JP5642756B2 - シール部材 - Google Patents
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Description
このような樹脂材料の用途としては、例えば、油圧式の無段変速機(Continuously VariableTransmission、以下、「CVT」という。)用のシール部材(シールリング)が挙げられる。油圧式CVTでは、油圧室の油圧によりプーリの溝幅を相関的に変化させ、プーリの直径を変えることにより変速を無段階に変化させている。通常、駆動用の軸に固定プーリが一体形成され、この軸に沿って往復動するハウジングに可動プーリが形成されている。可動プーリには油圧室が設けられ、油圧室の油圧を制御することにより、可動プーリが固定プーリに離接する。これにより、両プーリに形成される溝部の幅を増減して、プーリに巻き掛けられたベルトの回転半径を増減させ、動力を伝達して、変速比を変化させる。油圧室に油を満たし、油圧を生じさせるために、軸の外周面に形成される軸溝には、樹脂製のシールリングが装着される。
CVTでは、エンジン停止時には、オイルポンプが停止するため、油圧が発生せず無負荷となる。従来のシールリングでは、油圧の発生している状態では、十分なシール性が得られるが、無負荷状態では、ハウジング内周面との密着性が失われ、油圧室の油が抜けてしまう。このような状態で、エンジンを再起動すると、油圧室に油が充填されるまでに時間を要する。また、油圧室に油が充填されていない状態で起動すると、CVTの回転部に焼き付きによる損傷が生じる恐れがある。そのため、油圧のない無負荷の状態においても油圧室からの油漏れを低減できるシールリングが求められている。
このような従来の組合せシールリングでは、Oリング6と樹脂リング7を潰し込んで、溝底8とハウジング4の内面4aとの間の隙間に装着するため、その後、Oリング6と樹脂リング7が装着された軸3をハウジング4に挿入する際の組み付け抵抗が大きく、圧入装置を導入してハウジング4を組み付ける必要があった。そのため、製造コストが増加し、シールリングの組み付け不具合も検知できないという問題があった。そこで、上記組合せシールリングの装着性やコスト面での問題点を解決するため、1本型シールリングでの対応が求められている。
例えば、特許文献1には、CVTに適用可能な樹脂組成物として、PTFE系樹脂に所定のDBP吸収量を有するカーボンブラックを配合した組成物が開示されている。この組成のシールリングでは、吸油した際に膨張して、高温時のクリープ変形によるシールリングの径方向等の隙間を補填し、低温シール性が改善できるため、油圧装置の運転開始直後の低温時でも優れたシール性があることが記載されている。また、特許文献1のシールリングは、CVT等の高面圧用であるため、耐摩耗性及び耐クリープ性等の向上を目的として、炭素繊維やグラファイトを配合できることも示されている。
しかし、CVT用等のシールリングには、より高温域における耐クリープ特性が求められ、特許文献2の組成では十分な性能を得ることは困難と考えられる。高温クリープ特性を向上させるためには、充填材を添加して、樹脂組成物の硬度を上げることが有効と考えられる。特許文献2の組成物には、ガラス繊維、マイカ、タルク、炭酸カルシウム等の充填材を添加できることも示されている。しかし、前記充填材の添加により、硬度を上げると、相反特性である弾性復元率が低下するため、耐クリープ特性を向上させることはできても、十分なシール特性を得られない可能性がある。
本発明の樹脂組成物は、ゴム成分、熱可塑性樹脂、及びアラミド繊維を含有する混合物からなる。ゴム成分、及び熱可塑性樹脂を含有する樹脂組成物に、アラミド繊維を分散させることにより、広い温度範囲において優れた弾性復元率を維持しつつ、樹脂組成物の硬度を大幅に向上させることができる。このように、本発明の樹脂組成物は高硬度であるため、高温下でのクリープ強度の低下を抑制でき、かつ広い温度範囲において優れた弾性復元率を維持できるため、高温高圧下で長時間使用した後でも、変形又は破断することなく、優れたゴム弾性を維持することができる。そのため、本発明の樹脂組成物から構成されるシール部材は過酷な使用条件下でも長期にわたり優れたシール特性を維持することができる。
