JPH0742407B2 - 歯車材組成物 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 本発明は、射出成形によって樹脂製歯車を作製する為の
組成物に関する。更に詳しくは、熱可塑性ポリイミド樹
脂にガラスフレークを加えた歯車材組成物に関する。

〔従来の技術〕

射出成形によって作製した樹脂製歯車は、音響機器、複
写器、自動車など種々の分野において、コストが低い等
の理由から最近汎用されている。この樹脂製歯車を構成
するための材料（歯車材）としては、強度、寸法安定性
および成形性などの点から、ポリアセタールやナイロン
樹脂が主に用いられている。しかし、これらの樹脂は通
常200℃未満で熱変形するので、この樹脂から成形した
歯車は、200℃以上の高温雰囲気下では使用できない。
また、この樹脂から成形した歯車は機械的強度も十分で
ないので、高荷重が加わる部位に使用するにも不適用で
ある。

そこで、最近、熱変形温度（ASTM D 648）が200℃を超
える樹脂や高強度を有する樹脂、いわゆるスーパーエン
ジニアリングプラスチックと称される樹脂が、歯車材と
して採用され始めた。

例えば、ポリアミドイミド樹脂（アモコ社製、以下PAI
と記す）は、優れた耐熱性、高強度を有する樹脂として
知られており、このPAIにガラスファイバーやカーボン
ファイバーを充填して更に剛性を高めることも知られて
いる。

しかし、このPAIは非熱可塑性樹脂なので、射出成形時
の溶融粘度が高く、一般に高精度成形が難しい。したが
って、このPAIを使用して歯車を作製すると、かみ合い
精度規格のJGMAかみ合い誤差精度の等級（数が小さい方
が高精度である。化JGMAと記す）にて６級程度の程度し
か得られない。更に、このPAIにガラスファイバーやカ
ーボンファイバー等の繊維状フィラーを充填すると、フ
ィラーの配向が不安定等の理由により、かみ合い誤差は
更に悪くなり、通常は、JGMA8級程度となってしまう。
また、200℃を超える雰囲気下で使用できる歯車にする
には、成形後に熱処理（ポストキュア）を施し、高温強
度を保持可能とする必要がある。しかし、この熱処理を
施すと、成形品に若干の収縮が伴い、寸法精度が低下す
る傾向がある。

上述のように歯車のかみ合い精度が悪いと、駆動時の騒
音が大きくなる。近年、樹脂製歯車の利用分野において
は、歯車駆動時の騒音の低減の要望が強く、その点か
ら、JGMA4級以下の歯車が望まれている。しかし、上述
したようにPAIを歯車材として使用した場合には、その
ような高精度の歯車を得るのは困難である。

また、PAIは、その化学的構造に起因して吸水性が高
く、また急加熱等により膨れや発泡等が発生し易い。こ
れらの面からもPAIは歯車材としては不適当である。

一方、ポリエーテルイミド樹脂（以下、PEIと記す）や
ポリエーテルサルフォン樹脂、以下、PESと記す）は、
ガラス転移点温度（以下、Tgと記す）がそれぞれ215
℃、225℃と高温値を有する高強度、高剛性の樹脂材料
である。

しかし、このPESおよびPEIは、Tgを超える温度における
強度、剛性の急低下を防ぐ目的で、ガラスファイバーや
カーボンファイバー等を充填してもその効果は少なく、
充填後の熱変形温度は約220℃程度である。したがっ
て、これらを歯車材として使用しても、200℃を超える
条件で使用するための歯車は得難い。

一方、近年スーパーエンジニアリングプラスチック群の
中で汎用的に使用し始めたポリフェニレンサルファイド
樹脂（以下、PPSと記す）やポリエーテルエーテルケト
ン樹脂（以下、PEEKと記す）は、Tgがそれぞれ88℃、14
3℃と低いが、ガラスファイバーやカーボンファイバー
等を充填することによって、Tgを超える温度における強
度や剛性の急低下を防ぐのが可能なことが知られてい
る。これらを充填した組成物は、熱変形温度が250℃を
越すような耐熱性を有するようになる。

