(57)【要約】【課題】低摩擦性、耐摩耗性、コスト、機械的強度、環境負荷等の面で優れた特性を有する摺動部材を提供する。【解決手段】流動状態の熱可塑性樹脂または熱硬化性樹脂に、炭化および賦活化させた多孔質の竹繊維を、樹脂に対して重量比で１％以上５０％以下の割合で配合し、所定形状に成形して硬化させる。この樹脂組成物１を円筒状に成形し、これを金属等からなるスリーブ２の内周に固定して滑り軸受を構成する。【選択図】    図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
樹脂と、炭化させた竹繊維とを配合してなる樹脂組成物。
【請求項２】
上記炭化させた竹繊維を、樹脂に対して重量比で１％以上５０％以下の割合で配合してなる請求項１記載の樹脂組成物。
【請求項３】
請求項１または２記載の樹脂組成物を摺動部に有する摺動部材。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、樹脂組成物、特に相手部材との間で摺動摩擦を生じる摺動部材に好適な樹脂組成物に関する。
【０００２】
【従来の技術】
無潤滑状態で使用される摺動部材として従来から一般的なものに、ＰＡやＰＰＳなどの耐摩耗性に優れた樹脂材料を単独で用いるもの、あるいは、これらの樹脂材料にカーボンブラック、カーボン繊維やその他の有機・無機繊維を配合したもの等が知られている。この種の摺動部材の一例として、例えば特開平１１−２９６９１号公報には、ポリアセタール樹脂、ＰＴＦＥ樹脂、カーボンブラック、その他の添加剤からなる樹脂組成物が開示されており、また、特開平１１−２９３２６８号公報には、合成樹脂とフッ素樹脂繊維の複合材料からなる摺動部材が開示されている。
【０００３】
【特許文献１】
特開平１１−２９６９１号公報
【０００４】
【特許文献２】
特開平１１−２９３２６８号公報
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
上述のように、摺動部材としては、従来から多数の組成・構造が提案されているが、低摩擦性、耐摩耗性、コスト、機械的強度、環境負荷等の面で一長一短があり、さらなる改善が望まれる。
【０００６】
そこで、本発明は、これらの要求を高いレベルで満足することのできる樹脂組成物、およびこれを使用した摺動部材の提供を目的とする。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
上記目的の達成のため、本発明にかかる樹脂組成物は、樹脂と炭化させた竹繊維とを配合するものである。樹脂は、熱硬化性樹脂、熱可塑性樹脂の何れでも構わない。
【０００８】
また、炭化後、水蒸気あるいは炭酸ガス等により賦活させた竹繊維（炭化賦活させた竹繊維）を配合することもできる。これは、賦活処理にて多孔質となった炭化状態の竹繊維を樹脂と配合するものである。「賦活処理」は、一般に炭素質原料を多孔質材料に変える反応操作で、その手法は薬品賦活とガス賦活に大別される。本発明で使用する竹繊維の賦活法としては、ガス賦活が好ましい。具体的には、竹繊維を６００℃以上１６００℃以下の不活性ガス、二酸化炭素ガス、あるいは水蒸気雰囲気下で加熱することにより、炭化賦活させて表面に５μｍ以下の微細孔（ピット）を多数有する多孔質の竹繊維炭を得る。
【０００９】
なお、竹繊維を焼成炭化させてから賦活処理を行う他、炭化と賦活を同時に行ってもよい。この他、２７００℃以上の温度で焼成することにより、グラファイト化させた竹繊維炭を使用することもできる。
【００１０】
本発明で使用する竹繊維は、竹類、あるいは笹類から分離した直径０．０５〜０．５ｍｍ、長さ１〜５ｍｍ程度のものである。この竹繊維を炭化させ、これを流動状態の樹脂に配合し、硬化させることで上記樹脂組成物が得られる。
