JP3618398B2

JP3618398B2 - 耐熱・潤滑性樹脂組成物

Info

Publication number: JP3618398B2
Application number: JP11982695A
Authority: JP
Inventors: 正樹江上; 英之筒井
Original assignee: NTN Corp
Current assignee: NTN Corp
Priority date: 1995-05-18
Filing date: 1995-05-18
Publication date: 2005-02-09
Anticipated expiration: 2020-02-09
Also published as: JPH08311338A

Description

【０００１】
【産業上の利用分野】
この発明は、各種の摺動部材として用いられる耐熱・潤滑性樹脂組成物及び耐熱性滑り軸受に関し、特に電子写真装置の加熱定着部の摺動材に適用できる耐熱・潤滑性樹脂組成物及び耐熱性滑り軸受に関する。
【０００２】
【従来の技術】
近年、合成樹脂製の滑り軸受の用途分野が拡大するにつれて、軸受の使用条件、特に高温雰囲気下において、良好な摩擦摩耗特性を発揮するような耐熱性のある合成樹脂製滑り軸受が強く要求されるようになってきた。
【０００３】
また、軸受の摺動相手材として、アルミニウム合金等が使用された場合、軸受には使用中に比較的軟質の摺動相手材を傷つけない特性が要求される。
【０００４】
上記特性の要求される耐熱性の滑り軸受の具体例としては、複写機やレーザービームプリンタ等の加熱定着装置用の軸受があり、そのような滑り軸受の一般的な使用状態を説明すると、以下の通りである。
【０００５】
すなわち、帯電画像を用いて原画像の情報を記録物質たる転写材に伝達する機構を有する複写機またはレーザービームプリンタ等は、電子写真装置として総称されるが、装置内の加熱定着部には、図３に例示するように、転写材上にそのトナー像を加熱定着させる加熱ローラ１０と、転写材を加熱ローラ１０に押圧して回転駆動する加圧ローラ１１が装着されている。
【０００６】
前者の加熱ローラ１０は、アルミニウム合金で形成されたものが多く、ヒータ１２で約１５０〜２３０℃の温度に加熱される。後者の加圧ローラ１１は、シリコーンゴム等で被覆された鉄等の金属材からなり、このものも加熱ローラ１０からの伝熱によって約７０〜１５０℃にまで加熱される。
【０００７】
また、図４に示すものは、上記の加熱定着装置とは別の機構を有する加熱定着装置であり、金属製加熱ローラに代えて、耐熱性合成樹脂フィルムに離型剤をコーティングした無端環状の定着フィルム１５を用い、この定着フィルム１５を介してセラミックヒータ１６を加圧ローラ１１に圧接して熱伝導効率を高めたものである。この場合、加圧ローラ１１は、セラミックヒータ１６に極めて接近しているので、前記した金属製加熱ローラ１０を用いた定着装置のものよりいっそう高温になる。
【０００８】
このように高温状態で使用される各ローラの端部は、合成樹脂製の滑り軸受１３、１４（図４の装置では図３中の番号１４に相当する略同形状の軸受）で支持されるが、その材料としては、耐熱性が良く、機械的強度の優れた熱可塑性合成樹脂であるポリフェニレンサルファイド（以下、ＰＰＳと略称する）樹脂を適用できる。この場合には、ＰＰＳ樹脂に対して、たとえば黒鉛、四フッ化エチレン樹脂、金属酸化物、芳香族ポリアミド樹脂等の潤滑剤を添加して、自己潤滑性を高めるようにすることが多い。
【０００９】
しかし、上記した従来のＰＰＳ樹脂系の耐熱・潤滑性組成物は、高温、高負荷条件の下では低摩擦係数を維持できず、また耐摩耗性を充分に発揮できないという問題点がある。
【００１０】
また、ＰＰＳ樹脂に対して、これより耐熱性のある合成樹脂粉末および四フッ化エチレン樹脂を添加した樹脂組成物も開発されており、ＰＰＳ樹脂に芳香族ポリエステル樹脂および四フッ化エチレン樹脂を配合した組成物が、特開昭５７−１６７３４８号公報や特開昭６３−１７５０６５号公報に開示されている。これらの組成物は、常温付近の比較的低温では良好な耐摩耗性を示すものである。
