JP5546556B2 - Dynamic seal member - Google Patents

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JP5546556B2 JP2011547228A JP2011547228A JP5546556B2 JP 5546556 B2 JP5546556 B2 JP 5546556B2 JP 2011547228 A JP2011547228 A JP 2011547228A JP 2011547228 A JP2011547228 A JP 2011547228A JP 5546556 B2 JP5546556 B2 JP 5546556B2
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    • C09K3/1006Materials in mouldable or extrudable form for sealing or packing joints or covers characterised by the chemical nature of one of its constituents
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    • CCHEMISTRY; METALLURGY
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    • C09K2200/06Macromolecular organic compounds, e.g. prepolymers
    • C09K2200/0692Fibres

Description

本発明は、動的シール部材に関する。   The present invention relates to a dynamic seal member.

本発明者等が先に提案した炭素繊維複合材料の製造方法によれば、エラストマーを用いることで、これまで困難とされていたカーボンナノファイバーの分散性を改善し、エラストマーにカーボンナノファイバーを均一に分散させることができた(例えば、特開2005−97525号公報参照)。このような炭素繊維複合材料の製造方法によれば、エラストマーとカーボンナノファイバーを混練し、剪断力によって凝集性の強いカーボンナノファイバーの分散性を向上させている。より具体的には、エラストマーとカーボンナノファイバーとを混合すると、粘性を有するエラストマーがカーボンナノファイバーの相互に侵入し、かつ、エラストマーの特定の部分が化学的相互作用によってカーボンナノファイバーの活性の高い部分と結合し、この状態で、分子長が適度に長く、分子運動性の高い(弾性を有する)エラストマーとカーボンナノファイバーとの混合物に強い剪断力が作用すると、エラストマーの変形に伴ってカーボンナノファイバーも移動し、さらに剪断後の弾性によるエラストマーの復元力によって、凝集していたカーボンナノファイバーが分離されて、エラストマー中に分散していた。このように、マトリックスへのカーボンナノファイバーの分散性を向上させることで、高価なカーボンナノファイバーを効率よく複合材料のフィラーとして用いることができるようになった。
また、本発明者等が先に提案した耐熱シール材によれば、3元系の含フッ素エラストマーに平均直径が30nmを超え200nm以下の気相成長炭素繊維と、平均粒径が25nm〜500nmのカーボンブラックを配合して、耐熱性に優れたシール材であった(例えば、国際公開WO/2009/125503A1公報参照)。
According to the method for producing a carbon fiber composite material previously proposed by the present inventors, by using an elastomer, the dispersibility of the carbon nanofiber, which has been considered difficult so far, is improved, and the carbon nanofiber is uniformly distributed in the elastomer. (See, for example, JP-A-2005-97525). According to such a method for producing a carbon fiber composite material, an elastomer and carbon nanofibers are kneaded, and dispersibility of carbon nanofibers having high cohesiveness is improved by shearing force. More specifically, when the elastomer and the carbon nanofiber are mixed, the viscous elastomer penetrates into the carbon nanofiber, and a specific part of the elastomer has high activity of the carbon nanofiber due to chemical interaction. In this state, when a strong shearing force is applied to a mixture of an elastomer having high molecular mobility (elasticity) and carbon nanofibers, the carbon nanofibers are deformed as the elastomer is deformed. The fibers also moved, and the aggregated carbon nanofibers were separated and dispersed in the elastomer by the restoring force of the elastomer due to elasticity after shearing. Thus, by improving the dispersibility of the carbon nanofibers in the matrix, expensive carbon nanofibers can be used efficiently as fillers for composite materials.
Further, according to the heat-resistant sealing material previously proposed by the present inventors, a vapor-grown carbon fiber having an average diameter of more than 30 nm and not more than 200 nm and a mean particle diameter of 25 nm to 500 nm are added to the ternary fluorine-containing elastomer. Carbon black was blended to provide a sealing material with excellent heat resistance (see, for example, International Publication WO / 2009 / 125503A1).

本発明の目的は、耐熱性及び耐摩耗性に優れた動的シール部材を提供することにある。   An object of the present invention is to provide a dynamic seal member excellent in heat resistance and wear resistance.

本発明にかかる動的シール部材は、
3元系の含フッ素エラストマー(FKM)に対し、カーボンナノファイバーを含み、
前記カーボンナノファイバーは、平均直径が10nm〜20nmのカーボンナノファイバーもしくは平均直径が60nm〜110nmであって低温熱処理したカーボンナノファイバーであり、
前記平均直径が60nm〜110nmであって低温熱処理したカーボンナノファイバーは、ラマン散乱分光法によって測定される1600cm−1付近のピーク強度Gに対する1300cm−1付近のピーク強度Dの比(D/G)が1.25を超えかつ1.6未満であり、
200℃、最大引張応力2.5N/mm、周波数1Hzの引張疲労試験における破断回数が10回以上である。
The dynamic sealing member according to the present invention is
For ternary fluorine-containing elastomer (FKM), carbon nanofibers are included,
The carbon nanofibers are carbon nanofibers having an average diameter of 10 nm to 20 nm or carbon nanofibers having an average diameter of 60 nm to 110 nm and heat-treated at a low temperature,
Carbon nanofibers which the average diameter was low-temperature heat treatment a 60nm~110nm, the ratio of the peak intensity D of around 1300 cm -1 to the peak intensity G of around 1600 cm -1 measured by Raman scattering spectroscopy (D / G) Is greater than 1.25 and less than 1.6;
The number of breaks in a tensile fatigue test at 200 ° C., a maximum tensile stress of 2.5 N / mm, and a frequency of 1 Hz is 10 times or more.

本発明にかかる動的シール部材において、
前記3元系の含フッ素エラストマー(FKM)100質量部に対し、平均直径が10nm〜20nmのカーボンナノファイバー0.5質量部〜30質量部と、平均粒径5nm〜300nmの充填剤0質量部〜50質量部と、を含み、
前記カーボンナノファイバーと前記充填剤の配合量は、下記式(1)及び(2)を満たすことができる。
In the dynamic sealing member according to the present invention,
With respect to 100 parts by mass of the ternary fluorine-containing elastomer (FKM), 0.5 part by mass to 30 parts by mass of carbon nanofibers having an average diameter of 10 nm to 20 nm and 0 part by mass of a filler having an average particle diameter of 5 nm to 300 nm ~ 50 parts by mass,
The compounding quantity of the said carbon nanofiber and the said filler can satisfy | fill following formula (1) and (2).

Wt=0.09W1+W2 (1)
5≦Wt≦30 (2)
W1:充填剤の配合量(質量部)
W2:カーボンナノファイバーの配合量(質量部)。
Wt = 0.09W1 + W2 (1)
5 ≦ Wt ≦ 30 (2)
W1: Blending amount of filler (parts by mass)
W2: Compounding amount (parts by mass) of carbon nanofibers.

本発明にかかる動的シール部材において、
前記3元系の含フッ素エラストマー(FKM)100質量部に対し、平均直径が60nm〜110nmであって低温熱処理したカーボンナノファイバー4質量部〜30質量部と、平均粒径5nm〜300nmの充填剤0質量部〜60質量部と、を含み、
前記カーボンナノファイバーと前記充填剤の配合量は、下記式(3)及び(4)を満たすことができる。
In the dynamic sealing member according to the present invention,
4 parts by mass to 30 parts by mass of carbon nanofibers having an average diameter of 60 nm to 110 nm and low-temperature heat treatment, and a filler having an average particle diameter of 5 nm to 300 nm with respect to 100 parts by mass of the ternary fluorine-containing elastomer (FKM) 0 parts by mass to 60 parts by mass,
The compounding quantity of the said carbon nanofiber and the said filler can satisfy | fill following formula (3) and (4).

Wt=0.1W1+W2 (3)
10≦Wt≦30 (4)
W1:充填剤の配合量(質量部)
W2:カーボンナノファイバーの配合量(質量部)。
Wt = 0.1W1 + W2 (3)
10 ≦ Wt ≦ 30 (4)
W1: Blending amount of filler (parts by mass)
W2: Compounding amount (parts by mass) of carbon nanofibers.

本発明にかかる動的シール部材において、
前記動的シール部材の硬度が80未満であり、
200℃、最大引張応力2N/mm、周波数1Hzの引張疲労試験における破断回数が50回以上であることができる。
In the dynamic sealing member according to the present invention,
The dynamic seal member has a hardness of less than 80;
The number of breaks in a tensile fatigue test at 200 ° C., a maximum tensile stress of 2 N / mm, and a frequency of 1 Hz can be 50 times or more.

本発明にかかる動的シール部材において、
前記動的シール部材の硬度が80以上であり、
200℃、最大引張応力2N/mm、周波数1Hzの引張疲労試験における破断回数が300回以上であることができる。
In the dynamic sealing member according to the present invention,
The dynamic sealing member has a hardness of 80 or more,
The number of breaks in a tensile fatigue test at 200 ° C., a maximum tensile stress of 2 N / mm, and a frequency of 1 Hz can be 300 times or more.

本発明にかかる動的シール部材において、
25℃の高圧摩耗試験における摩耗量Waが0.010cm/N・m〜0.070cm/N・mであり、
前記摩耗量Waは、下記式(5)を満たすことができる。
In the dynamic sealing member according to the present invention,
Wear amount Wa in the high-pressure wear test 25 ° C. is 0.010cm 3 / N · m~0.070cm 3 / N · m,
The wear amount Wa can satisfy the following formula (5).

Wa=(g−g)/(P・L・d) (5)
:摩耗前の試験片の質量(g)
:摩耗後の試験片の質量(g)
P:おもりの設定荷重(N)
L:摩耗距離(m)
d:比重(g/cm)。
Wa = (g 2 −g 1 ) / (P · L · d) (5)
g 1 : Mass of the test piece before wear (g)
g 2 : Mass of the test piece after wear (g)
P: Set weight of weight (N)
L: Wear distance (m)
d: Specific gravity (g / cm 3 ).

本発明にかかる動的シール部材において、
前記動的シール部材は、油田装置に用いられることができる。
In the dynamic sealing member according to the present invention,
The dynamic seal member can be used in an oil field device.

本発明にかかる動的シール部材において、
前記油田装置は、坑井内において検層を行う検層装置であることができる。
In the dynamic sealing member according to the present invention,
The oil field device may be a logging device that performs logging in a well.

本発明にかかる動的シール部材において、
前記動的シール部材は、前記油田装置内に配置された無端状のシール部材であることができる。
In the dynamic sealing member according to the present invention,
The dynamic seal member may be an endless seal member disposed in the oil field device.

本発明にかかる動的シール部材において、
前記動的シール部材は、前記油田装置内に配置された流体駆動モータのステータであることができる。
In the dynamic sealing member according to the present invention,
The dynamic seal member may be a stator of a fluid drive motor disposed in the oil field device.

本発明にかかる動的シール部材において、
前記流体駆動モータはマッドモータであることができる。
In the dynamic sealing member according to the present invention,
The fluid drive motor may be a mud motor.

本発明にかかる動的シール部材において、
前記動的シール部材は、前記油田装置内に配置された流体駆動モータのロータであることができる。
In the dynamic sealing member according to the present invention,
The dynamic seal member may be a rotor of a fluid drive motor disposed in the oil field device.

本発明にかかる動的シール部材において、
前記流体駆動モータはマッドモータであることができる。
In the dynamic sealing member according to the present invention,
The fluid drive motor may be a mud motor.

本発明にかかる動的シール部材において、
前記3元系の含フッ素エラストマー(FKM)は、フッ素含有量が66〜70質量%、ムーニー粘度(ML1+4121℃)の中心値が25〜65、ガラス転移点が0℃以下であることができる。
In the dynamic sealing member according to the present invention,
The ternary fluorine-containing elastomer (FKM) has a fluorine content of 66 to 70% by mass, a central value of Mooney viscosity (ML 1 + 4 121 ° C.) of 25 to 65, and a glass transition point of 0 ° C. or less. it can.

本発明にかかる動的シール部材において、
前記カーボンナノファイバーは、前記3元系の含フッ素エラストマー(FKM)に配合される前の段階において、剛直度=Lx÷D(Lx:カーボンナノファイバーの隣り合う欠陥と欠陥との間の距離、D:カーボンナノファイバーの直径)で定義される剛直度の平均値が3〜12であることができる。
In the dynamic sealing member according to the present invention,
Before the carbon nanofiber is blended with the ternary fluorine-containing elastomer (FKM), rigidity = Lx ÷ D (Lx: distance between adjacent defects of the carbon nanofiber, The average value of the stiffness defined by (D: diameter of carbon nanofiber) can be 3-12.

本発明にかかる動的シール部材において、
前記充填剤は、平均粒径が10nm〜300nmのカーボンブラックであることができる。
In the dynamic sealing member according to the present invention,
The filler may be carbon black having an average particle size of 10 nm to 300 nm.

本発明にかかる動的シール部材において、
前記充填剤は、平均粒径が5nm〜50nmであって、かつ、シリカ、タルク及びクレーから選ばれる少なくとも一つであることができる。
In the dynamic sealing member according to the present invention,
The filler may have an average particle diameter of 5 nm to 50 nm and at least one selected from silica, talc, and clay.

図1は、本発明の一実施形態にかかる動的シール部材に用いるカーボンナノファイバーの圧縮処理を模式的に示す斜視図である。FIG. 1 is a perspective view schematically showing a compression process of carbon nanofibers used for a dynamic seal member according to an embodiment of the present invention. 図2は、本発明の一実施形態にかかるオープンロール法による動的シール部材の製造方法を模式的に示す図である。Drawing 2 is a figure showing typically the manufacturing method of the dynamic seal member by the open roll method concerning one embodiment of the present invention. 図3は、本発明の一実施形態にかかるオープンロール法による動的シール部材の製造方法を模式的に示す図である。Drawing 3 is a figure showing typically the manufacturing method of the dynamic seal member by the open roll method concerning one embodiment of the present invention. 図4は、本発明の一実施形態にかかるオープンロール法による動的シール部材の製造方法を模式的に示す図である。Drawing 4 is a figure showing typically the manufacturing method of the dynamic seal member by the open roll method concerning one embodiment of the present invention. 図5は、本発明の一実施形態にかかる動的シール部材の引張疲労試験を模式的に示す図である。FIG. 5 is a diagram schematically showing a tensile fatigue test of the dynamic seal member according to the embodiment of the present invention. 図6は、本発明の一実施形態にかかる動的シール部材の高圧摩耗試験を模式的に示す図である。FIG. 6 is a diagram schematically showing a high-pressure wear test of a dynamic seal member according to an embodiment of the present invention. 図7は、本発明の一実施形態にかかる海底用途の検層装置を模式的に示す断面図である。FIG. 7 is a cross-sectional view schematically showing a logging tool for seabed use according to an embodiment of the present invention. 図8は、本発明の一実施形態にかかる図7の検層装置を模式的に示す部分断面図である。FIG. 8 is a partial cross-sectional view schematically showing the logging apparatus of FIG. 7 according to one embodiment of the present invention. 図9は、図8の検層装置のマッドモータを模式的に示すX−X’断面図である。FIG. 9 is an X-X ′ cross-sectional view schematically showing a mud motor of the logging apparatus of FIG. 8. 図10は、本発明の一実施形態にかかる地下用途の検層装置を模式的に示す断面図である。FIG. 10 is a cross-sectional view schematically showing an underground logging tool according to an embodiment of the present invention.

以下、本発明の実施の形態について詳細に説明する。
本発明の一実施の形態にかかる動的シール部材は、3元系の含フッ素エラストマー(FKM)に対し、カーボンナノファイバーを含み、カーボンナノファイバーは、平均直径が10nm〜20nmのカーボンナノファイバーもしくは平均直径が60nm〜110nmであって低温熱処理したカーボンナノファイバーであり、平均直径が60nm〜110nmであって低温熱処理したカーボンナノファイバーは、ラマン散乱分光法によって測定される1600cm−1付近のピーク強度Gに対する1300cm−1付近のピーク強度Dの比(D/G)が1.25を超えかつ1.6未満であり、200℃、最大引張応力2.5N/mm、周波数1Hzの引張疲労試験における破断回数が10回以上である。
Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in detail.
The dynamic sealing member according to an embodiment of the present invention includes carbon nanofibers with respect to a ternary fluorine-containing elastomer (FKM), and the carbon nanofibers are carbon nanofibers having an average diameter of 10 nm to 20 nm or Carbon nanofibers having an average diameter of 60 nm to 110 nm and low-temperature heat treatment, and carbon nanofibers having an average diameter of 60 nm to 110 nm and low-temperature heat treatment have a peak intensity around 1600 cm −1 measured by Raman scattering spectroscopy. The ratio (D / G) of peak intensity D in the vicinity of 1300 cm −1 to G is greater than 1.25 and less than 1.6, and in a tensile fatigue test at 200 ° C., maximum tensile stress 2.5 N / mm, and frequency 1 Hz. The number of breaks is 10 or more.

(I)カーボンナノファイバー
カーボンナノファイバーについて説明する。
本実施の形態に用いるカーボンナノファイバーは、平均直径(繊維径)が10nm〜20nmもしくは平均直径が60nm〜110nmであって低温熱処理したカーボンナノファイバーであることができる。カーボンナノファイバーは、その平均直径が比較的細いため、比表面積が大きく、マトリックスであるFKMとの表面反応性が向上し、FKM中におけるカーボンナノファイバーの分散不良を改善しやすい傾向がある。カーボンナノファイバーは、直径が10nm以上ではカーボンナノファイバーによってマトリックス材料を囲むように形成された微小セル構造が小さすぎず適度な柔軟性を有すると予測され、逆に110nm以下では微小セル構造が大きすぎず耐摩耗性の効果を有すると予測される。カーボンナノファイバーによって形成される微小セル構造は、カーボンナノファイバーが3次元に張り巡らされた網目構造によってマトリックス材料を囲むように形成されることができる。平均直径が60nm〜110nmのカーボンナノファイバーは、さらに70nm〜100nmであることができる。また、平均直径が60nm〜110nmのカーボンナノファイバーは、その表面のFKMとの反応性を向上させるために、低温熱処理されている。低温熱処理については、後述する。
(I) Carbon nanofiber The carbon nanofiber will be described.
The carbon nanofibers used in the present embodiment can be carbon nanofibers having an average diameter (fiber diameter) of 10 nm to 20 nm or an average diameter of 60 nm to 110 nm and heat-treated at a low temperature. Since the carbon nanofiber has a relatively small average diameter, the specific surface area is large, the surface reactivity with the matrix FKM is improved, and the carbon nanofibers in the FKM tend to be poorly dispersed. Carbon nanofibers are expected to have moderate flexibility with a microcell structure formed so as to surround the matrix material with carbon nanofibers when the diameter is 10 nm or more. Conversely, when the diameter is 110 nm or less, the microcell structure is large. However, it is expected to have an effect of wear resistance. The micro cell structure formed by the carbon nanofibers can be formed so as to surround the matrix material by a network structure in which the carbon nanofibers are stretched in three dimensions. Carbon nanofibers having an average diameter of 60 nm to 110 nm may further be 70 nm to 100 nm. Carbon nanofibers having an average diameter of 60 nm to 110 nm are subjected to low-temperature heat treatment in order to improve the reactivity with FKM on the surface. The low temperature heat treatment will be described later.

カーボンナノファイバーの平均直径は、電子顕微鏡による観察によって計測することができる。なお、本発明の詳細な説明においてカーボンナノファイバーの平均直径及び平均長さは、電子顕微鏡による例えば5,000倍の撮像(カーボンナノファイバーのサイズによって適宜倍率は変更できる)から200箇所以上の直径及び長さを計測し、その算術平均値として計算して得ることができる。   The average diameter of the carbon nanofiber can be measured by observation with an electron microscope. In the detailed description of the present invention, the average diameter and the average length of the carbon nanofibers are, for example, 5,000 times or more from an electron microscope (the magnification can be appropriately changed depending on the size of the carbon nanofibers) and the diameters of 200 or more locations And the length can be measured and calculated as the arithmetic average value.

カーボンナノファイバーは、FKM100質量部に対し、5質量部〜30質量部を配合することができる。特に、平均直径が10nm〜20nmのカーボンナノファイバーを用いた場合には、FKM100質量部に対し、5質量部〜30質量部を配合することができ、また、平均直径が60nm〜110nmであって低温熱処理したカーボンナノファイバーを用いた場合には、FKM100質量部に対し、10質量部〜30質量部を配合することができる。カーボンナノファイバーは、特に平均直径が10nm〜20nmのカーボンナノファイバーを用いた場合には5質量部以上または平均直径が60nm〜110nmであって低温熱処理したカーボンナノファイバーを用いた場合には10質量部以上をFKMへ配合することによって、ナノサイズのセル構造を形成することができると考えられるので、耐摩耗性が向上する傾向があり、また、30質量部以下の配合量であれば、破断伸び(EB)が比較的高いので加工性に優れるともとに動的シール部材を部品へ装着しやすい傾向がある。また、カーボンナノファイバー以外の充填剤を配合することによってカーボンナノファイバーの配合量を減らすことができる。充填剤を配合した場合には、平均直径が10nm〜20nmのカーボンナノファイバーは、FKM100質量部に対し、0.5質量部〜30質量部を配合することができ、また、平均直径が60nm〜110nmのカーボンナノファイバーは、FKM100質量部に対し、14質量部〜60質量部を配合することができる。ここで、「質量部」は、特に指定しない限り「phr」を示し、「phr」は、parts per hundred of resin or rubberの省略形であって、ゴム等に対する添加剤等の外掛百分率を表すものである。   Carbon nanofiber can mix | blend 5 mass part-30 mass parts with respect to 100 mass parts of FKM. In particular, when carbon nanofibers having an average diameter of 10 nm to 20 nm are used, 5 to 30 parts by mass can be blended with respect to 100 parts by mass of FKM, and the average diameter is 60 to 110 nm. When carbon nanofibers subjected to low-temperature heat treatment are used, 10 to 30 parts by mass can be blended with respect to 100 parts by mass of FKM. The carbon nanofibers are 5 parts by mass or more particularly when carbon nanofibers having an average diameter of 10 nm to 20 nm are used, or 10 masses when carbon nanofibers having an average diameter of 60 nm to 110 nm and low-temperature heat treatment are used. Since it is considered that a nano-sized cell structure can be formed by blending more than 15 parts into FKM, there is a tendency to improve the wear resistance, and if the blending amount is 30 parts by weight or less, breakage occurs. Since the elongation (EB) is relatively high, the dynamic seal member tends to be easily attached to the part as well as excellent workability. Moreover, the compounding quantity of carbon nanofiber can be reduced by mix | blending fillers other than carbon nanofiber. When the filler is blended, the carbon nanofiber having an average diameter of 10 nm to 20 nm can be blended in an amount of 0.5 to 30 parts by mass with respect to 100 parts by mass of FKM, and the average diameter is 60 nm to 110 nm of carbon nanofibers can be blended in an amount of 14 to 60 parts by mass with respect to 100 parts by mass of FKM. Here, “parts by mass” indicates “phr” unless otherwise specified, and “phr” is an abbreviation for “parts per undred of resin or rubber”, and represents the percentage of external additives such as additives to rubber and the like. It is.

