサンの酸化安定性及び強力なＳｉ−Ｏ結合によって、分子破壊に対するその抵抗が向上する場合もあり得る。

シロキサンは一般的に、ケイ素を塩化メチルと反応させてジメチルジクロロシランを生成し、ジメチルジクロロシランを次に水と混合してシラノールを生成し、続いて重合を行なうことによって得られる。従来のシロキサンポリマーの一例はポリジメチルシロキサン（ＰＤＭＳ）であり、これを構造Ｓ−Ｉに示す。ＰＤＭＳは、ケイ素及び酸素原子が交互に配置された骨格鎖原子からなり、メチル基がケイ素原子に結合されている。ＰＤＭＳは境界潤滑特性が不十分であることが知られている。しかし、構造Ｓ−ＩＩにおいてポリ（フェニルメチルジメチル）シロキサン（ＰＰＭＳ）について示すように、メチル基を、フェニル基などの他の基と交換することによって、境界摩擦及び摩耗が減る可能性がある。ポリ（フェニルメチルジメチル）シロキサン（ＰＰＭＳ）は、いくつかのジメチルＤ単位（以下及び本明細書において更に規定されている）の代わりにフェニルメチルＤ単位を有しており、その調製は、ジメチルジクロロシランとメチルフェニルジクロロシランとを加水分解し、続いて重合することによって行なわれる。このような交換によって、シロキサンポリマーを十分な量で使用したときの分子剛性も増大する。ＰＰＭＳは、耐摩耗性及び酸化安定性の両方の増大を示すが、分子柔軟性の低下も示す。

本開示によって概ね、２つの機械的表面が互いに対して動くときの表面間の界面摩擦を増大させるトラクション流体及び前記トラクション流体の使用が提供される。本開示の一態様によれば、トラクション流体は、構造式：

に対応するポリシロキサン基油を含み、ここで、Ｒ及びＲ’は独立に選択されて、Ｒは１〜３の炭素原子を有するアルキル基であり、Ｒ’は５〜２０の炭素原子を有するシクロアルキル又はジシクロアルキル基であり、ｍは整数であり、ｎは整数又は０であり、５＜（ｍ＋ｎ）＜１００及び０．５０＜ｍ／（ｍ＋ｎ）＜１．００である。代替的に、Ｒはメチル基であり、Ｒ’はシクロヘキシル又はシクロペンチル基である。

トラクション流体は、極圧添加剤、耐摩耗添加剤、酸化防止剤、及び防錆剤の群からの１つとして選択される少なくとも１つの機能性添加剤を更に含んでいても良い。トラクション流体は、重合度１５〜５００を有する１以上の相溶性基油であって、５〜３０重量％のフェニルメチルＤ単位含有量を有するポリジメチルシロキサン又はポリ（フェニルメチルジメチル）シロキサン（以下及び本明細書において更に規定される）として選択される相溶性基油を含んでいても良い。

本開示の別の態様によれば、１以上のポリシロキサン基油の、２つの機械的表面が互いに対して動くときの表面間の界面摩擦を増大させることができる低摩耗性トラクション流体としての使用が提供される。ポリシロキサン基油は、上に示す構造式に対応していても良く、本明細書において構造Ｓ−ＩＩＩとして提供されても良く、ここで、Ｒ及びＲ’は独立に選択されて、Ｒは１〜３の炭素原子を有するアルキル基であり、Ｒ’は５〜２０の炭素原子を有するシクロアルキル又はアリール基であり、ｍは整数であり、ｎは整数又は０であり、５＜（ｍ＋ｎ）＜１００及び０．５０＜ｍ／（ｍ＋ｎ）＜１．００である。代替的に、Ｒはメチル基であり、Ｒ’はアリール又はシクロアルキル基であり、７＜（ｍ＋ｎ）＜１００である。代替的に、Ｒはメチル基であり、Ｒ’はジアリール又はジシクロアルキル基である。代替的に、Ｒはメチル基であり、Ｒ’はシクロヘキシル又はシクロペンチル基である。代替的に、ポリシロキサン基油は次の構造式に対応する。

本明細書で用いるトラクション流体は、極圧添加剤、耐摩耗添加剤、酸化防止剤、及び防錆剤の群からの１つとして選択される少なくとも１つの機能性添加剤を更に含んでいても良い。このトラクション流体は、重合度約１５〜約５００を有する１以上の相溶性基油であって、約５〜３０重量％のフェニルメチルＤ単位含有量を有するトリメチルシリル末端ポリジメチルシロキサン又はトリメチルシリル末端ポリ（フェニルメチルジメチル）シロキサンとして選択される相溶性基油を含んでいても良い。

本開示の別の態様によれば、２つの機械的表面が互いに対して動くときの表面間の界面摩擦を増大させる方法が提供される。この方法は概ね、第１の表面及び第２の表面を有する機械要素を、第１及び第２の表面が機械要素内の接点を表わすように用意するステップと、第１の表面と第２の表面との間にトラクション流体を用意するステップと、第１の表面が第２の表面を通り過ぎて転がるか又は滑ることができるようにして、トラクション流体によって第１及び第２の表面間の界面摩擦が増大するようにするステップと、を含む。

この方法で用いるトラクション流体は、上に示すか又は本明細書でＳ−ｌｌｌとして説明する構造式に対応する少なくとも１つのポリシロキサン基油であって、Ｒ及びＲ’は独立に選択されて、Ｒは１〜３の炭素原子を有するアルキル基であり、Ｒ’は１５〜２０の炭素原子を有するシクロアルキル又はアリール基であり、ｍは整数であり、ｎは整数又は０であり、５＜（ｍ＋ｎ）＜１００及び０．５０＜ｍ／（ｍ＋ｎ）＜１．００であるポリシロキサン基油を含んでいる。代替的に、Ｒはメチル基であり、Ｒ’はアリール又はシクロアルキル基であり、７＜（ｍ＋ｎ）＜１００である。代替的に、Ｒはメチル基であり、Ｒ’はジアリール又はジシクロアルキル基である。代替的に、Ｒはメチル基であり、Ｒ’はシクロヘキシル又はシクロペンチル基である。代替的に、トラクション流体は更に、機能性添加剤又は少なくとも１つの相溶性基油（前述したか又は本明細書において更に規定される）を含んでいる。

本開示の別の態様によれば、互いに対して動く２つの機械的表面（第１及び第２）はトラクションドライブの一部であり、トラクション流体は、グリース、ギアオイル、又はトランスミッション液である。代替的に、２つの表面は、機械要素における弾性流体潤滑（ＥＨＬ）接点を表わす。代替的に、第１及び第２の表面はセラミック又は金属表面であり、代替的にそれらは両方とも金属表面である。

更なる適用範囲は、本明細書に記載の説明によって明白となるであろう。詳細な説明及び特定の例は、単なる例示を目的とするものであり、本開示の範囲を限定することを意図するものではないことを理解すべきである。

