JPH11124442A - プラスチック複合材機械部品の製造方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 成型時の収縮が殆どない新規なプラスチック
複合材機械部品の提供。 【解決手段】 ポリオールとイソシアネートからなるプ
ラスチック原料に、シランカップリング剤又はチタンカ
ップリング剤で表面処理された無機質のフィラーを添加
・混練してスラリーを形成した後、このスラリーを真空
脱泡して注型し、上記プラスチック原料を付加重合反応
させてポリウレタン樹脂を硬化形成する。これによっ
て、成型時にマトリックスの収縮が殆ど起こらないた
め、複雑形状のであっても高精度の成型体を得ることが
できる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、軽量で機械的特性
に優れたプラスチック複合材機械部品の製造方法に関す
るものである。

【０００２】

【従来の技術】最近、各種機械部品を構成する材料とし
て従来の鉄やアルミ等の金属材料に代り、軽量で機械的
特性に優れたプラスチック複合材料が注目を浴びてきて
いる。

【０００３】一般に、このプラスチック複合材料はプラ
スチックをマトリックスとしこのマトリックス中にガラ
ス強化繊維や無機質のフィラー等の強化複合材を混入さ
せたものであり、軽量で充分な強度を有する上に、複雑
な形状のものであっても容易にニアネットシェープ（略
完成品）又はネットシェイプの段階まで形成することが
できるといった優れた利点を有している。

【０００４】従って、このようなプラスチック複合材料
を機械の動力部、例えば、オームギアーの回転部品等と
いった、形状が複雑で且つ軽量化が要求される機械部品
として用いることができれば、機械装置全体の性能や信
頼性の向上が図れる上に、製造コストの低減化等が可能
になるといったことが大いに期待できる。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】ところで、マトリック
スとなるプラスチック原料として、縮重合反応を伴うプ
ラスチック原料を用いると、反応の際に水などの副生成
物が発生し、その分反応後の体積収縮率が大きくなって
しまい、複雑形状の機械部品に適用することは困難であ
る。

【０００６】一方、このプラスチック原料として、熱硬
化型樹脂を用いた場合には、硬化剤を入れてからのハン
ドリング時間が短いため、良好な成型体を安定して製造
するは困難である。

【０００７】また、このようなプラスチック複合材料か
らなる機械部品は、金属材料に比べてその表面にレジオ
ネラ菌等の有害な雑菌が繁殖し易いといった欠点がある
ため、食品工場等で用いられるポンプや圧縮機等に適用
することが困難であり、その適用範囲が限られてしまう
といった欠点もあった。

【０００８】そこで、本発明はこのような課題を有効に
解決するために案出されたものであり、その主な目的
は、複雑形状でも容易に成型することができ、優れた寸
法精度及び機械的特性を有する新規なプラスチック複合
材機械部品の製造方法を提供するものである。

【０００９】

【課題を解決するための手段】上記課題を解決するため
に第一の発明は、ポリオールとイソシアネートからなる
プラスチック原料に、シランカップリング剤又はチタン
カップリング剤で表面処理された無機質のフィラーを添
加・混練してスラリーを形成した後、このスラリーを真
空脱泡して注型し、上記プラスチック原料を付加重合反
応させてポリウレタン樹脂を硬化形成するようにしたも
のである。

【００１０】このポリオールとイソシアネートからなる
プラスチック原料は、副生成物が発生しない付加重合に
よってポリウレタン樹脂を形成することになるため、成
型時に体積収縮などの不都合を発生することなく、複雑
形状の機械部品であっても高精度の成型品を得ることが
できる。また、注型法によって機械部品を製作するた
め、大掛かりな切削加工や折り曲げ加工等の後加工を省
略することが可能となり、大量生産及び少量多品種の機
械部品を安価に製造することができる。

【００１１】また、第二の発明は、ポリオールとイソシ
アネートからなるプラスチック原料に、シランカップリ
ング剤又はチタンカップリング剤で表面処理された無機
質のフィラーと、銀粉末等の抗菌作用を有する粉末を添
加・混練してスラリーを形成した後、このスラリーを真
空脱泡して注型し、上記プラスチック材料を付加重合反
応させてポリウレタン樹脂を硬化形成するようにしたも
のである。

【００１２】すなわち、上述した第一の発明のプラスチ
ック原料に、さらに銀粉末等の抗菌作用のある粉末を添
加するようにしたため、母材中に添加された抗菌作用の
ある粉末によって雑菌の繁殖が抑えられ、その結果、機
械部品に抗菌性が発揮されて雑菌の繁殖が未然に防止さ
れることになる。