カーボンナノファイバーは、3元系の含フッ素エラストマー(FKM)に配合される前の段階において、剛直度の平均値が3〜12の比較的剛直な繊維であることができる。特に、平均直径が10nm〜20nmのカーボンナノファイバーは剛直度の平均値が3〜5であることができ、また、平均直径が60nm〜110nmのカーボンナノファイバーは、剛直度の平均値が9〜12であることができる。剛直度は、カーボンナノファイバーの剛直性を示すものであって、顕微鏡などで撮影した多数のカーボンナノファイバーの屈曲していないほぼ直線状部分の長さと直径とを測定し、計算することで得られ、屈曲指数と呼ぶこともある。カーボンナノファイバーの屈曲部分は、繊維の欠陥であって、電子顕微鏡で繊維を幅方向に横切る白い線として写る。カーボンナノファイバーの屈曲していないほぼ直線状部分の長さをLxとし、カーボンナノファイバーの直径をDとしたとき、剛直度はLx÷Dで定義され、その算術平均値を計算する。したがって、剛直度が小さいカーボンナノファイバーは短い間隔で折れ曲がることを示し、剛直度が大きいカーボンナノファイバーは直線状部分が長く、屈曲していないことを示す。カーボンナノファイバーの直線状部分の長さLxの測定は、1万〜5万倍で撮影したカーボンナノファイバーの写真データを例えば2〜10倍に拡大した状態で行なう。拡大表示した写真では、繊維を幅方向に横切る屈曲部分(欠陥)確認することができる。このようにして確認した隣接する屈曲部分(欠陥)の間隔を、カーボンナノファイバーの直線状部分の長さLxとして複数箇所、例えば200か所以上計測して行なう。   The carbon nanofibers can be relatively rigid fibers having an average stiffness value of 3 to 12 before being blended with the ternary fluorine-containing elastomer (FKM). In particular, carbon nanofibers having an average diameter of 10 nm to 20 nm can have an average stiffness value of 3 to 5, and carbon nanofibers having an average diameter of 60 nm to 110 nm have an average stiffness value of 9 to Can be twelve. Stiffness refers to the rigidity of carbon nanofibers, and is obtained by measuring and calculating the length and diameter of the almost unbent portions of carbon nanofibers taken with a microscope or the like. Sometimes referred to as the bending index. The bent portion of the carbon nanofiber is a defect of the fiber, and appears as a white line that crosses the fiber in the width direction with an electron microscope. When the length of the substantially straight portion of the carbon nanofiber that is not bent is Lx and the diameter of the carbon nanofiber is D, the rigidity is defined as Lx ÷ D, and the arithmetic average value is calculated. Therefore, carbon nanofibers with low rigidity are bent at short intervals, and carbon nanofibers with high rigidity are long straight portions and are not bent. The measurement of the length Lx of the linear portion of the carbon nanofiber is performed in a state where the photographic data of the carbon nanofiber photographed at 10,000 to 50,000 times is enlarged, for example, 2 to 10 times. In the enlarged photograph, a bent portion (defect) that crosses the fiber in the width direction can be confirmed. The distance between adjacent bent portions (defects) thus confirmed is measured by measuring a plurality of, for example, 200 or more locations as the length Lx of the linear portion of the carbon nanofiber.

カーボンナノファイバーは、炭素六角網面のグラファイトの1枚面(グラフェンシート)を巻いて筒状にした形状を有するいわゆる多層カーボンナノチューブ(MWNT:マルチウォールカーボンナノチューブ)であり、平均直径が10nm〜20nmのカーボンナノファイバーとしては、例えば昭和電工社製のVGCF−X(VGCF:昭和電工社の登録商標)、バイエルマテリアルサイエンス社のバイチューブ(Baytubes)、ナノシル(Nanocyl)社のNC−7000などを挙げることができ、平均直径が60nm〜110nmのカーボンナノファイバーとしては、例えば昭和電工社のVGCF−Sなどを挙げることができる。また、部分的にカーボンナノチューブの構造を有する炭素材料も使用することができる。なお、カーボンナノチューブという名称の他にグラファイトフィブリルナノチューブ、気相成長炭素繊維といった名称で称されることもある。   Carbon nanofibers are so-called multi-wall carbon nanotubes (MWNT: multi-wall carbon nanotubes) having a cylindrical shape formed by winding one sheet of graphite (graphene sheet) having a carbon hexagonal mesh surface, and an average diameter of 10 to 20 nm. Examples of carbon nanofibers include VGCF-X (VGCF: registered trademark of Showa Denko KK) manufactured by Showa Denko, Baytubes of Bayer MaterialScience, NC-7000 of Nanosyl, etc. Examples of carbon nanofibers having an average diameter of 60 nm to 110 nm include VGCF-S from Showa Denko. A carbon material partially having a carbon nanotube structure can also be used. In addition to the name “carbon nanotube”, it may be called “graphite fibril nanotube” or “vapor-grown carbon fiber”.

カーボンナノファイバーは、気相成長法によって得ることができる。気相成長法は、触媒気相合成法(Catalytic Chemical Vapor Deposition:CCVD)とも呼ばれ、炭化水素等のガスを金属系触媒の存在下で気相熱分解させて未処理の第1のカーボンナノファイバーを製造する方法である。より詳細に気相成長法を説明すると、例えば、ベンゼン、トルエン等の有機化合物を原料とし、フェロセン、ニッケルセン等の有機遷移金属化合物を金属系触媒として用い、これらをキャリアーガスとともに高温例えば400℃〜1000℃の反応温度に設定された反応炉に導入し、浮遊状態あるいは反応炉壁に第1のカーボンナノファイバーを生成させる浮遊流動反応法(Floating Reaction Method)や、あらかじめアルミナ、酸化マグネシウム等のセラミックス上に担持された金属含有粒子を炭素含有化合物と高温で接触させてカーボンナノファイバーを基板上に生成させる触媒担持反応法(Substrate Reaction Method)等を用いることができる。平均直径が10nm〜20nmのカーボンナノファイバーは触媒担持反応法によって得ることができ、平均直径が60nm〜110nmのカーボンナノファイバーは浮遊流動反応法によって得ることができる。カーボンナノファイバーの直径は、例えば金属含有粒子の大きさや反応時間などで調節することができる。平均直径が10nm〜20nmのカーボンナノファイバーは、窒素吸着比表面積が10m/g〜500m/gであることができ、さらに100m/g〜350m/gであることができ、特に、150m/g〜300m/gであることができる。Carbon nanofibers can be obtained by a vapor deposition method. The vapor phase growth method is also called a catalytic chemical vapor deposition (CCVD), in which a gas such as a hydrocarbon is pyrolyzed in the presence of a metal catalyst in the presence of a metal-based catalyst to perform untreated first carbon nano-particles. A method of manufacturing a fiber. The vapor phase growth method will be described in more detail. For example, an organic compound such as benzene or toluene is used as a raw material, an organic transition metal compound such as ferrocene or nickelcene is used as a metal catalyst, and these are used together with a carrier gas at a high temperature such as 400 ° C. It is introduced into a reaction furnace set to a reaction temperature of ˜1000 ° C., and the floating reaction method (floating reaction method) in which the first carbon nanofibers are generated in a floating state or on the reaction furnace wall, or alumina, magnesium oxide, etc. A catalyst-supporting reaction method (substrate reaction method) in which metal-containing particles supported on ceramics are brought into contact with a carbon-containing compound at a high temperature to generate carbon nanofibers on a substrate can be used. Carbon nanofibers having an average diameter of 10 nm to 20 nm can be obtained by a catalyst-supporting reaction method, and carbon nanofibers having an average diameter of 60 nm to 110 nm can be obtained by a floating flow reaction method. The diameter of the carbon nanofiber can be adjusted by, for example, the size of the metal-containing particles and the reaction time. Carbon nanofibers having an average diameter of 10nm~20nm may nitrogen adsorption specific surface area of 10m 2 / g~500m 2 / g, can be more 100m 2 / g~350m 2 / g, in particular, it can be a 150m 2 / g~300m 2 / g.

平均直径が60nm〜110nmであって低温熱処理したカーボンナノフアイバーは、気相成長法によって得られたいわゆる未処理のカーボンナノファイバーを低温熱処理することによって得ることができる。この低温熱処理は、未処理のカーボンナノファイバーを、前記気相成長法における反応温度より高温であって、かつ、1100℃〜1600℃で熱処理することができる。この熱処理の温度は、さらに1200℃〜1500℃であることができ、特に1400℃〜1500℃であることができる。低温熱処理の温度が気相成長法の反応温度より高温であることで、カーボンナノファイバーの表面構造を整え、表面の欠陥を減少させることができる。また、この低温熱処理温度を1100℃〜1600℃とすることで、FKMとの表面反応性が向上し、マトリックス材料中におけるカーボンナノファイバーの分散不良をより改善することができる。このように低温熱処理したカーボンナノファイバーは、ラマン散乱分光法によって測定される1600cm−1付近のピーク強度Gに対する1300cm−1付近のピーク強度Dの比(D/G)が0.9を超えかつ1.6未満であ、さらに1.0〜1.4であることができ、特に熱処理の温度が1400℃〜1500℃の場合は1.0〜1.2であることができる。低温熱処理したカーボンナノファイバーのラマンスペクトルにおいて、1300cm−1付近の吸収ピーク強度Dはカーボンナノファイバーを形成する結晶内の欠陥に基づく吸収であり、1600cm−1付近の吸収ピーク強度Gはカーボンナノファイバーを形成する結晶に基づく吸収である。このため、ピーク強度Dとピーク強度Gとの比(D/G)が小さい程、カーボンナノファイバーの結晶化程度が高いことを示す。したがって、ピーク強度Gに対するピーク強度Dの比(D/G)が小さいほどグラファイト化(黒鉛化)度が高く、表面に欠陥の少ないカーボンナノファイバーを意味する。したがって、前記範囲のピーク強度Gに対するピーク強度Dの比(D/G)を有する低温熱処理したカーボンナノファイバーは、適度に表面に非結晶部分が存在するため、FKMとの濡れ性が良好であり、比較的欠陥も少ないので低温熱処理したカーボンナノファイバーの強度も十分であることができる。Carbon nanofibers having an average diameter of 60 nm to 110 nm and subjected to low-temperature heat treatment can be obtained by low-temperature heat treatment of so-called untreated carbon nanofibers obtained by vapor phase growth. In this low-temperature heat treatment, untreated carbon nanofibers can be heat-treated at a temperature higher than the reaction temperature in the vapor phase growth method at 1100 ° C. to 1600 ° C. The temperature of this heat treatment can further be 1200 ° C. to 1500 ° C., in particular 1400 ° C. to 1500 ° C. When the temperature of the low-temperature heat treatment is higher than the reaction temperature of the vapor phase growth method, the surface structure of the carbon nanofibers can be adjusted and surface defects can be reduced. Further, by setting the low-temperature heat treatment temperature to 1100 ° C. to 1600 ° C., the surface reactivity with FKM is improved, and the dispersion of carbon nanofibers in the matrix material can be further improved. The carbon nanofibers low-temperature heat treatment as is and the ratio of the peak intensity D of around 1300 cm -1 to the peak intensity G of around 1600 cm -1 measured by Raman scattering spectroscopy (D / G) is greater than 0.9 It may be less than 1.6, and may be 1.0 to 1.4. In particular, when the temperature of the heat treatment is 1400 ° C. to 1500 ° C., it may be 1.0 to 1.2. In the Raman spectrum of the carbon nanofibers low-temperature heat treatment, the absorption peak intensity D of around 1300 cm -1 is the absorption based on defects in the crystal that forms the carbon nanofibers, the absorption peak intensity G of around 1600 cm -1 is carbon nanofiber Absorption based on crystals that form For this reason, the smaller the ratio (D / G) between the peak intensity D and the peak intensity G, the higher the degree of crystallization of the carbon nanofibers. Therefore, the smaller the ratio of the peak intensity D to the peak intensity G (D / G), the higher the degree of graphitization (graphitization), and the carbon nanofibers with fewer defects on the surface. Therefore, low-temperature heat-treated carbon nanofibers having a ratio (D / G) of the peak intensity D to the peak intensity G in the above range have a non-crystalline portion on the surface, and thus have good wettability with FKM. Since the carbon nanofibers subjected to low-temperature heat treatment have relatively few defects, the strength of the carbon nanofibers can be sufficient.

通常、気相成長法によって製造されたカーボンナノファイバーを不活性ガス雰囲気中において2000℃〜3200℃で熱処理していわゆる黒鉛化(結晶化)処理して、気相成長の際にカーボンナノファイバーの表面に沈積したアモルファス状の堆積物や残留している触媒金属などの不純物を除去する。黒鉛化処理したカーボンナノファイバーは、その表面におけるFKMとの反応性が比較的低い。平均直径が10nm〜20nmのカーボンナノファイバー及び平均直径が60nm〜110nmであって低温熱処理したカーボンナノファイバーは、このような黒鉛化処理を行わずにそのまま用いることができる。このように黒鉛化処理を行わないカーボンナノファイバーの表面は、適度に非結晶部分が存在するため、FKMとの濡れ性が良好となる傾向がある。   Usually, carbon nanofibers produced by a vapor phase growth method are heat-treated at 2000 ° C. to 3200 ° C. in an inert gas atmosphere so as to perform so-called graphitization (crystallization) treatment. Impurities such as amorphous deposits and remaining catalytic metals deposited on the surface are removed. The graphitized carbon nanofiber has a relatively low reactivity with FKM on its surface. Carbon nanofibers having an average diameter of 10 nm to 20 nm and carbon nanofibers having an average diameter of 60 nm to 110 nm and subjected to low-temperature heat treatment can be used as they are without performing such graphitization treatment. As described above, the surface of the carbon nanofiber not subjected to the graphitization treatment has a moderately non-crystalline portion, so that the wettability with the FKM tends to be good.

図1は、本発明の一実施形態にかかる動的シール部材に用いるカーボンナノファイバーの圧縮処理を模式的に示す斜視図である。カーボンナノファイバーは、さらに圧縮処理することができる。圧縮処理によって、カーボンナノファイバーは造粒されることができる。また、気相成長法によって製造されたカーボンナノファイバーは、そのままでは分岐部を有するカーボンナノファイバーを含み、圧縮処理は、カーボンナノファイバーを少なくとも分岐部から切断するための高い圧力で行うことができる。圧縮処理は、図中の矢印方向に連続回転する複数例えば少なくとも2本のロール72,74間に原料であるカーボンナノファイバー60を投入して、剪断力と圧縮力とをカーボンナノファイバーに加えることによって行う、例えばロールプレス機やローラーコンパクター(ロール式高圧圧縮成形機)のような乾式圧縮造粒機70を採用することができる。気相成長法によって製造された複数のカーボンナノファイバー60を乾式圧縮造粒機70に投入して圧縮処理することで、圧縮処理された複数のカーボンナノファイバー80の集合体を得ることができる。ロールプレス機は、通常ロール外周面にポケットを刻まない平滑ロールまたはポケットを刻んだロール等を使用するが、本実施の形態においてはカーボンナノファイバーに均等に圧縮力を加えるために平滑ロールを用いることができる。また、2本のロールの間隔は0mmすなわちロール同士が接触するように設定され、さらに2本のロール間には所定の圧縮力F例えば980〜2940N/cmを与えることができ、さらに1500〜2500N/cmを与えることが好ましい。圧縮力Fは、得られたカーボンナノファイバー集合体80における分岐部の有無を電子顕微鏡などで確認しながら適当な圧力に設定することができる。980N/cm以上であれば分岐部を有するカーボンナノファイバーを分岐部で切断することができる。このような圧縮処理は、カーボンナノファイバー全体の均質化のため、複数回例えば2回程度行うことができる。造粒機では、一般に粉体を結合するために水などのバインダーを配合することが多いが、本実施の形態における圧縮処理は、カーボンナノファイバー同士を結合するためのバインダーを用いない乾式造粒であることができる。バインダーを用いると、後工程でカーボンナノファイバーを分散させにくくする虞があり、バインダーを除去する工程がさらに必要になることがあるためである。なお、乾式圧縮造粒機70によって2本のロール間で圧縮して板状(フレーク)のカーボンナノファイバー80の集合体に成形した後、さらに粉砕機などで破砕し、所望の大きさに整粒したカーボンナノファイバー80の集合体をつくることができる。このときの粉砕機は、例えば回転刃を高速回転させてその剪断力によりカーボンナノファイバー80の集合体を破砕し、スクリーンを用いて適当なサイズ以下のカーボンナノファイバー80の集合体だけを通して整粒を行うことができる。圧縮処理だけではカーボンナノファイバー80の集合体の大きさにばらつきが大きいが、このようにさらに破砕することでカーボンナノファイバー80の集合体の粒径が適度な大きさに整えられるため、マトリックス材料と混練した時のカーボンナノファイバーの集合体の偏りを防ぐことができる。この圧縮処理によってカーボンナノファイバーが分岐部で切断され、ふわりとしない所望の嵩密度になって加工時の取り扱いが容易になり、例えば板状のカーボンナノファイバー集合体に造粒されることができる。   FIG. 1 is a perspective view schematically showing a compression process of carbon nanofibers used for a dynamic seal member according to an embodiment of the present invention. The carbon nanofiber can be further compressed. The carbon nanofibers can be granulated by the compression treatment. Further, the carbon nanofibers produced by the vapor phase growth method include carbon nanofibers having branched portions as they are, and the compression treatment can be performed at a high pressure for cutting the carbon nanofibers at least from the branched portions. . In the compression treatment, carbon nanofibers 60 as raw materials are introduced between a plurality of, for example, at least two rolls 72 and 74 that continuously rotate in the direction of the arrow in the figure, and shearing force and compression force are applied to the carbon nanofibers For example, a dry compression granulator 70 such as a roll press machine or a roller compactor (roll type high pressure compression molding machine) can be employed. By putting a plurality of carbon nanofibers 60 manufactured by the vapor phase growth method into a dry compression granulator 70 and compressing them, an aggregate of a plurality of carbon nanofibers 80 subjected to the compression process can be obtained. The roll press machine normally uses a smooth roll in which pockets are not engraved on the outer peripheral surface of the roll or a roll in which pockets are engraved. In this embodiment, a smooth roll is used in order to apply a compressive force evenly to the carbon nanofibers. be able to. Further, the interval between the two rolls is set to 0 mm, that is, the rolls are in contact with each other, and a predetermined compression force F, for example, 980 to 2940 N / cm can be applied between the two rolls, and further 1500 to 2500 N. / Cm is preferred. The compressive force F can be set to an appropriate pressure while confirming the presence or absence of a branched portion in the obtained carbon nanofiber assembly 80 with an electron microscope or the like. If it is 980 N / cm or more, the carbon nanofiber which has a branch part can be cut | disconnected by a branch part. Such compression treatment can be performed a plurality of times, for example, about twice in order to homogenize the entire carbon nanofiber. In a granulator, generally a binder such as water is often blended to bind powder, but the compression treatment in the present embodiment is a dry granulation that does not use a binder for binding carbon nanofibers to each other. Can be. This is because if a binder is used, it may be difficult to disperse the carbon nanofibers in a later step, and a step of removing the binder may be further required. In addition, after compressing between two rolls by the dry compression granulator 70 and forming into an aggregate of plate-like (flakes) carbon nanofibers 80, it is further crushed by a pulverizer or the like and adjusted to a desired size. An aggregate of the granulated carbon nanofibers 80 can be produced. The pulverizer at this time, for example, rotates the rotary blade at high speed and crushes the aggregate of carbon nanofibers 80 by the shearing force, and uses a screen to adjust the size only through the aggregate of carbon nanofibers 80 having an appropriate size or less. It can be performed. The size of the aggregates of the carbon nanofibers 80 varies greatly only by the compression treatment, but the particle size of the aggregates of the carbon nanofibers 80 is adjusted to an appropriate size by further crushing in this way, so that the matrix material It is possible to prevent the carbon nanofiber aggregates from being biased when kneaded. By this compression treatment, the carbon nanofibers are cut at the branching portions, and the desired bulk density that does not become soft becomes easy to handle during processing. For example, the carbon nanofibers can be granulated into a plate-like carbon nanofiber aggregate. .