しかしこの充填によっても、Tg付近から強度や剛性が緩
やかに低下する事は免れず、高温雰囲気での歯車として
は不安が残る。また、PAI同様、繊維状フィラーを充填
すると、歯車精度が悪くなり、JGMA8急程度しか得られ
ない。更には、PPSおよびPEEKは樹脂自身が比較的脆い
ので、歯車の刃先の欠けや割れが生じ易い傾向にある。
これを改良したものとして、PPSを直鎖状に高分子化
し、靭性を付与させたグレード（特開昭61−66720号公
報等）もあるが、これは高温雰囲気でのクリープ特性に
不安がある。このような点からPPSおよびPEEKは、高温
雰囲気で使用する歯車の材料としては適当でない。

一方、何も充填しなくても熱変形温度が300℃を超える
液晶ポリマー（以下、LCPと記す）が知られている。強
度、剛性等いずれも高温雰囲気での歯車材として十分な
特性を有するが、LCP特有の成形時の樹脂配向性により
配向方向に対して垂直な力には強いが、配向方向に対し
て平行な力に極端に弱いという欠点がある。複雑異形状
である歯車においては、配向方向に平行な力が加わる危
険性が十分あるので、LCPを歯車材として使用するのは
不適当である。

一方、熱硬化性ポリイミド樹脂は熱変形温度が高く、広
い分野で使用されている。その代表品であるVESPEL（デ
ュポン社製）の熱変形温度は350℃である。しかし、こ
れは熱硬化性樹脂なので射出成形できず、この樹脂で歯
車を作製する場合には圧縮成形品を切削加工するしかな
い。また、切削加工した歯車製品についてもVESPELの分
子構造上の問題から靭性に欠け、衝撃に対して極端に脆
い。したがって、熱硬化性ポリイミド樹脂は、特性、コ
ストの両面から、歯車材としては不適当である。

〔発明が解決しようとする課題〕

樹脂製歯車の製造分野においては、成形精度、耐熱変形
性、機械的強度、非吸水性、射出成形性等の各種特性を
全て具備する材料が要望されていたのであるが、以上述
べた種々の材料は、いずれも歯車材として不十分であ
る。

本発明は、このような課題を解決すべくなされたもので
ある。すなわち本発明の目的は、射出成形が可能な組成
物であり、更には200℃を超えるような高温雰囲気にお
いても変形し難く、高荷重に耐え得る高強度、靭性を有
し、吸水性も低く、優れた精度を有する故に駆動時の騒
音が少ない樹脂製歯車を得るための歯車材組成物を提供
することにある。

〔課題を解決するための手段〕 本発明は、下記一般式 で示される繰り返し単位からなる熱可塑性ポリイミド樹
脂100重量部と、ガラスフレーク５〜50重量部とから成
ることを特徴とする歯車材組成物である。

本発明における熱可塑性ポリイミド樹脂については、そ
の製造方法に特に限定は無い。しかし通常は、下記式 で表される4,4−ビス（３−アミノフェノキシ）ビフェ
ニルと、ピロメリット酸二無水物とを反応させることに
よってポリアミド酸を生成させ、そのポリアミド酸を脱
水環化して得ることができる。

熱可塑性ポリイミド樹脂の溶液粘度は、歯車の用途によ
って求められる物性の程度が若干異なるので、最適な値
は一概にはいえないが、0.35〜0.80dl/g程度が望まし
く、0.45〜0.55dl/g程度が好ましい。

