JP2004244536A

JP2004244536A - ポリオキシメチレン樹脂組成物製歯車

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Publication number: JP2004244536A
Application number: JP2003036723A
Authority: JP
Inventors: Masayuki Nagai; 雅之永井; Keiichi Tsukurida; 敬一造田; Daisuke Sanada; 大輔真田
Original assignee: Mitsubishi Engineering Plastics Corp
Current assignee: Mitsubishi Engineering Plastics Corp
Priority date: 2003-02-14
Filing date: 2003-02-14
Publication date: 2004-09-02

Abstract

【課題】従来のポリオキシメチレン樹脂組成物製の歯車が持つ欠点を改良し、表面外観、騒音特性および寿命特性等の歯車特性に優れたポリオキシメチレン樹脂製歯車を提供すること。
【解決手段】（Ａ）オキシメチレンユニットを主たる構成単位とする重合体中に、オキシメチレンユニット１００ｍｏｌ当たり、炭素数２以上のオキシアルキレンユニットを３．０〜１０ｍｏｌ含有してなるポリオキシメチレン共重合体１００重量部に対して、（Ｂ）ポリエチレンワックス０．１〜２０重量部、および（Ｃ）２５℃における粘度が５０万ｃＳｔ以上であるシリコーン０．１〜５重量部を配合したポリオキシメチレン樹脂組成物からなる歯車であって、２３℃における曲げ弾性率（ＡＳＴＭＤ７９０）が１０００以上２０００ＭＰａ以下であり、かつ２３℃における動摩擦係数（μ）が０．２５以下であるポリオキシメチレン樹脂組成物製歯車。
【選択図】なし

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、電気・電子機器、事務機器、自動車、産業機器等で要求されている高品質化を目的とした歯車材料として好適な、ポリオキシメチレン樹脂組成物製歯車に関する。
【０００２】
【従来の技術】
ポリオキシメチレン樹脂は、バランスのとれた機械物性を示し、かつ摩擦摩耗特性に優れるため、歯車等の摺動部品材料として自動車、電気・電子製品等の分野で広く利用されている。しかし、このような分野における要求特性は近年ますます高度化しており、摺動特性の更なる改良、歯車の低騒音化、長寿命化といった点において、一層の改良が望まれている。
従来ポリオキシメチレンの摩擦摩耗特性を更に改良するために、ポリオキシメチレン樹脂に各種の潤滑剤、例えばフッ素樹脂、ポリオレフィンなどを配合することが一般的に行われているが、摺動性はある程度向上するものの、潤滑剤との混和性が低いため、成形品表面が剥離（いわゆるデラミ）したり、成形金型に析出物を発生し易いといった問題があった。
【０００３】
従来、ポリオキシメチレン、ポリエチレンワックス、およびシリコーンオイルを配合することで、摺動時の騒音を低減する技術が知られている（特許文献１参照）。しかし、使用するポリアセタールは特に限定されておらず、一般的な摺動時の騒音特性に効果が見られるものの、未だ十分とは言えず、特に歯車特性において、近年の市場の高度な要求を満たせないケースが発生してきた。