【００１３】また、第三の発明は、エポキシ樹脂に硬化
剤を混ぜ合わせたプラスチック原料に、シランカップリ
ング剤又はチタンカップリング剤で表面処理された無機
質のフィラーを添加・混練してスラリーを形成した後、
このスラリーを真空脱泡して注型し、上記プラスチック
原料を三次元架橋反応させて硬化するようにしたもので
ある。

【００１４】すなわち、このエポキシ樹脂は、アミン類
や有機酸等の硬化剤によって三次元架橋構造となって硬
化することになるが、この硬化の際に揮発性物質の発生
がなく、反応後の体積収縮率が非常に少ないといった特
長を有している。従って、上述したエポキシ樹脂と同
様、成型時に体積収縮等の不都合を発生することがない
ため、複雑形状の機械部品であっても高精度の成型体を
容易に得ることができる。また、エポキシ樹脂はフィラ
ーとの馴染みが良く、フィラーの添加率を大幅に向上さ
せることができるため、耐磨耗性を悪化させることな
く、耐熱性や強度等の機械的特性をより向上させること
ができる。

【００１５】

【発明の実施の形態】次に、本発明を実施する好適一形
態を添付図面を参照しながら説明する。

【００１６】図１は第一の発明に係るプラスチック複合
材機械部品の製造方法の一形態を示したものである。

【００１７】図示するように、先ず、ポリオールとイソ
シアネートからなるプラスチック原料中に、シランカッ
プリング剤又はチタンカップリング剤で表面処理された
無機質のフィラー（粉末状）を添加し、十分に混練して
液状のスラリーを形成した後、真空脱泡処理を行ってス
ラリー中に含まれている空気を完全に除去する。

【００１８】次に、このスラリーを所定の形状をした金
型内に注入（注型）した後、これを数十℃に保たれた乾
燥容器中で数時間〜数十時間放置すると、金型内のスラ
リーが付加重合反応を起こしてポリウレタン樹脂となっ
て硬化し、成型体となる。その後、この金型内の成型体
を室温で脱型した後、室温で熟成させることで完成品を
得ることができる。

【００１９】このようにして得られたプラスチック複合
材機械部品は、図２に示すように、ポリウレタン樹脂か
ら成るマトリックス１中に、表面処理層２を備えたフィ
ラー３が均一に分散された状態となっているため、軽量
均質で、かつアルミニウム並の強度、耐摩耗性、耐熱性
等の機械的特性を発揮することができる。従って、オー
ムギアーの回転部材等の機械部品としてそのまま適用す
ることが可能となる。

【００２０】また、プラスチック原料として、不飽和単
量体分子であるポリオールとイソシアネートとを連鎖付
加重合させて成るポリウレタン樹脂をマトリックスとし
て使用するため、反応に際して水や空気等の副生成物が
発生することはない。そのため、反応時に金型内で材料
が殆ど収縮することがなく、ニアネットシェイプ又はネ
ットシェイプの状態で精度良く成型することが可能とな
り、複雑な形状をした機械部品でも容易確実に成型する
ことができる。

【００２１】ここで、ポリウレタン樹脂を構成するポリ
オールとイソシアネートとしては、連鎖付加重合によっ
て連鎖反応して重合体を形成するものであれば、特に限
定されるものではないが、例えば、ポリオールとして
は、ポリエステルポリオール、ポリエーテルポリオー
ル、アクリルポリオール、フェノールレジンポリオー
ル、エポキシポリオール、ブタジエンポリオール、ポリ
エステル−ポリエーテルポリオール、アクリル、スチレ
ン、ビニル付加、及び又は分散ポリマーポリオール、ウ
レア分散ポリオール、カーボネートポリオール等が挙げ
られる。一方、イソシアネートとしては芳香族系ポリイ
ソシアネート（リレンジイソシアネート（ＴＤＩ））、
ジフェニルメタンジイソシアネート（ピュアＭＤＩ）、
ポリメチレンポリフェニルイソシアネート（ポリメリッ
クＭＤＩ）、トリジンジイソシアネート（ＴＯＤＩ）、
ナフタリンジイソシアネート（ＮＤＩ）、脂肪族系ポリ
イソシアネート（ヘキシルメチレンジイソシアネート
（ＨＤＩ）) 、イソホロンジイソシアネート（ＩＰＤ
Ｉ）、キシレンジイソシアネート（ＸＤＩ）、水添キシ
レンジイソシアネート（水添ＸＤＩ）、ジシクロヘキシ
ルヘタンジイソシアネート等が挙げられる。さらに、ポ
リオールとイソシアネートの混合比としては、両材料が
略完全に付加反応するような比率とするのはいうまでも
なく、例えば、ポリオール１００重量部に対して、イソ
シアネート１１６重量部等の比率で混合すれば、略完全
な反応を得ることができる。