【００１１】
上記竹繊維炭を熱可塑性樹脂や熱硬化性樹脂に配合し、均一に分散させて硬化させると、竹繊維炭が樹脂組成物の表面に平行あるいは角度をもって露出する。上述のように、竹繊維炭は多孔質であり、その表面に多数の凹凸が形成されていることから、この樹脂組成物は、低摩擦係数で耐摩耗性が高いという摺動部材として好ましい特性を有する。また、湿潤環境下で使用した場合でも、母材樹脂の膨潤による膨張を緩和して界面亀裂を抑えることができ、かつ相手部材との摺動で樹脂が削れ、母材から剥離・脱落した場合でも、その樹脂粉が竹繊維炭の表面凹凸に捉えられるため、発塵量を抑制することができる。
【００１２】
なお、炭化賦活させた竹繊維は、樹脂に対して重量比で１％以上５０％以下の割合で配合するのが望ましい。
【００１３】
以上の樹脂組成物を使用すれば、低摩擦で高い耐摩耗性を備え、かつ湿潤環境下や高清浄度環境下でも使用できる摺動部材を提供できる。摺動部材の全体を上記樹脂組成物で形成する他、摺動部材の一部（例えば摺動部分のみ）を上記樹脂組成物で形成することもできる。例えば、図１に示すように金属等からなるスリーブ２の内周に円筒状に成形した上記樹脂組成物１を固定することにより、滑り軸受を構成することができる。
【００１４】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施形態を説明する。
【００１５】
本発明にかかる樹脂組成物は、上述のとおり竹繊維炭と樹脂の複合材料である。竹繊維炭は、天然の竹や笹に物理的あるいは化学的処理を施してして竹繊維を分離し、この竹繊維を炭化することによって得られる。以下、これらの工程の一例を詳述する。
【００１６】
先ず、竹繊維は以下の工程から分離することができる。すなわち、真竹、孟宗竹等の竹類の稈や笹類の幹（以下では、これらを「竹」と総称する）を採取し、日陰で十分乾燥させる。この際、採取する竹としては、生育後１〜２年以内の若竹が好ましい。乾燥した竹を幅２〜１０ｃｍの短冊に割り揃えた後、金槌等の打撃手段、カッター等による切断手段、あるいは適宜の擦耗手段を単独でまたは組み合わせて解繊する。解繊した竹繊維をふるい工程にかけ、直径０．０５〜０．５ｍｍ、長さ１〜５ｍｍの竹繊維を得る。竹組織は、維管束とその周りを取り囲む木質部とで構成され、さらに維管束は、維管束鞘と呼ばれる直系１５〜３０μｍ（円形に近似させた時の直径）の短繊維の集合体と複数の導管とで構成される。本発明では、これらの維管束もしくは維管束鞘が上記竹繊維として使用される。
【００１７】
この他、採取した竹を水蒸気を用いて爆砕すれば、低コストかつ能率的に竹繊維を分離することができ、工業的量産にも対応可能となる。この場合、爆砕後の竹細柵は、▲１▼手もみする、▲２▼温度２０〜１００℃、圧力１〜１５ＭＰａの高圧水を噴霧する、▲３▼微小な研磨材を含んだ温度２０〜５０℃、圧力０．２〜０．９９ＭＰａの高圧水を噴霧する、▲４▼圧力０．１〜０．３ＭＰａの空気を含む高圧ガスを噴霧する、▲５▼上下摺動面の周速の異なるローラあるいはベルト間に挿入する、▲６▼公知の解繊機を使用する、等の何れかの手段を単独で、または組み合わせて使用することにより、繊維部分と木質部分とに分離される。その後、繊維部分をふるい工程にかけることによって上記竹繊維が得られる。このように爆砕法を採用する場合、事前に採取した竹を乾燥する必要はない。
【００１８】
このようにして得られた竹繊維は炭化されて竹繊維炭となる。この炭化は、６００℃以上の不活性ガス中で行われる。これにより竹繊維炭は、表面に直径５μｍ以下の細孔（ピッチ）を多数有する多孔質材料となり、その空孔率は、１０〜８０％（望ましくは３０〜６０％）となる。これは備長炭の空孔率の概ね１．５倍程度で、表面積は８００〜１２００ｍ２／ｇに達する。さらに、この竹繊維炭を６００℃以上の二酸化炭素あるいは水蒸気を含む雰囲気下で加熱することにより、竹繊維炭が賦活される。賦活された竹繊維炭では、その表面に１μｍ以下（主に１〜２００ｎｍ）の微細孔（ピッチ）を多数有するようになる。
