JP6610042B2 - 摺動部材及び風車のヨー制御用ブレーキ部材 - Google Patents

Description

本発明は、摺動部材及び風車のヨー制御用ブレーキ部材に関する。

従来、無潤滑下で使用される摺動部材として、固体潤滑材を含有した熱硬化性樹脂（例えば、特許文献１参照。）、カーボン焼結体（例えば、特許文献２参照。）等が用いられている。これらは低摩擦、耐摩耗である特徴を活かし、軸受、シールリング、ブレード等の摺動部材に使用されている。

ポリテトラフルオロエチレン繊維からなるウェブシートと、硬化性樹脂とを備えるプリプレグシートから形成された成型体も知られている（特許文献３）。

特開２００８−００１８８３号公報 特開２００８−２４９１２９号公報 特開２００２−３４８３９０号公報

例えば風車のヨー制御用ブレーキパッドに使用される摺動部材は、高圧の負荷がかけられる部材である。従来の摺動部材は、このような高圧の負荷に耐えるだけの十分な強度を有しておらず、割れてしまい易いという問題があった。

そこで、本発明は、優れた耐摩耗性を有するとともに、十分に高い曲げ強度を有する摺動部材を提供することを目的とする。

本発明の一側面は、摺動面を有する摺動部を備える摺動部材を提供する。摺動部が、織布、編布及び不織布からなる群より選ばれる少なくとも１種の繊維集合体と、前期繊維集合体に含浸したマトリックス樹脂と、を含む。繊維集合体が、フッ素樹脂繊維及び非フッ素樹脂繊維を含む。
この摺動部材は、優れた耐摩耗性を有するとともに、十分に高い曲げ強度を有する。

本発明によれば、優れた耐摩耗性を有するとともに、十分に高い曲げ強度を有する摺動部材が提供される。本発明に係る摺動部材は、高圧下で使用される摺動部材として有用である。

ブレーキ部材の一実施形態の模式図である。 実施例１の摺動部材に用いた織布の写真である。 実施例２の摺動部材に用いた織布の写真である。 実施例３の摺動部材に用いた織布の写真である。 実施例３の摺動部材の織布を構成する合撚糸の写真である。

以下、本発明の実施形態について詳細に説明する。ただし、本発明は以下の実施形態に限定されるものではない。

本実施形態に係る摺動部材は、摺動面を有する摺動部を備える。摺動部は、織布、編布及び不織布からなる群より選ばれる少なくとも１種の繊維集合体と、前期繊維集合体に含浸したマトリックス樹脂と、を含む。摺動部が複数のシート状の繊維集合体を有し、それらが積層されていていてもよい。積層される繊維集合体の数は、例えば２０〜６０枚であってもよい。

摺動部を構成するそれぞれの繊維集合体は、フッ素樹脂繊維だけでなく、非フッ素樹脂繊維も含む。摺動部材の摩耗量を低減するためには、摺動部の強度が高いこと、及び、摺動部と摩擦相手材との摩擦係数が低いことが求められる。フッ素樹脂繊維は、摺動部と摩擦相手材との摩擦係数の低減に寄与する。フッ素樹脂繊維と非フッ素樹脂繊維の組み合わせは、摺動部の曲げ強度を向上させることができる。フッ素樹脂繊維及び非フッ素樹脂繊維を含む繊維集合体は、フッ素樹脂繊維単独で構成される繊維集合体と比較して、マトリックス樹脂との高い濡れ性を有する。そのため、マトリックス樹脂の割合が多い摺動部が得られ易い。マトリックス樹脂の割合が高い摺動部材は、高い強度（曲げ強度）を有する傾向がある。高い強度を有する摺動部は、より高負荷がかかる条件で割れることなく形状を維持することができる。さらに、高い強度は、摩耗量を低減することにも寄与する。フッ素樹脂繊維及び非フッ素樹脂繊維を含む繊維集合体は、硬化したマトリックス樹脂との高い接着性を有する。これも、強度向上に寄与すると考えられる。

