JP6625329B2 - ゴム組成物、及びオイルシール - Google Patents

Description

本発明は、ゴム組成物、及びオイルシールに関する。

近年、省エネルギや環境保全の観点から、自動車用エンジン等に用いられるオイルシールにおいては、低摩擦化の要求が高まっている。
このため、オイルシールの摺動面に固体潤滑剤をコーティングしたり、ゴムに固体潤滑剤を添加したりすることにより、被摺動体との間の摩擦係数を低減することが行われている（例えば、特許文献１参照）。

特開２０００−９２３６号公報

ゴムに固体潤滑剤を添加する場合、摩擦係数を効果的に低減させるために固体潤滑剤を多量に添加すると、加硫後のゴムの硬さが上昇し、柔軟性の低下により、オイルシールとしての密封性能を低下させるおそれがある。このため、摩擦係数を効果的に低減させるには限界がある。

また、摺動面に固体潤滑剤をコーティングする場合、固体潤滑剤が摩滅し易いので、長期に亘って低摩擦特性を維持することが困難であるという問題を有している。

本発明はこのような事情に鑑みてなされたものであり、オイルシールの摩擦係数を長期に亘って効果的に低減させることができるゴム組成物、及び前記ゴム組成物を用いたオイルシールを提供することを目的とする。

本発明者は、長期に亘ってオイルシールの低摩擦特性を維持することができるゴム組成物を研究する中で、ゴム成分に加える添加剤に着目し、種々の実験を重ねた。その中で、添加剤として炭素繊維を添加すれば、摩擦係数を長期に亘って効果的に低減することができることを見出し、本願発明に到った。
すなわち、上記目的を達成するための本発明であるオイルシール用ゴム組成物は、フッ素ゴムと、炭素繊維とを含むことを特徴としている。
上記のように構成されたゴム組成物を加硫成形すれば、フッ素ゴムの加硫物からなるマトリックス中に炭素繊維が分散された加硫ゴムを得ることができる。

上記ゴム組成物において、前記炭素繊維の含有比率は、３〜５０質量％であることが好ましい。
この場合、炭素繊維の含有比率が、３質量％未満である場合や、５０質量％より多い場合と比較して、加硫ゴムとしたときの弾性等の特性がより好適に維持されかつ摩擦係数を低減することができる。

また、上記ゴム組成物において、前記炭素繊維は、平均直径が１〜２０μｍであることが好ましい。
この場合、炭素繊維の平均直径が１μｍ未満である場合や、２０μｍより大きい場合と比較して、炭素繊維をマトリックス中により均一に分散させることができ、マトリックス表面から適切な状態で露出させることができる。

また、上記ゴム組成物において、前記炭素繊維は、平均繊維長が１〜２００μｍであることが好ましい。
この場合、炭素繊維の平均繊維長が１μｍ未満である場合や、２００μｍより大きい場合と比較して、炭素繊維をマトリックス中により均一に分散させることができ、マトリックス表面から適切な状態で露出させることができる。

上記ゴム組成物において、前記炭素繊維のアスペクト比は１〜２００であることが好ましい。
この場合、炭素繊維のアスペクト比が１未満である場合や、２００より大きい場合と比較して、炭素繊維をマトリックス表面からより適切な状態で露出させることができる。
なお、上記炭素繊維のアスペクト比とは、炭素繊維の平均繊維長を平均直径で除した値である。

また、本発明のゴム組成物は、フッ素ゴムと、炭素繊維とを含み、前記炭素繊維の含有比率は、７〜２１質量％、前記炭素繊維は、平均直径が７±０．２μｍ、前記炭素繊維は、平均繊維長が３０〜１５０μｍ、前記炭素繊維のアスペクト比は２〜３０であることを特徴としている。
また、本発明のオイルシールは、上述のゴム組成物を加硫成形して得られたものである。
上記オイルシールによれば、摩擦係数を長期に亘って効果的に低減することができる。

本発明のゴム組成物、及びこのゴム組成物を用いたオイルシールによれば、摩擦係数を長期に亘って効果的に低減することができる。

本発明の一実施形態に係るオイルシールの断面図である。 摩擦摩耗試験に用いた試験装置の模式図である。 摩擦係数の測定結果を示すグラフである。 摺動面の温度の測定結果を示すグラフである。