【００１９】
上記解繊方法で解繊された竹繊維には、分離しきれなかった木質部が付着する場合もあるが、この木質部も上記工程によって炭化および賦活される結果、竹繊維炭の表面にはさらに凹凸が付与され、表面積のさらなる増大が達成される。
【００２０】
炭化処理は１６００℃以下で行うことが好ましいが、これを超える温度で行ってもよく、特に２７００℃以上の温度で行えば、竹繊維炭がグラファイト化するので、その自己潤滑性から後述する樹脂組成物の特性（低摩擦性）をさらに向上させることができる。
【００２１】
このようにして得られた竹繊維炭は、樹脂に対して重量比で１〜５０％の割合で配合される。配合した竹繊維炭は剛性を有するので、強化材としても機能し、母材樹脂の機械的強度の向上に貢献する。なお、樹脂としては、熱硬化性樹脂と熱可塑性樹脂の何れもが使用可能である。
【００２２】
熱硬化性樹脂を使用する場合、流動状態の樹脂基材に上記竹繊維炭および必要な添加剤（硬化剤、触媒、促進剤、変成剤、あるいはガラス繊維などの強化材等）を加えて攪拌・混合した後、これを適当な型に流し込んで賦形する。これを所定温度に放置して硬化させることにより樹脂組成物が得られる。
【００２３】
また、熱可塑性樹脂を使用する場合、溶融温度以上に上昇させた流動状態の樹脂基材に、上記竹繊維炭および必要な添加剤（変成剤、ガラス繊維等の強化材、あるいは銅粉、炭酸カルシウム等の充填材等）を加えて攪拌・混合した後、これをペレット状に硬化させる。このペレットを使用して所定形状に射出成形する。ペレット状にする他、シート状に加工し、必要に応じてホットプレス等で成形してもよい。
【００２４】
以上の工程で成形性された樹脂組成物には、多孔質の竹繊維炭が均一に分散保持され、その表面には多くの竹繊維炭が露出している。また、竹繊維炭の多くは、粉末状となることなく、炭化賦活処理前の繊維状の形態を保持している。以上の構成から、上記樹脂組成物は以下の特徴を有する。
【００２５】
▲１▼樹脂組成物表面に多孔質の竹繊維炭の表面凹凸が露出しているため、相手部材との間の接触面積が少なくなる。従って、例えばこの樹脂組成物を滑り軸受等の摺動部材に使用した場合（図１参照）、相手部材との間の摩擦係数を減じることができ、摺動部材と相手部材をスムーズに相対摺動させることが可能となる。
【００２６】
▲２▼竹繊維炭の表面凹凸に食い込んだ樹脂がアンカー効果を発揮するため、竹繊維炭の母材樹脂からの脱落を抑制・防止することができる。従って、摺動部材に使用した場合、高い耐摩耗性が得られる。
【００２７】
▲３▼竹繊維炭が多孔質であることから、湿潤環境下で使用した場合でも、母材樹脂の膨潤による膨張を緩和し、界面での亀裂発生を抑えることができる。従って、このような湿潤環境下でも高い耐久寿命を発揮することができる。
【００２８】
▲４▼相手部材との摺動で樹脂が削れ、母材から剥離・脱落した場合でも、その樹脂粉が竹繊維炭の表面凹凸に捉えられるため、発塵量を抑制できる。従って、高い清浄度が要求される環境下でも使用可能となる。
【００２９】
▲５▼竹繊維は天然の竹から取り出されるが、竹は竹林から豊富に採取することができ、また約３０日で成長をし終えるほど成長力に富むことから、低コストの再生可能資源といえる。さらに天然資源であるから、製造時や廃棄時に環境に与える負荷も小さい。以上から、本発明によれば、竹の有効利用を通じて環境保全を図ることができる。樹脂として、脂肪族ポリエステル等からなる生分解性樹脂、例えばポリエチレンサクシネートを使用すれば、環境負荷をさらに少なくすることができる。