摺動部の曲げ強度向上の観点から、マトリックス樹脂の割合は、摺動部の全質量を基準として４０〜７０質量％であってもよい。同様の観点から、マトリックス樹脂の割合は５０〜７０質量％又は５０〜６０質量％であってもよい。マトリックス樹脂の量が、上記範囲であると良好な強度が得られる傾向にある。

フッ素樹脂繊維は、例えば、ポリテトラフルオロエチレン（ＰＴＦＥ）繊維、テトラフルオロエチレン−ヘキサフルオロプロピレン共重合体（ＦＥＰ）繊維、テトラフルオトエチレン−ｐ−フルオロアルキルビニルエーテル共重合体（ＰＦＡ）繊維、ポリクロロトリフルオロエチレン（ＰＣＴＦＥ）、及びエチレン−テトラフルオロエチレン共重合体（ＥＴＦＥ）からなる群より選べる少なくとも１種の繊維を含むことができる。フッ素樹脂繊維の中でも、耐摩耗性が優れるＰＴＦＥ繊維を選択してもよい。

非フッ素樹脂繊維は、例えば、綿、毛、絹、麻、レーヨン、ナイロン、アクリル、ビニロン、ポリエステル、ポリオレフィン、ポリウレタン、アラミド、ボロン、ポリパラフェニレンベンゾビスオキサゾール、ガラス、及び炭素からなる群より選ばれる少なくとも１種の非フッ素樹脂材料の繊維であることができる。低コストの観点からは、天然繊維である綿繊維、合成繊維であるポリエステル繊維、無機繊維であるガラス繊維を用いてもよい。高強度の観点から、天然繊維である麻、合成繊維であるアラミド繊維、無機繊維である炭素繊維を用いてもよい。

摺動部材は、摺動部の最表面を摺動面として有しており、これを摩擦相手材にそのまま接触させて使用する。摺動部材の摺動面は長時間の摩擦により摩耗するが、常にフッ素樹脂繊維を含んでいることで、摩擦係数が低減し、摩耗量を低減できる。フッ素樹脂繊維は、常に摺動面に露出するように配置されていることが好ましい。

そのため、例えば、繊維集合体が経糸及び緯糸を有する織布であり、経糸又は緯糸のうち、一方がフッ素樹脂繊維の単糸で、もう一方が非フッ素樹脂繊維の単糸であってもよい。あるいは、繊維集合体が経糸及び緯糸を有する織布であり、経糸又は緯糸のうち少なくともいずれか一方が、フッ素樹脂繊維と非フッ素樹脂繊維との合撚糸であってもよい。合撚糸とは、引き揃えられた２本以上の単糸が撚り合せられている糸をさす。フッ素樹脂繊維の単糸と非フッ素樹脂繊維の単糸の２本の単糸を合撚し、得られた合撚糸を経糸及び緯糸として有する織布を、繊維集合体として用いることができる。合撚糸を含む織布の有利な点は、フッ素樹脂繊維及び非フッ素樹脂繊維の単糸から構成される織布と比較して、フッ素樹脂繊維成分と非フッ素樹脂成分の偏り、異方性がより少ないことにある。そのため、強度の異方性が小さい摺動部が得られ易い。また、フッ素樹脂繊維が常に摺動面に露出している状態を保ちやすく、これにより摺動部と摩擦相手材の摩擦係数を特に効果的に低減できる。

摺動部に含まれるマトリックス樹脂は、フェノール樹脂、エポキシ樹脂、ビニルエステル樹脂、及び不飽和ポリエステル樹脂から選ばれる１種以上の熱硬化性樹脂を含む熱硬化性樹脂組成物の硬化物であってもよいし、ポリアミド、ポリアセタール等の熱可塑性樹脂であってもよい。なかでも、耐熱性、長期信頼性の観点から、熱硬化性樹脂組成物の硬化物が好ましい。繊維との濡れ性がよいフェノール樹脂を含むフェノール樹脂組成物、及び繊維との接着性が良好で機械特性に優れたエポキシ樹脂を含むエポキシ樹脂組成物がより好ましい。

フェノール樹脂は、例えば、ノボラック型フェノール樹脂、レゾール型フェノール樹脂及びこれらの組み合わせであってもよい。成形安定性の観点では、レゾール型フェノール樹脂が好ましい。

