(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
フッ素樹脂に、平均粒径１０μｍ〜５０μｍのグラファイト粉末を１０重量％〜２５重量％、平均繊維長５μｍ〜３０μｍのカーボンファイバを１重量％〜１０重量％配合してなる組成物を成形したものであり、気体を密封対象とする回転軸用シール。
【請求項２】
フッ素樹脂が、ポリテトラフルオロエチレンである請求項１に記載の回転軸用シール。
【請求項３】
カーエアコン用コンプレッサーに使用するための請求項１または２に記載の回転軸用シール。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、シール用組成物およびそれを用いた回転軸用シールに関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来より、冷凍機やエアコンディショナ機のコンプレッサ、ポンプ、ギヤポンプなどにおいては、回転軸に当接させて流体（気体、液体）を密封するための回転軸用シールが使用されている。当該回転軸用シールの形成材料としては、各種の充填材を配合してなるフッ素樹脂、中でもポリテトラフルオロエチレン（ＰＴＦＥ）が汎用されている。
【０００３】
回転軸用シールの形成に際しＰＴＦＥに配合する充填材としては、繊維状の充填材（ガラスファイバ、カーボンファイバなど）や粒状の充填材（カーボン粉末、グラファイト粉末、ブロンズ粉末、耐熱性樹脂粉末など）が多く用いられてきたが、カーボン粉末やグラファイト粉末など、粒状の充填材のみを配合した回転軸用シールは、補強性（機械的特性）に劣り、耐磨耗性が不充分であった。
【０００４】
特開平２−３８８３２号公報には、ＰＴＦＥに繊維系のカーボンファイバと粒状のグラファイト粉末とを併用して配合した円板状のシール部材を備える軸封装置が提案されている。しかしながら、このような軸封装置のシール部材では、上述したような耐磨耗性は改善されるものの、比較的大きな平均繊維長（平均繊維長：０．１３ｍｍ）のカーボンファイバが使用されているため、ガスが通過し得るようなパス（通路）が形成され易く、ガスバリア性が不充分であった。カーエアコン用のコンプレッサなどにおける気体を密封対象とする回転軸用シール（たとえば、ラジアルシールのシールリップ部）においては、シール厚みが約１ｍｍ程度の薄い肉厚でシールするものもあり、このように肉厚の薄いシールでは特に、上記ガスバリア性が低下する傾向にあった。
上記カーエアコン用のコンプレッサなどにおいては、シールによってガスが充填されていなければ働きが不充分となる（エアコンの効きが悪くなるなど）ことが多く、ガスバリア性に優れることは極めて重要であり、耐磨耗性に加えてガスバリア性についても優れる回転軸用シールの開発が求められている。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
本発明は、上記課題を解決するためになされたものであって、その目的とするところは、耐磨耗性およびガスバリア性に優れる回転軸用シールを提供することである。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
本発明者は、上記課題を解決するため鋭意研究を行った結果、本発明を完成するに至った。即ち、本発明は以下のとおりである。
（１）フッ素樹脂に、平均粒径１０μｍ〜５０μｍのグラファイト粉末を１０重量％〜２５重量％、平均繊維長５μｍ〜３０μｍのカーボンファイバを１重量％〜１０重量％配合してなる組成物を成形したものであり、気体を密封対象とする回転軸用シール。
（２）フッ素樹脂が、ポリテトラフルオロエチレンである上記（１）に記載の回転軸用シール。
（３）カーエアコン用コンプレッサーに使用するための上記（１）または（２）に記載の回転軸用シール。
【０００７】
【発明の実施の形態】
以下、本発明を詳細に説明する。