【００１１】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、ＰＰＳ樹脂に四フッ化エチレン樹脂および芳香族ポリエステル樹脂を混合した組成物は、高温で摺動する条件で摺動相手材がアルミニウム合金（通常、Ｍｇを含むＡｌ合金）の場合に、これを傷つけると共に自らも摩耗するという問題点がある。
【００１２】
このような組成物に対して炭素繊維を配合すると、耐摩耗性は向上するが、軟質のアルミニウム合金を摺動相手材とするとこれを損傷させ、その損傷にともなってさらに摩擦・摩耗特性が悪化する恐れがある。
【００１３】
また、合成樹脂に四フッ化エチレン樹脂とアルカリ金属またはアルカリ土類金属の炭酸塩などを添加した樹脂組成物が、特開平５−７８６８７号、特開平５−１１２７２３号に開示されているが、これらの樹脂組成物の耐摩耗性および摺動相手材の損傷性は、前記したように高温で軟質のアルミニウム合金を摺動相手材とする場合において、未だ充分に満足できる結果を得るものでなかった。
【００１４】
また、合成樹脂の摩擦摩耗特性を改良するための他の方法として、含油プラスチックとする方法がある。含油プラスチックの代表的な組成は、特開昭５０−２２０４２号に記載されているように、合成樹脂に、比表面積が０．３ｍ^２／ｇ以上で限界吸油量０．２ｃｃ／ｃｃ以上の有機・無機粉末、例えばカーボンブラック、グラファイト、活性炭などのカーボン、その他の保油性の担体と潤滑油を配合し混和したものである。
【００１５】
しかし、このような組成物は、以下に列挙するような含油プラスチックに特有の欠点を有していた。すなわち、１）摩擦係数が低い値で安定しない、２）加熱されると潤滑油が浸み出てしまう、３）成形性が悪い、４）摺動部材として用いると担体が摺動相手を削る、５）成形時もしくは混練時に油が分離しやすい、６）材料物性が低下する、７）摺動相手に油が付着して塵埃が付着しやすい、８）潤滑油が不足すると異常摩耗を起こすなどの欠点である。
【００１６】
そこで、この発明の課題は、上記した問題点を解決し、耐熱・潤滑性樹脂組成物を、従来のＰＰＳ系樹脂組成物よりもいっそう優れた低摩擦特性、耐摩耗性およびアルミニウム合金等の軟質合金に対する非攻撃性を具備する高性能の組成物とし、さらにこれを用いた耐熱性滑り軸受を提供することである。
【００１７】
【課題を解決するための手段】
上記の課題を解決するため、この発明においては、ポリフェニレンサルファイド樹脂を主要成分として、四フッ化エチレン樹脂８〜３８容量％、比表面積が５００ｍ^２／ｇ以上の多孔質炭素５〜２０容量％および芳香族ポリアミド繊維２〜２０容量％を必須成分として添加してなる耐熱・潤滑性樹脂組成物としたのである。
【００１８】
または、上記の耐熱・潤滑性樹脂組成物を成形してなる耐熱性滑り軸受としたのである。
【００１９】
【作用】
この発明の耐熱・潤滑性樹脂組成物は、耐熱性に優れたＰＰＳ樹脂を主要成分とし、摺動性に優れた四フッ化エチレン樹脂および所定の比表面積の多孔質炭素をそれぞれ所定量配合することによって、所要の耐熱性を有すると共に良好な潤滑性を示す転移膜を相手材上に形成し、軟質のアルミニウム合金であってもその表面を傷つけることなく、良好な潤滑特性を示す。
【００２０】
また、配合された所定の比表面積の多孔質炭素は、樹脂成分中に均一に分散して摺動面にも均一に露出し、摺動相手材に接した状態で摺動面の荷重を支えるので、樹脂の耐摩耗性が改善される。また、炭素は前記したように所定の多孔質であるので、せん断強度が低く、摺動する際の摩擦も小さい。
【００２１】
【実施例】
この発明に用いるＰＰＳ樹脂としては、下記の一般式化１で示されるような種々の繰り返し単位からなる合成樹脂が挙げられる。
【００２２】
【化１】