本発明におけるガラスフレークとしては、例えばSiO₂、
Al₂O₃、CaO、MgO、B₂O₃、Na₂O＋K₂O、ZnO、PbO等を成分
とする無機ガラスから成るものを使用できる。その無機
ガラスとしては、一般に、無アルカリガラス（以下、Ｅ
ガラスと記す）、含アルカリガラス（以下、Ｃガラスと
記す）等がある。本発明においてはＥガラス類が好まし
い。また、その形状が異形薄片であるため、ここでは最
大長を粒径として表わす。その場合、粒径は50〜1000μ
ｍが好ましく、特に80〜200μｍがより好ましい。ま
た、その厚さは１〜30μｍが好ましく、特に２〜10μｍ
がより好ましい。粒径が50μｍ未満であると、補強効果
が十分でない場合がある。一方、粒径が1000μｍを超え
ると、歯車の歯先での均等な補強および安定した配向
が、ミクロ的な意味で得られない場合がある。また、そ
の厚さが１μｍ未満であると、溶融ブレンドあるいは成
形時により小さく粉砕される危険性が高い。一方、その
厚さが30μｍ以上であると、歯先におけるフレークの積
層効果をあまり期待できない。

本発明におけるガラスフレークについては、その製造法
に特に限定は無いが、例えば、ガラスを風船状の中空物
として成形し、それを粉砕することにより、任意の大き
さのフレーク形状を容易に得ることができる。

ガラスフレークは、その表面に熱可塑性ポリイミド樹脂
との親和性を持たせる目的で、例えば、アミノシラン、
エポキシシラン、メルカプトシラン等のシランカップリ
ング剤やクロム系カップリング剤を含むサイジング剤で
処理されていてもよいし、あるいは収束剤などにより処
理されていてもよい。また、例えば、TiO₂、SiO₂、SnO₂
などの無機酸化物を薄層状にコーティングしたものであ
ってもよいし、あるいは、金、銀、ニッケル、銅、ス
ズ、その他の金属、またはその合金を薄膜状にコーティ
ングしてもよい。これら処理により、ベース樹脂となる
ポリイミド樹脂との濡れ性を向上したり、成形品に導電
性を付与できる。

更に、本発明の歯車材組成物には、本発明の目的を損な
わない範囲内において、成形時の成形性（離難性も含
む）や摺動性を付与する目的で、γ線照射したようなテ
トラフルオロエチレン樹脂（以下、PTFEと記す）、黒
鉛、二流化モリブデン、二流化タングステン、フッ化黒
鉛、窒化ホウ素、窒化ケイ素、一酸化鉛などを添加でき
る。それらは、歯車の精度の損なわない程度に、粒系が
10μｍ未満の粒子状物として添加するのが望ましく、そ
の添加量は熱可塑性ポリイミド100部に対して１〜５重
量部程度が望ましい。

本発明の組成物を得るために諸原料を混合する手段は特
に限定されず、原料を個別に溶融混合機に供給しても、
また、あらかじめヘンシェルミキサー、ボールミキサ
ー、リボンブレンダー等の汎用の混合機を用いて２種以
上のものを同時に混合しても良い。通常、混合温度は、
250〜420℃、好ましくは、300〜400℃である。また、そ
の配合比率は、熱可塑性ポリイミド樹脂100重量部に対
しガラスフレーク５〜50重量部、好ましくは10〜40重量
部、より好ましくは20〜40重量部である。

本発明の組成物を用いて、歯車を成形する方法として
は、通常の射出成形方法が可能である。一般に均一溶融
ブレンド体を成形可能であり、生産性の高いという利点
を有する射出成形を良好に実施でる点も本発明の効果の
一つである。ただし本発明の組成物は、射出成形以外の
成形方法によっても歯車を成形可能である。例えば、圧
縮成形、焼結成形、押し出し成形を行なうことができ
る。

〔実施例〕 以下、本発明を実施例により更に詳細に説明する。

合成例１（ポリイミド樹脂の製造） 撹拌機、還流冷却および窒素導入管を備えた反応容器
に、4,4′−ビス（３−アミノフェノキシ）ビフェニル
3.68kg（10モル）と、N,N−ジメチルアセトアミド32.9k
gを装入し、室温で窒素雰囲気下にピロメリット酸二無
水物2.125kg（9.75モル）を溶液温度の上昇に注意しな
がら加え、室温で約20時間かきまぜ、ポリアミド酸溶液
を得た。