本発明で用いるシール用組成物は、フッ素樹脂と、特定範囲の平均粒径のグラファイト粉末と、特定範囲の平均繊維長のカーボンファイバとを、当該組成物中それぞれ特定範囲の割合で配合してなるものである。
本発明におけるフッ素樹脂としては、特には限定されず、従来公知の種々のフッ素樹脂を使用することができるが、融点が高く、また相手部材（回転軸）との密着性（なじみ性）が良好である（硬度が高すぎる材料をシールに用いると、相手部材との密着性が悪い）という理由から、ポリテトラフルオロエチレン（ＰＴＦＥ）、テトラフルオロエチレン−パーフルオロアルキルビニルエーテルコポリマー（ＰＦＡ）が好ましく、ＰＴＦＥが特に好ましい。
【０００８】
本発明で用いるシール用組成物においては、平均粒径が１０μｍ〜５０μｍ、好ましくは２０μｍ〜３０μｍのグラファイト粉末が配合される。平均粒径が１０μｍ未満のグラファイト粉末を用いると、得られた回転軸用シールにおいて、引張強さや伸びなど機械特性に劣ってしまう不具合があり、結果的に優れた耐磨耗性が得られなくなる。また平均粒径が５０μｍを超えたグラファイト粉末を用いると、ＰＴＦＥとの混合の際分散性が不良となってしまい、得られた回転軸用シールごとに特性がばらついてしまう。
【０００９】
グラファイト粉末の平均粒径は、たとえば以下の手順にて測定できる。
グラファイト粉末を水またはエタノールなどの有機液体に投入し、３５ｋＨｚ〜４０ｋＨｚ程度の超音波を付与した状態にて約２分間分散処理して得た分散液を用い、かつその場合の粒状物の量は該分散液のレーザ透過率（入射光量に対する出力光量の比）が７０％〜９５％となる量とし、次いで該分散液について、マイクロトラック粒度分析計にかけてレーザー光の散乱により個々の粒状物の粒径（Ｄ１、Ｄ２、Ｄ３、…）、および各粒径ごとの存在個数（Ｎ１、Ｎ２、Ｎ３、…）を計測する（個々の粒状物の粒径（Ｄ）は、マイクロトラック粒度分析形によれば種々の形状の粒状物ごとに球相当径が自動的に測定される。）。
視野内に存在する個々の粒子の個数（Ｎ）と各粒径（Ｄ）とから、下記式（１）にて平均粒径を算出する。
平均粒径＝（ΣＮＤ3／ΣＮ）1/3          （１）
【００１０】
本発明におけるグラファイト粉末としては、人造または天然の鱗状黒鉛や鱗片状黒鉛、土状黒鉛など従来公知の種々のグラファイト粉末を特に制限なく使用することができるが、品質が安定していることから人造の黒鉛が好ましく、中でも得られた回転軸用シールが潤滑性に優れる点から人造の鱗状黒鉛が好ましい。
【００１１】
本発明で用いるシール用組成物において上記平均粒径を有するグラファイト粉末は、１０重量％〜２５重量％、好ましくは１０重量％〜２０重量％配合される。グラファイト粉末が１０重量％未満しか配合されないと、得られた回転軸用シールにおいて耐磨耗性が悪くなる不具合があり、またグラファイト粉末が２５重量％を超えて配合されると、得られた回転軸用シールにおいて機械的特性、特に伸びが低下する不具合がある。
【００１２】
また本発明で用いるシール用組成物においては、平均繊維長が５μｍ〜３０μｍのカーボンファイバが配合される。平均繊維長が５μｍ未満のカーボンファイバを用いると、得られた回転軸用シールにおいて耐磨耗性が悪くなってしまう。また平均繊維長が６０μｍを超えたカーボンファイバを用いると、得られた回転軸用シールにおいてガスバリア性が悪くなってしまう。
【００１３】
カーボンファイバの平均繊維長は、たとえば、当分野で通常行われる手法である画像解析法によって測定できる。
【００１４】
また、本発明に使用するカーボンファイバは、アスペクト比（繊維径あたりの繊維長の平均）が０．５〜５であるのが好ましく、０．５〜３であるのがより好ましい。
【００１５】
本発明におけるカーボンファイバとしては、特に制限はなく、ピッチ系カーボンファイバ、ＰＡＮ系カーボンファイバ、レーヨン系カーボンファイバなど、従来公知の種々のカーボンファイバを使用することができるが、中でもピッチ系カーボンファイバ、特には、黒鉛化したピッチ系カーボンファイバが好適である。ピッチ系カーボンファイバは、たとえば、不活性気体中で２０００℃〜３０００℃の熱処理を行うことで黒鉛化される。
