KR20240021924A - 톱니 벨트 및 그 제조 방법 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 벨트 둘레 방향을 따라 연장하는 심선이 매설된 등부, 상기 등부의 내주면에, 벨트 둘레 방향으로 간격을 두고 형성된 복수의 톱니부를 구비하고, 상기 심선에 대하여 벨트 외주 측에 형성되어 있는 등 고무층과, 상기 심선에 대하여 벨트 내주 측에 형성되어 있는 제 1 고무층 및 제 2 고무층을 포함하고, 또한 벨트 내주면이 톱니포로 구성된 톱니 벨트에 있어서, 상기 등부는 상기 등 고무층을 포함하고, 상기 제 1 고무층의 탄성률이 상기 제 2 고무층의 탄성률보다 크고, 상기 톱니부는, 상기 톱니포, 상기 톱니포를 따라 형성된 상기 제 1 고무층, 이 제 1 고무층과 상기 심선의 사이에 개재하는 상기 제 2 고무층을 포함하는 톱니 벨트에 관한 것이다.
Description
본 발명은 톱니 풀리와 맞물려 고부하 조건 하에서 일반 산업용 기계 등에서 동기하여 동력을 전달하는데 유용한 고무제 톱니 벨트(또는 톱니포 피복의 고무제 톱니 벨트) 및 그 제조 방 법에 관한 것이다.
동력을 전달하는 전동 벨트는 마찰 전동 벨트와 맞물림 전동 벨트로 대별된다. 마찰 전동 벨트로서는, 평 벨트, V 벨트, V 리브드 벨트 등을 들 수 있고, 맞물림 전동 벨트로서는, 톱니 벨트를 들 수 있다. 톱니 벨트는 심선을 벨트 둘레 방향과 거의 평행하게 매설한 등부(背部), 벨트 둘레 방향으로 소정 간격으로 배설된 톱니부, 톱니부의 표면을 피복하는 톱니포를 구비하고 있다. 톱니 벨트의 톱니부는 톱니부와 상대하는 홈을 갖는 풀리와 감합함으로써 동력 전달을 행한다. 톱니 벨트는 풀리와의 사이에 슬립이 발생하지 않고, 고부하라도 확실하게 전동할 수 있다. 최근에는 산업용 기계, 자동차 내연 기관, 자동 이륜차의 후륜 구동용으로서 사용되는 예가 증가하고 있으며, 특히 기계의 소형화에 수반하여, 소형화에 대응한 톱니 벨트(소경 풀리에의 대응, 세폭화)가 요구되고 있다. 종래의 대형 톱니 벨트와 동일한 환경에서, 소형화된 톱니 벨트를 사용하면, 톱니 벨트에는 더 높은 부하가 작용한다. 그 때문에, 소형화에 대응시키는 한편, 보다 높은 부하가 작용하는 조건에서의 사용에도 견딜 수 있는 내용성이 높은 톱니 벨트가 필요하다.
톱니 벨트의 내용성으로서 중요한 인자에, 톱니부의 강성(내변형성)이 있다. 톱니 풀리와 맞물리는 과정에서, 톱니 풀리와의 접촉에 의해 톱니부가 반복 변형되면, 톱니 날림(jumping)에 의한 맞물림 불량이나, 톱니 뿌리 부분의 균열에 의한 톱니 결손 등의 고장으로 이어진다. 톱니 결손은, 톱니부가 벨트 본체로부터 누락되는 고장 형태로, 톱니부가 반복 변형됨으로써 톱니부의 근원에 응력이 집중적으로 작용하는 과정에서, 우선, 톱니 뿌리에 미세한 균열이 발생하고, 이어서 그 균열이 성장한다고 하는 메커니즘이 생각되고 있다. 특히, 톱니 벨트를 높은 부하가 작용하는 조건에서 사용한 경우에는, 톱니 뿌리 부분에 집중하는 응력이 특단적으로 커져, 톱니 뿌리를 기점으로 균열이 생겨 톱니 결손으로 연결되기 쉽다.
그 때문에, 톱니부의 변형을 억제하기 위해서는 강성을 높일 필요가 있다. 반면에, 톱니부의 강성을 높이면 벨트의 굽힘 강성도 높아져 굴곡성이 저하된다. 기계의 소형화에 수반하여, 톱니 풀리가 소형화(소경화)하면, 소경 풀리에 감겨 양호한 맞물림성을 가져올 만큼의 고굴곡성(유연성)도 필요하게 된다. 굴곡성을 높이기 위해서는, 톱니부의 강성을 높이는 처방은 적합하지 않다.
즉, 톱니 벨트에 있어서, 톱니부의 강성(내변형성)과 굴곡성(유연성)은 배반관계에 있어 양립이 곤란하기 때문에, 이 양립을 도모하기 위한 밸런스 잡힌 처방이 필요하게 되어 있다.
일본국 특개2011-85160호 공보(특허문헌 1)에는, 한쪽의 면에 길이 방향을 따라 톱니부와 톱니 저부가 교호로 마련된 벨트 본체의 내부에, 벨트 폭 방향의 탄성률이 100GPa 이상의 중간 범포가 매설된 톱니 벨트가 개시되어 있고, 상기 톱니부로서, 톱니부 내부를 구성하는 심 고무층과, 톱니부 외주를 따라 배치됨과 함께, 상기 심 고무층의 상기 한쪽의 면 측에 적층되는 톱니 고무층에 의해 형성되고, 또한 상기 심 고무층의 모듈러스가, 상기 톱니 고무층의 모듈러스보다 높은 톱니부가 기재되어 있다.
또, 국제공개 제2011/045984호(특허문헌 2)에는, 한쪽의 면에 길이 방향을 따라 톱니부와 톱니 저부가 교호로 마련된 벨트 본체를 구비한 톱니 벨트가 개시되어 있고, 상기 벨트 본체 부로서, 상기 톱니부 외주를 따르도록 배치되는 톱니 고무층과, 상기 톱니부의 내부를 구성하는 심 고무층을 갖고, 상기 심 고무층은 상기 톱니 고무층보다도 모듈러스가 높은 벨트 본체부가 기재되어 있다.
그러나, 특허문헌 1 및 2의 톱니 벨트에서도, 톱니 벨트의 톱니부의 강성과 굴곡성을 양립시키는 것은 곤란하였다.
따라서, 본 발명의 목적은, 톱니부의 강성(내변형성)과 굴곡성(유연성)을 양립할 수 있는 톱니 벨트 및 그 제조 방법을 제공하는 것에 있다.
본 발명자 등은, 상기 과제를 달성하기 위해, 톱니부를 구성하는 고무층에 있어서의 층 구조(기계적 물성의 배분)에 주목하여, 보다 높은 부하가 작용하는 조건에서의 사용에도 견딜 수 있는 톱니부의 강성을 확보하면서, 배반 관계에 있는 톱니부의 강성(내변형성)과 굴곡성(유연성)을 양립시킬 수 있는 밸런스가 잡힌 양태를 예의 검토했다. 그 결과, 톱니 벨트의 톱니부는, 톱니포, 톱니포를 따라 형성된 제 1 고무층, 이 제 1 고무층과 심선의 사이에 형성된 제 2 고무층으로 형성하고, 상기 제 1 고무층의 탄성률을 상기 제 2 고무층의 탄성률보다 크게 조정함으로써, 톱니부의 강성과 굴곡성을 양립할 수 있는 것을 밝혀내어, 본 발명을 완성하였다.
즉, 본 발명의 양태 [1]로서의 톱니 벨트는,
벨트 둘레 방향을 따라 연장하는 심선이 매설된 등부,
상기 등부의 내주면에, 벨트 둘레 방향으로 간격을 두고 형성된 복수의 톱니부를 구비하고,
상기 심선에 대하여 벨트 외주 측에 형성어 있는 등 고무층과, 상기 심선에 대하여 벨트 내주 측에 형성되어 있는 제 1 고무층 및 제 2 고무층을 포함하고, 또한
벨트 내주면이 톱니포로 구성된 톱니 벨트에 있어서,
상기 등부는 상기 등 고무층을 포함하고,
상기 제 1 고무층의 탄성률이 상기 제 2 고무층의 탄성률보다 크고,
상기 톱니부는, 상기 톱니포, 상기 톱니포를 따라 형성된 상기 제 1 고무층, 이 제 1 고무층과 상기 심선의 사이에 개재하는 상기 제 2 고무층을 포함한다.
본 발명의 양태 [2]는, 상기 제 1 고무층의 면적 비율은, 벨트 둘레 방향의 단면에 있어서, 상기 제 1 고무층 및 상기 제 2 고무층의 합계 면적에 대하여 10~80 면적%인 양태이다.
본 발명의 양태 [3]은, 상기 양태 [1] 또는 [2]에 있어서, 상기 제 1 고무층의 인장 탄성률이 0.6~20MPa이고, 상기 제 2 고무층의 인장 탄성률이 0. 5~5MPa 인 실시 예이다.
본 발명의 양태 [4]는 상기 양태 [1] ~ [3] 중 어느 하나의 양태에 있어서, 상기 제 1 고무층의 인장 탄성률은, 상기 제 2 고무층의 인장 탄성률에 대하여 1. 2~4배인 양태이다.
본 발명의 양태 [5]는, 상기 양태 [1] ~ [4] 중 어느 하나의 양태에 있어서,
상기 제 1 고무층은, 제 1 고무 성분, 제 1 가교제 및 제 1 공가교제를 포함하는 제 1 가교 고무 조성물로 형성되고,
상기 제 2 고무층은, 제 2 고무 성분, 제 2 가교제 및 제 2 공가교제를 포함하는 제 2 가교 고무 조성물로 형성되고,
상기 제 1 고무 성분은, 수소화 니트릴 고무와 불포화 카르복실산 금속염을 포함하는 제 1 복합 폴리머를 포함하고,
상기 제 2 고무 성분은, 수소화 니트릴 고무와 불포화 카르복실산 금속염을 포함하는 제 2 복합 폴리머를 포함하고,
상기 제 1 공가교제의 비율은, 상기 제 1 고무 성분 100질량부에 대하여 1~40질량부이고, 또한
상기 제 2 공가교제의 비율은, 상기 제 2 고무 성분 100질량부에 대하여 0.2~25질량부인 양태이다.
본 발명의 양태 [6]은, 상기 양태 [5]에 있어서,
상기 제 1 가교 고무 조성물은, 제 1 보강성 무기 충전제를 더 포함하고,
상기 제 2 가교 고무 조성물은, 제 2 보강성 무기 충전제를 더 포함하고,
상기 제 1 복합 폴리머의 비율은, 상기 제 1 고무 성분 중 80 질량% 이상이고,
상기 제 2 복합 폴리머의 비율은, 상기 제 2 고무 성분 중 30 질량% 이상이고,
상기 제 1 가교제는 제 1 유기 과산화물을 포함하고, 상기 제 1 유기 과산화물의 비율은, 상기 제 1 고무 성분 100질량부에 대하여 1~20질량부이고,
상기 제 2 가교제는 제 2 유기 과산화물을 포함하고, 상기 제 2 유기 과산화물의 비율은, 상기 제 2 고무 성분 100질량부에 대하여 0.5~5질량부이고,
상기 제 1 보강성 무기 충전제의 비율은, 상기 제 1 고무 성분 100질량부에 대하여 10질량부 이하이고, 또한
상기 제 2 보강성 무기 충전제의 비율은, 상기 제 2 고무 성분 100질량부에 대하여 10질량부 이하인 양태이다.
본 발명에서는, 양태 [7]로서, 톱니포를 형성하기 위한 톱니포 전구체, 제 1 고무층을 형성하기 위한 미가교 고무 시트, 제 2 고무층을 형성하기 위한 미가교 고무 시트가 적층된 예비 성형체를 제작하는 예비 성형 공정을 포함하는 상기 양태 [1] ~ [6] 중 어느 하나의 양태의 톱니 벨트의 제조 방법도 포함된다.
본 발명에서는, 톱니 벨트의 톱니부가, 벨트 내주면을 구성하는 톱니포, 이 톱니포를 따라 형성된 제 1 고무층, 이 제 1 고무층과 심선의 사이에 형성된 제 2 고무층으로 형성되고, 상기 제 1 고무층의 탄성률이 상기 제 2 고무층의 탄성률보다 크게 되도록 조정되어 있기 때문에, 보다 높은 부하가 작용하는 조건에서의 사용에도 견딜 수 있는 톱니부의 강성을 확보하면서, 배반 관계에 있는 톱니부의 강성과 굴곡성을 양립할 수 있다. 그 때문에, 본 발명에서는, 벨트 주행 중의 점핑(톱니 날림)을 억제할 수 있음과 함께, 벨트 내구성을 향상시킬 수 있는 톱니 벨트를 제공할 수 있다. 이 톱니 벨트에서는, 점핑 등에 의한 톱니부의 결손(톱니 결손)도 억제할 수 있어, 고부하 주행시의 장수명화가 가능해진다.
[도 1] 도 1은 본 발명의 톱니 벨트의 일례를 나타내는 부분 단면 사시도이다.
[도 2] 도 2는 도 1의 톱니 벨트의 개략 단면도이다.
[도 3] 도 3은 도 1의 톱니 벨트의 톱니 부의 기능을 설명하기 위한 개략 단면도이다.
[도 4] 도 4는 실시 예의 톱니 강성 시험의 측정 방법을 설명하기 위한 개략 모식도이다.
[도 5] 도 5는 실시 예의 톱니 강성 시험의 측정 방법을 설명하기 위한 측정 데이터의 일례를 나타내는 그래프이다.
[도 6] 도 6은 실시 예에서 얻어진 톱니 벨트의 톱니부의 개략 단면도이다.
[도 2] 도 2는 도 1의 톱니 벨트의 개략 단면도이다.
[도 3] 도 3은 도 1의 톱니 벨트의 톱니 부의 기능을 설명하기 위한 개략 단면도이다.
[도 4] 도 4는 실시 예의 톱니 강성 시험의 측정 방법을 설명하기 위한 개략 모식도이다.
[도 5] 도 5는 실시 예의 톱니 강성 시험의 측정 방법을 설명하기 위한 측정 데이터의 일례를 나타내는 그래프이다.
[도 6] 도 6은 실시 예에서 얻어진 톱니 벨트의 톱니부의 개략 단면도이다.
<톱니 벨트>
이하, 필요에 따라, 첨부 도면을 참조하면서 본 발명의 톱니 벨트의 일례에 대하여 상세하게 설명한다.
도 1은 본 발명의 톱니 벨트의 일례를 나타내는 부분 단면 사시도이고, 도 2는도 1의 톱니 벨트의 개략 단면도이다. 이 예의 톱니 벨트(1)는 무단 형상의 맞물림 전동 벨트이며, 벨트 둘레 방향으로 연장되는 심선(5)이 매설된 등부(1c)와, 등부(1c)의 내주면에 소정 간격으로 마련되고, 또한 벨트 폭 방향으로 연장되는 복수의 톱니부(1a)를 구비하고, 톱니부 측의 벨트 표면(내주면)은 톱니포(2)로 구성되어 있다. 상기 등부(1c)는 심선(5)의 벨트 외주면 측에 배설된 등 고무층(6)을 갖고, 이 등 고무층(6)은 벨트 외주면을 형성한다. 더욱이, 본 발명의 톱니 벨트(1)는, 심선(5)의 벨트 내주면 측에 있어서, 상기 톱니포(2)와 상기 심선(5)의 사이에, 제 1 고무층(표부 고무층)(3) 및 제 2 고무층(내부 고무층)(4)을 갖고 있다. 상기 제 1 고무층(3)은 상기 톱니포(2)의 윤곽을 따라 벨트 내주면에 배설되어 있고(상기 톱니포(2)와 접하고 있고), 상기 제 2 고무층(4)은, 상기 제 1 고무 층(3)과 심선(5)의 사이에 개재 또는 배설되어 있다(상기 심선(5)와 접하고 있다). 제 1 고무층(3)은 제 2 고무층(4)보다 높은 탄성률(특히 인장 탄성률)을 가지고 있다.
인접하는 톱니부(1a)와 톱니부(1a) 사이에는, 평탄한 톱니 저부(1b)가 존재하고, 상기 톱니부(1a)와 상기 톱니 저부(1b)는, 벨트 내주 방향을 따라 교호로 형성되어 있다. 즉, 상기 톱니부(1a)의 표면 및 상기 등부(1c)의 내주면(즉, 톱니 저부(1b)의 표면)은, 연속한 1매의 톱니포(2)로 구성되어 있다.
또한, 본원에 있어서, 톱니부의 표면을 구성하는 톱니포는, 톱니부의 구성 요건인 한편, 톱니 저부의 표면을 구성하는 톱니포는, 등부의 구성 요건이다. 또, 톱니부를 구성하는 각 톱니포는, 연속하는 톱니포의 일부(도 2에 있어서의 톱니포(2)의 일부)이다.
상기 톱니부(1a)는, 이 예에서는, 벨트 둘레 방향의 단면 형상이 거의 사다리꼴 형상이다. 또, 단면 거의 사다리꼴 형상의 톱니부(1a)는, 둘레 방향의 표면이 상기 톱니포(2)로 구성되어 있고, 이 톱니포(2)를 따라 형성된 제 1 고무층(3)과, 이 제 1 고무층(3)과 상기 심선(5)의 사이에 형성된 제 2 고무층 (4)으로 형성되어 있다. 또한, 톱니 저부(1b)에 있어서도, 톱니포(2)와 심선(5)의 사이에는, 표부 고무층으로서의 제 1 고무층과, 내부 고무층으로서의 제 2 고무층이 개재되어 있다(도시하지 않음). 톱니 저부에 있어서의 제 1 고무층 및 제 2 고무층의 두께는, 톱니부(1a)에 있어서의 제 1 고무층(3) 및 제 2 고무층(4)의 두께에 비해 매우 얇다.
상기 심선(5)은 벨트 길이 방향(둘레 방향)으로 연장되고, 또한 벨트 폭 방향으로 간격을 두고 배열되어 있다. 인접하는 심선(5)의 극간은 등 고무층(6) 및/또는 제 2 고무층을 구성하는 가교 고무 조성물(특히, 등 고무층(6)을 구성하는 가교 고무 조성물)으로 형성되어 있어도 좋다.
톱니 벨트는, 산업용 기계, 자동차의 내연 기관, 자동 이륜차의 후륜 구동 등에 있어서의 고부하 전동 용도에 사용된다. 예를 들어, 톱니 벨트가, 구동 풀리(톱니 풀리)와 종동 풀리(톱니 풀리) 사이에 감아 걸린 상태에서, 구동 풀리의 회전에 의해, 구동 풀리측으로부터 종동 풀리측으로 동력을 전달한다.
