JP6513572B2 - ポリウレタン製伝動ベルト及びベルト成形用材料 - Google Patents

Description

本発明はポリウレタン製伝動ベルト、及びベルト成形用材料に関する。

一般産業用機械、ＯＡ機器等には、ポリウレタン製伝動ベルトが使用されている。かかるポリウレタン製伝動ベルトは、トリレンジイソシアネート等のポリイソシアネートとポリテトラメチレンエーテルグリコール等のポリオールとから合成されたプレポリマーと、１，１’−メチレンビス（ｏ−クロロアニリン）等の硬化剤と、可塑剤と、その他の添加剤とを含有するベルト成形用材料から形成される。このベルト成形用材料を、ベルト成形用金型に注入し、熱硬化させて筒状とした後、必要な幅で輪切りすることにより、ポリウレタン製伝動ベルトが製造される。

ポリウレタン製伝動ベルトは張力が加わった状態で長期間利用されるため、耐久性向上が望まれている。
特許文献１では、潤滑剤として、トリグリセリドを主成分とする融点５０〜８０℃の油脂類を含有させて耐久性を向上させたポリウレタン製伝動ベルトが提案されている。このポリウレタン製伝動ベルトは、融点が５０〜８０℃の油脂類を含有しているため、室温から５０℃程度の温度域で使用する限りは耐久性が向上しているが、室温以下の低温では油脂類がベルト表面に滲み出て粉噴き（ｂｌｏｏｍ）が生じ、低温環境下での耐久性が十分でないという問題があった。

特開２０１２−２５１５８６号公報

耐久性に優れるポリウレタン製伝動ベルト、及びこの伝動ベルトを製造するためのベルト成形用材料を提供する。

上記課題を解決するための、本発明の構成は以下のとおりである。
（１）１，２−シクロヘキサンジカルボン酸ジイソノニルエステルを含有するポリウレタン製伝動ベルト。
（２）ポリイソシアネートとポリオールとから合成されたプレポリマー１００重量部に対して、前記１，２−シクロヘキサンジカルボン酸ジイソノニルエステルを５〜４０重量部含有することを特徴とする、（１）に記載のポリウレタン製伝動ベルト。
（３）ショアーＡ硬度が８５〜９３であることを特徴とする、（１）または（２）に記載のポリウレタン製伝動ベルト。
（４）フタル酸エステル系可塑剤を含有しないことを特徴とする（１）〜（３）のいずれかに記載のポリウレタン製伝動ベルト。
（５）∨ベルト、または歯付ベルトであることを特徴とする、（１）〜（４）のいずれかに記載のポリウレタン製伝動ベルト。
（６）ポリイソシアネートとポリオールとから合成されたプレポリマーと、１，２−シクロヘキサンジカルボン酸ジイソノニルエステルとを少なくとも含有することを特徴とするベルト成形用材料。

高機能可塑剤である１，２−シクロヘキサンジカルボン酸ジイソノニルエステルは、ブリードアウト性に優れるため、ベルト表面に滲み出して潤滑剤、表面保護剤として機能する。また、１，２−シクロヘキサンジカルボン酸ジイソノニルエステルは、不揮発性に優れているため、ベルト表面に長期に亘って残留し、潤滑剤、表面保護剤としての効果が持続する。そのため、１，２−シクロヘキサンジカルボン酸ジイソノニルエステルを含有させることで、ポリウレタン製伝動ベルトの耐久性を向上させることができる。

伝動ベルトの構造を示す図。

１．歯付きベルト
２．ベルト歯
３．心線

本発明のポリウレタン製伝動ベルトは、下記化学式（１）で表される、高機能可塑剤である１，２−シクロヘキサンジカルボン酸ジイソノニルエステル（水添ＤＩＮＰ）を含有する。

