JP6499022B2 - 輸送機器部材用ポリウレア架橋粒子及び摺動部材 - Google Patents
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Description
ところで、潤滑油は使用時間が長くなるにつれて次第に劣化して酸性度が高くなる傾向にある。酸性度が高い潤滑油中では、塗膜に含有させた樹脂粒子が分解して油保持性が低下し、摺動部材の摺動性が低下することがあった。したがって、従来は、高い摺動性を持続できず、例えば、摺動部材をエンジンに使用した場合には、トルク低減効果を持続できなかった。
本発明は、耐酸性が高く、塗膜に含有させた際には長期の油保持性を高めて、長期にわたって高い摺動性を維持できる輸送機器部材用ポリウレア架橋粒子を提供することを目的とする。また、本発明は、長期にわたって油保持性が高く、高い摺動性を維持できる摺動部材を提供することを目的とする。
本発明の輸送機器部材用ポリウレア架橋粒子においては、前記自己乳化型イソシアネート及び前記非自己乳化型イソシアネートのいずれか一方は、3官能以上のものを含むことが好ましい。
本発明の輸送機器部材用ポリウレア架橋粒子においては、前記自己乳化型イソシアネートの割合は、全イソシアネートを100質量%とした際の30〜90質量%であることが好ましい。
本発明の摺動部材は、潤滑油保持性塗膜が表面に形成され、該潤滑油保持性塗膜は、上記の複数個の輸送機器部材用ポリウレア架橋粒子と、該ポリウレア架橋粒子同士を結着するバインダ樹脂とを含む。
本発明の摺動部材においては、前記潤滑油保持性塗膜におけるポリウレア架橋粒子の含有率が60質量%以下であることが好ましく、5〜30質量%であることがより好ましい。
本発明の摺動部材は、長期にわたって油保持性が高く、高い摺動性を維持できる。また、本発明では、油保持によって摺動性を向上させると、フラッシュ発熱が低減するため、バインダ樹脂の熱劣化を抑制できるという副次的な効果も奏する。
輸送機器部材用ポリウレア架橋粒子(以下、「ポリウレア架橋粒子」と略す。)は、2官能以上の自己乳化型イソシアネートと、環構造を有する2官能以上の非自己乳化型イソシアネートとの反応物からなる粒子である。また、ポリウレア架橋粒子は、その粒子の表面にポリウレアが存在し、ウレタン構造を有さない。
自己乳化型イソシアネートの具体例としては、バーノック DNW−5500,DNW−6000(DIC株式会社)、Basonat HW1000,HW180PC,LR9056,LR9080(BASF)、タケネート WD−720,WD−725,WD−730,WB−700,WB−820,WB−920(三井化学株式会社)、デュラネート WB40−100,WB40−80D,WT20−100,WT30−100,WE50−100(旭化成ケミカルズ株式会社)、バイヒジュール 3100,304,305,XP2451/1,XP2487/1、XP2547,XP2655,XP2700,DN,DA−L,401−70(住化バイエルウレタン株式会社)等が挙げられる。
自己乳化型イソシアネートは1種を単独で使用してもよいし、2種以上を併用してもよい。
脂環族イソシアネートとしては、1,4−シクロヘキサンジイソシアネート、4,4−ジシクロヘキシルメタンジイソシアネート、イソホロンジイソシアネート、水添キシリレンジイソシアネート、ノルボルネンジイソシアネート、水添トリレンジイソシアネート、シクロブタンジイソシアネート等が挙げられる。