또한, 본 발명의 톱니 벨트는, 도 1 및 도 2에 나타내는 형태 및 구조에 한정되지 않는다. 예를 들어, 복수의 톱니부는 톱니 풀리와 맞물림 가능하면 좋고, 톱니부의 단면 형상(톱니 벨트의 벨트 둘레 방향의 단면 형상)은, 거의 사다리꼴 형상에 한정되지 않고, 예를 들어 반원형, 반 타원형, 다각형 [삼각형, 사각형(직사각형, 사다리꼴 등) 등] 등이어도 좋다. 이들 중, 맞물림 전동성 등의 점에서, 사다리꼴 형상 또는 거의 사다리꼴이 형상이 바람직하다.
본 발명의 톱니 벨트(심선의 내주측)에 있어서, 제 1 고무층의 면적 비율은, 벨트 둘레 방향(벨트 길이 방향)의 단면시에 있어서, 제 1 고무층 및 제 2 고무층의 합계 면적에 대하여, 예를 들어 10~80 면적%, 바람직하게는 20~70 면적%, 더욱 바람직하게는 30~60 면적%이다. 이 면적 비율이 지나치게 작으면, 톱니부의 강성(내변형성)이 부족할 우려가 있고, 역으로 지나치게 크면 벨트의 굽힘 강성이 높아져 굴곡성(유연성)이 부족할 우려가 있다.
본 발명의 톱니 벨트에 있어서, 둘레 방향으로 서로 이웃하는 톱니부의 중심간의 평균 거리(톱니 피치, 도 2 참조)는, 톱니 풀리의 형태 등에 따라, 예를 들면 2~25㎜이어도 좋다. 톱니 피치의 수치는, 톱니부의 스케일(톱니부의 벨트 둘레 방향의 길이 및 톱니부의 톱니 높이)의 크기에도 대응하고 있다. 즉, 톱니 피치가 클수록, 톱니부의 스케일도 유사하게 커진다. 특히, 높은 부하가 작용하는 용도에서는, 스케일이 큰 톱니부가 필요하고, 톱니 피치가 5㎜ 이상이어도 좋고, 8㎜ 이상이 바람직하고, 14㎜ 이상이 더욱 바람직하다.
더욱이, 톱니부의 평균 톱니 높이는, 벨트 전체의 평균 두께에 대하여, 바람직하게는 40~70%, 더욱 바람직하게는 50~65%이다.
또한, 본원에 있어서, 도 2에 나타내는 바와 같이, 톱니부의 평균 톱니 높이는, 벨트 내주면에 있어서, 돌출하고 있는 톱니부의 평균 높이(톱니 저부로부터 돌출하고 있는 톱니부의 평균 높이)를 의미한다.
[톱니부]
톱니부는, 표면이 톱니포로 구성되어 있고, 톱니부의 윤곽을 따라, 톱니포와 접하는 표면측(내표면측)에 배치되는 제 1 고무층과, 제 1 고무층과 접하는 내부 측에 배치되는 제 2 고무층을 포함한다. 제 1 고무층과 제 2 고무층은, 서로 다른 가교 고무 조성물로 형성되고, 제 1 고무층의 탄성률(모듈러스)이 상대적으로 크고, 제 2 고무층의 탄성률(모듈러스)이 상대적으로 작다. 본 발명의 톱니 벨트에서는, 톱니부를 형성하는 가교 고무 조성물이 이와 같은 2층 구조를 가짐으로써, 톱니부의 강성과 굴곡성을 양립할 수 있다. 이 메커니즘에 관하여, 도 3을 참조하여 설명한다. 또한, 본원에 있어서, 톱니부를 형성하는 고무층은, 심선과 톱니포의 사이에 개재하는 고무층을 의미한다. 또, 톱니부를 형성하는 고무층인 제 1 고무층과 제 2 고무층을 총칭하여 톱니 고무층이라고 부른다.
본 발명자 등은, 톱니부 내부에서, 굴곡성(유연성)에 영향을 주는 부위가, 제 2 고무층에 상당하는 톱니부 내부, 특히, 심선(5)의 하부에 위치하는 C부인 것을 발견했다. 즉, 톱니부 내부, 특히, 상기 C부가 고강성(고탄성률)인 고무층이면, 굴곡성(유연성)이 저하되는 것을 발견하였다. 그래서, 본 발명의 톱니 벨트에서는, 고굴곡성을 확보하기 위해, 톱니부 내부에 위치하는 제 2 고무층, 특히 C부를 내재하는 제 2 고무층(4)을 상대적으로 저강성(저탄성률)로 조정하고 있다.
더욱이, 본 발명자 등은, 톱니부 내부에 있어서, 내변형성에 영향을 주는 부위가, 제 1 고무층에 상당하는 톱니포 근방, 특히, 톱니부의 측면에 위치하는 A부 및 톱니 저부 근방에 위치하는 B부인 것을 발견했다. 즉, A부 및 B부가, 저강성(저탄성률)인 고무층이면, 내변형성이 저하되는 것을 발견하였다. 상세하게는, 톱니부 측면인 A부는, 풀리와 접촉하여 가장 부하(충격)를 받는 부위이기 때문에, A부의 가교 고무 조성물이 고강성(고탄성률)이면 효과적이다. 한편, 톱니 저부 부근의 근원인 B부는, 반복되는 변형에 의해, 먼저 미소한 균열이 발생하는 부분(톱니 결손으로 연결되는 기점 부분)이기 때문에, B부의 가교 고무 조성물이 고강성(고탄성률)이면 효과적이다. 그래서, 본 발명의 톱니 벨트에서는, 내변형성을 확보하기 위해, A부 및 B부를 내재하는 제 1 고무층(3)을 상대적으로 고강성(고탄성률)으로 조정하고 있다.
내 변형성의 관점으로부터는, 톱니부로서는, 적어도 A부 및 B부가 고강성 고무로 형성되어 있으면 좋고, 톱니부의 정부(頂部)(톱니 끝 부분)는 고강성 고무로 형성되어 있지 않아도 좋다. 이에 대하여, 본 발명의 톱니 벨트에서는, 생산성이 높고, 또한 고도한 내변형성을 실현할 수 있다는 점으로부터, 정부도 포함하는 제 1 고무층이 고강성 고무로 형성되어 있다.
제 1 고무층의 인장 탄성률(모듈러스)은, 벨트 둘레 방향으로 0.6~20MPa 정도의 범위로부터 선택할 수 있고, 예를 들면 2~15MPa(예를 들면 3~12MPa), 바람직하게는 2~10MPa(예를 들면 2~8MPa), 더욱 바람직하게는 3~8MPa(예를 들면 3~7MPa), 보다 바람직하게는 4~7MPa, 가장 바람직하게는 4~6MPa이다. 인장 탄성률이 지나치게 작으면, 톱니부의 강성이 저하되어 내변형성이 저하될 우려가 있고, 역으로 지나치게 크면, 벨트의 굴곡성, 특히, 소경 풀리에의 감김(맞물림)성이 저하할 우려가 있다.
제 2 고무층의 인장 탄성률(모듈러스)은, 벨트 둘레 방향에 있어서, 예를 들면 0.5~5MPa, 바람직하게는 1~4MPa, 더욱 바람직하게는 1.5~3.5MPa, 보다 바람직하게는 1.5~3MPa이다. 인장 탄성률이 지나치게 작으면, 내변형성이 저하될 우려가 있고, 역으로 지나치게 크면, 벨트의 굴곡성, 특히, 소경 풀리에의 감김(맞물림)성이 저하할 우려가 있다.
제 1 고무층의 인장 탄성률은, 제 2 고무층의 인장 탄성률보다 크고, 제 2 고무층의 인장 탄성률에 대한 제 1 고무층의 인장 탄성률의 비(제 1 고무층의 인장 탄성률/제 2 고무층의 인장 탄성률)은 1.2~4이어도 좋고, 바람직하게는 1.5~3.5, 더욱 바람직하게는 1.5~3(예를 들면 2~3), 보다 바람직하게는 1.6~2.7, 가장 바람직하게는 1.7~2.5이다. 양층의 인장 탄성률의 비를 이 범위로 함으로써, 배반 관계에 있는 톱니부의 강성(내변형성)과 굴곡성(유연성)의 밸런스가 취하여, 양립을 도모할 수 있다.
또한, 본원에 있어서, 제 1 고무층 및 제 2 고무층의 인장 탄성률(모듈러스)로서는, JIS K6251(2017)에 준거한 방법으로 측정할 수 있는 각 고무층의 「1% 신장에 있어서의 인장 응력」의 값을 인장 탄성률(모듈러스)의 지표값으로서 사용한다. 상세하게는, 후술하는 실시 예에 기재된 방법으로 측정할 수 있다.
제 1 고무층의 압축 탄성률은 0.5~2MPa 정도의 범위로부터 선택할 수 있고, 예를 들면 0.8~1.6MPa, 바람직하게는 1~1.5MPa, 더욱 바람직하게는 1.2~1.48MPa, 보다 바람직하게는 1.3~1.45MPa, 가장 바람직하게는 1.3~1.4MPa이다. 압축 탄성률이 지나치게 작으면, 톱니부의 강성이 저하되어 내변형성이 저하될 우려가 있고, 역으로 지나치게 크면, 벨트의 굴곡성, 특히, 소경 풀리에의 감김(맞물림)성이 저하할 우려가 있다.
제 2 고무층의 압축 탄성률은, 예를 들면 0.3~1.5MPa, 바람직하게는 0.5~1.3MPa, 더욱 바람직하게는 0.7~1.25MPa, 보다 바람직하게는 0.8~1.2MPa이다. 압축 탄성률이 지나치게 작으면, 내변형성이 저하될 우려가 있고, 역으로 지나치게 크면, 벨트의 굴곡성, 특히, 소경 풀리에의 감김(맞물림)성이 저하되는 우려가 있다.
제 1 고무층의 압축 탄성률은, 제 2 고무층의 압축 탄성률보다 크고, 제 2 고무층의 압축 탄성률에 대한 제 1 고무층의 압축 탄성률의 비(제 1 고무층의 압축 탄성률/제 2 고무층의 압축 탄성률)은 1.05~1.7(예를 들면 1.2~1.7)이어도 좋고, 바람직하게는 1.1~1.65(예를 들면 1.25~1.65), 더욱 바람직하게는 1.15~1.6(예를 들면 1.3~1.6), 보다 바람직하게는 1.4~1.58, 가장 바람직하게는 1.42~1.5)이다. 양층의 압축 탄성률의 비를 이 범위로 함으로써, 배반 관계에 있는 톱니부의 강성(내변형성)과 굴곡성(유연성)의 밸런스를 취하여 양립을 도모할 수 있다.
또한, 본원에 있어서, 제 1 고무층 및 제 2 고무층의 압축 탄성률로서는, JIS K6254(2016)에 준거한 방법으로 측정할 수 있는 각 고무층의 「압축 변형 2%에 있어서의 압축 응력」의 값을 압축 탄성률(모듈러스)의 지표 값으로 이용한다. 상세하게는, 후술하는 실시 예에 기재된 방법으로 측정할 수 있다.
제 1 고무층의 형상은, 톱니포를 따라 형성된 층상이면 특별히 한정되지 않고, 도 1~3에 나타내는 불균일한 두께를 갖는 층 형상(즉, 톱니부의 벨트 길이 방향의 단면시에 있어서, 층의 두께는, 톱니부의 정부 또는 중앙부에서 최대이고, 또한 톱니부의 저부를 향해 감소하는 형상)에 한정되지 않고, 균일한 두께를 갖는 층 형상이어도 좋다. 이들 중, 생산성 등의 점으로부터, 불균일한 두께를 갖는 층 형상(특히, 톱니부의 벨트 길이 방향의 단면시에 있어서, 층의 두께가, 톱니부의 정부 또는 중앙부에서 최대이고, 또한 톱니부의 저부를 향해 감소하는 형상)이 바람직하다.
톱니부에 있어서, 제 1 고무층의 면적 비율은, 벨트 길이 방향(둘레 방향)의 단면시에 있어서, 제 1 고무층 및 제 2 고무층의 합계 면적에 대하여 5~85 면적% 정도의 범위로부터 선택할 수 있고, 예를 들면, 10~80 면적%, 바람직하게는 20~70 면적%, 더욱 바람직하게는 30~60 면적%이다. 이 면적 비율이 지나치게 작으면, 톱니부의 강성(내변형성)이 부족하고, 벨트의 주행성이나 내구성도 저하될 우려가 있고, 역으로 너무 크면 벨트의 굽힘 강성이 높아져 굴곡성(유연성)이 부족하여, 벨트 내구성도 저하될 우려가 있다. 벨트 내구성이 중요한 용도에서는, 상기 면적 비율은 바람직하게는 15~65 면적%, 더욱 바람직하게는 20~60 면적%이다.
제 2 고무층의 형상은, 제 1 고무층과 심선의 사이에 형성된 거의 사다리꼴 형상에 한정되지 않고, 제 1 고무층을 따라 형성된 층상, 제 1 고무층을 따라 형성 다른 고무층과 심선의 사이에 형성된 거의 사다리꼴 형상 등이어도 좋다. 이들 중, 톱니부의 굴곡성을 향상시킬 수 있는 점에서, 심선과 접하는 형상, 즉 제 1 고무층과 심선의 사이에 형성된 거의 사다리꼴 형상, 상기 다른 고무층과 심선과의 사이에 형성된 거의 사다리꼴 형상이 바람직하고, 제 1 고무층과 심선의 사이에 형성된 거의 사다리꼴 형상이 특히 바람직하다.
제 1 고무층(제 1 고무층을 구성하는 제 1 가교 고무 조성물)의 고무 경도 Hs는, 타입 D 경도로, 예를 들면 70~85도, 바람직하게는 75~83도, 더욱 바람직하게는 76~82도 보다 바람직하게는 77~82도, 가장 바람직하게는 77~80도이다. 경도가 지나치게 작으면, 톱니부의 강성이 저하되어 내변형성이 저하되는 우려가 있고, 역으로 지나치게 크면, 벨트의 굴곡성, 특히, 소경 풀리에의 감김(맞물림)성이 저하되는 우려 있다.
제 2 고무층(제 2 고무층을 구성하는 제 2 가교 고무 조성물)의 고무 경도 Hs는, 타입 D 경도로, 예를 들면 60~80도(예를 들면 60~66도), 바람직하게는 62~78도(예를 들면 62~66도), 더욱 바람직하게는 63~75도, 보다 바람직하게는 63~72도, 가장 바람직하게는 63~70도(특히 63~66도)이다. 경도가 지나치게 작으면, 내변형성이 저하되는 우려가 있고, 역으로 지나치게 크면, 벨트의 굴곡성, 특히, 소경 풀리에의 감김(맞물림)성이 저하되는 우려가 있다.
또한, 본원에 있어서, 제 1 고무층 및 제 2 고무층의 타입 D 경도는, JIS K6253(2012)(가황 고무 및 열가소성 고무-경도의 구하는 방법-)에 규정되어 있는 스프링식 듀로미터 경도 시험에 준거하여, 타입 D 듀로미터를 이용하여 측정된 값 Hs(타입 D)를 나타내고, 단순히 고무 경도라고 기재하는 경우가 있다. 상세하게는, 후술하는 실시 예에 기재된 방법으로 측정할 수 있고, 벨트를 형성하기 위한 고무 조성물을 가교 반응하여 얻어지는 고무 시트의 경도로서 측정할 수 있다.
통상, 고무 조성물의 고무 경도는 타입 A 경도(타입 A 듀로미터를 사용하여 측정한 값)가 사용되는 경우가 많지만, 타입 A 듀로미터를 사용하여 측정한 값이 90도를 초과하는 경우는, 타입 D 경도계를 사용하는 것이 바람직하다고 여겨진다. 본 발명의 톱니 벨트에서는, 톱니부를 구성하는 고무층의 경도가, 후술하는 등 고무층의 경도보다 높고, 타입 A 경도가 90도를 초과한다. 그 때문에, 톱니부를 구성하는 고무층의 경도는 타입 D 경도로 평가되고 있다.
톱니부는, 본 발명의 효과를 손상시키지 않는 범위이면, 제 1 고무층 및 제 2 고무층에 더하여, 다른 고무층을 더 포함하고 있어도 좋다. 다른 고무층으로서는, 예를 들면, 톱니포와 제 1 고무층 사이에 개재하는 접착 고무층, 제 1 고무층과 제 2 고무층 사이에 개재하는 중간 고무층 등을 들 수 있다. 접착 고무층은, 톱니포와 제 1 고무층의 접착성을 향상시키기 위한 층이어도 좋다. 또, 중간 고무층은 제 1 고무층보다 작고, 또한 제 2 고무층보다 큰 인장 탄성률을 갖는 층이어도 좋다. 이들 중, 접착 고무층(제3 고무층)이 바람직하다. 접착 고무층의 두께는, 톱니포와 제 1 고무층의 접착성을 향상시킬 수 있는 정도의 두께이면 좋다. 구체적으로는, 제3 고무층(접착 고무층)의 두께는, 톱니부의 정부에 있어서, 바람직하게는 0.5㎜ 이하, 더욱 바람직하게는 0.3㎜ 이하이다. 제3 고무층의 두께가 지나치게 두꺼우면, 톱니부의 강성이 저하되는 우려가 있다.
톱니부의 구조로서는, 다른 층으로서 접착 고무층만을 포함하는 구조가 바람직하고, 다른 층을 포함하지 않는 구조, 즉, 벨트 둘레 방향의 표면을 피복하는 톱니포와, 이 톱니포를 따라 형성 제 1 고무층과, 상기 제 1 고무층과 상기 심선의 사이에 형성된 제 2 고무층으로 이루어지는 구조가 특히 바람직하다.
(가교 고무 조성물)
제 1 고무층 및 제 2 고무층은, 톱니 벨트의 고무 조성물로서 관용적으로 이용되고 있는 가교 고무 조성물로 형성되어 있어도 좋다. 가교 고무 조성물은, 고무 성분을 포함하는 가교 고무 조성물이어도 좋고, 조성물의 조성을 적의 조정함으로써, 고무층을 구성하는 각 층, 특히 제 1 고무층 및 제 2 고무층의 탄성률(모듈러스) 등의 기계적 물성을 조정할 수 있다. 탄성률(모듈러스) 등의 조정 방법으로서는, 특별히 한정되지 않고, 조성물을 구성하는 성분의 조성 및/또는 종류를 바꾸어 조정해도 좋고, 간편성 등의 점에서, 가교계 배합제, 단섬유, 필러의 비율 및/또는 종류를 변경하여 조정하는 것이 바람직하다.