【００１６】
本発明で用いるシール用組成物において上記平均繊維長を有するカーボンファイバは、１重量％〜１０重量％、好ましくは２重量％〜５重量％配合される。カーボンファイバが１重量％未満しか配合されないと、得られた回転軸用シールにおいて耐磨耗性が低下する不具合があり、またカーボンファイバが１０重量％を超えて配合されると、得られた回転軸用シールにおいて潤滑性が低下し、相手部材（回転軸）を磨耗させてしまうとともに、ガスが透過しやすくなってしまう不具合がある。
【００１７】
上述したような、フッ素樹脂に平均粒径１０μｍ〜５０μｍのグラファイト粉末を１０重量％〜２５重量％、平均繊維長５μｍ〜６０μｍのカーボンファイバを１重量％〜１０重量％配合してなる本発明の組成物を成形することで、優れた耐磨耗性およびガスバリア性を同時に兼ね備える回転軸用シールを得ることができる。ここで、本明細書中でいう「優れた耐磨耗性」とは、ピンオンディスク法により行った磨耗試験により、測定された磨耗係数が２．０×１０-5ｍｍ／ｓ以下であることをいう。また本明細書中でいう「優れたガスバリア性」とは、ガス漏れ試験を行い、試験前後で質量の減少がみられないことをいう。
【００１８】
上記の組成物を用いることで、何故、耐磨耗性およびガスバリア性に優れる回転軸用シールが得られるか、詳細は不明であるが、本発明者は以下のように考えている。
まず、上述した特定範囲の割合にて繊維系のカーボンファイバを配合したこと、ならびに上記特定範囲内の平均粒径のカーボンファイバを使用したことで、従来より耐磨耗性が格段に向上された回転軸用シールを実現することができるものと考えられる。
【００１９】
また、上記特定範囲内の平均繊維長のカーボンファイバを使用したこと、さらに当該カーボンファイバおよびグラファイト粉末の配合割合を上記特定範囲内としたことによって、ガスバリア性の向上された回転軸用シールが実現できるものと考えられる。なお特開平２−３８８３２号公報には、ＰＴＦＥに繊維系のカーボンファイバと粒状のグラファイト粉末とを併用して配合した円板状のシール部材を備える軸封装置が開示されていることは上述した。何故、かかる軸封装置におけるシール部材ではガスバリア性が不充分であり、本願発明ではガスバリア性に優れるのか、その理由はこのカーボンファイバの平均繊維長と配合割合にある。特開平２−３８８３２号公報においては、ＰＴＦＥにグラファイト粉末を３重量％〜１０重量％、カーボンファイバを３重量％〜１５重量％配合するものであるが、本発明で規定する範囲よりも格段に大きな平均繊維長のカーボンファイバが使用されている。本発明の回転軸用シールにおいては、平均繊維長を比較的小さく、かつ、その配合割合を比較的小さくすることで、上記の耐磨耗性を発現させつつも、ガスが通過し得るようなパス（すなわち、後述する回転軸用シールの厚み方向にガスを透過させるような通路）を形成しにくく、優れたガスバリア性を発現させることができるものと考えられる。
【００２０】
また、本発明の上記配合によって、フッ素樹脂中にカーボンファイバおよびグラファイト粉末が略均一に分散された、換言すれば、分散性に優れた回転軸用のシールを実現することができる。この良好な分散性の発現は、上記の如き特定範囲の平均粒径のグラファイト粉末の使用に、特に起因しているものと考えられる。さらに上記配合で得られた回転軸用シールは、上記特定範囲の割合にて粒状のグラファイト粉末が配合されているため、潤滑性も良好であり、相手部材（回転軸）の表面を磨耗させにくいという利点も有する。
【００２１】
本発明で用いる組成物は、当分野において通常用いられているヘンシェルミキサなどの装置を用いて混合することによって調製できる。さらに、フッ素樹脂の成形加工に通常用いられている圧縮成形、焼結、ラム成形などの方法によって、所望の形状の回転軸用シールに成形することができる。
【００２２】
