JP3664133B2

JP3664133B2 - 樹脂製歯車

Info

Publication number: JP3664133B2
Application number: JP2001400474A
Authority: JP
Inventors: 智彦田中; 晶一池田; 裕樹中濱
Original assignee: Mitsubishi Chemical Corp
Current assignee: Mitsubishi Chemical Corp
Priority date: 2001-12-28
Filing date: 2001-12-28
Publication date: 2005-06-22
Anticipated expiration: 2021-12-28
Also published as: JP2003201398A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、寸法精度に優れ、機械的強度の長期持続性に優れた樹脂製歯車に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来、樹脂を成形して得られる樹脂製歯車の成形材料としては、比較的強度を要求されない用途にはポリオキシメチレンを代表とする非強化樹脂が用いられ、強度が要求される用途には繊維強化ポリアミド、繊維強化ポリフェニレンスルフィド等の繊維強化樹脂が用いられてきた。
【０００３】
しかし、繊維強化樹脂で樹脂製歯車を成形した場合、成形金型のゲート近傍とウエルド近傍とで繊維の配向が異なるものとなり、この繊維の配向差のために、得られる歯車の真円度が悪くなり、寸法ないし形状精度に優れた樹脂製歯車を得ることができないという問題があった。また、ナイロン６、ナイロン６６やナイロン４６等をベースにした繊維強化ナイロンの場合には、成形後、吸湿により寸法変化が起こり、寸法精度をより一層悪化させるという問題があった。
【０００４】
これに対して、メタキシリレンジアミンと炭素数６〜１２の脂肪族ジカルボン酸とを反応させて得られたポリアミドは、吸湿による寸法変化が小さく、これにガラス繊維を配合すると、ガラス繊維強化ナイロン６やナイロン６６に比較して化学的、熱的、機械的諸性質に優れた成形材料となることが報告されている（特開昭５０−６１４４９号公報）。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、特開昭５０−６１４４９号公報に記載される、メタキシリレンジアミンと炭素数６〜１２の脂肪族ジカルボン酸とを反応させて得られたポリアミドにガラス繊維を配合したガラス繊維強化樹脂を成形して得られる樹脂製歯車は、長期強度、即ち、機械的強度の長期持続性、耐久性が、ガラス繊維で強化したナイロン６やナイロン６６を成形して得られた樹脂製歯車に比べて十分とは言えず、その改善が望まれていた。
【０００６】
本発明は、上記従来の問題点を解決し、寸法精度、長期強度に優れた樹脂製歯車を提供することを目的とする。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
本発明の樹脂製歯車は、（Ａ）メタキシリレンジアミンを７０モル％以上含むジアミンと、炭素数６〜１２のα，ω−脂肪族ジカルボン酸を７０モル％以上含むカルボン酸とを重合して得られたポリアミド８０〜９６重量％と、（Ｂ）不飽和有機酸を０．５〜５重量％含む不飽和有機酸変性ポリオレフィン２〜１０重量％と、（Ｃ）超高分子量ポリエチレン２〜１０重量％とを含み、（Ｂ）不飽和有機酸変性ポリオレフィンと（Ｃ）超高分子量ポリエチレンとの配合比が（Ｂ）不飽和有機酸変性ポリオレフィン：（Ｃ）超高分子量ポリエチレン＝１：０．５〜１０（重量比）である樹脂成分１００重量部に対して、（Ｄ）ガラス繊維４０〜２５０重量部を配合して得られる樹脂組成物を成形してなることを特徴とする。