水添ＤＩＮＰは、慣用の可塑剤であるフタル酸ジイソノニルエステル（ＤＩＮＰ）を水素化して、ベンゼン環をシクロヘキサンに還元することで得られる。ポリウレタン製伝動ベルトに配合される可塑剤は、ベルト成形用材料の粘度を低くして成形加工性を向上させる、製造されるベルトを柔らかくして屈曲性、耐寒性を向上させる、ベルト表面に滲み出して表面を保護して潤滑性、耐久性を向上させる、といった効果を有する。

水添ＤＩＮＰは、従来用いられていた下記化学式（２）で表される、ジ−（２−エチルヘキシル）フタレート（ＤＯＰ）、下記化学式（３）で表される、ジオクチルアジペート（ＤＯＡ）等の可塑剤と比較して、ポリウレタン製伝動ベルトの耐久性を大幅に向上させることのできる高機能可塑剤である。

表１に、水添ＤＩＮＰと、ＤＯＰ、ＤＯＡの融点、沸点、分子量を示す。

水添ＤＩＮＰは、融点が−５４℃の室温で液体である。また、芳香族環と比べて柔軟なシクロヘキサン環と、分岐が小さく直線的な側鎖を有している。水添ＤＩＮＰは、分子構造が柔軟で嵩高くないため、ポリウレタンからなる三次元網目構造中を移動しやすく、ブリードアウト性に優れている。また、分子量が４２４と大きく、沸点が３９４℃と高いため、不揮発性に優れている。

ＤＯＰは、水添ＤＩＮＰとほぼ同じ融点を有する。しかし、ＤＯＰは、剛直なベンゼン環と、分岐の大きな２−エチルヘキシル鎖を有しているため、分子構造が剛直で嵩高い。そのため、ＤＯＰは、水添ＤＩＮＰと比較して、ポリウレタンからなる三次元網目構造中を移動しにくく、ブリードアウト性に劣る。

ＤＯＡは、融点が−７０℃と低い。ＤＯＡの分子構造は、環構造を有さず、柔軟で直線的であるため、ポリウレタンからなる三次元網目構造中の移動が容易であり、水添ＤＩＮＰよりもブリードアウト性に優れる。しかし、ＤＯＡは、沸点が３３５℃と低いため、不揮発性に劣る。

水添ＤＩＮＰが従来の可塑剤と比べて耐久性を大幅に向上させる効果は、水添ＤＩＮＰがブリードアウト性と不揮発性の両方に優れていることによりもたらされる。水添ＤＩＮＰは、ブリードアウト性に優れており、ベルト表面に滲み出して、ベルトとプーリとの接触を滑らかにする、潤滑剤、表面保護剤としての機能を有する。また、水添ＤＩＮＰは、不揮発性に優れており、揮発しにくいため、ベルトとプーリの表面に長期に亘って留まるため、潤滑剤、表面保護剤としての機能が持続する。さらに、水添ＤＩＮＰによるポリウレタン製伝動ベルトを柔らかくする効果も持続するので、経時変化によりポリウレタン製伝動ベルトが硬くなりにくい。

本発明のポリウレタン製伝動ベルトは、プレポリマーと水添ＤＩＮＰとを少なくとも含むベルト成形用材料を、型枠内で熱硬化させて製造される。ベルト成形用材料を硬化させるための硬化剤は特に限定されるものではなく、例えば、１，１’−メチレンビス（ｏ−クロロアニリン）（ＭＯＣＡ）、ジメチルチオトルエンジアミン、ジエチルトルエンジアミン等のポリアミンや１，４一ブタンジオール、トリメチロールプロパン等のポリオールを挙げることができる。