【００２３】
これらのうち、特に典型的なものは下記の化２で示されるものであり、米国フィリップス・ペトローリアム社から「ライトン」の商標で市販され、その製造方法は米国特許第３，３５４，１２９号（対応特許特公昭４５−３３６８号）に開示されている。
【００２４】
【化２】

【００２５】
ライトンはＮ−メチルピロリドン溶媒中、１６０〜２５０℃、加圧条件下にｐ−ジクロルベンゼンと二硫化ソーダとを反応させることによって製造される。この場合、樹脂中に交差結合が全くないものから部分的交差結合を有するものに至るまで各種重合度のものを後熱処理工程にかけて自由に製造することができるので、目的の溶融ブレンドに適正な溶融粘度特性を有するものを任意に選択使用することが可能である。また、上記したライトン以外のＰＰＳ樹脂であって架橋構造をとらない直鎖状ＰＰＳ樹脂を採用してもよい。
【００２６】
次に、この発明に用いる四フッ化エチレン樹脂（以下、ＰＴＦＥと略記する。）としては、四フッ化エチレン重合体であれば、特に限定することなく採用できる。ＰＴＦＥは、これが成形用の粉末であっても、また、いわゆる固体潤滑剤用の微粉末であってもよく、市販品としては三井・デュポンフロロケミカル社製：テフロン７Ｊ、ＴＬＰ−１０、旭硝子社製：フルオンＧ１６３、ダイキン工業社製：ポリフロンＭ１５、ルブロンＬ５、ヘキスト社製：ホスタフロンＴＦ９２０５などを採用することができる。また、アルキルビニルエーテルで変性されたＰＴＦＥを使用することもできる。
【００２７】
この発明において、ＰＴＦＥの量を８〜３８容量％に限定する理由は、８容量％より少ないと潤滑特性が悪く、３８容量％を越えると著しく成形性が損なわれるからであり、このような傾向からみて、より好ましい配合割合は、１０〜３５容量％である。
【００２８】
この発明に用いる比表面積が、５００ｍ^２／ｇ以上の多孔質炭素は、いわゆる活性炭と称される炭素材料であって、粉末状や繊維状のものを使用できる。
【００２９】
粉末状の活性炭は、木材、パルプなどの植物系原料や、石炭、コークスなどの鉱物系原料を用いて、周知の薬品賦活法や水蒸気賦活法によって製造されたものであってよく、これを賦活後、粉砕することにより、所望の粒径に形成できる。
【００３０】
繊維状の多孔質炭素としては、ピッチ系またはパン系の炭素繊維を１０００℃で焼成し、比表面積１ｍ^２／ｇの炭化品として、これを不活性ガス雰囲気中で酸化処理してその表面を酸化し、活性炭のように活性化（多孔質化）したものがある。
【００３１】
これらの多孔質炭素の比表面積が、５００ｍ^２／ｇ未満では、これを添加した樹脂組成物に優れた摩擦摩耗特性が備わらない。また、繊維状の多孔質炭素は、樹脂組成物中において、摺接した軟質金属を攻撃し易いので好ましくない。このような傾向を考慮すると、多孔質炭素のより好ましい比表面積は、７００ｍ^２／ｇ以上である。
【００３２】
なお、粉末状の多孔質炭素の粒径は、組成物中に均一に分散させて均質な物性の組成物をえるために、０．１〜８００μｍの範囲のものを採用することが好ましい。また、０．１μｍ未満の小径粉体を得ることは、技術面、コスト面からも困難であり、８００μｍを越える大径粉体では、組成物の摩擦摩耗特性が安定性を失って好ましくない。このような傾向から、多孔質炭素のより好ましい粒径は、０．５〜２００μｍであり、また、繊維状の多孔質炭素についても、上記同じ理由により、平均繊維長が８００μｍ以下のものを採用することが好ましい。
