JP6312183B1 - 高圧ガス用シール部材に用いられるためのゴム組成物および高圧ガス用シール部材 - Google Patents
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Abstract
Description
また、特許文献4には、水素ガス用シール材として用いられるゴム組成物として、特定の構造を有するシリコーンゴムが記載されている。
このように、広い温度範囲(特に、低温時)においてもシール性を損なわず、さらに、摺動箇所であっても使用できるシール部材が求められている現状がある。
<1>高圧ガスをシールする、高圧ガス用シール部材に用いられるためのゴム組成物であって、前記ゴム組成物中のゴム成分が、ポリブタジエンゴムおよび/またはポリスチレンブタジエンゴムを含み、前記ゴム組成物が、−65℃以下のガラス転移点を有するゴム組成物。
<2>前記高圧ガスは、水素またはヘリウムである前記<1>に記載のゴム組成物。
<3>前記ゴム成分中のブタジエンに由来する構造単位の含有量が、前記ゴム成分に対して、70質量%以上である前記<1>または<2>に記載のゴム組成物。
<4>前記ポリブタジエンゴムが、低シスタイプである前記<1>から<3>のいずれかに記載のゴム組成物。
<5>前記ゴム組成物が、過酸化物加硫体である前記<1>から<4>のいずれかに記載のゴム組成物。
<6>前記ゴム組成物を、アセトンを溶剤として用いて、JIS K 6229(2013)記載のA法に基づきソックスレー抽出したときの抽出物の抽出量が、前記ゴム組成物の10質量%以下である前記<1>から<5>のいずれかに記載のゴム組成物。
<7>前記<1>から<6>のいずれかに記載のゴム組成物を用いて成形された高圧ガス用シール部材。
<8>前記高圧ガス用シール部材が、Oリング、パッキンまたはガスケットのいずれかである前記<7>に記載の高圧ガス用シール部材。
本発明は、高圧ガスをシールする、高圧ガス用シール部材に用いられるためのゴム組成物であって、前記ゴム組成物中のゴム成分が、ポリブタジエンゴムおよび/またはポリスチレンブタジエンゴムを含み、前記ゴム組成物が、−65℃以下のガラス転移点を有することを特徴とするゴム組成物(以下、「本発明のゴム組成物」と記載する場合がある。)に関する。
水素やヘリウムは、他のガスに比べて分子のサイズが小さく、物質を透過しやすいため、シールすることが困難なガスであるが、本発明のゴム組成物は、水素やヘリウムのような分子サイズの小さなガスに対しても優れたシール特性を有する。
一方、シール部材を構成するゴム組成物のガス透過係数が高いものは、シール部材中に溶け込んだガスの放出に際し、低抵抗力・短時間ですむことから、シール部材内部から小さな力を短時間しか受けず、上記破壊は発生しにくい状況となる。
すなわち、ポリブタジエンゴムおよびポリスチレンブタジエンゴムは、ガス透過係数が高いため、急減圧時にシール部材中に溶け込んだガスを低抵抗力・短時間で放出できるため、本発明のゴム組成物は破壊されにくいと推察される。
本発明のゴム組成物中のゴム成分の含有量は、具体的には、JIS K 6226−2(2013)記載の方法により分析された全有機成分からJIS K 6229(2013)記載のA法により求めた溶剤(アセトン)抽出量を差し引いて算出できる。
ポリブタジエンゴム(以下、「BR」と記載する場合がある。)は、共役ジエンモノマーの1,3−ブタジエンが付加重合したポリマーである。すなわち、BRは、ブタジエンに由来する構造単位からなるポリマーである。
ブタジエンに由来する構造単位の結合様式(モノマーの結合様式)により、三種類の幾何異性体(cis−1,4結合(シス)、trans−1,4結合(トランス)、1,2結合(ビニル))が主鎖中に形成され、さらに、1,2結合では不斉炭素原子をもつことから、1,2結合の連鎖が生成した場合、絶対配置の違いで、イソタクチック,シンジオタクチック、アタクチックの三種類の立体規則性(タクティシティ)が発現する。一般的に、ポリブタジエン主鎖中の結合様式はミクロ構造と呼ばれ、これらミクロ構造や立体規則性は重合方法を選択することで制御できる。
なお、高シスタイプのポリブタジエンゴムとは、ポチブタジエン主鎖中のシス含量が90mol%以上のポリブタジエンゴムを意味し、低シスタイプのポリブタジエンゴムとは、ポリブタジエン主鎖中のシス含量が52mol%以下のポリブタジエンゴムを意味する。