本実施形態のオイルシール用ゴム組成物は、フッ素ゴムと、炭素繊維とを含む。
フッ素ゴムとしては、フッ化ビニリデン系のフッ素ゴム（ＦＫＭ）が用いられる。上記フッ化ビニリデン系のフッ素ゴムとしては、特に限定されず、従来から公知なものを用いることができる。

炭素繊維としては、例えば、ＰＡＮ系カーボンファイバー、ピッチ系カーボンファイバー等が用いられる。
炭素繊維は、その平均直径が１〜２０μｍのものが好適に用いられる。
ゴム組成物を加硫成形すれば、フッ素ゴムの加硫物からなるマトリックス中に炭素繊維が分散された加硫ゴムを得ることができるが、炭素繊維の平均直径が２０μｍより大きい場合、炭素繊維をマトリックス中に均一に分散させることができないおそれがある。また、炭素繊維の平均直径が１μｍ未満である場合、炭素繊維をマトリックス表面から適切な状態で露出させることができないおそれがある。
このため、炭素繊維の平均直径を１〜２０μｍとすることで、炭素繊維の平均直径が１μｍ未満である場合や、２０μｍより大きい場合と比較して、炭素繊維をマトリックス中により均一に分散させることができ、マトリックス表面から適切な状態で露出させることができる。
さらに、炭素繊維は、その平均直径が５〜１５μｍであることがより好ましい。
この場合、炭素繊維をマトリックス中にさらに均一に分散させることができ、マトリックス表面からより適切な状態で露出させることができる。

また、炭素繊維は、その平均繊維長が１〜２００μｍのものが好適に用いられる。
炭素繊維の平均繊維長が１μｍ未満である場合や、２００μｍより大きい場合、炭素繊維をマトリックス中に均一に分散させることができないおそれがある。
このため、炭素繊維の平均繊維長を１〜２００μｍとすることで、炭素繊維の平均繊維長が１μｍ未満である場合や、２００μｍより大きい場合と比較して、炭素繊維をマトリックス中により均一に分散させることができ、マトリックス表面から適切な状態で露出させることができる。
炭素繊維の平均繊維長は、より好ましい数値範囲は、３０〜１５０μｍである。
この場合、炭素繊維をマトリックス中にさらに均一に分散させることができ、マトリックス表面からより適切な状態で露出させることができる。

本実施形態のゴム組成物において、炭素繊維のアスペクト比は１〜２００であることが好ましい。
この場合、炭素繊維のアスペクト比が１未満である場合や、２００より大きい場合と比較して、炭素繊維をマトリックス表面からより適切な状態で露出させることができる。
さらに、炭素繊維のアスペクト比は、２〜３０であることがより好ましい。
この場合、炭素繊維をマトリックス中にさら適切な状態で露出させることができる。
なお、上記炭素繊維のアスペクト比とは、炭素繊維の平均繊維長を平均直径で除した値である。

本実施形態のゴム組成物において、前記炭素繊維の含有比率は、３〜５０質量％であることが好ましく、５〜２５質量％であることがより好ましい。
炭素繊維の含有比率が５０質量％より多い場合、加硫ゴムとしたときのゴムの硬さが上昇し、柔軟性が低下する。また、炭素繊維の含有比率が３質量％未満である場合、摩擦係数を効果的に低減できないおそれがある。このため、炭素繊維の含有比率を３〜５０質量％、より好ましくは５〜２５質量％とすることで、加硫ゴムとしたときのゴムの硬さがより好適に維持されかつ摩擦係数を効果的に低減することができる。
炭素繊維の含有比率のさらに好ましい数値範囲は、７〜２１質量％である。
これにより、加硫ゴムとしたときのゴムの硬さがより好適に維持されかつ摩擦係数をより効果的に低減することができる。