【００３３】
この発明において多孔質炭素の量を５〜２０容量％に限定する理由は、５容量％未満の少量では組成物の潤滑特性が悪く、２０容量％を越えると溶融粘度が高くなって成形性が悪化したり、所期の目的と反対に耐摩耗性が悪化して好ましくないからである。
【００３４】
この発明に用いる芳香族ポリアミド繊維は、メタ系、パラ系いずれであっても良く、市販品としては、デュポン・東レ・ケブラー社製：ケブラー、ノーメックス、日本アラミド社製：トワロン、帝人社製：テクノーラ、コーネックスなどが挙げられる。
【００３５】
また、この発明に用いる芳香族ポリアミド繊維は、繊維長０．１５〜３ｍｍ、アスペクト比１０〜２３０のものを採用して好ましい結果を得ている。芳香族ポリアミド繊維が前記した所定範囲未満の繊維長では、耐摩耗性が不充分であって好ましくなく、上記範囲を越える繊維長では組成物中に分散不良となって好ましくない。また、上記範囲未満のアスペクト比では、粉末形状に近くなって耐摩耗性改善効果が不充分となり、上記範囲を越えるアスぺクト比では組成物中の均一分散が困難となって好ましくない。
【００３６】
この発明に用いる芳香族ポリアミド繊維の配合割合を２〜２０容量％に限定する理由は、この２容量％未満では組成物の耐摩耗性を改善できず、かつ組成物の潤滑性が悪く、２０容量％を越えると組成物の耐摩耗性が初期の目的とは逆に悪化するからである。
【００３７】
ここで、ＰＰＳ樹脂に対して各種の添加物を添加混合する方法は特に限定するものではなく、広く用いられている通常の方法、たとえば主成分となる樹脂、その他の諸原料をそれぞれ個別に、または配合後にヘンシェルミキサー、ボールミル、タンブラーミキサー等の混合機によって適宜乾式混合した後、溶融混合性のよい射出成形機もしくは溶融押出成形機に供給するか、又は予め熱ロール、ニーダ、バンバリーミキサー、溶融押出機などで溶融混合するなどの方法を利用すればよい。
【００３８】
さらに、この発明の組成物を成形するには、特に成形方法を限定するものではなく、圧縮成形、押出成形、射出成形等の通常の方法、または組成物を溶融混合した後、これをジェットミル、冷凍粉砕機等によって粉砕し、所望の粒径に分級するか、または分級しないままで、得られた粉末を用いた流動浸漬塗装、静電粉体塗装などを行なうことも可能である。
【００３９】
また、得られた粉末を溶剤に分散させて、スプレー塗装または浸漬塗装を行なうことも可能である。
【００４０】
なお、この発明においてはＰＰＳ樹脂を主要成分とする潤滑性組成物に、各種の添加剤を配合することもできる。例えば、組成物の潤滑性をさらに改良するために、耐摩耗性の改良剤を配合してもよい。耐摩耗性改良剤の具体例としては、グラファイト、マイカ、タルク、ウォラストナイト、金属酸化物の粉末、硫酸カルシウムなどのウィスカ、二硫化モリブデン、芳香族ポリエステル樹脂、リン酸塩、炭酸塩、ステアリン酸塩、溶融フッ素樹脂、超高分子量ポリエチレンなどを例示することができる。
【００４１】
上記した材料から成形されるこの発明における耐熱性滑り軸受は、その形状を限定するものでなく、加熱・加圧ローラの形状や、周辺装置、ハウジングに合わせた形態を採用すればよい。例えば、図１に示すように、軸受は、単独材料で成形するのみならず、二色成形の手法を採用して軸受部１と固定用金属部２とからなる複合材としてもよい。
