JP2006241277A

JP2006241277A - 耐熱複合グリース

Info

Publication number: JP2006241277A
Application number: JP2005057756A
Authority: JP
Inventors: Suketsugu Enomoto; 祐嗣榎本; Morinobu Endo; 守信遠藤
Original assignee: Shinshu University NUC
Current assignee: Shinshu University NUC
Priority date: 2005-03-02
Filing date: 2005-03-02
Publication date: 2006-09-14
Anticipated expiration: 2025-03-02
Also published as: JP5017636B2

Abstract

【課題】熱伝導性と潤滑性を兼ね備えた耐熱複合グリースを提供する。
【解決手段】炭素繊維と二硫化モリブデンとを混合してなる耐熱複合グリースとする。炭素繊維としては例えば繊維径が１ミクロン末端のカーボンナノチューブを用い、炭素繊維と二硫化モリブデンとは体積換算で実質的に同量含むようにする。
【選択図】なし

Description

本発明は、摺動部材に使用されるグリースに関する。

半固体潤滑剤であるグリースは、少量で長期間補給せずに潤滑できる、シール性があり外部からの異物の混入による潤滑不良を防止できるなど、他種潤滑剤に比べて優れた特徴を有する。このため、グリースは、メンテナンス・フリーが要求される場所で多用されている。

しかし、近年、グリースが多用されている機械システム（例えば自動車の電装部品、ＯＡ機器など）では小型高性能化が進み、すべり軸受などの摺動部品の摩擦面がより高面圧化および高速化している。面圧および速度が上昇すると、摩擦熱が大きくなり、グリースが軟化あるいは分解劣化し、その結果、グリースの潤滑性能が低下するという問題が生じる。したがって、グリースの上記特徴を活かしながら、その放熱性を改善する必要がある。放熱性を改善する手法としては、例えば、熱伝導性に優れる炭素繊維をグリースに混合する方法が知られている（例えば、特許文献１参照）。
特開２００２−３３２４９０号公報（特許請求の範囲等）

しかし、上述の従来技術には、次のような問題がある。炭素繊維の持つ優れた熱伝導性を利用すべく、炭素繊維をグリースに混合すると、確かにグリースの熱伝導性が高くなり放熱性が良くなる。しかし、炭素繊維を混合したグリースは、潤滑性が悪く、グリースの優れた特徴を活かすことができなくなるという問題が生じる。

本発明は、上記の問題に鑑みてなされたものであり、熱伝導性と潤滑性を兼ね備えた耐熱複合グリースを提供することを目的とする。

上記目的を達成するために、本発明は、炭素繊維と二硫化モリブデンとを混合してなる耐熱複合グリースとするようにしている。このため、熱伝導性と潤滑性の両機能に優れたグリースとすることができる。グリースは、ウレア系グリース、ファイバグリース、グラファイトグリース等を使用できる。中でも、自動車の電装部品、ＯＡ機器等に多く用いられるウレア系グリースが好ましい。

また、別の本発明は、先の発明における炭素繊維の混合率がグリース全体に対して５〜２０体積％である耐熱複合グリースとしている。特に、炭素繊維の混合率を５〜２０体積％の範囲とすることにより、潤滑性の低下をより小さくし、熱伝導性を向上させることができる。具体的には、炭素繊維の混合率が５体積％以上では熱伝導性の改善がより大きくなり、２０体積％以下では潤滑性の低下をほとんど招かないようにすることができる。

また、別の本発明は、先の発明における炭素繊維と二硫化モリブデンとは、体積換算で実質的に同量含まれる耐熱複合グリースとしている。このため、熱伝導性と潤滑性のバランスにより優れたグリースとすることができる。本来、炭素繊維と二硫化モリブデンの混合量は必ずしも同一でなくても良く、熱伝導性と潤滑性のバランスを見て、用途に応じて各混合比を決定するのが望ましい。ただし、多くの用途においては、できるだけ熱伝導性が高く、かつ潤滑性もできるだけ良好であることが望まれるので、各混合比を実質的に同量とするのが望ましい。ここで、「実質的に同量」とは、両混合比がプラスマイナス２体積％以内であることを意味するものとする。

