JPS5920703B2 - 高圧発生装置用ガスケツト材の製造方法 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 この発明は、高圧発生装置の圧力を封止するガスケット
に関し、特に従来品より安価なガスケット材料を提供す
ることを目的とする。

人造ダイヤモンドや立方晶窒化硼素＆Ｌ超高硬度材料と
して工業的にきわめて重要なものであるが、これらの合
成は、およそ５００００気圧以上という超高圧条件下で
行なわれる。

このような目的に使用される高圧発生装置には、多種類
あるが、圧力発生機構としては、いずれも固体圧力媒体
およびその中心部に設けられた試料よりなる組立物を圧
力容器内に充填し、１つ以上のアルビルによつてこれを
圧縮し高圧力を発生させるものである。試料５００００
気圧以上を発生させるためにＩＩＬアンビル先端に５０
０ｋｇ／ｍｗＬ以上の圧縮応力が発生する。工業材料の
中で最も圧縮強度の高い超硬合金がアルビルに使用され
ているが、その圧縮強度は高いものでも５０Ｏｋｇ／一
程度であり、人造ダイヤモンドや立方晶窒化硼素を合成
する圧力を発生させるのには強度が不足している。そこ
でいずれの高圧発生装置も設計的に強度不足を補う工夫
がなされている。その１つは、アンビル先端よりも外側
を大きくしてアンビル側面をテーパにし、質量支持効果
によつて補強するものである。もう１つはアンビル側面
に圧力を作用させてアンビルを３軸圧縮応力状態にし強
度不足を補う横支持効果の方法である。そして従来のい
ずれの高圧発生装置においてもこの２つの効果が組合せ
活用されている。側面がテーパとなつたアンビルで金型
内の充填物を圧縮し、高圧力を発生させるためには、ア
ンビルと金型、あるいはマルチアンビル装置においては
アンビル相互の間に圧縮ストロークに見合うすき間を設
けておく必要があり、このすき間部分に設置され、中心
に発生した高圧力を封止するものがガスケットである。

ガスケットに要求される機能は前述のように圧力封止効
果が最も重要であるが、他にも重要なものがある。

封止圧力の反力は、アンビルあるいは金型の封止部分に
加わり、アンビルや金型に前記横支持効果を与える。こ
の場合集中応力を避けるために、なだらかな圧力分布を
与える必要がある。また、圧力封止効果が強すぎると、
アンビルのストロークを妨害し、目的とする試料部分を
圧縮できなくなる。このようにガスケット材料には圧力
封止効果という「剛」の特性と、なだらかな圧力分布で
アンビルや金型を支持し、かつアンビルのストロークを
確保するという「柔」の特性の両方が要求されており、
「可縮性ガスケツト（コンプレツシブルガスケツト）］
とも呼ばれている。

相反する特性を合せ持つガスケツト用材料は少なく、現
在用いられているものはパイロフイライト、紙、テフロ
ン、アスベスト系などであるが、これらのうちバイロフ
イライトが最も一般的に使用されている。

バイロフイライトはＳｉＯ４−４の平面重合層を骨格と
し、この層間を−０Ｈ基が結合した結晶構造を持つ岩石
で、−０Ｈ基で結合している層間の結合力が比較的弱い
ために、適度の圧縮姓を持つているのが広く使用されて
いる理由である。

パイロフイライトは葉ろう石とも呼ばれ日本国内でも産
出されるが性状が安定せず国内品は使用されていない。
一般に用いられているのはアフリカ産で、塊状で輸入さ
れている。高圧発生装置に使用する場合には、この塊状
体から機械加工によつて部品を削り出し、必要な場合に
はこれを数百度の温度で暁成する。パイロフイライトは
ガスケツトだけではなく、圧力媒体や試料容器にも用い
られており、高圧発生装置には欠くことのできない材料
である。しかしその価格は３０×３０×６０（ｍの角材
が２０万円以上もする高価な材料であり、塊状体からの
切削加工で部品を製作するために歩留りが悪く、しかも
一回しか使用できない消耗品であるという点に大きな問
題があつた。そこで圧力媒体や試料容器を切削加工する
際に出る切削粉を固めてガスケツトに適用できれば著し
く安価なガスケツトが得られるようになる。