また、（Ａ）炭素数２以上のオキシアルキレンユニットを３．０〜１０重量％含有してなるポリアセタール樹脂１００重量部に対し、（Ｂ）シリコーン系オイルやα−オレフィンオリゴマー等の潤滑油０．１〜１０重量部を配合してなる組成物を摺動部品に用いる技術は、特許文献２に開示されている。しかし、該潤滑油として、２種以上を併用した例は無く、もちろん、シリコーン系オイルとα−オレフィンオリゴマーとの併用に相乗効果があることの示唆も無い。更に、シリコーンオイルの粘度も３０万ｃＳｔ以下のものが使用されているだけで、摩耗特性の改良効果も十分で無く、歯車特性（騒音特性、寿命特性）が不十分であった。
【０００４】
【特許文献１】特許第２９７０６９１号公報
【特許文献２】特開平８−１５７６８８号公報
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
本発明の目的は、このような従来のポリオキシメチレン樹脂組成物製の歯車が持つ欠点を改良し、表面外観、騒音特性および寿命特性等の歯車特性に優れたポリオキシメチレン樹脂製歯車を提供することにある。
中でも、歯車の低騒音化には、歯車同士の歯と歯がぶつかる時に生じる「打音」と、歯面が擦れ合う「滑り音」、それぞれの低減が必要である。つまり、従来、摺動部材としての低騒音化を意図していたものは、このうち、「滑り音」の低減を目的としたもので、「打音」の改良が不十分であり、本発明はこの改良をも達成し、優れた歯車特性を有する歯車の提供を目的としたものである。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
本発明者等は、上述の問題点を解決するために鋭意検討した結果、特定のポリオキシメチレン樹脂を使用し、かつ２種類の特定の潤滑剤を配合することにより、前記目的を達成できることを見出し、本発明を完成するに至った。
即ち、本発明の要旨は、（Ａ）オキシメチレンユニットを主たる構成単位とする重合体中に、オキシメチレンユニット１００ｍｏｌ当たり、炭素数２以上のオキシアルキレンユニットを３．０〜１０ｍｏｌ含有してなるポリオキシメチレン共重合体１００重量部に対して、（Ｂ）ポリエチレンワックス０．１〜２０重量部、および（Ｃ）２５℃における粘度が５０万ｃＳｔ以上であるシリコーン０．１〜５重量部を配合したポリオキシメチレン樹脂組成物からなる歯車であって、ＡＳＴＭＤ７９０に準じて測定した２３℃における曲げ弾性率が１０００以上２０００ＭＰａ以下であり、かつスラスト式摩擦摩耗試験により同一材同士を摺動させた場合の２３℃における動摩擦係数（μ）が０．２５以下であるポリオキシメチレン樹脂組成物製歯車に存する。
【０００７】
【発明の実施の形態】
以下、本発明について詳細に説明する。
本発明に使用される（Ａ）ポリオキシメチレン樹脂は、オキシメチレンユニットを主たる構成単位とする重合体中に、オキシメチレンユニット１００ｍｏｌ当たり、炭素数２以上のオキシアルキレンユニットを３．０〜１０ｍｏｌ含有してなるポリオキシメチレン共重合体である。コポリマー（ブロックポリマー）の他に、ターポリマー等も含まれる。また、前記ポリオキシメチレン樹脂は、線状構造のみならず、分岐、架橋構造を有していてもよい。前記炭素数２以上のオキシアルキレンユニットとしては、例えば、オキシエチレン基（−ＣＨ_２ＣＨ_２Ｏ−）、オキシプロピレン基（−ＣＨ_２ＣＨ_２ＣＨ_２Ｏ−）、オキシブチレン基（−ＣＨ_２ＣＨ_２ＣＨ_２ＣＨ_２Ｏ−）等の炭素数２〜４のオキシアルキレン基が挙げられ、中でもオキシエチレン基が好ましい。オキシメチレン基（−ＣＨ_２Ｏ−）と炭素数２〜４のオキシアルキレン基を構成単位とするポリオキシメチレン樹脂は、例えば、ホルムアルデヒドの３量体（トリオキサン）や４量体（テトラオキサン）などのオキシメチレン基の環状オリゴマーとエチレンオキサイド、１，３−ジオキソラン、１，３，６−トリオキソカン、１，３−ジオキセパン等の炭素数２〜４のオキシアルキレン基を含む環状オリゴマーとを共重合することによって製造することができる。中でも、トリオキサンやテトラオキサンなどの環状オリゴマーと、エチレンオキサイドまたは１，３−ジオキソランとの共重合が好ましい。特に、トリオキサンと１，３−ジオソランとの共重合体がさらに好ましい。