【０００８】
メタキシリレンジアミンを主体とするジアミンと炭素数６〜１２のα，ω−脂肪族ジカルボン酸を主体とするジカルボン酸とを重合させて得られるポリアミドに、不飽和有機酸変性ポリオレフィン、超高分子量ポリエチレン及びガラス繊維を所定の割合で配合してなる樹脂組成物であれば、従来のガラス繊維強化ナイロン樹脂組成物に比べて吸湿による寸法変化も小さく、良好な長期強度を有する樹脂製歯車を成形することができる。
【０００９】
即ち、前述の如く、メタキシリレンジアミンを主体とするジアミンと炭素数６〜１２のα，ω−脂肪族ジカルボン酸を主体とするジカルボン酸とを重合させて得られるポリアミドは、吸湿による寸法変化が小さく、樹脂製歯車の寸法安定性に寄与する。また、化学的、熱的、機械的強度の面においても良好な特性を示すが、長期強度の面で問題があった。
【００１０】
このようなポリアミドに超高分子量ポリエチレンを配合することにより、超高分子量ポリエチレンがポリアミド中に島（ドメイン）状に分散し、得られる樹脂製歯車の表面にも存在して滑り剤（潤滑剤）として機能し、樹脂製歯車の摺動性、耐摩耗性の向上に寄与する。
【００１１】
また、不飽和有機酸変性ポリオレフィンは、ポリアミドと超高分子量ポリエチレンとの親和性を高め、超高分子量ポリエチレンの脱落を防止すると共に、不飽和有機酸変性ポリオレフィン自体も樹脂製歯車の耐摩耗性の向上に寄与する。
【００１２】
このようなことから、ポリアミドに超高分子量ポリエチレンと不飽和有機酸変性ポリオレフィンとを配合することにより、樹脂製歯車の摺動性、耐摩耗性が高められ、長期強度が改善される。
【００１３】
本発明において、強化繊維として用いるガラス繊維は、特に、平均残存繊維長が８０〜１０００μｍであることが好ましく、とりわけ、長さ方向に直角な断面における長径と短径との比が１．５〜６：１の非円形断面ガラス繊維であることが好ましい。
【００１４】
【発明の実施の形態】
以下に本発明の樹脂製歯車の実施の形態を詳細に説明する。
【００１５】
本発明で用いる（Ａ）成分のポリアミドは、メタキシリレンジアミンを７０モル％以上含むジアミンと炭素数６〜１２のα，ω−脂肪族ジカルボン酸を７０モル％以上含むジカルボン酸を重合して得られる。ジアミン成分としては、メタキシリレンジアミン単独又はメタキシリレンジアミン７０モル％以上とパラキシリレンジアミン３０モル％以下のキシリレンジアミン混合物を用いる。酸成分としては炭素数６〜１２のα，ω−脂肪族ジカルボン酸、例えばアジピン酸、セバシン酸、スベリン酸、ドデカン二酸、エイコジオン酸等が挙げられ、これらは１種を単独で用いても良く、２種以上の混合物として用いても良い。酸成分としては好ましくはアジピン酸が挙げられる。
【００１６】
（Ａ）成分のポリアミドは、この両成分の重縮合反応によって製造されるものである。なお、このポリアミドは通常のナイロン６等と比較して結晶化が遅いという難点があり、結晶核剤として特開昭５０−６１４４９号公報に記載の少量のタルク、特開昭５１−６３８６０号に記載の少量のナイロン６６、特開平３−５２９５３号公報に記載のモンタン酸塩、モンタン酸エステルもしくはモンタン酸エステル塩、或いは平均粒径１〜１０μｍのタルクを配合してもよい。