(A) 고무 성분
제 1 고무층 및 제 2 고무층을 형성하는 가교 고무 조성물의 고무 성분(제 1 고무 성분 및 제 2 고무 성분)으로서는, 예를 들면, 디엔계 고무[천연 고무(NR), 이소프렌 고무(IR), 부타디엔 고무 (BR), 클로로프렌 고무(CR), 부틸 고무(IIR), 스티렌-부타디엔 고무(SBR), 비닐피리딘-스티렌-부타디엔 고무, 아크릴로니트릴-부타디엔 고무(니트릴 고무: NBR), 아크릴로니트릴-클로로프렌 고무, 수소화 니트릴 고무(HNBR) 등], 에틸렌-α-올레핀 엘라스토머(에틸렌-프로필렌 공중합체(EPM), 에틸렌-프로필렌-디엔 삼원 공중합체(EPDM) 등), 클로로술폰화 폴리에틸렌 고무(CSM), 알킬화 클로로술폰화 폴리에틸렌 고무(ACSM), 에피클로로히드린 고무, 아크릴계 고무, 실리콘 고무, 우레탄 고무, 불소 고무 등을 예시할 수 있다. 이들 고무 성분은, 카르복실화 SBR, 카르복실화 NBR 등과 같이, 카르복실화되어 있어도 좋다. 이들 고무 성분은 단독으로 또는 2종 이상 조합하여 사용할 수 있다.
특히 바람직한 고무 성분은 수소화 니트릴 고무(HNBR)이며, 클로로프렌 고무(CR), 에틸렌-프로필렌-디엔 삼원 공중합체(EPDM)도 호적하게 이용될 수 있다. 특히 높은 부하가 작용하는 용도에서의 바람직한 고무 성분은, 내열 노화성이 높은 고무, 특히, 카르복실화되어 있어도 좋은 수소화 니트릴 고무(HNBR)(이하, 카르복실화 수소화 니트릴 고무도 포함하여, 단순히 수소화 니트릴 고무라고 하는 경우가 있다)이다. 고무 성분 중, 상기 바람직한 고무 성분의 비율은, 50 질량% 이상(예를 들어, 80~100 질량% 정도)이 바람직하고, 특히 100 질량%인 것이 바람직하다. 카르복실화되어 있어도 좋은 수소화 니트릴 고무는, 부분 수소화 니트릴 고무이어도 좋고, 완전 수소화 니트릴 고무이어도 좋다. 카르복실화되어 있어도 좋은 수소화 니트릴 고무의 수첨률은, 50~100% 정도의 범위로부터 선택할 수 있고, 70~100%여도 좋다.
또한, 본원에 있어서, HNBR이란, 종래의 니트릴 고무의 이점인 내유성을 유지하면서, 열 노화 중의 황의 재결합 반응에 의한 고무 탄성의 노화를 방지하기 위해, 종래의 니트릴 고무가 가지는 불포화 결합(탄소·탄소 이중 결합)을 화학적으로 수소화함으로써, 열노화 중의 재결합 반응을 일으키기 어렵게 하여 내열성을 개량한 고무를 의미한다.
HNBR의 요오드가(단위: ㎎/100㎎)는, 예를 들면 5~60(예를 들면 7~50), 바람직하게는 8~40(예를 들면 8~35), 더욱 바람직하게는 10~30이다.
또한, 본원에 있어서, 요오드가란, 불포화 결합의 양을 나타내는 지표이며, 요오드가가 높을수록, 폴리머 분자쇄 중에 포함되는 불포화 결합의 양이 많다는 것을 나타낸다. 요오드가는, 측정 시료에 대하여 과잉의 요오드를 첨가하여 완전히 반응(요오드와 불포화 결합을 반응)시키고, 남은 요오드의 양을 산화 환원 적정에 의해 정량함으로써 구할 수 있다. HNBR의 요오드가가 작은 경우에는, HNBR끼리의 가교 반응이 충분하지 않고, 가교 고무의 강성이 낮아지기 때문에, 벨트 주행시에 내변형성이 저하될 우려가 있다. 한편, HNBR의 요오드가가 크면, 불포화 결합의 양이 과잉으로 많아져, 가교 고무의 열 열화나 산화 열화가 진행되어 벨트 수명이 짧아질 우려가 있다.
고무 성분은 카르복실화되어 있어도 좋은 수소화 니트릴 고무를 적어도 포함하는 것이 바람직하다. 이러한 수소화 니트릴 고무의 비율은, 고무 성분 중 80~100 질량%여도 좋고, 바람직하게는 90~100 질량%, 더욱 바람직하게는 100 질량%이다.
고무 성분은, 수소화 니트릴 고무와 불포화 카르복실산 금속염을 포함하는 복합 폴리머 또는 폴리머 앨로이(이하, 「불포화 카르복실산 금속염을 포함하는 HNBR」이라고 함)을 포함하는 것이 바람직하다. 또한, 본원에 있어서, 제 1 고무 성분에 포함되는 복합 폴리머를 제 1 복합 폴리머, 제 2 고무 성분에 포함되는 복합 폴리머를 제 2 복합 폴리머라고 부른다. 이 폴리머는, 톱니부의 탄성률(모듈러스)이나 경도를 높일 수 있음과 함께, 고무의 변형을 억제할 수 있고, 균열의 성장을 억제한다.
불포화 카르복실산 금속염이란, 1개 또는 2개 이상의 카르복실기를 갖는 불포화 카르복실산과 금속이 이온 결합한 화합물이어도 좋다.
불포화 카르복실산 금속염의 불포화 카르복실산으로서는, 예를 들면, (메트)아크릴산, 크로톤산 등의 모노카르복실산, 말레산, 푸마르산, 이타콘산 등의 디카르복실산, 이들 디카르복실산의 모노알킬 에스테르 등을 예시할 수 있다. 이들 불포화 카르복실산은 단독으로 또는 2종 이상 조합하여 사용할 수 있다. 바람직한 불포화 카르복실산은 (메트)아크릴산이다.
불포화 카르복실산 금속염의 금속으로서는, 다가 금속, 예를 들면, 주기율표 제 2 족 원소(마그네슘, 칼슘 등), 주기율표 제 4 족 원소(티탄, 지르코늄 등), 주기율표 제 8 족 ~ 제 14 족 원소(예를 들면, 철, 코발트, 니켈, 구리, 아연, 알루미늄, 주석, 납 등) 등을 예시할 수 있다. 이들 금속도 단독으로 또는 2종 이상 조합하여 사용할 수 있다. 바람직한 금속은 주기율표 제 2 족 원소(마그네슘 등), 주기율표 제 12 족 원소(아연 등) 등이다.
바람직한 불포화 카르복실산 금속염으로서는, (메트)아크릴산아연, (메트)아크릴산마그네슘 등을 예시할 수 있다. 불포화 카르복실산 금속염도 단독으로 또는 2종 이상 조합하여 사용할 수 있다.
수소화 니트릴 고무와 불포화 카르복실산 금속염의 질량비는, 전자/후자 = 100/80~100/180 정도의 범위로부터 선택할 수 있고, 바람직하게는 100/85~100/175, 더욱 바람직하게는 100/90~100/175이다. 불포화 카르복실산 금속염의 비율이 너무 적으면, 가교 고무 조성물(또는 톱니부)의 탄성률(모듈러스)이나 경도가 저하될 우려가 있고, 역으로 너무 많으면, 벨트의 가공성이나 굴곡성이 저하한다.
또한, 상기 불포화 카르복실산 금속염을 포함하는 HNBR은 시판품을 사용하여도 좋다. 예를 들면, HNBR에 불포화 카르복실산 금속염으로서 메트크릴산아연을 고도로 미분산시킨 것(예를 들면, 일본 제온(주) 제조, 상품명 「Zeoforte(ZSC)」 등)을 이용하는 것도 가능하다.
또, 불포화 카르복실산 금속염을 포함하는 HNBR은, 불포화 카르복실산 금속염을 포함하지 않는 수소화 니트릴 고무(HNBR)와의 혼합물로서 사용되는 것이 바람직하다. 수소화 니트릴 고무와 불포화 카르복실산 금속염의 질량비는, 시판되는 불포화 카르복실산 금속염을 포함하는 HNBR과, 시판되는 수소화 니트릴 고무를 혼합하여 조정해도 좋다. 탄성률(모듈러스)이나 경도의 조정은, 양자의 혼합 비율을 변경함으로써 조정해도 좋다.
불포화 카르복실산 금속염을 포함하는 HNBR의 비율은, 고무 성분 중 10 질량% 이상이어도 좋고, 바람직하게는 30 질량% 이상, 더욱 바람직하게는 50 질량% 이상, 보다 바람직하게는 80 질량% 이상, 가장 바람직하게는 90 질량% 이상이고, 100 질량%여도 좋다. 특히, 불포화 카르복실산 금속염을 포함하는 HNBR의 비율은, 제 1 고무층에서는, 고무 성분(제 1 고무 성분) 중 80 질량% 이상(특히 100 질량%)이 바람직하고, 제 2 고무층에서는, 고무 성분(제 2 고무 성분) 중 30 질량% 이상(특히 100 질량%)이 바람직하다. 이들의 비율은, 상품명 「Zeoforte(ZSC)」에 있어서의 비율이어도 좋다.
불포화 카르복실산 금속염을 포함하는 HNBR과 조합하는 다른 고무 성분으로서는, HNBR, EPDM 및 CR로 이루어지는 군으로부터 선택된 적어도 1종이 바람직하다. 다른 고무 성분의 비율은, 고무 성분 중, 예를 들면 70 질량% 이하, 바람직하게는 50 질량% 이하, 보다 바람직하게는 30 질량% 이하, 가장 바람직하게는 10 질량% 이하이다.
층간의 밀착성을 확보하기 위해, 제 1 고무층과 제 2 고무층은, 동계열 또는 동종의 고무 성분을 포함하는 것이 바람직하고, 동종의 고무 성분인 것이 더욱 바람직하고, 동일한 고무 성분으로 존재하는 것이 보다 바람직하다.
(B) 충전계 배합제
가교 고무 조성물(제 1 가교 고무 조성물 및 제 2 가교 고무 조성물)은, 충전계 배합제(필러)를 더 포함하고 있어도 좋다. 충전계 배합제(제 1 충전계 배합제 및 제 2 충전계 배합제)로서는, 보강성 무기 충전제, 비보강성 충전제, 단섬유 등을 예시할 수 있다.
보강성 무기 충전제(제 1 보강성 무기 충전제 및 제 2 보강성 무기 충전제)로서는, 예를 들어, 카본 블랙, 실리카 등을 예시할 수 있다. 이들 보강성 무기 충전제는 단독으로 또는 2종 이상 조합하여 사용할 수 있다. 보강성 무기 충전제는 분말 상이어도 좋다.
카본 블랙의 평균 입자 지름 (평균 1 차 입자 지름)은, 예를 들면 5~200㎚, 바람직하게는 10~150㎚, 더욱 바람직하게는 20~100㎚, 보다 바람직하게는 30~80㎚이다. 카본 블랙의 요오드 흡착량은, 예를 들면 5~200㎎/g, 바람직하게는 10~150㎎/g, 더욱 바람직하게는 15~100㎎/g, 보다 바람직하게는 20~80㎎/g이다.
실리카에는 건식 실리카, 습식 실리카, 표면 처리된 실리카 등이 포함된다. 또, 실리카는, 제법에 의해, 예를 들면, 건식법 화이트 카본, 습식법 화이트 카본, 콜로이달 실리카, 침강 실리카 등으로도 분류할 수 있다. 이들 실리카는 단독으로 또는 2종 이상 조합하여 사용할 수 있다. 이들 실리카 중, 표면 실라놀기를 갖는 실리카(무수 규산, 함수 규산)가 바람직하고, 표면 실라놀기가 많은 함수 규산은 고무 성분과의 화학적 결합력이 강하다.
실리카의 평균 입자 지름 (평균 1 차 입자 지름)은, 예를 들면 1~500㎚, 바람직하게는 3~300㎚, 더욱 바람직하게는 5~100㎚, 보다 바람직하게는 10~50㎚이다.
또, 실리카의 BET법에 의한 질소 흡착 비표면적은, 예를 들면 50~400㎡/g, 바람직하게는 100~300㎡/g, 더욱 바람직하게는 150~200㎡/g이다.
또한, 본원에 있어서, 보강성 무기 충전제의 평균 입자 지름은, 주사형 전자 현미경 사진을 포함하는 전자 현미경 사진의 화상 해석에 의해 적당한 샘플 수(예를 들면, 50 샘플)의 산술 평균 입자 지름으로서 산출할 수 있다.
보강성 무기 충전제의 비율은 고무 성분 100질량부에 대하여 10질량부 이하이어도 좋고, 바람직하게는 5질량부 이하, 더욱 바람직하게는 1질량부 이하, 보다 바람직하게는 0질량부이다. 필요에 따라 보강성 무기 충전제를 사용하는 경우, 보강성 무기 충전제의 비율은, 고무 성분 100질량부에 대하여, 예를 들면 0.1~8질량부, 바람직하게는 0.5~5질량부, 더욱 바람직하게는 1~3질량부이어도 좋다. 보강성 무기 충전제의 비율이 지나치게 많으면, 고무 조성물의 발열이 커져 내열성이 저하되기 때문에, 열 열화에 의한 균열이나 톱니 결손이 발생할 우려가 있다.
비보강성 충전제로서는, 예를 들면, 다가 금속 탄산염류(탄산칼슘, 탄산마그네슘 등), 다가 금속 수산화물(수산화알루미늄 등), 다가 금속 황산염(황산바륨 등), 규산염(규산알루미늄, 규산마그네슘, 규산알루미늄마그네슘 등의 규소의 일부가 다가 금속 원자로 치환된 천연 또는 합성 규산염; 규산염을 주성분으로 하는 광물, 예를 들면 규산 알루미늄을 포함하는 클레이, 규산 마그네슘을 포함하는 탈크 및 마이카 등의 규산염 광물 등), 리토폰, 규사 등을 예시할 수 있다. 이들 비보강성 충전제는 단독으로 또는 2종 이상을 조합하여 사용할 수 있다.
바람직한 비보강성 충전제는, 탄산칼슘, 탄산마그네슘, 수산화알루미늄, 황산바륨, 규산염[규산알루미늄, 규산마그네슘, 규산알루미늄마그네슘 등의 규산염; 규산염 광물(탈크, 클레이, 마이카 등)]로부터 선택된 적어도 일 종이다. 더욱이는, 비보강성 충전제는, 벨트의 가공성이나 배합제의 분산성 향상의 효과가 크고, 배합제의 분산 불량을 일으키기 어려운 점에서, 탄산칼슘, 규산마그네슘 또는 규산마그네슘을 포함하는 탈크, 규산알루미늄 또는 규산알루미늄을 포함하는 클레이로부터 선택된 적어도 일 종을 포함하는 것이 바람직하고, 특히 탄산칼슘을 포함하는 것이 바람직하다. 비보강성 충전제로서는, 고무의 충전제로서 시판되고 있는 분말 상의 충전제를 사용할 수 있다.
비보강성 충전제의 평균 입자 지름(평균 1차 입자 지름)은, 예를 들면 0.01~25㎛(예를 들면 0.2~20㎛), 바람직하게는 0.5~17㎛(예를 들면 1~15㎛) 정도의 범위로부터 선택할 수 있다. 비보강성 충전제의 평균 입자 지름(평균 1차 입자 지름)은, 예를 들면 0.01~3㎛(예를 들면 0.02~2㎛), 바람직하게는 0.05~1.5㎛(특히 0.1~1㎛)이어도 좋고, 비교적 커도 좋다. 또, 비보강성 충전제의 평균 입자 지름(평균 1차 입자 지름)은, 예를 들면 0.2~5㎛(예를 들면 0.3~3㎛), 바람직하게는 0.5~2.5㎛(특히 1~2㎛)이어도 좋다. 또한, 비보강성 충전제의 종류, 예를 들면, 규산마그네슘 또는 그 광물 등에 따라서는, 고무 성분 등과의 혼련 과정에서 비보강성 충전제가 해쇄 또는 파쇄되는 경우가 있다. 이러한 해쇄성 또는 파쇄성을 갖는 비보강성 충전제의 평균 입자 지름은, 고무 성분 등과의 혼련 전의 평균 입자 지름이어도 좋다. 비보강성 충전제는, 각 가교 고무 조성물 중에서, 통상, 상기 범위의 평균 입자 지름(예를 들면 0.1~10㎛, 바람직하게는 0.5~5㎛, 더욱 바람직하게는 1~3㎛)을 가지고 있어도 좋다.
또한, 본원에 있어서, 비보강성 충전제의 평균 입자 지름은, 레이저 회절식 입도 분포 측정 장치를 이용하여, 체적 평균 입자 지름으로서 측정할 수 있다. 또, 나노미터 사이즈의 충전제의 평균 입자 지름은, 주사형 전자 현미경 사진을 포함하는 전자 현미경 사진의 화상 해석에 의해 적당한 샘플 수(예를 들면, 50 샘플)의 산술 평균 입자 지름으로서 산출할 수 있다.
비보강성 충전제의 비율은, 고무 성분 100질량부에 대하여, 예를 들면 70질량부 이하, 바람직하게는 40질량부 이하, 더욱 바람직하게는 30질량부 이하이다. 필요에 따라 비보강성 충전제를 사용하는 경우, 비보강성 충전제의 비율은, 고무 성분 100질량부에 대하여, 예를 들면 3~70질량부, 바람직하게는 5~40질량부, 더욱 바람직하게는 10~30질량부이어도 좋다. 비보강성 충전제의 비율이 지나치게 많으면, 배합제의 분산성이 불량해질 우려가 있다.
단섬유는, 밴버리 믹서 등으로 혼련한 고무 조성물을, 롤 또는 캘린더 등으로 압연하여 미가교 고무 시트를 조제하는 과정에서, 소정의 방향으로 배향(배열)시킬 수 있다. 톱니부를 구성하는 고무층에 있어서는, 단섬유의 배향 방향을, 벨트 둘레 방향을 향하여 배치하는 것이 바람직하다. 더욱이, 단섬유는, 톱니포에 가까운 측은 톱니부의 윤곽을 따라 배향하고, 심선에 가까워짐에 따라 단섬유는 심선과 거의 평행이 되도록 배향하여 배치하는 것이 바람직하다.