(II)3元系の含フッ素エラストマー
3元系の含フッ素エラストマーは、分子中にフッ素原子を含むフッ化ビニリデン系の合成ゴムであり、3元系フッ素ゴムとも呼ばれ、例えば、フッ化ビニリデン(VDF)−ヘキサフルオロプロピレン(HFP)−テトラフルオロエチレン(TFE)3元共重合体(VDF−HFP−TFE)、フッ化ビニリデン(VDF)−パーフルオロ(メチルビニルエーテル)(FMVE)−テトラフルオロエチレン(TFE)3元共重合体(VDF−HFP−TFE)などが挙げられる。3元系の含フッ素エラストマーとしては、例えば、デュポン社製の商品名バイトン、ダイキン工業社製の商品名ダイエルGなどをあげることができる。以下の説明では、3元系の含フッ素エラストマーをFKMと省略する。3元系の含フッ素エラストマーは、重量平均分子量が好ましくは50,000〜300,000であることができる。3元系の含フッ素エラストマーの分子量がこの範囲であると、3元系の含フッ素エラストマー分子が互いに絡み合い、相互につながっているので、3元系の含フッ素エラストマーはカーボンナノファイバーを分散させるために良好な弾性を有することができる。3元系の含フッ素エラストマーは、粘性を有しているので凝集したカーボンナノファイバーの相互に侵入しやすく、さらに弾性を有することによってカーボンナノファイバー同士を分離することができる。3元系の含フッ素エラストマーの重量平均分子量が50,000より小さいと、3元系の含フッ素エラストマー分子が相互に充分に絡み合うことができず、後の工程で剪断力をかけても弾性が小さいためカーボンナノファイバーを分散させる効果が小さくなる傾向がある。また、3元系の含フッ素エラストマーの重量平均分子量が300,000より大きいと、3元系の含フッ素エラストマーが固くなりすぎて加工が困難となる傾向がある。FKMは、水素化アクリロニトリル−ブタジエンゴム(HNBR)に比べ耐摩耗性に多少劣るものの高温特性に優れることから、例えば検層装置のシール部材、特にHNBRでは劣化してしまう175℃以上の環境下において動的シール部材として用いることができる。FKMは、175℃〜200℃の高温の環境においても使用可能である。また、FKMは、テトラフルオロエチレン−プロピレン共重合体(FEPM)に比べて、耐薬品性に劣るものの高温における耐摩耗性に優れることができる。本実施の形態に用いるFKMは、フッ素含有量が66質量%〜70質量%、ムーニー粘度(ML1+4121℃)の中心値が25〜65、ガラス転移点が0℃以下であることができる。フッ素含有量が66質量%以上であると耐熱性に優れ、フッ素含有量が70質量%以下であれば耐アルカリ性、耐酸性、耐塩素性などの耐薬品性に優れる。また、ムーニー粘度(ML1+4121℃)の中心値が25以上であると引張強さ(TB)や圧縮永久ひずみ(CS)などの基本要求性能を有することができ、ムーニー粘度(ML1+4121℃)の中心値が65以下であれば適度な粘度を有するので加工することができる。例えば地下資源探査は海底の地下で行われることがあるが、海底は高圧のため4℃程度の水温であり、FKMのガラス転移点が0℃以下であれば海底から高温の探査帯まで動的シール部材として使用することができる。
(II) Ternary fluorine-containing elastomers Ternary fluorine-containing elastomers are synthetic rubbers of vinylidene fluoride containing fluorine atoms in their molecules, and are also called ternary fluorine rubbers. For example, vinylidene fluoride (VDF) -hexafluoropropylene (HFP) -tetrafluoroethylene (TFE) terpolymer (VDF-HFP-TFE), vinylidene fluoride (VDF) -perfluoro (methyl vinyl ether) (FMVE) -tetrafluoroethylene (TFE) terpolymer (VDF-HFP-TFE) and the like. Examples of the ternary fluorine-containing elastomer include DuPont's trade name Viton and Daikin Industries' trade name Daiel G. In the following description, the ternary fluorine-containing elastomer is abbreviated as FKM. The ternary fluorine-containing elastomer preferably has a weight average molecular weight of 50,000 to 300,000. If the molecular weight of the ternary fluorine-containing elastomer is within this range, the ternary fluorine-containing elastomer molecules are entangled with each other and connected to each other, so the ternary fluorine-containing elastomer disperses the carbon nanofibers. Can have good elasticity. The ternary fluorine-containing elastomer has viscosity, so that the aggregated carbon nanofibers can easily enter each other, and the carbon nanofibers can be separated by having elasticity. If the weight average molecular weight of the ternary fluorine-containing elastomer is smaller than 50,000, the ternary fluorine-containing elastomer molecules cannot be sufficiently entangled with each other, and elasticity is exerted even if a shearing force is applied in a later step. Since it is small, the effect of dispersing the carbon nanofibers tends to be small. If the weight average molecular weight of the ternary fluorine-containing elastomer is larger than 300,000, the ternary fluorine-containing elastomer tends to be too hard and difficult to process. FKM is slightly inferior in wear resistance to hydrogenated acrylonitrile-butadiene rubber (HNBR), but has excellent high temperature characteristics. It can be used as a dynamic seal member. FKM can also be used in a high temperature environment of 175 ° C to 200 ° C. Moreover, FKM can be excellent in abrasion resistance at high temperature, although it is inferior in chemical resistance compared with a tetrafluoroethylene-propylene copolymer (FEPM). The FKM used in this embodiment can have a fluorine content of 66 mass% to 70 mass%, a central value of Mooney viscosity (ML 1 + 4 121 ° C.) of 25 to 65, and a glass transition point of 0 ° C. or lower. When the fluorine content is 66% by mass or more, the heat resistance is excellent, and when the fluorine content is 70% by mass or less, the chemical resistance such as alkali resistance, acid resistance, and chlorine resistance is excellent. Moreover, when the median value of Mooney viscosity (ML 1 + 4 121 ° C.) is 25 or more, basic required performance such as tensile strength (TB) and compression set (CS) can be obtained, and Mooney viscosity (ML 1 + 4 121 ° C.). If the center value of) is 65 or less, it has an appropriate viscosity and can be processed. For example, exploration of underground resources may be conducted under the sea floor, but the sea floor is at a temperature of about 4 ° C due to high pressure, and if the FKM's glass transition point is 0 ° C or less, it will dynamically move from the sea floor to a hot exploration zone. It can be used as a seal member.

(III)充填剤
充填剤は、平均粒径が5nm〜300nmである。充填剤としては、エラストマーの充填剤として用いることのできるカーボンブラック、シリカ、クレー、タルクなどから少なくともひとつを選択することができる。カーボンブラックは、平均粒径が10nm〜300nmであることができる。シリカ、タルク及びクレーは、平均粒径が5nm〜50nmであることができる。本実施形態における充填剤にはカーボンナノファイバーは含まれない。
(III) Filler The filler has an average particle size of 5 nm to 300 nm. As the filler, at least one of carbon black, silica, clay, talc and the like that can be used as an elastomer filler can be selected. The carbon black may have an average particle size of 10 nm to 300 nm. Silica, talc and clay may have an average particle size of 5 nm to 50 nm. The filler in this embodiment does not contain carbon nanofibers.

充填剤をFKMに配合することによって、FKMのマトリックス領域を充填剤によって微小サイズに分割することができ、その微小サイズに分割されたマトリックス領域はカーボンナノファイバーによって補強すればよいので、充填剤を配合することでカーボンナノファイバーの配合量を少なくすることができる。   By blending the filler into the FKM, the matrix region of the FKM can be divided into minute sizes by the filler, and the matrix region divided into the minute sizes may be reinforced with carbon nanofibers. The compounding quantity of carbon nanofiber can be decreased by mix | blending.

また、充填剤のアスペクト比は、カーボンナノファイバーのおよそ10倍以上であり、実験結果から充填剤を50質量部配合することでカーボンナノファイバーの配合量を例えば4.5質量部〜5質量部削減することができる。   The aspect ratio of the filler is about 10 times or more that of the carbon nanofibers, and the compounding amount of the carbon nanofibers is, for example, 4.5 parts by mass to 5 parts by mass by blending 50 parts by mass of the filler from the experimental results. Can be reduced.

動的シール部材は、カーボンナノファイバーをFKM100質量部に対して0.5質量部〜30質量部含むことができるが、カーボンナノファイバーの種類によって、あるいは充填剤の配合の有無によって、カーボンナノファイバーの配合量を適宜変更することができる。   The dynamic sealing member may include 0.5 to 30 parts by mass of carbon nanofibers with respect to 100 parts by mass of FKM. Depending on the type of carbon nanofibers or the presence or absence of a filler, carbon nanofibers may be included. The blending amount of can be changed as appropriate.

平均直径が10nm〜20nmのカーボンナノファイバーを用いる場合には、FKM100質量部に対し、カーボンナノファイバー0.5質量部〜30質量部と、平均粒径5nm〜300nmの充填剤0質量部〜50質量部と、を含むことができる。このとき、動的シール部材におけるカーボンナノファイバーと充填剤との配合量は、充填剤の配合量(質量部)をW1とし、カーボンナノファイバーの配合量(質量部)をW2としたとき、式(1):Wt=0.09W1+W2及び式(2):5≦Wt≦30を満たすことができる。したがって、充填剤を含まない場合には平均直径が10nm〜20nmのカーボンナノファイバーを最低でも5質量部含むことができ、カーボンナノファイバーを0.5質量部とする場合は充填剤を50質量部含むことができる。   When carbon nanofibers having an average diameter of 10 nm to 20 nm are used, 0.5 parts by mass to 30 parts by mass of carbon nanofibers and 0 part by mass to 50 parts by weight of filler having an average particle diameter of 5 nm to 300 nm are obtained with respect to 100 parts by mass of FKM. A mass part. At this time, the compounding amount of the carbon nanofiber and the filler in the dynamic seal member is expressed by the formula when the compounding amount (part by mass) of the filler is W1 and the compounding amount (mass part) of the carbon nanofiber is W2. (1): Wt = 0.09W1 + W2 and formula (2): 5 ≦ Wt ≦ 30 can be satisfied. Therefore, when the filler is not included, carbon nanofibers having an average diameter of 10 nm to 20 nm can be included at least 5 parts by mass. When the carbon nanofiber is 0.5 parts by mass, the filler is 50 parts by mass. Can be included.

また、平均直径が60nm〜110nmであって低温熱処理したカーボンナノファイバーを用いる場合には、FKM100質量部に対し、カーボンナノファイバー4質量部〜30質量部と、平均粒径5nm〜300nmの充填剤0質量部〜60質量部と、を含むことができる。このとき、動的シール部材におけるカーボンナノファイバーと充填剤との配合量は、充填剤の配合量(質量部)をW1とし、カーボンナノファイバーの配合量(質量部)をW2としたとき、式(3):Wt=0.1W1+W2及び式(4):10≦Wt≦30を満たすことができる。したがって、充填剤を含まない場合には平均直径が60nm〜110nmであって低温熱処理したカーボンナノファイバーを最低でも10質量部含むことができ、カーボンナノファイバーを4質量部とする場合は充填剤を60質量部含むことができる。   When carbon nanofibers having an average diameter of 60 nm to 110 nm and subjected to low temperature heat treatment are used, 4 to 30 parts by mass of carbon nanofibers and a filler having an average particle diameter of 5 to 300 nm with respect to 100 parts by mass of FKM. 0 parts by mass to 60 parts by mass. At this time, the compounding amount of the carbon nanofiber and the filler in the dynamic seal member is expressed by the formula when the compounding amount (part by mass) of the filler is W1 and the compounding amount (mass part) of the carbon nanofiber is W2. (3): Wt = 0.1W1 + W2 and formula (4): 10 ≦ Wt ≦ 30 can be satisfied. Therefore, when the filler is not included, the carbon nanofibers having an average diameter of 60 nm to 110 nm and heat-treated at a low temperature can be included at least 10 parts by mass. When the carbon nanofibers are 4 parts by mass, the filler is added. 60 parts by mass can be included.

(IV)動的シール部材の製造方法
本発明の一実施の形態にかかる動的シール部材の製造方法は、カーボンナノファイバーを、FKMに混合し、かつ、剪断力で該FKM中に均一に分散して炭素繊維複合材料を得る工程を含む。動的シール部材は、炭素繊維複合材料を所望の形状に成形することで得られる。本工程では、カーボンナノファイバーは、圧縮処理して得られたカーボンナノファイバー集合体を用いることができる。本工程について図2〜図4を用いて詳細に説明する。
(IV) Method for Producing Dynamic Seal Member A method for producing a dynamic seal member according to one embodiment of the present invention is such that carbon nanofibers are mixed with FKM and uniformly dispersed in the FKM by shearing force. And obtaining a carbon fiber composite material. The dynamic seal member can be obtained by molding a carbon fiber composite material into a desired shape. In this step, as the carbon nanofiber, a carbon nanofiber aggregate obtained by compression treatment can be used. This process will be described in detail with reference to FIGS.

図2〜図4は、本発明の一実施形態にかかるオープンロール法による動的シール部材の製造方法を模式的に示す図である。
図2〜図4に示すように、2本ロールのオープンロール2における第1のロール10と第2のロール20とは、所定の間隔d、例えば0.5mm〜1.5mmの間隔で配置され、図2〜図4において矢印で示す方向に回転速度V1,V2で正転あるいは逆転で回転する。まず、図2に示すように、第1のロール10に巻き付けられたFKM30の素練りを行ない、FKM分子鎖を適度に切断してフリーラジカルを生成する。素練りによって生成されたFKMのフリーラジカルがカーボンナノファイバーと結びつきやすい状態となる。
次に、図3に示すように、第1のロール10に巻き付けられたFKM30のバンク34に、カーボンナノファイバー80及び必要に応じて図示していない充填剤を投入し、混練する。この混練におけるFKM30の温度は、例えば100℃〜200℃であることができ、さらに150℃〜200℃であることができる。このように、薄通しに比べて比較的高温でFKM30とカーボンナノファイバー80とが混練されることでカーボンナノファイバー80の隙間にFKMが侵入しやすくなると考えられる。FKM30とカーボンナノファイバー80とを混合する工程は、オープンロール法に限定されず、例えば密閉式混練法あるいは多軸押出し混練法を用いることもできる。
2-4 is a figure which shows typically the manufacturing method of the dynamic seal member by the open roll method concerning one Embodiment of this invention.
As shown in FIGS. 2 to 4, the first roll 10 and the second roll 20 in the two-roll open roll 2 are arranged at a predetermined interval d, for example, 0.5 mm to 1.5 mm. 2 to 4, the motor rotates in the direction indicated by the arrow at the rotational speeds V1 and V2 in the normal direction or the reverse direction. First, as shown in FIG. 2, the FKM 30 wound around the first roll 10 is masticated, and the FKM molecular chain is appropriately cut to generate free radicals. The free radicals of FKM generated by mastication are likely to be combined with carbon nanofibers.
Next, as shown in FIG. 3, the carbon nanofibers 80 and, if necessary, a filler (not shown) are put into the bank 34 of the FKM 30 wound around the first roll 10 and kneaded. The temperature of the FKM 30 in this kneading can be, for example, 100 ° C. to 200 ° C., and further can be 150 ° C. to 200 ° C. Thus, it is considered that the FKM easily enters the gap between the carbon nanofibers 80 by kneading the FKM 30 and the carbon nanofibers 80 at a relatively high temperature as compared with the thin type. The step of mixing the FKM 30 and the carbon nanofiber 80 is not limited to the open roll method, and for example, a closed kneading method or a multi-screw extrusion kneading method can be used.

さらに、図4に示すように、第1のロール10と第2のロール20とのロール間隔dを、例えば0.5mm以下、より好ましくは0〜0.5mmの間隔に設定し、混合物36をオープンロール2に投入して薄通しを1回〜複数回行なう。薄通しの回数は、例えば1回〜10回程度行なうことができる。第1のロール10の表面速度をV1、第2のロール20の表面速度をV2とすると、薄通しにおける両者の表面速度比(V1/V2)は、1.05〜3.00であることができ、さらに1.05〜1.2であることが好ましい。このような表面速度比を用いることにより、所望の剪断力を得ることができる。このように狭いロール間から押し出された炭素繊維複合材料50は、FKM30の弾性による復元力で図4のように大きく変形し、その際にFKM30と共にカーボンナノファイバー80が大きく移動する。薄通しして得られた炭素繊維複合材料50は、ロールで圧延されて所定厚さのシート状に分出しされる。この薄通しの工程では、できるだけ高い剪断力を得るために、ロール温度を例えば0〜50℃、より好ましくは5〜30℃の比較的低い温度に設定して行われ、FKM30の実測温度も0〜50℃に調整されることができる。このようにして得られた剪断力により、FKM30に高い剪断力が作用し、凝集していたカーボンナノファイバー80がFKM分子に1本ずつ引き抜かれるように相互に分離し、FKM30中に分散される。特に、FKM30は、弾性と、粘性と、カーボンナノファイバー80との化学的相互作用と、を有するため、カーボンナノファイバー80を容易に分散することができる。そして、カーボンナノファイバー80の分散性および分散安定性(カーボンナノファイバーが再凝集しにくいこと)に優れた炭素繊維複合材料50を得ることができる。   Furthermore, as shown in FIG. 4, the roll interval d between the first roll 10 and the second roll 20 is set to, for example, 0.5 mm or less, more preferably 0 to 0.5 mm, and the mixture 36 is Insert into the open roll 2 and perform thinning once to several times. For example, the thinning can be performed about 1 to 10 times. When the surface speed of the first roll 10 is V1 and the surface speed of the second roll 20 is V2, the ratio of the surface speeds (V1 / V2) in thinness is 1.05 to 3.00. Furthermore, it is preferable that it is 1.05-1.2. By using such a surface velocity ratio, a desired shear force can be obtained. The carbon fiber composite material 50 extruded from between the narrow rolls as described above is greatly deformed as shown in FIG. 4 due to the restoring force due to the elasticity of the FKM 30, and the carbon nanofibers 80 move together with the FKM 30 at that time. The carbon fiber composite material 50 obtained through thinning is rolled with a roll and dispensed into a sheet having a predetermined thickness. In this thinning process, in order to obtain as high a shearing force as possible, the roll temperature is set to a relatively low temperature of, for example, 0 to 50 ° C., more preferably 5 to 30 ° C., and the measured temperature of the FKM 30 is also 0. It can be adjusted to -50 ° C. Due to the shearing force thus obtained, a high shearing force acts on the FKM 30, and the aggregated carbon nanofibers 80 are separated from each other so as to be pulled out by FKM molecules one by one and dispersed in the FKM 30. . In particular, since the FKM 30 has elasticity, viscosity, and chemical interaction with the carbon nanofibers 80, the carbon nanofibers 80 can be easily dispersed. And the carbon fiber composite material 50 excellent in the dispersibility and dispersion stability of carbon nanofiber 80 (it is hard to re-aggregate carbon nanofiber) can be obtained.

より具体的には、オープンロールでFKMとカーボンナノファイバーとを混合すると、粘性を有するFKMがカーボンナノファイバーの相互に侵入し、かつ、FKMの特定の部分が化学的相互作用によってカーボンナノファイバーの活性の高い部分と結合する。カーボンナノファイバーの表面が例えば黒鉛化しない場合や低温熱処理などによって適度に活性が高いと、特にFKM分子と結合し易く好ましい。次に、FKMに強い剪断力が作用すると、FKM分子の移動に伴ってカーボンナノファイバーも移動し、さらに剪断後の弾性によるFKMの復元力によって、凝集していたカーボンナノファイバーが分離されて、FKM中に分散されることになる。本実施の形態によれば、炭素繊維複合材料が狭いロール間から押し出された際に、FKMの弾性による復元力で炭素繊維複合材料はロール間隔より厚く変形する。その変形は、強い剪断力の作用した炭素繊維複合材料をさらに複雑に流動させ、カーボンナノファイバーをFKM中に分散させると推測できる。そして、一旦分散したカーボンナノファイバーは、FKMとの化学的相互作用によって再凝集することが防止され、良好な分散安定性を有することができる。   More specifically, when FKM and carbon nanofibers are mixed with an open roll, viscous FKM enters the carbon nanofibers, and a specific portion of the FKM is chemically interacted with the carbon nanofibers. Binds to highly active moieties. For example, when the surface of the carbon nanofiber is not graphitized or has a moderately high activity by low-temperature heat treatment or the like, it is particularly easy to bind to FKM molecules. Next, when a strong shearing force acts on the FKM, the carbon nanofibers move with the movement of the FKM molecules, and the aggregated carbon nanofibers are separated by the restoring force of the FKM due to elasticity after shearing, Will be dispersed in the FKM. According to the present embodiment, when the carbon fiber composite material is pushed out between narrow rolls, the carbon fiber composite material is deformed thicker than the roll interval by the restoring force due to the elasticity of FKM. The deformation can be presumed to cause the carbon fiber composite material with a strong shearing force to flow more complicatedly and disperse the carbon nanofibers in the FKM. And once disperse | distributed carbon nanofiber is prevented from reaggregating by the chemical interaction with FKM, and can have favorable dispersion stability.

FKMにカーボンナノファイバーを剪断力によって分散させる工程は、前記オープンロール法に限定されず、密閉式混練法あるいは多軸押出し混練法を用いることもできる。要するに、この工程では、凝集したカーボンナノファイバーを分離できる剪断力をFKMに与えることができればよい。特に、オープンロール法は、ロール温度の管理だけでなく、混合物の実際の温度を測定し管理することができるため、好ましい。FKMとカーボンナノチューブとの混合前、混合中、あるいは薄通し後の分出しされた炭素繊維複合材料に、架橋剤を混合することができ、架橋して架橋体の炭素繊維複合材料とすることができる。FKMの架橋は、ポリアミン加硫、ポリオール加硫、パーオキサイド加硫によって行うことができるが、耐薬品性に優れたパーオキサイド加硫を用いることができる。   The step of dispersing carbon nanofibers in FKM by shearing force is not limited to the open roll method, and a closed kneading method or a multi-screw extrusion kneading method can also be used. In short, in this step, it is sufficient that a shearing force capable of separating the aggregated carbon nanofibers can be given to the FKM. In particular, the open roll method is preferable because it can measure and manage not only the roll temperature but also the actual temperature of the mixture. A cross-linking agent can be mixed with the carbon fiber composite material dispensed before, during, or after passing through the FKM and the carbon nanotube, and the cross-linked carbon fiber composite material can be cross-linked. it can. Crosslinking of FKM can be performed by polyamine vulcanization, polyol vulcanization, or peroxide vulcanization, and peroxide vulcanization having excellent chemical resistance can be used.

動的シール部材は、炭素繊維複合材料を一般に採用されるゴムの成形加工例えば、射出成形法、トランスファー成形法、プレス成形法、押出成形法、カレンダー加工法などによって所望の形状例えば無端状に成形することで得ることができる。動的シール部材は、架橋された炭素繊維複合材料からなることができる。   The dynamic seal member is molded into a desired shape, for example, endless by a rubber molding process generally employed with a carbon fiber composite material, such as an injection molding method, a transfer molding method, a press molding method, an extrusion molding method, or a calendering method. You can get it. The dynamic seal member can be made of a crosslinked carbon fiber composite material.

本実施の形態にかかる炭素繊維複合材料の製造方法において、通常、FKMの加工で用いられる配合剤を加えることができる。配合剤としては公知のものを用いることができる。配合剤としては、例えば、架橋剤、加硫剤、加硫促進剤、加硫遅延剤、軟化剤、可塑剤、硬化剤、補強剤、充填剤、老化防止剤、着色剤などを挙げることができる。これらの配合剤は、混合の過程の適切な時期にFKMに投入することができる。架橋剤としては、パーオキサイドを用いることができ、例えばカーボンナノファイバーをFKMへ混合する前、カーボンナノファイバーと一緒、あるいはカーボンナノファイバーとFKMを混合した後に投入することができ、例えばスコーチ防止のために架橋剤は薄通し後の未架橋の炭素繊維複合材料に配合することができる。   In the method for producing a carbon fiber composite material according to the present embodiment, a compounding agent usually used in FKM processing can be added. A well-known thing can be used as a compounding agent. Examples of the compounding agent include a crosslinking agent, a vulcanizing agent, a vulcanization accelerator, a vulcanization retarder, a softening agent, a plasticizer, a curing agent, a reinforcing agent, a filler, an antiaging agent, and a coloring agent. it can. These compounding agents can be added to the FKM at an appropriate time during the mixing process. As the crosslinking agent, peroxide can be used, for example, before carbon nanofibers are mixed with FKM, together with carbon nanofibers, or after carbon nanofibers and FKM are mixed, for example, for preventing scorch. Therefore, a crosslinking agent can be mix | blended with the uncrosslinked carbon fiber composite material after passing through.

