JPWO2014185291A1

JPWO2014185291A1 - Ｐｔｆｅ樹脂組成物

Info

Publication number: JPWO2014185291A1
Application number: JP2015517032A
Authority: JP
Inventors: 敬宣松本
Original assignee: Eagle Industry Co Ltd
Current assignee: Eagle Industry Co Ltd
Priority date: 2013-05-13
Filing date: 2014-05-02
Publication date: 2017-02-23
Also published as: WO2014185291A1; US20160083565A1; CN105051103A; KR20150082495A; EP2998354A1; EP2998354A4

Abstract

ポリテトラフルオロエチレンまたは変性ポリテトラフルオロエチレン70〜90重量％および湾曲状炭素繊維30〜10重量％よりなるPTFE樹脂組成物。このPTFE樹脂組成物は、PTFEまたは変性PTFEに所定量の湾曲状炭素繊維を配合することにより、耐変形性、耐摩耗性および冷却水に対するシール性にすぐれたウォーターポンプ用リップシール材を与え得る成形材料として有効に用いることができる。特に、これを自動車冷却水循環ポンプシールとして用いた場合にあっても、冷却水シールという過酷な条件下でも炭素繊維の脱落を有効に防止することができ、使用時における変形・摩耗に伴う冷却水漏れなどを生ぜず、そのシール性を十分に満足させることができる。

Description

本発明は、PTFE樹脂組成物に関する。さらに詳しくは、ウォーターポンプ用リップシールの成形材料等として有効に用いられるPTFE樹脂組成物に関する。

自動車のエンジンや変速機、エアコンディショナ等の空調機、冷凍機等の摺動部には、密封用部材として軸シール材が用いられている。このような軸シール材には、高PV値(PV値：最大面圧P×最大周速V)の過酷な環境下であっても、密封している流体の漏れを低減し、かつ耐変形性および耐摩耗性にすぐれていることが求められている。加えて、駆動力の損失を低減し、シールシステムへの熱害を緩和するため、低摩擦(低摺動発熱)であることも求められている。

従来、こうした用途向け摺動材としては、耐熱性、耐薬品性、摺動特性、製造コスト等の点ですぐれているポリテトラフルオロエチレン〔PTFE〕を主原料とし、これにPTFEのみでは十分ではない変性性や摩耗性の点を改善すべく、充填材としてカーボン粉末、炭素繊維等を配合したPTFE複合材が提案されている。

例えば、特許文献１には、PTFEに黒鉛を充填材として加えたPTFE組成物であって、それを焼成して摺動材料、特に高圧下で用いられる摺動材料を製造したとき、摩擦係数の増加を抑えつつ、耐圧性に方向性のないものを提供することを目的として、PTFE 40〜94重量％、黒鉛3〜57重量％および炭素繊維3〜30重量％よりなるPTFE樹脂組成物が記載されている。

また、特許文献２には、PTFE 78〜60重量％および炭素繊維22〜40重量％よりなるPTFE樹脂組成物が記載されており、このPTFE樹脂組成物は、PTFEに所定量の炭素繊維のみを配合することで、すぐれた耐変形性、シール性および耐摩耗特性を有するオイルシール用リップ材料として有効に用いることができると述べられている。

しかしながら、これらのPTFE樹脂組成物を自動車冷却水循環ポンプシールのリップ材料として用いた場合には、密封されている液体が潤滑性にすぐれたオイルではなく、潤滑性に劣る冷却水(主成分をエチレングリコール水溶液とするロングライフクーラント〔LLC〕)であるため、摺動発熱によるリップ材軟化に起因する炭素繊維の脱落を防ぐことができない。このため、シール材使用時における耐変形性(耐圧性)、耐摩耗性およびシール性のすべてを満足させることができない。

特開２００１−２９４７２０号公報特開２００６−１７６５４４号公報

本発明の目的は、耐変形性、耐摩耗性および冷却水に対するシール性にすぐれたウォーターポンプ用リップシールの成形材料として有効に用い得るPTFE樹脂組成物を提供することにある。

かかる本発明の目的は、ポリテトラフルオロエチレンまたは変性ポリテトラフルオロエチレン70〜90重量％および湾曲状炭素繊維30〜10重量％よりなるPTFE樹脂組成物によって達成される。

本発明に係るPTFE樹脂組成物は、PTFEまたは変性PTFEに所定量の湾曲状炭素繊維を配合することにより、耐変形性、耐摩耗性および冷却水に対するシール性にすぐれたウォーターポンプ用リップシール、特に自動車冷却水循環ポンプ用軸シール材を与え得る成形材料として有効に用いることができる。