【００４２】
また、図２に示すように、この発明の耐熱性滑り軸受は、軸受部３と、ＰＰＳ、ポリアミドイミド（ＰＡＩ）、ポリイミド（ＰＩ）等の耐熱性及び断熱性に優れた合成樹脂、またはこれらに無機充填剤もしくは有機充填剤等を添加した樹脂部４とからなるように二色成形された軸受であってもよい。
【００４３】
このような軸受は、成形時のひずみを除いて高温使用時の寸法安定性を確保するために、１００〜２５０℃で０．５〜２４時間程度のアニール熱処理をしておくことが望ましい。
【００４４】
この発明の実施例および比較例に用いた諸原材料を一括して示すと次の通りである。なお、括弧内に示した番号は以下の表中の原材料の番号に一致し、表中の成分の配合割合は、全て容量％である。
【００４５】
（１）ＰＰＳ樹脂（東ソーサスティール社製：ＰＰＳ＃１６０）、
（２）ＰＰＳ樹脂（クレハ化学社製ＫＰＳ−Ｗ２０５）、
（３）四フッ化エチレン樹脂Ａ（三井デュポン・フロロケミカル社製：テフロン７Ｊ、成形用）
（４）四フッ化エチレン樹脂Ｂ（喜多村社製：ＫＴＬ６１０、潤滑用）
（５）活性炭粉末（和光純薬社製：試薬、比表面積１０２０ｍ^２／ｇ、平均粒径約２０μｍ）
（６）活性炭繊維▲１▼（大阪ガスケミカル社製：ＡＤＯＬ−Ａ１０、比表面積１０００ｍ^２／ｇ、繊維径１５μｍ、繊維長５０〜７５０μｍ）
（７）活性炭繊維▲２▼（大阪ガスケミカル社製：ＡＤＯＬ−Ａ７、比表面積７００ｍ^２／ｇ、繊維径１５μｍ、繊維長５０〜７５０μｍ）
（８）カーボンブラック（電気化学工業社製：デンカブラック、比表面積６５ｍ^２／ｇ、平均粒径４０μｍ）
（９）炭素繊維（東レ社製：トレカＭＬＤ３０、比表面積１ｍ^２／ｇ、繊維径７．５μｍ、繊維長８〜８００μｍ）
（１０）パラ系芳香族ポリアミド繊維（日本アラミド社製：トワロン１０１０カットファイバー繊維長０．２５ｍｍ）
（１１）メタ系芳香族ポリアミド繊維（帝人社製：コーネックスカットファイバー２ｄｅ、繊維長１ｍｍ）
（１２）グラファイト（ロンザ社製：ＫＳ−６）
〔実施例１〜４〕
表１に示す割合（容量％）で諸原材料をヘンシェルミキサーで充分混合し、二軸溶融押出機に供給し、シリンダー温度：３００℃、回転数：１００ｒｐｍの溶融混合条件で押出して造粒し、得られたペレットを樹脂温度３１０℃、射出圧力８００ｋｇｆ／ｃｍ^２、金型温度１４０℃の射出成形条件下で外径２８ｍｍ、内径２０ｍｍ、幅５ｍｍのリング状試験片を成形した。この試験片を用いて以下に示す高温ラジアル摩擦摩耗試験を行なった。
【００４６】
［高温ラジアル摩擦摩耗試験］
アルミニウム合金Ａ５０５６（表面粗さ３．２Ｓ）製の回転軸を相手材とし、この相手材の外周にリング状試験片を嵌め、これを相手材周面に対して３．５ｋｇｆ／ｃｍ^２の圧力で押圧し、前記回転軸は表面温度を２００℃に制御すると共に、これにトルクメータを取り付けて、周速２．８ｍ／分で５０時間連続回転させた。この後、試験片の摩耗量としての摩耗係数×１０^−１０ｃｍ^３／（ｋｇｆ・ｍ）と、回転軸のトルク（ｋｇｆ・ｃｍ）を測定し、かつ摺動相手材であるアルミニウム合金表面の損傷度を観察した。損傷度の評価については、損傷しない（○印）、やや損傷する（△印）または損傷する（×印）の三段階評価で表わし、結果は表２にまとめて示した。
【００４７】
【表１】