また、低シスタイプのポリブタジエンゴムは、ビニル結合含量が低いほど、ガラス転移点も低く、高シス−BRで観察されるシス−1,4結合の結晶化も起こりにくいことから、低シスタイプのポリブタジエンゴム中のビニル結合の含量が低いほど好ましい。
ポリブタジエンスチレンゴム(以下、「SBR」と記載する場合がある。)は、1,3−ブタジエンとスチレンからなるポリマーである。すなわち、ブタジエンに由来する構造単位と、スチレンに由来する構造単位とからなるポリマーである。
SBRは、乳化重合SBRと溶液重合SBRが主として工業化されており、本発明のゴム組成物に含まれるSBRとしては、低温特性の優れた溶液重合SBRが好ましい。
「ゴム成分中のブタジエンに由来する構造単位の含有量」とは、ゴム成分を構成するゴム種が有するブタジエンに由来する構造単位の総量のことである。ブタジエンに由来する構造単位は、ポリブタジエンゴムおよびポリブタジエンスチレンゴムだけでなく、その他のゴム種に含まれていてもよい。
その他のゴム種がブタジエンに由来する構造単位を有する場合には、ゴム成分中のブタジエンに由来する構造単位の含有量とは、ポリブタジエンゴムおよびポリブタジエンスチレンゴムに含有されるブタジエンに由来する構造単位と、その他のゴム種に含有されるブタジエンに由来する構造単位との総量となる。
具体的には、ゴム成分中のブタジエンに由来する構造単位の含有量は、ブタジエンに由来する構造単位の熱分解物であるブタジエンや4−ビニル−1−シクロヘキセンの検出ピークから算出することが可能である。なお、ブタジエンや4−ビニル−1−シクロヘキセンの発生由来はBR、SBR、NBR、液状ゴム等いずれの発生由来のピークであっても構わない。
架橋(加硫)方法は、本発明の目的を損なわない範囲で特に限定されない。
また、ソフトカーボン種であるFEF、GPF、HMFおよびSRFのうち少なくとも1種を含むことがゴムの圧縮永久歪特性のために好ましい。
ハードカーボン種とソフトカーボン種は併用するのが好ましい。
なお、SAF、ISAF、HAF、FEF、GPF、HMF、SRFはいずれも、米国のASTM規格D−1765−82aで分類されたカーボンブラックの略称である。
添加量は、本発明の目的を損なわない範囲で適宜決定すればよいが、高圧ガスに長時間曝露された際に、プロセスオイルが押し出され、ゴム組成物の特性変化が問題になる場合があるため、物性変化に影響を与えにくいゴム組成物または加硫後ゴム組成物中に対して10質量%以下が好ましい。なお、プロセスオイルの量は、ソックスレー抽出(JIS K 6229(2013)記載のA法)により測定できる。
具体的にはアミンーケトン系、芳香族第2級アミン系、イミダゾール系などが好ましい。このような老化防止剤は、老化防止効果に付随して、配合剤としてカーボンブラックを配合する場合に、カーボンブラックの分散効果も高めることから好ましい。
また、高圧ガスに長時間曝露された際に、老化防止剤が押し出され、ゴム組成物の特性変化が問題になる場合があるため、メタクリル基等の反応性官能基を有する不溶出性の老化防止剤が好ましい。
共架橋剤(特に、多官能性不飽和化合物)を使用する場合、ゴム成分100質量部に対して、好ましくは0.1〜20質量部であり、特に好ましくは1〜5質量部である。
また、本発明は、本発明のゴム組成物を用いて成形された高圧ガス用シール部材(以下、「本発明のシール部材」と記載する場合がある。)に関する。本発明のシール部材は、目的に応じて、本発明のゴム組成物をそのまま用いてもよいし、さらに、架橋や成形をして用いてもよい。また、本発明のゴム組成物を単独で用いて成形されたものでもよく、他の材料と組み合わせて用いて成形されたものでもよい。製造方法は、特に限定されず、本発明のシール部材は、従来公知の方法を目的に応じて適宜選択して製造できる。また、高圧ガス用シール部材は、ガスを実質的に漏洩しないようにできればよく、ガスが、タンク等の容器から完全に漏洩しないように密閉する必要はない。
本発明のシール部材としては、具体的には、Oリング、パッキン、ガスケット、ホースなどが挙げられ、好適には、Oリング、パッキンまたはガスケットのいずれかである。
グリースを併用する場合、グリースは特に制限なく、シリコーン系やフッ素系グリースを用いても良い。