本明細書に記載の図は例示のみを目的とし、いかなる方法においても本開示の範囲を限定することが意図されるものではない。
膜厚及びトラクション測定で用いる弾性流体力学（ＥＨＤ）装置の断面表現である。 ポリ（フェニルメチルジメチル）シロキサン（ＰＰＭＳ−３）基油が種々の温度において示す弾性流体液体（ＥＨＬ）膜厚を、連行速度の関数としてプロットしたグラフ表示である。 ポリ（シクロヘキシルメチルジメチル）シロキサン（ＰＣＭＳ−１）基油が種々の温度において示す弾性流体液体（ＥＨＬ）膜厚を、連行速度の関数としてプロットしたグラフ表示である。 高分岐ポリ（シクロヘキシルメチルジメチル）シロキサン（ＰＣＭＳ−２）基油が種々の温度において示す弾性流体液体（ＥＨＬ）膜厚を、連行速度の関数としてプロットしたグラフ表示である。 ポリ（ジフェニルジメチル）シロキサン（ＰＤＰＳ−１）基油が種々の温度において示す弾性流体液体（ＥＨＬ）膜厚を、連行速度の関数としてプロットしたグラフ表示である。 従来の油（Ｃ−１）と本開示により調製した複数のトラクション流体（ＰＣＭＳ−１、ＰＰＭＳ−３）とが温度３０℃（３０３Ｋ）で示す摩擦係数を、膜厚の関数としてプロットしたグラフ表示である。 従来の油（Ｃ−１）と本開示により調製した複数のトラクション流体（ＰＰＭＳ−４、ＰＤＰＳ−１）とが温度３０℃（３０３Ｋ）で示す摩擦係数を、膜厚の関数としてプロットした別のグラフ表示である。 従来の油（Ｃ−１）と本開示により調製した複数のトラクション流体（ＰＣＭＳ−１、ＰＰＭＳ−３）とが温度１２５℃（３９８Ｋ）で示す摩擦係数を、膜厚の関数としてプロットしたグラフ表示である。 従来の油（Ｃ−１）と本開示により調製した複数のトラクション流体（ＰＣＭＳ−２、ＰＰＭＳ−４）とが、温度１２５℃（３９８Ｋ）で示す摩擦係数を、膜厚の関数としてプロットした別のグラフ表示である。 ポリ（フェニルメチルジメチル）シロキサン（ＰＰＭＳ−４）基油が種々の温度で示す摩擦係数を、膜厚の関数としてプロットしたグラフ表示である。 ポリ（フェニルメチルジメチル）シロキサン基油が種々の温度で示す制限ＥＨＤ摩擦係数を、フェニルメチルＤ単位含有量の関数としてプロットしたグラフ表示である。 ポリ（シクロヘキシルメチルジメチル）シロキサン基油が種々の温度で示す制限ＥＨＤ摩擦係数を、シクロヘキシルメチルＤ単位含有量の関数としてプロットしたグラフ表示である。 ポリ（フェニルメチルジメチル）シロキサン基油が種々の温度で示す制限ＥＨＤ摩擦係数を、圧力粘性指標の関数としてプロットしたグラフ表示である。 本開示の教示により調製した複数のポリシロキサン基油と従来の油とが種々の温度で示す制限ＥＨＤ摩擦係数を、圧力粘性指標の関数としてプロットしたグラフ表示である。 ２つの機械的表面が互いに対して動くときの表面間の界面摩擦を増大させるポリシロキサン基油を含むトラクション流体の使用方法の概略図である。

下記の説明は、本質的に単なる例示であり、いかなる意味でも本開示又はその用途若しくは利用方法を制限するものではない。説明を通して、対応する参照番号は、同様の又は対応する部分及び特徴を示すことを理解されたい。

本開示は概ね、２つの機械的表面が互いに対して動くときの表面間の界面摩擦を増大させることができるトラクション流体に関する。より具体的には、トラクション流体は、環状分岐構造を有するポリシロキサン基油を含む。

トライボロジー界面における摩擦は、固体凹凸の相互作用によって生じる成分と流体粘性によって生じる流体力学成分とに区分してもよい。標準的な潤滑剤とトラクション流体とを両方とも用いて、滑り面を分離する膜を形成する結果、凹凸に起因する摩擦及び摩耗が最小限になる。標準的な潤滑剤の目的はまた、流体力学的摩擦を最小限にして粘性散逸に起因するエネルギー損失を減らすことである。標準的な潤滑剤とは違って、トラクション流体を用いれば力が流体膜を渡って移るため、流体力学的（及び弾性流体力学的）摩擦係数は通常の潤滑剤の場合よりも高いはずである。標準的な潤滑剤はトラクションドライブには適していない。なぜならば、流体力学的摩擦が低いために、駆動及び被駆動部品間で滑りが生じることが可能だからである。トラクション流体は潤滑剤、例えばギアオイルには望ましくない。なぜならば、流体力学的摩擦がより高いために、エネルギー効率が低いからである。

トラクションドライブの極圧及び剪断条件によって、トラクション流体が非常に大きな剪断応力（分子破壊を起こすことによってその有効性を減じる可能性がある）を受ける場合がある。永続的な粘性破壊（「分子開裂」として知られている）が、トライボロジー界面における高せん断応力によって潤滑剤のポリマーが機械的に壊されてより短い／より低い重量セグメントになったときに生じる。ポリシロキサンＳｉ−Ｏ結合解離エンタルピー（４６０ｋＪ／ｍｏｌ）の強度は、炭化水素ポリマー中の対応するＣ−Ｃ結合（３４８ｋＪ／ｍｏｌ）のそれを著しく超えているため、シロキサンは、永続的な鎖破壊に対する抵抗が、炭化水素ポリマーよりも大きい。実際には、剪断応力が印加されると、シロキサンの永続的な剪断閾値は有機ポリマーのそれよりも「一桁」大きい。

本明細書に含まれる教示により調製及び使用されるトラクション流体及びこれに付随するポリシロキサン基油を、膜形成、摩擦、及びレオロジー特性（例えば本明細書において規定されたディスク摩耗試験上の薄膜ボール）を測定するのに好適な種々のテスト構成とともに、本開示の全体に渡って説明して、コンセプトをより十分に例示する。これらのトラクション流体組成物を、他のタイプの滑り又は転がり接触、例えば種々の機械要素、例えば（しかしこれらに限定されないが）回転要素軸受、滑り軸受、ギア、カム及びカム従動子、又はトラクションドライブに見出されるものとともに取り入れて用いることも、本開示の範囲内であると考えられる。

本開示の一態様によれば、トラクション流体は、構造（Ｓ−ｌｌｌ）によって記述される構造を有するポリシロキサン基油を含む。構造Ｓ（ＩＩＩ）では、Ｒ及びＲ’は独立に選択されて、Ｒは１〜３の炭素原子を有するアルキル基であり、Ｒ’は５〜２０の炭素原子を有するアリール、ジアリール、シクロアルキル又はジシクロアルキル基であり、ｍは整数であり、ｎは整数又は０であり、５＜（ｍ＋ｎ）＜１００及び０．５０＜（ｍ＋ｎ）＜１．００である。代替的に、Ｒはメチル基であり、Ｒ’はシクロヘキシル又はシクロペンチル基である。任意的に、Ｒ又はＲ’はまた、水素原子の、官能性配位子、例えばハロゲン原子、例えば、フッ素、アミノ基、又はカルボキシル基などとの置換を含んでいても良い。

トラクション流体は、重合度１５〜５００を有する１以上の相溶性基油を更に含んでいても良い。相溶性基油は、５〜３０重量％のフェニルメチルＤ単位含有量を有するポリジメチルシロキサン又はポリ（フェニルメチルジメチル）シロキサンとして選択される。任意的に、トラクション流体はまた、極圧添加剤、耐摩耗添加剤、酸化防止剤、及び防錆剤の群からの１つとして選択される少なくとも１つの機能性添加剤を含んでいても良い。

当業者であれば分かるように、構造Ｓ（Ｉ）はＭ単位（Ｒ_３ＳｉＯ_１／２）及びＤ単位（Ｒ’ＲＳｉＯ_２／２）のみを含むと示しているが、このような構造は、本開示の範囲を超えることなく、ポリシロキサン主鎖又は鎖の架橋になる分岐点としてＴ単位（Ｒ”ＳｉＯ_３／２）又はＱ単位（ＳｉＯ_４／２）を含んでいても良い。ポリシロキサン基油中に存在する任意のＴ単位に付随するＲ”基を独立に選択して規定することを、前述のＲ又はＲ’基に対して示した記載と同様に行なっても良い。ポリシロキサン基油中に存在するＴ単位又はＱ単位の数は、トラクション流体を具体的な用途で用いるときに望ましい粘性及び潤滑特性によって事前に決めても良い。