上記成分を含むゴム組成物には、カーボンブラック等の充填剤、加硫剤、加硫助剤、加硫促進助剤、加工助剤等が添加される。
上記各成分が配合されたゴム組成物は、一般的な混練方法によって混練される。
混練されたゴム組成物は、射出成型機や圧縮成型機を用いて、約１７０〜１８０℃、約３〜１０分間で一次加硫を行った後、さらにオーブンにて約２００〜２３０℃、約１２〜２４時間といった条件下で二次加硫を行うことにより、所望の形状に加硫成形される。
上記ゴム組成物が加硫成形すれば、フッ素ゴムからなるマトリックス中に炭素繊維が分散された加硫ゴムを得ることができる。

上記ゴム組成物を加硫成形することで得られる加硫ゴムは、摩擦係数を長期に亘って効果的に低減することができるため、自動車のエンジンにおけるクランクシャフトと、エンジンブロックとの間をシールするオイルシールに好適に用いることができる。

図１は、上記加硫ゴムを用いたオイルシールの断面図である。
このオイルシール１は、自動車用エンジンのエンジンブロック２に設けられたハウジング３と、ハウジング３から突出したクランクシャフト４の端部４ａとの間の環状空間に取り付けられており、ハウジング３と、端部４ａとの間からエンジンブロック２内の潤滑油が外部に漏洩しないように密封している。

オイルシール１は、金属製の芯金１０と、上記加硫ゴムからなるシール部１１とを備えている。
芯金１０は、シール部１１の本体部１１ａを介してハウジング３に圧入嵌合されており、これによって、オイルシール１は、ハウジング３に固定されている。
シール部１１は、芯金１０に加硫接着されており、芯金１０の外側面に沿って形成された上述の本体部１１ａと、端部４ａの外周面４ｂに摺接する主リップ１２と、主リップ１２よりもエンジンブロック２の外側方向に位置している補助リップ１３とを備えている。

主リップ１２の外周面側には、当該主リップ１２を径方向内側に押圧して密封性を高めるためのガータスプリング１４が装着されている。

主リップ１２は、径方向内側に突出した山形の断面形状に形成されている。主リップ１２は、山形の先端である環状の摺接部１２ａをクランクシャフト４の外周面４ｂに摺接することで、回転するクランクシャフト４と、ハウジング３との間からエンジンブロック２内部の潤滑油が外部に漏れないように密封している。

ここで、主リップ１２の摺接部１２ａは外周面４ｂと摺接するが、主リップ１２は上述の加硫ゴムによって形成されている。よって、このオイルシール１によれば、摩擦係数を長期に亘って効果的に低減することができ、クランクシャフト４との摩擦抵抗を低減することができる。

次に、実施例及び比較例について説明する。
下記表１は、実施例に係るゴム組成物及び比較例に係るゴム組成物それぞれの配合組成を示している。

表１に示すように、フッ素ゴムとしては、ＦＫＭポリマー（デュポン社社製）を用いた。
加硫材としては、キュラティブＡ（デュポン社製）を用いた。また、加硫助剤としては、キュラティブＢ（デュポン社製）を用いた。
加硫促進剤としては、酸化マグネシウム（協和化学工業社製）、及び水酸化カルシウム（近江化学工業社製）を用いた。
充填材としては、カーボンブラック（カンカーブ社製）を用いた。
カーボンファイバーとしては、ＰＡＮ系カーボンファイバー「ミルドファイバーＨＴ Ｍ１００ ４０ＭＵ」（東邦テナックス社製、単繊維の平均直径７±０．２ミクロン、平均繊維長４０±１０ミクロン）を用いた。
加工助剤としては、ワックス（デュポン社社製）を用いた。

表１に示す配合品を混練してゴム組成物を調製した後、得られたゴム組成物を成型機によって１８０℃、５分間で一次加硫を行った後、オーブンにて２３０℃、１２時間二次加硫を行い、加硫成形することによって、直径４６ｍｍ、厚み２ｍｍの円板状の加硫ゴムからなる試験片を作成した。
この試験片を用いて摩擦摩耗試験を行い、摩擦係数及び摺動面の温度を測定し、評価を行った。