【００４８】
【表２】

【００４９】
［比較例１〜６］
表１に示した割合で原材料を配合したこと以外は、実施例と全く同様にして試験片を作り、前記した高温ラジアル摩擦摩耗試験を行ない、摩耗係数、回転軸のトルク、摺動相手材の損傷度を求めて結果を表２に併記した。
【００５０】
表２に示す結果から明らかなように、比較例１〜６は、摩耗量が多く、また比較例１、２では回転トルクが大きかった。また、比較例２、３および６では、摺動相手材を損傷した。
【００５１】
また、実施例で用いた活性炭粉末や繊維とほぼ同形同寸法の非多孔質の炭素粉や炭素繊維をそれぞれ１５容量％添加した比較例１、２は、いずれも同じ割合で多孔質炭素を添加した実施例１、２に比べて摩耗量が５〜７倍であり、耐摩耗性が著しく劣っていることがわかる。また、比較例２では、摺動相手材の損傷が著しく大きかった。
【００５２】
これに対して、全ての条件を満足する実施例１〜４は、摩耗量、回転トルクともに低く、しかも摺動相手材のアルミニウム合金（Ａ５０５６）を損傷しなかった。
【００５３】
なお、実施例４の体積抵抗値を測定したところ、７×１０^６Ωｃｍであり半導電性を示した。
【００５４】
【効果】
この発明の耐熱・潤滑性樹脂組成物は、以上説明したように、ポリフェニレンサルファイド樹脂を主要成分として、四フッ化エチレン樹脂と、多孔質炭素と、芳香族ポリアミド繊維を所定量添加した組成物としたので、従来のＰＰＳ系樹脂組成物よりもいっそう優れた低摩擦特性、耐摩耗性およびアルミニウム合金等の軟質合金に対する非攻撃性を具備し、より良好な結果が得られる高性能の組成物となり、又は同様の好ましい物性を備えた耐熱性滑り軸受となる利点がある。
【図面の簡単な説明】
【図１】実施例を示す斜視図
【図２】他の実施例を示す斜視図
【図３】加熱・定着装置における軸受の使用状態を説明する断面図
【図４】他の加熱・定着装置における軸受の使用状態を説明する断面図
【符号の説明】
１、３軸受部
２固定用金属部
４樹脂部
１０加熱ローラ
１１加圧ローラ
１２ヒータ
１３、１４合成樹脂製のラジアル軸受
１５定着フィルム
１６セラミックヒータ

Claims

ポリフェニレンサルファイド樹脂を主要成分として、四フッ化エチレン樹脂８〜３８容量％、比表面積が５００ｍ² ／ｇ以上で粒径０．１〜８００μｍの粉末状の多孔質炭素５〜２０容量％および芳香族ポリアミド繊維２〜２０容量％を必須成分として添加してなる電子写真装置の加熱定着部における軟質アルミニウム合金に対する摺動材用耐熱・潤滑性樹脂組成物。
請求項１記載の耐熱・潤滑性樹脂組成物を成形してなる電子写真装置の加熱定着部における軟質アルミニウム合金製回転軸用耐熱性滑り軸受。