本開示の別の態様によれば、１以上のポリシロキサン基油を、２つの機械的表面が互いに対して動くときの表面間の界面摩擦を増大させることができる低摩耗性トラクション流体として用いる。このポリシロキサン基油は、構造Ｓ−ＩＩＩに関連して前述のような環状の分岐構造を有している。構造Ｓ−ＩＩＩでは、Ｒ及びＲ’は独立に選択されて、Ｒは１〜３の炭素原子を有するアルキル基であり、Ｒ’は５〜２０の炭素原子を有するシクロアルキル又はアリール基であり、ｍ及びｎは整数であり、５＜（ｍ＋ｎ）＜１００及び０．５０＜ｍ／（ｍ＋ｎ）＜１．００である。代替的に、ポリシロキサン基油はＲをメチル基として含み、Ｒ’はアリール又はシクロアルキル基であり、７＜（ｍ＋ｎ）＜１００である。代替的に、Ｒはメチル基であり、Ｒ’はジアリール又はジシクロアルキル基（例えば、限定することなく、シクロヘキシル又はシクロペンチル基）である。代替的に、ポリシロキサン基油は、ポリ（フェニルメチルジメチル）シロキサン又はポリ（フェニルメチル）シロキサン（ｎ＝０時）（ＰＰＭＳ）（構造Ｓ−Ｉｌによって説明される）か又はポリ（シクロヘキシルメチルジメチル）シロキサン又はポリ（シクロヘキシルメチル）シロキサン（ｎ＝０時）（ＰＣＭＳ）（構造Ｓ−ＩＶによって後で更に説明する）に対応する。

ポリシロキサン基油のトラクション流体としての使用はまた、重合度約１５〜約５００を有する１以上の相溶性基油を含んでいても良い。相溶性基油を、５〜３０重量％のフェニルメチルＤ単位含有量を有するポリジメチルシロキサン（ＰＤＭＳ）又はポリ（フェニルメチルジメチル）シロキサン（ＰＰＭＳ）として選択する。機能性添加剤（例えば極圧添加剤、耐摩耗添加剤、酸化防止剤、及び防錆剤の群から選択される１つ）を、使用するトラクション流体の組成に含めても良い。

大気圧における粘性（η_０）は一般的に、潤滑剤のレオロジー特性を特徴付けるために用いられる。ポリマー粘性は、ポリマー長、分岐含有量、及び分岐長とともに増大する。粘性は、ポリマー長とともに直線的に増大することを臨界質量（これを超えるとポリマーが絡み始まる）に至るまで行なった後に、ポリマー長とともに指数関数的に増大する。有効粘性はトライボロジー界面において著しく変化する可能性がある。なぜならば、有効粘性は分子構造、温度、圧力、及び界面剪断の影響を受けるからである。分子量が増加するにつれ、ポリシロキサン（例えばＰＤＭＳ）の動的粘性は、一時的な剪断減粘の影響を受けやすくなる場合があり、これはトラクション流体にとって望ましくない。環状分岐を有するシロキサンであれば、トラクションドライブにおける剪断損失が最小限になる可能性がある。

潤滑剤の弾性流体膜厚ｈ_ｏｉｌを、レオロジー特性（例えば大気の粘性η_ｏ及び圧力粘性指標αとともに連行速度Ｕ）を用いてモデリングする。等式１に示すのは、Ｈａｍｒｏｃｋ−Ｄｏｗｓｏｎ方程式を単純化したものであり、材料及び形状パラメータは定数ｋに含まれている。

圧力粘性指数が増加すると、潤滑剤の膜形成能力が向上するが、ＥＨＤ摩擦も増大する。ＥＨＤ摩擦が高いと、ほとんどの潤滑剤において効率損失が発生するが、重要なことにトラクション流体の効率向上が生じる。分子構造と圧力粘性指数との間に相関関係が観察されている。次に等式２を参照して、環含有量が高い化合物は一般的に、複数の異なる負荷において弾性流体力学（ＥＨＤ）摩擦が高い。これは、ＥＨＤ摩擦係数、μ_Ηｙｄ、及び環含有率Ｑ_Ｒ間で観察される相関関係によって支持される通りである。良好なトラクション流体は一般的に、環状分子構造の含有量が高い。トラクション流体内の環構造が効を奏することは、米国特許第４、５７７、５２３号及び同第６、６２３、３９９号におけるその使用によって証明されている。なおこの文献の全体の内容は、本明細書において参照により取り入れられている。

複数のシロキサン（例えばＰＤＭＳ及びＰＰＭＳ）の粘性を高圧で測定することによって明らかになったことは、シロキサンのフェニル環含有量を増加させると圧力粘性指数が著しく増加するということである。ＰＰＭＳの室温圧力粘性指数（２７ＧＰａ^−１）は、ＰＤＭＳの圧力粘性指数（１４ＧＰａ^−１）の約２倍である。

高い環状構造分岐含有量Ｑ_Ｒを有するポリマーは一般的に、高いＥＨＤ摩擦を示し、これは、ポリマーが分子的に噛み合えることに帰すると考えられる。またトラクション流体の性能は、環分岐によって生じる立体障害によって誘発される分子剛性と関連づけることもできる。

また複数の異なる炭化水素ポリマーの膜厚及び摩擦係数をプロットして、複数の温度における異なるポリマーのＥＨＤ摩擦係数を決定することができる。測定された膜厚及び参照流体を用いて、異なる流体の圧力粘性指数を見積もることができる。ＥＨＤ摩擦対圧力粘性指数のプロットを取れば、正の相関が明らかになる。加えて、アルキル及びフェニル分岐シロキサンの測定された旋回半径及び持続長を用いて、構造と立体配座との間の相関関係を求めることができる。例えば、ＰＰＭＳの剛体棒形状は、ランダム分布を伴って非常に柔軟なＰＤＭＳとは著しく異なる。したがって、シロキサン分子上に設けた高密度の環を用いれば、その剛性が増大して、棒状立体配座となる。剛体棒構造の流れ特性によって、圧力粘性指数及びＥＨＤ摩擦係数を増加させることができる。

以下の具体的な実施形態を、本開示の教示によるポリシロキサントラクション流体のデザイン及び使用方法を例示するために示す。これらは、本開示の範囲を限定するものと解釈してはならない。本開示を考慮すれば、開示される具体的な実施形態において、本開示の趣旨及び範囲から逸脱することなく若しくはそれらを超えることなく多くの変更がなされ、それでも同様の又は類似する結果を得ることができることを当業者は理解されよう。

実施例１−一般的な測定技術
本開示の教示により調製されたトラクション流体が示す物理的及び化学的特性の測定を、以下及び本明細書で説明する機器及び試験プロトコル又は手順を用いて行なう。当業者であれば分かるように、本明細書で報告される任意の特性が表わしているのは、定期的に測定した特性であり、複数の異なる方法によって得ることができるものである。そのような一方法及び他の方法を示す本明細書に記載の方法は、本開示の範囲を超えることなく利用されてもよい。