(V)動的シール部材
動的シール部材は、FKMをカーボンナノファイバーによって補強することによって、高温における物性に優れ、しかも耐摩耗性に優れることができる。動的シール部材は、公知の形態を有することができ、例えば無端状であることができ、いわゆるOリングや、断面形状が矩形の角シール、断面形状がD字状のいわゆるDリング、断面形状がX字状のいわゆるXリング、断面形状がE字状のいわゆるEリング、断面形状がV字状のいわゆるVリング、断面形状がU字状のUリング、断面形状がL字状のLリングなどを採用することができる。また、動的シール部材は、例えばマッドモータなどの流体駆動用モータのステータもしくはロータとすることができる。
(V) Dynamic seal member The dynamic seal member can be excellent in physical properties at high temperatures and excellent in wear resistance by reinforcing FKM with carbon nanofibers. The dynamic seal member can have a known form, for example, can be endless, such as a so-called O-ring, a square seal with a rectangular cross-sectional shape, a so-called D-ring with a cross-sectional shape, or a cross-sectional shape. X-shaped so-called X ring, cross-sectional shape E-shaped so-called E-ring, cross-sectional shape V-shaped so-called V-ring, cross-sectional shape U-shaped U-ring, cross-sectional shape L-shaped L-ring Etc. can be adopted. The dynamic seal member may be a stator or rotor of a fluid drive motor such as a mud motor.

図5は、本発明の一実施形態にかかる動的シール部材の引張疲労試験を模式的に示す図である。
図5に示すように、本実施の形態における動的シール部材の引張疲労試験は、前記(IV)で製造した架橋体の炭素繊維複合材料を長さ10mm×幅4mm×厚さ1mmの短冊状の試験片100に切り出し、その試験片100の長辺102の中心から幅方向へ深さ1mmの切込み106を入れ、試験片100の両端の短辺104,104付近をチャック110,110にて保持して、大気雰囲気中、周波数1Hzの条件で図5の矢印T方向に繰り返し引っ張り荷重(最大引張応力2.5N/mmのときは0N/mm〜2.5N/mm、最大引張応力2N/mmのときは0N/mm〜2N/mm)をかけ、破断するかあるいは100万回までの繰り返し回数を測定することができる。試験片100の切込み106は、カミソリ刃によって1mmの深さに切込むことで形成することができる。ゴム組成物の耐摩耗性試験は、これまでも幾つかの測定方法が提案されていたが、このような引張疲労試験によって耐摩耗性の評価を行うことができると考えられる。ゴム組成物が摩擦によって摩耗する現象は、被接触面にゴム組成物が引きちぎられるようにして起こると考えられるので、試験片に切込み106を入れて引張疲労試験を行い、破断するまでの回数が多ければ動的シール部材の耐摩耗性が良好であると推測できる。動的シール部材は、3元系の含フッ素エラストマー(FKM)に対し、カーボンナノファイバーを含み、200℃、最大引張応力2.5N/mm、周波数1Hzの引張疲労試験における破断回数が10回以上である。動的シール部材は、さらに、200℃、最大引張応力2.5N/mm、周波数1Hzの引張疲労試験における破断回数が30回以上であることができる。また、動的シール部材の硬度が80未満であるとき、200℃、最大引張応力2N/mm、周波数1Hzの引張疲労試験における破断回数が50回以上であることができる。動的シール部材の硬度が80以上であるとき、200℃、最大引張応力2N/mm、周波数1Hzの引張疲労試験における破断回数が300回以上であることができ、さらに500回以上であることができる。硬度によって動的シール部材の用途を選択することがあり、また動的シール部材の硬度と耐摩耗性との間に重要な関連があると考えられる。例えば、異なる材質の動的シール部材の耐摩耗性を比較する際に、同じ硬度の動的シール部材同士の耐摩耗性を比較することができる。硬度が80未満の中硬度の動的シール部材と、硬度が80以上の高硬度の動的シール部材とを比較した場合、前記破断回数は大きな差があるが、以下に説明するDIN摩耗試験機を用いた高圧摩耗試験においては耐摩耗性に差が小さい傾向がある。なお、本発明における硬度は、JIS K 6253に基づいて測定したJIS−A硬度である。
FIG. 5 is a diagram schematically showing a tensile fatigue test of the dynamic seal member according to the embodiment of the present invention.
As shown in FIG. 5, the tensile fatigue test of the dynamic seal member in the present embodiment is a strip-like carbon fiber composite material of 10 mm long × 4 mm wide × 1 mm thick manufactured in the above (IV). The test piece 100 is cut out, a notch 106 having a depth of 1 mm is inserted in the width direction from the center of the long side 102 of the test piece 100, and the vicinity of the short sides 104 and 104 at both ends of the test piece 100 is held by the chucks 110 and 110. In the air atmosphere, the tensile load is repeatedly applied in the direction of arrow T in FIG. 5 at a frequency of 1 Hz (0 N / mm to 2.5 N / mm when the maximum tensile stress is 2.5 N / mm, and the maximum tensile stress is 2 N / mm. In this case, 0 N / mm to 2 N / mm) can be applied to break or measure the number of repetitions up to 1 million times. The cut 106 of the test piece 100 can be formed by cutting to a depth of 1 mm with a razor blade. Although several measurement methods have been proposed so far for the abrasion resistance test of the rubber composition, it is considered that the abrasion resistance can be evaluated by such a tensile fatigue test. The phenomenon in which the rubber composition wears due to friction is considered to occur as the rubber composition is torn on the contacted surface. Therefore, the test piece is notched 106 and a tensile fatigue test is performed. If the number is large, it can be estimated that the wear resistance of the dynamic seal member is good. The dynamic seal member contains carbon nanofibers with respect to the ternary fluorine-containing elastomer (FKM), and the number of breaks in a tensile fatigue test at 200 ° C., a maximum tensile stress of 2.5 N / mm, and a frequency of 1 Hz is 10 times or more. It is. The dynamic sealing member may further have a number of breaks of 30 or more in a tensile fatigue test at 200 ° C., a maximum tensile stress of 2.5 N / mm, and a frequency of 1 Hz. When the dynamic seal member has a hardness of less than 80, the number of breaks in a tensile fatigue test at 200 ° C., a maximum tensile stress of 2 N / mm, and a frequency of 1 Hz can be 50 or more. When the dynamic seal member has a hardness of 80 or more, the number of breaks in a tensile fatigue test at 200 ° C., a maximum tensile stress of 2 N / mm, and a frequency of 1 Hz can be 300 times or more, and more than 500 times. it can. The application of the dynamic seal member may be selected depending on the hardness, and it is considered that there is an important relationship between the hardness and the wear resistance of the dynamic seal member. For example, when comparing the wear resistance of the dynamic seal members of different materials, the wear resistance of the dynamic seal members having the same hardness can be compared. When a medium-hardness dynamic seal member with a hardness of less than 80 is compared with a high-hardness dynamic seal member with a hardness of 80 or more, the number of breaks varies greatly. There is a tendency that the difference in wear resistance is small in the high-pressure wear test using. The hardness in the present invention is a JIS-A hardness measured based on JIS K 6253.

また、動的シール部材の耐摩耗性は、カーボンナノファイバーの太さや表面の濡れ性あるいは充填剤の配合の有無によって影響を受けることが推測できる。動的シール部材は、3元系の含フッ素エラストマー(FKM)100質量部に対し、平均直径が10nm〜20nmのカーボンナノファイバー0.5質量部〜30質量部と、平均粒径5nm〜300nmの充填剤0質量部〜50質量部と、を含み、カーボンナノファイバーと前記充填剤の配合量は、下記式(1)及び(2)を満たすことができる。さらに、平均直径が10nm〜20nmのカーボンナノファイバーの配合量は、1質量部〜30質量部であることができ、特に5質量部〜30質量部であることができる。
Wt=0.09W1+W2 (1)
5≦Wt≦30 (2)
W1:充填剤の配合量(質量部)
W2:カーボンナノファイバーの配合量(質量部)。
Further, it can be estimated that the wear resistance of the dynamic seal member is affected by the thickness of the carbon nanofiber, the wettability of the surface, or the presence or absence of a filler. The dynamic sealing member has an average diameter of 0.5 to 30 parts by mass of carbon nanofibers having an average diameter of 10 nm to 20 nm and an average particle diameter of 5 to 300 nm with respect to 100 parts by mass of a ternary fluorine-containing elastomer (FKM). The blending amount of the carbon nanofibers and the filler can satisfy the following formulas (1) and (2). Furthermore, the compounding amount of the carbon nanofibers having an average diameter of 10 nm to 20 nm can be 1 part by mass to 30 parts by mass, particularly 5 parts by mass to 30 parts by mass.
Wt = 0.09W1 + W2 (1)
5 ≦ Wt ≦ 30 (2)
W1: Blending amount of filler (parts by mass)
W2: Compounding amount (parts by mass) of carbon nanofibers.

動的シール部材は、3元系の含フッ素エラストマー(FKM)100質量部に対し、平均直径が60nm〜110nmであって低温熱処理したカーボンナノファイバー4質量部〜30質量部と、平均粒径5nm〜300nmの充填剤0質量部〜60質量部と、を含み、カーボンナノファイバーと前記充填剤の配合量は、下記式(3)及び(4)を満たすことができる。さらに、平均直径が60nm〜110nmであって低温熱処理したカーボンナノファイバーの配合量は、5質量部〜30質量部であることができ、さらに10質量部〜30質量部であることができる。
Wt=0.1W1+W2 (3)
10≦Wt≦30 (4)
W1:充填剤の配合量(質量部)
W2:カーボンナノファイバーの配合量(質量部)。
The dynamic sealing member has an average diameter of 60 nm to 110 nm and low temperature heat treated carbon nanofibers of 4 to 30 parts by mass and an average particle diameter of 5 nm with respect to 100 parts by mass of a ternary fluorine-containing elastomer (FKM). The blending amount of carbon nanofibers and the filler can satisfy the following formulas (3) and (4). Furthermore, the blending amount of the carbon nanofibers having an average diameter of 60 nm to 110 nm and subjected to low temperature heat treatment can be 5 parts by mass to 30 parts by mass, and further can be 10 parts by mass to 30 parts by mass.
Wt = 0.1W1 + W2 (3)
10 ≦ Wt ≦ 30 (4)
W1: Blending amount of filler (parts by mass)
W2: Compounding amount (parts by mass) of carbon nanofibers.

図6は、本発明の一実施形態にかかる動的シール部材の摩耗試験を模式的に示す図である。
図6に示すように、動的シール部材の高圧摩耗試験は、DIN摩耗試験機120を用いて行い、前記(IV)で製造した架橋体の炭素繊維複合材料サンプルを円盤状試験片126に切り出し、おもり129を用いて所定荷重で試験片126を回転する円盤形砥石128の表面に押しつけて摩耗させることができる。試験片126は水槽122の水124の中に配置され、摩擦熱による試験片126の温度上昇を抑えることができる。円盤状試験片126は直径8mm、厚さ6mmであることができ、おもり129は例えば5kgfを用いて49.0Nの荷重で試験片126を円盤形砥石128に押しつけることができ、円盤形砥石128の表面は#100の粗さであることができ、水槽122の水124は室温〜80℃に設定することができ、試験片126と円盤形砥石128とが摩擦する距離を20mとすることができ、その他はDIN−53516摩耗試験と同様にして、摩耗試験前後の試験片の質量(g)を計測することができる。
FIG. 6 is a diagram schematically showing a wear test of the dynamic seal member according to the embodiment of the present invention.
As shown in FIG. 6, the high-pressure wear test of the dynamic seal member is performed using a DIN wear tester 120, and the crosslinked carbon fiber composite material sample manufactured in (IV) is cut into a disk-shaped test piece 126. The weight 129 can be pressed against the surface of the disk-shaped grindstone 128 that rotates the test piece 126 with a predetermined load to be worn. The test piece 126 is disposed in the water 124 of the water tank 122, and the temperature rise of the test piece 126 due to frictional heat can be suppressed. The disk-shaped test piece 126 can have a diameter of 8 mm and a thickness of 6 mm, and the weight 129 can press the test piece 126 against the disk-shaped grindstone 128 with a load of 49.0 N using, for example, 5 kgf. The surface of the water can have a roughness of # 100, the water 124 in the water tank 122 can be set to room temperature to 80 ° C., and the distance between the test piece 126 and the disc-shaped grindstone 128 is 20 m. Otherwise, the mass (g) of the test piece before and after the abrasion test can be measured in the same manner as the DIN-53516 abrasion test.

動的シール部材は、25℃の高圧摩耗試験における摩耗量Waが0.010cm/N・m〜0.070cm/N・mであり、摩耗量Waは、下記式(5)を満たすことができる。さらに、動的シール部材は、摩耗量Waが0.020cm/N・m〜0.060cm/N・mであることができ、特に0.020cm/N・m〜0.050cm/N・mであることができる。
Wa=(g−g)/(P・L・d) (5)
:摩耗前の試験片の質量(g)
:摩耗後の試験片の質量(g)
P:おもりの設定荷重(N)
L:摩耗距離(m)
d:比重(g/cm)。
Dynamic seal member wear amount Wa in the high-pressure wear test 25 ° C. was 0.010cm 3 / N · m~0.070cm 3 / N · m, the wear amount Wa, it satisfies the following formula (5) Can do. Furthermore, the dynamic seal member can wear amount Wa is 0.020cm 3 / N · m~0.060cm 3 / N · m, in particular 0.020cm 3 / N · m~0.050cm 3 / N · m.
Wa = (g 2 −g 1 ) / (P · L · d) (5)
g 1 : Mass of the test piece before wear (g)
g 2 : Mass of the test piece after wear (g)
P: Set weight of weight (N)
L: Wear distance (m)
d: Specific gravity (g / cm 3 ).

動的シール部材を成形するための炭素繊維複合材料は、FKMと、該FKM中に均一に分散した気相成長法によって製造されたカーボンナノファイバーと、を含む。未架橋体の炭素繊維複合材料は、パルス法NMRを用いてハーンエコー法によって150℃、観測核がHで測定した、特性緩和時間(T2’HE/150℃)が500〜1200μ秒であることができ、さらに500〜1300μ秒であることができ、特に500〜1100μ秒であることができる。なお、特性緩和時間(T2’HE)における「HE」は、後述するソリッドエコー法の「SE」と区別するために用いた表記である。ハーンエコー法による特性緩和時間(T2’HE)は、FKMの分子運動性を示す尺度であって、多成分系の平均的緩和時間を表す。したがって、特性緩和時間(T2’HE)は、ハーンエコー法によって検出された複数の緩和時間の平均値であり、「1/T2’HE=fa/T2a+fb/T2b+fc/T2c・・・」と表すことができる。カーボンナノファイバーが分散した炭素繊維複合材料は、マトリックスであるFKM分子をカーボンナノファイバーが拘束する力を表すと言え、(T2’HE/150℃)がFKM単体に比べてカーボンナノファイバーの配合量に応じて小さくなる。したがって、カーボンナノファイバーを混合した炭素繊維複合材料であっても、カーボンナノファイバーが均一に分散していない場合にはFKM分子を全体に拘束しにくいため、150℃におけるハーンエコー法による特性緩和時間(T2’HE/150℃)がFKM単体と大きく変わらないと考えられる。A carbon fiber composite material for forming a dynamic seal member includes FKM and carbon nanofibers manufactured by a vapor growth method uniformly dispersed in the FKM. The uncrosslinked carbon fiber composite material has a characteristic relaxation time (T2′HE / 150 ° C.) of 500 to 1200 μsec, measured at 150 ° C. by the Hahn echo method using pulsed NMR and the observation nucleus at 1 H. Can be further 500 to 1300 microseconds, in particular 500 to 1100 microseconds. Note that “HE” in the characteristic relaxation time (T2′HE) is a notation used to distinguish from “SE” in the solid echo method described later. The characteristic relaxation time (T2′HE) by the Hahn-echo method is a measure showing the molecular mobility of FKM, and represents the average relaxation time of a multicomponent system. Therefore, the characteristic relaxation time (T2′HE) is an average value of a plurality of relaxation times detected by the Hahn-echo method, and is expressed as “1 / T2′HE = fa / T2a + fb / T2b + fc / T2c. Can do. A carbon fiber composite material in which carbon nanofibers are dispersed represents the ability of carbon nanofibers to restrain FKM molecules as a matrix. (T2'HE / 150 ° C) is a blending amount of carbon nanofibers compared to FKM alone. It becomes small according to. Therefore, even if it is a carbon fiber composite material mixed with carbon nanofibers, the characteristic relaxation time by the Hahn echo method at 150 ° C. is difficult because the FKM molecules are difficult to bind to the whole when the carbon nanofibers are not uniformly dispersed. (T2′HE / 150 ° C.) is considered not to be significantly different from that of FKM alone.

未架橋体の炭素繊維複合材料は、パルス法NMRを用いてソリッドエコー法によって150℃、観測核がHで測定した、特性緩和時間(T2’SE/150℃)が10〜700μ秒であることができ、さらに特性緩和時間(T2’SE/150℃)が10〜500μ秒であることができ、特性緩和時間(T2’SE/150℃)が10〜200μ秒であることができる。ソリッドエコー法による特性緩和時間(T2’SE)は、カーボンナノファイバーによる磁場の不均一性を示す尺度であって、多成分系の平均的緩和時間を表す。したがって、特性緩和時間(T2’SE)は、ハーンエコー法によって検出された複数の緩和時間の平均値であり、「1/T2’SE=fa/T2a+fb/T2b+fc/T2c・・・」と表すことができる。カーボンナノファイバーが分散した炭素繊維複合材料は、カーボンナノファイバーが均一に分散することで磁場の不均一性が起こり、150℃におけるソリッドエコー法による特性緩和時間(T2’SE/150℃)がFKM単体に比べてカーボンナノファイバーの配合量に応じて小さくなる。また、カーボンナノファイバーを混合した炭素繊維複合材料であっても、カーボンナノファイバーが均一に分散していない場合には磁場の不均一性があまり導入されず、したがって150℃におけるソリッドエコー法による特性緩和時間(T2’SE/150℃)がFKM単体とほとんど変わらないと考えられる。The uncrosslinked carbon fiber composite material has a characteristic relaxation time (T2′SE / 150 ° C.) of 10 to 700 μs measured at 150 ° C. by solid echo method using pulsed NMR and observation nucleus at 1 H. Furthermore, the characteristic relaxation time (T2′SE / 150 ° C.) can be 10 to 500 μsec, and the characteristic relaxation time (T2′SE / 150 ° C.) can be 10 to 200 μsec. The characteristic relaxation time (T2′SE) by the solid echo method is a measure showing the non-uniformity of the magnetic field due to the carbon nanofibers, and represents the average relaxation time of a multicomponent system. Therefore, the characteristic relaxation time (T2′SE) is an average value of a plurality of relaxation times detected by the Hahn echo method, and is expressed as “1 / T2′SE = fa / T2a + fb / T2b + fc / T2c. Can do. The carbon fiber composite material in which carbon nanofibers are dispersed causes magnetic field inhomogeneity due to the uniform dispersion of carbon nanofibers, and the characteristic relaxation time (T2'SE / 150 ° C) by the solid echo method at 150 ° C is FKM. It becomes smaller according to the compounding quantity of carbon nanofiber than a simple substance. In addition, even when carbon nanofibers are mixed with carbon nanofibers, non-uniformity of the magnetic field is not introduced when carbon nanofibers are not uniformly dispersed. It is considered that the relaxation time (T2′SE / 150 ° C.) is almost the same as that of FKM alone.

また、カーボンナノファイバーの周囲には、FKMの一部が混練中に分子鎖切断され、それによって生成されたフリーラジカルがカーボンナノファイバーの表面をアタックして吸着したFKM分子の凝集体と考えられる界面相が形成される。界面相は、例えばエラストマーとカーボンブラックとを混練した際にカーボンブラックの周囲に形成されるバウンドラバーに類似するものと考えられる。このような界面相は、カーボンナノファイバーを被覆して保護し、また、カーボンナノファイバーを所定量以上配合することで界面相同士が連鎖した界面相に囲まれてナノメートルサイズに分割されたFKMの小さなセルを形成すると推定される。このような小さなセルが炭素繊維複合材料の全体にほぼ均質に形成されることで、単に2つの材料を複合したことによる効果を超えた効果を期待することができる。   In addition, around the carbon nanofibers, a part of FKM is considered to be an aggregate of FKM molecules adsorbed by attacking the surface of the carbon nanofibers and free radicals generated by the molecular chain cleavage during kneading. An interfacial phase is formed. The interfacial phase is considered to be similar to a bound rubber formed around carbon black when, for example, an elastomer and carbon black are kneaded. Such an interfacial phase is coated and protected with carbon nanofibers, and by blending more than a predetermined amount of carbon nanofibers, the interfacial phase is surrounded by an interfacial phase and is divided into nanometer-sized FKMs. Are estimated to form small cells. By forming such small cells almost uniformly throughout the carbon fiber composite material, it is possible to expect an effect that exceeds the effect of simply combining the two materials.

さらに、本発明の一実施形態によれば、動的シール部材は、過酷な条件な備えた油田用途に使用可能である。上述のように、この動的シール部材は、200℃以上の高温における高い機械的特性を備えるだけでなく、25℃以下の比較的低温や5000psi以上の高圧でも高い機械的特性を維持したり、又は、高い耐摩耗性、低い摩擦性、HS、CH又はCOに対する高い耐ガス性、高い耐薬品性、若しくは高い熱伝導性を有していたりするからである。以下に、油田用途を詳述する。Furthermore, according to one embodiment of the present invention, the dynamic seal member can be used for oil field applications with severe conditions. As described above, this dynamic sealing member not only has high mechanical properties at a high temperature of 200 ° C. or higher, but also maintains high mechanical properties at a relatively low temperature of 25 ° C. or lower and a high pressure of 5000 psi or higher, Alternatively, it has high wear resistance, low friction, high gas resistance against H 2 S, CH 4 or CO 2 , high chemical resistance, or high thermal conductivity. The oil field application will be described in detail below.

(VI)油田用途
油田用途の動的シール部材は、例えば、油田装置(Oilfield Apparatus)に用いることができる。油田装置の動的シール部材は、例えば、検層装置(logging tool)やモータのような回転機械やピストンのような往復動機械などに用いることができる。油田装置の代表的な実施形態について以下に説明する。
(VI) Oil field use The dynamic seal member for oil field use can be used for an oil field apparatus (Oilfield Apparatus), for example. The dynamic seal member of the oil field device can be used in, for example, a logging machine, a rotary machine such as a motor, a reciprocating machine such as a piston, or the like. A typical embodiment of the oil field apparatus will be described below.