【００２２】また、フィラーとしてはシリカや石英（Ｓ
ｉＯ₂ ）等の無機質を用いることができ、また、その添
加量としては、特に限定されるものではないが、成形後
の成形体に対して約６０ｗｔ％前後が望ましい。すなわ
ち、プラスチック原料中にフィラーを添加することによ
って部材の強度を高めると同時に熱膨張を小さくして充
分な機械特性をすることができるが、添加量が多過ぎる
とフィラーとの界面に隙間が発生して耐摩耗性強度が低
下し、反対に少なすぎると体積収縮率が増大して高品質
な成型体が得られないばかりでなく、強度等の機械特性
が低下してしまうからである。

【００２３】また、このフィラーに表面処理されるシラ
ンカップリング剤又はチタンカップリング剤は、分子中
に２種以上の反応基を有し、その一つがガラス表面と反
応し、他の反応基が有機質材料と反応することでフィラ
ーと樹脂の界面の結合力を高める作用をなす。

【００２４】次に、第二の発明は上述したプラスチック
原料中に、フィラーと共に、銀粉末等の抗菌性を有する
粉末を添加して成型品に抗菌性を付与するようにしたも
のであり、抗菌性粉末をポリウレタン樹脂中に分散させ
ることで成型品表面への雑菌の付着及び繁殖を効果的に
抑制することができる。

【００２５】従って、このような機械部品を食品工場に
設置される装置の機械部品として用いれば、繁殖した雑
菌による水や空気の汚染を未然に防止することが可能と
なり、優れた信頼性を発揮することができる。また、こ
れにより、消毒作業等が軽減され、生産コストの低減も
期待できる。尚、この抗菌性粉末の添加量としては特に
限定されるものではないが、成型体に対して約１ｗｔ％
程度添加すれば充分な抗菌性を発揮することができる。

【００２６】次に、第三の発明は上述したプラスチック
原料に代えてエポキシ樹脂を用いたものである。

【００２７】このエポキシ樹脂は、上述したように硬化
剤によって三次元架橋構造を呈して硬化する際に揮発性
物質の発生が殆どないため、反応後の体積収縮率が非常
に少ないといった特長を有している。従って、上述した
ポリウレタン樹脂と同様、成型時に体積収縮などの不都
合を発生することなく、複雑形状の機械部品であっても
高精度の成型体を容易に得ることができる。

【００２８】また、このエポキシ樹脂は上述した無機質
のフィラーとの濡れ性（馴染み）が良く、混練時にフィ
ラーとの界面に隙間が生じることがないため、フィラー
を添加率を大幅に向上させることも可能となる。その結
果、耐磨耗性の低下を招くことがないばかりでなく、フ
ィラーの添加率を高くできる分、体積収縮率をさらに低
く抑えることができると同時に耐熱性，強度等の機械的
特性をより向上させることも可能となる。例えば、上述
したポリウレタン樹脂の場合ではその添加率が約６０ｗ
ｔ％であったのに対し、本発明では、そのマトリックス
中に８０ｗｔ％以上の添加率でフィラーを添加すること
も可能となる。さらに、フィラーの添加率を大きくしな
い場合は、第一の発明のようなフィラーへの表面処理を
省略或いはその使用量を大幅に低減することも可能とな
る。

【００２９】また、このエポキシ樹脂は、熱硬化型のプ
ラスチック材料に比べて硬化剤を入れてからのハンドリ
ング時間が長いため、また、注型した際に型内の細部ま
で良好に行き渡ることとなり、複雑形状をした機械部品
であっても良好且つ高品質の成型体を容易に得ることが
できる。

【００３０】ここで、本発明に用いることができるエポ
キシ樹脂としては、従来から塗料や電気絶縁材料等とし
て多用されているビスフェノールＡ型の他に、ノボラッ
ク型、臭素化型、循環式型、その他のものを用いること
ができ、その種類は特に限定されるものではない。一
方、このエポキシ樹脂を硬化させる硬化剤も同様に特に
限定されるものでなく、アミン類や有機酸，酸無水物，
フェノール樹脂，尿素樹脂ポリアミド樹脂、フェノール
ノボラック等の既存の硬化剤をそのまま用いることがで
きる。

【００３１】尚、上述したプラスチック原料中には、上
述したようなフィラーや硬化剤等の他に、顔料や硬化促
進剤、溶剤、架橋剤、他の充填材等の副資材等を必要に
応じて添加しても良いことは勿論である。