エポキシ樹脂は、例えば、ビスフェノールＡグリシジルエーテル型エポキシ樹脂、ビスフェノールＦグリシジルエーテル型エポキシ樹脂、ビスフェノールＳグリシジルエーテル型エポキシ樹脂、ビスフェノールＡＤグリシジルエーテル型エポキシ樹脂、フェノールノボラック型エポキシ樹脂、ビフェニル型エポキシ樹脂、クレゾールノボラック型エポキシ樹脂及びこれらの組み合わせであってもよい。

摺動部は、例えば、シート状の繊維集合体とこれに含浸した熱硬化性樹脂組成物又は熱可塑性樹脂組成物とを有する複数のプリプレグを積層し、得られた積層体を、必要により加圧しながら加熱することを含む方法により、得ることができる。加熱及び加圧の条件は、樹脂の種類等に応じて適宜設定される。熱硬化性樹脂組成物は、加熱により硬化して硬化物（マトリックス樹脂）を形成する。

プリプレグは、熱硬化性樹脂組成物又は熱可塑性樹脂組成物、及び溶剤を含有するワニスを繊維集合体に含浸する工程と、繊維集合体に含浸したワニスから溶剤を除去する工程とを含む方法により、得ることができる。フッ素樹脂繊維及び非フッ素樹脂繊維を含む繊維集合体は、フッ素樹脂繊維単独で構成される繊維集合体と比較して、樹脂との高い濡れ性を有するため、高い割合の樹脂を容易に含浸することができる。溶剤は、熱硬化性樹脂組成物又は熱可塑性樹脂組成物を溶解又は分散できるものであれば特に制限されないが、例えばメタノールが溶剤として用いられ得る。

本実施形態に係る摺動部材は、例えば、耐圧性が要求されるブレーキ部材のブレーキパッド（又はディスクパッド）として使用することができる。図１の（ａ）及び（ｂ）は、それぞれ、ブレーキ部材の一実施形態を示す上面図及び断面図である。図１に示すブレーキ部材２００は、円筒形状のくぼみ１１１を有する支持部材１１０と、くぼみ１１１に嵌め込まれた円筒形状の本実施形態に係る摺動部材１００（ブレーキパッド）とを有する。複数のブレーキ部材２００が風車のベアリング等に取り付けられて、風車回転面を変動する風向に追尾させるヨー制御装置のブレーキ部材として好適に用いられる。支持部材は、例えば真鍮製である。

摺動部材１００は、平坦な摺動面Ｓを有する摺動部１と、摺動部１の摺動面Ｓとは反対側に設けられ、摺動部１を支持する基盤部２とを備える。摺動部１の摺動面Ｓと摩擦相手材との接触により、非制動部材に対してヨー制御のための摩擦抵抗が加えられる。

ブレーキ部材に組み込まれたブレーキパッドは、ナセルの質量及び風による負荷、さらには、ヨー動作時にはその動荷重も受け止めるため、これに耐えられる強度及び耐久性を有することが必要である。本実施形態に係る摺動部材は、強度及び耐久性に優れるため、長期の使用時に割れ、破損を効果的に抑制できる。

基盤部２は、例えば、非フッ素樹脂繊維を含むシート状の繊維集合体とこれに含浸したマトリックス樹脂とを含む。非フッ素樹脂繊維、及びマトリックス樹脂は、摺動部１と同様のものから選択することができる。基盤部２は必ずしも設けられる必要はなく、摺動部材は、フッ素樹脂繊維及び非フッ素樹脂繊維を含む摺動部のみを有していてもよい。

ブレーキパッドは継続的に摩耗するため、定期的に交換する必要があるが、その交換頻度はできるだけ少なくすることが望まれる。本実施形態に係るブレーキパッドは、高い耐摩耗性を有することから、寿命が長く、交換頻度を少なくすることができる。さらに、耐摩耗性を向上させたことにより、長い寿命を維持しつつ、制動部の厚みを薄くすることも可能である。その結果、ブレーキ部材の軽量化、原料コストの削減、摩耗粉発生の低減といった効果を得ることができる。