このような観点からパイロフイライト粉末の圧粉成型ガ
スケツトが試みられており、パイロフイライト粉末にポ
ルトランドセメントと水を添加混合し、圧粉成型後７０
０℃以下の温度で加熱処理を行う方法などもすでに提唱
されている。しかしこの方法では圧粉成型後硬化するま
での間、成型体の強度が弱く、取扱い中に欠損したり、
また複雑形状のガスケツトを成型できないという欠点が
あつた。

さらに、ダイヤモンドや立方晶窒化硼素を合成する場合
には、試料中、あるいは試料容器の外側に設けた発熱体
に通電し、およそ１５００℃以上の温度に加熱するが、
アンビルや金型が高温にならないように水で冷却してい
る。

この場合ポルトランドセメントで結合したパイロフイラ
イトは透水性があり、通水によつて封止能力が低下する
傾向がある。この発明はこのような従来の高圧装置用ガ
スケツトの問題点に鑑みなされたもので、パィロフィラ
イト粉末などに熱硬化性樹脂の液体を添加混合してその
粘着性により圧粉成型性を改善し、さらに室温〜３００
℃で樹脂を硬化させ強度が大きくかつ耐水性に富むガス
ケツトを得ることを目的としている。

以下この発明を図面を参照して詳述すると、エポキシ、
不飽和ポリエステルなどの熱硬化性樹脂は二液性の接着
剤として工業的に広く用いられている。

樹脂材料と硬化剤を混合し室温に放置すると硬化し、硬
化速度は硬化剤の添加量によつて異なる。また加熱する
と硬化速度は著しく大きくなる。硬化した樹脂の強度は
大きく９００〜２０００１＜９／Ｃｄ程度である。この
ような結合剤をバィロフイライト粉末に添加すると、硬
化前は粘結性を与えて圧粉成型性を改善し、成型後硬化
して成型体の強度を向上し、かつ耐水性を附与すること
ができる。高圧装置用ガスケツトの強度は、塊状体とし
ての強度とは異る。

圧縮性ガスケツトとして作用している時、ガスケツトは
連続的に圧壊しながら圧縮され、塊状固体としてよりむ
しろ圧粉体として考えるのが適当である。したがつてそ
の強度は粉体の塑性力学によつて評価する必要がある。

クーロンは粉体のせん断強度力冥１）式のように表現で
きることを明らかにした。

すなわち粉体のせん断強度は、垂直圧力Ｐに比例し、固
有の値とはなり得ない。

粉体の材料的特性は定数ＴａｎφとＣに盛り込まれてお
り、！ｍφは内部摩擦係数、φは内部摩擦角、Ｃは粘着
力と呼ばれる。高圧装置用ガスケツトの場合、Ｐは例え
ば３００ｋｇ／Ｍｄ（３００００気圧）以上と著しく高
い為にＰｔａｎφと較べてＣは十分に小さく無視でき、
従つて材料の種類に依存する内部摩擦係数Ｔａｎφの大
小がガスケツトのせん断強度つまり圧力封止性能の大小
に反映することになる。内部摩擦係数が大きい程圧力封
止能力は大きく反面可縮性能（コンプレツシビリテイ）
に乏しいということになる。パイロフイライトは適当な
大きさの内部摩擦係数を持つた材料と言うことができる
。しかしながら理論的に正しい内部摩擦係数の測定法は
未確立であり、材料特性を定量的に評価するうえで従来
問題があつた。そこで実際高圧発生装置に使用してみて
経験的にその良否を判定するということが従来の一般的
方法であつた。発明者らは、粉体の塑性力学を用いて内
部摩擦係数の測定法を確立した。

それによると、第１図に示すような対向するアンビル１
及び２間に測定しようとする材料３を充填し圧縮する。
この時平均面圧Ｆとアンビル１，２間のすき間Ｈを測定
することによつて内部摩擦係数Ｔａｎφが測定できるこ
とがわかつた。すなわち（２）式で示される。

