JPWO2014017375A1 - フッ素樹脂製シールリング - Google Patents

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Abstract

シールリングの不連続箇所を形成する合口部の少なくとも一方の面を、プラズマ照射時の圧力条件を10〜500Paとし、非重合性ガスを用いてプラズマ改質処理したPTFE樹脂製シールリング。このPTFE樹脂製シールリングは、合口面が低圧プラズマ処理されて、表面部分のCF結合の状態が変化していることから、高温で一定の荷重がかけられた状態になった後においても、その合口部において固着が生じないので、加圧下でのシール性および常圧下での摺動性を確保するといったすぐれた効果を奏し、例えば自動車用自動変速機(A/T)や無段変速機(CVT)等の油圧回路を含む回転または往復動に使用されるシール材として有効に用いられる。

Description

本発明は、フッ素樹脂製シールリングに関する。さらに詳しくは、フッ素樹脂製部材同士の溶着を防止可能なフッ素樹脂製シールリングに関する。
現在、樹脂製シールリングは、例えば自動車用自動変速機(A/T)や無段変速機(CVT)等の油圧回路を含む回転または往復動に使用されている。かかる樹脂製シールリングは、環状溝への装着性、加圧下でのシール性および常圧下での摺動性を確保するため、一般的にはリングの一部に不連続箇所となる合口部を備えており、シールリング装着時には、合口部に周方向の間隙(合口すきま)が僅かに生じるように設定される。密封流体の温度が上昇するとシールリングは熱膨張し、合口部の間隙が徐々に狭まっていき、合口部のカット面が互いに突き当て状態になる。そして、例えばストレートカットでは合口間隙がゼロになると密封流体の漏れがなくなり、良好なシール性を発揮するようになる。
しかしながら、密封流体の温度がさらに上昇し、シールリングの膨張が増大すると合口部分に圧縮応力が作用するようになってしまう。このように高温で一定の荷重がかけられた状態では、塑性降伏を起こす応力よりも低い応力で圧縮永久歪が生じ、時間経過とともに合口部が変形し(クリープ)、さらには固着してしまうこととなる。かかる現象は、密封流体の温度のみならず、加圧条件下での油圧装置の振動等によって合口面同士が擦れ合う場合には、その摩擦熱によってさらに発生しやすくなることが知られている。合口部がクリープし、さらにその状態で固着してしまった場合、その後密封流体の温度が低下してもクリープまたは固着した部分の形状は元に戻らないため、シールリングの装着状態に悪影響を及ぼし、低温作動時のシール性の低下を引き起こすこととなる。
以上の問題に対処するため、本出願人は特許文献１において、フッ素樹脂にオイルコークスおよび炭素繊維を充填したシールリング材料を提案している。しかるに、かかる材料から製造されるシールリングは、耐クリープ性は向上しているものの、加圧下で摩擦熱を発生させるような条件下ではやはりフッ素樹脂同士が固着してしまう可能性がある。フッ素樹脂同士の固着を防止するためには、フッ素樹脂表面に液体コーティング剤で処理を行うことが考えられるが、一般的に液体コーティング剤はフッ素樹脂に対して密着性が悪く、またコーティング膜自体も摩擦熱により溶解、溶着してしまう可能性が高い。
特開２００３−０３５３６７号公報 特開２０１０−２０３５４６号公報 特開２０１０−２４９２１９号公報 特開２００３−１８２６１５号公報 ＷＯ ２００７／０４３６２２ 特開２００６−１７６５４４号公報 特開２００５−２３２１９６号公報 特開２００２−３１７０８９号公報 特開２００１−２９４７２０号公報 特開２００７−１５４１７０号公報 特開２０００−９２２８号公報 特開２００２−１６１１８１号公報 特開平１０−４５９８９号公報 特開昭６２−１０９８４４号公報 特開平２−３２１４６号公報 特開２０００−１５８９号公報 特開２００３−２６１６９８号公報