分子量及び構造−ポリシロキサンサンプルの分子量分布の測定を、ゲル透過クロマトグラフィー（ＧＰＣ）によって、Ｗａｔｅｒｓ ２６９５ Ｓｅｐａｒａｔｉｏｎｓ Ｍｏｄｕｌｅに、真空脱ガス装置及びＷａｔｅｒｓ２４１０示差屈折計を備え付けたものを用いて行なう。分離は、２つの（３００ｍｍ×７．５ｍｍ）Ｐｏｌｙｍｅｒ Ｌａｂｏｒａｔｏｒｉｅｓ ＰＬｇｅｌ ５μｍ Ｍｉｘｅｄ−Ｃカラム（分子量分離範囲は２００〜２、０００、０００）と、それに先行してＰＬｇｅｌ ５μｍガードカラム（５０ｍｍ×７．５ｍｍ）とを用いて行なう。分析は、認定等級ＴＨＦを１．０ｍＬ／分で溶離剤として流すことを用いて行ない、カラム及び検出器は両方とも３５℃（４０８Ｋ）まで加熱する。サンプルの調製をＴＨＦ中で約０．５重量％で行ない、約２時間時々振りながら溶媒和して、オートサンプラーバイアルに濾過せずに移す。注入量として１００μＬを用いて、データの収集を２５分間行なう。データ収集及び分析を、ＴｈｅｒｍｏＬａｂ Ｓｙｓｔｅｍｓ Ａｔｌａｓクロマトグラフィーソフトウェア及びＰｏｌｙｍｅｒ Ｌａｂｏｒａｔｏｒｉｅｓ Ｃｉｒｒｕｓ ＧＰＣソフトウェアを用いて行なう。分子量平均を、分子量範囲として５８０〜２，３００，０００ｇ／ｍｏｌをカバーするポリスチレン標準を用いて形成された較正曲線（３^ｒｄ次）に対して決定する。

ＰＤＭＳ、ＰＰＭＳ、及びＰＣＭＳ分子構造を^１Ｈ／^１３ＣＮＭＲ分光分析データから分析試験することを、Ｖａｒｉａｎ ＩＮＯＶＡ４００又はＭｅｒｃｕｒｙ ４００ＮＭＲ分光計を用いて行なう。次に重合度の計算を重量及び構造的なデータから行なう。^１ＨＮＭＲスペクトルをＶａｒｉａｎ Ｉｎｏｖａ（５００ＭＨ）分光計を用いて記録する。化学シフト値（δ）を、溶媒残留物のシグナルを内部標準（７．２６ｐｐｍにおけるＣＨＣｌ_３）として用いてｐｐｍで表す。^１３ＣＮＭＲスペクトルを、Ｖａｒｉａｎ Ｉｎｏｖａ（１２５ＭＨ）分光計を用いて記録し、溶媒を内部標準（７７．１６ｐｐｍにおけるＣＤＣｌ_３）として用いてｐｐｍで表す。結果としてのＰＣＭＳ−１及びＰＣＭＳ−２サンプルは次の通りである。

濃度及び粘性測定値−Ｃａｎｎｏｎ ＣＴ−２０００恒温槽を用いて、濃度ｐ及び動粘度ｕを３０〜１２５℃（３０３〜３９８Ｋ）で同時に測定する。各シロキサンサンプルの濃度の計算を、重量及び体積の精密測定から行なった。Ｃａｎｎｏｎ−Ｆｅｎｓｋｅ毛細管粘度計を用いて動粘度を測定した。絶対粘度ηを動粘度及び濃度の測定値から得た。

膜厚測定−ＰＣＳ薄膜摩擦計を用いて、弾性流体潤滑剤膜厚３０〜１２５℃±１℃（３０３〜３９８Ｋ±１Ｋ）を測定する。研磨したＡＩＳＩ５２１００鋼鉄ボール（１９．０５０ｍｍ直径）を試験流体中に部分的に浸漬して、光学的に透明なガラスディスクに対して押圧する。ガラスディスク及び鋼鉄ボールの個々のヤング率は７５及び２１０ＧＰａであるため、最大Ｈｅｒｔｚｉａｎ圧力は０．５４ＧＰａ（負荷２０Ｎ下）である。ディスクは５００ｎｍ厚のシリカスペーサ層を有しているため、潤滑剤膜厚の測定を、３０ｎｍ未満の膜に対して最大１ｎｍの精度で、膜厚＞３０ｎｍに対して５％以内で行なうことができる。鋼鉄ボール及びガラスディスクのｒ．ｍ．ｓ．粗さはそれぞれ、１４ｎｍ及び５ｎｍである。合成粗さＲ_ｑｃは約１５ｎｍである。

膜厚測定を、公称純転がり条件において、ディスク速度Ｕ_１を０．０２０ｍ／ｓ〜４．３５ｍ／ｓで変えながら始める。公称純転がりでは、ボールは完全にディスクによって駆動される。更なる測定を、ボールをモータ駆動シャフトに取り付けて、ボール速度Ｕ_２を独立に変えながら行なう。この配置によって、更なる膜厚測定値を、異なる滑り／転がり比Σ（等式３で規定される純転がり（Σ＝０）から純滑り（Σ＝２）までの範囲）で行なうことができる。

摩擦測定−試験流体の摩擦係数μの測定を、膜厚の測定に用いたのと同じＰＣＳ機器上で行なう。また摩擦測定を３０〜１２５℃（３０３Ｋ〜３９８Ｋ）で実施することを、温度シーケンスにおける各テストに対して温度を±１℃（±１Ｋ）に制御して行なう。摩擦試験を、１９．０５０ｍｍ直径のＡＩＳＩ ５２１００鋼鉄ボールを鋼鉄ディスクに加えたものを用いて行なう。ディスク及びボールの個々の表面粗さはそれぞれ約３０ｎｍ及び５ｎｍであった、鋼鉄ボール及び鋼鉄ディスクのヤング率は両方とも２１０ＧＰａであるため、最大Ｈｅｒｔｚｉａｎ圧力は０．８２ＧＰａ（負荷２０Ｎ下）である。合成表面粗さを計算したところ約３０ｎｍである。

新しい鋼鉄ボール及び新しいディスクトラックを、膜形成及び摩擦測定におけるテスト毎に用いる。リザーバ、ボールキャリッジ、ディスク、及びボールを十分に洗浄することをイソプロピルアルコール及びヘキサンを用いて行なった後に乾燥させることを、各テストの前に行なう。摩擦係数を、固定した滑り／転がり比Σ＝０．５０で測定することを、ディスク速度を０．０２５〜５．００ｍ／ｓで変えながら行なう。摩擦試験で用いるボールの半径方向位置を４２から４４ｍｍまで変化させて、全摩擦測定値に対するスピン成分の寄与を最小限にする。摩擦測定はすべてこれらの半径で行なったため、精度は摩擦測定に対して３％以内である。

実施例２−ポリシロキサントラクション流体の調製
ＰＰＭＳサンプルに対して言及した高い分子剛性を、フェニル環の水素化によってポリ（シクロヘキシルメチル）シロキサン（ＰＣＭＳ）を生成することによって増大させた。ＰＣＭＳの２つのサンプルを、最良のトラクション性能を示したＰＰＭＳサンプルから合成した。またトリメチルシリル末端ポリ（ジフェニルメチルジフェニル）シロキサン（ＰＤＰＳ）であって５０％のジフェニルＤ単位及び５０％のフェニルメチルＤ単位を有するもののサンプルを、膜形成及び摩擦試験に対して得た。ＰＤＰＳサンプルのフェニル含有量を増加させることによって流体の分子剛性を増大させることを、トラクション性能の増大を予想して行なう。