また、別の本発明は、先の発明における炭素繊維は、その繊維径が１ミクロン未満のカーボンナノチューブである耐熱複合グリースとしている。特に、炭素繊維として、繊維径の細いカーボンナノチューブを採用することによって、潤滑性を低下せずに、熱伝導性を向上させることができる。さらに、少量の混合により熱伝導性の大幅な向上を図ることができる。ここで、カーボンナノチューブは、グラフェンという炭素六角網面がナノレベルの直径を持つ円筒に丸めた中空状のチューブであり、一枚のグラフェンからなる単層カーボンナノチューブ（Single-Walled Carbon Nano Tube: SWCNT）と、複数枚のグラフェンを丸めた径の異なる筒を入れ子状の構造とした多層カーボンナノチューブ（Multi-Walled Carbon Nano Tube: MWCNT）に大別される。本発明では、ＳＷＣＮＴおよびＭＷＣＮＴのいずれを使用しても良い。さらには、両方の混合物を使用しても良い。また、カーボンナノチューブは、アーク放電法、レーザーアブレーション法、プラズマ合成法、化学気相析出（Chemical Vapor Deposition: CVD）法等のいずれの製法により製造されたものでも採用可能である。ただし、量産に有利なＣＶＤ法により製造されたカーボンナノチューブの方が好ましい。

本発明によれば、熱伝導性と潤滑性を兼ね備えた耐熱複合グリースとすることができる。

次に、本発明に係る耐熱複合グリースの実施例について説明する。

（１）試料
表１に示すように、グリースに混合する炭素繊維と二硫化モリブデンの混合比率を変化させた５種類の試料を用意して、性能を比較評価した。表１の数値欄において、かっこ外の数値は体積％を、かっこ内の数値は重量％を、それぞれ示す。

グリースには、ウレア系グリース（出光興産株式会社製のダフリーポリレックスアルファグリース）を用いた。ウレア系グリースは、炭化水素とウレア結合からなり、その構成元素に基油の酸化・劣化の触媒となる金属分あるいは灰分を含まない有機化合物である。ウレア系グリースは、耐熱性耐酸化安定性、長寿命性、耐漏洩性、磨耗防止性、付着性に優れており、製鉄機械、自動車等の輸送機械、建設機械、ＯＡ機器等に広範囲に使用されている。また、炭素繊維には、繊維径約１５０ｎｍで繊維長１０〜２０μｍの気相合成法にて製造したカーボンナノファイバ（Vapor Growth Carbon Fiber: VGCF）（昭和電工株式会社製）を用いた。二硫化モリブデンには、住鉱潤滑剤株式会社製のものを用いた。グリースへの炭素繊維および/または二硫化モリブデンの混合は、既存の混合法を適用できる。

（２）装置および評価条件
（２．ａ）熱伝導特性評価
図１は、表１に示す５種類の試料の熱伝導特性を評価するための装置の概略側面図である。

この装置の構成は、ホットプレート１の上に、真ん中をくりぬいた厚さ約１ｍｍのアクリル樹脂性のリング２をおき、真ん中の穴３に試料（図１の斜線で示す部分）を充填して、上から厚さ約０．２ｍｍの銅板４をのせた構成である。銅板４には、放熱性を良くするためにフィン５が設けられている。フィン５の間には、銅板４に接するように温度計６を備え、間接的に試料の温度変化を測定するようにした。ホットプレート１の温度は６８℃で一定に保持しながら、各試料の温度の経時変化を調べた。

（２．ｂ）潤滑性評価
図２は、表１に示す５種類の試料の潤滑性を評価するための摩擦試験機の概略斜視図である。

潤滑性の評価には、図２に示すボールオンディスク型の摩擦試験機（レスカ株式会社製；ＦＰＲ−２０００）を用いた。この摩擦試験機は、回転できる可動台１０と、可動台１０上の非中央部分に固定した試験片１１の上に接触させるボール１２と、そのボール１２を固定するロッド１３と、ロッド１３にかける荷重を変えるためのリング形状のおもり１４と、おもり１４を通す軸１５と、軸１５と垂直方向に伸び、ロッド１３のフリクション動作を可能に支持する支持プレート１６とから、主に構成されている。

