(57)【要約】【課題】屈曲に対する耐久性を高めベルト寿命を長くすることを目的とする。【解決手段】歯ゴム層１２と背ゴム層２２をウレタンエラストマーから形成する。ウレタンエラストマーは第１および第２のウレタンプレポリマーの混合物である混合ウレタンプレポリマーに硬化剤を配合して得られた混合ウレタン注入液を硬化することにより生成する。第１のウレタンプレポリマーは第１のポリオールとジイソシアネートによって合成する。第２のウレタンプレポリマーは第２のポリオールとジイソシアネートによって合成する。第１のウレタンプレポリマーと第２のウレタンプレポリマーとのイソシアネート含有量は異なる。【選択図】        図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
第１のポリオールとジイソシアネートによって合成された第１のウレタンプレポリマーと、第２のポリオールとジイソシアネートによって合成された第２のウレタンプレポリマーとを混合することにより得られた混合ウレタンプレポリマーに硬化剤を配合した混合液を硬化させることにより生成され、前記第１のウレタンプレポリマーと前記第２のウレタンプレポリマーとのイソシアネート含有量が異なることを特徴とするウレタンエラストマー。
【請求項２】
デュロメータ硬さが９３°〜９６°であることを特徴とする請求項１に記載するウレタンエラストマー。
【請求項３】
前記ジイソシアネートがトルエンジイソシアネートであることを特徴とする請求項１に記載のウレタンエラストマー。
【請求項４】
前記ポリオールがポリカプロラクトンジオール、ポリカーボネートジオールまたはこれらの混合物のいずれかであることを特徴とする請求項１に記載のウレタンエラストマー。
【請求項５】
前記請求項１〜４に記載するウレタンエラストマーから形成されることを特徴とするウレタンベルト。
【請求項６】
第１のポリオールとジイソシアネートによって合成された第１のウレタンプレポリマーと、第２のポリオールとジイソシアネートによって合成された第２のウレタンプレポリマーとを混合することにより混合ウレタンプレポリマーを得る混合工程と、
前記混合ウレタンプレポリマーに硬化剤を配合した混合液を硬化させることによりウレタンエラストマーを得る硬化工程とを備え、
前記第１のウレタンプレポリマーと前記第２のウレタンプレポリマーとのイソシアネート含有量の異なることを特徴とするウレタンエラストマーの製造方法。
【請求項７】
第１のポリオールとジイソシアネートによって合成された第１のウレタンプレポリマーと、第２のポリオールとジイソシアネートによって合成された第２のウレタンプレポリマーとを混合することにより混合ウレタンプレポリマーを得る混合工程と、
前記混合ウレタンプレポリマーに硬化剤を配合した混合液を硬化させることにより得られるウレタンエラストマーから形成されるウレタンベルトを得るベルト成型工程を備え、
前記第１のウレタンプレポリマーと前記第２のウレタンプレポリマーとのイソシアネート含有量が異なることを特徴とするウレタンベルトの製造方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、例えば自転車に使用される伝動ベルトの原料エラストマーに関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来、低速高トルクが要求される駆動用ベルトの材料としては、クロロプレンゴムやウレタンゴムが使用される。ここで、ウレタンゴムはその剛性が高く耐摩耗性が良いので、その強度はクロロプレンゴムより高く、歯欠け耐久性にも優れている。しかし、ウレタンゴムを例えば自転車ベルトとして使用する場合、小径のプーリに駆け回されるので、ベルトは大きく屈曲されて使用される。このような場合ウレタンゴム製のベルトはその剛性の高さから、ベルト背面にクラックが発生しやすく耐久性には問題がある。
【０００３】