検層装置は、例えば掘削された坑井(borehole)内及び坑井周辺の地層、油層などの物理的特性や坑井あるいはケーシングの幾何学的特性(孔径、方位、傾斜等)、油層の流れの挙動などを深度毎に記録するための装置であって、例えば油田(oilfield)において用いることができる。油田用途の検層装置としては、例えば、図7に示す海底(subsea)用途と、図10に示す地下(underground)用途と、を挙げることができる。検層装置には、ワイヤーライン検層(Wireline log/logging)や泥水検層(Mud logging)などがあり、測定機器が掘削アッセンブリーに装備されている掘削中検層(LWD:Logging While Drilling)や掘削中測定(MWD:Measurement While Drilling)などがある。これらの検層装置は、地中の深い位置で作業するため、周囲環境は動的シール部材にとって苛酷になり、高温特に175℃以上にさらされた状態で摩擦に耐えて液密状態を保たなければならない場合があり、HNBRの複合材よりも高い耐熱性が要求されることがある。   For example, the logging equipment is used for physical properties such as formations and oil reservoirs in and around excavated boreholes, geometric properties of wells or casings (bore diameter, orientation, slope, etc.), flow of oil reservoirs, etc. Is a device for recording the behavior of each at every depth, and can be used, for example, in an oil field. Examples of the logging device for oil field use include the subsea use shown in FIG. 7 and the underground use shown in FIG. The logging equipment includes wireline logging (muline logging) and mud logging (mud logging), etc., and logging logging (LWD) with measuring equipment installed in the drilling assembly, Measurement during drilling (MWD: Measurement While Drilling). Since these logging devices work deep in the ground, the surrounding environment becomes harsh for the dynamic seal member, and resists friction and maintains a liquid-tight state when exposed to high temperatures, particularly 175 ° C or higher. In some cases, heat resistance higher than that of the HNBR composite material may be required.

図7〜図10を用いて、検層装置に用いられる本発明の一実施形態の動的シール部材について説明する。図7は、本発明の一実施形態にかかる海底用途の検層装置を模式的に示す断面図である。図8は、本発明の一実施形態にかかる図7の検層装置を模式的に示す部分断面図である。図9は、図8の検層装置のマッドモータを模式的に示すX−X’断面図である。図10は、本発明の一実施形態にかかる地下用途の検層装置を模式的に示す断面図である。   The dynamic seal member of one embodiment of the present invention used in the logging apparatus will be described with reference to FIGS. FIG. 7 is a cross-sectional view schematically showing a logging tool for seabed use according to an embodiment of the present invention. FIG. 8 is a partial cross-sectional view schematically showing the logging apparatus of FIG. 7 according to one embodiment of the present invention. FIG. 9 is an X-X ′ cross-sectional view schematically showing a mud motor of the logging apparatus of FIG. 8. FIG. 10 is a cross-sectional view schematically showing an underground logging tool according to an embodiment of the present invention.

図7に示すように、海洋における、掘削アッセンブリーに装備された測定機器による地下資源の探査は、例えば海152に浮くプラットホーム150から海底154に設けられた縦穴や横穴などで構成される坑井156内に検層装置として例えば穴底組立体(BHA:bottom hole assembly)160を進入させ、地中の地質構造などを探査し、目標物質である例えば石油の有無を探査する。穴底組立体160は、例えばプラットホーム150から延びる長いドリル・ストリング(drill string)153の先端に固定され、複数のモジュールを有し、例えば、先端から順に、ドリルビット162、回転操作システム(RSS:rotary steerable system)164、マッドモータ(Mud moter)166、掘削中測定モジュール168、及び掘削中検層モジュール170を連結して有することができる。ドリルビット162は、坑井156の坑底部156aにおいて回転によって掘削を進めることができる。   As shown in FIG. 7, the exploration of underground resources by the measuring equipment installed in the drilling assembly in the ocean is, for example, a well 156 composed of a vertical hole or a horizontal hole provided in the seabed 154 from the platform 150 floating in the sea 152. For example, a bottom hole assembly (BHA) 160 is made to enter as a logging device, and a geological structure in the ground is searched to search for the presence of, for example, petroleum as a target material. The hole bottom assembly 160 is fixed to the tip of a long drill string 153 extending from the platform 150, for example, and has a plurality of modules. For example, in order from the tip, a drill bit 162, a rotation operation system (RSS: A rotary steerable system 164, a mud motor 166, a measurement module 168 during excavation, and a logging module 170 during excavation may be connected. The drill bit 162 can advance excavation by rotation at the bottom portion 156 a of the well 156.

図8に示す回転操作システム164は、ドリルビット162を回転させたまま一定の方向へビットを偏向させる図示しない偏向機構を有し、傾斜制御掘削を可能とするシステムである。回転操作システム164は、本発明の一実施形態の動的シール部材を適用することができる。回転操作システム164は、例えば最大約210℃において高い耐摩耗性をもった動的シール部材や、様々な泥水への暴露に対する高い耐薬品性を有する動的シール部材が必要である。従来の動的シール部材は、ゴムの摩耗及び断裂によって機能しなくなる傾向があった。特に、厳しい化学的環境においては、問題は深刻となる傾向があった。米国特許出願公開第2006/0157283号に示されているようなロータリー・ステアラブル・システムのための動的シール部材は、高い摺動速度(〜100mm/sec)で機能を果たすことが要求されるが、使用温度におけるエラストマーの特性低下及び掘削流体の摩耗特性により、動的シール部材の前記問題が助長される傾向があった。これに対して、本発明の一実施形態の動的シール部材を回転操作システム164の動的シール部材に用いることによって、上述の動的シール部材の特性に加えて、粒子を含む掘削マッドから密閉するための高い耐摩耗性、広範な掘削流体に対するより優れた耐薬品性、及び断裂を減少させる高温におけるより優れた機械的特性により、上記の諸課題を解決することができる。回転操作システム164は、回転しない円筒形の筐体164aと、筐体164a内を貫通してマッドモータ166の回転力をドリルビット162へ伝える伝達軸164bと、伝達軸164bを筐体164a内で回転可能に支持する動的シール部材164cとを有する。動的シール部材164cは、筐体164aに設けられた環状溝にはめ込まれた例えば無端状のOリングであることができ、回転する伝達軸164bの表面との間で密封する機能を有する。この動的シール部材164cが前記(IV)で得られた動的シール部材であることで、高温例えば175℃程度までの地下の過酷な環境においても耐摩耗性に優れるため、長時間密封機能を維持することができる。このような動的シール部材の使用は、例えば、本明細書において全体として援用される米国特許出願公開第2006/0157283号と米国特許第7,188,685号とにおいて見られる。より詳細に述べると、米国特許出願公開第2006/0157283号の図5は、ロータリー可変アセンブリのバイアス装置の穴30を密閉するピストン36上のシール部材38を示している。米国特許第7,188,685号は、バイアス装置を示している。   The rotation operation system 164 shown in FIG. 8 has a deflection mechanism (not shown) that deflects the bit in a certain direction while rotating the drill bit 162, and enables tilt-controlled excavation. The rotary operation system 164 can apply the dynamic seal member of one embodiment of the present invention. The rotary operating system 164 requires a dynamic seal member with high wear resistance, for example at up to about 210 ° C., and a dynamic seal member with high chemical resistance to exposure to various mud water. Conventional dynamic seal members tended to fail due to rubber wear and tear. In particular, in harsh chemical environments, the problem tended to be serious. While dynamic seal members for rotary steerable systems such as those shown in US 2006/0157283 are required to perform at high sliding speeds (˜100 mm / sec) The problems of dynamic seal members tended to be exacerbated by the degradation of elastomer properties and wear characteristics of drilling fluids at operating temperatures. In contrast, by using the dynamic seal member of one embodiment of the present invention for the dynamic seal member of the rotary operation system 164, in addition to the characteristics of the dynamic seal member described above, it is sealed from the drilling mud containing particles. The above problems can be solved by high wear resistance to achieve, better chemical resistance to a wide range of drilling fluids, and better mechanical properties at high temperatures that reduce tearing. The rotation operation system 164 includes a non-rotating cylindrical casing 164a, a transmission shaft 164b that passes through the casing 164a and transmits the rotational force of the mud motor 166 to the drill bit 162, and the transmission shaft 164b within the casing 164a. And a dynamic seal member 164c that is rotatably supported. The dynamic seal member 164c can be, for example, an endless O-ring fitted in an annular groove provided in the housing 164a, and has a function of sealing with the surface of the rotating transmission shaft 164b. Since this dynamic seal member 164c is the dynamic seal member obtained in (IV) above, it has excellent wear resistance even in a severe underground environment up to a high temperature, for example, about 175 ° C. Can be maintained. The use of such dynamic sealing members is found, for example, in US Patent Application Publication No. 2006/0157283 and US Pat. No. 7,188,685, which are incorporated herein in their entirety. More specifically, FIG. 5 of US 2006/0157283 shows a sealing member 38 on the piston 36 that seals the hole 30 of the biasing device of the rotary variable assembly. U.S. Pat. No. 7,188,685 shows a biasing device.

図9に示すマッドモータ166は、ダウンホール・モーターとも呼ばれ、泥水の流力を動力として、ドリルビット162を回転させるための流体駆動モータである。マッドモータ166は、例えば、偏距坑井掘削用(for deviated wellbore drilling applications)のマッドモータを挙げることができ、本発明の一実施形態の動的シール部材を適用することができる。マッドモータ166は、例えば、最大約150℃〜200℃の高温特性を持った動的シール部材、極度の摩耗条件下で機能することができる動的シール部材、あるいは様々な掘削マッドを取り扱うための耐薬品性を有する動的シール部材が必要である。従来のマッドモータの動的シール部材は、例えば、動的シール部材の膨張、クラック及び動的シール部材本体の大きな断片の脱落(チャンキング現象)による密閉不足、高温における摩耗による密閉不足、そして動的シール部材の摩耗作用による動的シール部材の局部加熱及びさらなる劣化が生じる傾向があった。これに対して、本発明の一実施形態の動的シール部材をマッドモータ166の動的シール部材に用いることによって、上述の動的シール部材の特性に加えて、高温におけるより優れた機械的特性により断裂及び脱落を減少させ、優れた耐薬品性による広範な掘削流体に対する耐性、より優れた熱伝導性による局部加熱部分の減少などにより、上記の諸課題を解決することができる。マッドモータ166は、円筒形の筐体166aと、筐体166aの内周面には管状のステータ166が固定され、ステータ166dの内側にはロータ166cが回転可能に配置されている。ステータ166bの内周面166dは、例えば5本の螺旋状の溝が回転操作システム164側から掘削中測定モジュール168側へと延びている。ステータ166bは、前記(IV)で得られた本発明の一実施形態の動的シール部材を用いることができる。例えば金属製のロータ166cの外周面166eは、例えば4本の螺旋状に突出したねじ山を有し、ステータ166bの内周面166dの溝に沿って配置されている。ステータ166bの内周面166dとロータ166cの外周面166eとは、図9のように一部で接触し、内周面166dと外周面166eとの隙間166fに泥水を流す流路が形成される。この隙間166fを流れる泥水とロータ166cの外周面166eが接触することによって、ロータ166cがステータ166b内を例えば図8,図9の矢印の方向へ偏心回転することができる。このとき、ステータ166bの内周面166dとロータ166cの外周面166eとは、接触し、かつ、泥水によって偏心回転するため、ステータ166bの内周面166dはいわゆる動的シール部材と同様に機能する。したがって、前記したような地下の過酷な環境においても耐摩耗性に優れるため、マッドモータ166のロータ166cを長時間回転駆動させることができる。なお、本実施の形態においては、流体駆動モータとしてマッドモータ166を用いて説明したが、同様の構造を有しかつ流体を用いて駆動する他の流体駆動モータに採用することができ、また、ロータを前記(IV)で得られた動的シール部材で形成し、ステータを例えば金属で形成することもできる。このような動的シール部材の使用は、例えば、本明細書において全体として援用される米国特許出願公開第2006/0216178号と、米国特許第6,604,922号とにおいて見られる。より詳細に述べると、米国特許出願公開第2006/0216178号の図3は、はロータを密閉してロータ上に掘削トルクを発生するエラストマーステータ(ライニング)としてのシール部材を示している。マッドは、ステータとロータの間を流れる。また、同じく図4は、ステータを密閉する、ロータに取り付けられたエラストマースリーブとしてのシール部材を示している。同じく図5は、ステータを密閉するロータ上のエラストマースリーブとしてのシール部材を示している。米国特許第6,604,922号の図4は、ステータに取り付けられたライナーの弾性層は密閉機能を有することを示し、この弾性層がシール部材として機能する。同じく図13は、エラストマー層からなるロータライニングが密閉機能を有することを示し、このエラストマー層がシール部材として機能する。   The mud motor 166 shown in FIG. 9 is also referred to as a downhole motor, and is a fluid drive motor for rotating the drill bit 162 using the flow force of muddy water as power. The mud motor 166 may be, for example, a mud motor for excursion of well borehole drilling (for well-well drilling applications), and the dynamic seal member of one embodiment of the present invention can be applied. The mud motor 166 is for example a dynamic seal member with high temperature properties up to about 150 ° C. to 200 ° C., a dynamic seal member capable of functioning under extreme wear conditions, or for handling various drilling muds. A dynamic seal member having chemical resistance is required. The conventional dynamic seal member of a mud motor has, for example, insufficient sealing due to expansion of the dynamic sealing member, cracking and dropping of a large fragment of the dynamic sealing member body (chunking phenomenon), insufficient sealing due to wear at high temperature, and movement. There was a tendency for local heating and further degradation of the dynamic seal member due to the wear action of the static seal member. On the other hand, by using the dynamic seal member of one embodiment of the present invention for the dynamic seal member of the mud motor 166, in addition to the characteristics of the dynamic seal member described above, more excellent mechanical characteristics at high temperatures. The above-mentioned problems can be solved by reducing tearing and dropping off, resistance to a wide range of drilling fluids due to excellent chemical resistance, and reduction of locally heated portions due to better thermal conductivity. The mud motor 166 has a cylindrical casing 166a, a tubular stator 166 fixed to the inner peripheral surface of the casing 166a, and a rotor 166c rotatably disposed inside the stator 166d. On the inner peripheral surface 166d of the stator 166b, for example, five spiral grooves extend from the rotary operation system 164 side to the measuring module 168 side during excavation. As the stator 166b, the dynamic seal member according to the embodiment of the present invention obtained in the above (IV) can be used. For example, the outer peripheral surface 166e of the metal rotor 166c has, for example, four spirally protruding threads and is disposed along the groove of the inner peripheral surface 166d of the stator 166b. The inner peripheral surface 166d of the stator 166b and the outer peripheral surface 166e of the rotor 166c are partly in contact as shown in FIG. 9, and a flow path for flowing muddy water is formed in the gap 166f between the inner peripheral surface 166d and the outer peripheral surface 166e. . When the muddy water flowing through the gap 166f and the outer peripheral surface 166e of the rotor 166c come into contact with each other, the rotor 166c can eccentrically rotate in the stator 166b, for example, in the direction of the arrows in FIGS. At this time, since the inner peripheral surface 166d of the stator 166b and the outer peripheral surface 166e of the rotor 166c are in contact with each other and rotate eccentrically by muddy water, the inner peripheral surface 166d of the stator 166b functions in the same manner as a so-called dynamic seal member. . Therefore, since the wear resistance is excellent even in the harsh underground environment as described above, the rotor 166c of the mud motor 166 can be driven to rotate for a long time. In the present embodiment, the mud motor 166 has been described as the fluid drive motor. However, the fluid drive motor can be applied to other fluid drive motors that have the same structure and are driven using a fluid. The rotor may be formed of the dynamic seal member obtained in the above (IV), and the stator may be formed of, for example, metal. The use of such dynamic sealing members is found, for example, in US Patent Application Publication No. 2006/0216178 and US Pat. No. 6,604,922, which are incorporated herein in their entirety. More specifically, FIG. 3 of US 2006/0216178 shows a sealing member as an elastomeric stator (lining) that seals the rotor and generates drilling torque on the rotor. The mud flows between the stator and the rotor. FIG. 4 also shows a seal member as an elastomer sleeve attached to the rotor, which seals the stator. Similarly, FIG. 5 shows a sealing member as an elastomer sleeve on a rotor that seals the stator. FIG. 4 of US Pat. No. 6,604,922 shows that the elastic layer of the liner attached to the stator has a sealing function, and this elastic layer functions as a sealing member. Similarly, FIG. 13 shows that the rotor lining made of an elastomer layer has a sealing function, and this elastomer layer functions as a sealing member.

掘削中測定モジュール168は、ドリルカラー(drill collar)と呼ばれる厚い壁を有するパイプの壁部に設けられたチャンバー168a内に図示しない掘削中測定器具が配置されている。掘削中測定器具は、各種センサを含み、例えば、方位、傾斜、ビットの向き、荷重、トルク、温度、圧力等の坑底データを計測するとともに、これらの計測データをリアルタイムに地上へ伝送することができる。   The during-drilling measurement module 168 includes an unexcavated measurement instrument (not shown) disposed in a chamber 168a provided on a wall of a pipe having a thick wall called a drill collar. The measuring instrument during excavation includes various sensors, for example, measuring bottom hole data such as heading, inclination, bit direction, load, torque, temperature, pressure, etc., and transmitting these measurement data to the ground in real time. Can do.

掘削中検層モジュール170は、ドリルカラー(drill collar)と呼ばれる厚い壁を有するパイプの壁部に設けられたチャンバー170a内に図示しない掘削中検層器具が配置されている。掘削中検層器具は、各種センサを含み、例えば、比抵抗、孔隙率、音波速度及びガンマ線等を測定し、物理検層データを取得することができ、この物理検層データをリアルタイムに地上へ伝送することができる。
掘削中測定モジュール168及び掘削中検層モジュール170は、各種センサを泥水などから守るため、チャンバー168a,170a内において前記(IV)で得られた本発明の一実施形態の動的シール部材を用いることができる。
In the drilling logging module 170, a logging tool (not shown) is disposed in a chamber 170a provided on a wall of a pipe having a thick wall called a drill collar. The logging tool during excavation includes various sensors, for example, can measure specific resistance, porosity, sonic velocity, gamma ray, etc., and acquire physical logging data. Can be transmitted.
The excavation measurement module 168 and the excavation logging module 170 use the dynamic seal member of the embodiment of the present invention obtained in (IV) above in the chambers 168a and 170a in order to protect various sensors from muddy water and the like. be able to.

図10に示すように、地表155における、掘削アッセンブリーに装備された測定機器による地下資源の探査は、例えば坑井(borehole)156の上方に配置されたプラットホーム及びデリック組立体151と、デリック組立体151から地下に設けられた縦穴や横穴などで構成される坑井156内に配置された検層装置として例えば穴底組立体(BHA:bottom hole assembly)160と、を有する。デリック組立体151は、例えば、フック151aと、回転スイベル(rotary swivel)151bと、ケリー(kelly)151cと、回転テーブル151dと、を含むことができる。穴底組立体160は、例えばデリック組立体151から延びる長いドリル・ストリング(drill string)153の先端に固定される。ドリル・ストリング153の内部には、図示していないポンプから回転スイベル151bを介して泥水が送り込まれ、穴底組立体160の流体駆動モータを駆動させることができる。穴底組立体160については、基本的に図8〜10において説明した海底用途の検層装置と同様であるので、ここでは説明を省略するが、地下用途の検層装置においても本発明の一実施形態の動的シール部材を採用することができる。なお、孔底組立体160は、一実施形態として、ドリルビット162と、回転操作システム164と、マッドモータ166と、掘削中測定モジュール168と、掘削中検層モジュール170と、を有する例について説明したが、これに限らず、検層用途に合わせて選択して組み合わせることができる。   As shown in FIG. 10, the exploration of underground resources on the ground surface 155 by the measurement equipment installed in the drilling assembly includes, for example, a platform and derrick assembly 151 disposed above a borehole 156, and a derrick assembly. For example, a well bottom assembly (BHA: bottom hole assembly) 160 is provided as a well logging device arranged in a well 156 constituted by vertical holes and horizontal holes provided underground from 151. The derrick assembly 151 can include, for example, a hook 151a, a rotary swivel 151b, a kelly 151c, and a rotary table 151d. The hole bottom assembly 160 is fixed to the tip of a long drill string 153 extending from the derrick assembly 151, for example. Inside the drill string 153, muddy water is fed from a pump (not shown) via the rotary swivel 151b, and the fluid drive motor of the hole bottom assembly 160 can be driven. Since the hole bottom assembly 160 is basically the same as the logging tool for seabed described with reference to FIGS. 8 to 10, the description thereof is omitted here. The dynamic seal member of the embodiment can be employed. In addition, the hole bottom assembly 160 demonstrates the example which has the drill bit 162, the rotation operation system 164, the mud motor 166, the measurement module 168 during excavation, and the logging module 170 during excavation as one Embodiment. However, it is not limited to this, and can be selected and combined according to the logging application.

油田用途は、前記検層装置に限定されない。例えば、ワイヤーライン検層に用いられるダウンホール・トラクターに、本発明の一実施形態の動的シール部材を適用することができる。このようなダウンホール・トラクターの一例としては、シュルンベルジェ社のMaxTRAC又はTuffTRAC(いずれもシュルンベルジェ社の商標)がある。このようなダウンホール・トラクターは、高い耐摩耗性をもった往復動シール部材を、最大約175℃において、長期の運用年数と信頼性のために必要とする。   The oil field application is not limited to the logging device. For example, the dynamic seal member of one embodiment of the present invention can be applied to a downhole tractor used for wireline logging. An example of such a downhole tractor is Schlumberger MaxTRAC or TuffTRAC (both are trademarks of Schlumberger). Such a downhole tractor requires a reciprocating seal member having high wear resistance at a maximum of about 175 ° C. for long-term operation and reliability.

これまでの動的シール部材は、ダウンホール・トラクターにあるシーリングピストンの表面に対して高度な研磨を必要としていた。このように動的シール部材を研摩することで、製造の際に鏡面加工されたピストンやシリンダの表面の高い歩留まりにつながっていた。通常のエラストマーからなる従来の動的シール部材は、摩耗、漏洩、機器の寿命の低下、故障が発生していた。また、動的シール部材は、最大2000ft/hourの高い摺動速度で使用される場合もある。ダウンホール・トラクターに用いられる動的シール部材は、両側に油圧オイルが存在する状態又は一方の側に油圧オイルが存在し、他方の側に場合によっては粒子を含む泥水又は流体が存在する状態で機能する必要がある。また、トラクター作業においては、牽引距離よりも大きな摺動距離にわたって摺動動的シール部材が十分に機能することが必要となる。例えば、10,000フィートのトラクター作業では、動的シール部材は最大20,000フィート以下の累積摺動距離にわたって確実に機能することが求められる。さらに、動的シール部材は、通常、最大で200psiの差圧を受けることになる。   Previous dynamic seal members required a high degree of polishing on the surface of the sealing piston in the downhole tractor. By polishing the dynamic seal member in this way, it has led to a high yield on the surface of the piston or cylinder that has been mirror-finished during manufacture. The conventional dynamic seal member made of ordinary elastomer has been worn, leaked, reduced in the life of the equipment, and failed. The dynamic seal member may be used at a high sliding speed of up to 2000 ft / hour. Dynamic seals used in downhaul tractors are either in the presence of hydraulic oil on either side or in the presence of hydraulic oil on one side and possibly mud or fluid containing particles on the other side. Need to work. In tractor work, the sliding dynamic seal member needs to function sufficiently over a sliding distance larger than the towing distance. For example, in a 10,000 foot tractor operation, the dynamic seal member is required to function reliably over a cumulative sliding distance of up to 20,000 feet. Further, the dynamic seal member will typically experience a differential pressure of up to 200 psi.