以下、実施例により本発明を具体的に説明する。ただし、本発明の範囲はこれらの実施例に限定されるものではない。

実施例１〜３、比較例１
（プリプレグの作製）
表１に示す仕様の、経糸及び緯糸からなる織布（東レ株式会社製、トヨフロン（登録商標））を、経糸方向に１００ｍｍ、緯糸方向に１００ｍｍのサイズにカットして、プリプレグ用の繊維基材を準備した。これらを、それぞれレゾール型フェノール樹脂ワニス（日立化成株式会社製、商品名：ＶＰ−５１Ｎ）に浸漬した。ワニスから引き上げたワニス含浸基材を、１１０℃、１０分の加熱により乾燥して、プリプレグを得た。

表１中、「ＰＴＦＥ ４４０Ｔ」、及び「ＰＴＥＦ １３３０Ｔ」（いずれも商品名）は、ポリテトラフルオロエチレン（ＰＴＦＥ）繊維であり、「綿９Ｓ」及び「綿２０Ｓ」（いずれも商品名）は綿繊維である。織布の厚みは、面圧２３．５ｋＰａの条件で測定された値である。図２は、実施例１で使用した、ＰＴＦＥ繊維の経糸と、綿繊維の緯糸とから構成される織布の写真である。図３及び図４は、それぞれ、実施例２及び実施例３で使用した。ＰＴＦＥ繊維と綿繊維との合撚糸を経糸及び緯糸として有する織布の写真である。図５は実施例３の織布を構成する合撚糸の写真である。実施例２の織布を構成する合撚糸もこれと同様であるが、実施例３よりも細い単糸から構成される。

（ＰＴＦＥ含量測定）
熱重量・示差熱同時測定装置（エスアイアイ・ナノテクノロジー社製）を用いた熱重量分析により、各織布のＰＴＦＥ含量を求めた。約２０ｍｇの織布試料を用い、３０℃から８００℃の温度範囲で昇温速度１０℃／分、空気流通下で、重量変化を測定した。３１０℃付近に綿に由来する重量減少が、５４０℃付近にＰＴＦＥに由来する重量減少がみられた。４６０℃から８００℃における重量減少量をＰＴＦＥの重量とみなし、その織布全体の質量に対する割合をＰＴＦＥ含量（質量％）とした。

（成形体の作製）
４０枚のプリプレグを、経糸及び緯糸が同じ向きになるように積層した。積層体を、３００トン油圧成形機（東邦プレス製作所株式会社製）を用いて、１６５℃に加熱しながら８ＭＰａで１０分プレスした。その後さらに、１８０℃で１時間加熱して、積層された織布と、マトリックス樹脂の硬化物とを有する成形体を得た。表２に実施例１〜３及び比較例１の成形体の特性を示す。

（評価）
成形体の樹脂量、かさ密度、曲げ強度、圧縮強度及び摩耗性を以下のようにして評価した。結果を表２に示す。

マトリックス樹脂の割合は、成形体の全体質量（ｇ）から、その成形体に含まれる繊維の質量（ｇ）を差し引いた重さをマトリックス樹脂質量（ｇ）とし、マトリックス樹脂の割合（質量％）＝マトリックス樹脂質量（ｇ）／全体質量（ｇ）×１００とした。繊維の質量（ｇ）は織布の目付け（ｇ／ｍ^２）×使用した織布の面積（ｍ^２）×積層枚数から求めた。

かさ密度はＪＩＳ Ｋ７１１２に準拠し、Ａ法で試験片重量は１．０ｇ以上として測定した。

曲げ強度試験
アムスラー式万能試験機（株式会社島津製作所製）を用い、織布の積層方向（織布の主面に垂直な方向）に直交する方向に荷重を加え、ＪＩＳ−Ｋ６９１１に基づき曲げ強度を測定した。試験片は、その長尺方向が緯糸方向となるように切り出した。

圧縮強度試験
アムスラー式万能試験機（株式会社島津製作所製）を用い、織布の積層方向（織布の主面に垂直な方向）に直交する方向に荷重を加え、ＪＩＳ−Ｋ６９１１に基づき圧縮強度を測定した。