ここで、屈曲に対する耐久性を向上させようと、その剛性を低下させるため例えば可塑剤を添加することが考えられるが、ウレタンゴムに可塑剤を添加した場合、その強度が低下してしまう。また、可塑剤は使用とともにブリーディングするので、ベルトの使用とともに剛性が上昇するという問題点がある。
【０００４】
また、従来、強度や硬さを低下させずに高い摩擦係数を有するウレタンエラストマーを得るために、ポリテトラエチレンエーテルグリコールの平均分子量の異なる２成分からなるウレタンプレポリマーを使用することが知られている（例えば特許文献１または２）。
【０００５】
しかし、この方法では、分子量分布の大きく異なる２成分のポリオールを混合した後、ジイソシアネートを付加しているため、ポリオール同士の重合やポリオール分子鎖の絡み合いによる立体障害などにより、ジイソシアネートがポリオール末端の全てのＯＨ基に均一に重付加することは難しい。
【０００６】
【特許文献１】
特公平４−３３２８８号公報
【特許文献２】
特許第２５３０７７６号公報
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
本発明は、上記問題点に鑑みてなされたものであり、高い強度を有しかつ屈曲に対する高い耐久性を有するウレタンエラストマーを得ることを目的とする。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
本発明に係るウレタンエラストマーは、第１のポリオールとジイソシアネートによって合成された第１のウレタンプレポリマーと、第２のポリオールとジイソシアネートによって合成された第２のウレタンプレポリマーとを混合することにより得られた混合ウレタンプレポリマーに硬化剤を配合した混合液を硬化させることにより生成され、第１のウレタンプレポリマーと第２のウレタンプレポリマーとのイソシアネート含有量が異なることを特徴とする。これにより、得られるウレタンエラストマーは、耐久性が高くなる。
【０００９】
デュロメータ硬さは、９３°〜９６°であることが好ましい。これにより、屈曲に対する耐久性の高い駆動用ベルトの原料として好適であるエラストマーを得ることができる。
【００１０】
ジイソシアネートは例えばトルエンジイソシアネートである。また、例えば、ポリオールはポリカプロラクトンジオール、ポリカーボネートジオールまたはこれらの混合物のいずれかである。
本発明に係るウレタンベルトは、上記に記載したウレタンエラストマーから形成される。
【００１１】
本発明に係るウレタンエラストマーの製造方法は、第１のポリオールとジイソシアネートによって合成された第１のウレタンプレポリマーと、第２のポリオールとジイソシアネートによって合成された第２のウレタンプレポリマーとを混合することにより混合ウレタンプレポリマーを得る混合工程と、混合ウレタンプレポリマーに硬化剤を配合した混合液を硬化させることによりウレタンエラストマーを得る硬化工程とを備え、第１のウレタンプレポリマーと第２のウレタンプレポリマーとのイソシアネート含有量の異なることを特徴とする。
【００１２】
本発明に係るウレタンベルトの製造方法は、第１のポリオールとジイソシアネートによって合成された第１のウレタンプレポリマーと、第２のポリオールとジイソシアネートによって合成された第２のウレタンプレポリマーとを混合することにより混合ウレタンプレポリマーを得る混合工程と、混合ウレタンプレポリマーに硬化剤を配合した混合液を硬化させることにより得られるウレタンエラストマーから形成されるウレタンベルトを得るベルト成型工程を備え、第１のウレタンプレポリマーと第２のウレタンプレポリマーとのイソシアネート含有量が異なることを特徴とする。