【００１７】
（Ａ）成分のポリアミドとしては市販品を用いることもできる。後述の実施例で用いた三菱エンプラ社製「レニー６００２」は、メタキシリレンジアミンと、アジピン酸とを重縮合反応させて得られるポリアミドに、核剤としてナイロン６６及びタルクを配合したものであり、本発明の（Ａ）成分として用いることができる。
【００１８】
本発明の（Ｂ）成分の不飽和有機酸変性ポリオレフィンとは、例えばポリエチレン、ポリプロピレン又はこれらの誘導体等を不飽和有機酸で変性したポリオレフィンであり、特に、密度０．９４１〜０．９６５の高密度ポリエチレンを不飽和有機酸で変性したものが好ましい。不飽和有機酸としては、フマル酸、マレイン酸、ナディック酸、テトラヒドロフタル酸、メタクリル酸、アクリル酸等、或いはこれらの無水物が挙げられる。高密度ポリエチレンの密度がこの範囲よりも低いと摺動性の改善効果が十分でない場合があり、この範囲よりも高いと、成形収縮が大きくなって寸法精度が悪くなる恐れがある。変性に用いる不飽和有機酸の濃度は得られる不飽和有機酸変性ポリオレフィン中の含有量で０．５〜５重量％とする。変性処理方法としては過酸化物系開始剤の存在下での溶液反応、又は溶融押出での混練による反応が挙げられる。
【００１９】
樹脂成分中の（Ｂ）成分の不飽和有機酸変性ポリオレフィンの配合量が少ないと不飽和有機酸変性ポリオレフィンの配合効果を十分に得ることはできず、多いと寸法精度が低下する恐れがあることから、樹脂成分中の（Ｂ）成分の配合割合は２〜１０重量％とする。
【００２０】
本発明の（Ｃ）成分の超高分子量ポリエチレンは、ＩＳＯ１６２８−３：１９９１（１３５℃のデカリン溶液中）で測定した極限粘度が６〜４０ｄｌ／ｇ、好ましくは１０〜３０ｄｌ／ｇであるようなポリエチレンである。
【００２１】
樹脂成分中の（Ｃ）成分の超高分子量ポリエチレンの配合量が少ないと超高分子量ポリエチレンの配合効果を十分に得ることができず、多いと流動性が低下し、かつポリアミドとの親和性不良により成形性が低下することから、樹脂成分中の（Ｃ）成分の配合割合は２〜１０重量％とする。
【００２２】
なお、本発明に係る樹脂成分は、上記配合割合で（Ｂ）成分の不飽和有機酸変性ポリオレフィンと（Ｃ）成分の超高分子量ポリエチレンとを含有し、残部は実質的に（Ａ）成分のポリアミドよりなるが、樹脂成分中には、本発明の目的を損なわない範囲で、結晶化促進のため、タルク、シリカ、マイカ等の無機質充填剤を（Ａ）成分に対して０．５〜５重量％程度、また（Ａ）成分とは異なり（Ａ）成分と比較して１０℃以上、好ましくは１５℃以上融点の高い結晶性熱可塑性樹脂好ましくはポリアミド（例えばポリアミド６６）を（Ａ）成分に対して１〜１５重量％程度配合するのが良い。
【００２３】
樹脂成分中の（Ｂ）成分の不飽和有機酸変性ポリオレフィンと（Ｃ）成分の超高分子量ポリエチレンとの配合比は、これらの再成分を配合することによる効果を十分に得るために、（Ｂ）成分の不飽和有機酸変性ポリオレフィン：（Ｃ）成分の超高分子量ポリエチレン＝１：０．５〜１０（重量比）とする。これらの合計の配合割合は４〜２０重量％であることが好ましい。
【００２４】
本発明の（Ｄ）成分のガラス繊維は一般に樹脂強化用として使用されているものであれば良く、特に制限はないが、通常は３ｍｍ程度の長さを有するチョップドストランドが用いられる。
【００２５】