芳香族イソシアネートとしては、トリレン−2,4−ジイソシアネート、トリレン−2,6−ジイソシアネート、ジフェニルメタン−4、4’−ジイソシアネート、3−メチルジフェニルメタン−4,4’−ジイソシアネート、m−若しくはp−フェニレンジイソシアネート、クロロフェニレン−2,4−ジイソシアネート、ナフタリン−1、5−ジイソシアネート、ジフェニルー4,4’−ジイソシアネート、3、3’−ジメチルジフェニル−1,3,5−トリイソプロピルベンゼン−2,4−ジイソシアネートカーボジイミド変性ジフェニルメタジイソシアネート、ポリフェニルポリメチレンイソシアネート又はジフェニルエーテルジイソシアネート等のイソシアネートモノマー類が挙げられる。
例えば、変性ポリイソシアネートとしては、イソシアネートモノマーを重合させることによって得られる、イソシアヌレート環を含んだポリイソシアネート、イソシアネートモノマーと水と反応させて得られる、ビュレット結合を含んだポリイソシアネート等が挙げられる。
本発明のポリウレア架橋粒子を構成する好ましい非自己乳化型イソシアネートとしては、イソホロンジイソシアネートが挙げられる。
また、3官能以上のイソシネートを含めば、より架橋密度を上げることができ、耐熱性を向上させることができる。
また、本発明のポリウレア架橋粒子は、2官能以上の自己乳化型イソシアネート、及び、環構造を有する2官能以上の非自己乳化型イソシアネート以外の、イソシアネートを構成成分としても構わない。
なお、本発明のポリウレア架橋粒子は、ポリエーテルポリオール等のポリオールを構成成分として使用しない。ポリオールを使用した場合には、ポリウレア架橋粒子ではなく、ポリウレタンポリウレア架橋粒子となる。
ここで、「架橋密度」とは、ポリウレア架橋粒子の単位質量当りの3官能以上の成分のモル数である。
ここで、最大粒子径は、レーザー回折式粒度分布計(例えば、島津製作所製SALD2100)によって測定された最大粒子径である。
すなわち、水中に、前記自己乳化型イソシアネートと前記非自己乳化型イソシアネートとを添加し、懸濁重合させる。この製造方法によれば、粒子最大粒子径が3μm未満のポリウレア架橋粒子が容易に得られる。
本発明のポリウレア架橋粒子は、自動車等の輸送機器の部材に使用され、例えば、エンジンのピストン、すべり軸受、ギア等を構成する摺動部材に好適に使用される。また、本発明のポリウレア架橋粒子は、自動車のインスツルメントパネル又はダッシュボードの加飾成形品にも用いることが可能である。
本発明の摺動部材は、表面に潤滑油保持性塗膜が形成されている。摺動部材において、潤滑油保持性塗膜が塗布される部分の材質は、金属、セラミックス、樹脂等のいずれであってもよいが、金属が好ましく、金属種としてはアルミニウム合金がより好ましい。アルミニウム合金を用いると、軽量でありながらも高い強靭性が得られると共に、耐熱性及び耐摩耗性が高くなる。
また、摺動部材の形状は特に制限されず、例えば、平板状であってもよいし、円筒状であってもよいし、円柱状であってもよい。
該摺動部材は、例えば、エンジンのピストン、すべり軸受、ギア等に使用される。
潤滑油保持性塗膜の膜厚は、摩擦抵抗を充分に低減できる範囲で薄膜であることが好ましく、具体的には、3〜15μmであることが好ましい。
また、通常、バインダ樹脂としては、熱硬化性のモノマー又はオリゴマーが熱硬化した熱硬化型樹脂が用いられる。
また、自己乳化型イソシアネートを用いて得たポリウレア架橋粒子は粒子径が小さくなる傾向にあるため、該ポリウレア架橋粒子を含む潤滑油保持性塗膜は表面凹凸の高低差が小さい。そのため、他部材表面に油膜が形成されている場合には、その油膜との接触面積が大きくなる。
これらのことから、摺動部材における潤滑油保持性塗膜は、潤滑油存在下において、他部材に対して摺動性の向上に寄与する油膜を強固に保持でき、他部材との摺動によって油膜が掻き取られることを抑制でき、油膜切れを防止できる。したがって、最低せん断層を油膜中とすることができるため、充分且つ持続的に摩擦抵抗を低減でき、摺動トルクを低減できる。