【０００８】
炭素数２以上のオキシアルキレンユニットの含有量としては、オキシメチレンユニット１００ｍｏｌ当たり、３．０〜１０ｍｏｌである必要があり、好ましくは３．２〜７．５ｍｏｌが良い。このように、炭素数２以上のオキシアルキレンユニットを特定量含むポリオキシメチレン樹脂は、摺動剤との混和性を改良し、成形性を向上させる効果がある。オキシメチレンユニット１００ｍｏｌに対して、炭素数２以上のオキシアルキレンユニットの含有量が３．０ｍｏｌよりも少ないと、摺動剤との混和性も低く、成形時にスクリュースリップに起因する計量不良が起こり、形状に不良品が生じたり、成形品表面が剥離したり（いわゆるデラミ）、成形金型に析出物を発生し易いといった問題が発生する。また、オキシメチレンユニット１００ｍｏｌに対して、炭素数２以上のオキシアルキレンユニットの含有量が１０ｍｏｌよりも多くなると、機械物性の低下が著しくなり、ポリオキシメチレン樹脂の高摩擦摩耗性という特性が得られず、摺動部材として実用に供し得ない。また、その溶融粘度はいずれでも良いが、溶融指数（ＭＩ）［ＡＳＴＭ−Ｄ１２３８：１９０℃、２．１６ｋｇ荷重下］で０．０１〜１５０ｇ／１０分が好ましい。
【０００９】
さらに、このポリオキシメチレン樹脂組成物は、ＡＳＴＭＤ７９０による２３℃での曲げ弾性率が１０００〜２０００ＭＰａでなければならない。曲げ弾性率が低いほど、歯の変形による反発エネルギーが小さくなるため、歯の打音が低減され、結果として騒音が低減される。曲げ弾性率が２０００ＭＰａよりも高いと、歯の反発エネルギーが大きくなり、歯車騒音低減効果が得られない。また、曲げ弾性率が１０００ＭＰａよりも小さいと、機械的強度が低下し、歯車としての寿命が短くなり、実用に供し得なくなる。
【００１０】
また、本発明において、（Ｂ）ポリエチレンワックスは、低分子量ポリエチレン、低分子量ポリエチレン共重合体、またはそれらを酸化変性または酸変性することによって極性基を導入した型の変性ポリエチレンワックスを意味する。その数平均分子量は、好ましくは５００〜１５０００であり、より好ましくは１０００〜１００００である。低分子量ポリエチレンおよび低分子量ポリエチレン共重合体のポリエチレンワックスは、エチレン又はエチレンとα−オレフィンとを、チーグラー触媒などで直接重合する方法、高分子量ポリエチレンあるいは共重合体製造時の副生物として得る方法、高分子量のポリエチレン、あるいは共重合体を熱分解する方法などによって製造することができる。なかでも、エチレン５０〜９９モルパーセントとα−オレフィン１〜５０モルパーセントとの共重合体型のポリエチレンワックスが好ましい。特に、好ましくはα−オレフィンがプロピレンであるポリエチレンワックスである。
【００１１】
変性ポリエチレンワックスは、上記の低分子量ポリエチレン、低分子量ポリエチレン共重合体もしくは、それらを酸化変性または酸変性した変性ポリエチレンワックスを意味する。酸化変性は、ワックスをパーオキシドや酸素等で処理してカルボキシル基や水酸基等の極性基を導入して行なう。また、酸変性処理は、必要とあらばパーオキシドや酸素の存在下に、ワックスを無機酸、有機酸あるいは不飽和カルボン酸等によって処理することにより、カルボキシル基やスルホン酸基等の極性基を導入して製造される。