本発明に用いるアラミド繊維のアラミドは、特に限定されず、ポリ(パラ−フェニレンテレフタルアミド)、ポリ(パラ−ベンズアミド)、ポリ(パラ−アミドヒドラジド)、ポリ(パラ−フェニレンテレフタルアミド−3,4−ジフェニルエーテルテレフタルアミド)、ポリ(4,4’−ベンズアニリドテレフタルアミド)、ポリ(パラ−フェニレン−4,4’−ビフェニレンジカルボン酸アミド)、ポリ(パラ−フェニレン−2,6−ナフタレンジカルボン酸アミド)、ポリ(2−クロロ−パラ−フェニレンテレフタルアミド)、コポリ(パラ−フェニレン−3,4’−オキシジフェニレンテレフタルアミド)等のパラ系アラミドが挙げられる。アラミド繊維の市販品としては、東レ・デュポン株式会社製「ケブラー」等が挙げられる。
前記アラミド繊維を後述するゴム成分及び熱可塑性樹脂を含む樹脂組成物に分散させることにより、優れた弾性復元率を維持しつつ、樹脂組成物の硬度を向上させることができる。ここで、樹脂組成物全体に対するアラミド繊維の含有量は3.0〜10.0質量%が好ましく、3.0〜7.0質量%がより好ましい。アラミド繊維を前記範囲で含有させることにより、より高い硬度及び弾性復元率を有する樹脂組成物が得られる。アラミド繊維の含有量が、3.0質量%未満では十分な硬度を得られない可能性があり、一方、10.0質量%を超えると弾性復元率が低下する可能性がある。
また、本発明において、樹脂組成物に含有させるアラミド繊維の繊維長さは0.5mm〜5.0mmが好ましく、1.0mm〜3.0mmがより好ましい。アラミド繊維の繊維長さを前記範囲とすることにより、より少ないアラミド繊維の添加により、樹脂組成物の硬度と引張強度を十分向上させることができるため、優れた弾性復元率を実現することができる。
本発明においては、後述するゴム成分、熱可塑性樹脂、及びアラミド樹脂が高分散していることが好ましく、樹脂組成物の各成分の分散性を向上させることにより、得られる樹脂組成物の機械的強度、耐クリープ特性をさらに向上させることができる。このような樹脂組成物では、使用時の油圧による変形や亀裂の発生により生じる樹脂組成物の破断(キレ)を効果的に防止することができる。
さらに、本発明の樹脂組成物の引張破断強度は、3MPa以上であることが好ましい。A硬度及び引張破断強度を前記範囲とすることにより、圧縮及び引張の両方向からのクリープ変形をより効果的に抑制することができる。引張破断強度は4MPa以上が好ましく、5MPa以上がより好ましい。また、本発明の樹脂組成物の伸び率は、15%以上であることが好ましい。延び率を前記範囲とすることにより、使用時の油圧による変形や亀裂の発生により生じる樹脂組成物の破断(キレ)を効果的に防止することができる。
A硬度や弾性復元率の値は、熱可塑性樹脂及びアラミド繊維の種類や添加量等により制御することができる。A硬度と弾性復元率は、相反する特性であるため、通常は、A硬度を向上させると、弾性復元率が低下する傾向がある。しかし、本発明の樹脂組成物では、アラミド繊維の添加により、ゴム成分及び熱可塑性樹脂を含有する樹脂組成物の優れた弾性復元率を維持しつつ、A硬度を大幅に向上させることができる。
ゴム成分、熱可塑性樹脂及びアラミド繊維を高分散することにより、射出成形性、機械的強度、耐クリープ特性及び高温下でのゴム弾性をさらに向上させることができる。
架橋ゴムとしては、天然ゴム、合成イソプレンゴム(IR)、フッ素ゴム、ブタジエンゴム(BR)、スチレン−ブタジエンゴム(SBR)、クロロプレンゴム(CR)、アクリロニトリル−ブタジエン共重合ゴム(NBR)、ブチルゴム(IIR)、ハロゲン化ブチルゴム、ウレタンゴム、シリコーンゴム、アクリルゴム等を挙げることができる。これらの架橋ゴムのうちから1種を用いることもできるが、2種以上を混合して用いることもでき、後述する熱可塑性エラストマーや動的架橋樹脂と併用することもできる。