２γｏはアンビルの先端径でテストに使用したものは先
端径１４．５ｍｍである。

アンビル先端の面積で荷重を割つた平均面圧Ｆ，，Ｆ２
として５０．３、１００．４５ｋｇ／Ｍｄをとり、この
ときのアンビルする間Ｈｌ，Ｈ２を測定した。各種セラ
ミツク材料に上記測定法を適用した結果、高圧装置のガ
スケツト材として使用したときの特性と（２）式の内部
摩擦係数がより一致をすることが明らかになつている。
＊ｊ（ そこでこの発明方法により得られたガスケツト
材料を（２）式の内部摩擦係数でまず評価し、実際に高
圧発生装置に適用した例を次に説明する。アフリカ産パ
イロフイライトを用い機械加工により、直径２５ｍｍ１
厚さ２．７ｍｍの円板状試料を作成し、さらに」部のも
のは７００℃で３０分の加熱処理を施した。パイロフイ
ライトの粉末成型品をζ まず切削粉から４０メツシユ
以下の粉末をふるい出し、その］はさらに８００℃で３
０分の加熱処理を行い原料とした。日本チバガイギ一株
式会社製エポキシ樹脂（アラルダイトＡＹ−１０３）と
硬化剤（ハードナ一ＨＹ−９５１）を重量で１０対１の
割合で混合したものを前記パイロフイライト粉末原料１
００重量部に対してＯ〜２０重量部添加し、造粒機で５
分間混合し、直ちに面圧２ｔ０ｎ／ｄで直径２５ｍｍ厚
さ２６〜２８ｍｍの円板状試料に冷間成型した。

圧粉成型試料は室温で３０時間、１００℃で１時間、２
８０℃で１時間の硬化処理をした。第１表は、このよう
にして製作した試料について、前記方法により測定した
内部摩擦係数を示したものである。

第１表から容易に明らかなように、パイロフイライトの
内部摩擦係数は、プロツク状の機械加工門品であつても
、粉末成型品であつても本質的に差がなく、また両者と
も加熱すると内部摩擦係数を増す。

しかし、パイロフイライト粉末は成型性にしく現実の高
圧装置用ガスケツトのような複雑形状のものを成型する
ことは困難である。また成型ノ できたにしても、手で
持つだけで壊れるほど弱い。これに対してエポキシを添
加した場合には、成型性は著しく改善され、さらに硬化
処理をしたのちは、切削加工も可能な程度の強度を発揮
する。例えば８００℃×３０分の加熱をしたパイロフイ
ライト粉末１００重量部にエポキシを５および１０重量
部添加成型し、２８０℃×１時間の硬化処理をしたもの
は、それぞれ圧縮強度３００ｋｇ／Ｃｄ、９００ｋｇ／
Ｃｉ！ｉを示した。一方、内部摩擦係数は２８０℃まで
の範囲では、硬化処理温度が高いほど大きく、またエポ
キシの添加量が少ないほど大きい傾向にある。これはパ
イロフイライトよりもエポキシの内部摩擦係数が小さい
ために、エポキシの硬化が不十分なほど、またその量が
多いほど全体としての内部摩擦係数が小さくなることを
意味している。

パイロフイライトに対するエポキシ添加量５／１００の
ものはその量が少ない為に内部摩擦係数は機械加工品と
比較して差はない。しかし１０／１００のものは機械加
工品よりも若干内部摩擦係数は低下する。２０／１００
のもの頃 ２ｔ０ｎ／ｃ！Ａという条件の金型成型では
、エポキシの結合相液体がしみ出し、十分な成型はでき
なかつた。

しかし、液圧を利用するラバープレスなどの方法を採用
すればもちろん良好な成型は可能である。この場合、内
部摩擦係数はかなり低下することが予想される。エポキ
シの液体は、水と比較して粘性が大きく５／１００以下
の添加量では十分均一に混合することが困難であり、こ
の場合には、より低粘度のもの例えばアラルダイトＣＹ
−２３２などを用いる方が好ましい。必要ならアセトン
などの溶剤を少量添加し、混合しやすくすることもでき
る。