本発明の回転軸用シールは、その形状や大きさに特に制限はなく、フッ素樹脂製の回転軸用シールとしての従来公知の種々の形状で実現される。
回転軸用シールの典型的な例として、回転軸を挿通させるための貫通孔が中央に形成された円板状物で実現された回転軸用シールを挙げることができる。このような回転軸用シールにおいて、通常、貫通孔径は回転軸の軸径よりも小さく形成され、当該貫通孔に回転軸を挿通させると、貫通孔の周囲部分が、貫通孔を中心として回転軸の挿通方向に湾曲した形で回転軸に弾発的に当接するようになる（この湾曲して回転軸に弾発的に当接するように形成された貫通孔の周囲部分を、「シールリップ部」と呼ぶことがある。）。
なお上記円板状で実現された回転軸用シールでは、厚みが０．５ｍｍ〜２ｍｍ程度に形成されるのが通常であるが、本発明の組成物においては、上記平均繊維長および割合のカーボンファイバが配合されることによって、上記特開平２−３８８３２号公報に開示されたとは異なり繊維あるいは繊維同士の繋がりによって上記の如きパスが形成されにくく、非常に有用である。
本発明の回転軸用シールは、このシールリップ部それのみからなるものであってもよいし、また当該リップシール部をゴム製のリップを組み合わせたり、補強用の金具に適宜嵌め込んだものであってもよい。
【００２３】
本発明で用いる組成物には、本発明の効果を阻害しない範囲で、フッ素樹脂に添加され得るような従来公知の各種の添加物が添加されていてもよい。このような添加物としては、たとえば、二硫化モリブデン、ガラスファイバー、ブロンズ、金属酸化物、耐熱性樹脂などが挙げられる。
【００２４】
本発明の回転軸用シールにて密封し得る流体としては、特に制限はなく、フロンガス（フロン１３４ａなど）、窒素ガス、真空、水、油などが挙げられ、冷凍機やエアコンディショナ機のコンプレッサ、ポンプ、ギアポンプなど、特に制限なく適用することができる。
【００２５】
【実施例】
以下に実施例を示し、本発明を具体的に説明するが、本発明は下記の実施例に制限されるものではない。
実施例１
ＰＴＦＥを８１重量％、平均粒径が２０μｍのグラファイト粉末を１２重量％、平均繊維長が７μｍ（アスペクト比：０．６）のカーボンファイバを７重量％配合してなるフッ素樹脂組成物をヘンシェルミキサで攪拌混合し、金型で加圧成形した後、３７０℃の温度で焼成して、回転軸用シールのサンプルを作製した。
【００２６】
実施例２
ＰＴＦＥを８２重量％、平均粒径が４６μｍのグラファイト粉末を１５重量％、平均繊維長が７μｍのカーボンファイバを３重量％配合してなるフッ素樹脂組成物を用いた以外は、実施例１と同様にして回転軸用シールのサンプルを作製した。
【００２７】
実施例３
ＰＴＦＥを７７重量％、平均粒径が２０μｍのグラファイト粉末を２０重量％、平均繊維長が２０μｍ（アスペクト比：１．６）のカーボンファイバを３重量％配合してなるフッ素樹脂組成物を用いた以外は、実施例１と同様にして回転軸用シールのサンプルを作製した。
【００２８】
参考例１
ＰＴＦＥを８２重量％、平均粒径が２０μｍのグラファイト粉末を１５重量％、平均繊維長が５０μｍ（アスペクト比：５．６）のカーボンファイバを３重量％配合してなるフッ素樹脂組成物を用いた以外は、実施例１と同様にして回転軸用シールのサンプルを作製した。
【００２９】
比較例１
ＰＴＦＥを８２重量％、平均粒径が８０μｍのグラファイト粉末を１５重量％、平均繊維長が７μｍのカーボンファイバを３重量％配合してなるフッ素樹脂組成物を用いた以外は、実施例１と同様にして回転軸用シールのサンプルを作製した。
【００３０】
比較例２
ＰＴＦＥを８２重量％、平均粒径が２０μｍのグラファイト粉末を１５重量％、平均繊維長が１３０μｍ（アスペクト比：１０．４）のカーボンファイバを３重量％配合してなるフッ素樹脂組成物を用いた以外は、実施例１と同様にして回転軸用シールのサンプルを作製した。
【００３１】
比較例３
