JP5150924B2

JP5150924B2 - カーエアコン用軸シール材

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Publication number: JP5150924B2
Application number: JP2009066221A
Authority: JP
Inventors: 修小林; 英幸村上; 崇行加藤; 尚也横町; 正和村瀬
Original assignee: Toyota Industries Corp; Eagle Industry Co Ltd
Current assignee: Toyota Industries Corp; Eagle Industry Co Ltd
Priority date: 2009-03-18
Filing date: 2009-03-18
Publication date: 2013-02-27
Anticipated expiration: 2029-03-18
Also published as: JP2010216612A

Description

本発明は、カーエアコン用軸シール材に関し、さらに詳しくは、優れた耐変形性および耐摩耗性を維持しつつ、しかも密封性に優れる組成物を用いてなるカーエアコン用軸シール材に関する。

自動車のエンジンや変速機、エアコンなどの空調機、冷凍機などの摺動部には、密封用部材として軸シール材が用いられている。このような軸シール材は、高ＰＶ値の環境下やＣＯ_２などのガス雰囲気下といった過酷な環境におかれる。このような過酷な環境下であっても、密封している流体の漏れを低減し、かつ、耐変形性および耐摩耗性に優れることが求められる。

ポリテトラフルオロエチレン（ＰＴＦＥ）は、非常に低い摩擦係数を示すため、たとえば、コンプレッサーの軸シール材として用いられている。

しかしながら、カーエアコンなどの過酷な環境下で使用されるコンプレッサーの軸シール材にＰＴＦＥを適用すると、コンプレッサー内の圧力による曲げ（変形）が生じてしまうことがあり、耐変形性が十分ではなかった。また、耐摩耗性も十分ではなかった。

このような問題を解決するために、たとえば、特許文献１〜３では、ＰＴＦＥに、カーボンビーズ、シリカ、炭素繊維、コークス粉などの充填材を含有させた材料が提案されている。しかしながら、これらの材料では、耐変形性、耐摩耗性および密封性は十分ではなかった。

また、特許文献４では、変性させたＰＴＦＥに、炭素繊維を含有させた材料が提案されている。しかしながら、この材料では、耐変形性、耐摩耗性および密封性の全てを良好にすることはできなかった。

特開２００１−２９４７２０号公報特許第３７５０５９０号公報特開２００６−１７６５４４号公報特開２００３−４１０８３号公報

本発明は、このような実状に鑑みてなされ、その目的は、優れた耐変形性および耐摩耗性を維持しつつ、しかも密封性を向上させることができる組成物を用いてなるカーエアコン用軸シール材を提供することである。

上記目的を達成するために、本発明に係るカーエアコン用軸シール材は、
変性ポリテトラフルオロエチレンを６０〜９０重量％、
平均繊維径が５〜３０μｍ、平均繊維長さが２０〜６０μｍである第１炭素繊維を１０〜３０重量％、
平均繊維径が５〜３０μｍ、平均繊維長さが９０〜２００μｍである第２炭素繊維を１〜１０重量％含有し、
前記第１炭素繊維および第２炭素繊維が、ランダム構造を有するピッチ系炭素繊維であるポリテトラフルオロエチレン組成物を用いてなる。

本発明においては、変性させたポリテトラフルオロエチレン（ＰＴＦＥ）と、上記のような特定の構造を有し、かつ平均繊維長さが異なる炭素繊維とを、特定の割合で含有させたＰＴＦＥ組成物を得ている。このＰＴＦＥ組成物は、優れた耐変形性および耐摩耗性を示し、しかも密封性をも向上させることができる。

本発明に係るカーエアコン用軸シール材は、上記のＰＴＦＥ組成物を用いてなる軸シール材であり、特にカーエアコンのＣＯ_２コンプレッサー用軸シール材として好適である。さらには、高温、高圧、高速等の過酷な環境下における超臨界抽出用装置や高ＰＶ域における軸シール材としても好適である。

本発明では、変性ＰＴＦＥを含有させ、さらに、特定の構造を有し、平均繊維長さで区別された炭素繊維を特定量含有させることによってのみ、所望の特性を有するＰＴＦＥ組成物が得られる。