本発明の目的は、高温で一定の荷重がかけられた状態になった後においても、シールリングの不連続箇所を形成するその合口部表面において固着が生じないPTFE樹脂製シールリングを提供することにある。
かかる本発明の目的は、シールリングの不連続箇所を形成する合口部の少なくとも一方の面を、プラズマ照射時の圧力条件を10〜500Paとし、非重合性ガスを用いてプラズマ改質処理したPTFE樹脂製シールリングによって達成される。
本発明に係るPTFE樹脂製シールリングは、合口面が低圧プラズマ処理されて、表面部分のCF結合の状態が変化していることから、高温で一定の荷重がかけられた状態になった後においても、その合口部において固着が生じないので、加圧下でのシール性および常圧下での摺動性を確保するといったすぐれた効果を奏し、例えば自動車用自動変速機(A/T)や無段変速機(CVT)等の油圧回路を含む回転または往復動に使用されるシール材として有効に用いられる。
シールリングとしては、好ましくは-200〜+260℃という広い温度範囲で連続使用が可能で、耐熱性、耐寒性にすぐれ、摩擦係数が0.04〜0.3と非常に低く耐摩擦性にもすぐれているPTFE樹脂製のものが用いられる。PTFEとしては、ホモPTFEを用いることができることはもちろんであるが、フルオロアルキルビニルエーテル、ヘキサフルオロプロピレン等のポリフルオロアルキル基を含有する単量体やエチレンなどで一部変性(数モル％以下)したPTFEを用いることもできる。
PTFEには、各種の充填剤を含有せしめて各種用途に用いることができることが知られており、本発明においても、充填剤の種類およびその性状によって異なるが、一般にはPTFEとの合計量中約70重量％以下、好ましくは約1〜30重量％程度充填剤を含有させて用いることができる。PTFEに含有可能な充填剤としては、次のようなものが挙げられ、これらの充填剤は２種以上併用することもできる。
ガラス繊維：特許文献４〜５参照
一般に、平均繊維径が約1〜50μm、好ましくは約5〜15μm、平均繊維長が約10〜1000μm、好ましくは約50〜200μmのものが用いられる。これらのガラス繊維は、予めシランカップリング剤等によって表面処理された上で用いられることが好ましい。
炭素繊維：特許文献１、同５〜９参照
ピッチ系、レーヨン系、ポリアクリロニトリル系のものなどであって、好ましくはピッチ系、特に好ましくは高黒鉛化ピッチ系のものであって、一般にその平均繊維径が約1〜50μm、好ましくは約5〜20μm、特に好ましくは約7〜15μm、平均繊維長が約10〜1000μm、好ましくは約20〜500μm、特に好ましくは約50〜200μmのものが用いられる。
セラミックス繊維またはセラミックス粉末：特許文献１０参照
SiC、Al2O3、WC、Y2O3、MgO、SiO2、Si3N4、ZrO2等の繊維または粉末であって、一般にその平均粒径が約0.4〜100μm、好ましくは約0.7〜30μmのものが用いられる。
黒鉛粉末：特許文献９、同１１、同１５参照
天然黒鉛(土状、塊状、粉末状など)あるいは人造黒鉛のいずれをも用いることができる。その平均粒径は、その性状にもよるが、一般には30μm以下のものが用いられる。
コークス：特許文献１、同７〜８、同１４参照
石炭コークス、石油コークス等であって、その平均粒径が約1〜200μm、好ましくは10〜50μm、特に好ましくは約3〜30μmのものが用いられる。
カーボンビーズ：特許文献８、同１２〜１３参照
好ましくは芳香族ポリマーを原料として得られるものが用いられ、一般にその平均粒径が約3〜30μm、好ましくは約10〜20μmのものが用いられる。
カーボンブラック：
算術平均粒径が約70〜90nmのケッチェンブラック、サーマル級カーボンブラック等が用いられる。
ブロンズ粉末：特許文献１５〜１６参照
Cuに2〜35重量％のSnを加えた合金であり、例えばCu 85〜98重量％、好ましくは88〜92重量％、Sn 2〜15重量％、好ましくは8〜12重量％の組成を有するもの、あるいはCuとCrとの比がほぼ9：1で、一般には平均粒径が約10〜50μmのものが用いられる。