【００３０】
【実施例】
本発明の効果を実証するため、熱硬化性樹脂としてビニルエステル９４重量部、硬化剤としてメチルエチルケトンパーオキシサイド１％溶液１重量部、１５００℃で炭化賦活させた竹繊維炭１０重量部を混合し、硬化させた樹脂組成物（本発明品Ａ）と、ビニルエステル単体（比較品Ｂ１）と、竹繊維炭に代えて同重量のピッチ系グラファイト繊維を配合した樹脂組成物（比較品Ｂ２）とを使用し、ピンオンディスク摩擦摩耗試験により耐久性試験を行った。図１に、試験結果を示す（横軸は摩擦摩耗距離、縦軸は摩擦係数を表す）。
【００３１】
この試験結果から、本発明品は、ビニルエステル単体からなる比較品Ｂ１に比べ、摩擦係数が７０％低下することが判明した。また、グラファイト繊維を使用した比較品Ｂ２に比べて１５％程度摩擦係数が低く、耐摩耗性（摩擦距離：１０００ｍあたりの摩耗量で比較）は５０％以上向上することが判明した。ピッチ系グラファイト繊維は、多孔質ではなく表面に竹繊維炭ほどの凹凸は存在しないため、繊維が樹脂から剥離・脱落し易いことによると考えられる。
【００３２】
次に熱可塑性樹脂としてＰＰＳ９０重量部と竹繊維炭１０重量部（１５００℃で炭化）とを混合し、硬化させた樹脂組成物（本発明品）についても同様の試験を行ったところ、ＰＰＳ単体よりも摩擦係数が８０％減じることが明らかになった。また、竹繊維炭に代えて同重量のグラファイト繊維を配合した樹脂組成物との比較では、本発明品の摩擦係数が１０％程度低く、かつ耐摩耗性（１０００ｍあたりの摩耗量）も６０％以上改善されることが明らかになった。
【００３３】
図３は、竹繊維炭の重量含有率を変化させたときの摩擦係数および耐摩耗性（何れも未混入を１とする）の測定結果を示すものである。この結果から、Ｖｇ＝１％でも摩擦係数および摩耗量の減少効果が認められ、Ｖｇ＝１０％までは竹繊維炭の配合量の増加と共に摩擦係数の減少および耐摩耗性の向上が図られることが明らかになった。配合割合が１０％を超えると、摩擦係数が僅かに減少する一方、摩耗量は徐々に増すことも判明した。その一方、５０％以上の竹繊維炭を配合することは物理的に困難で、材料強度の顕著な低下を招くので好ましくない。従って、樹脂に対する竹繊維炭の配合割合は１〜５０重量％、より好ましくは１０〜５０重量％の範囲に設定するのが好ましい。
【００３４】
なお、本発明にかかる樹脂組成物には、竹繊維以外の他の充填材、例えばカーボン繊維、ガラス繊維、その他の無機材・および有機材を付加的に混入することもできる。例えばカーボン繊維を混入した場合、竹繊維炭との相乗効果により、さらに良好な耐摩擦・摩耗特性を得ることができる。また、摩擦特性改善効果を有する金属微粒子（銅、鉛等）を配合することにより、これら金属微粒子単独を樹脂に配合する場合に比べて、耐摩擦・摩耗特性をさらに向上させることが可能である。
【００３５】
【発明の効果】
以上のように本発明によれば、低摩擦性および耐摩耗性に富み、十分な機械的強度備え、低コストで製造時や廃棄時の環境負荷も低い樹脂組成物、および摺動部材を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明にかかる樹脂組成物を使用した摺動部材の一例を示す斜視図である。
【図２】ピンオンディスク摩擦摩耗試験の結果を示す図である。
【図３】竹繊維炭の重量含有率を変化させたときの平均摩擦係数および摩耗量の変化を測定した結果を表す表である。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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