このＰＴＦＥ組成物を用いてなる軸シール材は、摺動面に存在する炭素繊維が脱落することなく摩耗するため、耐摩耗性に優れている。また、圧力による変形が抑制されており、耐変形性が向上する。しかも、摺動面における面粗さが小さいため良好な密封性を示し、密封流体の漏洩を抑制することができる。そのため、高ＰＶ値の環境下での摺動やＣＯ_２などのガス雰囲気下などの過酷な条件下で使用されるカーエアコン用軸シール材として好適である。

以下、本実施形態のカーエアコン用軸シール材を構成するポリテトラフルオロエチレン（ＰＴＦＥ）組成物に含有される各成分について説明する。

変性ポリテトラフルオロエチレン
本実施形態において、変性ポリテトラフルオロエチレン（変性ＰＴＦＥ）としては、テトラフルオロエチレンと共重合が可能なフッ素を含む単量体により変性されたものであれば特に制限されない。このような単量体としては、たとえば、ヘキサフルオロプロピレンなどの炭素数３〜６個のパーフルオロアルケン、パーフルオロ（プロピルビニルエーテル）などのアルキル基の炭素数が１〜６個のパーフルオロ（アルキルビニルエーテル）、クロロトリフルオロエチレン、パーフルオロ（エトキシトリフルオロエチレン）などが挙げられる。非変性のＰＴＦＥではなく、変性ＰＴＦＥを用いることで、所望の特性を得ることができる。

また、単量体の含有量は、変性ＰＴＦＥ全体に対して、０．０１〜１重量％であることがより好ましい。単量体の含有量が多すぎると、引張り強度、耐クラック性が低下し、コスト上不利となる傾向にあり、単量体の含有量が少なすぎると、所望の特性が得られない傾向にある。

変性ＰＴＦＥの含有量は、ＰＴＦＥ組成物全体に対して、６０〜９０重量％、好ましくは６４〜８６重量％である。変性ＰＴＦＥの含有量が少なすぎると、密封性が悪化し、所望の特性が得られない傾向にある。逆に、含有量が多すぎると、耐摩耗性や耐変形性が悪化する傾向にある。

炭素繊維
本実施形態では、炭素繊維として、ランダム構造を有するピッチ系炭素繊維を用いている。炭素繊維には、主に、ピッチ系炭素繊維とＰＡＮ系炭素繊維とがある。しかしながら、ＰＡＮ系炭素繊維を用いた場合には、耐摩耗性および密封性が悪化するので好ましくない。

また、ピッチ系炭素繊維であっても、ランダム構造以外の構造を有するピッチ系炭素繊維を用いると、耐摩耗性および密封性が悪化するので好ましくない。

本実施形態では、さらに、上記のランダム構造を有するピッチ系炭素繊維を、平均繊維長さを基準として、第１炭素繊維と第２炭素繊維とに分けている。すなわち、第１炭素繊維は、平均繊維径が５〜３０μｍ、平均繊維長さが２０〜６０μｍであるピッチ系炭素繊維（ランダム構造）である。また、第２炭素繊維は、平均繊維径が５〜３０μｍ、平均繊維長さが９０〜２００μｍであるピッチ系炭素繊維（ランダム構造）である。

第１炭素繊維は、耐摩耗性を向上させ、また、摺動面粗さを小さくすることで、密封性を向上させる効果を有するが、圧力に対する曲げ（変形）が大きくなり、耐変形性が悪化する傾向にある。一方、第２炭素繊維は、圧力に対する曲げ（変形）を抑制し、耐変形性を向上させる効果を有するが、摺動面粗さが大きくなり、密封性が悪化する傾向にあるとともに、伸びが悪化する傾向にある。

したがって、特定構造かつ特定の繊維長さを有する炭素繊維を組み合わせることで初めて、相反する耐変形性、耐摩耗性および密封性の全てを良好にすることができる。

本実施形態では、ＰＴＦＥ組成物全体において、相反する効果を有する第１炭素繊維と第２炭素繊維との含有割合を制御することで、耐変形性および耐摩耗性を良好に維持しつつ、密封性をも良好にすることができる。具体的には、ＰＴＦＥ組成物全体に対して、第１炭素繊維が１０〜３０重量％、好ましくは１２〜２８重量％、第２炭素繊維が１〜１０重量％、好ましくは２〜８重量％である。