プラズマ改質処理は、低圧プラズマ装置を用いて、シールリングの合口部の少なくとも一方の面に対して行われる。具体的には、シールリングの合口面が合わさらないようにして真空チャンバー内に入れ、チャンバー内(真空槽)を所定の真空度、一般には5〜100Paあるいはこれ以下まで排気した後、非重合性ガスを導入し、所定の周波数の高周波電源を使用して、所定の電力を一定時間印加することにより行われる。ここでシールリングの合口部とは、リングの一部に設けられた不連続箇所のことであり、この面とは合口部における相対する面をいい、その形状としては、ストレートカット、階段状のステップカット、特殊ステップカット、斜め状のバイアスカットなどがあり、例えばストレートカットの例として特許文献１記載のものが、また特殊ステップカットの例として特許文献２〜３記載のものが挙げられる。
低圧プラズマ装置としては、例えば真空槽内に下側電極および上側電極が互いに対向するように位置しており、少なくともいずれかの電極が高周波電源やマイクロ波電源に接続されているものが用いられる。
プラズマ照射は、例えば系内を真空ポンプにより5〜100Paあるいはこれ以下に減圧した後、アルゴン、ヘリウム、窒素などの非反応性ガス、酸素などの反応性ガス等の非重合性ガスを導入して真空チャンバー内の圧力を10〜500Pa、好ましくは20〜100Paとし、周波数40kHzまたは13.56MHzなどの高周波電源または周波数2.45GHzのマイクロ波電源を使用して、約10〜30000Wの電力を1〜30分供給することによって行われる。非重合性ガスとして、例えばアルゴンを用いた場合には、ポリテトラフルオロエチレンの表面構造が変性し、表面エッチングが行われる。以上の条件のうち、圧力以外の条件、すなわち用いられるガスの種類、電源プラズマ励起電界周波数、電力、照射の際の温度条件、照射時間については特に限定されない。一方プラズマ照射がこれ以外の圧力下で行われると、安定的にプラズマが発生しないようになる。
各種形状を有する合口部表面だけへのプラズマ照射処理の適用は、シールリングの合口部における相対する面の少くとも一方だけにプラズマ照射処理が適用されるように、シールリングを開いた状態で行われる。
なお、シールリングの合口部の一方の面だけにプラズマ照射処理が適用される場合には、予め他方の面をフィルム等で覆っておくことが必要であり、このような煩雑な方法を避けるために、合口部の相対する両面にプラズマ照射処理を適用することが望ましい。
なお、特許文献１７ではフッ素樹脂を主成分とする成型物に、1.5〜25Paの圧力下でプラズマ照射処理を行うといった表面改質方法が開示されているが、かかる処理が行われたフッ素樹脂成型物は、他の部材への強固な接着が可能となるとされており、そこにはフッ素樹脂部材同士の固着を防止するといった技術的思想は全くみられない。
プラズマ処理された面は、接着性の確保を目的とする特許文献２のように脱フッ酸による有機官能基の発現までは変化しないが、CF結合の状態は変化しており、かかる状態はXPS(X線光電子分光法)によって確認される。
次に、実施例について本発明を説明する。
実施例１
PTFE(旭硝子製品G163)68重量％、ガラス繊維(日東紡績製品CSX-3J-451S)30重量％およびオイルコークス(中越黒鉛工業製品；平均粒径20μm)2重量％をミキサを用いて混合した後、圧縮成形機によって10〜20MPaで圧縮成形され、次いで焼成炉中で融点以上にて焼成し、直方体形状(4×4×4mm)の試験片を作製した。
得られた試験片を低圧プラズマ処理装置の真空槽内の下側電極上に静置し、真空槽内を真空度10Paとなるまで排気した。この真空度となった時点でアルゴンガスを導入し、真空槽内の圧力を約60Paに保ちながら、周波数13.56MHzの高周波電源から、200Wの電力を上側電極に5分間供給し、アルゴンガスをプラズマ化してPTFE表面の改質処理を行った。