【００１３】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態を図面を参照して説明する。図１は本発明の実施形態である歯付ベルト１０の一部を破断した斜視図を示す。本実施形態の歯付ベルト１０は例えば、低速高トルク駆動用ベルトであり自転車の後輪駆動ベルトに使用される。自転車の後輪駆動ベルトに使用される場合、小プーリに掛け回されるため、屈曲に対する高い耐久性が要求される。したがって、ベルト本体を形成するウレタンエラストマーのデュロメータ硬さは９３°〜９６°であることが好ましい。
【００１４】
図１において、歯付ベルト１０の上面側には、歯部が形成された歯ゴム層１２が設けられ、背面側には背ゴム層２２が設けられる。歯ゴム層１２と背ゴム層２２はウレタンエラストマーから形成されるベルト本体である。歯ゴム層１２と背ゴム層２２の間には心線１４が埋設されている。歯ゴム層１２の表面には、帆布１８が被覆され、帆布１８の表面にはさらに樹脂フィルム２０が被覆されている。
【００１５】
以下、歯付ベルト１０の製造方法について説明する。図２に歯付ベルト１０の製造過程を示したもので、それぞれ対応する部分には同符号が記されている。
【００１６】
樹脂フィルム２０が被覆された帆布１８は、歯形に予成形された後所定のベルト歯数に裁断されて、その端部がつなぎ合わされ、円筒状（図示せず）に形成される。円筒状に形成された帆布１８は、円筒状（図示せず）の歯付ドラム３５に被せられ歯付ドラム３５の外周面３５’に面するように取り付けられる。外周面３５’はベルトの外周面の形状と同一であり、歯型状に形成されている。歯付ドラム３５に装着された帆布１８は、さらにその上に心線１４が巻きつけられる。
【００１７】
次にドラム３５は、外型３６に同心状に挿入され上蓋が取り付けられることにより、混合ウレタン注型液が注入されるための金型４０が組み立てられる。金型４０は歯付ベルト１０を成型するためのものであり、歯付ドラム３５と外型３６の間隔は、歯付ベルト１０の高さに対応する。金型４０が組み立てられると、その金型４０に所定温度Ｔ１（例えば９０〜１００℃）で予熱が加えられる。
【００１８】
予熱が加えられた後、図２に示すように金型４０内には後述する混合ウレタン注型液Ｘが帆布１８の内表面側から注入される。混合ウレタン注型液Ｘが注入されると、硬化後に歯ゴム層１２と背ゴム層２２（図１参照）となる部分に混合ウレタン注型液Ｘが充填され、次に、加圧され混合ウレタン注型液Ｘは帆布１８に浸透して、帆布１８に被覆された樹脂フィルム２０に接するようになる。ここで、樹脂フィルム２０は、混合ウレタン注型液Ｘを浸透させないので、混合ウレタン注型液Ｘが帆布１８の外表面に浸み出さない。したがって、混合ウレタン注型液Ｘが充填されることにより樹脂フィルム２０は外周面３５’に押し付けられ接するようになり、混合ウレタン注型液Ｘの注入が完了したときには、樹脂フィルム２０の外表面は外周面３５’に密接している。
【００１９】
混合ウレタン注型液Ｘの注入が終了すると、その金型を所定温度Ｔ２（例えば９５℃）で一定時間加熱される。これにより、注入された混合ウレタン注型液Ｘは、硬化しウレタンエラストマーとなり、金型内には本体がウレタンエラストマーから形成されるベルトスラブができる。このベルトスラブは金型から取り出された後、２次硬化され、所定の幅に裁断されることにより、歯付ベルト１０が得られる（図１参照）。
【００２０】
混合ウレタン注型液Ｘの作成方法について説明する。混合ウレタン注型液Ｘは硬化することによりウレタンエラストマーを得ることができる混合液である。まず、第１のウレタンプレポリマーおよび第２のウレタンプレポリマーを溶融するために予め加熱し、硬化剤についても加熱して溶融させる。溶融された第１および第２のウレタンプレポリマーは、所定量計り取られて混合され混合ウレタンプレポリマーが得られる。混合ウレタンプレポリマーは、さらに黒顔料が配合され一定時間攪拌した後に真空脱泡される。黒顔料が配合され脱泡された混合ウレタンプレポリマーは、さらに加熱溶融されていた硬化剤が配合され、混合攪拌することにより混合ウレタン注型液Ｘが得られる。