【００３２】

【実施例】

（実施例１）ポリオール１００重量部を５００ｍｌのビ
ーカーに入れ、このビーカー中に、予めシランカップリ
ング剤で表面処理された平均粒径が数十μｍのガラス粉
末３２４重量部と、イソシアネート１１６重量部加え、
これらをディスパで５分間攪拌混合してスラリーを形成
した。次に、このビーカーを真空容器に移し、約３分間
真空引きしてスラリー中の空気を除去した後、金型内に
注型した。尚、この金型の注型面には予めシリコン型の
離型剤を塗布しておく。その後、この金型を６０℃に保
たれた乾燥容器中に入れ、２時間予備硬化した後、さら
にこの金型を８０℃の乾燥容器中で１５時間再度硬化さ
せる。その後、この金型を室温で脱型して成型体を取り
出した後、２５℃、相対湿度５０％の環境下で熟成させ
る。

【００３３】このようにして得られたプラスチック複合
材を調べた結果、殆ど収縮が見られず、また、室温曲げ
強度が１２０Ｍｐａ以上、ロックウェル硬さ（Ｍスケー
ル：１／４″１００Ｋｇボール圧子）：８５以上の物性
値を発揮した。

【００３４】（実施例２）実施例１で得られたスラリー
中に、平均粒径が数十μｍの銀粉末を約１ｗｔ％程度添
加した他は実施例１と同様な条件で成型したブロック状
の成型体を製造し、これを従来の同型状のプラスチック
複合成型体と共に湿潤下で数週間放置した。

【００３５】その結果、従来のプラスチック複合成型体
の場合では、その表面に目視でもハッキリと認識できる
程度にカビが発生して雑菌が多量に繁殖したのに対し、
本実施例の成型体は、カビや滑りが殆ど発生せず、優れ
た抗菌性を発揮することが実証された。

【００３６】

【発明の効果】以上要するに本発明によれば、以下に示
すような優れた効果を発揮することができる。

【００３７】 付加反応で重合するプラスチック原料
を用いたため、脱水反応等の重合反応に比較して成型時
の体積収縮が殆ど発生しない。

【００３８】 従って、複雑形状を有する機械部品で
あっても高品質な成型体を容易且つ確実に得ることがで
きる。

【００３９】 また、注型法によって機械部品を成型
するようにしたため、型代が安価となり、大量生産及び
少量多品種の部品の生産も安価に得ることができる。

【００４０】 さらに、マトリックス中に銀等の抗菌
性粉末を添加することにより、優れた抗菌性を確実に発
揮させることができるため、雑菌の繁殖や繁殖による二
次汚染を未然に防止することができる。

【００４１】 プラスチック原料としてエポキシ樹脂
を用いることによって、さらに体積収縮率を低減するこ
とが可能となり、高精度の成型体を容易に得ることがで
きる。

【００４２】 また、このエポキシ樹脂はフィラーと
の濡れ性が良いため、フィラーの添加量を増やしても耐
磨耗性を低下させることなく、耐熱性等の機械的特性を
より向上させる向上させることが可能となる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明に係るプラスチック複合材機械部品の製
造方法の実施の一形態を示す工程図である。

【図２】本発明に係るプラスチック複合材機械部品の構
造を示す部分拡大概念図である。

【符号の説明】

１ マトリックス（ポリウレタン樹脂又はエポキシ樹
脂） ２ 表面処理層（シランカップリング又はチタンカップ
リング） ３ フィラー

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 田中 真也 東京都江東区豊洲三丁目１番15号 石川島 播磨重工業株式会社技術研究所内 (72)発明者 佐々 正 東京都江東区豊洲三丁目１番15号 石川島 播磨重工業株式会社技術研究所内

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 ポリオールとイソシアネートからなるプ
   ラスチック原料に、シランカップリング剤又はチタンカ
   ップリング剤で表面処理された無機質のフィラーを添加
   ・混練してスラリーを形成した後、このスラリーを真空
   脱泡して注型し、上記プラスチック原料を付加重合反応
   させてポリウレタン樹脂を硬化形成するようにしたこと
   を特徴とするプラスチック複合材機械部品の製造方法。
2. 【請求項２】 ポリオールとイソシアネートからなるプ
   ラスチック原料に、シランカップリング剤又はチタンカ
   ップリング剤で表面処理された無機質のフィラーと、抗
   菌作用のある粉末を添加・混練してスラリーを形成した
   後、このスラリーを真空脱泡して注型し、上記プラスチ
   ック原料を付加重合反応させてポリウレタン樹脂を硬化
   形成するようにしたことを特徴とするプラスチック複合
   材機械部品の製造方法。
3. 【請求項３】 エポキシ樹脂に硬化剤を混ぜ合わせたプ
   ラスチック原料に、無機質のフィラーを添加・混練して
   スラリーを形成した後、このスラリーを真空脱泡して注
   型し、上記プラスチック原料を三次元架橋反応させて硬
   化するようにしたことを特徴とするプラスチック複合材
   機械部品の製造方法。