図２は、摩擦摩耗試験に用いた試験装置の模式図である。
摩擦摩耗試験装置２０は、上記試験片と環状の測定治具とを一定の荷重で押圧した状態で相対回転させ、そのときの摩擦係数及び摺動面の温度を測定することができる。
摩擦摩耗試験装置２０は、測定治具２１を保持する保持部２２と、試験片２３を支持するステージ２４とを備えている。

保持部２２は、測定治具２１の下面２１ａを試験片２３の上面２３ａに当接させた状態で、予め設定された値で垂直荷重を加えることができるように構成されている。
ステージ２４の上面２４ａには、試験片２３が一体回転可能に固定される。ステージ２４は、測定治具２１の中心軸Ｓ回りに回転可能であり、互いに当接した試験片２３と測定治具２１とを相対回転させる。これによって、試験片２３と測定治具２１とは、互いに摺動する。

摩擦摩耗試験装置２０は、試験片２３と測定治具２１とが摺動しているときに両者の間に生じる摩擦力を測定することができるように構成されている。摩擦摩耗試験装置２０は、この測定して得た摩擦力を摩擦係数に換算して出力する。
以下に摩擦摩耗試験の試験条件を示す。

試験条件
試験装置：摩擦摩耗試験機ＥＦＭ−ＩＩＩ−Ｆ（株式会社オリエンテック）
測定治具：外径２５．６ｍｍ、内径２０．０ｍｍ、厚み１５．０ｍｍ、材質Ｓ４５Ｃ、表面粗さＲａ０．５０〜０．５２
垂直荷重：５ｋｇ
面圧 ：２．４９ｋｇ／ｃｍ^２
回転速度：５００ｒｐｍ
周速 ：０．６ｍ／ｓ
試験時間：１０ｍｉｎ
室温 ：２５℃

図３は、摩擦係数の測定結果を示すグラフである。図３中、縦軸は摩擦係数、横軸は試験開始からの経過時間を示している。また、実線は実施例に係るゴム組成物を加硫生成して得た試験片（以下、実施例による試験片ともいう）の測定結果、破線は比較例に係るゴム組成物を加硫成形して得た試験片（以下、比較例による試験片ともいう）の測定結果を示している。

図３中、試験開始直後は、実施例による試験片及び比較例による試験片いずれの場合においても、摩擦係数が大きくかつ不安定に現れている。この摩擦係数が不安定な範囲は、試験片と測定治具との間で初期摩耗が生じているものと考えられる。
摩擦係数が不安定に現れている範囲の後に現れている、摩擦係数が安定している範囲は、試験片と測定治具との間が定常摩耗の状態にあると考えられる。

定常摩耗の状態における摩擦係数を実施例と比較例とで比較すると、実施例による試験片の摩擦係数は０．４９、比較例による試験片の摩擦係数は１．６９と、実施例による試験片の方が摩擦係数がより効果的に低減されることが判る。

図４は、摺動面の温度の測定結果を示すグラフである。図４中、縦軸は摺動面温度、横軸は試験開始からの経過時間を示している。また、実線は実施例による試験片の測定結果、破線は比較例による試験片の測定結果を示している。

摺動面温度においても、定常摩耗に移行することで数値の安定化が見られる。
数値が安定した後の摺動面温度を実施例と比較例とで比較すると、実施例による摺動面温度は６０〜７０℃であるのに対し、比較例による摺動面温度は１９０℃以上と、実施例の方がより摺動面温度が低くなっており、実施例による試験片の方が摩擦係数がより効果的に低減されていることが裏付けされている。

以上のように、上記試験結果から、実施例のゴム組成物を加硫成形した試験片によれば、摩擦係数をより効果的に低減できることが明らかとなった。

１：オイルシール

Claims (2)

1. フッ素ゴムと、炭素繊維とを含み、
   前記炭素繊維の含有比率は、７〜２１質量％
   前記炭素繊維は、平均直径が７±０．２μｍ
   前記炭素繊維は、平均繊維長が３０〜１５０μｍ
   前記炭素繊維のアスペクト比は２〜３０である
   ことを特徴とするオイルシール用ゴム組成物。
2. 請求項１に記載のゴム組成物を加硫成形して得られたオイルシール。

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