すなわち、本発明のPTFE樹脂組成物から成形されたリップシールは、これを自動車冷却水循環ポンプシールとして用いた場合にあっても、冷却水シールという過酷なシール条件下でも炭素繊維の脱落を有効に防止することができ、使用時における変形・摩耗に伴う冷却水漏れなどを生ぜず、そのシール性を十分に満足させることができる。

リップシールの要部断面図である。湾曲状炭素繊維の電子顕微鏡写真である。

PTFEと同様に用いられる変性PTFEとしては、2重量％以下のC₁〜C₃のパーフルオロアルキル基を有するパーフルオロアルキルビニル、好ましくはパーフルオロメチルビニルエーテル、ヘキサフルオロプロピレン、エチレン等を共重合させたPTFEが用いられる。これらの変性PTFEについては、PTFEと同様の成形加工方法が適用される。

PTFEまたはこれらの変性PTFEには、所定の炭素繊維が配合して用いられる。炭素繊維としては、平均繊維径が約5〜20μm、平均繊維長が約70〜200μmのピッチ系、好ましくは高黒鉛化ピッチ系のものであって、その形状がストレート状ではなく、好ましくは約50〜1500μmの曲率半径を有する湾曲状のものが用いられる。このような性状を有する炭素繊維は、すべてこのような性状のものでなくともよく、好ましくは全体の本数中約10％以上存在すれば、本発明の目的を達成させることができる。実際には、かかる性状を有する市販品炭素繊維が用いられる。

曲率半径が約50μmよりも小さい炭素繊維を用いると、PTFE材料の圧縮成形過程で炭素繊維が折れ、適正な繊維長を維持することができない。一方、曲率半径が約1500μmよりも大きい炭素繊維を用いると、PTFEとの絡み合いが不十分で炭素繊維の脱落を十分に抑制することができない。なお、曲率半径は、電子顕微鏡を用いて撮影した２次電子像を、画像解析ソフトにより測定した。

このような性状を有する所定の炭素繊維は、摺動発熱によりリップ材が軟化して炭素繊維保持力が低下しても、湾曲部分がPTFEと絡み合っているため脱落し難い。所定の形状を有する炭素繊維は、PTFEとの合計量中約10〜30重量％の割合で用いられる。炭素繊維がこれ以下の配合割合で用いられると、耐摩耗性に対する効果が非常に薄くなり、一方これ以上の配合割合で用いられると、成形不良、シール割れ、シール切れなどが発生し、シール性が低下するようになる。

また、炭素繊維として、構造材料用途に広く用いられているPAN系炭素繊維やピッチ系ストレート形状炭素繊維を用いた場合には、耐変形性、耐摩耗性、シール性などを満足させることができない。

炭素繊維のPTFEへの配合は、炭素繊維の良好な分散状態が得られる方法であれば任意の配合方法を採用することができ、一般にはヘッシェルミキサ等の混合機を用いて配合が行われ、PTFE組成物を形成させる。

リップシールの製造は、以上の各成分よりなるPTFE組成物を所定の成形用金型内に投入し、圧縮成形材を用いて、約30〜100MPa、好ましくは約70〜80MPaの成形圧に約60〜150秒間保持することにより予備成形され、予備成形物は、PTFEの融点(327℃)以上の温度または変性PTFEの融点(327℃より低い)以上の温度、一般には約350〜390℃で約1〜6時間程度焼成された後、所望の形状に切削加工することにより行われる。

また、炭素繊維は曲率を有するだけでなく、ひねりも加えられたものでもよく、この場合、よりシール性に優れたリップシールを得ることが可能である。ここで、ひねりとは、炭素繊維のある点とそれに対し繊維の長手方向に対し特定の距離を持った点の表面を比べた際に渦を巻くようにねじれていること(ねじれ角度を有していること)を意味する。あるいは、繊維がねじれていることを意味する。

次に、実施例について本発明を説明する。

実施例１
変性PTFE(三井デュポンフロロケミカル製品テフロン(登録商標)70-J；変性PTFE)90部(重量；以下同じ)およびピッチ系湾曲状炭素繊維(平均繊維径13μm、平均繊維長90μm、曲率半径517μm)10部を、前述の方法によって配合した後、プレス等を用いて約60〜70MPaで圧縮成形され、焼成炉にて360〜390℃で3時間焼成された。