熱可塑性エラストマーとしては、ポリエステル系エラストマー、ポリオレフィン系エラストマー、フッ素系エラストマー、シリコーン系エラストマー、ブタジエン系エラストマー、ポリアミド系エラストマー、ポリスチレン系エラストマー、ウレタン系エラストマー等が挙げられる。これらの熱可塑性エラストマーのうちから1種を用いることもできるが、2種以上を混合して用いることもできる。射出成形性及び耐熱性の観点から、上記熱可塑性エラストマーの中でも、ポリエステル系エラストマー及びポリアミド系エラストマーが好ましい。
ポリエステル系エラストマーの市販品としては、東レ・デュポン株式会社製「ハイトレル」、東洋紡績株式会社製「ペルプレン」、及び三菱化学株式会社製「プリマロイ」等が挙げられ、ポリアミド系エラストマーの市販品としては、ARKEMA社製「ペバックス」、宇部興産株式会社製「UBESTAXPA」等が挙げられる。
動的架橋樹脂は公知の方法で製造することができる。例えば、予め未架橋のゴム成分中に架橋剤を混合し、2軸押出機を用いて、熱可塑性樹脂成分と未架橋のゴム成分を溶融混練することにより、ゴム成分の分散と架橋を同時に行うことができる。このような動的架橋樹脂は市販品として入手することもできる。例えば、ポリエステル樹脂中にアクリルゴムが分散した動的架橋樹脂の市販品としては、デュポン社製「ETPV」、日油株式会社製「ノフアロイ」(TZ660−7612−BK、TZ660−6602−BK等)等が挙げられる。また、ポリアミド樹脂中にアクリルゴムが分散した動的架橋樹脂の市販品としては、日本ゼオン株式会社製「ゼオサーム」等が挙げられる。
シール部材を構成する樹脂組成物全体の質量に対して、ゴム成分の含有量は、60質量%〜95質量%とするのが好ましく、80質量%〜95質量%とするのがより好ましい。ゴム成分の含有量を前記範囲に規定することにより、樹脂組成物の圧縮永久歪がより小さくなり、長期に亘りより優れたシール特性が得られる。
シール部材を構成する樹脂組成物全体の質量に対して、熱可塑性樹脂の添加量は、5質量%〜40質量%とするのが好ましく、5質量〜20質量%とするのがより好ましい。この範囲で熱可塑性樹脂を添加することにより、シール部材の機械的強度及び耐クリープ特性が向上し、加圧条件下で長時間使用後も、優れたシール特性を維持でき、PV値がより高い領域での使用も可能となる。
アラミド繊維とその他の繊維状充填材との併用により、シール部材の機械的強度及び耐クリープ特性がさらに向上し、よりPV値が高い領域でも使用できる可能性がある。前記有機及び無機充填材の中でもカーボンナノチューブが好ましい。カーボンナノチューブは、繊維状無機充填材として補強機能を発揮するのみならず、後述する充填材と同様、摺動特性を向上させるための充填材としても有効である。
アラミド繊維以外の充填材の添加量は、シール部材を構成する樹脂組成物全体の質量に対して、3質量%〜20質量%とするのが好ましい。また、充填材として、カーボンナノチューブを添加する場合、その添加量は、シール部材を構成する樹脂組成物全体の質量に対して、1質量%〜10質量%とするのが好ましい。この範囲で、充填材を添加することにより、優れた機械的強度及び摺動特性が得られ、長期にわたりより優れたシール特性を維持できる。
本発明の樹脂組成物をCVT用シールリングとして用いる場合、無負荷状態における油漏れを確実に防止するため、合口を有しないエンドレスタイプのシールリングを採用するのが好ましい。本発明の樹脂材料は柔軟性があるため、エンドレスタイプとしても装着性に優れ、1本型とすることによりさらに装着が容易となる。一方、用途等によっては合口を設けることもできる。この場合の合口形状は特に限定されず、直角(ストレート)合口、斜め(アングル)合口、段付き(ステップ)合口の他、ダブルアングル合口、ダブルカット合口、トリプルステップ合口等公知の合口を採用することができる。