このポリアミド酸溶液中に、室温で窒素雰囲気下に2.02
kg（20モル）のトリエチルアミンおよび2.55kg（25モ
ル）の無水酢酸を滴下した。これを室温で約20時間撹拌
し、淡黄色スラリーを得た。このスラリーを濾別し、メ
タノールで洗浄し、その後濾別し、180℃で８時間減圧
乾燥して5.28kg（収率約97％）のポリイミド粉を得た。
このポリイミド粉の溶液粘度は0.50dl/gであった。な
お、この溶液粘度は、ポリイミド粉末0.5gを100mlの溶
媒（ｐ−クロロフェノール：フェノール＝90:10重量
比）に加熱溶解し、溶解後35℃に冷却して測定した値で
ある。

実施例１〜３ 表−１に示す割合（重量部）にて各原材料をヘンシェル
ブレンドミキサーにて乾式混合した。以下に、表−１に
示す原材料を列挙する。

熱可塑性ポリイミド 合成例１で得たポリイミド樹脂（市販品としては、三井
東圧化学社製:New−TPI） PAI ポリアミドイミド樹脂（アモコ社製、商品名：トーロン
4203） PPS ポリフェニレンサルファイド樹脂（トープレン社製、商
品名:T−４） VESPEL SP 21 熱硬化性ポリイミド樹脂（デュポン社製） ガラスフレーク 日本板硝子社製CEF 150（Ｅガラス、平均粒径150μｍ） TFE L169 テトラフルオロエチレン樹脂（旭硝子社製、商品名：ル
ーブリカントL169、平均粒径５μｍ） ガラス粉末 （日本板硝子社製、ガラスミルドファイバー平均粒径５
μｍ） ガラスファイバー （日本電気硝子社製、チョップドストランド繊維長6m
m） カーボンファイバー （東邦レーヨン社製、チョップドストランド繊維長6m
m） 乾式混合後、二軸溶融押出機を用いて370℃〜400℃押出
して造粒し、得られたペレットを射出成形機（シリンダ
ー温度370〜400℃、射出圧力1000kg/cm²、金型温度150
〜200℃）に供給し、後述する各試験法に定められた試
験片を成形し、摩擦摩耗特性、曲げ強度、曲げ弾性率、
軟化温度を測定した。得られた結果を表−１に併記す
る。なお、各試験方法は次のとおりである。

１）摩擦係数： スラスト型摩擦摩耗試験機（エヌティエヌ・ルーロン社
製）を用い、面圧1.1kgf/cm²、滑り速度毎分150m、相手
材SUSJ2、無潤滑、運転時間60分時の摩擦係数を求め
る。

２）摩耗係数（cm²/kgf・ｍ）： 摩擦係数の測定に用いた試験機を使用し、面圧3.13kgf/
cm²、滑り速度毎分128m、相手材SUSJ2、無潤滑、運転時
間約100時間における摩耗試験結果から摩耗係数を求め
る。

３）曲げ強度（kgf/cm²）、曲げ弾性率（kgf/cm₂）： ASTM D790による ４）熱変形温度（℃）： 熱機械的分析装置（島津製作所製TM−30）を用いて、昇
温速度毎分５℃、圧力18.6kgf/cm²としたTMA針入法によ
る針入開始温度から求める。

５）歯車破壊試験： 固定ギア対して、各種成形した歯車（供試ギア）を強制
回転させ、供試ギア破壊トルク（kgf・cm²）を測定し
た。同時に、その破壊部分が、ウェルド外部分、ウェル
ド部分のどちらであるか確認した。