４つのポリ（フェニルメチルジメチル）シロキサン（ＰＰＭＳ−１〜ＰＰＭＳ−４）、２つのポリ（シクロヘキシルメチルジメチル）シロキサン（ＰＣＭＳ−１及びＰＣＭＳ−２）サンプル、及び１つのポリ（ジフェニルメチルジメチル）シロキサン（ＰＤＰＳ−１）を調製及び貯蔵して試験に備え、本開示の教示によるトラクション流体として用いる。トリメチルシリル末端ポリ（フェニルメチルジメチル）シロキサン及びポリ（ジフェニルメチルジメチル）シロキサンサンプルを、商業的供給源（Ｄｏｗ Ｃｏｒｎｉｎｇ Ｃｏｒｐｏｒａｔｉｏｎ，Ｍｉｄｌａｎｄ，Ｍｉｃｈｉｇａｎ）から得てもよいし、又は当業者に知られた任意の方法で合成しても良い。

ポリ（シクロヘキシルメチルジメチル）シロキサン（ＰＣＭＳ−１及びＰＣＭＳ−２）サンプルの合成は、対応するポリ（フェニルメチルジメチル）シロキサンの完全水素化を、反応式４により活性炭上のパラジウムを不均質触媒として用いることにより行なう。反応は、加圧反応器内において、１４０℃（４１３Ｋ）及びＨ_２圧力が４．１４ＭＰａで、溶媒を使わずに行なう。

完全な合成を行なうには、約２４時間が必要であり、水素消費を補うために複数回再充填する必要がある。最終生成物をセライトを通して濾過して触媒を取り除いた後に、ＮＭＲ分光法及びゲル浸透クロマトグラフィーによってキャラクタリゼーションを行なう。

ＰＣＭＳ−１及びＰＣＭＳ−２サンプルの合成を、炉乾燥させたフラスコ内でＮ_２雰囲気下で行なう。試薬及び触媒はすべて、商業ベンダーから入手して、そのまま使用した。１００ｍＬＰａｒｒ Ｍｉｃｒｏ Ｒｅａｃｔｏｒに、テフロン反応槽、圧力計、Ｈ_２入口、機械的攪拌機、及び加熱を備え付けたものに、１０ｍＬのポリ（フェニルメチルジメチル）シロキサンＰＰＭＳ（例えば、ＰＰＭＳ−３又はＰＰＭＳ−４）及び１グラムの１０％パラジウムを炭に付したものを充填する。反応槽を密閉してＨ_２を用いてパージした後に、反応器を１４０℃（４１３Ｋ）まで加熱することを、激しく攪拌しながら、Ｈ_２圧力が４．１４ＭＰａの状態で行なう。反応中、Ｈ_２圧力を、３．４５ＭＰａを下回ったら新しくする。反応は、圧力が一定になるまで攪拌し続ける。反応器を次に室温まで冷却して、圧力を大気に解放する。反応器を注意深く開けた後に、黒色残留物をヘキサンを用いて溶解し、セライトを通して濾過して、溶媒を真空下で取り除いた。得られた透明なトラクション流体を次に、高真空下で一晩中乾燥させて純粋な生成物を得て、使用するまで貯蔵する。

実施例３−ポリシロキサントラクション流体のキャラクタリゼーション及びその使用
実施例２において調製され、サンプル＃がＰＰＭＳ−１〜ＰＰＭＳ−４、ＰＤＰＳ−１、及びＰＣＭＳ−１〜ＰＣＭＳ−２として標示されるポリシロキサントラクション流体が示す典型的な物理的及び化学的特性を、表１に、従来のポリジメチルシロキサン（ＰＤＭＳ）油（サンプル＃はＣ−１）の特性とともにまとめる。これらの特性には、分子構造、重量、濃度、及び粘性に関する情報、例えば、分岐の割合、分岐のタイプ、重合（ＤＰ）及び多分散性（ＰＤ）の程度が含まれている。先頭列のＤ単位割合は、各サンプルにおけるジメチルＤ単位でないＤ単位の割合を示す。したがって、ＰＤＭＳＣ−１中での非ジメチルＤ単位の割合はゼロであり、なぜならば、完全にポリジメチルシロキサン（ＰＤＭＳ）油からなるからである。ＰＰＭＳ−１〜ＰＰＭＳ−４サンプルのフェニルメチルＤ単位含有率には、１０％、５０％、及び９０％（核磁気共鳴（ＮＭＲ）データの分析を通して決定された）が含まれている。同様に、ＰＣＭＳ−１、ＰＣＭＳ−２、及びＰＤＰＳ−１サンプルのシクロヘキシルメチルＤ単位含有率は５０％又は９０％である。ＰＣＭＳ−１及びＰＣＭＳ−２の構造は、シクロヘキシルメチルＤ単位の割合が、水素化されたＰＰＭＳ−３及びＰＰＭＳ−４中のフェニルメチルＤ単位と同じであるが、分子量はより大きい。

更に表１を参照して、トラクション流体サンプル及び従来オイルの濃度及び粘度を、３つの温度、すなわち３０℃、７５℃、及び１２５℃（３０３Ｋ、３４８Ｋ、及び３９８Ｋ）において示す。一般的に、同様の分子構造のポリマーに対する分子量とともに、濃度の増加が起きることが観察される（例えば、分岐含有量）。ＰＰＭＳ及びＰＣＭＳサンプルの濃度は最も高く、フェニル含有量の増加とともに増加した。シロキサンの粘性は、ある特定の分子量においてフェニル及びシクロヘキシル含有量の増加とともに増大する。ＰＰＭＳを水素化してＰＣＭＳを生成することによって、室温における粘性が著しく増大する。これはフェニル含有量とともに増大する。

Ａｎｄｒａｄｅ−Ｅｙｒｉｎｇ方程式（等式５を参照）を用いて、トラクション流体の活性化エネルギーを計算する。ここで、Ｅは活性化エネルギー、Ｒは普遍気体定数、及びＴは温度である。低剪断粘度参考η_Ｒの計算を、測定された粘性データにラインを合わせ、限界を無限温度にすることによって行なう。

更に表１を参照して、活性化エネルギーを温度範囲全体に亘って計算する。フェニル環を添加してＰＰＭＳを生成すると、純粋なＰＤＭＳが示す粘性の温度安定性が低下する。フェニル環を水素化してシクロヘキシル構造にすることによって、活性化エネルギーが著しく増大する。概ね、活性化エネルギーは分岐含有量及び分岐の水素含有量の増加とともに増大する。

次に図２〜５を参照して、測定された膜厚を連行速度の関数としてプロットすることを、温度３０℃、７５℃、及び１２５℃（３０３Ｋ、３４８Ｋ、及び３９８Ｋ）で行なう。Ｈａｍｒｏｃｋ−Ｄｏｗｓｏｎ方程式（等式１を参照）を用いて計算した膜厚も実線としてプロットすることを、測定した粘性及び補間した圧力粘性を用いて、膜形成測定と同じ温度において行なう。測定膜厚と計算膜厚を降順でプロットすることを、それぞれ温度Ｔ＝３０℃、７５℃、及び１２５℃（３０３Ｋ、３４８Ｋ、及び３９８Ｋ）において行なう。ある特定の速度における膜厚は、温度の増加とともに小さくなる。なぜならば、粘性及び圧力粘性指数が同時に減少するからである。ＰＤＭＳ及びＰＰＭＳの高分子量サンプルは、非ニュートン剪断減粘挙動を示す。この挙動によって、ある特定の流体に対して滑りが可能になりＥＨＤ摩擦係数が制限される。したがって、本開示の教示より調製したトラクション流体は、比較的により低い分子量で高度に分岐して剪断減粘を防止する。

異なるトラクション流体に対する膜厚の計算は、それらの粘性及び圧力粘性指数（α^＊）から、等式１を用いてテスト温度において行なう。ＰＤＭＳ及びＰＰＭＳに対する圧力粘性指数は、公表データに曲線当てはめすることによって得られる。高いフェニルメチル含有量を有するＰＰＭＳの圧力粘度指数は、約２７ＧＰａ^−１であるが、温度が高くなると著しく減少する。