(実施例1)
ゴム成分としてポリエステル樹脂/アクリルゴム系動的架橋樹脂、熱可塑性樹脂としてポリフッ化ビニリデン樹脂、充填材として繊維長さが3mmのアラミド繊維を用い、リードとニーディングディスクを組み合わせたφ92mmのスクリューが設置された2軸押出機で混合した。ここで、ポリエステル樹脂/アクリルゴム系動的架橋樹脂、ポリフッ化ビニリデン樹脂及びアラミド樹脂を、それぞれサイドフィーダーにて供給し、温度240℃、スクリュー回転数200rpmのせん断条件で混合してペレットを得た。なお、ポリエステル樹脂/アクリルゴム系動的架橋樹脂とポリフッ化ビニリデン樹脂は、市販品を用い、質量比(ポリエステル樹脂/アクリルゴム系動的架橋樹脂:ポリフッ化ビニリデン樹脂)は90:10とした。また、アラミド繊維の添加量は、樹脂組成物全体に対して、10質量%とした。得られたペレットを射出成型し、各種測定試料を作製し、以下の方法で、表面硬度(A硬度)、及び弾性復元率を測定し、耐屈曲試験を行った。結果を表1に示す。なお、A硬度及び弾性復元率は、後述する充填材を加えていない比較例1の値を100として相対比で表した。また、耐屈曲試験の結果は、以下に示す基準で、◎、○、△、又は×で表した。
アラミド繊維の繊維長さを、0.5mm(実施例2)、1mm(実施例3)、5mm(実施例4)及び7mm(実施例5)とした他は実施例1と同様に、測定試料を作製した。それぞれの試料の表面硬度(A硬度)、及び弾性復元率を測定し、耐屈曲試験を行った。結果を表1に示す。なお、A硬度及び弾性復元率は、後述する充填材を加えていない比較例1の値を100として相対比で表した。また、耐屈曲試験の結果は、以下に示す基準で、◎、○、△、又は×で表した。
アラミド繊維の含有量を樹脂組成物全体に対して、2質量%(実施例6)、3質量%(実施例7)、5質量%(実施例8)、7質量%(実施例9)及び12質量%(実施例10)とした他は実施例1と同様に、測定試料を作製した。それぞれの試料の表面硬度(A硬度)、及び弾性復元率を測定し、耐屈曲試験を行った。結果を表1に示す。なお、A硬度及び弾性復元率は、後述する充填材を加えていない比較例1の値を100として相対比で表した。また、耐屈曲試験の結果は、以下に示す基準で、◎、○、△、又は×で表した。
アラミド繊維を添加しなかった他は実施例1と同様に、測定試料を作製した。それぞれの試料の表面硬度(A硬度)、及び弾性復元率を測定し、耐屈曲試験を行った。結果を表1に示す。なお、A硬度及び弾性復元率は、本比較例1の値を100として、実施例及びその他の比較例の値を相対比で表した。また、耐屈曲試験の結果は、以下に示す基準で、◎、○、△、又は×で表した。
アラミド繊維に変えて炭素繊維を用いた他は実施例1と同様に、測定試料を作製した。それぞれの試料の表面硬度(A硬度)、及び弾性復元率を測定し、耐屈曲試験を行った。結果を表1に示す。なお、A硬度及び弾性復元率は、比較例1の値を100として相対比で表した。また、耐屈曲試験の結果は、以下に示す基準で、◎、○、△、又は×で表した。
アラミド繊維に変えてガラス繊維を用いた他は実施例1と同様に、測定試料を作製した。それぞれの試料の表面硬度(A硬度)、及び弾性復元率を測定し、耐屈曲試験を行った。結果を表1に示す。なお、A硬度及び弾性復元率は、比較例1の値を100として相対比で表した。また、耐屈曲試験の結果は、以下に示す基準で、◎、○、△、又は×で表した。
アラミド繊維に変えてグラファイト(平均粒径:2μm)を用いた他は実施例1と同様に、測定試料を作製した。それぞれの試料の表面硬度(A硬度)、及び弾性復元率を測定し、耐屈曲試験を行った。結果を表1に示す。なお、A硬度及び弾性復元率は、比較例1の値を100として相対比で表した。また、耐屈曲試験の結果は、以下に示す基準で、◎、○、△、又は×で表した。
JIS K7215に基づき、ショアA硬度を測定した。
(弾性復元率の測定)