これに対して、本発明の一実施形態の動的シール部材をダウンホール・トラクターに用いることによって、上述の動的シール部材の特性により、上記の諸課題を解決することができる。特に、密閉性のピストンや円筒の表面に対する加工が緩和され、製造費用を低減することができる。また、優れた耐摩耗性は、より長寿命かつ信頼できるシール機能に役立つことになる。さらに、長寿命は、低摩擦性によっても可能となる。   On the other hand, by using the dynamic seal member of one embodiment of the present invention for a downhole tractor, the above-described problems can be solved by the characteristics of the above-described dynamic seal member. In particular, the processing on the surface of the sealing piston and the cylinder is eased, and the manufacturing cost can be reduced. Excellent wear resistance also helps with a longer life and reliable sealing function. Further, a long life is possible due to low friction.

このような動的シール部材の使用は、例えば、本明細書において全体として援用される米国特許第6,179,055号において見られる。より詳細に述べると、この米国特許の図9A及び図10Aはピストン上のシール部材を示している。この特許の図9B,10B,12も同様である。この特許の図15,12,16Bは、管材及びハウジングを密封するピストン上のシール部材を示している。また、この米国特許の図16Bは、ロッド上のシール部材を示している。   The use of such dynamic sealing members is found, for example, in US Pat. No. 6,179,055, which is incorporated herein in its entirety. More specifically, FIGS. 9A and 10A of this US patent show a seal member on the piston. The same applies to FIGS. 9B, 10B and 12 of this patent. FIGS. 15, 12, and 16B of this patent show a sealing member on the piston that seals the tubing and housing. FIG. 16B of this US patent also shows a seal member on the rod.

また、油田用途として、例えば、地層検査及び油層流体サンプリング機器(Formation testing and reservoir fluid sampling tool)にも、本発明の一実施形態の動的シール部材を適用することができる。このような機器は、例えば、シュルンベルジェ社のモジュラー・フォーメーション・ダイナミックス・テスター(MDT:シュルンベルジェ社の商標)を含む。このような地層検査及び油層流体サンプリング機器は、ポンプアウトモジュール及びその他ピストンにおいて、高い耐摩耗性を持った動的シール部材を必要とする。また、地層検査及び油層流体サンプリング機器は、坑井を密封するために、高い耐摩耗性と最大約210℃の高温特性を持った動的シール部材を必要とする。   In addition, as an oil field application, for example, the dynamic sealing member of the embodiment of the present invention can be applied to formation testing and reservoir fluid sampling tools. Such devices include, for example, Schlumberger's Modular Formation Dynamics Tester (MDT: Trademark of Schlumberger). Such geological inspection and reservoir fluid sampling devices require dynamic seal members with high wear resistance in pump-out modules and other pistons. Also, geological inspection and reservoir fluid sampling instruments require dynamic seal members with high wear resistance and high temperature properties up to about 210 ° C. to seal wells.

これまでの動的シール部材は、ポンプアウトモジュールの移動装置(displacement unit)のピストンにおいては、多数の往復動が、油層流体を移動し、抽出し、供給して、サンプリングと、機器作動と、分析とをしていた。通常の動的シール部材を使用した従来のピストン動的シール部材は摩耗し、限られた寿命後に機能しなくなる傾向があった。この問題は、より高い温度において顕著に発生した。また、流体中の粒子の存在は、動的シール部材の摩耗及び破損を加速した。   In the past, the dynamic seal member has a large number of reciprocating movements in the piston of the displacement unit of the pump-out module, which moves, extracts and supplies the oil reservoir fluid, sampling, instrument operation, I was doing analysis. Conventional piston dynamic seal members using conventional dynamic seal members tend to wear out and fail after a limited life. This problem was noticeable at higher temperatures. Also, the presence of particles in the fluid accelerated the wear and breakage of the dynamic seal member.

これに対して、本発明の一実施形態の動的シール部材を地層検査及び油層流体サンプリング機器に用いることによって、上述の動的シール部材の特性により、上記の諸課題を解決することができる。特に、高温において高い耐摩耗性を有する動的シール部材は、寿命を向上することができる。低摩擦性を有する動的シール部材は、摩耗の減少及び寿命を向上することができる。また、高温における高い機械的特性を有する動的シール部材は、寿命及び信頼性を向上することができる。さらに、高い耐薬品性を有する動的シール部材は、高温における油井及び流体へ暴露する使用もできる。   On the other hand, by using the dynamic seal member of one embodiment of the present invention for the formation inspection and the oil reservoir fluid sampling device, the above-mentioned problems can be solved by the characteristics of the above-mentioned dynamic seal member. In particular, a dynamic seal member having high wear resistance at high temperatures can improve the life. A dynamic seal member having low friction can reduce wear and improve life. In addition, a dynamic seal member having high mechanical properties at high temperatures can improve life and reliability. Furthermore, dynamic seal members with high chemical resistance can also be used to expose oil wells and fluids at high temperatures.

このような動的シール部材の使用は、例えば、本明細書において全体として援用される米国特許第6,058,773号及び米国特許第3,653,436号において見られる。より詳細に述べると、米国特許第6,058,773号の図2は、ポンプアウトモジュールに設けられた移動装置(DU)内のシャトルピストン上の往復運シール部材を示している。また、米国特許第3,653,436号の図2、図3、図4は、マッドケーキでライニングされた坑井表面を密閉しているエラストマー部材を示している。   The use of such dynamic sealing members is found, for example, in US Pat. No. 6,058,773 and US Pat. No. 3,653,436, which are incorporated herein in their entirety. More specifically, FIG. 2 of US Pat. No. 6,058,773 shows a reciprocating seal member on a shuttle piston in a transfer unit (DU) provided in a pump-out module. FIGS. 2, 3, and 4 of US Pat. No. 3,653,436 show an elastomeric member that seals the surface of a well lined with a mud cake.

また、油田用途として、例えば、その場流体サンプリングボトル(Insitu fluid sampling bottles)及びその場流体分析・サンプリングボトル(In situ fluid analysis and sampling bottles)にも、本発明の一実施形態の動的シール部材を適用することができる。このような機器は、例えば、地層検査及び油層流体サンプリング機器やワイヤーライン検層に用いることができる。このようなその場流体サンプリングボトル及びその場流体分析・サンプリングボトルは、低温及び高温において、高圧での使用を可能とする動的シール部材を必要とする。また、このようなその場流体サンプリングボトル及びその場流体分析・サンプリングボトルは、産出された様々な流体に暴露された場合に、高い耐薬品性を有する動的シール部材を必要とする。さらに、このようなその場流体サンプリングボトル及びその場流体分析・サンプリングボトルは、耐ガス性を有する動的シール部材を必要とする。   In addition, as an oil field application, for example, in-situ fluid sampling bottles and in-situ fluid analysis and sampling bottles also include dynamic seal members according to an embodiment of the present invention. Can be applied. Such equipment can be used, for example, for geological inspection and oil reservoir fluid sampling equipment and wireline logging. Such in-situ fluid sampling bottles and in-situ fluid analysis / sampling bottles require a dynamic seal member that allows high pressure use at low and high temperatures. In addition, such in-situ fluid sampling bottles and in-situ fluid analysis / sampling bottles require a dynamic seal member with high chemical resistance when exposed to various fluids produced. Further, such in-situ fluid sampling bottles and in-situ fluid analysis / sampling bottles require a dynamic seal member that is gas resistant.

このようなその場流体サンプリングボトル及びその場流体分析・サンプリングボトルにおいて、油層流体は、高圧高温を有する現場の油層条件で回収されていた。これらのボトルを地表まで回収すると、温度が低下するけれども圧力は高いままであった。回収後、サンプルは他の貯蔵用、輸送用又は分析用の容器に移された。サンプルボトル内の摺動ピストン上の動的シール部材は、サンプルの回収中はサンプルの輸送中と同様に、以下に説明する重要な機能を担っていた。例えば、地表まで回収する際に高圧低温密封ができない場合の深海域等におけるサンプルのロス、回収時の地表におけるサンプルのロス、サンプルとの化学的な不適合性及びガス吸収による膨張によって生じる密閉不良によるサンプルのロス、ガス吸収した動的シール部材が膨張してピストンの摩擦と抗力が増加する、動的シール部材の過度の膨張によりサンプルをボトルから他の貯蔵場所又は分析装置に移す際に固着及び密閉不足又はその他の問題、及び作業時に複数のサンプルボトルが重ねて使用されことによる問題などがあった。回収時の地表におけるサンプルのロスは、特にサンプルがHS、CH,COなどの物質を含む場合に、何らかの問題につながる可能性があった。In such in-situ fluid sampling bottles and in-situ fluid analysis / sampling bottles, the oil reservoir fluid has been recovered at the oil reservoir conditions in the field having high pressure and high temperature. When these bottles were recovered to the surface, the pressure remained high although the temperature decreased. After collection, the sample was transferred to another storage, transportation or analysis container. The dynamic sealing member on the sliding piston in the sample bottle was responsible for the important functions described below during sample collection as well as during sample transport. For example, due to loss of sample in the deep sea area when high-pressure and low-temperature sealing is not possible when recovering to the surface, loss of sample on the surface at the time of recovery, chemical incompatibility with the sample, and poor sealing caused by expansion due to gas absorption Loss of sample, gas-absorbing dynamic seal member expands, increasing piston friction and drag, over-expansion of the dynamic seal member causes sticking and transfer as the sample is transferred from the bottle to another storage location or analyzer There have been problems such as insufficient sealing or other problems, and multiple sample bottles being used in layers during work. Loss of sample on the surface at the time of recovery could lead to some problems, especially when the sample contains substances such as H 2 S, CH 4 , CO 2 .

これに対して、本発明の一実施形態の動的シール部材をその場流体サンプリングボトル及びその場流体分析・サンプリングボトルに用いることによって、上述の動的シール部材の特性に加え、高い耐ガス性と、高い耐薬品性と、高圧高温要求特性を満たしながら優れた低温密閉性能を達成することにより、上記の諸課題を解決することができる。   On the other hand, by using the dynamic seal member of one embodiment of the present invention for the in-situ fluid sampling bottle and the in-situ fluid analysis / sampling bottle, in addition to the characteristics of the above-described dynamic seal member, high gas resistance The above-mentioned problems can be solved by achieving high chemical resistance and excellent low temperature sealing performance while satisfying the high pressure and high temperature required characteristics.

このような動的シール部材の使用は、例えば、本明細書において全体として援用される米国特許第6,058,773号、米国特許第4,860,581号、及び米国特許第6,467,544号(brown他)において見られる。より詳細に述べると、米国特許第6,058,773号の図7は、サンプルボトル内のピストン上のシール部材を示している。米国特許第4,860,581号の図2における2つのボトルからなる構成は、サンプルボトル内のピストン上のシール部材を示している。米国特許第6,467,544号の図1は、シール弁を示している。   The use of such dynamic seal members is described, for example, in US Pat. No. 6,058,773, US Pat. No. 4,860,581, and US Pat. See 544 (brown et al.). More specifically, FIG. 7 of US Pat. No. 6,058,773 shows a sealing member on a piston in a sample bottle. The two bottle configuration in FIG. 2 of US Pat. No. 4,860,581 shows a sealing member on a piston in the sample bottle. FIG. 1 of US Pat. No. 6,467,544 shows a seal valve.

また、油田用途として、例えば、その場流体分析機器(IFA:InSitu Fluid Analysis tool)にも、本発明の一実施形態の動的シール部材を適用することができる。このようなその場流体分析機器は、ダウンホールPVT用の高い耐摩耗性及び耐ガス性を有する動的シール部材を必要とする。PVTは、圧力、体積、及び温度を分析することを意味する。また、その場流体分析機器は、産出した流体を取り扱うための高い耐薬品性有する動的シール部材を必要とする。さらに、その場流体分析機器は、高圧と最大約210℃の高温特性と高い耐ガス性とをもったフローライン固定動的シール部材を必要とする。フローラインは、サンプリングした流体に暴露される領域のことである。   In addition, as an oil field application, for example, the dynamic seal member of one embodiment of the present invention can be applied to an in situ fluid analysis tool (IFA). Such an in-situ fluid analysis instrument requires a dynamic seal member with high wear and gas resistance for downhole PVT. PVT means analyzing pressure, volume, and temperature. The in-situ fluid analysis instrument also requires a dynamic seal member with high chemical resistance for handling the produced fluid. Furthermore, the in-situ fluid analysis instrument requires a flow line fixed dynamic seal member with high pressure, high temperature properties up to about 210 ° C. and high gas resistance. A flow line is an area exposed to sampled fluid.

その場流体分析機器は、例えば、ダウンホールPVTでは、油層流体サンプルを回収し、圧力を減少させてガス生成を開始させると共にバブルポイントを決定することが必要となっていた。減圧は非常に急速で例えば3000psi/分超であり、PVTサンプル室に直接接続された動的シール部材において急激な減圧が生じることがあった。動的シール部材は、200以上のPVTサイクルに耐えることができなければならなかった。また、ダウンホールPVT用の動的シール部材は、急激な減圧によるガスによって機能しなくなることがあった。そのため、従来の市販の動的シール部材では、210℃でダウンホールPVTを行うことができなかった。従来の動的シール部材では、フローライン中において、膨張による不良及びガス透過による水泡形成が生じることがあった。   In-situ fluid analyzers, for example, in downhole PVT, needed to collect oil reservoir fluid samples, reduce pressure to initiate gas generation and determine bubble points. The depressurization was very rapid, for example, over 3000 psi / min, and a sudden depressurization could occur in a dynamic seal member connected directly to the PVT sample chamber. The dynamic seal member had to be able to withstand over 200 PVT cycles. In addition, the dynamic seal member for downhole PVT sometimes fails to function due to the gas due to sudden pressure reduction. Therefore, the downhole PVT cannot be performed at 210 ° C. with a conventional commercially available dynamic seal member. In the conventional dynamic seal member, in the flow line, a defect due to expansion and water bubble formation due to gas permeation may occur.

これに対して、本発明の一実施形態の動的シール部材をその場流体分析機器に用いることによって、上記の諸課題を解決することができる。高圧高温における機械的特性が優れている動的シール部材は、膨張傾向を減少することができる。カーボンナノファイバーによって動的シール部材中の空隙が減少した動的シール部材は、耐ガス性を向上することができる。動的シール部材の材料特性の向上によって、膨張及び急激な減圧に対する耐性を向上することができる。耐薬品性に優れた動的シール部材は、広範な産出流体に対して耐薬品性を向上することができる。   On the other hand, the above-described problems can be solved by using the dynamic seal member according to the embodiment of the present invention for the in-situ fluid analysis instrument. A dynamic seal member having excellent mechanical properties at high pressure and high temperature can reduce the expansion tendency. A dynamic seal member in which voids in the dynamic seal member are reduced by the carbon nanofibers can improve gas resistance. By improving the material properties of the dynamic seal member, it is possible to improve resistance to expansion and sudden pressure reduction. A dynamic seal member with excellent chemical resistance can improve chemical resistance against a wide range of output fluids.

このような動的シール部材の使用は、例えば、本明細書において全体として援用される米国特許出願公開第2009/0078412号、米国特許第6,758,090号、米国特許第4,782,695号、及び米国特許第7,461,547号において見られる。より詳細に述べると、米国特許出願公開第2009/0078412号の図7は弁上のシール部材を示し、図5はピストンシール装置上のシール部材を示している。米国特許第6,758,090号の図21aは、弁及びピストン上のシール部材を示している。米国特許第4,782,695号は、ニードルとPVT処理室の間のシール部材を示している。米国特許第7,461,547号は、PVT分析用PVCU(圧力体積制御装置)内のピストンスリーブ装置のシール部材として、PVCUにおいて流体を隔離するための弁上のシール部材を示している。   The use of such dynamic seal members is described, for example, in US Patent Application Publication No. 2009/0078412, US Pat. No. 6,758,090, US Pat. No. 4,782,695, which is incorporated herein in its entirety. And in US Pat. No. 7,461,547. More specifically, FIG. 7 of US 2009/0078412 shows a seal member on a valve and FIG. 5 shows a seal member on a piston seal device. FIG. 21a of US Pat. No. 6,758,090 shows a seal member on the valve and piston. U.S. Pat. No. 4,782,695 shows a seal member between a needle and a PVT processing chamber. U.S. Pat. No. 7,461,547 shows a seal member on a valve for isolating fluid in a PVCU as a seal member of a piston sleeve device in a PVCU (pressure volume control unit) for PVT analysis.

また、油田用途として、例えば、ワイヤーライン検層、掘削中検層、坑井試験、穿孔(perforation)、サンプリング作業に用いられる全ての機器にも、本発明の一実施形態の動的シール部材を適用することができる。このような機器は、例えば、低温及び高温における高圧密閉を可能にする動的シール部材を必要とする。   In addition, as an oil field application, for example, the wire seal logging, logging during drilling, well test, perforation, and all devices used for sampling work, the dynamic seal member of one embodiment of the present invention is used. Can be applied. Such equipment requires a dynamic sealing member that enables high pressure sealing at low and high temperatures, for example.

このような機器は、例えば、深海における利用では、低温から高温にかけて広い温度範囲で機能する動的シール部材が要求され、低温において動的シール部材が正常に機能しない場合には、電子部品等の空気室への漏洩や機器の故障が生じる可能性があった。また、深海域や北海等の冷水域でのサンプリングにおいて、動的シール部材は、低温から高温にかけて広い温度範囲で機能しなければならなかった。このような水域において、地中で回収したときのサンプルは高温であるが、地表へ運んだサンプルの温度は地表温度まで低下するからである。例えば、動的シール部材による高圧低温における密閉が不十分な場合には、サンプルの漏洩やロス及びその他の問題が生じる可能性があった。このような機器の多くは、油圧オイルで充填され、100〜200psiに加圧されるため、低温において十分に機能する動的シール部材を使用しない場合には、冷表面条件においてオイルの漏洩が生じたり、低温の深海部からの回収時に不具合が生じたりする可能性があった。   For example, such a device requires a dynamic seal member that functions in a wide temperature range from a low temperature to a high temperature for use in the deep sea. When the dynamic seal member does not function normally at a low temperature, There was a possibility of leakage into the air chamber and equipment failure. Further, in sampling in a cold water region such as the deep sea region or the North Sea, the dynamic seal member has to function in a wide temperature range from a low temperature to a high temperature. This is because, in such a water area, the sample collected in the ground is hot, but the temperature of the sample carried to the ground surface decreases to the ground surface temperature. For example, when the dynamic sealing member is not sufficiently sealed at high pressure and low temperature, there is a possibility that sample leakage or loss and other problems may occur. Many of these devices are filled with hydraulic oil and pressurized to 100-200 psi, so oil leakage occurs in cold surface conditions when not using a dynamic seal member that functions well at low temperatures. Or there may be a problem when recovering from the deep sea at low temperature.

これに対して、本発明の一実施形態の動的シール部材をこのような機器に用いることによって、上述の動的シール部材の特性に加え、優れた低温密封性、高温におけるより優れた機械的特性による高圧高温における優れた密閉性によって、上記の諸課題を解決することができる。   On the other hand, by using the dynamic seal member of one embodiment of the present invention in such a device, in addition to the characteristics of the dynamic seal member described above, excellent low temperature sealing performance, better mechanical properties at high temperature The above problems can be solved by the excellent hermeticity at high pressure and high temperature due to the characteristics.

また、油田用途として、例えば、側壁コアリング機器(Side wall Coring Tool)にも、本発明の一実施形態の動的シール部材を適用することができる。このような側壁コアリング機器は、例えば、低摩擦性・高耐摩耗性を有する動的シール部材、長い寿命及び高い密閉信頼性を有する動的シール部材、最大約200℃の高温特性を持った動的シール部材、あるいはデルタPが100psi以下(低速摺動)である動的シール部材を必要とする。ここで、デルタPはピストンの動的シール部材両側における圧力差であり、例えば動的シール部材が低摩擦性を有することで、デルタPは小さくなり、すなわち小さな圧力差でピストンを動かすことができることを示す。   Moreover, as an oil field use, the dynamic sealing member of one Embodiment of this invention is applicable also to a side wall coring tool (Side wall Coring Tool), for example. Such a side wall coring device has, for example, a dynamic seal member having low friction and high wear resistance, a dynamic seal member having a long life and high sealing reliability, and a high temperature characteristic of about 200 ° C. at the maximum. A dynamic seal member or a dynamic seal member having a delta P of 100 psi or less (low speed sliding) is required. Here, delta P is a pressure difference between both sides of the dynamic seal member of the piston. For example, when the dynamic seal member has low friction, the delta P becomes small, that is, the piston can be moved with a small pressure difference. Indicates.

このような側壁コアリング機器は、例えば、動的シール部材が固着又は摩擦力の増加をもたらす場合には、コアリングを停止する場合があった。また、各コアの掘削では、地層を切断する間、動的シール部材と係合させることによってドリルビットを回転・摺動させることが要求された。さらに、高いコア掘削効率を維持するためには、動的シール部材における低いシーリング摩擦性が重要であった。   Such a side wall coring apparatus may stop coring, for example, when a dynamic sealing member brings about sticking or an increase in frictional force. In the drilling of each core, it was required to rotate and slide the drill bit by engaging with a dynamic seal member while cutting the formation. Furthermore, in order to maintain a high core excavation efficiency, low sealing friction in the dynamic seal member was important.

これに対して、本発明の一実施形態の動的シール部材をこのような機器に用いることによって、上述の動的シール部材の特性に加え、以下の特性によって、上記の諸課題を解決することができる。低摩擦性の動的シール部材は、コア掘削作業及び作動/移動のための電力消費量を減少することができる。また、低摩擦性の動的シール部材は、固着(sticking)及び転がり摩耗(rolling)の傾向が減少し、コア掘削作業の効率を向上することができる。さらに、高い耐摩耗性を有する動的シール部材は、摩耗性を有する流体中における密閉寿命を向上することができる。   On the other hand, by using the dynamic seal member of one embodiment of the present invention in such a device, the above-described problems are solved by the following characteristics in addition to the characteristics of the dynamic seal member described above. Can do. A low-friction dynamic seal member can reduce power consumption for core drilling operations and actuation / movement. In addition, the low-friction dynamic seal member can reduce the tendency of sticking and rolling and improve the efficiency of core excavation work. Furthermore, the dynamic seal member having high wear resistance can improve the sealing life in a wearable fluid.