本発明においてプレポリマーの合成に使用するポリイソシアネート、ポリオールは特に限定されるものではない。
ポリイソシアネートとしては、分子中にイソシアネート基を２個以上有するものを特に制限することなく用いることができる。例えば、トリレンジイソシアネート、トリジンジイソシアネート、ジフェニルメタンジイソシアネ−ト、ポリメチレンポリフェニルポリイソシアネート、カルボジイミド化ジフェニルメタンポリイソシアネート、粗製ジフェニルメタンジイソシアネート、キシリレンジイソシアネート、１，５−ナフタレンジイソシアネート、テトラメチルキシレンジイソシアネート、イソホロンジイソシアネート、水添ジフェニルメタンジイソシアネート、水添キシリレンジイソシアネート、ヘキサメチレンジイソシアネート、ダイマー酸ジイソシアネート、ノルボルネンジイソシアネート等を用いることができる。これらの中から、２種類以上を併用してもよい。

ポリオールとしては、分子中に水酸基を２個以上有するものを特に制限することなく用いることができる。例えば、ポリエチレングリコール、ポリプロピレングリコール、ポリテトラメチレンエーテルグリコール等のポリエーテルポリオール類；アジピン酸、セバシン酸、イタコン酸、無水マレイン酸、テレフタル酸、イソフタル酸、フマル酸、コハク酸、シュウ酸、マロン酸、グルタル酸、ピメリン酸、スベリン酸、アゼライン酸等のジカルボン酸化合物と、エチレングリコール、ジエチレングリコール、プロピレングリコール、１，４−ブタンジオール、１，６−ヘキサンジオール、ネオペンチルグリコール、１，２−プロパンジオール、１，３−プロパンジオール、１，９−ノナンジオール、３−メチル−１，５−ペンタンジオール、トリプロピレングリコール、トリメチロールプロパン、グリセリン等のポリオール化合物とを反応させて得られるポリエステルポリオール類；ポリカプロラクトンポリオール、ポリ−β−メチル−δ−バレロラクトン等のポリラクトン系ポリエステルポリオール類；１，３−プロパンジオール、１，４−ブタンジオール、１，６−ヘキサンジオール、ジエチレングリコール、ポリエチレングリコール、ポリプロピレングリコール又はポリテトラメチレングリコール等のようなジオール化合物と、ホスゲン、ジアルキルカーボネートやジフェニルカーボネート等とを反応させて得られるポリカーボネートポリオール類；ポリブタジエンポリオール、ポリイソプレンポリオール等のポリオレフィンポリオール類等が挙げられる。これらの中から、２種類以上を併用してもよい。また、これらと共に他の低分子量ポリオールを併用してもよい。

併用する低分子量ポリオールとしては、例えば、エチレングリコール、１，２−プロパンジオール、１，３−プロパンジオール、２−メチル−１，３−プロパンジオール、２−ブチル−２−エチル−１，３−プロパンジオール、１，３−ブタンジオール、１，４−ブタンジオール、ネオペンチルグリコール（２，２−ジメチル−１，３−プロパンジオール）、２−イソプロピル−１，４−ブタンジオール、３−メチル−２，４−ペンタンジオール、２，４−ペンタンジオール、１，５−ペンタンジオール、３−メチル−１，５−ペンタンジオール、２−メチル−２，４−ペンタンジオール、２，４−ジメチル−１，５−ペンタンジオール、２，４−ジエチル−１，５−ペンタンジオール、１，５−ヘキサンジオール、１，６−ヘキサンジオール、２−エチル−１，３−ヘキサンジオール、２−エチル−１，６−ヘキサンジオール、１，７−ヘプタンジオール、３，５−ヘプタンジオール、１，８−オクタンジオール、２−メチル−１，８−オクタンジオール、１，９−ノナンジオール、１，１０−デカンジオール等の脂肪族ジオール、シクロヘキサンジメタノール（例えば１，４−シクロヘキサンジメタノール）、シクロヘキサンジオール（例えば１，３−シクロヘキサンジオール、１，４−シクロヘキサンジオール）、２−ビス（４−ヒドロキシシクロヘキシル）−プロパン等の脂環式ジオール、トリメチロールエタン、トリメチロールプロパン、ヘキシトール類、ペンチトール類、グリセリン、ポリグリセリン、ペンタエリスリトール、ジペンタエリスリトール、テトラメチロールプロパン等の三価以上のポリオールを用いることができる。