バックアップリングと併用する場合、バックアップリングは特に制限なく、既存のフッ素系樹脂(PTFE、PFA、PVDF等)やガラス繊維/フッ素樹脂から成る複合体から作製されたバックアップリングを用いても良い。
実施することも勿論可能であり、それらはいずれも本発明の技術的範囲に包含される。
1.成分
実施例で使用した各成分を以下に列挙する。
(1)ゴム
低シス−BR:Nipol BR1250H(日本ゼオン製)、ジエンNF35R(旭化成製)
溶液重合SBR:タフデン2000R(スチレン量:25wt%)(旭化成製)
NBR:JSR NBR N260S(アクリロニトリル量:15wt%)(JSR製)
液状ゴム:クラプレンLBR−307B(クラレ製)
(2)カーボンブラック
シースト9(東海カーボン製)、シーストS(東海カーボン製)
(3)架橋剤(有機過酸化物)
C−8A(信越化学製、2,5−ジメチル−2,5−ビス(ターシャリーブチルパーオキシ)ヘキサン 80%品)
(4)その他の配合剤
老化防止剤:ノクラックG−1(大内新興化学製)
共架橋剤(多官能性不飽和化合物):NKエステル2G(新中村化学製、ジエチレングリコールジメタクリレート)
プロセスオイル:ダイアナプロセスオイルNS−100(出光興産製)
加工助剤:ステアリン酸
金属酸化物:酸化亜鉛
表1に示す質量部数で各成分を、混練機を用いて混練して、実施例1〜実施例8のゴム組成物を調製した。次に、実施例1〜実施例8のゴム組成物をプレス成形装置にて170℃でそれぞれプレス成形し、測定用サンプルおよびシール部材を得た。
実施例1〜実施例8のゴム組成物およびシール部材の特性を以下のように評価した。
シール部材の硬さを、タイプAデュロメータを用いてJIS K 6253−3(2013)に従って測定した。また、引張強さおよび伸びを、JIS K 6251(2013)に従って測定した。
所定の温度(85℃または−40℃)にて25%圧縮し(圧縮割合はJIS B 2401−1附属書JC(2013)に基づく)、同温度にて24時間保存した後のシール部材の圧縮永久歪を、JIS K 6262(2013)に基づいて測定した。圧縮永久歪は、圧縮温度85℃では、圧縮解放後、室温にて放置し30分後に測定した値である。圧縮温度−40℃では、圧縮解放後、−40℃環境下にて放置し30分後に測定した値である。
シール部材のガラス転移温度を、JIS K 6240(2013)に基づいて、DSCを用いて測定した。測定条件は、窒素流量50mL/min、昇温速度20℃/minである。なお、DSC測定に際しては、事前にJIS K 6240(2013)の附属書JB記載の標準物質(シクロヘキサン)による温度校正、およびJIS K 7122(2014)記載のベースラインの調整を行った。
メーカー記載のSBRのスチレン量およびNBRのアクリロニトリル量およびゴム組成物の配合から計算し、本実施例のゴム組成物におけるゴム成分中のブタジエンに由来する構造単位の質量%を算出した。
まず、(5−1)〜(5−4)の試験を行う前に、ヘリウムの高圧ガスを用いて、評価系にガス漏れやサンプル破損がないことを確認した。評価方法は、水素の変わりにヘリウムを使用した以外は、以下の(5−1)〜(5−4)と同様である。
測定用サンプルは、JIS K 6251(2013)に規定された7号ダンベル形状とした。
事前に室温にて測定用サンプルの1辺を測長(L0)した。
次に、圧力容器(容量100mL)内に測定用サンプルを入れ、90MPa水素に16時間、所定温度(室温または−40℃)にて曝露した後、曝露温度と同温度にて急速(5秒以内)に脱圧を行った。その後、速やかにサンプルを取り出し(室温)、脱圧後10分の測定用サンプルをスケールと共に室温下にて写真撮影した。測定用サンプルとスケールの写真から、測定サンプルの事前測定カ所と同一箇所を測長(L1)し、以下の式に従い、体積膨張率(%)を算出した。
体積膨張率(%) = (L1/L0)3×100
また、撮影後の写真および曝露後の実サンプルの目視にて、ブリスター破壊の有無を観察した。
図1に試験に用いた耐圧試験用装置の断面の模式図を示す。また、ガス供給口および漏洩検知口を有する治具を取り付ける前の装置の写真を図2に、ガス供給口および漏洩検知口を有する治具を取り付ける前の装置の断面の模式図を図3に示す。図1に示すように、本試験で用いた耐圧試験用装置は、Oリングをはめた後、ガス供給口および漏洩検知口を有する治具を取り付けることで、高圧ガスの供給およびガスの漏洩を検知することが可能である。