このような動的シール部材の使用は、例えば、本明細書において全体として援用される米国特許公開第2009/0133932号、米国特許第4,714,119号、及び米国特許第7,191,831号において見られる。より詳細に述べると、米国特許公開第2009/0133932号の図4及び図5は、モータによって駆動されるコアリングアセンブリのコアリングビット上のシール部材を示している。米国特許第4,714,119号の図3B、図7、図8は、最大2000rpmでモータによって試錐孔からコアを採掘するように駆動されたドリルビット上のシール部材を示している。米国特許第7,191,831号の図2A及び図2Bは、モータによって駆動されるコアリングビット及びコアリングアセンブリ間のシール部材を示し、図3及び図4符号201〜204で示される部品の境界又は図8Bのビットとハウジング間には、本実施形態のシール部材のような低摩擦性シール部材を用いることで高い効率を達成することができる。   The use of such dynamic seal members is described, for example, in US Patent Publication No. 2009/0133932, US Pat. No. 4,714,119, and US Pat. No. 7,191,831, which are incorporated herein in their entirety. Seen in the issue. More particularly, FIGS. 4 and 5 of US Patent Publication No. 2009/0133932 show a seal member on a coring bit of a coring assembly driven by a motor. FIGS. 3B, 7 and 8 of U.S. Pat. No. 4,714,119 show a seal member on a drill bit that is driven to mine a core from a borehole by a motor at up to 2000 rpm. FIGS. 2A and 2B of US Pat. No. 7,191,831 show a seal member between a coring bit and a coring assembly driven by a motor, and FIG. 3 and FIG. High efficiency can be achieved by using a low friction seal member such as the seal member of the present embodiment between the boundary or the bit of FIG. 8B and the housing.

また、油田用途として、例えば、掘削用途のためのテレメトリー・発電機器(Telemetry and power generation tool in Drilling applications)にも、本発明の一実施形態の動的シール部材を適用することができる。このようなテレメトリー・発電機器は、例えば、高い耐摩耗性を有する回転動的シール部材、低摩擦性を有する回転・摺動シール部材、最大約175℃の高温特性を持った動的シール部材を必要とする。   Further, as an oil field application, for example, a telemetry / power generation tool for drilling application (Telemetry and power generation tool in Drilling applications) can also apply the dynamic sealing member of one embodiment of the present invention. Such telemetry / power generation equipment includes, for example, a rotary dynamic seal member having high wear resistance, a rotary / slide seal member having low friction, and a dynamic seal member having a high temperature characteristic of about 175 ° C. at the maximum. I need.

このようなテレメトリー・発電機器、例えば、米国特許第7,083,008号に開示されているようなマッドパルステレメトリ装置は、オイルで充填された機器の内部を、回転動的シール部材によって坑井流体(掘削泥水)から保護することが要求された。しかしながら、坑井流体中に粒子が含まれるため、動的シール部材の摩耗や断裂が増加する傾向があった。また、動的シール部材の摩滅及び摩耗による不十分な密閉により、泥水が侵入すると機器の故障が発生する可能性があった。また、米国特許第7,083,008号に開示されているテレメトリー及び発電機器は、外部流体で内部油圧を補償するピストン上の摺動動的シール部材を使用して動作しており、動的シール部材の摩耗、摩滅、膨張、固着により、外部流体の侵入による機器の故障が発生する可能性があった。   Such a telemetry / power generation device, for example, a mud pulse telemetry device as disclosed in U.S. Pat. No. 7,083,008, uses a rotary dynamic seal member to pierce the interior of a device filled with oil. Protection from fluids (drilling mud) was required. However, since the well fluid contains particles, there is a tendency for wear and tear of the dynamic seal member to increase. In addition, due to insufficient sealing due to wear and wear of the dynamic seal member, there is a possibility that equipment failure occurs when muddy water enters. In addition, the telemetry and power generation device disclosed in US Pat. No. 7,083,008 operates using a sliding dynamic seal member on the piston that compensates the internal hydraulic pressure with an external fluid, Due to wear, wear, expansion, and sticking of the seal member, there is a possibility that a failure of the device due to intrusion of an external fluid may occur.

これに対して、本発明の一実施形態の動的シール部材をテレメトリー・発電機器に用いることによって、上述の動的シール部材の特性に加え、動的シール部材の耐摩耗性及び低摩擦性の向上により、より信頼性の高い作業及びより長いシール寿命が得られることによって、上記の諸課題を解決することができる。   On the other hand, by using the dynamic seal member of one embodiment of the present invention for telemetry / power generation equipment, in addition to the characteristics of the dynamic seal member described above, the wear resistance and low friction property of the dynamic seal member are reduced. Improvements can solve the above-mentioned problems by providing a more reliable operation and a longer seal life.

このような動的シール部材の使用は、例えば、本明細書において全体として援用される米国特許第7,083,008号において見られる。より詳細に述べると、米国特許第7,083,008号の図2はロータ間の動的シール部材/軸受アセンブリにおけるロータリ動的シール部材を示し、図3aは圧力補償室内において油と坑井流体(マッド)を分離する補償形ピストン上の摺動動的シール部材を示している。   The use of such dynamic sealing members is found, for example, in US Pat. No. 7,083,008, which is incorporated herein in its entirety. More specifically, FIG. 2 of US Pat. No. 7,083,008 shows a rotary dynamic seal member in a dynamic seal member / bearing assembly between rotors, and FIG. 3a shows oil and well fluid in a pressure compensation chamber. Fig. 9 shows a sliding dynamic seal member on a compensating piston separating (mud).

また、油田用途として、例えば、サンプリング及び地層検査のために坑井の一部を隔離するために使用される膨張パッカー(inflate packer)にも、本発明の一実施形態の動的シール部材を適用することができる。このような膨張パッカーにおける動的シール部材は、坑井内の複数の位置における膨張・収縮の繰り返し作業を可能とするために高い摩耗強度と高温特性を有することが必要である。   Further, as an oil field application, for example, the dynamic seal member of one embodiment of the present invention is also applied to an inflation packer used to isolate a part of a well for sampling and geological survey. can do. The dynamic seal member in such an expansion packer needs to have high wear strength and high temperature characteristics in order to enable repeated operations of expansion and contraction at a plurality of positions in the well.

従来のパッカーにおける動的シール部材は、所望の高温特性を有していないために密閉機能に劣化・低下する傾向があった。また、従来のパッカーの動的シール部材は、所望の寿命を満たさない傾向があった。   Since the dynamic seal member in the conventional packer does not have a desired high-temperature characteristic, it has a tendency to deteriorate / decrease in the sealing function. Moreover, the dynamic seal member of the conventional packer has a tendency not to satisfy the desired life.

これに対して、本発明の一実施形態の動的シール部材を膨張パッカーに用いることによって、動的シール部材がより優れた耐摩耗性及びより高い高温特性を有することにより、パッカー部材の寿命と信頼性を向上することができる。   On the other hand, by using the dynamic seal member of one embodiment of the present invention for the expansion packer, the dynamic seal member has better wear resistance and higher high temperature characteristics. Reliability can be improved.

このような動的シール部材の使用は、例えば、本明細書において全体として援用される米国特許第7,578,342号、米国特許第4,860,581号、及び米国特許第7,392,851号において見られる。より詳細に述べると、米国特許第7,578,342号の図1A、図1B、図1Cは、シール部材が膨張して発破孔を密閉し、符号16で示される部材を隔離することを示している。また、図4Aのエラストマーシール部材(パッカー部材)又は図7、図8の符号712、812で示される部材がシール部材を示している。米国特許第4,860,581号の図1は、坑井を密閉する膨張パッカー部材を示している。米国特許第7,392,851号は、膨張パッカー部材を示している。   The use of such dynamic seal members is described, for example, in US Pat. No. 7,578,342, US Pat. No. 4,860,581, and US Pat. No. 7,392, which are incorporated herein in their entirety. See in 851. More specifically, FIGS. 1A, 1B, and 1C of US Pat. No. 7,578,342 show that the seal member expands to seal the blast hole and isolate the member indicated at 16. ing. Further, the elastomer seal member (packer member) in FIG. 4A or the members denoted by reference numerals 712 and 812 in FIGS. 7 and 8 indicate the seal members. FIG. 1 of US Pat. No. 4,860,581 shows an expansion packer member that seals a well. U.S. Patent No. 7,392,851 shows an expansion packer member.

上記のように、本発明の実施形態について詳細に説明したが、本発明の新規事項及び効果から実体的に逸脱しない多くの変形が可能であることは当業者には容易に理解できよう。したがって、このような変形例はすべて、本発明の範囲に含まれるものとする。   Although the embodiments of the present invention have been described in detail as described above, those skilled in the art can easily understand that many modifications can be made without departing from the novel matters and effects of the present invention. Accordingly, all such modifications are intended to be included in the scope of the present invention.

以下、本発明の実施例について述べるが、本発明はこれらに限定されるものではない。
(1)カーボンナノファイバーの作成
触媒担持反応法(Substrate Reaction Method)によって平均直径15nm、頻度最大直径18nm、剛直度指数4.8、ラマンピーク比(D/G)1.7、窒素吸着比表面積260m/gの多層カーボンナノファイバー(表1において「MWCNT−1」で示す)を製造した。製造条件は以下の通りであった。酸化アルミニウムの粉体10.0gを、クエン酸鉄アンモニウム0.2gと七モリブデン酸六アンモニウム四水和物0.1gを純水300mlに溶解させて得た溶液中に20分間、超音波処理により分散させた。次いでこの溶液を撹拌しながら100℃で乾燥し、触媒粉体を得た。この触媒粉体をアルミナ製ボートに入れ、管状電気炉中に配置した。電気炉の反応管は内径3cm、長さ1.5mの石英管で、中央部600mm長さ方向が加熱領域であり、その加熱領域の中央部に触媒粉体を入れたボートを配置した。電気炉をアルゴン雰囲気下で800℃まで昇温させた後、エチレンとアルゴンの混合ガスを30分間流通し、平均直径15nmのカーボンナノチューブを得た。カーボンナノファイバーの黒鉛化は行っていない。カーボンナノファイバーは、電子顕微鏡(SEM)を用いて1.0kV、1万倍〜10万倍で撮影した写真で繊維の屈曲していないほぼ直線状部分の長さとして隣接する欠陥の間隔Lxと繊維の直径Dを測定し、その結果を用いて、繊維の種類毎に200箇所の剛直度指数をLx/Dで計算し、その剛直度指数を測定箇所の数(200)で割って平均剛直度指数を求めた。
Examples of the present invention will be described below, but the present invention is not limited thereto.
(1) Preparation of carbon nanofibers By means of a catalyst reaction method (Substrate Reaction Method), an average diameter of 15 nm, a frequency maximum diameter of 18 nm, a stiffness index of 4.8, a Raman peak ratio (D / G) of 1.7, a nitrogen adsorption specific surface area A 260 m 2 / g multilayer carbon nanofiber (shown as “MWCNT-1” in Table 1) was produced. The manufacturing conditions were as follows. By ultrasonication for 20 minutes in a solution obtained by dissolving 10.0 g of aluminum oxide powder, 0.2 g of ammonium iron citrate and 0.1 g of hexaammonium heptamolybdate tetrahydrate in 300 ml of pure water. Dispersed. Next, this solution was dried at 100 ° C. with stirring to obtain catalyst powder. The catalyst powder was placed in an alumina boat and placed in a tubular electric furnace. The reaction tube of the electric furnace was a quartz tube having an inner diameter of 3 cm and a length of 1.5 m, and the length direction in the central part was 600 mm, and a boat in which catalyst powder was put in the central part of the heating area. After raising the temperature of the electric furnace to 800 ° C. under an argon atmosphere, a mixed gas of ethylene and argon was circulated for 30 minutes to obtain carbon nanotubes having an average diameter of 15 nm. Graphitization of carbon nanofibers is not performed. The carbon nanofiber is a photograph taken with an electron microscope (SEM) at 1.0 kV, 10,000 times to 100,000 times, and is a distance between adjacent defects Lx as a length of a substantially straight portion where the fiber is not bent. The fiber diameter D is measured, and the result is used to calculate the stiffness index at 200 locations for each fiber type by Lx / D, and the stiffness index is divided by the number of measurement locations (200) to obtain the average stiffness The degree index was determined.

浮遊流動反応法によって、平均直径が87nmの未処理のカーボンナノファイバーを製造した。製造条件は以下の通りであった。縦型加熱炉(内径17.0cm、長さ150cm)の頂部に、スプレーノズルを取り付ける。加熱炉の炉内壁温度(反応温度)を1000℃に昇温・維持し、スプレーノズルから4重量%のフェロセンを含有するベンゼンの液体原料20g/分を100L/分の水素ガスの流量で炉壁に直接噴霧(スプレー)散布するように供給する。この時のスプレーの形状は円錐側面状(ラッパ状ないし傘状)であり、ノズルの頂角が60°である。このような条件の下で、フェロセンは熱分解して鉄微粒子を作り、これがシード(種)となってベンゼンの熱分解による炭素から、カーボンナノファイバーを生成成長させ、カーボンナノファイバーを5分間隔で掻き落としながら1時間にわたって連続的に製造した。この未処理のカーボンナノファイバーを不活性ガス雰囲気の過熱炉内において2800℃で熱処理して黒鉛化したカーボンナノファイバー(表1、2において「MWCNT−3」で示す)を得た。黒鉛化したカーボンナノファイバー(MWCNT−5)は、平均直径87nm、頻度最大直径90nm、剛直度指数9.9、平均長さ9.1μm、表面の酸素濃度2.1atm%、ラマンピーク比(D/G)0.11、窒素吸着比表面積25m/gであって、昭和電工社製の多層カーボンナノファイバー(商品名:VGCF−S)であった。平均直径が87nmの前記未処理のカーボンナノファイバーを不活性ガス雰囲気中で前記浮遊流動反応法における反応温度より低温である1500℃で低温熱処理したカーボンナノファイバー(表1において「MWCNT−2」で示す)を得た。低温熱処理したカーボンナノファイバー(MWCNT−2)は、平均直径87nm、頻度最大直径90nm、剛直度指数9.9、表面の酸素濃度2.1atm%、ラマンピーク比(D/G)1.12、窒素吸着比表面積30m/gであった。Untreated carbon nanofibers having an average diameter of 87 nm were produced by the floating flow reaction method. The manufacturing conditions were as follows. A spray nozzle is attached to the top of a vertical heating furnace (inner diameter 17.0 cm, length 150 cm). The furnace wall temperature (reaction temperature) is raised to and maintained at 1000 ° C., and 20 g / min of a benzene liquid raw material containing 4% by weight of ferrocene is supplied from the spray nozzle at a flow rate of hydrogen gas of 100 L / min. To be sprayed directly. The shape of the spray at this time is a conical side surface (trumpet shape or umbrella shape), and the apex angle of the nozzle is 60 °. Under these conditions, ferrocene is pyrolyzed to produce iron fine particles, which become seeds, which generate and grow carbon nanofibers from the carbon produced by pyrolysis of benzene, and the carbon nanofibers are spaced every 5 minutes. And continuously produced for 1 hour. The untreated carbon nanofibers were heat-treated at 2800 ° C. in a superheated furnace in an inert gas atmosphere to obtain graphitized carbon nanofibers (shown as “MWCNT-3” in Tables 1 and 2). Graphitized carbon nanofiber (MWCNT-5) has an average diameter of 87 nm, a frequency maximum diameter of 90 nm, a stiffness index of 9.9, an average length of 9.1 μm, a surface oxygen concentration of 2.1 atm%, and a Raman peak ratio (D / G) 0.11, a nitrogen adsorption specific surface area of 25 m 2 / g, and was a multilayer carbon nanofiber (trade name: VGCF-S) manufactured by Showa Denko KK Carbon nanofibers obtained by subjecting the untreated carbon nanofibers having an average diameter of 87 nm to low temperature heat treatment at 1500 ° C., which is lower than the reaction temperature in the floating flow reaction method, in an inert gas atmosphere (“MWCNT-2” in Table 1). Obtained). Carbon nanofibers (MWCNT-2) heat-treated at low temperature have an average diameter of 87 nm, a frequency maximum diameter of 90 nm, a stiffness index of 9.9, a surface oxygen concentration of 2.1 atm%, a Raman peak ratio (D / G) of 1.12, The nitrogen adsorption specific surface area was 30 m 2 / g.

なお、低温熱処理したカーボンナノファイバー(MWNT−2)は、製造工程におけるハンドリング性を向上させるため、ロール処理によって造粒された。ロール処理は、カーボンナノファイバーを、2本のロールを有する乾式圧縮造粒機であるロールプレス機(ロール径は150mm、ロールは平滑ロール、ロール間隔は0mm、ロール間の設定圧縮力(線圧)は1960N/cm、ギア比1:1.3、ロール回転数3rpm)へ投入して直径が約2〜3cmの板状の塊(カーボンナノファイバー集合体)に造粒し、さらに8枚の回転刃を有する破砕造粒整粒機(回転数15rpm、スクリーン5mm)を通して破砕し、粒径を整えた。   In addition, in order to improve the handleability in a manufacturing process, the carbon nanofiber (MWNT-2) heat-processed at low temperature was granulated by the roll process. The roll treatment is a roll press machine that is a dry compression granulator having two rolls of carbon nanofibers (roll diameter is 150 mm, rolls are smooth rolls, roll interval is 0 mm, set compression force between rolls (linear pressure) ) 1960 N / cm, gear ratio 1: 1.3, roll rotation speed 3 rpm) and granulated into a plate-like lump (carbon nanofiber aggregate) having a diameter of about 2 to 3 cm. The particle size was adjusted by crushing through a crushing granulator (rotating speed: 15 rpm, screen: 5 mm) having a rotary blade.

(2)実施例1〜6及び比較例1〜6の炭素繊維複合材料サンプルの作製実施例1〜6及び比較例2〜6サンプルとして、密閉式混練機ブラベンダーに、FKM(表1,2では「FKM」で示した)を投入し素練り後、表1、2に示す所定量のカーボンナノファイバー及びカーボンブラック(表1,2では「MT−CB」で示した)をFKMに投入しチャンバー温度150℃〜200℃で混練りの後、第1の混練工程を行いロールから取り出した。さらに、その混合物をオープンロール(ロール温度10〜20℃、ロール間隔0.3mm)に巻きつけ、薄通しを繰り返し5回行なった。このとき、2本のロールの表面速度比を1.1とした。さらに、ロール間隙を1.1mmにセットして、薄通しして得られた炭素繊維複合材料を投入し、分出しした。分出ししたシートを120℃、2分間圧縮成形して厚さ1mmの実施例1〜6及び比較例2〜6の未架橋体の炭素繊維複合材料サンプルを得た。また、薄通しして得られた炭素繊維複合材料に架橋剤としてパーオキサイド(表1,2では「PO」で示した)2質量部及びトリアリルイソシアヌレート(表1,2では「TAIC」で示した)を加えて分出ししたシートをプレス加硫(170℃/20分)、二次加硫(200℃/4時間)で成形して厚さ1mmの実施例1〜6及び比較例2〜6のシート状の架橋体の炭素繊維複合材料サンプルを得た。なお、比較例1は、カーボンナノファイバーもカーボンブラックも配合しなかったが、同様の混練工程を行った。   (2) Preparation of carbon fiber composite material samples of Examples 1-6 and Comparative Examples 1-6 As Examples 1-6 and Comparative Examples 2-6, FKM (Tables 1 and 2) were used in a closed kneader Brabender. Then, after adding and masticating, a predetermined amount of carbon nanofibers and carbon black (shown as “MT-CB” in Tables 1 and 2) shown in Tables 1 and 2 are added to FKM. After kneading at a chamber temperature of 150 ° C. to 200 ° C., the first kneading step was performed and the product was taken out from the roll. Further, the mixture was wound around an open roll (roll temperature: 10 to 20 ° C., roll interval: 0.3 mm), and thinning was repeated 5 times. At this time, the surface speed ratio of the two rolls was set to 1.1. Furthermore, the carbon fiber composite material obtained by setting the roll gap to 1.1 mm and passing through was put and dispensed. The separated sheet was compression-molded at 120 ° C. for 2 minutes to obtain uncrosslinked carbon fiber composite material samples of Examples 1 to 6 and Comparative Examples 2 to 6 having a thickness of 1 mm. Further, the carbon fiber composite material obtained by passing through the thin film was mixed with 2 parts by weight of peroxide (indicated as “PO” in Tables 1 and 2) and triallyl isocyanurate (in Tables 1 and 2 as “TAIC”). 1) and Comparative Example 2 having a thickness of 1 mm formed by press vulcanization (170 ° C./20 minutes) and secondary vulcanization (200 ° C./4 hours). ~ 6 sheet-like crosslinked carbon fiber composite material samples were obtained. In Comparative Example 1, neither carbon nanofiber nor carbon black was blended, but the same kneading process was performed.

表1,2において、「FKM」は、フッ素含有量が66質量%、ムーニー粘度(ML1+4121℃)の中心値が65、ガラス転移点が−20℃のデュポン社製の3元系FKMであった。In Tables 1 and 2, “FKM” is a ternary FKM manufactured by DuPont having a fluorine content of 66 mass%, a Mooney viscosity (ML 1 + 4 121 ° C.) of 65, and a glass transition point of −20 ° C. there were.

また、表1,2において、「MT−CB」は、算術平均直径200nmのMTグレードのカーボンブラックであり、「オースチンブラック」は、オースチンブラックと呼ばれるカーボンブラックであった。   In Tables 1 and 2, “MT-CB” was MT grade carbon black having an arithmetic average diameter of 200 nm, and “Austin Black” was carbon black called Austin Black.

(3)パルス法NMRを用いた測定
実施例1〜6及び比較例1〜6の各未架橋体の炭素繊維複合材料サンプルについて、パルス法NMRを用いてハーンエコー法による測定を行った。この測定は、日本電子(株)製「JMN−MU25」を用いて行った。測定は、観測核がH、共鳴周波数が25MHz、90°パルス幅が2μsecの条件で行い、ハーンエコー法のパルスシーケンス(90°x−Pi−180°y)にて、減衰曲線を測定し、炭素繊維複合材料サンプルの150℃における特性緩和時間(T2’HE)を測定した。測定結果を表1に示す。また、パルス法NMRを用いてソリッドエコー法による測定を行った。この測定は、日本電子(株)製「JMN−MU25」を用いて行った。測定は、観測核がH、共鳴周波数が25MHz、90°パルス幅が2μsecの条件で行い、ソリッドエコー法のパルスシーケンス(90°x−Pi−90°y)にて、減衰曲線を測定し、炭素繊維複合材料サンプルの150℃における特性緩和時間(T2’SE)を検出した。測定結果を表1に示す。
(3) Measurement Using Pulsed Method NMR About the uncrosslinked carbon fiber composite material samples of Examples 1 to 6 and Comparative Examples 1 to 6, measurement by the Hahn echo method was performed using pulsed method NMR. This measurement was performed using “JMN-MU25” manufactured by JEOL Ltd. The measurement is carried out under the conditions that the observation nucleus is 1 H, the resonance frequency is 25 MHz, the 90 ° pulse width is 2 μsec, and the decay curve is measured by the pulse sequence of the Hahn-echo method (90 ° x-Pi-180 ° y). The characteristic relaxation time (T2′HE) at 150 ° C. of the carbon fiber composite material sample was measured. The measurement results are shown in Table 1. Moreover, the measurement by the solid echo method was performed using pulse method NMR. This measurement was performed using “JMN-MU25” manufactured by JEOL Ltd. The measurement is performed under the conditions of an observation nucleus of 1 H, a resonance frequency of 25 MHz, a 90 ° pulse width of 2 μsec, and an attenuation curve is measured by a pulse sequence (90 ° x-Pi-90 ° y) of the solid echo method. The characteristic relaxation time (T2′SE) at 150 ° C. of the carbon fiber composite material sample was detected. The measurement results are shown in Table 1.