プレポリマーと硬化剤の配合比は、それぞれの化合物の官能基数に応じて定められる。具体的には、プレポリマーのイソシアネート（ＮＣＯ）基と、硬化剤の官能基の活性水素基とのモル比（ＮＣＯ／活性水素基）が１．２〜０．９の範囲内となるように配合することが強度等の得られるポリウレタンの特性の点から好ましい。１．１〜１．０２の範囲内であることがさらに好ましい。硬化剤の活性水素基の種類は特に限定されず、水酸基、アミノ基、イミノ基、カルボキシル基、ウレタン基、チオール基、エポキシ基等が挙げられる。

ポリウレタン製伝動ベルトは、プレポリマーと水添ＤＩＮＰとを少なくとも含むベルト成形用材料を金型内で熱硬化させて製造される。そのため、ポリイソシアネートとポリオールとから合成されるプレポリマーは、金型内に注入しやすいように液状であることが好ましい。

本発明のポリウレタン製伝動ベルトは、プレポリマー１００重量部に対して、水添ＤＩＮＰを５〜４０重量部含有することが好ましい。１０〜３０重量部含有することがより好ましく、２０〜３０重量部含有することがさらに好ましい。水添ＤＩＮＰの含有量が５重量部未満では、水添ＤＩＮＰがベルト表面に十分に滲み出ないため、潤滑性、表面保護性が得られず、ベルト表面を保護する効果が弱い。水添ＤＩＮＰの含有量が４０重量部より多いと、硬化後に得られるポリウレタンが柔らかくなりすぎて耐久性に劣るため、伝動ベルトとした際に破断しやすい。

本発明のポリウレタン製伝動ベルトは、必要に応じて滑剤、界面活性剤、充填剤、顔料、染料、加水分解抑制剤、反応促進剤等を含有させることができる。本発明のポリウレタン製伝動ベルトは、水添ＤＩＮＰを含有することにより、潤滑性が向上しているため、滑剤は含有しなくても良い。また、水添ＤＩＮＰを５〜４０重量部の範囲内で含有していれば、ＤＯＡ等の他の可塑剤を配合してもよい。ただし、ＤＯＰ、ＤＩＮＰ等のフタル酸エステル類は、内分泌撹乱物質である疑いが強く、繁殖毒性が懸念されているため、配合しないことが好ましい。

本発明のポリウレタン製伝動ベルトの形状は特に限定されず、歯付きベルト、∨ベルト、平ベルト、丸ベルト等として使用することができる。

本発明のポリウレタン製伝動ベルトの一形態である歯付きベルトを図１に示す。歯付きベルト１は、内周面にベルト長さ方向に所定ピッチで複数のベルト歯２が設けられたベルト本体によって形成されている。また、各ベルト歯２の底部に沿って抗張体としての心線３が略ベルト長さ方向で、ベルト幅方向に周期的な螺旋状に設けられている。
心線３は抗張体として有効な強度を有していればよく、使用される材料は特に限定されないが、例えばガラス繊維、炭素繊維、アラミド繊維、ポリエステル繊維等を挙げることができる。

次に、歯付きベルトの製造方法について説明する。
＜心線セット工程＞
円筒形の内金型の外周面に心線を所定ピッチで螺旋状に巻き付ける。内金型には、その外周面に軸方向に延びるベルト歯形成溝が所定ピッチで刻まれている。次に、内金型が、円筒状の外金型の中心に、内金型と外金型との間にベルト成形用材料を注入するためのキャビティが形成されるように挿入される。