６）JGMA等級： 各種成形し歯車において、JGMAかみ合い誤差精度を測定
し（ｎ＝10）、その最大値を精度とした。

比較例１〜４ 第１表に示す諸原料の割合にて実施例と同様な方法で各
試験に必要な供試片および供試ギアを作製し、同様な試
験を行なった。

比較例５〜６ 熱可塑性ポリイミドの代りにPAIをベース樹脂として使
用した以外は実施例と同様に、表−１に示す割合でヘン
シェルミキサーを用いて乾式混合し、二軸溶融押出機に
供給し、シリンダー温度340〜350℃、スクリュー回転数
50〜100rpmの条件にて溶融混合および造粒をした。その
後シリンダー温度340〜360℃、金型温度160〜210℃、射
出圧力500〜1000kg/cm²の条件にて実施例と同様、各試
験に必要な供試片および供試ギアを射出成形し、同様の
試験を行なった。

比較例７〜８ 熱可塑性ポリイミドの代りにPPSをベース樹脂として使
用した以外は実施例と同様に、表−１に示す割合でヘン
シェルミキサーを用いて乾式混合し、二軸溶融押出機に
供給し、シンリンダー温度270〜330℃、スクリュー回転
数50〜100rpmの条件にて溶融混合および造粒をした。そ
の後シリンダー温度280〜340℃、金型温度100〜150℃、
射出圧力500〜1000kg/cm²の条件にて実施例と同様、各
試験に必要な供試片および供試ギアを射出成形し、同様
の試験を行なった。

比較例９ 熱硬化性ポリイミド樹脂（デュポン社製、商品名:VESPE
L SP21）の棒材を購入し、それを切削加工することによ
って、実施例と同様の供試片および供試ギアを作製し、
同様の試験を行なった。

表−１に示す結果から明らかように、実施例１〜３の組
成物は、強度、耐熱変形性、精度の全ての面において、
歯車材に非常に適した物性を示している。特に、これら
の組成物から作製した歯車のかみ合い誤差は全てJGMA3
級という非常に優れた結果から得られている。

一方、ガラスフレークの代りに、ガラスファイバーを使
用したもの（比較例３）、カーボンファイバーを使用し
たもの（比較例４）は、かみ合い誤差がJGMA5〜６等級
と劣っている。

また、ガラスフレークを使用しないもの（比較例１）や
ガラスフレークの代りにガラス粉末を使用したもの（比
較例２）は、特に曲げ弾性率等に劣っている。

また、たとえガラスフレークを使用していても、熱可塑
性ポリイミド樹脂の代りにPAI（比較例５）やPPS（比較
例７）の使用したものは、かみ合い誤差がJGMA5〜６等
級と劣っている。更には、成形時のウェルド部分が極端
に弱く破壊トルクが150〜200kgf・cm程度しかなかっ
た。

以上のような結果から、本発明における樹脂とガラスフ
レークとの組合せにより非常に良好な結果を得ることを
確認できた。

〔発明の効果〕

以上説明したように、本発明の歯車材組成物を使用すれ
ば、200℃を超えるような高温雰囲気においても十分な
耐熱変形性を有し、高荷重に耐え得る高強度、靭性を有
し、吸水性も低く、優れた精度を有する故に駆動時の騒
音が少ない樹脂製歯車を得ることができる。すなわち本
発明の組成物は、樹脂製歯車に要求される特有の各種物
性をバランス良く具備した組成物である。更には、本発
明の歯車材組成物は、射出成形により良好に歯車を成形
することができるので、歯車の製造コスト等の面でも有
利である。

本発明の組成物により作製した歯車は、上述のような優
れた特性を有するので、電気・電子機器、航空・宇宙機
器、自動車用機器、事務用機器、化学プラント用機器、
その他各種機器類に広く利用することができ、本発明の
意義は極めて大きいといえる。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】下記一般式 で示される繰り返し単位からなる熱可塑性ポリイミド樹
   脂100重量部と、ガラスフレーク５〜50重量部とから成
   ることを特徴とする歯車材組成物。