これらのポリエチレンワックスは、一般型高密度ポリエチレンワックス、一般型低密度ポリエチレンワックス、低酸価型ポリエチレンワックス、高酸価型ポリエチレンワックス、酸変性型ポリエチレンワックス、あるいは特殊モノマー変性型等の名称で市販され、市場より容易に入手することができる。
【００１２】
ポリエチレンワックスの配合量は、ポリオキシメチレン樹脂１００重量部に対して０．１〜２０重量部で、好ましくは、０．５〜５重量部である。２０重量部を越える量を用いる場合は、ポリオキシメチレン樹脂の機械的性能が低下し、０．１重量部未満では本発明の目的効果は少ない。ポリエチレンワックスは単独で用いても良いし、２種以上組み合わせて用いてもよい。
【００１３】
本発明において用いる（Ｃ）２５℃における粘度が５０万ｃＳｔ以上であるシリコーンについて以下に詳しく述べる。本発明において用いるシリコーンの粘度は、２５℃における粘度が５０万センチストークス（ｃＳｔ）以上であり、好ましくは１００万ｃＳｔ以上である。２５℃におけるシリコーンの粘度が５０万ｃＳｔよりも小さいと外観が悪くなるとともに、摺動特性の継続性が失われ、本発明の目的を達成できない。またシリコーンの種類としては、一般に知られるものの中から任意に選ぶことができる。例えば、ポリジメチルシロキサンから成るシリコーン、ポリジメチルシロキサンのメチル基の一部がフェニル基と置換されたシリコーン、ポリジメチルシロキサンのメチル基の一部が水素や炭素数２以上のアルキル基と置換されたシリコーン、ポリジメチルシロキサンのメチル基の一部がハロゲン化フェニル基と置換されたシリコーン、ポリジメチルシロキサンのメチル基の一部がフルオロエステル基と置換されたシリコーン、エポキシ基を有するポリジメチルシロキサンのようなエポキシ変性シリコーン、アミノ基を有するポリジメチルシロキサンのようなアミノ変性シリコーン、アルコール性水酸基を有するポリジメチルシロキサンのようなアルコール変性シリコーン、ジメチルシロキサンとフェニルメチルシロキサンのようなアルキルアラルキルシリコーン、ジメチルシロキサン単位のメチル基の一部がポリエーテルで置換された構造を有するポリジメチルシロキサンのようなポリエーテル変性シリコーン、ジメチルシロキサン単位のメチル基の一部がポリエーテルで置換された構造を有するシロキサンとフェニルメチルシロキサンとのポリマーのようなアルキルアラルキルポリエーテル変性シリコーンなどが挙げられる。
【００１４】
シリコーンは、単独であるいは２種以上組み合わせて用いる。その添加量は全組成物重量の０．１〜５重量％、好ましくは０．２〜２重量％である。この量が０．１重量％未満では充分な本発明の目的効果が得られない。また５重量％を超えると組成物の成形加工性が劣り、外観も悪化する。
（Ｂ）ポリエチレンワックスと（Ｃ）シリコーンとの重量比（Ｃ／Ｂ）は０．０１〜４の範囲が好ましく、より好適には０．０５〜２の範囲である。
【００１５】
ポリオキシメチレン、ポリエチレンワックスおよびシリコーンとの混合の方法については、特に制限は無く、公知の混合あるいはブレンド方法を採用することができる。このようにして得られた本発明組成物には、用途に応じ公知の熱可塑性ポリマー、無機添加剤、顔料、充填剤、ガラス繊維、炭素繊維、ウィスカー等を混合することができる。
【００１６】