その後、切削加工により、図示される如きリップシールを作製し、シール運転を1000時間行い、シール性評価試験を実施した。製品評価は、以下の基準に従って行われた。
耐変形性：
試験後のリップ状態を目視にて観察し、リップシール100内径側の密
封液体側に曲げられた部分(腰部Ａ)に、
変形がみられないものを○、変形がみられたものを×として評価した
耐摩耗性：
試験後のリップ摺動面の摩耗量を測定し、
摩耗量が0.1mm未満のものを◎、0.1〜0.2mmのものを○、0.2〜0.3mm
のものを△、0.3mm以上のものを×として評価した
シール性：
試験開始から試験終了時迄のシール部からの全冷却水漏れ量を測定し
、漏れ量が10ml未満のものを○、10〜20mlのものを△、20ml以上のも
のを×として評価した
組付け時のリップ先端部の亀裂の有無：
目視で判断した

実施例２
実施例１において、変性PTFE量が70部に、ピッチ系湾曲状炭素繊維が30部にそれぞれ変更されて用いられた。

実施例３
実施例１において、ピッチ系湾曲状炭素繊維の代わりに、高黒鉛化ピッチ系湾曲状炭素繊維(平均繊維径13μm、平均繊維長90μm、曲率半径484μm)が同量用いられた。

実施例４
実施例２において、ピッチ系湾曲状炭素繊維の代わりに、高黒鉛化ピッチ系湾曲状炭素繊維(平均繊維径13μm、平均繊維長90μm、曲率半径484μm)が同量用いられた。

実施例５
実施例１において、変性PTFEの代わりに、PTFE(三井デュポンフロロケミカル製品テフロン(登録商標)7-J)が同量用いられた。

実施例６
実施例２において、変性PTFEの代わりに、PTFE(三井デュポンフロロケミカル製品テフロン(登録商標)7-J)が同量用いられた。

比較例１
実施例１において、ピッチ系湾曲状炭素繊維の代わりに、ピッチ系ストレート形状炭素繊維(平均繊維径15μm、平均繊維長130μm)が同量用いられた。

比較例２
実施例１において、ピッチ系湾曲状炭素繊維の代わりに、PAN系炭素繊維(平均繊維径9μm、平均繊維長130μm)が同量用いられた。

比較例３
実施例１において、変性PTFE量が95部に、ピッチ系湾曲状炭素繊維が5部にそれぞれ変更して用いられた。

比較例４
実施例１において、変性PTFE量が65部に、ピッチ系湾曲状炭素繊維が35部にそれぞれ変更して用いられた。

比較例５
実施例３において、変性PTFE量が95部に、高黒鉛化ピッチ系湾曲状炭素繊維が5部にそれぞれ変更して用いられた。

比較例６
実施例３において、変性PTFE量が65部に、高黒鉛化ピッチ系湾曲状炭素繊維が35部にそれぞれ変更して用いられた。

以上の各実施例および比較例で得られた結果は、その組成と共に、次の表１(実施例)および表２(比較例)に示される。
表１
実施例１２３４５６
〔組成〕
変性PTFE (部) 90 70 90 70 − −
PTFE (部) − − − − 90 70
ピッチ系CF (部) 10 30 − − 10 30
高黒鉛化CF (部) − − 10 30 − −
〔評価〕
耐変形性 ○ ○ ○ ○ ○ ○
耐摩耗性 ○ ○ ◎ ◎ ○ ○
シール性 ○ ○ ◎ ◎ ○ ○
組付け時の亀裂なしなしなしなしなしなし

表２
比較例１２３４５６
〔組成〕
変性PTFE (部) 70 70 95 65 95 65
ピッチ系CF (部) − − 5 35 − −
ストレート形状CF(部) 30 − − − − −
PAN系CF (部) − 30 − − − −
高黒鉛化CF (部) − − − − 5 35
〔評価〕
耐変形性 × × × ○ × ○
耐摩耗性 △ △ × △ × △
シール性 △ △ △ × △ ×
組付け時の亀裂なしなしなしありなしなし
注）CF：炭素繊維

１００リップシール
Ａその腰部
Ｂ PTFE樹脂組成物の成形部

Claims

ポリテトラフルオロエチレンまたは変性ポリテトラフルオロエチレン70〜90重量％および湾曲状炭素繊維30〜10重量％よりなるPTFE樹脂組成物。
変性ポリテトラフルオロエチレンとして、2重量％以下のパー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またはエチレンを共重合させたポリテトラフルオロエチレンが用いられた請求項１記載のPTFE樹脂組成物。
50〜1500μmの曲率半径を有するピッチ系湾曲状炭素繊維を全体の本数中10％以上存在させた炭素繊維が用いられた請求項１または２記載のPTFE樹脂組成物。
ウォーターポンプ用リップシール成形材料として用いられる請求項１記載のPTFE樹脂組成物。
請求項４記載のPTFE樹脂組成物から得られたウォーターポンプ用リップシール。
自動車冷却水循環ポンプ用軸シール材として用いられる請求項５記載のウォーターポンプ用リップシール。