단섬유로서는, 예를 들면, 폴리올레핀계 섬유(폴리에틸렌 섬유, 폴리프로필렌 섬유 등), 폴리아미드 섬유[폴리아미드 6 섬유, 폴리아미드 66 섬유, 폴리아미드 46 섬유 등의 지방족 폴리아미드 섬유(나일론 섬유), 아라미드 섬유 등], 폴리에스테르계 섬유[폴리알킬렌아릴레이트계 섬유(예를 들면, 폴리에틸렌테레프탈레이트(PET) 섬유, 폴리트리메틸렌테레프탈레이트(PTT) 섬유), 폴리부틸렌테레프탈레이트(PBT) 섬유, 폴리에틸렌나프탈레이트(PEN) 섬유 등의 C2-4알킬렌C8-14아릴레이트계 섬유); 폴리아릴레이트 섬유, 액정 폴리에스테르계 섬유 등의 완전 방향족 폴리에스테르계 섬유 등], 비닐론 섬유, 폴리비닐알코올계 섬유, 폴리파라페닐렌벤조비스옥사졸(PBO) 섬유 등의 합성 섬유; 면, 마, 양모 등의 천연 섬유, 레이온 등의 재생 셀룰로오스 섬유, 셀룰로오스 에스테르 섬유 등; 탄소 섬유, 유리 섬유 등의 무기 섬유 등을 예시할 수 있다. 이들 단섬유는, 단독으로 또는 2종 이상 조합하여 사용할 수 있다. 특히, 폴리아미드 섬유, PBO 섬유, 유리 섬유, 탄소 섬유 등의 탄성률(모듈러스)이 높은 섬유를 호적하게 사용할 수 있고, 지방족 폴리아미드 섬유(나일론 섬유)나 아라미드 섬유 등의 폴리아미드 섬유, PBO 섬유가 보다 바람직하다.
단섬유의 평균 섬유 지름은, 예를 들면 1~100㎛(예를 들면 3~70㎛), 바람직하게는 5~50㎛(예를 들면 7~30㎛), 더욱 바람직하게는 10~25㎛(특히 12~20㎛)이다. 단섬유의 평균 섬유 길이는, 예를 들면 0.3~10㎜(예를 들면 0.5~7㎜), 바람직하게는 1~5㎜(특히 2~4㎜)이다. 단섬유의 평균 섬유 지름이 너무 작다든지 평균 섬유 길이가 너무 길면, 단섬유를 균일하게 분산할 수 없게 될 우려가 있고, 평균 섬유 지름이 너무 크다든지, 평균 섬유 길이가 너무 짧으면, 각 고무층의 기계적 특성이 저하될 우려가 있다.
단섬유를 첨가하면, 가교 고무 조성물의 탄성률(모듈러스)나 경도를 높일 수 있는 반면, 고무 성분과 단섬유의 계면에 미소균열이 발생하기 쉬워진다. 그 때문에, 적당한 배합량으로 조정할 필요가 있다. 단섬유의 비율은 고무 성분 100질량부에 대하여 10질량부 이하, 바람직하게는 7질량부 이하, 더욱 바람직하게는 5질량부 이하이다.
또, 단섬유에는, 관용의 접착 처리(또는 표면 처리)를 실시하고, 상기 단섬유의 적어도 표면의 일부에 접착 성분을 부착시키는 것이 바람직하다. 이러한 접착 처리에 의해, 단섬유와 고무 성분의 접착성이 향상되고, 단섬유와 고무 성분의 계면을 기점으로 하는 미소 균열의 발생을 억제할 수 있다. 접착 처리로서는, 에폭시 화합물(또는 에폭시 수지), 폴리이소시아네이트, 실란 커플링제, 레조르신-포르말린-라텍스(RFL) 등의 접착 성분에 의한 처리를 예시할 수 있다.
충전계 배합제의 비율은, 고무 성분 100질량부에 대하여, 예를 들면 3~70질량부, 바람직하게는 5~50질량부, 더욱 바람직하게는 10~40질량부, 보다 바람직하게는 20~30질량부이다.
(C) 가교계 배합제
고무 조성물은, 고무 성분을 가교시키기 위한 가교제(가황제)가 배합되고, 필요에 따라 공가교제, 가교 조제(가황 조제), 가교 촉진제(가황 촉진제), 가교 지연제(가황 지연제) 등이 배합된다. 이들 중, 가교계 배합제(제 1 가교계 배합제 및 제 2 가교계 배합제)는, 적어도 가교제 및 공가교제(가교 조제)를 포함하는 것이 바람직하고, 가교제와 공가교제와의 조합이 특히 바람직하다.
가교제(제 1 가교제 및 제 2 가교제)로서는, 고무 성분의 종류에 따라 관용의 성분을 사용할 수 있고, 예를 들면, 유기 과산화물, 황계 가교제, 금속 산화물 등을 예시할 수 있다.
유기 과산화물(제 1 유기 과산화물 및 제 2 유기 과산화물)에 대해서는, 예를 들면, 디-t-부틸퍼옥사이드, 디큐밀퍼옥사이드, t-부틸큐밀퍼옥사이드, 1,1-t-부틸퍼옥시-3,3,5-트리메틸시클로헥산, 1,3-비스(t-부틸퍼옥시이소프로필)벤젠, 2,5-디메틸-2,5-디(t-부틸퍼옥시)헥산, 2,5-디메틸-2,5-디(t-부틸퍼옥시)헥신-3,1,3-비스(t-부틸퍼옥시-디-이소프로필)벤젠, 2,5-디-메틸-2,5-디(벤조일퍼옥시)헥산, t-부틸퍼옥시벤조에이트, t-부틸퍼옥시-2-에틸-헥실카보네이트 등을 예시할 수 있다. 이들 유기 과산화물은 단독으로 또는 2종 이상 조합하여 사용할 수 있다.
황계 가교제로서는, 예를 들어, 분말 황, 침강 황, 콜로이드 황, 불용성 황, 고분산성 황, 염화황(일염화황, 이염화황 등) 등을 예시할 수 있다. 이들 황계 가교제는, 단독으로 또는 2종 이상 조합하여 사용할 수 있다.
금속 산화물로서는, 예를 들면, 산화마그네슘, 산화아연, 산화납 등을 예시할 수 있다. 이들 금속 산화물은 단독으로 또는 2종 이상 조합하여 사용할 수 있다.
가교제는 고무 성분의 종류에 따라 적의 선택할 수 있고, 유기 과산화물, 금속 산화물이 바람직하고, 유기 과산화물이 특히 바람직하다.
가교제의 비율은, 고무 성분 100질량부에 대하여, 예를 들어 1~20질량부, 바람직하게는 3~15질량부, 더욱 바람직하게는 5~10질량부이다. 가교제의 비율이 지나치게 적으면, 고무 조성물의 탄성률(모듈러스)이나 경도가 저하하고, 역으로 지나치게 많으면 벨트의 굴곡성이 저하한다.
유기 과산화물의 비율은, 고무 성분 100질량부에 대하여, 0.5~20질량부(예를 들면 1~10질량부) 정도의 범위에서 선택할 수 있고, 통상 1~5질량부(예를 들면 1.2 ~4.5질량부)이며, 바람직하게는 1.5~4질량부, 더욱 바람직하게는 2~3질량부이다. 제 1 고무층에서는, 제 1 유기 과산화물의 비율은, 제 1 고무 성분 100질량부에 대하여, 예를 들면 1~20질량부, 바람직하게는 1.5~10질량부, 더욱 바람직하게는 1.5~4질량부이다. 제 2 고무층에서는, 제 2 유기 과산화물의 비율은, 제 2 고무 성분 100질량부에 대하여, 예를 들면 0.5~5질량부, 바람직하게는 0.8~4질량부, 더욱 바람직하게는 1~3질량부이다.
공가교제(가교 조제 또는 공가황제 co-agent)로서는, 공지의 가교 조제, 예를 들면, 다관능(이소)시아누레이트[예를 들면, 트리아릴이소시아누레이트(TAIC), 트리아릴시아누레이트(TAC)) 등], 폴리디엔(예를 들어, 1,2-폴리부타디엔 등), 불포화 카르복실산의 금속염[예를 들면, (메트)아크릴산아연, (메트)아크릴산마그네슘 등의 (메트)아크릴산 다가 금속염], 옥심류(예를 들어, 퀴논디옥심 등), 구아니딘류(예를 들어, 디페닐구아니딘 등), 다관능(메트)아크릴레이트[예를 들면, 에틸렌글리콜디(메트)아크릴레이트, 부탄디올디(메트)아크릴레이트 등의 알칸 디올디(메트)아크릴레이트, 트리메틸올프로판트리(메트)아크릴레이트, 펜타에리스톨테트라(메트)아크릴레이트 등의 알칸폴리올폴리(메트)아크릴레이트], 비스말레이미드류(지방족 비스말레이미드, 예를 들면, N,N'-1,2-에틸렌디말레이미드, N,N'-헥사메틸렌비스말레이미드, 1,6'-비스말레이미드-(2,2,4-트리메틸)시클로헥산 등의 알킬렌비스말레이미드; 아렌비스말레이미드 또는 방향족 비스말레이미드, 예를 들어, N,N'-m-페닐렌디말레이미드, 4-메틸-1,3-페닐렌디말레이미드, 4,4'-디페닐메탄디말레이미드, 2,2-비스[4-(4-말레이미드페녹시)페닐]프로판, 4,4'-디페닐에테르디말레이미드, 4,4'-디페닐술폰디말레이미드, 1,3-비스(3-말레이미드페녹시)벤젠 등) 등을 들 수 있다. 이들 공가교제는, 단독으로 또는 2종 이상 조합하여 사용할 수 있다. 이들 공가교제 중, 다관능(이소)시아누레이트, 다관능(메트)아크릴레이트, 비스말레이미드류(N,N'-m-페닐렌디말레이미드 등의 아렌비스말레이미드 또는 방향족 비스말레이미드)가 바람직하고, 비스말레이미드가 특히 바람직하다. 공가교제(예를 들면, 비스말레이미드류)의 첨가에 의해 가교도를 높여 탄성률을 향상시킬 수 있다.
비스말레이미드류 등의 공가교제(가교 조제)의 비율은, 고형분 환산으로, 고무 성분 100질량부에 대하여, 예를 들면 0.2~40질량부, 바람직하게는 0.5~30질량부, 더욱 바람직하게는 0.8~20질량부, 보다 바람직하게는 1~15질량부이다. 제 1 고무층에서는, 공가교제(제 1 공가교제)의 비율은, 제 1 고무 성분 100질량부에 대하여, 예를 들면 1~40질량부, 바람직하게는 2~30질량부(예를 들면 5~20질량부), 더욱 바람직하게는 2.5~18질량부(예를 들면 8~15질량부), 보다 바람직하게는 3~14질량부(예를 들면 4~12질량부), 가장 바람직하게는 6~11질량부(예를 들면 5~7질량부)이다. 제 2 고무층에서는, 공가교제(제 2 공가교제)의 비율은, 제 2 고무 성분 100질량부에 대하여, 예를 들면 0.2~25질량부, 바람직하게는 0.5~10질량부, 보다 바람직하게는 0.7~7질량부(예를 들면 0.8~5질량부), 보다 바람직하게는 0.8~4질량부(예를 들면 0.8~3질량부), 가장 바람직하게는 0.8~2질량부이다.
가교계 배합제의 비율은, 고무 성분 100질량부에 대하여, 고형분 환산으로, 고무 성분 100질량부에 대하여, 예를 들면 0.2~50질량부, 바람직하게는 0.5~40질량부, 더욱 바람직하게는 1~30질량부, 보다 바람직하게는 2~20질량부이다. 제 1 고무층에서는, 가교계 배합제(제 1 가교계 배합제)의 비율은, 제 1 고무 성분 100질량부에 대하여, 예를 들면 1~40질량부, 바람직하게는 5~20질량부, 더욱 바람직하게는 10~15질량부이다. 제 2 고무층에서는, 가교계 배합제(제 2 가교계 배합제)의 비율은, 제 2 고무 성분 100질량부에 대하여, 예를 들면 0.3~25질량부, 바람직하게는 0.5~10질량부, 더욱 바람직하게는 1~5질량부이다.
(D) 그 외의 배합제
가교 고무 조성물은, 톱니 벨트의 고무 조성물에 사용되는 관용의 첨가제를 더 포함하고 있어도 좋다. 관용의 첨가제로서는, 예를 들면, 금속 산화물(산화칼슘, 산화바륨, 산화철, 산화구리, 산화티탄, 산화알루미늄 등), 연화제(파라핀 오일이나 나프텐계 오일 등의 오일류 등), 가공제 또는 가공 조제(스테아르산 또는 그 금속염, 왁스, 파라핀, 지방산 아마이드 등), 가소제[지방족 카르복실산계 가소제(아디프산 에스테르계 가소제, 세바스산 에스테르계 가소제 등), 방향족 카르복실산 에스테르계 가소제(프탈산 에스테르계 가소제, 트리멜리트산 에스테르계 가소제 등), 옥시카르복실산 에스테르계 가소제, 인산 에스테르계 가소제, 에테르계 가소제, 에테르 에스테르계 가소제 등], 노화 방지제(산화 방지제, 열노화 방지제, 굴곡 균열 방지제, 오존 열화 방지제 등), 착색제, 점착 부여제, 가소제, 커플링제(실란 커플링제 등), 안정제(자외선 흡수제, 열안정제 등), 난연제, 대전 방지제 등을 들 수 있다. 또, 가교 고무 조성물은, 필요에 따라, 접착성 개선제(레조르신-포름 알데히드 공축합물, 아미노 수지 등)를 포함하고 있어도 좋다. 이들 첨가제는 단독으로 또는 2종 이상 조합하여 사용할 수 있다.
(제 1 고무층 및 제 2 고무층의 호적한 배합 양태)
제 1 고무층 및 제 2 고무층의 탄성률(모듈러스)은, 고무층의 탄성률에 영향을 미치는 소정의 성분과 그 양적 비율을 변화시켜 조정할 수 있다. 예를 들면, 충전계 배합제(필러, 단섬유), 가교계 배합제[가교제, 공가교제(비스말레이미드류 등)] 등으로부터 선택된 적어도 1종의 성분의 함유량을, 제 2 고무층보다도 제 1 고무층에서 증가시킴으로써 조정할 수 있다. 특히, 본 발명의 톱니 벨트에서는, 공가교제(특히, 비스말레이미드류)의 함유량의 조정에 의해, 제 1 고무층과 제 2 고무층의 탄성률(인장 탄성률)을 밸런스 좋게 호적하게 조정할 수 있고, 배반 관계에 있는 톱니부의 강성(내변형성)과 굴곡성(유연성)을 양립할 수 있다.
더욱이, 본 발명의 톱니 벨트에서는, 보다 높은 부하가 작용하는 조건에서의 사용에도 견딜 수 있는 톱니부의 강성을 얻기 위한 높은 탄성률을 갖고, 또한 배반 관계에 있는 톱니부의 강성(내변형성)과 굴곡성(유연성)을 양립시키기 위해서, 이하의 배합을 호적한 양태로 한다.
바람직한 양태는, 제 1 고무층에 있어서, 제 1 고무 성분이 불포화 카르복실산 금속염을 포함하는 HNBR을 80 질량% 이상 포함하고, 제 1 고무 성분 100질량부에 대하여, 제 1 보강성 무기 충전제의 비율이 10질량부 이하, 제 1 단섬유의 비율이 5질량부 이하, 제 1 공가교제로서 비스말레이미드류의 비율이 1~40질량부, 제 1 가교제로서 유기 과산화물의 비율이 1~20질량부이며, 또한 제 2 고무층에 있어서, 제 2 고무 성분이 불포화 카르복실산 금속염을 포함하는 HNBR을 30 질량% 이상 포함하고, 제 2 고무 성분 100질량부에 대하여, 제 2 보강성 무기 충전제의 비율이 10질량부 이하, 제 2 단섬유의 비율이 5질량부 이하, 제 2 공가교제로서 비스말레이미드류의 비율이 0.2~25질량부, 제 2 가교제로서 유기 과산화물의 비율이 0.5~5질량부이어도 좋다.
(톱니포)
벨트 내주면(톱니부 및 톱니 저부의 표면)을 구성하는 톱니포는, 예를 들면, 직포, 편포, 부직포 등의 포백(布帛) 등으로 형성해도 좋다. 관용적으로는 직포(범포)인 경우가 많고, 벨트 폭 방향으로 연장하는 경사와 벨트 둘레 방향으로 연장하는 위사를 직성하여 이루어지는 직물로 구성된다. 직포의 직조 조직은, 경사와 위사가 규칙적으로 종횡 방향으로 교차한 조직이면 특별히 제한되지 않고, 평직, 능직(또는 사문직), 주자직(수자직, 새틴) 등의 어느 것 이어도 좋고, 이들 조직을 조합한 직조 조직이어도 좋다. 바람직한 직포는 능직 및 주자직 조직을 가지고 있다.
톱니포의 위사 및 경사를 형성하는 섬유로서는, 상기 단섬유와 동양의 섬유에 더하여, 폴리페닐렌에테르계 섬유, 폴리에테르에테르케톤계 섬유, 폴리에테르술폰계 섬유, 폴리우레탄계 섬유 등을 예시할 수 있다. 이들 섬유는 단독으로 또는 2종 이상 조합하여 사용할 수 있다. 이들 섬유 중 유기 섬유가 범용되고, 면이나 레이온 등의 셀룰로오스계 섬유, 폴리에스테르계 섬유(PET 섬유 등), 폴리아미드계 섬유(폴리아미드 66 섬유 등의 지방족 폴리아미드 섬유, 아라미드 섬유 등), PBO 섬유, 불소 수지 섬유[폴리테트라플루오로에틸렌(PTFE) 섬유 등] 등이 바람직하다. 또, 이들 섬유와, 신축성을 갖는 탄성사(예를 들면, 폴리우레탄으로 형성된 스판덱스 등의 신축성을 갖는 폴리우레탄계 탄성사, 신축 가공(예를 들면, 울리 가공, 권축 가공 등)한 가공사 등)와의 복합사도 바람직하다.
경사 및 위사의 형태는, 특별히 한정되지 않고, 1본의 장섬유인 모노필라멘트사, 필라멘트(장섬유)를 당겨 가지런히 한다든지, 꼬아 합친 멀티필라멘트사, 단섬유를 꼬아합친 스팬사(방적사) 등이어도 좋다. 상기 멀티필라멘트사 또는 상기 스팬사는, 복수종의 섬유를 사용한 혼연사 또는 혼방사이어도 좋다. 위사는, 상기 신축성을 갖는 탄성사를 포함하는 것이 바람직하고, 경사는, 제직성의 점에서, 통상, 탄성사를 포함하지 않는 경우가 많다. 톱니포의 벨트 둘레 방향으로의 신축성을 확보하기 위해, 탄성사를 포함하는 위사는 벨트 둘레 방향으로 연장되고, 경사는 벨트 폭 방향으로 연장된다.