＜ベルト成形用材料準備工程＞
ポリイソシアネートとポリオールとから合成された液状プレポリマーと、水添ＤＩＮＰ、任意成分であるその他添加剤を混ぜ合わせてベルト成形用材料を作成する。
＜ベルト成形用材料注入・硬化工程＞
得られたベルト成形用材料を内金型と外金型との間のキャビティに注入し、これを加熱してベルト成形用材料を熱硬化させる。

＜脱型工程＞
ベルト成形用材料を硬化させた円筒状のポリウレタン製伝動ベルト前駆体を金型から脱型する。
＜幅カット工程＞
脱型したポリウレタン製ベルト前駆体を所定幅に輪切りにし、ポリウレタン製伝動ベルトを得る。

次に、本発明を実施例に基づいて、さらに具体的に説明するが、本発明はこれらのみに限定されるものではない。

＜実施例１＞
２，４−トリレンジイソシアネートとポリテトラメチレンエーテルグリコールとを反応させて、ＮＣＯ基が５．７ｗｔ％の液状のプレポリマーを合成した。このプレポリマー１００重量部と、高機能可塑剤である水添ＤＩＮＰ（ＢＡＳＦ社製、商品名：Ｈｅｘａｍｏｌｌ ＤＩＮＣＨ）５重量部と、硬化剤としてＭＯＣＡ１６重量部とを配合してベルト成形用材料とした。
このベルト成形用材料を成形し、１００℃で１時間反応させて硬化させた後に、１００℃で４時間静置してエージングして、厚さ２ｍｍのシート１を作成した。また、このベルト成形用材料から上記歯付きベルトの製造方法に基づき、上記シートと同様の硬化条件で、周長２００ｍｍ、ベルト幅４ｍｍ、歯ピッチ２ｍｍでガラス緻維コードを心線とする内周面にベルト歯を有するポリウレタン製伝動ベルト１を作成した。

＜実施例２＞
水添ＤＩＮＰの添加量を１０重量部とした以外は、実施例１と同様にして、シート２、及びポリウレタン製伝動ベルト２を作成した。
＜実施例３＞
水添ＤＩＮＰの添加量を２０重量部とした以外は、実施例１と同様にして、シート３、及びポリウレタン製伝動ベルト３を作成した。
＜実施例４＞
水添ＤＩＮＰの添加量を３０重量部とした以外は、実施例１と同様にして、シート４、及びポリウレタン製伝動ベルト４を作成した。
＜実施例５＞
水添ＤＩＮＰの添加量を４０重量部とした以外は、実施例１と同様にして、シート５、及びポリウレタン製伝動ベルト５を作成した。
＜実施例６＞
水添ＤＩＮＰの添加量を１５重量部とし、さらにポリウレタン用可塑剤として慣用されているジオクチルアジペート（ＤＯＡ）を１５重量部配合した以外は、実施例１と同様にして、シート６、及びポリウレタン製伝動ベルト６を作成した。

＜比較例１＞
水添ＤＩＮＰをＤＯＰとした以外は実施例４と同様にして、シート７、及びポリウレタン製伝動ベルト７を作成した。
＜比較例２＞
水添ＤＩＮＰをＤＯＡとした以外は実施例４と同様にして、シート８、及びポリウレタン製伝動ベルト８を作成した。
＜比較例３＞
水添ＤＩＮＰの添加量を３重量部とした以外は、実施例１と同様にして、シート９、及びポリウレタン製伝動ベルト９を作成した。
＜比較例４＞
水添ＤＩＮＰの添加量を４５重量部とした以外は、実施例１と同様にして、シート１０、及びポリウレタン製伝動ベルト１０を作成した。

実施例、比較例の可塑剤の配合量を表２に示す。

（試験評価方法）
・硬度
厚さ２ｍｍのシートの硬度をショアーＡ硬度計で測定した。
・ガラス転移温度（Ｔｇ）
厚さ２ｍｍのシートから、５ｍｍ×４０ｍｍの試験片を切り出し、周波数１０Ｈｚで動的粘弾性を測定し、損失係数（ｔａｎδ）のピークトップ温度から、Ｔｇを測定した。