しかし、アセトンなどを添加すると、硬化能が低下する
こともあるので、その量は最小限とし、かつ２８０℃×
１時間程度の高温の硬化処理を採用すべきである。内部
摩擦係数を大きくするためには、硬化剤の量は多めの方
がエポキシの硬化能が増す。しかし、室温でも３０分程
度でゲル化が開始するので作業性が低下する。実施例の
配合では混合したのち２〜３時間は不都合なく成型でき
、またその性能も変らなかつた。また５／１００の比率
でエポキシを添加し、成型後２８０℃×１時間の硬化処
理をした試料を２４時間水中に浸漬後水から取出し表面
の水分をふき取つて重量を調べたところ、水中浸漬前と
比較して２％ほど重量増加した。

成型体の比重から推定するとおよそ１５％の気孔率を持
つと考えられるので明らかに結合剤のエポキシが表面の
目止め作用をし、好ましくない透水性を抑制しているこ
とがわかる。次に実際の高圧発生装置に適し、従来の機
械加工品と性能を比較した。

高圧発生装置としてはベルト型装置を用い、六方晶窒化
硼素にシリコンと窒化アルミニウムの混合触媒を添加し
て、立方晶窒化硼素の合成を行つた。

この装置では、ガスケツトにパイロフイライト機械加工
品の７００℃×３０分加熱処理品を用い発生圧力およそ
６００００気圧、温度１７００℃の条件下で１０分間保
持後温度を下げ、次いで圧力を下げて試料を取出し、化
学抽出、比重分離をして立方晶窒化硼素のみを取出すと
、１２００〜の合成量が得られることがわかつている。

そこで８００℃×３０分の焼成をしたパイロフイライト
粉末１００重量部に対し、５重量部のエポキシ（１０％
硬化剤添加）を添加混合して金型成型をし、さらに２８
０℃×１時間硬化処理をした成型品ガスケツトを製作し
た。成型品は１５％の気孔率を含むことが知られている
のでその厚さを機械加工品より約１５％増し、充填され
るガスケツトの重量が同じになるように配慮した。この
成型品ガスケツトを用い機械加工品の場合と全く同じ荷
重、同じ加熱電力でテストしたところ１３００Ｔｎ９の
立方晶窒化硼素が得られ、機械加工品のパイロフイライ
トよりもずつと安価なガスケツトであるにもかかわらず
同等の性能を有し、工業的にきわめて有用であることが
わかつた。本実施例では、パイロフイライト粉末をエポ
キシで結合した場合について述べているが、必ずしもパ
イロフイライト粉末には限定されないことは言うまでも
ない。

パイロフイライトの代りにタルクやろう石を用いること
も可能であり、またこれらを複合添加し、それら粒子を
、エポキシ、不飽和ポリエステル、フエノールなど熱硬
化性樹脂で結合することが本質的である。結合する樹脂
類としては、これら熱硬化性樹脂だけでなく溶剤型熱可
塑性樹脂、エマルジヨン、およびゴム系のラテツクスな
どでもよいジ しかし、一般的には熱可塑性樹脂やゴム
系は、耐熱性も低く、硬さも低いために骨材粒子の特性
を１００パーセント発揮させるという点では劣る。

また樹脂の添加形態も液体には限定されない。フエノー
ルなどは粉末状で添加混合し、圧粉成型を行ないながら
約３００℃程度に加熱する、いわゆるホツトプレスを採
用してもよい。しかしこの場合実施例の冷間成型後硬化
処理という方法で製作するよりは一般にコスト高になる
。樹脂類の添加量は使用する骨材粒子の粒度分布には依
存し、微粒な場合にはやや多めにする必要がある。

これは結合界面が増えるからである。一般には量は少な
いほど骨材粒子の特性を生かせるが、成型性、耐水性と
のバランスで考えるべきである。しかしその量が骨材粒
子の３０％以上にもなると樹脂類の低内摩擦係数という
特性が強く表われ、この発明の目的に反する結果となる
。

【図面の簡単な説明】

図面は内部摩擦係数の測定方法を示す説明図である。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. １ パイロフイライト、またはタルク、またはろう石の
   粉末に重量比で１〜３０％の範囲内のエポキシ、不飽和
   ポリエステルよりなる液状樹脂、またはフェノールより
   なる粉末状樹脂あるいはエマルジョン、ラテックスを添
   加混合し、この混合物を圧粉成型した後、室温または４
   ００℃以下の温度で硬化することを特徴とする高圧発生
   装置用ガスケット材の製造方法。