【００２１】
前述のように混合ウレタンプレポリマーは、第１のウレタンプレポリマーおよび第２のウレタンプレポリマーを混合することによって得られるものである。第２のウレタンプレポリマーは第１のウレタンプレポリマーとイソシアネート含有量（以下ＮＣＯ％という。）が異なる。第１のウレタンプレポリマーは第１のポリオールとジイソシアネートによって合成されたものである一方、第２のウレタンプレポリマーは、第２のポリオールとジイソシアネートによって合成されたものである。第１および第２のポリオールはそれぞれ一定の分子量分布をもったポリオールである。なお、第１および第２のウレタンプレポリマーは、混合前に、それぞれのポリオールとジイソシアネートが合成されて生成されたものである。ここで、それぞれのポリオールの末端ＯＨ基はジイソシアネートがほとんど付加している。なお、ＮＣＯ％の測定方法は、ＪＩＳ  Ｋ７３０１に準拠する。
【００２２】
第１および第２のウレタンプレポリマーは、トルエンジイソシアネート（以下ＴＤＩという。）とポリオールを反応させて得られたものであることが好ましい。ポリオールとしては、例えば、ポリカプロラクトンジオール（以下ＰＣＬという。）、ポリカーボネートジオールまたはこれらの混合物のいずれが使用される。第１および第２のウレタンプレポリマーとして、ＰＣＬとＴＤＩを反応させて得られたものを使用する場合、ＮＣＯ％はそれぞれ、５．８〜６．０％、４．２〜４．４％であることが好ましい。すなわち、第１および第２のウレタンプレポリマーのＮＣＯ％は少なくとも、１．４％以上異なることが望ましい。そして、第１のウレタンプレポリマーと第２のウレタンプレポリマーの配合重量比は２５：７５〜７５：２５であることが好ましい。また、この場合の硬化剤には、例えばＭＯＣＡ（３，３’−ジクロロ−４，４’−ジアミノジフェニルメタン）が使用される。
【００２３】
以下図３の分布図を用いて、第１および第２のウレタンプレポリマーが配合されることによる挙動を説明する。ここでは、第１および第２のウレタンプレポリマーのＮＣＯ％はそれぞれ、５．８〜６．０％、４．２〜４．４％である。また、第１および第２のウレタンプレポリマーはそれぞれ、ＴＤＩとＰＣＬが反応して作られたものであり、第１および第２のウレタンプレポリマーの重量混合比が５０：５０のものである場合について説明する。
【００２４】
第１のウレタンプレポリマーはＮＣＯ％が５．８〜６．０％であり、ＰＣＬの両末端のＯＨ基にそれぞれＴＤＩが完全に付加していると考えると、第１のウレタンプレポリマーの平均分子量は１４００〜１４５０程度となる。したがって、第１のウレタンプレポリマーの分子量分布は１４００〜１４５０程度を頂点とする釣鐘状の分布図Ｘとなる。
【００２５】
第２のウレタンプレポリマーはＮＣＯ％が４．２〜４．４％であり、ＰＣＬの両末端のＯＨ基にそれぞれＴＤＩが完全に付加していると考えると、第２のウレタンプレポリマーの平均分子量は１９００〜２０００程度となる。したがって、第１のウレタンプレポリマーの分子量分布は１９００〜２０００程度を頂点とする釣鐘状の分布図Ｙとなる。
【００２６】
したがって、この第１および第２のウレタンプレポリマーが、混合することにより得られる混合ウレタンプレポリマーは、分子量１４００〜２０００の含有量が多い分子量分布Ｚとなる。すなわち、この混合ウレタンプレポリマーが硬化されることによって得られるウレタンエラストマーは、ＰＣＬの分子量分布が非常に広範囲である。したがって、第１または第２のウレタンプレポリマーのみから得られるウレタンエラストマーとその物性が大きく異なる。
【００２７】
【実施例】
以下実施例を詳細に説明する。表１の実施例Ａ〜Ｃは、混合ウレタンエラストマー（注型液）の配合成分を示す。なお、混合ウレタンエラストマー（注型液）には、表中に記載されていないが、それぞれ黒顔料２部等も配合されている。
【００２８】