第１炭素繊維の含有量が多すぎると、耐変形性が悪化する傾向にある。逆に、少なすぎると、密封性が悪化する傾向にある。

また、第２炭素繊維の含有量が多すぎると、密封性が悪化する傾向にある。逆に、少なすぎると、耐変形性および耐摩耗性が悪化する傾向にある。

その他の添加剤
本実施形態のＰＴＦＥ組成物は、その他必要に応じてガラス繊維、黒鉛、カーボンビーズ、コークス粉、二硫化モリブデン、ブロンズ粉末などの添加剤を含有してもよい。

上記のＰＴＦＥ組成物を調製する方法としては、上記の変性ＰＴＦＥおよび炭素繊維を、公知の混合方法、たとえば、ヘンシェルミキサーなどを用いた方法により、混合すればよい。

そして、混合後のＰＴＦＥ組成物を、圧縮成形などの成形法により成形し、成形体を３６０〜３９０℃で２〜４時間焼成する。得られた焼成体を、切削加工等により加工することで所望の軸シール材とすることができる。

以下、本発明を、さらに詳細な実施例に基づき説明するが、本発明は、これら実施例に限定されない。

実施例１
まず、変性ポリテトラフルオロエチレン（変性ＰＴＦＥ）として三井デュポンフロロケミカル製（７０−Ｊ）：７９重量％、第１炭素繊維として呉羽工業化学製ピッチ系炭素繊維（ランダム構造、平均繊維径：１５μｍ、平均繊維長さ：４０μｍ）：１６重量％、第２炭素繊維として呉羽工業化学製ピッチ系炭素繊維（ランダム構造、平均繊維径：１５μｍ、平均繊維長さ：１００μｍ）：５重量％を配合した。これを、ヘンシェルミキサーにてブレンドした後、７０ＭＰａで圧縮成形し、成形体を３９０℃、３時間の条件で焼成した。得られた焼成体を、切削加工により、軸用リップシールに加工した。
なお、第１炭素繊維は、平均繊維長さが１００μｍである呉羽工業化学製ピッチ系炭素繊維を、篩目開き３８μｍの篩を用いて、平均繊維長さを４０μｍに調製したものである。

得られたリップシールを用いて、以下に示す回転試験を行い、耐変形性、耐摩耗性および密封性を評価した。耐変形性は、試験後のリップシールを目視にて観察し、変形していないものを「○」、変形が生じたものを「×」とし、耐摩耗性は、試験後のリップシール断面を観察して求めたリップ摩耗深さとし、密封性は試験開始から試験終了までのシール部からのオイル漏れ量とした。結果を表１に示す。

回転試験
得られたリップシールに対して、密封流体としてコンプレッサー用オイル（ＰＡＧオイル）を用いて、周速：５ｍ／ｓｅｃ、流体圧力：５ＭＰａ（ＣＯ_２ガスで加圧）、流体温度：１７０℃、試験時間：４０時間の条件下で、回転試験を行った。

実施例２〜５
第１炭素繊維および第２炭素繊維の含有量を表１に示す量とした以外は、実施例１と同様にして、ＰＴＦＥ組成物を調製・成形し、軸用リップシールを得て、実施例１と同様にして評価を行った。結果を表１に示す。

比較例１
変性ＰＴＦＥに代えて、変性していないＰＴＦＥ（三井デュポンフロロケミカル製（７−Ｊ））を用いた以外は、実施例１と同様にして、ＰＴＦＥ組成物を調製・成形し、軸用リップシールを得て、実施例１と同様にして評価を行った。結果を表１に示す。

比較例２〜５
第１炭素繊維および第２炭素繊維の含有量を表１に示す量とした以外は、実施例１と同様にして、ＰＴＦＥ組成物を調製・成形し、軸用リップシールを得て、実施例１と同様にして評価を行った。結果を表１に示す。なお、比較例２においては、第２炭素繊維が含有されておらず、比較例３においては、第１炭素繊維が含有されていない。

比較例６〜８
比較例６では、第１炭素繊維に代えて、呉羽工業化学製ピッチ系炭素繊維（ランダム構造、平均繊維径：１５μｍ、平均繊維長さ：９０μｍ）を用い、比較例７では、第２炭素繊維に代えて、大阪ガスケミカル製ピッチ系炭素繊維（ランダム構造、平均繊維径：１３μｍ、平均繊維長さ：３７０μｍ）を用い、比較例８では、第１炭素繊維に代えて上記の呉羽工業化学製ピッチ系炭素繊維、第２炭素繊維に代えて上記の大阪ガスケミカル製ピッチ系炭素繊維を用いた以外は、実施例１と同様にして、ＰＴＦＥ組成物を調製・成形し、軸用リップシールを得て、実施例１と同様にして評価を行った。結果を表２に示す。