(4)硬度、50%モジュラス、100%モジュラス、引張強さ、破断伸び、動的弾性率、圧縮永久ひずみ、引裂き強さ、引裂きエネルギー、引張疲労寿命及びDIN摩耗の測定実施例1〜6及び比較例1〜6の架橋体の炭素繊維複合材料サンプルについて、ゴム硬度(Hs(JIS−A))をJIS K 6253に基づいて測定した。   (4) Measurement of hardness, 50% modulus, 100% modulus, tensile strength, elongation at break, dynamic elastic modulus, compression set, tear strength, tear energy, tensile fatigue life and DIN wear Examples 1-6 and About the carbon fiber composite material sample of the crosslinked body of Comparative Examples 1-6, rubber hardness (Hs (JIS-A)) was measured based on JIS K 6253.

実施例1〜6及び比較例1〜6の架橋体の炭素繊維複合材料サンプルをJIS6号形のダンベル形状に切り出した試験片について、東洋精機社製の引張試験機を用いて、23±2℃、引張速度500mm/minでJIS K6251に基づいて引張試験を行い引張強さ(表1,2において「TB(MPa)」で示した。)、破断伸び(表1,2において「EB(%)」で示した。)、50%応力(表1,2において「M50」で示した。)及び100%応力(表1,2において「M100」で示した。)を測定した。   About the test piece which cut out the carbon fiber composite material sample of the bridge | crosslinking body of Examples 1-6 and Comparative Examples 1-6 in the dumbbell shape of JIS6 type, it was 23 +/- 2 degreeC using the tensile tester by Toyo Seiki Co., Ltd. Tensile strength test was performed based on JIS K6251 at a tensile speed of 500 mm / min (shown as “TB (MPa)” in Tables 1 and 2), and elongation at break (“EB (%) in Tables 1 and 2). ), 50% stress (shown as “M50” in Tables 1 and 2), and 100% stress (shown as “M100” in Tables 1 and 2).

実施例1〜6及び比較例1〜6の架橋体の炭素繊維複合材料サンプルを短冊形(40×1×5(巾)mm)に切り出した試験片について、SII社製の動的粘弾性試験機DMS6100を用いて、チャック間距離20mm、測定温度−100〜300℃、動的ひずみ±0.05%、周波数10HzでJIS K6394に基づいて動的粘弾性試験を行い測定温度が25℃及び200℃における動的弾性率(表1,2において「E’(25℃)(MPa)」、「E’(200℃)(MPa)」で示した)を測定した。   About the test piece which cut out the carbon fiber composite material sample of the bridge | crosslinking body of Examples 1-6 and Comparative Examples 1-6 into a strip shape (40x1x5 (width) mm), the dynamic viscoelasticity test made from SII company Using a machine DMS6100, a dynamic viscoelasticity test was performed based on JIS K6394 at a distance between chucks of 20 mm, a measurement temperature of −100 to 300 ° C., a dynamic strain of ± 0.05%, and a frequency of 10 Hz, and the measurement temperatures were 25 ° C. and 200 ° C. The dynamic elastic modulus at 0 ° C. (shown as “E ′ (25 ° C.) (MPa)” and “E ′ (200 ° C.) (MPa)” in Tables 1 and 2)) was measured.

実施例1〜6及び比較例1〜6の架橋体の炭素繊維複合材料サンプルを直径29.0±0.5mm、厚さ12.5±0.5mmの試験片に切り出し、圧縮永久ひずみ(JIS K6262)を測定した。圧縮永久ひずみは、200℃、70時間、25%圧縮で行なった。   The crosslinked carbon fiber composite material samples of Examples 1 to 6 and Comparative Examples 1 to 6 were cut into test pieces having a diameter of 29.0 ± 0.5 mm and a thickness of 12.5 ± 0.5 mm, and compression set (JIS K6262) was measured. The compression set was performed at 200 ° C. for 70 hours at 25% compression.

実施例1〜6及び比較例1〜6の架橋体の炭素繊維複合材料サンプルをJIS K 6252切込み無しのアングル形試験片に切り出し、島津製作所社製オートグラフAG−Xを用いて、引張速度500mm/minでJIS K 6252に準拠して引裂き試験を行い、最大引裂き力(N)を測定し、その測定結果を試験片の厚さ1mmで除して、引裂き強さ(N/mm)を測定し、縦軸を測定荷重(N)、横軸を試験機のストローク変位(mm)として引裂試験の荷重−変位曲線で囲まれる面積を引裂きエネルギーとした。実施例1〜6及び比較例1〜6の架橋体の炭素繊維複合材料サンプルを、図5に示すような10mm×幅4mm×厚さ1mmの短冊状の試験片に切り出し、その試験片の長辺の中心から幅方向へ深さ1mmの切込みを入れ、SII社製TMA/SS6100試験機を用いて、大気雰囲気中、200℃、最大引張応力2.5N/mmもしくは2.0N/mm、周波数1Hzの条件で繰り返し引っ張り荷重(最大引張応力2.5N/mmのときは0N/mm〜2.5N/mm、最大引張応力2N/mmのときは0N/mm〜2N/mm)をかけて引張疲労試験を行い、試験片が破断するかあるいは100万回までの引張回数を測定した。表1,2において「(a)引張疲労寿命(回)」と示した引張疲労試験は、大気雰囲気中、200℃、最大引張応力2N/mm、周波数1Hzの条件で繰り返し引っ張り荷重(0N/mm〜2N/mm)をかけた。表1,2において「(b)引張疲労寿命(回)」と示した引張疲労試験は、大気雰囲気中、200℃、最大引張応力2.5N/mm、周波数1Hzの条件で繰り返し引っ張り荷重(0N/mm〜2.5N/mm)をかけた。なお、引張回数が100万回になっても破断しなかった場合には、表1,2に「100万回中断」と記載した。   The carbon fiber composite material samples of the crosslinked bodies of Examples 1 to 6 and Comparative Examples 1 to 6 were cut into angle-shaped test pieces without incision of JIS K 6252, and using an autograph AG-X manufactured by Shimadzu Corporation, a tensile speed of 500 mm / Min is measured in accordance with JIS K 6252, the maximum tearing force (N) is measured, and the measurement result is divided by the thickness of the test piece to determine the tearing strength (N / mm). The area surrounded by the load-displacement curve of the tear test was taken as the tear energy, with the measured load (N) on the vertical axis and the stroke displacement (mm) on the horizontal axis on the horizontal axis. The cross-linked carbon fiber composite material samples of Examples 1 to 6 and Comparative Examples 1 to 6 were cut into strip-shaped test pieces of 10 mm × width 4 mm × thickness 1 mm as shown in FIG. A notch with a depth of 1 mm is made from the center of the side in the width direction, and using a TMA / SS6100 testing machine manufactured by SII, in air, 200 ° C., maximum tensile stress 2.5 N / mm or 2.0 N / mm, frequency Tensile with repeated tensile loads under the condition of 1 Hz (0 N / mm to 2.5 N / mm when the maximum tensile stress is 2.5 N / mm, 0 N / mm to 2 N / mm when the maximum tensile stress is 2 N / mm) A fatigue test was performed, and the test piece was broken or the number of tensions up to 1 million was measured. In Tables 1 and 2, the tensile fatigue test indicated as “(a) Tensile fatigue life (times)” is a repeated tensile load (0 N / mm) in the air atmosphere at 200 ° C., maximum tensile stress of 2 N / mm, and frequency of 1 Hz. ˜2 N / mm). In Tables 1 and 2, the tensile fatigue test shown as “(b) Tensile fatigue life (times)” is a repeated tensile load (0 N) in the air atmosphere at 200 ° C., maximum tensile stress 2.5 N / mm, and frequency 1 Hz. / Mm to 2.5 N / mm). In addition, when it did not break even when the number of tensions reached 1 million times, it was described in Tables 1 and 2 as “1 million interruptions”.

実施例1、2及び比較例4の架橋体の炭素繊維複合材料サンプルを直径8mm、厚さ6mmの円盤状試験片に切り出し、5kgfのおもりを用いて49.0Nの荷重で試験片を回転する#100の円盤形砥石に25℃の水中で押しつけ、摩耗距離20mとして、その他はDIN−53516摩耗試験と同様にして、摩耗試験前後の試験片の質量(g)を計測した。摩耗量Wa=(g−g)/(P・L・d)で計算して求め、表1,2には「DIN摩耗」として記載した。摩耗量Waの単位は、cm/N・mである。なお、gは摩耗前の試験片の質量(g)、gは摩耗後の試験片の質量(g)、Pはおもりの設定荷重(49N)、Lは摩耗距離(m)、dは比重(g/cm)であった。Samples of the crosslinked carbon fiber composite materials of Examples 1 and 2 and Comparative Example 4 were cut into a disk-shaped test piece having a diameter of 8 mm and a thickness of 6 mm, and the test piece was rotated at a load of 49.0 N using a 5 kgf weight. The mass (g) of the test piece before and after the wear test was measured in the same manner as the DIN-53516 wear test except that it was pressed against a # 100 disc-shaped grindstone in water at 25 ° C. and the wear distance was 20 m. The amount of wear Wa = (g 2 −g 1 ) / (P · L · d) was obtained by calculation and listed as “DIN wear” in Tables 1 and 2. The unit of the wear amount Wa is cm 3 / N · m. The mass of g 1 is a front wear test piece (g), the mass of g 2 are after the abrasion test specimen (g), P is the weight of the set load (49N), L is the wear length (m), d is Specific gravity (g / cm 3 ).

実施例1,2及び比較例4の架橋体の炭素繊維複合材料サンプルを直径8mm、厚さ6mmの円盤状試験片に切り出し、NACE(米国のNational Association of Corrosion Engineers) TM097−97に基づいて、圧力容器内に試験片を置き、室温でCO流体を用いて5.5(MPa)で24時間加圧後、減圧速度1.8(MPa/秒)で急速に減圧し、試験前後の試験片の体積変化を測定した。体積変化は、dV(%)=(Va−Vb)・100/Vbで計算した。なお、Vbは試験片の試験前の体積、Vaは試験片の試験後の体積である。体積変化dVは、ここでは試験後の体積膨張となり、耐ガス性を評価する試験であって、表1,2に「体積膨張(%)」として記載した。試験前の試験片の体積は、電子比重計にて測定し、具体的には、Va=(Wa−Ww)/dtで計算し、同様にして試験後の試験片の体積Vbも計算した。なお、Waは空気中の試験前の試験片の重さ、Wwは水中の試験前の試験片の重さ、dtは水温で補正した水の比重である。
各測定結果は、表1,2に示した。
The crosslinked carbon fiber composite material samples of Examples 1 and 2 and Comparative Example 4 were cut into a disk-shaped test piece having a diameter of 8 mm and a thickness of 6 mm, and based on NACE (National Association of Corrosion Engineers) TM097-97. Place the test piece in a pressure vessel, pressurize at 5.5 (MPa) with CO 2 fluid at room temperature for 24 hours, and then rapidly depressurize at a depressurization rate of 1.8 (MPa / second), before and after the test. The volume change of the piece was measured. The volume change was calculated by dV (%) = (Va−Vb) · 100 / Vb. Vb is the volume of the test piece before the test, and Va is the volume of the test piece after the test. Here, the volume change dV is the volume expansion after the test, and is a test for evaluating gas resistance, and is described as “volume expansion (%)” in Tables 1 and 2. The volume of the test piece before the test was measured with an electronic hydrometer, specifically, Va = (Wa−Ww) / dt. Similarly, the volume Vb of the test piece after the test was also calculated. Wa is the weight of the test piece in the air before the test, Ww is the weight of the test piece in the water before the test, and dt is the specific gravity of water corrected by the water temperature.
The measurement results are shown in Tables 1 and 2.

Figure 0005546556
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表1,2の結果からも明らかなように、本発明の実施例1〜6の架橋体の炭素繊維複合材料サンプルは、比較例1〜6に比べて引張疲労寿命回数が多く、高温(200℃)における耐摩耗性に優れることが分かった。また、本発明の実施例1、2の架橋体の炭素繊維複合材料サンプルは、比較例4に比べてDIN摩耗量が小さく、耐摩耗性に優れることが分かった。また、実施例1,2の架橋体の炭素繊維複合材料サンプルは、比較例4に比べて体積膨張が小さく、耐ガス性に優れていることが分かった。   As apparent from the results in Tables 1 and 2, the crosslinked carbon fiber composite material samples of Examples 1 to 6 of the present invention have a higher number of tensile fatigue lives than those of Comparative Examples 1 to 6, and high temperature (200 (° C.). Moreover, it turned out that the carbon fiber composite material sample of the crosslinked body of Example 1, 2 of this invention has a small amount of DIN abrasion compared with the comparative example 4, and is excellent in abrasion resistance. Moreover, it turned out that the carbon fiber composite material sample of the crosslinked body of Example 1, 2 has a small volume expansion compared with the comparative example 4, and is excellent in gas resistance.

2 オープンロール
10 第1のロール
20 第2のロール
30 FKM
60 カーボンナノファイバー
70 乾式圧縮造粒機
72、74ロール
80 カーボンナノファイバー集合体
100 試験片
106 切込み
110 チャック
120 DIN摩耗試験機
150 プラットホーム
155 デリック組立体
160 孔底組立体
162 ドリルビット
164 回転操作システム
166 マッドモータ
2 Open roll 10 First roll 20 Second roll 30 FKM
60 Carbon nanofiber 70 Dry compression granulator 72, 74 roll 80 Carbon nanofiber assembly 100 Test piece 106 Notch 110 Chuck 120 DIN abrasion tester 150 Platform 155 Derrick assembly 160 Hole bottom assembly 162 Drill bit 164 Rotation operation system 166 Mud motor

Claims (17)

3元系の含フッ素エラストマー(FKM)に対し、カーボンナノフアイバーを含み、
前記カーボンナノファイバーは、平均直径が10nm〜20nmのカーボンナノファイバーもしくは平均直径が60nm〜110nmであって低温熱処理したカーボンナノファイバーであり、
前記平均直径が60nm〜110nmであって低温熱処理したカーボンナノファイバーは、ラマン散乱分光法によって測定される1600cm−1付近のピーク強度Gに対する1300cm−1付近のピーク強度Dの比(D/G)が0.9を超えかつ1.6未満であり、
200℃、最大引張応力2.5N/mm、周波数1Hzの引張疲労試験における破断回数が10回以上である、動的シール部材。
For ternary fluorine-containing elastomer (FKM), including carbon nanofibers,
The carbon nanofibers are carbon nanofibers having an average diameter of 10 nm to 20 nm or carbon nanofibers having an average diameter of 60 nm to 110 nm and heat-treated at a low temperature,
Carbon nanofibers which the average diameter was low-temperature heat treatment a 60nm~110nm, the ratio of the peak intensity D of around 1300 cm -1 to the peak intensity G of around 1600 cm -1 measured by Raman scattering spectroscopy (D / G) Is greater than 0.9 and less than 1.6;
A dynamic seal member having a number of breaks of 10 or more in a tensile fatigue test at 200 ° C., a maximum tensile stress of 2.5 N / mm, and a frequency of 1 Hz.
請求項1において、
前記3元系の含フッ素エラストマー(FKM)100質量部に対し、前記平均直径が10nm〜20nmのカーボンナノファイバー0.5質量部〜30質量部と、平均粒径5nm〜300nmの充填剤0質量部〜50質量部と、を含み、
前記カーボンナノファイバーと前記充填剤の配合量は、下記式(1)及び(2)を満たす、動的シール部材。
Wt=0.09W1+W2 (1)
5≦Wt≦30 (2)
W1:充填剤の配合量(質量部)
W2:カーボンナノファイバーの配合量(質量部)。
In claim 1,
For 100 parts by mass of the ternary fluorine-containing elastomer (FKM), 0.5 parts by mass to 30 parts by mass of carbon nanofibers having an average diameter of 10 nm to 20 nm and 0 part by mass of filler having an average particle diameter of 5 nm to 300 nm. Part to 50 parts by mass,
The amount of the carbon nanofiber and the filler is a dynamic seal member that satisfies the following formulas (1) and (2).
Wt = 0.09W1 + W2 (1)
5 ≦ Wt ≦ 30 (2)
W1: Blending amount of filler (parts by mass)
W2: Compounding amount (parts by mass) of carbon nanofibers.
請求項1において、
前記3元系の含フッ素エラストマー(FKM)100質量部に対し、前記平均直径が60nm〜110nmであって低温熱処理したカーボンナノファイバー4質量部〜30質量部と、平均粒径5nm〜300nmの充填剤0質量部〜60質量部と、を含み、
前記カーボンナノファイバーと前記充填剤の配合量は、下記式(3)及び(4)を満たす、動的シール部材。
Wt=0.1W1+W2 (3)
10≦Wt≦30 (4)
W1:充填剤の配合量(質量部)
W2:カーボンナノファイバーの配合量(質量部)。
In claim 1,
Filling of 4 to 30 parts by mass of carbon nanofibers having an average diameter of 60 nm to 110 nm and low-temperature heat treatment, and an average particle diameter of 5 to 300 nm with respect to 100 parts by mass of the ternary fluorine-containing elastomer (FKM) 0 parts by mass to 60 parts by mass of an agent,
The amount of the carbon nanofiber and the filler is a dynamic seal member that satisfies the following formulas (3) and (4).
Wt = 0.1W1 + W2 (3)
10 ≦ Wt ≦ 30 (4)
W1: Blending amount of filler (parts by mass)
W2: Compounding amount (parts by mass) of carbon nanofibers.
請求項1〜3のいずれかにおいて、
前記動的シール部材の硬度が80未満であり、
200℃、最大引張応力2N/mm、周波数1Hzの引張疲労試験における破断回数が50回以上である、動的シール部材。
In any one of Claims 1-3,
The dynamic seal member has a hardness of less than 80;
A dynamic seal member having a fracture number of 50 or more in a tensile fatigue test at 200 ° C., a maximum tensile stress of 2 N / mm, and a frequency of 1 Hz.
請求項1〜3のいずれかにおいて、
前記動的シール部材の硬度が80以上であり、
200℃、最大引張応力2N/mm、周波数1Hzの引張疲労試験における破断回数が300回以上である、動的シール部材。
In any one of Claims 1-3,
The dynamic sealing member has a hardness of 80 or more,
A dynamic seal member having a number of breaks of 300 or more in a tensile fatigue test at 200 ° C., a maximum tensile stress of 2 N / mm, and a frequency of 1 Hz.
請求項1〜5のいずれかにおいて、
25℃の高圧摩耗試験における摩耗量Waが0.010cm/N・m〜0.070cm/N・mであり、
前記摩耗量Waは、下記式(5)を満たす、動的シール部材。
Wa=(g−g)/(P・L・d) (5)
:摩耗前の試験片の質量(g)
:摩耗後の試験片の質量(g)
P:おもりの設定荷重(N)
L:摩耗距離(m)
d:比重(g/cm)。
In any one of Claims 1-5,
Wear amount Wa in the high-pressure wear test 25 ° C. is 0.010cm 3 / N · m~0.070cm 3 / N · m,
The wear amount Wa is a dynamic seal member that satisfies the following formula (5).
Wa = (g 2 −g 1 ) / (P · L · d) (5)
g 1 : Mass of the test piece before wear (g)
g 2 : Mass of the test piece after wear (g)
P: Set weight of weight (N)
L: Wear distance (m)
d: Specific gravity (g / cm 3 ).
請求項1〜6のいずれかにおいて、
前記動的シール部材は、油田装置に用いられる、動的シール部材。
In any one of Claims 1-6,
The dynamic seal member is a dynamic seal member used in an oil field device.
請求項7において、
前記油田装置は、坑井内において検層を行う検層装置である、動的シール部材。
In claim 7,
The oil field device is a dynamic seal member that is a logging device that performs logging in a well.
請求項7において、
前記動的シール部材は、前記油田装置内に配置された無端状の動的シール部材である、動的シール部材。
In claim 7,
The dynamic seal member is an endless dynamic seal member disposed in the oil field device.
請求項7において、
前記動的シール部材は、前記油田装置内に配置された流体駆動モータのステータである、動的シール部材。
In claim 7,
The dynamic seal member is a stator of a fluid drive motor disposed in the oil field device.
請求項10において、
前記流体駆動モータはマッドモータである、動的シール部材。
In claim 10,
The dynamic seal member, wherein the fluid drive motor is a mud motor.
請求項7において、
前記動的シール部材は、前記油田装置内に配置された流体駆動モータのロータである、動的シール部材。
In claim 7,
The dynamic seal member is a rotor of a fluid drive motor disposed in the oil field device.
請求項12において、
前記流体駆動モータはマッドモータである、動的シール部材。
In claim 12,
The dynamic seal member, wherein the fluid drive motor is a mud motor.
請求項1〜13のいずれかにおいて、
前記3元系の含フッ素エラストマー(FKM)は、フッ素含有量が66〜70質量%、ムーニー粘度(ML1+4121℃)の中心値が25〜65、ガラス転移点が0℃以下である、動的シール部材。
In any one of Claims 1-13,
The ternary fluorine-containing elastomer (FKM) has a fluorine content of 66 to 70 mass%, a median value of Mooney viscosity (ML 1 + 4 121 ° C.) of 25 to 65, and a glass transition point of 0 ° C. or less. Sealing member.
請求項1〜14のいずれかにおいて、
前記カーボンナノファイバーは、前記3元系の含フッ素エラストマー(FKM)に配合される前の段階において、剛直度=Lx÷D(Lx:カーボンナノファイバーの隣り合う欠陥と欠陥との間の距離、D:カーボンナノファイバーの直径)で定義される剛直度の平均値が3〜12である、動的シール部材。

In any of the claims 1-14,
Before the carbon nanofiber is blended with the ternary fluorine-containing elastomer (FKM), rigidity = Lx ÷ D (Lx: distance between adjacent defects of the carbon nanofiber, D: Dynamic sealing member having an average value of stiffness defined by (D: diameter of carbon nanofiber) of 3 to 12.

請求項2または3において、
前記充填剤は、平均粒径が10nm〜300nmのカーボンブラックである、動的シール部材。
In claim 2 or 3,
The dynamic sealing member, wherein the filler is carbon black having an average particle diameter of 10 nm to 300 nm.
請求項2または3において、
前記充填剤は、平均粒径が5nm〜50nmであって、かつ、シリカ、タルク及びクレーから選ばれる少なくとも一つである、動的シール部材。
In claim 2 or 3,
The dynamic sealing member, wherein the filler has an average particle diameter of 5 nm to 50 nm and is at least one selected from silica, talc and clay.
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