等式１は、ほぼ０．６７の対数勾配を用いて、考慮中のすべてのサンプルに対する膜厚を非常に正確に予測する。ＰＰＭＳ及びＰＣＭＳに対する測定膜厚と計算膜厚との近い一致は、ＣＶＴ用途に対して詳細に調べている流体がニュートン挙動を示し、したがって膜厚が形成される入口では剪断減粘を全く示さないということを示している。

次に図２及び３を参照して、ＰＰＭＳ及びＰＣＭＳの膜形成能力をそれぞれ示す。ＰＰＭＳ−３を水素化してＰＣＭＳ−１を生成することで粘性及び圧力粘性指標が十分に増大して、２つのサンプルが同じ分岐含有量及び重合度であっても膜厚が著しく増大する。しかし、図３に明示されているように、ＰＣＭＳ−１の活性化エネルギーがより高いことによって、同時に、温度の増加とともに生じる粘性及び圧力粘性指数の減少が大きくなり、その結果、膜厚の変動が大きくなる。

次に図４及び５を参照して、ＰＣＭＳ−２及びＰＤＰＳ−１サンプルの膜厚を連行速度の関数として示す。ＰＣＭＳ−２サンプルの粘性が３０℃（３０３Ｋ）において高いことは、膜厚がテスト計測器の測定能力を超えるためにその温度におけるデータが得られないことの一因である。サンプルは、等式１によってモデリングしたときに約０．６７の対数勾配を示す。これはニュートン流体の特性である。ＰＣＭＳ−２のサンプルもＰＤＰＳ−１のサンプルも、典型的な高重量ポリシロキサンの特性である剪断減粘挙動を示さない。すなわち、それらは、連行速度範囲の全体に亘ってニュートンのままである。

ＰＤＭＳ、ＰＰＭＳ、ＰＣＭＳ、及びＰＤＰＳサンプルに対する圧力粘性指標を表２に示す。これらの圧力粘性指標を、Ｚｏｌｐｅｒらによって、論文、タイトル「Ｌｕｂｒｉｃａｔｉｏｎ Ｐｒｏｐｅｒｔｉｅｓ ｏｆ Ｐｏｌｙ−ａｌｐｈａ−ｏｌｅｆｉｎ ａｎｄ Ｐｏｌｙｓｉｌｏｘａｎｅ Ｌｕｂｒｉｃａｎｔｓ：Ｍｏｌｅｃｕｌａｒ Ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ−Ｔｒｉｂｏｌｏｇｙ Ｒｅｌａｔｉｏｎｓｈｉｐｓ」（Ｔｒｉｂｏｌ．Ｌｅｔｔ（２０１２）において刊行）で説明されている手順を用いて補間する。なおこの文献の全体の内容は、本明細書において参照により取り入れられている。またＰＣＭＳ及びＰＤＰＳサンプルは、高度に分岐したＰＰＭＳが示すものと同様に、高い圧力粘性指数を示す。

ＰＣＭＳサンプルの圧力粘性指標はＰＰＭＳのそれよりも高い。なぜならば、シクロヘキシル対フェニル分岐の寸法及び柔軟性が増えているからである。またＰＤＰＳサンプルはＰＰＭＳサンプルよりも高い圧力粘性指標を示す。なぜならば、フェニルメチルＤ単位基の濃度が増加しているからである。この効果の原因は、大きくて剛性の分岐によって生じる分子剛性の増大に帰すると考えられる。これらの結果は、炭化水素及びポリシロキサンの圧力粘性指標に対する環構造の、観察された効果と一致する。

摩擦及び膜厚の測定を同じトラクション流体に対して行なうことを、Σ＝０．５における同じ連行速度範囲と温度３０℃、７５℃、及び１２５℃（３０３Ｋ、３４８Ｋ、及び３９８Ｋ）とを用いて行なう。このような共通の熱的及び動的条件によって、膜厚及び摩擦係数データをクロスプロットして摩擦係数を潤滑領域の関数として求めることができる。ＰＣＭＳ−２は、３０℃（３０３Ｋ）でテストするには粘性があり過ぎるが、より高い温度であれば性能を測定することができる。トラクション流体に対して測定された膜厚及び摩擦係数のクロスプロットを、図６〜８に示す。ＰＤＭＳ参考サンプル（Ｃ−１）（粘性が３０℃（３０３Ｋ）において１０００ｍｍ^２・ｓ^−１（ｃＳｔ））が図６〜８に含まれていて、性能基準線を示す。

次に図６及び７を参照して、摩擦係数の変動を膜厚の関数として求めたもの（Ｔ＝３０℃（３０３Ｋ）及びΣ＝０．５において）を示す。純粋なＰＤＭＳは、粘性を１０ｍｍ^２・ｓ^−１（ｃＳｔ）〜１０００ｍｍ^２・ｓ^−１（ｃＳｔ）に亘って一定の負荷、滑り／転がり比、及び温度で増大させたときに、ほぼ一定のＥＨＤ摩擦を維持する。フェニル分岐をＰＰＭＳ−４に導入することによって、ＰＤＭＳ（Ｃ−１）の場合と比べてＥＨＤ摩擦が著しく増大する。更に、ＰＰＭＳを水素化してＰＣＭＳを形成することによって、ＥＨＤ摩擦がかなり増大する。図６に、フェニルメチルＤ単位含有量が高いポリシロキサンのＥＨＤ摩擦を例示する。ＰＰＭＳ−４サンプルのＥＨＤ摩擦はＰＰＭＳ−３サンプルよりも高い。これは、圧力粘性指数の増加から予想されたであろう。なお、ＰＤＰＳ−１サンプルは、ＰＰＭＳ−４サンプルよりも、フェニルメチルＤ単位含有量は高いが、ＥＨＤ摩擦はわずかに低いことも示している。したがって、分子構造から摩擦性能を予想することによって得られるのは予想外の結果のみである。

図７において、ＰＤＰＳ−１サンプルの摩擦がＰＰＭＳ−４サンプルのそれと比べて低いことによって、ＥＨＤ摩擦の原因を分子剛性だけに帰するのは難しいことが示されている。この現象によって、ＥＨＤ摩擦は試験流体の分子の凹凸が噛み合うことに少しは影響されるという仮定に対する信憑性が高まる。理論に束縛されるものではないが、効果的なトラクション流体では、分子構造が、他の分子の凹凸と噛み合うことができる「ポケット」を有していると主張することができる。

更に図７を参照して、ＰＰＭＳ−４及びＰＤＰＳ−１サンプルの性能間で不一致があることによって、トラクション流体に対する分子ポケット及び凹凸の最適数によって、分子剛性のＥＨＤ摩擦寄与が増大する場合があることが示されている。ＰＰＭＳ−４サンプルは、約４５％のフェニル分岐環（凹凸）と５５％のメチル分岐基（空隙）とをその長さに沿って含む。対照的に、ＰＤＰＳ−１サンプルは、約７５％のフェニル分岐環（凹凸）と２５％のメチル分岐基（空隙）とをその長さに沿って含む。ＰＤＰＳ−１内に更なるフェニル凹凸があるために、隣接する分子が噛み合う可能性が減り、そのためＥＨＤ摩擦が制限される場合がある。

次に図８及び９を参照して、摩擦係数の変動を膜厚の関数として求めたもの（Ｔ＝１２５℃（３９８Ｋ）及びΣ＝０．５において）を示す。低い膜厚におけるＰＤＭＳ（Ｃ−１）及びＰＰＭＳサンプルに対するデータによって、境界から完全膜潤滑への遷移が例示される。高温では、膜はより薄いため、境界摩擦は図の左側に見られる。摩擦は次に、連行速度の増加とともに減少することを、膜厚（連行速度の積）がディスク及びボールの合成粗さを超えるまで行なう。ＰＰＭＳサンプルは、フェニル分岐含有量が増加するにつれてＥＨＤ摩擦の恒常的な増大を示す。この現象はＰＣＭＳサンプルの場合にも観察されている。