比較例９〜１１
比較例９では、第１炭素繊維に代えて三菱化学産資製ピッチ系炭素繊維（ラジアル構造、平均繊維径：１１μｍ、平均繊維長さ：５０μｍ）を用い、比較例１０では、第２炭素繊維に代えて三菱化学産資製ピッチ系炭素繊維（ラジアル構造、平均繊維径：１１μｍ、平均繊維長さ：１５０μｍ）を用い、比較例１１では、第１炭素繊維に代えて上記の三菱化学産資製ピッチ系炭素繊維、第２炭素繊維に代えて上記の三菱化学産資製ピッチ系炭素繊維を用いた以外は、実施例１と同様にして、ＰＴＦＥ組成物を調製・成形し、軸用リップシールを得て、実施例１と同様にして評価を行った。結果を表２に示す。

比較例１２〜１４
比較例１２では、第１炭素繊維に代えて東レ製ＰＡＮ系炭素繊維（平均繊維径：７μｍ、平均繊維長さ：３０μｍ）を用い、比較例１３では、第２炭素繊維に代えて東レ製ＰＡＮ系炭素繊維（平均繊維径：７μｍ、平均繊維長さ：１３０μｍ）を用い、比較例１４では、第１炭素繊維に代えて上記の東レ製ＰＡＮ系炭素繊維、第２炭素繊維に代えて上記の東レ製ＰＡＮ系炭素繊維を用いた以外は、実施例１と同様にして、ＰＴＦＥ組成物を調製・成形し、軸用リップシールを得て、実施例１と同様にして評価を行った。結果を表２に示す。

比較例１５〜１７
比較例１５では、第１炭素繊維および第２炭素繊維に代えてオリエンタル産業製石炭コークス（平均粒径：７０μｍ）を用い、比較例１６では、第１炭素繊維および第２炭素繊維に代えて日本黒鉛製人造黒鉛（平均粒径：３０μｍ）、比較例１７では、第１炭素繊維および第２炭素繊維に代えて三井鉱山製カーボンビーズ（平均粒径：１０μｍ）を用いた以外は、実施例１と同様にして、ＰＴＦＥ組成物を調製・成形し、軸用リップシールを得て、実施例１と同様にして評価を行った。結果を表２に示す。

評価
表１より、変性ＰＴＦＥと、本発明により規定された炭素繊維が、本発明の範囲内で含有されている場合（実施例１〜５）、耐変形性、耐摩耗性および密封性の全てが良好であることが確認できる。

これに対し、非変性のＰＴＦＥを用いた場合（比較例１）、あるいは炭素繊維の含有量や平均繊維長さが本発明の範囲外である場合（比較例２〜８）、耐変形性、耐摩耗性および密封性の全てを良好にすることができないことが確認できる。特に、比較例２の試料以外は、第１炭素繊維の含有量または平均繊維長さが適切ではないため、摺動面の面粗さが大きくなってしまい、その結果、密封性に劣っている。

また、炭素繊維として、ランダム構造を有さないピッチ系炭素繊維、あるいはＰＡＮ系炭素繊維を用いた場合（比較例９〜１４）も、耐摩耗性および密封性に劣っていることが確認できる。

さらに、炭素成分として、コークス粉等を含有させた場合（比較例１５〜１７）、耐変形性、耐摩耗性および密封性の全てについて劣っていることが確認できる。

Claims

変性ポリテトラフルオロエチレンを６０〜９０重量％、
平均繊維径が５〜３０μｍ、平均繊維長さが２０〜６０μｍである第１炭素繊維を１０〜３０重量％、
平均繊維径が５〜３０μｍ、平均繊維長さが９０〜２００μｍである第２炭素繊維を１〜１０重量％含有し、
前記第１炭素繊維および第２炭素繊維が、ランダム構造を有するピッチ系炭素繊維であるポリテトラフルオロエチレン組成物を用いてなるカーエアコン用軸シール材。