実施例1〜10及び比較例1〜4の樹脂組成物を射出成形して、厚さ2.0〜5.0μmのシートを作製した後、直径φ2.0mm、高さ1.0〜3.0mmの円柱状に切り出して測定試料とした。エスアイアイ・ナノテクノロジー株式会社製熱機械分析装置を用い、昇温法により、空気中で、昇温速度10℃/分で150℃まで昇温した。その後、温度を150℃に保持しながら、負荷速度0.32MPa/分で、0.47MPaまで荷重を上げ、0.47MPaで、5分間保持した後、0.031MPa/分で除荷した時の応力及び歪みを測定した。得られた値を用いて弾性復元率を算出した。
(引張破断強度及び伸び率の測定)
JIS K7162に基づき、引張破断強度と伸び率を測定した。
(耐屈曲試験)
実施例1〜10及び比較例1〜4の樹脂組成物を射出成形して、合口のないリング状の測定試料を作製した。得られた試料を屈曲試験器に垂直に設置し、垂直方向に荷重をかけ、垂直高さを25mmから7mmとした後、7mmから25mmに戻す屈曲を1分間に300回繰り返した。試験後の試料の亀裂の有無及び亀裂の最大長さを顕微鏡で確認した。ここで、亀裂が認められなかったものを◎、最大長さが5μm以下の微小亀裂が認められたものを○、最大長さが5μm超え、40μm以下の小さい亀裂が認められたものを△、試料が破断したもの、及び最大長さが40μmを超える大きな亀裂が認められたものを×とした。
一方、繊維長さ3mmのアラミド繊維を樹脂組成物全体に対して10質量%添加した実施例1では、弾性復元率は比較例1に近い値を維持したまま、A硬度が28%も上昇することがわかった。実施例1では、屈曲試験後も微小な亀裂がわずかに認められたのみで、耐クリープ特性、弾性及び機械強度に優れた樹脂組成物であることが確認された。
アラミド繊維の繊維長さを0.5mm〜7mmの範囲で変えた実施例1〜5の結果より、繊維長さの短いアラミド繊維を添加すると弾性復元率を維持しつつ、A硬度を上げられることがわかった。繊維長さを長くするとA硬度は上昇するが、弾性復元率が低下する傾向が認められた。アラミド繊維の繊維長さは、0.5mm〜5.0mmであることが好ましく、1.0m〜3.0mmであることがより好ましい。
アラミド繊維の添加量を2質量%〜12質量%の範囲で変えた実施例1及び6〜10の結果より、アラミド繊維の添加量が少ないときは、弾性復元率を維持しつつ、A硬度を上昇させることができることがわかった。アラミド繊維をさらに増加させるとA硬度は上昇するが、弾性復元率が低下する傾向が認められた。アラミド繊維の含有量は、樹脂組成物全体に対して、3.0質量%〜10.0質量%であることが好ましく、3.0質量%〜7.0質量%であることがより好ましい。
なお、スクリュー回転数を200rpmから100rpmに低減させて、同様に樹脂組成物を作製して、評価した結果、アラミド繊維を添加する効果は認められた。しかし、機械的強度、耐クリープ特性及び弾性復元率は、前記実施例の値には及ばす、高分散による効果が確認された。
Claims (6)
- ゴム成分、熱可塑性樹脂、及び含有量が2質量%〜12質量%の、繊維長さが0.5mm〜7mmのアラミド繊維を含有する樹脂組成物を用いたことを特徴とするシール部材。
- 前記アラミド繊維の繊維長さが、0.5mm〜5.0mmであることを特徴とする請求項1に記載のシール部材。
- 前記樹脂組成物全体に対する前記アラミド繊維の含有量が、3.0質量%〜10.0質量%であることを特徴とする請求項1又は2に記載のシール部材。
- 表面A硬度が70以上で、かつ150℃における弾性復元率が70%以上であることを特徴とする請求項1〜3の何れかに記載のシール部材。
- 前記ゴム成分が、アクリルゴムであることを特徴とする請求項1〜4の何れかに記載のシール部材。
- 前記熱可塑性樹脂が、ポリフッ化ビニリデンであることを特徴とする請求項1〜5の何れかに記載のシール部材。
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