以上説明した、本発明で使用するポリオキシメチレン樹脂組成物は、更に、スラスト式摩擦摩耗試験により同一材同士を、温度２３℃、湿度５０％雰囲気下で、面圧力０．５ＭＰａ、線速度０．１ｍ／秒にて摺動させた場合の動摩擦係数（μ）が０．２５以下であることが必要である。（このとき、試験片は円筒型スラスト試験片を用いて測定した値。）このμが０．２５よりも小さいと、歯車走行時の滑り音が低減され、結果として騒音が低減される。μが０．２５よりも大きいと、滑り性が不十分となり、歯車騒音低減効果が得られない。
【００１７】
歯車としては、いかなる種類のものも用いることが出来る。例えば、平歯車、はすば歯車、内歯車、ラック、やまば歯車、すぐばかさ歯車、はすばかさ歯車、まがりばかさ歯車、冠歯車、ゼロールベベルギア、ハイポイドギア、フェースギア、ねじ歯車、円筒ウォームギア、鼓形ウォームギア、ノビコフ歯車などが挙げられる。また、歯車の作成方法としては特に限定されず、射出成形、丸棒や板などの素材からの切削加工など一般的な成形加工方法のいずれでも良い。
【００１８】
【実施例】
以下に、実施例および比較例を挙げて本発明の詳細を説明するが、本発明はこれらに限定されるものではない。なお、評価の方法は次の通りである。
（１）曲げ弾性率
曲げ弾性率は、ＡＳＴＭ−Ｄ７９０に準拠し、温度２３℃、湿度５０％ＲＨにて測定を行った。
（２）スラスト式摩擦摩耗試験
試験片：円筒型スラスト試験片を、シリンダー温度２００℃、金型温度８０℃、成形サイクル３０秒で射出成形にて作成。
動摩擦係数：オリエンテック製スラスト式摩擦摩耗試験機を用い、温度２３℃、湿度５０％雰囲気下で、面圧力０．５ＭＰａ、線速度０．１ｍ／秒にて同一材同士で測定し、動摩擦係数（μ）を求めた。
【００１９】
（３）成形（表面外観評価）
歯車成形品（歯形：平歯車，モジュール１．０、歯数５０，基準円ピッチ径φ５０ｍｍ，歯幅５ｍｍ，φ１．８ｍｍの３点ピンゲート方式）を下記の条件にて成形し、その成形品の表層剥離（デラミ）の状態を目視にて以下の３段階で評価した。
成形機：日精樹脂工業（株）製ＰＳ−４０射出成形機
シリンダー温度：２００℃
金型温度：８０℃
成形品デラミ：
Ａデラミなし
Ｂゲート部分にデラミあり
Ｃ成形品全体にデラミあり
【００２０】
（４）歯車騒音特性
上記（３）で作成した平歯車を用いて、防音箱を備えた歯車騒音試験機（図１）にて、温度２３℃、湿度５０％雰囲気下で、下記の２条件で同一材同士の歯車をかみ合い走行させ、騒音特性を評価した。
精密騒音計：（株）リオンＮＡ−２９
歯車かみ合い部分から騒音計までの距離：１０ｃｍ
試験条件：トルク２ｋｇｆ・ｃｍ，回転数５００ｒｐｍおよび１０００ｒｐｍ
暗騒音：４５ｄＢ（５００ｒｐｍ），５８ｄＢ（１０００ｒｐｍ）
（５）歯車寿命特性
上記（３）で平歯車を用いて、上記（４）の歯車騒音試験機にて、同一材同士を温度２３℃、湿度５０％雰囲気下で下記の２条件でかみ合い走行させ、歯が破壊されるまでの積算回転数にて、歯車の寿命特性を評価した。
トルク：４０ｋｇｆ・ｃｍおよび３０ｋｇｆ・ｃｍ
回転数：３００ｒｐｍ
【００２１】
実施例及び比較例で使用したポリオキシメチレン樹脂、ポリエチレンワックス、シリコーンを以下に示す。
（Ａ）ポリオキシメチレン樹脂
Ａ−１：トリオキサンと１，３−ジオキソランとのオキシメチレンコポリマーであり、オキシエチレンユニット５．０ｍｏｌ％を含有するポリオキシメチレン樹脂（メルトインデックス９．０ｇ／１０分）
Ａ−２：トリオキサンと１，３−ジオキソランとのオキシメチレンコポリマーであり、オキシエチレンユニット３．９ｍｏｌ％を含有するポリオキシメチレン樹脂（メルトインデックス９．０ｇ／１０分）
Ａ−３：トリオキサンと１，３−ジオキソランとのオキシメチレンコポリマーであり、オキシエチレンユニット１．８ｍｏｌ％を含有するポリオキシメチレン樹脂（メルトインデックス９．０ｇ／１０分）
【００２２】