しかも、摩擦抵抗を低減できることにより、摺動時のフラッシュ発熱を抑制できるため、該潤滑油保持性塗膜に含まれるバインダ樹脂の熱劣化を抑制できる。
また、潤滑油保持性塗膜に含まれるポリウレア架橋粒子は高い耐酸性を有するため、潤滑油が劣化してその酸性度が高くなっても、分解が生じにくい。したがって、ポリウレア架橋粒子を含む潤滑油保持性塗膜を、長期間使用しても、油保持性が低下しにくく、摺動性の低下を引き起こしにくい。
まず、上記ポリウレア架橋粒子及びバインダ樹脂を溶剤中に分散させて分散液を調製する。次いで、調製した分散液を摺動部材の摺動面に塗布する。分散液の塗布方法としては特に制限されず、例えば、エアスプレー、エアレススプレー、静電塗装、パッド印刷、スクリーン印刷等を適用することができる。
次いで、分散液の塗膜を乾燥させて溶剤を揮発させた後、所定の温度(例えば230℃)で加熱して塗膜を硬化する。これより、表面に潤滑油保持性塗膜が形成された摺動部材を得る。
例えば、摺動部材を内燃機関のピストンとして使用することができる。図1(a)に示すように、通常、内燃機関のピストン1はシリンダ4内に収容され、シリンダ4の内面には潤滑油7が供給される。摺動部材本体2の表面に潤滑油保持性塗膜3が形成された本発明の摺動部材をピストン1として使用した場合、潤滑油7をピストン1表面の潤滑油保持性塗膜3に保持できる。そのため、ピストン1とシリンダ4との間に、潤滑油の油膜10を形成できる。そのため、最低せん断層を油膜10中とすることができるため、充分且つ持続的に摩擦抵抗を低減でき、摺動トルクを低減できる。
特許文献1のように、固体潤滑膜を形成した場合には、図1(b)に示すように、ピストン9表面に潤滑油7を保持できず、摺動性向上に寄与し得るほどの油膜を形成しない。
そのため、最低せん断層が固体潤滑膜6とシリンダ4との界面となり、充分且つ持続的に摩擦抵抗及び摺動トルクを低減させることが困難である。
ポリアミドイミド樹脂からなるバインダ樹脂と、下記の粒子1と、N−メチルピロリドンとを含む分散液を調製した。その際、バインダ樹脂と粒子との合計質量に対する粒子の配合割合を表2に示す通りとした。
次いで、調製した分散液をアルミニウム合金の板上に、下記表1に示す条件のスプレーコーティングにより塗布し、乾燥させて溶剤を揮発させた後、加熱して、バインダ樹脂を硬化させた。これにより、潤滑油保持性塗膜を形成して摺動部材を得た。また、実施例1においては、潤滑油保持性塗膜にpH1の酸を接触させた。
粒子の種類、粒子の配合割合の少なくとも1つを表2に示すように変更した以外は実施例1と同様にして、潤滑油保持性塗膜を形成し、摺動部材を得た。実施例2〜6及び比較例3においては、潤滑油保持性塗膜にpH1の酸を接触させたが、比較例1,2,4〜6においては、潤滑油保持性塗膜に酸を接触させなかった。
本例は、潤滑油保持性塗膜を形成していない単なるアルミニウム合金の板である。
粒子1:自己乳化型イソシアネート(具体的には、旭化成社製デュラネート WB40−100)50質量%、非自己乳化型イソシアネート(イソホロンジイソシアネート)50質量%とを、水中で懸濁重合させて得たポリウレア架橋粒子。最大粒子径2.4μm、架橋密度が6.7×10−4モル/g。
粒子2:根上工業株式会社製「アートパールNI−800T」、ポリウレタンポリウレア架橋粒子、架橋密度:1.24×10-3モル/g。
粒子3:自己乳化型イソシアネート(具体的には、旭化成社製デュラネートWB40−100)70質量%と末端イソシアネート基プレポリマー(ポリオール成分:環構造を有するポリエーテルポリオール、具体的には、両末端をHDIで変性したスピログリコール)30質量%とを、水中で懸濁重合させて得たポリウレタンポリウレア架橋粒子。最大粒子径:2.9μm、架橋密度 9.06×10−4モル/g。
(粒子を加熱した際の質量減少量)