ＰＰＭＳサンプルの摩擦係数は、温度の増加とともにより著しく減少する。ＰＣＭＳサンプルは、テストされた温度範囲に亘って最大の性能安定性を示す。ＰＣＭＳサンプルは、室温において、同じ分岐含有量を有するＰＰＭＳサンプルよりも高い摩擦を示す（図６〜７を参照）。またＰＰＭＳを水素飽和させてＰＣＭＳを生成することによって、粘性並びに膜形成及びＥＨＤ摩擦係数がかなり増加する。温度を１２５℃（３９８Ｋ）まで上げても、ＰＣＭＳサンプルは依然としてＰＰＭＳサンプルよりも高い摩擦を示し、ＰＰＭＳサンプルの方が著しく大きな温度依存性を示す（図８〜９を参照）。温度が高いところでは、ＰＤＭＳ参考サンプルが示す摩擦は膜厚の増加とともに安定しているが、ＰＣＭＳ及びＰＰＭＳの摩擦は概ね減少する。

膜厚が増加するにつれ、潤滑領域λは、境界から、混合及び最終的に完全膜潤滑に遷移する（控えめに、λ＝ｈ_ｃ／Ｒ_ｑｃ＞３である）。潤滑領域は摩擦の明確な変化と関係しており、ＥＨＤ摩擦は完全膜領域で生じる。境界及び混合摩擦領域は、ＰＰＭＳ−４サンプルに対するＥＨＤ摩擦領域と、試験温度範囲に亘って交差する。これを図１０に示す。制限ＥＨＤ摩擦係数は、混合潤滑領域のすぐ外側であり、剪断発熱の効果からの影響が最小の状態で流体膜が維持する剪断応力を表している。図１０に例示するのは、制限ＥＨＤ摩擦を、混合から完全膜潤滑に至る遷移において、測定ＥＨＤ摩擦の線の交点からどのように求めるかである。

温度範囲に亘ってテストされたポリシロキサンに対する制限ＥＨＤ摩擦係数を、表３にまとめる。ほとんどの場合、混合潤滑から完全膜潤滑（λ＝３）へのはっきりした遷移が、膜厚及び摩擦係数のクロスプロットにおいて見える。場合によって、例えば低温度ＰＰＭＳ−４データでは（図９を参照）、境界及び混合潤滑領域における摩擦は、厚膜形成が低速で起こるために測定できない。このような場合、制限ＥＨＤ摩擦を見積ることを、ＥＨＤ摩擦を混合及び完全膜摩擦データの交点に、図９〜１０に例示した高温データに基づいて外挿することによって行なった。

図１１及び１２において、ＰＰＭＳ及びＰＣＭＳサンプルに対する環状分岐含有量と制限ＥＨＤ摩擦係数との間の関係を示す。両方のデータセットを、環分岐含有量がないＰＤＭＳ（Ｃ−１）の制限ＥＨＤ摩擦と比較する。フェニル分岐又はフェニルメチルＤ単位含有量が増加すると、ＥＨＤ摩擦全体が増大することが明らかである（図１１）。フェニル環を水素化してシクロヘキシル基にすると、制限ＥＨＤ摩擦がかなり増大する（図１２）。ＰＣＭＳは、ＥＨＤ摩擦の温度安定性もＰＰＭＳよりも高い。これらの結果、シロキサン系トラクション流体における環分岐含有量とＥＨＤ摩擦との間の相関が示される。

次に、図１３及び１４を参照して、表２の圧力粘度指数データを、表３の制限ＥＨＤ摩擦係数に対してプロットして、図式的に示す。概ね、２つの特性間の正の相関が示されている。ＰＰＭＳサンプルの場合、圧力粘性指数と制限ＥＨＤ摩擦係数との間に強力な相関が存在する（図１３を参照）。

圧力粘性指数と制限ＥＨＤ摩擦との間の相関は、テストしたすべてのサンプルに対して調べた場合、明確ではない。（図１４を参照）。それにもかかわらず、個々の温度において、圧力粘性指数を制限ＥＨＤ摩擦係数に関係させるように、傾向を大きく引くことができる。

本開示により調製及び使用されるポリシロキサン潤滑剤は、その長さ、分岐含有量、及び分岐構造に応じて幅広いトラクション性能を示すことができる。アリール及びシクロアルキル環構造の含有量が高いポリシロキサンは、環分岐構造を有しないポリシロキサン（例えばＰＤＭＳ）よりもＥＨＤ摩擦が高い。環含有量が同じポリシロキサンの場合、シクロアルキル分岐が大きい方（ＰＣＭＳ）がＥＨＤ摩擦の増大がアリール分岐（ＰＰＭＳ）を上回る。ＥＨＤ摩擦に対する分子の噛み合いの寄与を最大にする環分岐の最適な濃度が存在する。最適条件は、ＰＰＭＳ−４及びＰＣＭＳ−２に近いが、ＰＤＰＳ−１は超える。ポリシロキサン環分岐濃度及び環分岐寸法の増加によって分子剛性が増大する結果、剛体棒状の立体配座が得られ、高い圧力粘性指数並びに高いＥＨＤ摩擦の一因となる。同じ割合の分岐濃度を有するポリシロキサンの場合は、より大きくてより柔軟な環構造（シクロヘキシル）を有するものの方が、より小さくてより剛性の環（フェニル）を有するポリシロキサンよりも、より高くてより温度安定なＥＨＤ摩擦を示す。

高分岐ポリシロキサンの粘性及び圧力粘性指標は、活性化エネルギーと圧力粘性指標との間の相関により、温度の増加とともに著しく減少する。本開示により調製及び使用されるポリシロキサントラクション流体では、正の相関が圧力粘性指数と制限ＥＨＤ摩擦係数との間に存在する。観察された相関は、同じタイプの分岐構造を有する材料においてより大きい。

本開示のトラクション流体に対する分岐含有量対トラクション性能の相関関係並びに重合度に関する圧力粘性指数の顕著な不変性は、重合度を下げることによって粘性を下げられ得ることを示している。分岐タイプ及び含有量が同じである限り、本明細書におけるポリシロキサントラクション流体の種は、重合度とは関係なく同様のトラクション性能を維持することが予想される。したがって、粘性支配の現象（例えば膜形成及び流体循環）が異なる用途に対して変化しながらも、かなり高いＥＨＤ摩擦を維持する場合がある。

本開示の別の態様によれば、機械要素における転がり面又は滑り面間の界面摩擦を増大させる方法が提供される。次に図１５を参照して、方法１００は概ね、第１及び第２の表面を有する機械要素１１０を用意するステップと、第１の表面と第２の表面との間にトラクション流体１２０を用意するステップと、第１の表面が第２の表面１３０を通り過ぎて転がるか又は滑ることができるようにして、トラクション流体によって第１の表面と第２の表面との間の界面摩擦が増大するようにするステップと、を含む。この方法では、２つの表面は、機械要素における弾性流体潤滑（ＥＨＬ）下のトライボロジー界面を表わす。代替的に、第１及び第２の表面はセラミック又は金属表面であり、代替的に２つの表面は金属表面である。機械要素としては（しかしこれらに限定されないが）、回転要素軸受、滑り軸受、ギア、カム及びカム従動子、又はトラクションドライブを挙げても良い。