【表１】
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【００２９】
ここで、ＮＣＯ％は第１および第２のウレタンプレポリマーのイソシアネート含有量を示す。また、第１および第２のウレタンプレポリマーは、ＴＤＩとＰＣＬを反応させて得られたものであり、それぞれＰＬＡＣＣＥＬ  ＥＰ１５９５およびＰＬＡＣＣＥＬ  ＥＰ１５００（商品名、ダイセル化学工業株式会社製）を使用した。硬化剤にはＭＯＣＡを使用した。
【００３０】
実施例Ａ〜Ｃは第１および第２のウレタンプレポリマーの配合量が異なり、実施例Ａは第１のウレタンプレポリマーの配合量が７５重量部であるのに対して、第２のウレタンプレポリマーの配合量が２５重量部である。実施例Ｂは第１のウレタンプレポリマーの配合量が５０重量部であるのに対して、第２のウレタンプレポリマーの配合量が５０重量部である。実施例Ｃは第１のウレタンプレポリマーの配合量が２５重量部であるのに対して、第２のウレタンプレポリマーの配合量が７５重量部である。比較例１および３〜６の歯付ベルトはその本体部材のエラストマーは第１のウレタンプレポリマーのみから生成されており、比較例２では第２のウレタンプレポリマーのみから生成されている。そして、比較例３〜６では、それぞれ第１のウレタンプレポリマー１００重量部に対して可塑剤であるＤＯＰ（フタル酸ジ−２−エチルヘキシルエステル）が１０，２０，３０，４０重量部配合され生成されている。
【００３１】
［ウレタンエラストマーおよび歯付ベルトの評価］
本実施例における混合ウレタンプレポリマーから生成されたウレタンエラストマーシートおよび比較例エラストマーシートの試験片を使っての評価結果を表２に示す。ここでは、硬度、モジュラス試験、引張強度、伸びおよび引裂強度について行った。ここで、表中に示す硬さはデュロメータ硬さであり、Ｍ１００％〜Ｍ３００％はモジュラス試験の結果であり、それぞれ１００、２００、３００％の伸びを与えたときの応力を示す。なお、すべての試験はＪＩＳ  Ｋ６２５０に準拠して行った。
【００３２】
【表２】
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【００３３】
本実施例、比較例から形成される歯付ベルトの屈曲試験の結果を表３，４に、また走行試験の結果を図４に示す。表３はＰ２０−Ｐ２０の条件で、表４はＰ２０−Ｐ６９の条件における屈曲試験の結果を示す。ここで、例えばＰ２０−Ｐ２０とは、歯付ベルトが、歯数が２０と２０の２つのプーリに掛け回されていることを示す。屈曲試験は、歯付ベルトを２つのプーリ間を３．４×１０６回往復させることにより行った。走行試験は、１４インチの自転車の前後輪において、歯数が２０および６９の２つのプーリに歯付ベルトを掛け回して行った。
【００３４】
【表３】
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【００３５】
【表４】
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【００３６】
［ウレタンエラストマーおよび歯付ベルトの評価結果］
比較例１の歯付ベルトは、表３，４に示すように、屈曲試験において全て背面にクラックが発生し、強度の残存率についても例えばＰ２０−Ｐ６９の場合、６９％程度のものしか得られなかった。これは、表２に示すように比較例１の歯付ベルトの本体部材のエラストマーの硬さが９７°と高いためと考えられる。
【００３７】
比較例２の歯付ベルトは、表３，４に示すように、屈曲試験においてベルト背面にクラックは発生せず、強度の残存率についても例えばＰ２０−Ｐ６９の場合、８８％と良好の結果が得られた。しかし、図４に示すように、走行試験においては、踏力７５ｋｇｆ程度のときに走行距離２０００ｋｍにも達せずに歯欠等のベルト異常が発生した。すなわち、比較例２の歯付ベルトは屈曲に対する耐久性は良好であるが、ベルト自身の強度、例えば歯欠け耐久性には問題がある。