図2に、実施例3で使用したポリウレア架橋粒子(粒子1)を加熱した際の質量減少量、比較例1で使用したポリウレタンポリウレア架橋粒子(粒子2)を加熱したときの質量減少量と、比較例3で使用したポリウレタンポリウレア複合架橋粒子(粒子3)を加熱したときの質量減少量とを示す。
図2に示すように、実施例3で使用したポリウレア架橋粒子は、比較例1で使用したポリウレタンポリウレア架橋粒子及び比較例3で使用したポリウレタンポリウレア複合架橋粒子よりも、加熱した際の質量減少量が少なかった。具体的には、実施例3で使用したポリウレア架橋粒子は、200℃以下の加熱では質量減少量が約0%であり、高い耐熱性を示した。比較例1で使用したポリウレタンポリウレア架橋粒子及び比較例3で使用したポリウレタンポリウレア複合架橋粒子は、実施例3で使用したポリウレア架橋粒子よりも質量減少量が大きく、耐熱性が低かった。
実施例3及び比較例3について、走査型プローブ顕微鏡を用いて潤滑油保持性塗膜表面の形状を測定した。図3に実施例3の表面形状画像を示し、図4に比較例3の表面形状画像を示す。
なお、潤滑油保持性塗膜表面の形状は、油の保持性に影響を与える。すなわち、図5(a)に示すように、凹凸の高低差が小さい潤滑油保持性塗膜3の場合には、他部材4の表面に形成された油膜10との接触面積が大きくなり、充分かつ持続的に油膜10を保持できる傾向にある。一方、図5(b)に示すように、凹凸の高低差が大きい潤滑油保持性塗膜3Aの場合には、他部材4の表面に形成された油膜10Aとの接触面積が小さく、充分かつ持続的に油膜10Aを保持することが困難になる傾向にある。
図6に、実施例3及び比較例2,3の潤滑油保持性塗膜の油吸着力(μN)を示す。ここで、油吸着力は単位面積あたりの油吸着力である。単位面積当たりの油吸着力は、カンチレバーを備える走査型プローブ顕微鏡(以下、「SPM」という。)を用い、下記測定条件に従って部分的な油吸着力を測定し、該油吸着力測定値に各塗膜の比表面積を乗じることによって求められる。
具体的に、SPMによる油吸着力の測定では、図7(a)に示すように、潤滑油保持性塗膜3の表面を、潤滑油に類似した炭化水素修飾Sが施されたカンチレバー51(図7(b)参照)で走査する。これにより、潤滑油保持性塗膜3と炭化水素修飾されたカンチレバー51の先端部52との吸着度合いを測定することにより、潤滑油保持性塗膜3の油吸着力を測定可能となる。すなわち、炭化水素修飾されたカンチレバー51の先端部52に接触させた潤滑油保持性塗膜3を、前記先端部52から引き離すときに必要な力を測定することで、潤滑油保持性塗膜3の油吸着力を測定できる。
図6に示すように、酸に接触させたにもかかわらず、実施例3の潤滑油保持性塗膜は、比較例3の潤滑油保持性塗膜よりも、油吸着力が高かった。
測定装置:島津製作所製「JSPM 9600」
測定モード:フォースカーブモード
測定範囲:20μm四方
測定点:32点×32点
実施例3の潤滑油保持性塗膜及び比較例1,3の潤滑油保持性塗膜について、飛行時間型二次イオン質量分析計を用いて分析し、塗膜表面のウレタン及びウレアの分布を調べた。
図8に、実施例3の潤滑油保持性塗膜の表面分析結果を示し、図9に、比較例2の潤滑油保持性塗膜の表面分析結果を示し、図10に、比較例3の潤滑油保持性塗膜の表面分析結果を示す。図8において、白い部分は、ウレアが多く存在する部分であり、図9,10において、白い部分は、ウレタン及びウレアが多く存在する部分である。
図8に示すように、実施例3の潤滑油保持性塗膜は、酸接触後のものであるが、ウレアを示す白い部分は、多数みられ、また、大きな偏りもなく均一に分布していた。
図9に示すように、酸接触前の比較例2の潤滑油保持性塗膜においては、ウレタン及びウレアを示す白い部分が多数且つ均一にみられたが、図10に示すように、酸接触後の比較例3の潤滑油保持性塗膜においては、ウレタン及びウレアを示す白い部分が減少していた。