潤滑性の評価において、５種類の各試料は、試験片１１の上表面に塗られ、ボール１２と試験片１１との間に介在する。おもり１４に応じた所定荷重を試験片１１にかけながら可動台１０を回転させると（図２中の黒矢印のように）、試料の潤滑性によって支持プレート１６にかかる負荷が変わる。本実施例では、試験時間に対して上記負荷を測定することによって、各試料の潤滑性を評価した。

試験片１１は、２５ｍｍφ×５ｍｍｔの円板形状を有すると共に、黄銅またはステンレス（ＳＵＳ３０４）の２種類の各材料からなる。試験片１１は、予め＃１００のサンドペーパでランダムなテキスチャリングを施した後、＃１５００のサンドペーパで表面の突起部分を平坦化した。かかる処理によって、試料が摩擦面の凹部に滞留しやすくした。ボール１２には、１０ｍｍφのステンレス（ＳＵＳ３０４）球を用いた。試験時間は４時間とした。荷重は、０．４９Ｎ若しくは４．９Ｎとした。試験片１１とボール１２との接点と、可動台１０の回転中心との間の距離(回転半径）は、９ｍｍとした。評価のサンプリング時間は、０．１秒ごととした。また、試験中の室内は、気温２２（プラスマイナス２）℃、相対湿度４５（プラスマイナス５）％に保たれた。

（３）評価結果および考察
（３．ａ）熱伝導特性評価
図３は、グリースのみ（表１の試料Ｎｏ．１）およびグリースにＶＧＣＦのみを混合した２種類の試料（表１の試料Ｎｏ．２および試料Ｎｏ．４）の時間による温度変化を示すグラフである。また、図４は、グリースのみ（表１の試料Ｎｏ．１）、グリースにＶＧＣＦのみを混合した試料（表１の試料Ｎｏ．２のみ）、グリースに二硫化モリブデンのみを混合した試料（表１の試料Ｎｏ．３）およびグリースにＶＧＣＦと二硫化モリブデンを混合した試料（表１の試料Ｎｏ．５）の時間による温度変化を示すグラフである。なお、図４では、５０℃に達する時間が短い順に、試料Ｎｏ．２（グリース９５＋ＣＮＴ５）、試料Ｎｏ．５(グリース９０＋ＣＮＴ５＋ＭｏＳ２５）、試料Ｎｏ．３(グリース９５＋ＭｏＳ２５）、試料Ｎｏ．１（グリース１００）となっている。また、図３および図４において、「ＣＮＴ」および「ＭｏＳ２」は、それぞれＶＧＣＦおよび二硫化モリブデンを意味する。

図３に示すように、試料Ｎｏ．１、試料Ｎｏ．２および試料Ｎｏ．４の順に、飽和温度に達するまでの時間が短くなることがわかった。また、図４に示すように、ＶＧＣＦのみを５体積％混合した試料Ｎｏ．２と、ＶＧＣＦおよび二硫化モリブデンをそれぞれ５体積％混合した試料Ｎｏ．５とを比較すると、ほとんど変わらない温度変化を示すことがわかった。また、二硫化モリブデンのみを５体積％混合した試料Ｎｏ．３は、２００秒までは、温度上昇率が試料Ｎｏ．２およびＮｏ．５のそれらよりも低かった。この結果は、ＶＧＣＦを混合することによって、温度上昇速度を改善することができ、かつ二硫化モリブデンをさらに混合しても温度上昇速度を低下させないことを意味する。

表２に、各試料の熱伝導度（α）を示す。各熱伝導度は、図３および図４の測定結果と下記の数式とを利用して求めた。

ここで、数式１は一次非定常熱伝導の式から導かれる熱伝導度の式である。式中、ｔ_ａは平衡温度、ｔはある時間経過後の温度、Ｔは無次元温度である。数式１中の無限級数は、π^２αθ／（４Ｌ^２）＞０．５、すなわち、ある程度以上時間が経過してからは急に収束して第２項以下が無視できるようになり、数式２に近似できる。数式２より、αは、ｌｏｇ（４Ｔ／π）とθの傾きに表すことができる。αは、ごく初期および平衡温度付近を除いたデータに対して計算された。