摺動摩耗試験
リングオンディスク型摩耗試験機（株式会社茨城製作所製）を用い摺動摩耗試験を行った。５０ｍｍ×１０ｍｍ×５ｍｍに切り出した成形品のサンプルに、リング（材質：ＳＵＳ３０４（ＪＩＳ―Ｇ ４３０３：２００５）、外径：３４ｍｍ、内径：２０ｍｍ）を押しあてながら、面圧：８ＭＰａ、回転速度：０．１６ｍ／ｓの条件でリングを１時間、回転させた。試験後の成形品表面の摩耗した深さを測定した。

経糸としてＰＴＥＦ繊維、緯糸として綿繊維を有する織布を用いて得た実施例１の成形品の樹脂量は、比較例１と比べて増加した。これは、綿繊維のマトリックス樹脂（ワニス）に対する濡れ性が高いためであると考えられる。実施例１の曲げ強度は、比較例１より大幅に増大した。

実施例１の摩耗深さは、比較例１の摩耗深さよりも小さかった。実施例１は、摩擦係数を下げる効果を有するＰＴＦＥ繊維の割合（ＰＴＦＥ含量）が、６２質量％であり、比較例１のＰＴＦＥ含量１００質量％よりも低い。成形品の強度が向上したことにより、耐摩耗性が向上したと考えられる。

ＰＴＦＥ繊維と綿繊維の合撚糸からなる織布を用いた実施例２及び実施例３も、綿繊維を合撚することで織布とマトリックス樹脂との濡れ性が向上したために、樹脂量が増加したと考えられる。実施例２及び実施例３の曲げ強度は、比較例１より増大した。実施例２は特に小さい摩耗深さを示した。これは、強度が向上したことに加えて、合撚繊維においてフッ素樹脂繊維（ＰＴＦＥ繊維）が均一に配置されていることから、摩耗面とフッ素樹脂繊維が常に接触しているためと考えられる。

（ブレーキパッドの作製）
実施例１〜３で作製した成形品を直径８０ｍｍの円盤形状にくり抜き、ブレーキパッドを製作した。このブレーキパッドを、風車回転面を変動する風向に追尾させるヨー制御装置に用いる、図３と同様の構成を有するブレーキ部材に適用した。その結果、このブレーキパッドが、優れた耐圧性と耐摩耗性を示すことが確認された。

１…摺動部、２…基盤部、１００…摺動部材、１１０…支持部材、１１１…くぼみ、２００…ブレーキ部材、Ｓ…摺動面。

Claims (5)

1. 摺動面を有する摺動部を備える摺動部材であって、
   前記摺動部が、織布、編布及び不織布からなる群より選ばれる少なくとも１種の繊維集合体と、前記繊維集合体に含浸したマトリックス樹脂と、を含み、
   前記繊維集合体が、フッ素樹脂繊維及び非フッ素樹脂繊維を含み、
   前記繊維集合体が経糸及び緯糸を有する織布であり、経糸又は緯糸のうち少なくともいずれか一方が、フッ素樹脂繊維と非フッ素樹脂繊維との合撚糸であり、
   前記非フッ素樹脂繊維が、綿、毛、絹、麻、レーヨン、ナイロン、アクリル及びポリウレタンからなる群より選ばれる少なくとも１種の非フッ素樹脂材料の繊維である、
   摺動部材。
2. 前記マトリックス樹脂の割合が、前記摺動部の全質量を基準として４０〜７０質量％である、請求項１に記載の摺動部材。
3. 前記マトリックス樹脂が、フェノール樹脂組成物又はエポキシ樹脂組成物の硬化物である、請求項１又は２に記載の摺動部材。
4. 前記摺動部が２０〜６０枚の前記繊維集合体を含み、それら繊維集合体が積層されている、請求項１〜３のいずれか一項に記載の摺動部材。
5. くぼみを有する支持部材と、
   該くぼみに嵌め込まれた請求項１〜４のいずれか一項に記載の摺動部材と、
   を備える、風車のヨー制御用ブレーキ部材。