섬유(또는 사)의 평균 지름은, 예를 들면 1~100㎛(예를 들면 3~50㎛), 바람직하게는 5~30㎛, 더욱 바람직하게는 7~25㎛이다. 사(연사)의 평균 섬유 지름(굵기)에 대해서, 위사는, 예를 들면 100~1000dtex(특히 300~700dtex) 정도여도 좋고, 경사는, 예를 들면 50~500dtex(특히 100~300dtex) 정도여도 좋다. 위사의 밀도(본/cm)는, 예를 들면 5~50(특히 10~30) 정도여도 좋고, 경사의 밀도(본/cm)는, 예를 들면 10~300(특히 20~100) 정도여도 좋다.
직포는, 다중 직조 구조(이중 직조 구조 등)를 갖고 있어도 좋고, 경사와 위사를 구비한 직조 조직에 있어서, 적어도 일부의 위사를, 불소 수지 함유 섬유(PTFE 등의 불소 수지로 형성된 섬유를 포함하는 복합사 등) 등의 저마찰 계수의 섬유(또는 저마찰성 섬유)로 형성해도 좋다. 예를 들어, 상기 경사를 나일론 66 등의 폴리아미드 섬유, 폴리에스테르 섬유 등으로 형성하고, 위사를 상기 불소 수지로 형성된 섬유 단독; 상기 불소 수지로 형성된 섬유와, 폴리아미드 섬유, 폴리우레탄 섬유(탄성사) 등의 제 2 섬유와의 복합사; 이 복합사와, 상기 복수의 제 2 섬유로 형성된 제 2의 복합사와의 복합사 등으로 형성하여도 좋다.
이 양태에 있어서는, 위사 중의, 톱니포의 표면 측(톱니 풀리와의 맞물림 측)에 위치하는 (노출되는) 위사로서, 톱니포와 톱니 풀리의 사이의 마찰을 저감소하기 위해, 마찰 계수가 낮은 불소계 섬유(예를 들면, PTFE 섬유)를 사용하는 것이 바람직하다. 한편, 톱니포의 이면측(톱니부와의 접착측)에 위치하는 위사에는, 불소계 섬유 이외의 섬유를 사용함으로써, 톱니포와 톱니부를 구성하는 고무의 접착력을 높이는 것이 가능하게 된다. 이 양태의 톱니포에서는, 톱니포와 톱니 풀리의 맞물림에서의 마찰을 저감할 수 있고, 발음을 억제할 수 있다.
또, 불소계 섬유를 사용하는 경우, 불소계 섬유의 주위에는, 고무를 기재로 하는 톱니부 및 등부의 가교(가황) 온도에서 융해하는 융점을 갖는 저융점 섬유가 배치되어 있는 것이 바람직하다. 구체적으로는, 불소계 섬유를 포함하는 복합사의 형태에는, 불소계 섬유와 저융점 섬유가 혼연되어 있는 형태나, 불소계 섬유가 저융점 섬유에 의해 커버되어 있는 등의 형태가 포함된다. 또한, 톱니부 및 등부의 가교(가황) 조건은, 특별히 한정되는 것은 아니고, 일반적으로는, 가교(가황) 온도 100~200℃에서, 가교(가황) 시간 1분~5 시간 정도이다.
불소계 섬유의 주위에 저융점 섬유가 배치된 형태에서는, 톱니부 및 등부의 가교(가황)시에 저융점 섬유가 융해하여, 톱니포를 구성하는 섬유 사이에 흘러 들어간 후, 융점 이하까지 냉각하는 것으로 저융점 섬유가 결정화된다. 그 때문에, 톱니 풀리에 맞물려 들어갈 때, 혹은 톱니 풀리로부터의 맞물려 나올 때에, 톱니포의 표면에 생기는 충격이나 마모에 의해 불소계 섬유가 절단·비산하는 것이 억제된다. 상기 양태의 위사를 톱니 벨트의 톱니포로서 사용하면, 상기 작용에 의해, 톱니부 및 등부를 보다 장기간 보호할 수 있기 때문에, 벨트의 톱니 결손을 방지하는 것이 가능하여, 고부하 주행시의 장수명화가 가능하게 된다.
톱니포(톱니 벨트 중의 톱니포)의 평균 두께는, 예를 들면 0.1~2㎜, 바람직하게는 0.2~1.5㎜이다. 또한, 원료로서의 톱니포(성형 전의 톱니포)의 평균 두께는, 예를 들면 0.5~3㎜, 바람직하게는 0.75~2.5㎜이다.
제 1 고무층과의 접착성을 높이기 위해, 톱니포를 형성하는 포백에는 접착 처리를 실시해도 좋다. 접착 처리로서는, 예를 들면, 직물을 RFL 처리액에 침지한 후, 가열 건조하는 방법; 에폭시 화합물 또는 이소시아네이트 화합물로 처리하는 방법; 고무 조성물을 유기 용매에 용해하여 고무 풀로 하고, 이 고무 풀에 포백을 침지 처리한 후, 가열 건조하는 방법; 이들 처리 방법을 조합한 방법 등을 예시할 수 있다. 이들 방법은, 단독으로 또는 조합하여 행할 수 있고, 처리 순서나 처리 횟수도 한정되지 않는다. 예를 들면, 에폭시 화합물 또는 이소시아네이트 화합물로 전처리하고, 더욱이 RFL 처리액에 침지한 후, 가열 건조해도 좋다.
더욱이, 톱니포와 제 1 고무층의 접착성을 높이기 위한 목적으로, 톱니포를 형성하는 포백의 이면측(제 1 고무층과의 접착측) 표면에, 고무 조성물을 압연한 미가교 고무 시트를 적층해도 좋다. 이 고무 조성물(제3 가교 고무 조성물)은, 전술한 제 1 고무층 및 제 2 고무층을 형성하는 가교 고무 조성물로서 예시된 가교 고무 조성물로부터 적의 선택할 수 있고, 관용의 접착 고무 조성물이어도 좋다. 또한, 이 고무 조성물에 의한 미가교 고무 시트는, 톱니 벨트에 있어서, 톱니포와 제 1 고무층의 사이에 개재하는 제3 고무층(접착 고무층)을 형성해도 좋다. 이상의 접착 처리를 실시한 포백을, 톱니포 전구체라고 표기한다.
[톱니 저부]
톱니포는, 톱니부의 표면을 구성함과 함께, 등부의 톱니부 측의 표면(톱니 저부의 표면)도 구성하고 있다.
톱니 저부에 상당하는 등부에서는, 톱니포와 심선의 사이에는, 제 1 고무층 및 제 2 고무층이 개재되어 있어도 좋지만, 제 1 고무층만이 개재하고 있어도 좋고, 제 1 고무층 및 제 2 고무층을 개재하지 않고, 톱니포와 심선이 접촉하고 있어도 좋다. 톱니 저부에 상당하는 등부에 있어서, 제 1 고무층이 개재하고 있는 경우나, 제 1 고무층 및 제 2 고무층이 개재하고 있는 경우라도, 제 1 고무층의 두께, 제 1 고무 층 및 제 2 고무층의 두께는, 어느 경우이든 톱니부보다 얇게 형성되어 있다.
[등 고무층]
등부는, 내주면에 있어서 상기 톱니부 및 톱니 저부가 형성됨과 함께, 그 외주면 측에서는, 벨트 외주면을 형성하는 등 고무층을 갖고 있다. 더욱이, 상기 등 고무층은, 가교 고무 조성물(제4 가교 고무 조성물)으로 형성되어 있다. 도 1~3의 양태에서는, 톱니부가 형성되어 있지 않은 측의 다른 쪽의 표면(벨트 등면)은 포백(직포, 편포, 부직포 등)으로 피복되어 있지 않지만, 필요에 따라 피복되어 있어도 좋다. 이 포백은 바람직한 양태도 포함하여, 톱니포로서 예시된 포백으로부터 선택될 수 있다.
(제4 가교 고무 조성물)
제4 가교 고무 조성물의 경도는, 벨트의 굽힘 강성을 작게 하고, 굴곡성(풀리와의 감김성)이나 내굴곡 피로성을 확보할 수 있는 점에서, 톱니부를 구성하는 제 1 가교 고무 조성물 및 제 2 가교 고무 조성물의 경도보다 작은 쪽이 바람직하다.
구체적으로는, 제4 가교 고무 조성물의 고무 경도 Hs는, 타입 A 경도로, 예를 들면 80~89도이다. 등 고무층의 타입 A 경도를 상기 범위로 조정함으로써, 등부의 굽힘 강성이 낮아져, 우수한 내굴곡 피로성이 얻어진다. 제4 가교 고무 조성물의 타입 A 경도가 지나치게 낮으면 이물질의 충돌 등에 의해, 등부에 크랙이 발생하는 우려가 있고, 역으로 지나치게 높으면 내굴곡 피로성이 저하되어 등부에 크랙이 발생할 우려가 있다.
또한, 본원에 있어서, 타입 A 경도는, 등 고무층 표면의 경도이며, JIS K6253(2012)에 규정되어 있는 스프링식 듀로미터 경도 시험에 준거하여, 타입 A 듀로미터를 사용하여 측정할 수 있다.
제4 가교 고무 조성물은, 등 고무층과 톱니부와의 밀착성을 손상시키지 않는 한, 특별히 한정되지 않고, 예를 들면, 제 1 고무층 및 제 2 고무층의 가교 고무 조성물로서 예시된 가교 고무 조성물로부터 선택할 수 있고, 고무 경도가 상기 범위가 되도록, 적의 조정할 수 있다.
제4 가교 고무 조성물에 있어서, 고무 성분(제4 고무 성분)은 등 고무층과 톱니부와의 밀착성을 향상시킬 수 있는 점에서, 제 2 고무층(내부 고무층)과 동계열 또는 동종의 고무 성분을 포함하는 것이 바람직하고, 동종의 고무 성분인 것이 더욱 바람직하다.
제4 고무 성분은 불포화 카르복실산 금속염을 포함하는 HNBR을 포함하는 것이 바람직하다. 불포화 카르복실산 금속염을 포함하는 HNBR의 비율은, 제4 고무 성분 중 5 질량% 이상이어도 좋고, 예를 들면 5~50 질량%, 바람직하게는 10~30 질량%, 더욱 바람직하게는 15~25 질량%이다. 제4 고무 성분은 불포화 카르복실산 금속염을 포함하지 않는 HNBR과, 불포화 카르복실산 금속염을 포함하는 HNBR의 조합이어도 좋다.
충전계 배합제는, 보강성 무기 충전제(제4 보강성 무기 충전제)이어도 좋고, 카본 블랙과 실리카의 조합이 바람직하다. 카본 블랙의 비율은, 실리카 100질량부에 대하여, 예를 들어 1~50질량부, 바람직하게는 2~30질량부, 더욱 바람직하게는 3~10질량부이다. 제4 보강성 무기 충전제의 비율은, 제4 고무 성분 100질량부에 대하여, 예를 들어 10~100질량부, 바람직하게는 20~80질량부, 더욱 바람직하게는 30~50질량부이다.
가교제(제4 가교제)는 유기 과산화물(제4 유기 과산화물)과 금속 산화물(제4 금속 산화물)의 조합이어도 좋다. 제4 유기 과산화물의 비율은, 제4 고무 성분 100질량부에 대하여, 예를 들면 0.5~5질량부, 바람직하게는 0.8~4질량부, 더욱 바람직하게는 1~3질량부이다. 제4 금속 산화물의 비율은, 제4 고무 성분 100질량부에 대하여, 예를 들어 1~15질량부, 바람직하게는 2~10질량부, 더욱 바람직하게는 3~8질량부이다.
공가교제(제4 공가교제)는 비스말레이미드류여도 좋다. 제4 공가교제의 비율은, 제4 고무 성분 100질량부에 대하여, 예를 들면 0.2~10질량부, 바람직하게는 0.5~5질량부, 더욱 바람직하게는 1~3질량부이다.
제4 가교 고무 조성물은, 가소제를 포함하고 있어도 좋다. 가소제로서는, 제 1 고무층 및 제 2 고무층으로 예시된 가소제로부터 선택할 수 있다. 상기 가소제는 단독으로 또는 2종 이상 조합하여 사용할 수 있다. 상기 가소제 중, 에테르에스테르계 가소제가 바람직하다.
가소제의 비율은, 제4 고무 성분 100질량부에 대하여, 예를 들면 1~50질량부, 바람직하게는 2~30질량부, 더욱 바람직하게는 3~20질량부, 보다 바람직하게는 5~15질량부이다.
등 고무층의 평균 두께는, 예를 들면 0.3~3㎜, 바람직하게는 0.5~2㎜이다. 등부의 평균 두께(톱니 저부에 있어서의 등부의 평균 두께)는, 예를 들면 1~5㎜, 바람직하게는 1.5~4㎜이다.
[심선]
등부에는, 상기 고무층의 내주 측에 있어서, 벨트 둘레 방향을 따라 연장되는 심선이 매설되어 있다. 이 심선은 항장체로서 작용하여, 톱니 벨트의 주행 안정성 및 강도를 향상시킬 수 있다. 더욱이, 등부에서는, 통상, 벨트 둘레 방향을 따라 연장하는 꼬임 코드인 심선이, 벨트 폭 방향으로 소정의 간격을 두고 매설되어 있고, 길이 방향으로 평행한 복수 본의 심선이 배설되어 있어도 좋지만, 생산성의 점에서, 통상, 나선형으로 매설되어 있다. 나선형으로 배설하는 경우, 벨트 길이 방향에 대한 심선의 각도는, 예를 들면 5° 이하이어도 좋고, 벨트 주행성의 점에서, 0°에 가까울수록 바람직하다.
보다 상세하게는, 심선은 도 1에 도시된 바와 같이 등부의 벨트 폭 방향의 한쪽 끝에서 다른 쪽 끝에 걸쳐, 소정 간격(또는 피치)을 두고(또는 등 간격으로) 매설되어 있어도 좋다. 인접하는 심선의 중심간의 거리인 간격(스피닝 피치)은, 심선 지름보다도 크면 좋고, 심선의 지름에 따라, 예를 들면 0.5~3.5㎜, 바람직하게는 0.8~3㎜, 더욱 바람직하게는 1~2.8㎜이다.
심선은, 복수의 스트랜드나 멀티 필라멘트사를 합쳐 꼰 꼬임 코드로 형성되어 있어도 좋다. 이들 중, 스트랜드의 꼬임 코드가 바람직하고, 1 본의 스트랜드는, 필라멘트(장섬유)를 묶어서 형성해도 좋다. 꼬임 코드를 형성하는 필라멘트의 굵기, 필라멘트의 수속 본 수, 스트랜드의 본 수 및 꼬임 방법의 꼬임 구성에 대해서는 특별히 제한되지 않는다.
심선을 형성하는 꼬임 코드는, 편연, 제연, 랭연의 코드를 이용해도 좋다. 심선을, 하연의 꼬임 방향과 상연의 꼬임 방향이 동일한 랭연으로 함으로써, 제연 또는 편연에 비해 굽힘 강성이 낮아져, 우수한 내굴곡 피로성이 얻어진다.
심선을 형성하는 섬유로서는, 특별히 제한되지 않고, 예를 들면, 폴리에스테르계 섬유(폴리알킬렌아릴레이트계 섬유, 폴리파라페닐렌나프탈레이트계 섬유), 폴리벤조옥사졸 섬유, 아크릴계 섬유, 폴리아미드계 섬유(지방족족 폴리아미드 섬유, 아라미드 섬유 등) 등의 합성 섬유, 유리 섬유, 탄소 섬유, 금속 섬유(스틸 섬유) 등의 무기 섬유 등을 예시할 수 있다. 이들 섬유는 단독으로 또는 2종 이상 조합하여 사용할 수 있다. 심선을 형성하는 섬유로서는, 저신도 고강도의 점에서, 예를 들면, 폴리에스테르계 섬유, 폴리아미드계 섬유 등의 합성 섬유, 유리 섬유, 탄소 섬유 등의 무기 섬유 등이 범용된다.
특히 높은 부하가 작용하는 용도에서는, 탄소 섬유의 멀티필라멘트사가 호적하게 사용된다. 탄소 섬유는, 예를 들면 토레이(주) 제조, 상품명 「토레카」 등이 사용된다.
탄소 섬유의 멀티필라멘트사는, 필라멘트수가 다른 6K, 12K 등의 멀티필라멘트사로부터 선택할 수 있다. 6K는 필라멘트수가 6000 본, 12K는 필라멘트수가 12000 본인 멀티필라멘트사를 나타내고 있다. 6K 멀티 필라멘트사의 섬도는 약 400tex이고, 12K 멀티 필라멘트사의 섬도는 약 800tex이다.
탄소 섬유의 멀티필라멘트사의 섬도가 1000tex보다 크면, 내굴곡 피로성이 저하될 우려가 있다. 역으로 탄소섬유의 멀티필라멘트사의 섬도가 300tex보다 작은 것은, 재료 코스트가 상승함과 함께, 충분한 인장강력을 가지는 심선을 제작하는데 필요한 하연사의 수가 증가하기 때문에, 작업 공수의 증가를 초래한다.
본 발명의 톱니 벨트의 일 실시 형태에서는, 12K의 멀티필라멘트사(섬도는 약 800tex) 1 본을 편연한 탄소 섬유 코드(12K-1/0)를 심선으로 하고 있다. 혹은, 12K의 멀티 필라멘트사(섬도는 약 800tex) 1 본을 하연하여 하연사를 제작하고, 제작한 하연사를 4 본 합쳐 상연한, 랭연의 탄소 섬유 코드(12K-1/4)를 심선으로 해도 좋다. 또한, 「12K-1/0」은, 12K의 멀티필라멘트사 1 본을 편연한 꼬임 코드인 것을 나타내고, 「12K-1/4」는, 12K의 멀티필라멘트사 1 본을 하연하여 하연사를 제작하고, 제작한 하연사를 4 본 합쳐 상연한 꼬임 코드인 것을 나타낸다. 마찬가지로, 예를 들면 「12K-1/3」은, 12K의 멀티필라멘트사 1 본을 하연하여 하연사를 제작하고, 제작한 하연사를 3 본 합쳐 상연한 꼬임 코드인 것을 나타내고, 「12K-4/0」는, 12K의 멀티필라멘트사를 4 본 합쳐 편연한 꼬임 코드인 것을 나타낸다.