ＰＴＦＥを８０重量％、平均粒径が２０μｍのグラファイト粉末を２０重量％配合してなるフッ素樹脂組成物を用いた以外は、実施例１と同様にして回転軸用シールのサンプルを作製した。
【００３２】
比較例４
ＰＴＦＥを７５重量％、平均粒径が２０μｍのグラファイト粉末を２５重量％配合してなるフッ素樹脂組成物を用いた以外は、実施例１と同様にして回転軸用シールのサンプルを作製した。
【００３３】
比較例５
ＰＴＦＥを９７重量％、平均繊維長が２０μｍ（アスペクト比：１．６）のカーボンファイバを３重量％配合してなるフッ素樹脂組成物を用いた以外は、実施例１と同様にして回転軸用シールのサンプルを作製した。
【００３４】
比較例６
ＰＴＦＥを８２重量％、平均粒径が５μｍのグラファイト粉末を１５重量％、平均繊維長が２０μｍ（アスペクト比：１．６）のカーボンファイバを３重量％配合してなるフッ素樹脂組成物を用いた以外は、実施例１と同様にして回転軸用シールのサンプルを作製した。
【００３５】
比較例７
ＰＴＦＥを９２重量％、平均粒径が４６μｍのグラファイト粉末を５重量％、平均繊維長が２０μｍ（アスペクト比：１．６）のカーボンファイバを３重量％配合してなるフッ素樹脂組成物を用いた以外は、実施例１と同様にして回転軸用シールのサンプルを作製した。
【００３６】
比較例８
ＰＴＦＥを７０重量％、平均粒径が４６μｍのグラファイト粉末を３０重量％配合してなるフッ素樹脂組成物を用いた以外は、実施例１と同様にして回転軸用シールのサンプルを作製した。
【００３７】
比較例９
ＰＴＦＥを８４．５重量％、平均粒径が２０μｍのグラファイト粉末を１５重量％、平均繊維長が２０μｍ（アスペクト比：１．６）のカーボンファイバを０．５重量％配合してなるフッ素樹脂組成物を用いた以外は、実施例１と同様にして回転軸用シールのサンプルを作製した。
【００３８】
比較例１０
ＰＴＦＥを８５重量％、平均繊維長が２０μｍ（アスペクト比：１．６）のカーボンファイバを１５重量％配合してなるフッ素樹脂組成物を用いた以外は、実施例１と同様にして回転軸用シールのサンプルを作製した。
【００３９】
比較例１１
ＰＴＦＥを７０重量％、平均粒径が４６μｍのグラファイト粉末を１５重量％、平均繊維長が２０μｍ（アスペクト比：１．６）のカーボンファイバを１５重量％配合してなるフッ素樹脂組成物を用いた以外は、実施例１と同様にして回転軸用シールのサンプルを作製した。
【００４０】
〔評価試験〕
（１）磨耗試験
実施例１〜３、参考例１および比較例１〜１１の各サンプルから、切削加工によって径が５ｍｍ、長さが１２ｍｍの円柱ピン状の試料をそれぞれ作製し、ピンオンディスク法によって各試料について磨耗試験を行い、時間あたりの磨耗量から磨耗係数（×１０-5ｍｍ／ｓ）を算出した。
磨耗試験は、以下の条件で行った。
・圧力：２ＭＰａ
・速度：５ｍ／ｓ
・温度：１３０℃
・相手材：Ｓ４５Ｃディスク
【００４１】
（２）ガス漏れ試験
実施例１〜３、参考例１および比較例１〜１１の各サンプルから、切削加工によって径が３０ｍｍ、長さが１ｍｍの円板状の試料をそれぞれ作製し、ステンレスチューブ（容量：４００ｃｃ）にＨＣＦＣ１３４ａを２００ｇ入れ、上記試料で密封した後、９０℃で４時間加熱を行い、加熱前後での質量の減少の有無をみた。質量の減少がみられなかったものを○、質量の減少がみられたものを×と評価した。
【００４２】
（３）分散性の評価
実施例１〜３、参考例１および比較例１〜１１の各サンプルから、切削加工によって厚み１．０ｍｍの試験片を作製し、これらを光学顕微鏡を使用して拡大観察することで、分散性の評価を行った。拡大観察によって均一に分散されていたものを○、０．３ｍｍ以上の充填材の凝集のあったものを×とした。
上記（１）〜（３）の結果を、表１、表２に示す。
【００４３】
【表１】
0003733074.tif 000002
【００４４】
【表２】
0003733074.tif 000003
【００４５】
【発明の効果】
以上の説明で明らかなように、本発明によれば、耐磨耗性およびガスバリア性に優れる回転軸用シールを提供することができる。