・ブリードアウト性
輪状のポリウレタン製伝動ベルトを切断した。ベルト歯の形成されていない外周面を内側にして、長さ方向の略中心部の１箇所を直径約１ｃｍの輪となるように曲げて、ベルト歯の形成されていない外周面に圧縮応力が加わった状態で固定した。固定した状態で２３℃、２４時間静置した後に、外周面に滲み出た可塑剤を、溶媒を含まない紙製のウエスで拭きとった。試験前の重量と、可塑剤を拭きとった後の重量との差を、比較例１の値を１００とする相対的指数で表して、可塑剤のブリードアウト性を評価した。指数の値が大きいほど、可塑剤が滲み出しやすいことを示す。

・ベルト寿命
ポリウレタン製伝動ベルトをプーリ歯数２０の駆動プーリとプーリ歯数２０の従動プーリに巻き掛けた。駆動プーリの回転数を２５００ｒｐｍ、従動プーリの負荷を０．２９Ｎ・ｍ、ベルト初張力を２９．４Ｎとした条件の室温下でベルトを走行させた。
ベルトの走行開始から切断に至るまでのベルト走行時間を計測し、比較例１のべルト走行時間を１００とする相対的指数で表わしてベルト寿命を評価した。

・加熱減量
可塑剤を３０重量部含有する伝動ベルト４、７、８を、１００℃のオーブンに１６８時間静置した。試験前の伝動ベルトの初期重量と、オーブンから取り出した伝動ベルトの重量との差を、下記式で表し、加熱減量を評価した。
加熱減量＝（初期重量−試験後重量）／初期重量×１００（％）

各測定結果を表３に示す。

［まとめ］
実施例４、比較例１、２のブリードアウト性と加熱減量の結果から、水添ＤＩＮＰがＤＯＰ、ＤＯＡと比べるとブリードアウト性と不揮発性とに優れた高機能可塑剤であることが確かめられた。
高機能可塑剤である水添ＤＩＮＰを５〜４０重量部含有する実施例１〜６は、ＤＯＰ、ＤＯＡを含有する比較例１、２と比較して、ベルト寿命の長期化が達成できた。
水添ＤＩＮＰを３重量含有する比較例３は、水添ＤＩＮＰを５重量部含有する実施例１と比較して、ブリードアウト性が大幅に低下している。そのため、水添ＤＩＮＰのベルト表面への滲み出し量が少なく潤滑性、表面保護性に劣り、ベルト寿命が比較例１と同等であった。
水添ＤＩＮＰを４５重量部含有する比較例４の伝動ベルトは、水添ＤＩＮＰを４０重量部含有する実施例５の伝動ベルトの約半分のベルト寿命に過ぎなかった。水添ＤＩＮＰ量が多すぎて、ゴムが柔らかくなりすぎたためである。ベルト寿命は比較例１よりも短かった。

Claims (5)

1. ポリイソシアネートとポリオールとから合成されたプレポリマー１００重量部に対して、下記化学式１で表される、１，２−シクロヘキサンジカルボン酸ジイソノニルエステルを５〜４０重量部含有するベルト成形用材料を熱硬化させてなる熱硬化性ポリウレタンをベルト本体とするポリウレタン製伝動ベルト。
   
2. ショアーＡ硬度が８５〜９３であることを特徴とする請求項１に記載のポリウレタン製伝動ベルト。
3. フタル酸エステル系可塑剤を含有しないことを特徴とする請求項１または２に記載のポリウレタン製伝動ベルト。
4. ∨ベルト、または歯付ベルトであることを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載のポリウレタン製伝動ベルト。
5. 内部に心線が包埋されていることを特徴とする請求項１〜４のいずれか１項に記載のポリウレタン製伝動ベルト。