심선에는, 제4 가교 고무 조성물과의 접착성을 높이기 위해서, 접착 처리를 실시해도 좋다. 접착 처리의 방법으로서는, 예를 들면, 꼬임 코드를 레조르신-포르말린-라텍스 처리액(RFL 처리액)에 침지한 후, 가열 건조하여, 꼬임 코드의 표면에 균일한 접착층을 형성하는 방법이어도 좋다. RFL 처리액은, 레조르신과 포르말린의 초기 축합물을 라텍스에 혼합한 혼합물이고, 라텍스는, 예를 들면, 클로로프렌 고무, 스티렌-부타디엔-비닐피리딘 삼원 공중합체(VP 라텍스), 니트릴 고무, 수소화 니트릴 고무 등이어도 좋다. 더욱이, 접착 처리의 방법은, 에폭시 화합물 또는 이소시아네이트 화합물로 전처리를 실시한 후에, RFL 처리액으로 처리하는 방법이어도 좋다.
꼬임 코드(또는 심선)의 평균 직경(평균 선지름)은, 예를 들면 0.2~2.5㎜, 바람직하게는 0.5~2.3㎜, 더욱 바람직하게는 0.7~2.2㎜이며, 특히 높은 부하가 작용하는 용도로는 0.8~2.1㎜가 바람직하다. 심선 지름이 지나치게 가늘면, 심선의 신장이 커짐으로써, 톱니 결손(톱니부의 결손)이 발생할 우려가 있다. 심선 지름이 지나치게 굵으면, 심선의 내굴곡 피로성의 저하에 의해, 심선 절단이 발생할 우려가 있다. 본 발명의 일 실시 형태에서는, 심선 지름을 1.1㎜로 조정하고 있다.
[톱니 벨트의 제조 방법]
본 발명의 톱니 벨트는, 예를 들면, 이하의 공법(예비 성형 공법)으로 제작해도 좋다. 우선, 톱니포를 형성하는 톱니포 전구체, 복수의 고무층을 형성하는 미가교 고무 시트, 예를 들면, 제 1 고무층(표부 고무층)을 형성하는 미가교 고무 시트, 제 2 고무층(내부 고무층)을 형성하는 미가교 고무 시트, 등 고무층을 형성하는 미가황 고무 시트를 제작한다.
(예비 성형 공정)
다음으로, 톱니 벨트의 톱니부에 대응하는 복수의 홈부(오목조(凹條))를 갖는 원통형 몰드의 외주면에, 톱니포를 형성하는 톱니포 전구체를 감는다. 이어서, 그 외주에 제 1 고무층(표부 고무층)을 형성하는 미가교 고무 시트, 제 2 고무층(내부 고무층)을 형성하는 미가교 고무 시트를, 순차적으로 감은 적층체를 형성하고, 소정의 장치로 고무 조성물이 연화되는 정도의 온도(예를 들면, 70~90℃정도)로 가열하면서, 외주 측으로부터 적층체를 가압하고, 미가교 고무 시트의 고무 조성물과 톱니포 전구체를 원통형 몰드의 홈부(오목조)에 압입시켜 톱니부를 형성하여, 반가교 상태의 예비 성형체를 얻는다. 이 압입시켜 톱니부를 형성하는 과정에서, 톱니포가 톱니부의 윤곽을 따른 형태로 신장하여 최표면에 배치되고, 그 내부 측에 제 1 고무층이 톱니부의 윤곽을 따라 배치되고, 더욱이 내부 측에 제 2 고무층이 배치되는 층 구조가 형성된다.
또한, 반가교 상태의 예비 성형체를 얻는 방법은, 원통형 몰드 대신에, 톱니부에 대응하는 복수의 홈부(오목조)를 갖는 플랫인 프레스용 몰드(평형(平型))로 이용하여, 상기의 순서로 가열 프레스에 의해 평형의 홈부(오목조)에 미가교 고무 시트의 고무 조성물과 톱니포 전구체를 압입시켜 톱니부를 형성하는 방법이어도 좋다. 이 방법에서는, 예비 성형체를 평형으로부터 탈형한 후, 톱니부에 대응하는 복수의 홈부(오목조)를 갖는 원통형 몰드에, 예비 성형체를 감아 장착(톱니부와 홈부를 감합)하고, 다음 공정으로 이동한다.
(가교 성형 공정)
얻어진 예비 성형체의 외주면에, 심선을 구성하는 꼬임 코드를 나선 형상으로 소정의 피치로(원통형 몰드의 축 방향으로 소정의 피치를 갖도록) 감는다. 더욱이 그 외주 측에, 등 고무층을 형성하는 미가교 고무 시트를 감아서, 미가교의 벨트 성형체(미가교 적층체)를 형성한다.
이어서, 미가교의 벨트 성형체가, 원통형 몰드의 외주에 배치된 상태에서, 더욱이 그 외측에, 증기 차단재인 고무제의 재킷이 덮여진다. 이어서, 재킷이 덮여진 벨트 성형체 및 원통형 몰드는, 가황 캔 등의 가교 성형 장치의 내부에 수용된다. 그리고, 가교 성형 장치의 내부에서 벨트 성형체를 가열 가압하면, 원하는 형상이 형성됨과 함께, 벨트 성형체에 포함되는 미가교 및 반가교의 고무 성분의 가교 반응에 의해 각 구성 부재가 접합되어 일체적으로 경화되어, 슬리브 형상의 가교 성형체 (가교 벨트 슬리브)가 형성된다.
(절단 공정)
마지막으로, 원통형 몰드로부터 탈형된 가교 벨트 슬리브를 소정의 폭으로 절단함으로써, 복수의 톱니 벨트가 얻어진다.
실시 예
이하, 실시 예에 기초하여 본 발명을 보다 상세하게 설명하지만, 본 발명은 이들 실시 예에 의해 한정되는 것은 아니다.
[고무 조성물]
[고무 조성물의 사용 재료]
HNBR: 일본 제온(주) 제조 「Zetpol2010」, 요오드가 11㎎/100㎎
불포화 카르복실산 금속염을 포함하는 HNBR: 니혼 제온(주) 제조 「Zeoforte ZSC2295CX」, 베이스 HNBR: 불포화 카르복실산 금속염(질량비)=100:110, 베이스 HNBR의 요오드가 28㎎/100㎎
아라미드 단섬유: 테이진(주) 제조 「코넥스」, 평균 섬유 길이 3㎜, 평균 섬유 지름 14㎛
스테아르산: 일유(주) 제조 「스테아르산 츠바키」
카본 블랙 SRF: 도카이 카본(주) 제조 「시스트 S」, 평균 입자 지름 66㎚, 요오드 흡착량 26㎎/g
실리카：에보닉·데그사·재팬(주) 제조 「울트라실 VN-3」, 비표면적 155~195㎡/g
탄산칼슘: 마루오 칼슘(주) 제조 「슈퍼#1500」, 평균 입자 지름 1.5㎛
산화아연：사카이화학공업(주) 제조 「산화아연 2종」, 평균 입자 지름 0.55㎛
노화 방지제: p, p'-디옥틸디페닐아민, 정공화학(주) 제조 「논플렉스 OD3」
유기 과산화물: 1,3-비스(t-부틸퍼옥시이소프로필)벤젠, 이론 활성 산소량 9.45%
공가교제: N,N'-m-페닐렌디말레이미드, 오우치 신흥화학(주) 제조 「바르녹 PM」
가소제: (주)ADEKA 제조 「아데카사이저 RS700」.
[심선]
12K의 멀티필라멘트사[토레이(주) 제조 「토레카 T700SC-12000」, 단사 섬도 0.67dtex, 총 섬도 800tex] 1 본을 편연한 탄소 섬유 코드(12K-1/0, 인장 탄성률 230GPa)를 제작하고, HNBR계 오버코트 처리제에 의한 접착 처리를 행하여, 심선 지름 1.1㎜의 심선을 얻었다.
[톱니포 및 톱니포의 처리]
표 2에 나타내는 직포를 RFL 처리액 및 고무 풀을 사용하여 침지 처리하여 톱니포 전구체를 제작하였다. 상세하게는, RFL 처리는, 표 3에 나타내는 2종류의 RFL 처리액(RFL1, RFL2)을 이용하여, RFL1, RFL2의 순서로 침지 처리를 행하였다. 더욱이, 고무 풀 처리도, 표 4에 나타내는 2종류의 고무 풀(고무 풀 1, 고무 풀 2)을 이용하여, 고무 풀 1, 고무 풀 2의 순서로 침지 처리를 행하였다.
[미가교 고무 시트의 제작]
톱니부 및 등부(등 고무층)를 형성하기 위한 미가교 고무 시트로서, 표 1에 나타내는 배합의 각 고무 조성물에 대해, 밴버리 믹서를 사용하여 혼련하고, 얻어진 혼련 고무를 캘린더 롤로 소정의 두께로 압연하여, 미가교 고무 시트를 제작하였다. 미가교 고무 시트 중에 포함되는 단섬유는, 압연 방향으로 배향하고 있었다. 본원에서는 각 고무 조성물을 R1~R12로 표기한다.
[경도(타입 D)]
미가교 고무 시트를 온도 165℃시간 30분에서 프레스 가열하여, 가교 고무 시트(100㎜×100㎜×2㎜ 두께)를 제작하였다. 가교 고무 시트를 3 매 중첩한 적층물을 시료로 하고, JIS K6253(2012)(가황 고무 및 열가소성 고무 -경도의 구하는 방법-)에 규정되어 있는 스프링식 듀로미터 경도 시험에 준거하여, 타입 D 경도계를 사용하여, 가교 고무 시트의 경도(타입 D)를 측정하였다.
[인장 탄성률]
미가교 고무 시트를 온도 165℃시간 30분에서 프레스 가열하고, 가교 고무 시트(100㎜×100㎜×2㎜ 두께)를 제작하고, JIS K6251(2017)에 준하여, 덤벨 형상(5호형)으로 타발한시험편을 제작하였다. 단섬유를 포함하는 시료에 있어서는, 단섬유의 배열 방향(열리(列理) 평행 방향)이 인장 방향으로 되도록 덤벨 형상 시험편을 채취하였다. 그리고, 시험편의 양단을 척(쥐는 도구)로 쥐고, 시험편을 500㎜/min의 속도로 당겨, 소정의 신장(1%)을 주었을 때의 인장력을 시험편의 초기 단면적으로 나눈 값(1% 신장에 있어서의 인장 응력)을 인장 탄성률(모듈러스)로 하였다. 각 고무 조성물의 인장 탄성률을 표 5에 나타낸다.
[압축 탄성률]
미가교 고무를 온도 165℃시간 30분에서 프레스 가열하고, JIS K6254(2016)C법에 준한 가교 고무 시험편(원주상; 두께 25㎜, 직경 17.8㎜)을 제작하였다. 단섬유를 포함하는 시료에 있어서는, 단섬유의 배열 방향(열리 평행 방향)이 원주상 시험편의 둘레 방향으로 되도록 배치했다. 그리고, 실리콘 오일을 도포한 금속판으로 시험편을 사이에 두고, 시험편이 5%의 변형에 도달할 때까지 10㎜/분의 속도로 압축하고, 즉시 10㎜/분의 속도로 힘을 제거하는 조작을, 연속하여 더욱이 3 회 반복하여 총 4 회의 압축력과 변형률의 관계(압축력-변형 곡선)를 기록했다. 그리고, 4회째의 곡선을 이용하여, 곡선의 상승하는 점을 원점으로 하여 1회째의 압축 전의 시험편의 두께에 대하여 압축 변형 2%일 때의 압축력을, 시험편의 초기 단면적으로 나눈 값(압축 변형 2 %에서의 압축 응력)을 압축 탄성률(모듈러스)로 하였다.
[톱니 벨트의 제조]
실시 예 및 비교 예에서는, 이하에 나타내는 바와 같이, 본 실시 형태에서 설명한 예비 성형 공법을 이용하여, 전체 두께 5.6㎜, 톱니형 G8M, 톱니 높이(톱니포 포함) 3.5㎜, 톱니 피치 8㎜, 톱니 수 140, 둘레 길이 1120㎜, 폭 12㎜의 톱니 벨트를 제작하였다.
각 실시 예 및 비교 예에서 제작한 톱니 벨트에 대해서, 톱니부의 구성(층 구조) 및 각 고무층에 이용한 고무 조성물을 표 5에 나타낸다.
(실시 예 1)
톱니 벨트의 톱니부에 대응하는 복수의 홈부(오목조)를 갖는 프레스 몰드(평형)에, 톱니포를 형성하는 톱니포 전구체, 제 1 고무층을 형성하는 미가교 고무 시트(R6, 시트 두께 0.20㎜), 제 2 고무층을 형성하는 미가교 고무 시트(R2, 시트 두께 1.50㎜)의 순서로 적층하고, 온도 90℃, 프레스압(면압) 20.2MPa의 조건에서 160초간 프레스하여, 반가교 상태의 예비 성형체를 제작하였다.
다음으로, 원통형 몰드에, 예비 성형체를 감아 장착(톱니부와 홈부를 감합)하여, 예비 성형체의 외주면에 심선을 구성하는 꼬임 코드를 나선 형상으로 스피닝했다(텐션: 150~250N/본, 스피닝 피치: 1.25㎜, 스피닝 속도: 1.5m/s). 더욱이 그 외주 측에, 등 고무층을 형성하는 미가교 고무 시트(R12, 시트 두께 0.90㎜)를 감아 미가교의 벨트 성형체(미가교 적층체)를 형성하였다.
계속해서, 가황캔을 사용하여, 가열 온도 179℃, 증기압 0.83MPa의 조건에서 40분간의 가교 성형을 행하여, 가교 성형체(가교 벨트 슬리브)를 제작하였다.
마지막으로, 원통형 몰드로부터 탈형한 가교 벨트 슬리브를 폭 12㎜로 절단함으로써, 톱니 벨트를 얻었다.
(실시 예 2)
제 1 고무층을 형성하는 미가교 고무 시트의 두께를 0.35㎜, 제 2 고무층을 형성하는 미가교 고무 시트의 두께를 1.35㎜로 한 것을 제외하고는, 실시 예 1과 마찬가지의 방법으로 톱니 벨트를 제작하였다.
(실시 예 3)
제 1 고무층을 형성하는 미가교 고무 시트의 두께를 0.70㎜, 제 2 고무층을 형성하는 미가교 고무 시트의 두께를 1.00㎜로 한 것을 제외하고는, 실시 예 1과 마찬가지의 방법으로 톱니 벨트를 제작하였다.
(실시 예 4)
제 1 고무층을 형성하는 미가교 고무 시트의 두께를 1.00㎜, 제 2 고무층을 형성하는 미가교 고무 시트의 두께를 0.70㎜로 한 것을 제외하고는, 실시 예 1과 마찬가지의 방법으로 톱니 벨트를 제작하였다.
(실시 예 5)
제 1 고무층을 형성하는 미가교 고무 시트의 두께를 1.35㎜, 제 2 고무층을 형성하는 미가교 고무 시트의 두께를 0.35㎜로 한 것을 제외하고는, 실시 예 1과 마찬가지의 방법으로 톱니 벨트를 제작하였다.
(비교 예 1)
톱니부를 형성하는 미가교 고무 시트를 R2(시트 두께 1.70㎜)의 1종류만으로 한 것을 제외하고는, 실시 예 1과 마찬가지의 방법으로 톱니 벨트를 제작하였다.
(비교 예 2)
톱니부를 형성하는 미가교 고무 시트를 R6(시트 두께 1.70㎜)의 1종류만으로 한 것을 제외하고는, 실시 예 1과 마찬가지의 방법으로 톱니 벨트를 제작하였다.
(비교 예 3)
제 1 고무층을 형성하는 미가교 고무 시트를 R2(시트 두께 0.85㎜), 제 2 고무층을 형성하는 미가교 고무 시트를 R6(시트 두께 0.85㎜)로 한 것을 제외하고는, 실시 예 1과 마찬가지의 방법으로 톱니 벨트를 제작하였다.
(실시 예 6)
제 1 고무층을 형성하는 미가교 고무 시트를 R3(시트 두께 0.70㎜)로 한 것을 제외하고는, 실시 예 3과 마찬가지의 방법으로 톱니 벨트를 제작하였다.
(실시 예 7)
제 1 고무층을 형성하는 미가교 고무 시트를 R4(시트 두께 0.70㎜)로 한 것을 제외하고는, 실시 예 3과 마찬가지의 방법으로 톱니 벨트를 제작하였다.
(실시 예 8)
제 1 고무층을 형성하는 미가교 고무 시트를 R7(시트 두께 0.70㎜)로 한 것을 제외하고는, 실시 예 3과 마찬가지의 방법으로 톱니 벨트를 제작하였다.
(실시 예 9)
제 1 고무층을 형성하는 미가교 고무 시트를 R8(시트 두께 0.70㎜)로 한 것을 제외하고는, 실시 예 3과 마찬가지의 방법으로 톱니 벨트를 제작하였다.
(실시 예 10)
제 1 고무층을 형성하는 미가교 고무 시트를 R9(시트 두께 0.70㎜)로 한 것을 제외하고는, 실시 예 3과 마찬가지의 방법으로 톱니 벨트를 제작하였다.
(실시 예 11)
제 1 고무층을 형성하는 미가교 고무 시트를 R3(시트 두께 0.20㎜)로 한 것을 제외하고는, 실시 예 1과 마찬가지의 방법으로 톱니 벨트를 제작하였다.
(실시 예 12)
제 1 고무층을 형성하는 미가교 고무 시트를 R7(시트 두께 1.00㎜)로 한 것을 제외하고는, 실시 예 4와 마찬가지의 방법으로 톱니 벨트를 제작하였다.
(실시 예 13)
제 1 고무층을 형성하는 미가교 고무 시트를 R7(시트 두께 1.35㎜)로 한 것을 제외하고는, 실시 예 5와 마찬가지의 방법으로 톱니 벨트를 제작하였다.
(실시 예 14)
제 1 고무층을 형성하는 미가교 고무 시트를 R3(시트 두께 0.70㎜), 제 2 고무층을 형성하는 미가교 고무 시트를 R1(시트 두께 1.00㎜)로 한 것을 제외하고는, 실시 예 3과 마찬가지의 방법으로 톱니 벨트를 제작하였다.
(실시 예 15)
제 1 고무층을 형성하는 미가교 고무 시트를 R6(시트 두께 0.70㎜), 제 2 고무층을 형성하는 미가교 고무 시트를 R3(시트 두께 1.00㎜)로 한 것을 제외하고는, 실시 예 3과 마찬가지의 방법으로 톱니 벨트를 제작하였다.