（Ｂ）ポリエチレンワックス
Ｂ−１：ハイワックス８０５１Ｅ〔三井化学（株）製、分子量６０００、高酸価型、酸価１０、エチレン−プロピレン共重合型〕
Ｂ−２：ハイワックス２２０３Ａ〔三井化学（株）製、分子量２７００、酸変性型、酸価３０〕
Ｂ−３：ハイワックス４０５ＭＰ〔三井化学（株）製、分子量４０００、低酸価型、酸価１〕
Ｂ−４：ハイワックス４２０Ｐ〔三井化学（株）製、分子量４０００、一般低密度型、酸価０〕
Ｂ−５：ヘキストワックス５２２Ｅ〔ヘキスト社製、分子量２０００、高酸価型、酸価２５〕
【００２３】
（Ｃ）シリコーン
Ｃ−１：ＫＦ−９６−１００００００ＣＳ〔信越シリコーン社製、ポリジメチルシロキサン、粘度１００万ｃＳｔ〕
Ｃ−２：ＫＦ−９６−５０００００ＣＳ〔信越シリコーン社製、ポリジメチルシロキサン、粘度５０万ｃＳｔ〕
Ｃ−３：ＫＦ−９６−１５００００ＣＳ〔信越シリコーン社製、ポリジメチルシロキサン、粘度１５万ｃＳｔ〕
Ｃ−４：ＫＦ−９６−３０００００ＣＳ〔信越シリコーン社製、ポリジメチルシロキサン、粘度３０万ｃＳｔ〕
【００２４】
［実施例１〜７］
表１に示すポリオキシメチレン樹脂、ポリエチレンワックス、およびシリコーンを、表１で示す割合で混合し、スーパーミキサー〔川田製作所社製〕を用いて均質に混合したのち、二軸押出機〔池貝鉄工社製、ＰＣＭ−３０〕を用いてペレット化した。続いて、上記（１）〜（５）のごとく、曲げ弾性率、動摩擦係数、表面外観、歯車騒音特性および歯車寿命特性の評価を行った。その評価結果を表１に示す。
【００２５】
［比較例１〜６］
表２に示した割合で、実施例と同様に方法にて樹脂組成物を作成し、実施例と同様の評価を行った。評価結果を表２に示す。なお、表２の高分子量ポリエチレン（ＰＥ）は、ハイゼックス２２００Ｊ（三井化学（株）製、分子量１０万）を用いた。
【００２６】
【表１】

【００２７】
【表２】

【００２８】
【発明の効果】
本発明によれば、特定のポリオキシメチレンに特定のポリエチレンワックスおよび特定のリコーンオイルとを混合することで、それらが相乗効果を発現し、極めて優れた成形加工性、摩擦摩耗性および低騒音特性を有し、それらなる歯車は高性能を要求される部品として好適に用いることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】実施例で用いた歯車騒音試験機の図である。

Claims

（Ａ）オキシメチレンユニットを主たる構成単位とする重合体中に、オキシメチレンユニット１００ｍｏｌ当たり、炭素数２以上のオキシアルキレンユニットを３．０〜１０ｍｏｌ含有してなるポリオキシメチレン共重合体１００重量部に対して、（Ｂ）ポリエチレンワックス０．１〜２０重量部、および（Ｃ）２５℃における粘度が５０万ｃＳｔ以上であるシリコーン０．１〜５重量部を配合したポリオキシメチレン樹脂組成物からなる歯車であって、ＡＳＴＭＤ７９０に準じて測定した２３℃における曲げ弾性率が１０００以上２０００ＭＰａ以下であり、かつスラスト式摩擦摩耗試験により同一材同士を摺動させた場合の２３℃における動摩擦係数（μ）が０．２５以下であるポリオキシメチレン樹脂組成物製歯車。
（Ｂ）ポリエチレンワックスが、エチレン５０〜９９モルパーセントとα−オレフィン１〜５０モルパーセントとの共重合体であるポリエチレンワックス、及び酸化変性もしくは酸変性により極性基を導入したポリエチレンワックスから選ばれるものである請求項１に記載の歯車。
（Ｂ）ポリエチレンワックスと、（Ｃ）２５℃における粘度が５０万ｃＳｔ以上であるシリコーンとの重量比が、１：０．０１〜４である請求項１または２に記載の歯車。