長期強度に優れた樹脂製歯車を作製するためには、樹脂製歯車中の平均残存繊維長（測定法は後述）は８０〜１０００μｍであることが好ましく、１００〜５００μｍであることが特に好ましい。ガラス繊維の平均残存繊維長が８０μｍ未満では、得られる歯車の長期強度が実現せず、１０００μｍを超えると成形品表面へのガラス繊維の突出等により、歯車の寸法精度が低下する。歯車の平均残存繊維長を上記の範囲にするためには、ガラス繊維の長さ方向の断面の面積は、７×１０^−５〜５×１０^−４ｍｍ^２が好ましい。
【００２６】
（Ｄ）成分のガラス繊維の繊維長さ方向に直角な断面における形状は円形であっても良いが、長径と短径との比が１．５〜６：１程度の非円形、例えば楕円、長円、繭型等の非円形断面形状であることが好ましい。このような非円形断面のガラス繊維であれば、円形断面のガラス繊維よりも比表面積が大きくなり、繊維と樹脂との密着性が向上して補強効果が高められ、得られる歯車の長期強度が改善される。
【００２７】
このような（Ｄ）成分のガラス繊維の配合割合は、前述の樹脂成分１００重量部に対して４０〜２５０重量部とする。この範囲よりもガラス繊維が少ないと十分な補強効果が得られず、多いと成形性が損なわれる。ガラス繊維の好ましい配合量は、前述の樹脂成分１００重量部に対して６０〜２００重量部である。
【００２８】
本発明で成形材料となる樹脂組成物を調製する方法としては特に制限はなく、例えば、（Ａ）〜（Ｄ）成分の所定量を十分に混合し、これを押出機にて混練し、ストランド状に押し出し、ストランドカッターにてペレット化する等の方法を採用することができる。この場合、（Ｄ）成分のガラス繊維は、歯車の平均残存繊維長を確保するため、押出機の途中からサイドフィードする等の方法で供給することが好ましい。
【００２９】
なお、本発明に係る樹脂組成物には、必要に応じて、スチレン系樹脂、ポリカーボネート系樹脂、ポリブチレンテレフタレート、ポリエチレンテレフタレート等のポリエステル系樹脂、ナイロン４６、１１、１２、６、６／６Ｔ、６／６Ｉ等のポリアミド系樹脂、ポリフェニレンスルフィド系樹脂、ポリスルフォン、ポリエーテルスルフォン、ポリフェニレンエーテル、ポリエーテルエーテルケトン等の熱可塑性樹脂；炭素繊維、シリカ繊維、シリカ・アルミナ繊維、チタン酸カリウム繊維、ほう酸アルミニウム繊維、ステンレス繊維、アルミニウム繊維等の無機繊維状強化材；アラミド繊維、ポリイミド繊維、フッ素樹脂繊維等の有機繊維状強化材；タルク、炭酸カルシウム、マイカ、ガラスビーズ、ガラスパウダー、ガラスバルーン等の無機充填剤；フッ素樹脂パウダー、黒鉛、二硫化モリブデン等の固体潤滑剤；パラフィンオイル等の可塑剤；酸化防止剤；熱安定剤；光安定剤；紫外線吸収剤；中和剤；滑剤；相溶化剤；防曇剤；アンチブロッキング剤；スリップ剤；分散剤；着色剤；防菌剤；蛍光増白剤等といった各種添加剤を加えることもできる。
【００３０】
本発明の樹脂製歯車の成形方法としては、押出成形法、射出成形法、射出圧縮成形法などが挙げられるが、中でも射出成形法がコストの面で望ましい。
【００３１】
【実施例】
以下に実施例及び比較例を挙げて本発明をより具体的に説明する。
【００３２】
なお、以下の実施例及び比較例で成形材料として用いた各成分の仕様は下記の通りである。
（Ａ）成分
ポリアミド：三菱エンプラ社製「レニー６００２」
（Ｂ）成分
無水マレイン酸変性高密度ポリエチレン：密度０．９４５ｇ／ｃｍ^３の高密度ポリエチレンを無水マレイン酸と押出機中で溶融反応させて得た、無水マレイン酸濃度０．８重量％、ＭＦＲ０．８ｇ／１０ｍｉｎの変性ポリエチレン
（Ｃ）成分
超高分子量ポリエチレン：極限粘度１４ｄｌ／ｇ、密度０．９４ｇ／ｃｍ^３
（Ｄ）成分