(실시 예 16)
제 1 고무층을 형성하는 미가교 고무 시트를 R8(시트 두께 0.70㎜), 제 2 고무층을 형성하는 미가교 고무 시트를 R3(시트 두께 1.00㎜)로 한 것을 제외하고는, 실시 예 3과 마찬가지의 방법으로 톱니 벨트를 제작하였다.
(실시 예 17)
제 1 고무층을 형성하는 미가교 고무 시트를 R7(시트 두께 0.70㎜), 제 2 고무층을 형성하는 미가교 고무 시트를 R4(시트 두께 1.00㎜)로 한 것을 제외하고는, 실시 예 3과 마찬가지의 방법으로 톱니 벨트를 제작하였다.
(실시 예 18)
제 1 고무층을 형성하는 미가교 고무 시트를 R9(시트 두께 0.70㎜), 제 2 고무층을 형성하는 미가교 고무 시트를 R4(시트 두께 1.00㎜)로 한 것을 제외하고는, 실시 예 3과 마찬가지의 방법으로 톱니 벨트를 제작하였다.
(실시 예 19)
제 1 고무층을 형성하는 미가교 고무 시트를 R7(시트 두께 0.70㎜), 제 2 고무층을 형성하는 미가교 고무 시트를 R5(시트 두께 1.00㎜)로 한 것을 제외하고는, 실시 예 3과 마찬가지의 방법으로 톱니 벨트를 제작하였다.
(실시 예 20)
제 1 고무층을 형성하는 미가교 고무 시트를 R9(시트 두께 0.70㎜), 제 2 고무층을 형성하는 미가교 고무 시트를 R5(시트 두께 1.00㎜)로 한 것을 제외하고는, 실시 예 3과 마찬가지의 방법으로 톱니 벨트를 제작하였다.
(실시 예 21)
제 1 고무층을 형성하는 미가교 고무 시트를 R9(시트 두께 0.70㎜), 제 2 고무층을 형성하는 미가교 고무 시트를 R1(시트 두께 1.00㎜)로 한 것을 제외하고는, 실시 예 3과 마찬가지의 방법으로 톱니 벨트를 제작하였다.
(실시 예 22)
제 1 고무층을 형성하는 미가교 고무 시트를 R11(시트 두께 0.70㎜), 제 2 고무층을 형성하는 미가교 고무 시트를 R10(시트 두께 1.00㎜)로 한 것을 제외하고는, 실시 예 3과 마찬가지의 방법으로 톱니 벨트를 제작하였다.
[굽힘 강성 시험]
톱니 벨트에 대해서, JIS K7106(1995)에 따라, 오르젠식 굽힘 시험기를 이용한 굽힘 시험으로부터, 톱니 벨트의 굽힘 강도 Er을 구하고, 얻어진 Er에 하기 식 (1)로부터 산출한 톱니 벨트의 단면 2차 모멘트 Ir를 곱하여, 하기 식(2)로부터 톱니 벨트의 굽힘 강성(ErIr)을 산출하였다. 여기서, 톱니 벨트 시험편의 사이즈는, 길이: 80㎜, 폭: 12㎜, 두께: 2.1㎜로 함과 함께, 지주간 거리 S를 25.4㎜, 하중 눈금 100%에 있어서의 진자의 모멘트 M를 0.343N·m로 하였다. 또, 시험은 온도 23±2℃, 습도 65±5%의 조건하에서 행하였다. 굽힘 강성의 값이 작을수록 굴곡성(유연성)이 우수함을 나타낸다. 굽힘 강성의 판정 기준을 이하에 나타낸다.
Ir = b×h3/12
(1)
[식 중, Ir: 시험편의 단면 2차 모멘트(mm4), b: 시험편의 폭(㎜), h: 시험편의 두께(㎜)를 나타낸다]
ErIr = [(S×M)/300]×[N/(D×0.01745)]
(2)
[식 중, Er: 시험편의 굽힘 강도(N/㎟), Ir: 시험편의 단면 2차 모멘트(mm4), S: 지점간 거리(㎜), M: 진자 모멘트(N·m), D: 굽힘 각도(도)(1도=π/180=0.01745라디안), N: 굽힘 각도(도)에 대응하는 하중 눈금판의 판독(%)을 나타낸다].
(굽힘 강성의 판정 기준)
a: 굽힘 강성이 700MPa 미만(합격)
b: 굽힘 강성이 700MPa 이상, 800MPa 미만(합격)
c: 굽힘 강성이 800MPa 이상(불합격).
[톱니 강성 시험]
도 4에 도시된 바와 같이, 톱니 벨트(1)의 톱니부를 톱니 전단 지그(톱니 풀리의 톱니 형상을 상정한 강체)(11)의 돌기부(11a)에 걸어 1 개의 톱니를 일정 압력(조임 토크 0. 98cNm/1㎜폭)으로 가압한 상태에서, 오토그래프에 의해 1㎜/min의 속도로 인장했을 때의 변위에 대한 톱니 하중을 톱니부의 강성(톱니 강성)으로 정의하여 평가하였다. 변위에 대한 톱니 하중의 값은, 수치가 안정되는 3 사이클 째를 채용하고, 도 5에 나타내는 바와 같이 톱니 하중 50~400N/12㎜폭의 구간의 선형 근사에 의해 구하였다. 톱니 강성의 값이 클수록, 톱니부의 강성(내변형성)이 우수한 것을 나타낸다. 톱니 강성의 판정 기준을 이하에 나타낸다.
(톱니 강성의 판정 기준)
a: 톱니 강성이 1300N/㎜ 이상(합격)
b: 톱니 강성이 1100N/㎜ 이상, 1300N/㎜ 미만(합격)
c: 톱니 강성이 1100N/㎜ 미만(불합격)
[점핑 시험]
2축 토크 측정 시험기를 사용하여, 구동 풀리(톱니 수: 22)와 종동 풀리(톱니 수: 22) 사이에 톱니 벨트를 감아 걸어, 벨트 장력이 230N으로 되도록 풀리의 축 간 거리를 조정하였다. 그리고, 구동 풀리를 1,800rpm으로 회전시켜 벨트를 주행시키면서 종동 풀리에 대한 부하를 연속적으로 올려 가고, 점핑(톱니 날림)이 발생했을 때의 구동 풀리에 걸리는 부하 토크를 점핑 토크로 하여 측정하였다. 점핑 토크의 수치를 점핑성의 지표로 하고, 점핑 토크 값이 클수록 톱니 날림하기 어려운 우수한 톱니 벨트라고 할 수 있다.
또한, 이 점핑 토크의 값에 대해서, 탄성률이 작은 고무층 1층만으로 톱니부를 구성하는 비교 예 1의 점핑 토크 값(101N·m)을 1.00으로 하고, 각 실시 예 및 비교 예의 점핑 토크 값을 상대값으로 환산하여 나타내고 있다. 이 값이 1.00 이하이면 비교 예 1의 톱니 벨트에 대한 보강 효과가 나타나지 않는 것을 나타내고, 1.00을 초과하면 보강 효과로 톱니부의 강성(내변형성)이 향상하고 있는 것을 나타내고, 이 값이 클수록 고도로 보강 효과가 발휘되고 있다고 할 수 있다.
(점핑 시험의 판정 기준)
a: 점핑 토크가 1.10 초과(보강 효과 있음)
b: 점핑 토크가 1.00 초과, 1.10 이하(보강 효과 있음)
c: 점핑 토크가 1.00(보강 효과 없음)
d: 점핑 토크가 1.00 미만(보강 효과 없음)
[내구 주행 시험]
구동 풀리(톱니 수:22)와 종동 풀리(톱니 수: 22)를 구비한 2축 주행 시험기에 톱니 벨트를 취부하고, 톱니 벨트에 고장(톱니부의 결손)이 발생할 때까지의 주행 시간을 주행 수명으로 측정하였다. 톱니 벨트의 취부 장력은 230N, 구동 풀리의 회전수는 1800rpm, 종동 풀리의 부하는 9.0kW, 분위기 온도는 25℃(실온)로 하였다.
또한, 이 고장까지의 주행 시간(이하, 주행 시간)에 대해서, 탄성률이 작은 고무층 1층만으로 톱니부를 구성하는 비교 예 1의 주행 시간(52시간)을 1.00으로 하고, 각 실시 예 비교 예의 주행 시간을 상대 값으로 환산하여 나타내고 있다. 이 값이 1.00 이하이면 비교 예 1의 톱니 벨트에 대한 보강 효과가 나타나지 않는 것을 나타내고, 1.00을 초과하면 보강 효과로 내구 주행성이 향상되고 있는 것을 나타내고, 이 값이 클수록 고도로 보강 효과가 발휘되고 있다고 할 수 있다.
(내구 주행 시험의 판정 기준)
a: 고장까지의 주행 시간이 1.50 초과(보강 효과 있음)
b: 고장까지의 주행 시간이 1.00 초과, 1.50 이하(보강 효과 있음)
c: 고장까지의 주행 시간이 1.00(보강 효과 없음)
d: 고장까지의 주행 시간이 1.00 미만(보강 효과 없음)
[종합 판정]
점핑 토크 및 내구 주행성을 이하의 판정 기준으로 종합 평가하였다.
A랭크: 점핑 토크, 내구 주행이 모두 a판정인 경우(합격)
B랭크: 점핑 토크, 내구 주행이 모두 b판정, 또는 한 쪽이 a판정/다른 한 쪽이 b판정의 경우(합격)
C랭크: 점핑 토크, 내구 주행의 한 쪽이 c판정, 다른 한 쪽이 a 또는 b판정의 경우(합격)
D랭크: 점핑 토크, 내구 주행이 모두 c판정, 또는 한 쪽이 d판정인 경우(불합격)
실시 예 및 비교 예의 톱니 벨트에 대해서, 시험 결과를 표 5~8에 나타낸다. 더욱이, 실시 예 및 비교 예에 있어서의 톱니 벨트의 톱니부의 단면도를 도 6에 나타낸다.
(실시 예 1~5)
톱니부를, 톱니부의 윤곽을 따라 표면 측에 배치되는 제 1 고무층(표부 고무층)과, 톱니부의 내부에 배치되는 제 2 고무층(내부 고무층)의 2층 구조로 하고, 제 1 고무층을 인장 탄성률 5.7MPa의 R6(가교 고무), 제 2 고무층을 인장 탄성률 2.3MPa의 R2(가교 고무)로 형성한 톱니 벨트의 예이다. 제 2 고무층의 인장 탄성률에 대한 제 1 고무층의 인장 탄성률의 비는 2.5이다. 또한, 이하에서는 이 비(제 1 고무층의 인장 탄성률/제 2 고무층의 인장 탄성률)를 「2 층의 인장 탄성률의 비」로 나타낸다.
실시 예 1~5에서는, 톱니부의 단면시에서, 톱니부를 구성하는 전체 고무층에 대한 제 1 고무층이 차지하는 면적의 비율을 10%(실시 예 1), 20%(실시 예 2), 40%(실시 예 3), 60%(실시 예 4), 80%(실시 예 5)로 변량하였다.
그 결과, 톱니 강성은 1,225N/㎜(실시 예 1: b판정), 1,354N/㎜(실시 예 2: a판정), 1,454N/㎜(실시 예 3: a판정), 1, 510N/㎜(실시 예 4: a판정), 1,546N/㎜(실시 예 5: a판정)으로, 어느 것이든 합격 수준에 있고, 제 1 고무층의 면적의 비율이 커짐에 따라 향상하였다.
한편, 굽힘 강성은 605MPa(실시 예 1: a판정), 638MPa(실시 예 2: a판정), 676MPa(실시 예 3: a판정), 691MPa(실시 예 4: a판정), 735MPa(실시 예 5: b판정)으로, 어느 것이든 수준에 있고, 제 1 고무층의 면적의 비율이 커짐에 따라 증가하였다.
또, 동적 성능에 대해서는, 점핑 토크(상대값)는 1.06(실시 예 1: b판정), 1.15(실시 예 2: a판정), 1.18(실시 예 3: a판정), 1.21(실시 예 4: a판정), 1.27(실시 예 5: a판정)으로, 어느 것이든 합격 수준에 있고, 톱니 강성과 동일한 경향으로 제 1 고무층의 면적의 비율이 커짐에 따라 증가하였다.
더욱이, 내구 주행(고장까지의 주행 시간(상대값))은 1.38(실시 예 1: b판정), 2.02(실시 예 2: a판정), 2.63(실시 예 3: a판정), 1.78(실시 예 4: a판정), 1.04(실시 예 5: b판정)으로, 어느 것이든 합격 수준에 있고, 제 1 고무층의 면적의 비율이 20~60%의 범위에서 특히 증가하였다.
이상의 종합 판정에서, 실시 예 1~5의 톱니 벨트는 합격 수준(A 또는 B랭크)이었다.
(비교 예 1~3)
비교 예 1은, 톱니부를 형성하는 고무층 전체를, 실시 예 1~5의 제 2 고무층을 형성한 인장 탄성률 2.3MPa(상대적으로 저탄성률)의 R2(가교 고무)만으로 형성한 톱니 벨트의 예이다. 굽힘 강성은 553MPa(a판정)로 실시 예보다 양호했지만, 톱니 강성은 1,092N/㎜(c판정)로 불합격이었다. 동적 성능에서는, 점핑 토크는 101N·m로 낮고, 내구 주행(고장까지의 주행 시간)도 52시간으로 짧았다. 그 때문에, 비교 예 1은, 종합 판정으로서도 불합격(D랭크)이었다.
비교 예 2는, 톱니부를 형성하는 고무층 전체를, 실시 예 1~5의 제 1 고무층을 형성한 인장 탄성률 5.7MPa(상대적으로 고탄성률)의 R6(가교 고무)만으로 형성된 톱니 벨트의 예이다. 톱니 강성은 1,592N/㎜(a판정)로 실시 예보다 양호했지만, 굽힘 강성은 832MPa(c판정)로 불합격이었다. 동적 성능에서는, 점핑 토크(상대값)는 1.32(a판정)로 실시 예보다 양호했지만, 내구 주행(고장까지의 주행 시간(상대값))이 0.46(d판정)으로, 종합 판정이 불합격(D랭크)이 되었다.
비교 예 3은, 실시 예와 마찬가지로, 톱니부를 제 1 고무층과 제 2 고무층의 2층 구조이지만, 제 1 고무층과 제 2 고무층의 탄성률의 크기를 역으로 한 예이다. 즉, 제 1 고무층에 인장 탄성률 2.3MPa(상대적으로 저탄성률)의 R2(가교 고무)를, 제 2 고무층에 인장 탄성률 5.7MPa(상대적으로 고탄성률)의 R6(가교 고무)를 사용하였다. 또한, 톱니부의 단면시에서, 톱니부를 구성하는 전체 고무층에 대한 제 1 고무층이 차지하는 면적의 비율은 50%로 하였다. 그 결과, 톱니 강성은 1,275N/㎜(b판정)로 합격 수준이었지만, 굽힘 강성은 812MPa(c판정)로 불합격이었다. 동적 성능에서는, 점핑 토크(상대값)는 1.07(b판정)으로 합격 수준이었지만, 내구 주행(고장까지의 주행 시간(상대값))이 0.85(d판정)로, 종합 판정이 불합격(D랭크)이 되었다.
비교 예 1과 같이 톱니부 전체를 저탄성률의 고무층으로 형성하면 톱니부의 강성(내변형성)이 부족하고, 비교 예 2와 같이 톱니부 전체를 고탄성률의 고무층으로 형성하면 굴곡성(낮은 굽힘 강성)이 부족하다. 더욱이, 비교 예 3과 같이, 톱니부를 2층으로 해도 표부보다 내부를 고탄성률의 고무층으로 형성하면, 굴곡성(낮은 굽힘 강성)이 부족한 데다가, 톱니부의 강성(내변형성)의 수준도 저하한다.
이에 대하여, 본 실시 예의 양태는, 보다 높은 부하가 작용하는 조건에서의 사용에도 견딜 수 있는 톱니부의 강성(높은 탄성률)을 갖고, 또한 배반 관계에 있는 톱니부의 강성(내변형성)과 굴곡성(낮은 굽힘 강성: 유연성)을 양립시킬 수 있는, 밸런스가 잡힌 양태라고 할 수 있다.
(실시 예 6~10)
실시 예 1~5 중에서, 가장 내구 주행성이 우수한 실시 예 3(톱니부의 단면시에서, 톱니부를 구성하는 전체 고무층에 대한 제1 고무층이 차지하는 면적의 비율이 40%)의 구성에 대하여, 실시 예 6~10은, 제 1 고무층에 다른 탄성률의 고무 조성물을 사용한 톱니 벨트의 예이다. 실시 예 6에서는 R3(인장 탄성률 3.1MPa), 실시 예 7에서는 R4(인장 탄성률 4.0MPa), 실시 예 3에서는 R6(인장 탄성률 5.7MPa), 실시 예 8에서는 R7(인장 탄성률 7.0MPa), 실시 예 9에서는 R8(인장 탄성률 9.2MPa), 실시 예 10에서는 R9(인장 탄성률 12.0MPa)를 이용하여 제 1 고무층을 형성하고 있다.
또한, 탄성률의 변량은, 제 1 고무층에 포함되는 제 1 공가교제의 비율을 3질량부(실시 예 6), 6질량부(실시 예 7), 11질량부(실시 예 3), 14질량부(실시 예 8), 20질량부(실시 예 9), 25질량부(실시 예 10)로 변량함으로써 조정하고 있다.
그 결과, 톱니 강성은 1,185N/㎜(실시 예 6: b판정), 1,362N/㎜(실시 예 7: a판정), 1,454N/㎜(실시 예 3: a판정), 1, 527N/㎜(실시 예 8: a판정), 1,561N/㎜(실시 예 9: a판정), 1,582N/㎜(실시 예 10: a판정)으로, 어느 것이든 합격 수준에 있고, 제 1 고무층의 탄성률이 커짐에 따라 향상되었다.
한편, 굽힘 강성은 602MPa(실시 예 6: a판정), 652MPa(실시 예 7: a판정), 676MPa(실시 예 3: a판정), 724MPa(실시 예 8: b판정), 805MPa(실시 예 9: c판정), 845MPa(실시 예 10: c판정)로, 제 1 고무층의 탄성률이 커짐에 따라 증가하였다.
또, 동적 성능에 대해서는, 점핑 토크(상대값)는 1.05(실시 예 6: b판정), 1.11(실시 예 7: a판정), 1.18(실시 예 3: a판정), 1.19(실시 예 8: a판정), 1.21(실시 예 9: a판정), 1.23(실시 예 10: a판정)로, 어느 것이든 합격 수준에 있고, 톱니 강성과 동일한 경향으로 제 1 고무층의 탄성률이 커짐에 따라 증가하고, 비교 예 1에 대한 보강 효과가 있었다고 할 수 있다.