表２の結果から明らかなように、αは、ＶＧＣＦの混合率が高くなるほど大きくなった。例えば、ＶＧＣＦ２０体積％を混合した試料（試料Ｎｏ．４）のαは、グリースのみ(試料Ｎｏ．1）のαの約２倍であった。一方、ＶＧＣＦと二硫化モリブデンを両方混合した試料(試料Ｎｏ．５）のαは、ＶＧＣＦのみを混合した試料(試料Ｎｏ．２）のαとほぼ同じ値となった。この結果は、図４に示す結果と同じである。このことから、ＶＧＣＦの混合によって熱伝導度を大きくすることができ、かつそこに二硫化モリブデンを混合しても熱伝導度を低下させないものと考えられる。

（３．ｂ）潤滑性評価
図５は、グリースのみ（試料Ｎｏ．１：（Ａ））、グリースにＶＧＣＦのみを混合した試料（試料Ｎｏ．２のみ：（Ｂ））、グリースに二硫化モリブデンのみを混合した試料（試料Ｎｏ．３：（Ｃ））およびグリースにＶＧＣＦと二硫化モリブデンを混合した試料（試料Ｎｏ．５：（Ｄ））の、試験片１１に黄銅を用いて０．４９Ｎの荷重を加えたときの摩擦係数の経時変化を示すグラフである。

図５の各グラフに示すように、グリースのみの場合、摩擦係数は０．２から０．４に推移し、摩擦変動も時間が経つにつれて増大した。また、グリースに５体積％のＶＧＣＦを混合した場合には、グリースのみの場合における摩擦係数の平均値と同程度であり、変動幅も大きかった。これに対して、グリースに５体積％の二硫化モリブデンのみを混合した場合には、摩擦係数を０．１以下に下げることができ、かつ変動幅も小さくすることができた。また、グリースに５体積％のＶＧＣＦと５体積％の二硫化モリブデンとを混合した場合には、摩擦係数を０．２以下に下げることができ、かつ変動幅も小さくすることができた。

また、試験片１１に黄銅を用いて４．９Ｎの荷重を加えた場合も同様の傾向が見られた。さらに、試験片１１にステンレス（ＳＵＳ３０４）を用いて、荷重を０．４９Ｎ若しくは４．９Ｎに設定して潤滑性を評価しても、同様の傾向が確認された。また、ＶＧＣＦの混合率を２０体積％に増やした場合でも（二硫化モリブデンを混合する際には、ＶＧＣＦ２０体積％、二硫化モリブデン２０体積％）、ＶＧＣＦの混合率を５体積％とした上述の場合（二硫化モリブデンを混合する際には、ＶＧＣＦ５体積％、二硫化モリブデン５体積％）と同様の傾向が確認された。

このような結果から、グリースに二硫化モリブデンを混合、あるいは二硫化モリブデンとＶＧＣＦを混合することにより、潤滑特性を大幅に改善できると考えられる。先に述べた熱伝導度の結果を併せると、グリースに二硫化モリブデンとＶＧＣＦを混合することによって、熱伝導性および潤滑性にすぐれたグリースができると考えられる。

本発明は、自動車の電装部品、ＯＡ機器の他、宇宙環境で使用される機器あるいは原子力関連機器の摺動部材において実施可能である。

本発明の実施の形態にかかる耐熱複合グリースの熱伝導特性を評価するための装置の概略側面図である。本発明の実施の形態にかかる耐熱複合グリースの潤滑性を評価するための摩擦試験機の概略斜視図である。本発明の実施の形態にかかる耐熱複合グリースの時間による温度変化を示すグラフである。図３と一部異なる試料群の時間による温度変化を示すグラフである。本発明の実施の形態にかかる耐熱複合グリースを使用し、試験片に黄銅を用いて０．４９Ｎの荷重を加えたときの摩擦係数の経時変化を示すグラフである。

Claims

炭素繊維と二硫化モリブデンとを混合してなることを特徴とする耐熱複合グリース。
前記炭素繊維の混合率がグリース全体に対して５〜２０体積％であることを特徴とする請求項１に記載の耐熱複合グリース。
前記炭素繊維と前記二硫化モリブデンとは、体積換算で実質的に同量含まれていることを特徴とする請求項１または２に記載の耐熱複合グリース。
前記炭素繊維は、繊維径が１ミクロン未満のカーボンナノチューブであることを特徴とする請求項１から３のいずれか１項に記載の耐熱複合グリース。