【００３８】
実施例Ａ〜Ｃの歯付ベルトは、表３，４に示すように屈曲試験において、例えば実施例Ａ、Ｂは、ベルト背面にクラックは発生せず、強度の残存率についても例えばＰ２０−Ｐ６９の場合、それぞれ８９、８７％と良好な結果が得られた。また、図４に示すように走行試験においては、実施例Ｂについて踏力７５ｋｇｆ程度のときに３０００ｋｍまでベルト異常が発生しなかった。これは、実施例Ａ〜Ｃの歯付ベルトが、そのエラストマーの硬さが表２に示すように、９３〜９６°であり、屈曲の大きい状態で掛け回されてもその屈曲に耐え得るだけの柔軟性を有すると考えられるからである。また、走行試験において比較例２に比べて走行距離が延びたのは、モジュラス試験における応力、引張強度、引裂強度が比較例２に比べて強化されているからである。
【００３９】
比較例３〜６は、比較例１の歯付ベルトの本体部材のエラストマーより硬さを低下させ、屈曲に対する耐久性を高めることを目的とし、それぞれ可塑剤を添加したものである。
【００４０】
実施例Ａと比較例３とを比較すると、この２つのエラストマーは硬さが同等であるにもかかわらず、実施例Ａはモジュラス試験における応力、引張強度および引裂強度について比較例３に比べ高い。すなわち実施例Ａは、比較例に比べエラストマーの強度が高いと言える。また、実施例Ｂと比較例４を比べた場合も同様のことが言える。実施例Ｃについても硬さが同等である実施例５、６と比べて、例えば引張強度が高い。
【００４１】
以上のように、ベルト本体部材に第１および第２のポリオールにジイソシアネートを重付加したものの混合物に硬化剤を配合して混合攪拌して硬化させたウレタンエラストマーを用いることにより、ベルト強度が高く、屈曲に対して耐久性のある歯付ベルトを得ることができた。
【００４２】
ここで、屈曲に対して耐久性のあるベルトを得ることができたのは、第１および第２のウレタンプレポリマーを混合することにより、硬さが調整できたためである。そして、この硬さの調整は、第１および第２のウレタンプレポリマーの混合比率を変えることにより、任意に変更することが可能である。
【００４３】
また、ベルト強度が高いウレタンプレポリマーを得ることができたのは、図３に示すように第１および第２のウレタンプレポリマーを混合することにより、広い分子量分布を示すプレポリマー（分布図Ｚ）を作成したことによる効果と考えられる。これは、例えば、実施例において第１および第２のウレタンプレポリマー単独から形成されたエラストマーの引張強度が４５．９、５７．３ＭＰａであったのに対して、第１および第２のウレタンプレポリマーの混合ウレタンプレポリマーから形成されたエラストマーの引張強度が６１．３〜６９．１ＭＰａであったことから明らかである。
【００４４】
さらに、本実施形態においては、ポリオールにジイソシアネートを重付加したプレポリマーを混合しているため、ポリオールのＯＨ基に確実にジイソシアネートを重付加することが可能である。
【００４５】
【発明の効果】
以上のように本発明においては、強度が強く、さらに屈曲に対する耐久性の強いウレタンエラストマーおよびウレタンベルトを容易に得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】実施形態における歯付ベルトの斜視図を示す。
【図２】歯付ベルトの製造方法を示す。
【図３】第１および第２のウレタンプレポリマーが配合されることによる挙動を表わしたグラフを示す。
【図４】走行試験の結果を表したグラフを示す。
【符号の説明】
１０  歯付ベルト
Ｘ  混合ウレタン注型液
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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