한편, 내구 주행(고장까지의 주행 시간(상대값))은, 1.61(실시 예 6: a판정), 3.06(실시 예 7: a판정), 2.63(실시 예 3: a판정), 2.10(실시 예 8: a판정), 1.00(실시 예 9: c판정), 1.00(실시 예 10: c판정)으로 변동하였다. 제 1 고무층의 탄성률이 큰 실시 예 9, 10에서는, 비교 예 1과 동등하고, 보강 효과가 나타나지 않았다.
이상의 종합 판정에서, 실시 예 3, 6~8의 톱니 벨트는 점핑 토크, 내구 주행성의 양면에서의 보강 효과가 나타났다는 점에서 고도의 합격 수준(A 또는 B랭크)이었다. 실시 예 9, 10의 톱니 벨트는 내구 주행성의 보강 효과는 나타나지 않았지만, 점핑 토크의 보강 효과는 나타났기 때문에 합격 수준(C랭크)이었다.
이 결과로부터, 제 1 고무층의 탄성값은, 인장 탄성률로 3.0~7.0MPa(특히 4.0~6.0MPa), 압축 탄성률로 1.0~1.5MPa(특히 1.3~1.4MPa)가 적합한 범위라고 말할 수 있다. 또, 제 1 고무층에 포함되는 제 1 공가교제의 비율은 3~14질량부(특히 6~11질량부)가 적합한 범위라고 말할 수 있다.
(실시 예 11~13)
톱니부의 단면에서, 톱니부를 구성하는 전체 고무층에 대한 제 1 고무층이 차지하는 면적의 비율(이하, 면적 비율)과, 제 1 고무층의 탄성률(제 1 고무층에 포함되는 제 1 공 가교제의 비율)과의 관련성을 검증한 예이다. 실시 예 11은, 보강 효과의 하한 부근(면적 비율이 작고, 탄성률도 작은 경우)의 예이며, 면적 비율 10%, 인장 탄성률 3.1MPa(제 1 공가교제 3질량부)로 하고 있다. 역으로, 실시 예 12, 13은 보강 효과의 상한 부근(면적 비율이 크고, 탄성률도 큰 경우)의 예이며, 실시 예 12에서는 면적 비율 60%, 인장 탄성률 7.0MPa(제 1 공가교제 14질량부), 실시 예 13에서는 면적 비율 80%, 인장 탄성률 7.0MPa(제 1 공가교제 14질량부)로 하고 있다.
그 결과, 톱니 강성은 1,133N/㎜(실시 예 11: b판정), 1,601N/㎜(실시 예 12: a 판정), 1,615N/㎜(실시 예 13: a판정)로, 어느 것이든 합격 수준으로 되었다.
한편, 굽힘 강성은 573MPa(실시 예 11: a판정), 795MPa(실시 예 12: b판정), 798MPa(실시 예 13: b판정)로, 어느 것이든 합격 수준으로 되었다.
또, 동적 성능에 대해서는, 점핑 토크(상대값)는 1.04(실시 예 11: b판정), 1.24(실시 예 12: a판정), 1.28(실시 예 13: a판정)로, 어느 것이든 합격 수준에 있고, 비교 예 1에 대한 보강 효과가 있었다고 말할 수 있다.
한편, 내구 주행(고장까지의 주행 시간(상대값))은 1.15(실시 예 11: b판정), 1.06(실시 예 12: b판정), 1.00(실시 예 13: c판정)로 되었다. 실시 예 11, 12에서는 비교 예 1에 대한 보강 효과가 나타났지만, 제 1 고무층의 면적 비율이 최대이고 탄성률도 큰 실시 예 13에서는 비교 예 1과 동등하고 보강 효과가 나타나지 않았다.
이상의 종합 판정에서, 실시 예 11, 12의 톱니 벨트는 점핑 토크, 내구 주행성의 양면에서의 보강 효과가 나타났다는 점에서 고도의 합격 수준(B랭크)이었다. 실시 예 13의 톱니 벨트는 내구 주행성의 보강 효과는 나타나지 않았지만, 점핑 토크의 보강 효과는 나타났기 때문에 합격 수준(C랭크)이었다.
(실시 예 14~21)
실시 예 1~5 중에서, 가장 내구 주행성이 우수한 실시 예 3(톱니부의 단면시에서, 톱니부를 구성하는 전체 고무층에 대한 제1 고무층이 차지하는 면적의 비율이 40%)의 구성에 대하여, 실시 예 14~21은, 제 1 고무층 및 제 2 고무층에 사용하는 가교 고무 조성물의 탄성률의 조합을 바꾼 톱니 벨트의 예이다.
실시 예 14는, 제 1 고무층을 인장 탄성률 3.1MPa의 R3(가교 고무), 제 2 고무층을 인장 탄성률 1.0MPa의 R1(가교 고무)로 형성한 톱니 벨트의 예이다. 2 층의 인장 탄성률의 비는 3.1이다. 실시 예 3과 비교하면, 어느 고무층도 탄성률이 작은 톱니 벨트이지만, 굽힘 강성은 584MPa(a판정), 톱니 강성은 1,141N/㎜(b판정)이었다. 동적 성능에서는 점핑 토크(상대값)는 1.03(b판정), 내구 주행(고장까지의 주행 시간(상대값))은 1.34(b판정)이고, 종합 판정으로 합격 수준(B랭크)이었다.
실시 예 15는, 제 2 고무층에 R3(인장 탄성률 3.1MPa), 제 1 고무층에 R6(인장 탄성률 5.7MPa)을 사용하고, 2 층의 인장 탄성률의 비가 1.8의 톱니 벨트의 예이다. 실시 예 3에 대해서는, 제 1 고무층의 탄성률은 동등하고 제 2 고무층의 탄성률이 큰 톱니 벨트이지만, 굽힘 강성은 684MPa(a판정), 톱니 강성은 1,496N/㎜(a판정)이었다. 동적 성능에서는, 점핑 토크(상대값)는 1.19(a판정), 내구 주행(고장까지의 주행 시간(상대값))은 2.47(a판정)이고, 종합 판정에서는 실시 예 3와 동등하게 합격 수준(A랭크)이었다.
실시 예 16은, 제 2 고무층에 R3(인장 탄성률 3.1MPa), 제 1 고무층에 R8(인장 탄성률 9.2MPa)을 사용하고, 2 층의 인장 탄성률의 비가 3.0인 톱니 벨트의 예이다. 실시 예 15에 대하여, 제 2 고무층의 탄성률은 동등하고 제 1 고무층의 탄성률이 큰 톱니 벨트이지만, 굽힘 강성은 819MPa(c판정), 톱니 강성은 1,582N/㎜(a판정)이었다. 동적 성능에서는, 점핑 토크(상대값)는 1.22(a판정), 내구 주행(고장까지의 주행 시간(상대값))은 1.00(c판정)이고, 내구 주행성의 보강 효과는 나타나지 않았지만, 점핑 토크의 보강 효과는 나타났기 때문에, 종합 판정에서는 합격 수준(C랭크)이었다.
실시 예 17은, 제 2 고무층에 R4(인장 탄성률 4.0MPa), 제 1 고무층에 R7(인장 탄성률 7.0MPa)을 사용하고, 2 층의 인장 탄성률의 비가 1.8의 톱니 벨트의 예이다. 실시 예 3에 대하여, 어느 고무층도 탄성률이 큰 톱니 벨트이지만, 굽힘 강성은 773MPa(b판정), 톱니 강성은 1,570N/㎜(a판정)이었다. 동적 성능에서는, 점핑 토크(상대값)는 1.23(a판정), 내구 주행(고장까지의 주행 시간(상대값))은 1.77(a판정)이고, 종합 판정에서는 실시 예 3 와 동등하게 합격 수준(A랭크)이었다.
실시 예 18은, 제 2 고무층에 R4(인장 탄성률 4.0MPa), 제 1 고무층에 R9(인장 탄성률 12.0MPa)를 사용하고, 2 층의 인장 탄성률의 비가 3.0인 톱니 벨트의 예이다. 실시 예 17에 대해, 제 2 고무층의 탄성률은 동등하고 제 1 고무층의 탄성률이 큰 톱니 벨트이지만, 굽힘 강성은 858MPa(c판정), 톱니 강성은 1,603N/㎜(a판정)이었다. 동적 성능에서는, 점핑 토크(상대값)는 1.29(a판정), 내구 주행(고장까지의 주행 시간(상대값))은 1.00(c판정)이고, 내구 주행성의 보강 효과는 나타나지 않았지만, 점핑 토크의 보강 효과는 나타났기 때문에, 종합 판정에서는 합격 수준(C랭크)이었다.
실시 예 19는, 제 2 고무층에 R5(인장 탄성률 5.0MPa), 제 1 고무층에 R7(인장 탄성률 7.0MPa)을 사용하고, 2 층의 인장 탄성률의 비가 1.4의 톱니 벨트의 예이다. 실시 예 17에 대해, 제 1 고무층의 탄성률은 동등하고 제 2 고무층의 탄성률이 큰 톱니 벨트이지만, 굽힘 강성은 791MPa(b판정), 톱니 강성은 1,585N/㎜(a판정)이었다. 동적 성능에서는, 점핑 토크(상대값)는 1.28(a판정), 내구 주행(고장까지의 주행 시간(상대값))은 1.45(b판정)이고, 종합 판정에서는 합격 수준(B랭크)였다.
실시 예 20은, 제 2 고무층에 R5(인장 탄성률 5.0MPa), 제 1 고무층에 R9(인장 탄성률 12.0MPa)를 사용하고, 2 층의 인장 탄성률의 비가 2.4인 톱니 벨트의 예이다. 2 층의 탄성률이, 본 실시 예 중에서 가장 큰 톱니 벨트이지만, 굽힘 강성은 869MPa(c판정), 톱니 강성은 1,624N/㎜(a판정)이었다. 동적 성능에서는, 점핑 토크(상대값)는 1.30(a판정), 내구 주행(고장까지의 주행 시간(상대값))은 1.00(c판정)이고, 내구 주행성의 보강 효과는 나타나지 않았지만, 점핑 토크의 보강 효과는 나타났기 때문에, 종합 판정에서는 합격 수준(C랭크)이었다.
실시 예 21은, 제 2 고무층에 R1(인장 탄성률 1.0MPa), 제 1 고무층에 R9(인장 탄성률 12.0MPa)를 사용하고, 2 층의 인장 탄성률의 비가 12.0인 톱니 벨트의 예이다. 2 층의 인장 탄성률의 비가, 본 실시 예 중에서 가장 큰 톱니 벨트이지만, 굽힘 강성은 820MPa(c판정), 톱니 강성은 1,524N/㎜(a판정)이었다. 동적 성능에서는, 점핑 토크(상대값)는 1.27(a판정), 내구 주행(고장까지의 주행 시간(상대값))은 1.00(c판정)이고, 내구 주행성의 보강 효과는 나타나지 않았지만, 점핑 토크의 보강 효과는 나타났기 때문에, 종합 판정에서는 합격 수준(C랭크)이었다.
(실시 예 22)
실시 예 22는, 실시 예 1~21중에서 가장 내구 주행성이 우수한 실시 예 7의 구성(제 1 고무층이 R4, 제 2 고무층이 R2)에 대하여, 보강성 무기 충전제(카본 블랙)을 사용하지 않는 톱니 벨트의 예이다. 즉, 제 1 고무층은 R4로부터 카본 블랙을 제외한 조성인 R11(인장 탄성률 3.9MPa), 제 2 고무층은 R2로부터 카본 블랙을 제외한 조성인 R10(인장 탄성률 2.3MPa) )의 가교 고무 조성물로 형성한 톱니 벨트의 예이다.
굽힘 강성은 648MPa(a판정), 톱니 강성은 1,360N/㎜(a판정)이었다. 동적 성능에서는, 점핑 토크(상대값)는 1.11(a판정), 내구 주행(고장까지의 주행 시간(상대값))은 2.97(a판정)이고, 종합 판정에서는 실시 예 7 와 동등하게 합격 수준(A랭크)이었다.
이상의 결과로부터, 톱니부가 톱니포를 따라 형성된 제 1 고무층과, 이 제 1 고무층과 심선 사이에 형성된 제 2 고무층으로 형성되어, 제 1 고무층의 탄성률을 제 2 고무층의 탄성률보다 커지도록 조정함으로써, 배반 관계에 있는 톱니부의 강성과 굴곡성이 양립되어, 벨트 주행 중의 점핑(톱니 날림)을 억제할 수 있음과 함께, 톱니부의 결손(톱니 결손)이 억제되어 고부하 주행시의 장수명화에 적응할 수 있는 것을 확인할 수 있었다.
본 발명의 톱니 벨트(맞물림 전동 벨트 또는 톱니 전동 벨트)는, 톱니 풀리와 조합하여, 입력과 출력의 동기성이 요구되는 여러 분야, 예를 들면, 자동차나 자동 이륜차 등의 차량에 있어서의 동력 전달 기구, 산업 기계의 모터, 펌프류 등의 동력 전달 기구, 자동 도어, 자동화 기계 등의 기계류, 복사기, 인쇄기 등에 이용할 수 있다. 특히, 고부하(고마력) 용도의 산업용 기계, 자동 이륜차의 후륜 구동의 동력 전달 벨트(타이밍 벨트나 코그드(cogged) 벨트)로서 이용할 수 있다.
본 발명이 상세하게 그리고 특정 실시 양태를 참조하여 설명되었지만, 본 발명의 사상 및 범위를 일탈하지 않고, 다양한 수정이나 변경이 가해질 수 있음은 당업자에게 명백하다.
본 출원은, 2021년 7월 27일 출원의 일본특허출원 2021-122815, 2022년 3월 16일 출원의 일본특허출원 2022-041284 및 2022년 7월 1일 출원의 일본특허출원 2022-107110에 기초한 것이며, 그 내용은 여기에 참조로서 포함된다.
1: 톱니 벨트
1a: 톱니부
1b: 톱니 저부
1c: 등부
2: 톱니포
3: 제 1 고무층
4: 제 2 고무층
5: 심선
6: 등 고무층
1a: 톱니부
1b: 톱니 저부
1c: 등부
2: 톱니포
3: 제 1 고무층
4: 제 2 고무층
5: 심선
6: 등 고무층
Claims (7)
- 벨트 둘레 방향을 따라 연장하는 심선이 매설된 등부,
상기 등부의 내주면에, 벨트 둘레 방향으로 간격을 두고 형성된 복수의 톱니부를 구비하고,
상기 심선에 대하여 벨트 외주 측에 형성되어 있는 등 고무층과, 상기 심선에 대하여 벨트 내주 측에 형성되어 있는 제 1 고무층 및 제 2 고무층을 포함하고, 또한
벨트 내주면이 톱니포로 구성된 톱니 벨트에 있어서,
상기 등부는 상기 등 고무층을 포함하고,
상기 제 1 고무층의 탄성률이 상기 제 2 고무층의 탄성률보다 크고,
상기 톱니부는, 상기 톱니포, 상기 톱니포를 따라 형성된 상기 제 1 고무층, 이 제 1 고무층과 상기 심선의 사이에 개재하는 상기 제 2 고무층을 포함하는 톱니 벨트. - 제 1 항에 있어서,
상기 제 1 고무층의 면적 비율은, 벨트 둘레 방향의 단면에서, 상기 제 1 고무층 및 상기 제 2 고무층의 합계 면적에 대하여 10 내지 80 면적%인, 톱니 벨트. - 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
상기 제 1 고무층의 인장 탄성률이 0.6~20MPa이고, 상기 제 2 고무층의 인장 탄성률이 0.5~5MPa인, 톱니 벨트. - 제 1 항 내지 제 3 항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 제 1 고무층의 인장 탄성률은, 상기 제 2 고무층의 인장 탄성률에 대하여 1.2~4배인, 톱니 벨트. - 제 1 항 내지 제 4 항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 제 1 고무층은, 제 1 고무 성분, 제 1 가교제 및 제 1 공가교제를 포함하는 제 1 가교 고무 조성물로 형성되고,
상기 제 2 고무층은, 제 2 고무 성분, 제 2 가교제 및 제 2 공가교제를 포함하는 제 2 가교 고무 조성물로 형성되고,
상기 제 1 고무 성분은, 수소화 니트릴 고무와 불포화 카르복실산 금속염을 포함하는 제 1 복합 폴리머를 포함하고,
상기 제 2 고무 성분은, 수소화 니트릴 고무와 불포화 카르복실산 금속염을 포함하는 제 2 복합 폴리머를 포함하고,
상기 제 1 공 가교제의 비율은, 상기 제 1 고무 성분 100질량부에 대하여 1 내지 40질량부이고,
상기 제 2 공 가교제의 비율은, 상기 제 2 고무 성분 100질량부에 대하여 0.2 내지 25질량부인, 톱니 벨트. - 제 5 항에 있어서,
상기 제 1 가교 고무 조성물은, 제 1 보강성 무기 충전제를 더 포함하고,
상기 제 2 가교 고무 조성물은, 제 2 보강성 무기 충전제를 더 포함하고,
상기 제 1 복합 폴리머의 비율은, 상기 제 1 고무 성분 중 80 질량% 이상이고,
상기 제 2 복합 폴리머의 비율은, 상기 제 2 고무 성분 중 30 질량% 이상이고,
상기 제 1 가교제는 제 1 유기 과산화물을 포함하고, 상기 제 1 유기 과산화물의 비율은, 상기 제 1 고무 성분 100질량부에 대하여 1 내지 20질량부이고,
상기 제 2 가교제는 제 2 유기 과산화물을 포함하고, 상기 제 2 유기 과산화물의 비율은, 상기 제 2 고무 성분 100질량부에 대하여 0.5 내지 5질량부이고,
상기 제 1 보강성 무기 충전제의 비율은, 상기 제 1 고무 성분 100질량부에 대하여 10질량부 이하이고,
상기 제 2 보강성 무기 충전제의 비율은, 상기 제 2 고무 성분 100질량부에 대하여 10질량부 이하인, 톱니 벨트. - 톱니포를 형성하기 위한 톱니포 전구체, 제 1 고무층을 형성하기 위한 미가교 고무 시트, 제 2 고무층을 형성하기 위한 미가교 고무 시트가 적층된 예비 성형체를 제작하는 예비 성형 공정을 포함하는 제 1 항 내지 제 6 항 중 어느 한 항에 기재된 톱니 벨트의 제조 방법.
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