まず、市販バルブ装置(超高圧水素ガス適応バルブ(フジキン社製バルブ))の弁の軸であるステム部分の既存のOリングの一部を取り外し、既存Oリングの代わりに本実施例のシール部材を装填した。次に、所定の温度(85℃または−40℃)にて90MPaの水素を張ったまま、弁を開閉1000回(開閉でステム1往復で1回)することで、弁の軸であるステムとシール部材間を摺動させ試験を行った。試験中はバルブ内圧力をモニターすることで試験中の水素漏れの有無を評価した。また試験後のシール部材の損傷有無を目視で評価した。温度はシール部材を装填したバルブの筐体表面温度をモニターして調整した。
(5−2)と同じ耐圧試験用装置を用いた。耐圧試験用装置にシール部材を装填し、−65℃にて、常圧と90MPaとの間で水素加減圧サイクルを3回行った。さらに、10分間、90MPaで水素を張ったまま、−65℃にてシール特性を確認した。試験中の水素漏れの有無を圧力センサーにてモニターし評価した。また、試験後のシール部材の損傷を目視で評価した。温度はシール部材を装填した治具表面温度をモニターして調整した。
1.成分
比較例で使用した各成分を以下に列挙する:
(1)ゴム
NBR:JSR NBR N230SL(中高ニトリル、アクリロニトリル量:35wt%)(JSR製) 、JSR NBR N240S(中ニトリル、アクリロニトリル量:26wt%)(JSR製)、JSR NBR N260S(アクリロニトリル量:15wt%)(JSR製)
(2)カーボンブラック
シースト9(東海カーボン製)、シースト3(東海カーボン製)
(3)架橋剤(有機化酸化物)
パークミルD−40(日本油脂製、ジクミルパーオキシド)
(4)その他の配合剤
老化防止剤:ノクラック6C(大内新興化学製)
共架橋剤(多官能性不飽和化合物):TAIC(日本化成)
加工助剤:ステアリン酸
金属酸化物:酸化亜鉛
表2に示す質量部数で各成分を、混練機を用いて混練して、比較例1〜6のゴム組成物を調製した。次に、比較例1〜6のゴム組成物をプレス成形装置にて170℃でそれぞれプレス成形し、測定用サンプルおよびシール部材を得た。
なお、測定用サンプルおよびシール部材の形状は実施例と同じである。
比較例1〜6のゴム組成物およびシール部材の特性(常態物性、ガラス転移点、曝露試験、高圧水素シール性試験)を評価した。
なお、常態物性の測定、ガラス転移点の測定および曝露試験は、実施例と同様にした。
また、比較例のゴム組成物におけるゴム成分中のブタジエンに由来する構造単位の量は、メーカー記載のNBRのアクリロニトリル量およびゴム組成物の配合から計算し算出した。
Claims (7)
- 高圧ガスをシールする、高圧ガス用シール部材に用いられるためのゴム組成物であって、
前記高圧ガスが、1MPa以上の水素またはヘリウムであり、
前記ゴム組成物中のゴム成分が、ポリブタジエンゴムおよび/またはポリスチレンブタジエンゴムを含み、
前記ゴム組成物が、−65℃以下のガラス転移点を有することを特徴とするゴム組成物。 - 前記ゴム成分中のブタジエンに由来する構造単位の含有量が、前記ゴム成分に対して、70質量%以上であることを特徴とする請求項1に記載のゴム組成物。
- 前記ポリブタジエンゴムが、低シスタイプであることを特徴とする請求項1または2に記載のゴム組成物。
- 前記ゴム組成物が、過酸化物加硫体であることを特徴とする請求項1から3のいずれかに記載のゴム組成物。
- 前記ゴム組成物を、アセトンを溶剤として用いて、JIS K 6229(2013)記載のA法に基づきソックスレー抽出したときの抽出物の抽出量が、前記ゴム組成物の10質量%以下であることを特徴とする請求項1から4のいずれかに記載のゴム組成物。
- 請求項1から5のいずれかに記載のゴム組成物を用いて成形された高圧ガス用シール部材。
- 前記高圧ガス用シール部材が、Oリング、パッキンまたはガスケットのいずれかであることを特徴とする請求項6に記載の高圧ガス用シール部材。
Priority Applications (4)
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