実施例3の潤滑油保持性塗膜は、比較例3の潤滑油保持性塗膜よりも、油を保持するウレア成分が全体に均一に存在するため、油保持性に優れると推測される。
以下のように、実施例3及び比較例1〜3の潤滑油保持性塗膜の摩擦係数を測定した。
アルミニウム製のテストパネルの表面に潤滑油保持性塗膜を形成し、その表面にエンジンオイル塗布した。次いで、図11に示すように、先端がドーム状のボール71を、各潤滑油保持性塗膜Wの表面に接触させ、繰り返し直線的に往復移動させて摩擦係数を測定した。その際の測定条件を表3に示す。
図12に、摩擦係数の測定結果を示す。図12に示すように、実施例3の潤滑油保持性塗膜は、比較例1,3の潤滑油保持性塗膜よりも摩擦係数が小さかった。なお、比較例2の潤滑油保持性塗膜は、実施例3の潤滑油保持性塗膜と同等の摩擦係数となっているが、これは酸が接触していないためである。
これらの結果から、本発明に係る潤滑油保持性塗膜の範囲内にあるものは、充分に小さい摩擦係数を有することが確認された。
ステンレス(SUS)製のテストパネルの表面に潤滑油保持性塗膜を形成し、その表面にエンジンオイルを塗布した。次いで、図13に示すように、先端がドーム状のボール71を、各潤滑油保持性塗膜Wの表面に接触させ、繰り返し円周移動させて、接線方向の力、すなわち接線力Aを測定した。その際の測定条件を表4に示す。
次いで、二硫化モリブデンを含む固体潤滑膜の接線力Bに対する低減率を、{(B−A)/B}×100の式より求めた。結果を表2に示す。求められた接線力低減率が大きい程、摺動性に優れる。
表2に示すように、本発明のポリウレア架橋粒子を用いた各実施例の固体潤滑膜は、酸接触後においても、接線力低減率が大きく、摩擦抵抗を低減できることが確認された。ポリウレタンポリウレア複合架橋粒子を用いた比較例3の固体潤滑膜は、酸接触後の接線力低減率が小さく、摩擦抵抗低減が不充分であった。
2 摺動部材本体
3 潤滑油保持性塗膜
4 シリンダ(他部材)
7 潤滑油
10 油膜
Claims (6)
- 脂肪族ジイソシアネート及び脂環族ジイソシアネートの少なくとも一方から形成され、分子内にビュウレット、イソシアヌレート、ウレトジオン、アロファネートよりなる群からなるいずれか1つの構造を有するポリイソシアネートポリマーに親水基が導入された化合物である2官能以上の自己乳化型イソシアネートと、
環構造を有する2官能以上の非自己乳化型イソシアネートである非自己乳化型脂環族イソシアネートまたは非自己乳化型芳香族イソシアネートとの、水存在下での反応物からなるポリウレア架橋粒子であり、
ポリウレア架橋粒子の1g当りの3官能以上の成分のモル数の割合として定義される架橋密度が1×10−4モル/g以上である、輸送機器部材用ポリウレア架橋粒子。 - 前記自己乳化型イソシアネート及び前記非自己乳化型イソシアネートのいずれか一方は、3官能以上のものを含む、請求項1に記載の輸送機器部材用ポリウレア架橋粒子。
- 前記自己乳化型イソシアネートの割合は、全イソシアネートを100質量%とした際の30〜90質量%である、請求項1又は2に記載の輸送機器部材用ポリウレア架橋粒子。
- 潤滑油保持性塗膜が表面に形成され、該潤滑油保持性塗膜が、請求項1〜3のいずれか一項に記載の複数個の輸送機器部材用ポリウレア架橋粒子と、該ポリウレア架橋粒子同士を結着するバインダ樹脂とを含む、摺動部材。
- 前記潤滑油保持性塗膜におけるポリウレア架橋粒子の含有率が60質量%以下である、請求項4に記載の摺動部材。
- 前記潤滑油保持性塗膜におけるポリウレア架橋粒子の含有率が5〜30質量%である、請求項5に記載の摺動部材。
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