ガラス繊維Ａ：日東紡績社製「ＣＳＨ３ＰＡ−８７０Ｓ」
繭型断面
断面積；１．８×１０^−４ｍｍ^２
長径；約２０μｍ，短径；約１０μｍ
長径／短径の比；約２
ガラス繊維Ｂ：日本電気硝子社製「ＥＣＳ０３Ｔ−２８９Ｋ」
円型断面
断面積；１．３×１０^−４ｍｍ^２
繊維直径；１３μｍ
長径／短径の比；１
【００３３】
実施例１〜３、比較例１〜５
表１に示す成分（Ａ）〜（Ｃ）を予めブレンドし、２軸押出機にて溶融混練し、成分（Ｄ）のガラス繊維はサイドフィーダーから投入してペレット状の樹脂組成物を得た。混練温度は２６０℃とした。
【００３４】
得られた樹脂のペレットを射出成形機（アーブルグ社製「オールラウンダー７５０−２１０−３２０Ｄ」）の直径１ｍｍのゲート３点から射出成形し、シリンダー温度：２６０℃、金型温度：１２０℃、保持圧：４０％で３秒間かけて下記の評価用歯車を成形した。
［評価用歯車］
歯車形状：平歯車
歯外径：４２ｍｍ
歯数：４０枚
モジュール：１
圧力角：２０°
ねじれ角：０°
ピッチ：円直径
歯幅：５ｍｍ
【００３５】
得られた評価用歯車につき、下記の特性評価試験を行い、結果を表１に示した。
［歯車長期強度試験］
評価用歯車を駆動側に、相手歯車を従動側に固定し、従動側を２００ｒｐｍで回転させ、従動側に３０ｋｇ・ｃｍの負荷トルクを加え、評価用歯車が破壊するまでの噛合回数を測定した。なお、相手歯車としては、材質は金属、形状は平歯車、歯数４０枚、モジュール１、圧力角２０°、ねじれ角０°、ピッチ円直径、歯幅１０ｍｍのものを用いた。
［平均残存繊維長］
評価用歯車の中から約１ｇの試験片を切り出し、高周波加熱電気炉にて７００℃で１５分間加熱して灰化し、光学顕微鏡写真を撮り、繊維２００本を抽出測定し、その平均値を求めた。
【００３６】
【表１】

【００３７】
表１より、メタキシリレンジアミンを主体とするジアミンとα，ω−脂肪族ジカルボン酸を主体とするジカルボン酸とを重合してなるポリアミドに、不飽和有機酸変性ポリオレフィン、超高分子量ポリエチレン及びガラス繊維を配合してなる樹脂組成物を成形してなる本発明の樹脂製歯車は、良好な長期強度を示すことが明らかである。
【００３８】
【発明の効果】
以上詳述した通り、本発明によれば、形状ないし寸法精度とその安定性に優れると共に、高強度で長期強度にも優れた樹脂製歯車が提供される。
本発明の樹脂製歯車は、優れた機械的性質、寸法安定性を有するため、電気機器、自動車、その他一般機器において、強度と寸法精度、更には耐久性が要求されるような樹脂製歯車として極めて有用である。

Claims

（Ａ）メタキシリレンジアミンを７０モル％以上含むジアミンと、炭素数６〜１２のα，ω−脂肪族ジカルボン酸を７０モル％以上含むカルボン酸とを重合して得られたポリアミド８０〜９６重量％と、
（Ｂ）不飽和有機酸を０．５〜５重量％含む不飽和有機酸変性ポリオレフィン２〜１０重量％と、
（Ｃ）超高分子量ポリエチレン２〜１０重量％とを含み、
（Ｂ）不飽和有機酸変性ポリオレフィンと（Ｃ）超高分子量ポリエチレンとの配合比が（Ｂ）不飽和有機酸変性ポリオレフィン：（Ｃ）超高分子量ポリエチレン＝１：０．５〜１０（重量比）である樹脂成分１００重量部に対して、
（Ｄ）ガラス繊維４０〜２５０重量部を配合して得られる樹脂組成物を成形してなる樹脂製歯車。
請求項１において、（Ｄ）ガラス繊維の平均残存繊維長が８０〜１０００μｍである樹脂製歯車。
請求項１又は２において、（Ｄ）ガラス繊維が、長さ方向に直角な断面における長径と短径との比が１．５〜６：１の非円形断面ガラス繊維である樹脂製歯車。