この方法１００で用いるトラクション流体は、本明細書において前述したように構造Ｓ（ＩＩＩ）に対応する本明細書で説明したポリシロキサン基油のいずれかを含んでいても良く、代替的に、本明細書において前述したように構造Ｓ（ＩＩ）又はＳ（ＩＶ）のいずれかに対応するポリシロキサン基油を含んでいても良い。任意的に、トラクション流体は、当業者に知られている極圧添加剤、耐摩耗添加剤、酸化防止剤、消泡剤、金属不活性化剤、洗剤、分散剤、抗菌剤、消毒剤、粘着性添加剤、摩擦調整剤、及び防錆剤の群からの１つとして選択される少なくとも１つの機能性添加剤を更に含んでいても良い。トラクション流体はまた、重合度が１５〜５００の相溶性基油であって、５〜３０重量％のフェニルメチルＤ単位含有量を有するポリジメチルシロキサン又はポリ（フェニルメチルジメチル）シロキサンとして選択される相溶性基油を含んでいても良い。

前述の本発明の様々な形態の説明は、例証及び説明のために提示されている。包括的であるようにも、本発明を開示される正確な形態に限定するようにも意図されない。上記の教示を鑑みて、数々の修正又は変更が可能である。論じられる形態は、本発明の原理及びその実際の用途の最善の例証を提供するよう選択及び記載されており、それにより当業者は、本発明を様々な形態で、かつ企図される特定の用途に適した様々な修正を伴って利用することが可能となる。そのような修正及び変更の全ては、それらが公正に、法律的に、且つ公平に権利を与えられた広さに従って解釈された場合、添付の特許請求の範囲により決定される本発明の範囲内に含まれる。

Claims (21)

1. ２つの機械的表面が互いに対して動くときの前記表面間の界面摩擦を増大させることができるトラクション流体であって、
   構造式：
   
   に対応するポリシロキサン基油を含み、ここで、Ｒ及びＲ’は独立に選択されて、Ｒは１〜３の炭素原子を有するアルキル基であり、Ｒ’は５〜２０の炭素原子を有するシクロアルキル又はジシクロアルキル基であり、ｍは整数であり、ｎは整数又は０であり、５＜（ｍ＋ｎ）＜１００及び０．５０＜ｍ／（ｍ＋ｎ）＜１．００である、トラクション流体。
2. Ｒはメチル基であり、Ｒ’はシクロヘキシル又はシクロペンチル基である、請求項１に記載のトラクション流体。
3. 前記トラクション流体は、極圧添加剤、耐摩耗添加剤、酸化防止剤、及び防錆剤の群からの１つとして選択される少なくとも１つの機能性添加剤を更に含む、請求項１又は２に記載のトラクション流体。
4. 前記トラクション流体は、重合度１５〜５００である１以上の相溶性基油であって、５〜３０重量％のフェニルメチルＤ単位含有量を有するポリジメチルシロキサン又はポリ（フェニルメチルジメチル）シロキサンとして選択される相溶性基油を更に含む、請求項１〜３のいずれか一項に記載のトラクション流体。
5. 少なくとも１つのポリシロキサン基油の、２つの機械的表面が互いに対して動くときの表面間の界面摩擦を増大させることができる低摩耗性トラクション流体としての使用であって、前記ポリシロキサン基油は構造式：
   
   に対応し、ここで、Ｒ及びＲ’は独立に選択されて、Ｒは１〜３の炭素原子を有するアルキル基であり、Ｒ’は５〜２０の炭素原子を有するシクロアルキル又はアリール基であり、ｍは整数であり、ｎは整数又は０であり、５＜（ｍ＋ｎ）＜１００及び０．５０＜ｍ／（ｍ＋ｎ）＜１．００である、使用。
6. Ｒはメチル基であり、Ｒ’はアリール又はシクロアルキル基であり、７＜（ｍ＋ｎ）＜１００である、請求項５に記載の低摩耗性トラクション流体の使用。
7. Ｒはメチル基であり、Ｒ’はジアリール又はジシクロアルキル基である、請求項５に記載の低摩耗性トラクション流体の使用。
8. Ｒはメチル基であり、Ｒ’はシクロヘキシル又はシクロペンチル基である、請求項５に記載の低摩耗性トラクション流体の使用。
9. 前記ポリシロキサン基油は次の構造式に対応する、請求項５に記載の低摩耗性トラクション流体の使用。
   
10. 前記ポリシロキサン基油は、極圧添加剤、耐摩耗添加剤、酸化防止剤、及び防錆剤の群からの１つとして選択される少なくとも１つの機能性添加剤を更に含む、請求項５〜９のいずれか一項に記載の低摩耗性トラクション流体の使用。
11. 前記ポリシロキサン基油は、重合度１５〜５００を有する１以上の相溶性基油であって、５〜３０重量％のフェニルメチルＤ単位含有量を有するポリジメチルシロキサン又はポリ（フェニルメチルジメチル）シロキサンとして選択される相溶性基油を更に含む、請求項５〜１０のいずれか一項に記載の低摩耗性トラクション流体の使用。
12. 互いに対して動く前記２つの機械的表面はトラクションドライブの一部である、請求項５〜１１のいずれか一項に記載の低摩耗性トラクション流体の使用。
13. 前記トラクション流体は、グリース、ギアオイル、又はトランスミッション液である、請求項５〜１２のいずれか一項に記載の低摩耗性トラクション流体の使用。
14. ２つの機械的表面が互いに対して動くときの前記表面間の界面摩擦を増大させる方法であって、
    第１の表面及び第２の表面を有する機械要素を用意するステップであって、前記第１及び第２の表面は前記機械要素において互いに接触している、ステップと、
    前記第１の表面と前記第２の表面との間にトラクション流体を用意するステップであって、前記トラクション流体は、
    構造式：
    
    に対応する少なくとも１つのポリシロキサン基油を含み、ここで、Ｒ及びＲ’は独立に選択されて、Ｒは１〜３の炭素原子を有するアルキル基であり、Ｒ’は５〜２０の炭素原子を有するシクロアルキル又はアリール基であり、ｍは整数であり、ｎは整数又は０であり、５＜（ｍ＋ｎ）＜１００及び０．５０＜ｍ／（ｍ＋ｎ）＜１．００である、ステップと、
    前記第１の表面が前記第２の表面を通り過ぎて転がるか又は滑ることができるようにして、前記トラクション流体によって前記第１の表面と前記第２の表面と間の界面摩擦が増大するようにするステップと、を含む、方法。
15. Ｒはメチル基であり、Ｒ’はアリール又はシクロアルキル基であり、７＜（ｍ＋ｎ）＜１００である、請求項１４に記載の方法。
16. Ｒはメチル基であり、Ｒ’はジアリール又はジシクロアルキル基である、請求項１４に記載の方法。
17. Ｒはメチル基であり、Ｒ’はシクロヘキシル又はシクロペンチル基である、請求項１４に記載の方法。
18. 前記ポリシロキサン基油は次の構造式に対応する、請求項１４に記載の方法。
    
19. 前記トラクション流体は、極圧添加剤、耐摩耗添加剤、酸化防止剤、及び防錆剤の群からの１つとして選択される少なくとも１つの機能性添加剤を更に含む、請求項１４〜１８のいずれか一項に記載の方法。
20. 前記トラクション流体は、重合度１５〜５００である１以上の相溶性基油であって、５〜３０重量％のフェニルメチルＤ単位含有量を有するポリジメチルシロキサン又はポリ（フェニルメチルジメチル）シロキサンとして選択される相溶性基油を更に含む、請求項１４〜１９のいずれか一項に記載の方法。
21. 互いに対して動く前記２つの機械的表面はトラクションドライブの一部である、請求項１４〜２０のいずれか一項に記載の方法。