ここで、低圧プラズマ処理装置としては、ガス供給部とガス排気装置を外部側面に備えた真空槽の内部上側および下側にそれぞれ上側電極および下側電極を対向するように配置し、上側電極が真空槽外部に配置された高周波電源と接続され、下側電極から真空槽外部へアース線が備えられているものが用いられた。
プラズマ処理された試験片を用いて、下記２種類の耐固着性評価が行われた。
耐固着性評価Ａ：試験片のプラズマ改質処理されたPTFE面(4×4mm)とプラズマ改質処理されていないPTFE面(4×4mm)とを重ね合わせて治具で挟んだ後、室温条件下で面圧3MPaの荷重をかけながら200Hzの周波数で微振動を30秒間与え、治具をはずしたうえで接着面に対して垂直に引張り、固着強度をオートグラフにて測定
耐固着性評価Ｂ：試験片のプラズマ改質処理された上記PTFE面とプラズマ改質処理されていない上記PTFE面とをそれぞれの両端部を上記長さで重ね合わせて治具で挟んだ後、面圧7MPaの荷重をかけながら160℃で1時間保持し、冷却後に治具をはずしたうえで接着面に対して垂直に引張り、固着強度をオートグラフにて測定
実施例２
実施例１において、試験片のプラズマ改質処理されたPTFE面同士を重ね合わせ治具で挟んだものを用いて、２種類の耐固着性評価が行われた。
実施例３
実施例１において、高周波電力の供給時間が10分間に変更されてプラズマ改質処理が行われたものについて、２種類の耐固着性評価が行われた。
実施例４
実施例３において、試験片のプラズマ改質処理されたPTFE面同士を重ね合わせ治具で挟んだものを用いて、２種類の耐固着性評価が行われた。
実施例５
実施例１において、高周波電力の供給時間が20分間に変更されてプラズマ改質処理が行われたものについて、２種類の耐固着性評価が行われた。
実施例６
実施例５において、試験片のプラズマ改質処理されたPTFE面同士を重ね合わせ治具で挟んだものを用いて、２種類の耐固着性評価が行われた。
実施例７
実施例１において、アルゴンガスの代わりに窒素ガスを用いてプラズマ改質処理が行われたものについて、２種類の耐固着性評価が行われた。
実施例８
において、試験片のプラズマ改質処理されたPTFE面同士を重ね合わせ治具で挟んだものを用いて、２種類の耐固着性評価が行われた。
比較例１
実施例１の耐固着性評価において、いずれも表面がプラズマ改質処理されていない面同士を重ね合わせ治具で挟んだものを用いて、２種類の耐固着性評価が行われた。
以上の実施例１〜８および比較例１で得られた結果は、次の表１に示される。
Figure 2014017375
実施例９〜１６、比較例２
実施例１〜８および比較例１において、PTFE量が70重量％に、またオイルコークス量が30重量％に変更され、ガラス繊維が用いられなかった。得られた結果は、次の表２に示される。
Figure 2014017375
実施例１７〜２４、比較例３
実施例１〜８および比較例１において、PTFE量が67重量％に、またオイルコークス量が3重量％に変更され、ガラス繊維の代わりにカーボンブラック(三菱化学製品ケッチェンブラックECP600JD)が同量(30重量％)用いられた。得られた結果は、次の表３に示される。
Figure 2014017375

Claims (4)

  1. シールリングの不連続箇所を形成する合口部の少なくとも一方の面を、プラズマ照射時の圧力条件を10〜500Paとし、非重合性ガスを用いてプラズマ改質処理したPTFE樹脂製シールリング。
  2. 非重合性ガスがアルゴン、ヘリウム、窒素または酸素である請求項１記載のPTFE樹脂製シールリング。
  3. PTFE樹脂が充填剤含有PTFE樹脂である請求項１記載のPTFE樹脂製シールリング。
  4. 充填剤含有PTFE樹脂が、ガラス繊維、炭素繊維、セラミックス繊維、セラミックス粉末、黒鉛粉末、コークス粉末、カーボンビーズ、カーボンブラックまたはブロンズ粉末を含有したPTFE樹脂である請求項３記載のPTFE樹脂製シールリング。
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