專利名稱：模塑齒輪的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種樹脂齒輪。具體地說(shuō)，本發(fā)明涉及一種在高溫下具有高齒根強(qiáng)度、高精度、重量輕、耐磨蝕、只發(fā)出低噪聲并能容易地以低成本大規(guī)模生產(chǎn)的樹脂齒輪。
樹脂齒輪在重量輕、自潤(rùn)滑性能、耐腐蝕、低噪聲、可加工性、大批生產(chǎn)性和成本方面優(yōu)于金屬齒輪。因此，樹脂齒輪廣泛用于各種不同領(lǐng)域，例如汽車零件、電子和電氣用具以及通用機(jī)器的部件。
然而，由于樹脂齒輪在機(jī)械強(qiáng)度、耐熱、熱變形和因加工期間的收縮而引起的尺寸精度問題方面遠(yuǎn)不如金屬齒輪，所以，還不能令人滿意地達(dá)到使之小型化、增加其強(qiáng)度或拓寬其可使用的溫度范圍的目的。在各種樹脂當(dāng)中，聚縮醛樹脂是一種可注射模塑的熱塑性樹脂，已被用作齒輪的重要樹脂材料，因?yàn)樗哂懈鞣矫鎱f(xié)調(diào)的性能和生產(chǎn)性。然而，最近，有甚至在需要更高溫度和更高負(fù)荷的領(lǐng)域中使用樹脂齒輪的需求，而在這些條件下在高溫時(shí)，甚至聚縮醛樹脂的強(qiáng)度也降低，或該樹脂軟化和變形。
尤其，最近用于汽車領(lǐng)域的風(fēng)擋刮水器驅(qū)動(dòng)齒輪或動(dòng)力車窗驅(qū)動(dòng)齒輪因?yàn)榭臻g有限通常必須與馬達(dá)相連。結(jié)果，齒輪因馬達(dá)發(fā)熱而被加熱。此外，對(duì)齒輪的小型化也有需求。在這些情況下，普通樹脂因齒根強(qiáng)度不夠而不能使用。雖然有很多樹脂具有高熔點(diǎn)和高軟化點(diǎn)，甚至在高溫時(shí)也不易于變形，但不僅具有齒輪所要求的性能而且也能滿足經(jīng)濟(jì)要求的樹脂目前還難以得到。
這就是說(shuō)，現(xiàn)在重要的問題是要改進(jìn)樹脂齒輪在高溫時(shí)的機(jī)械性能，尤其是齒根強(qiáng)度，而在克服普通樹脂齒輪的不足的同時(shí)又不損害其優(yōu)點(diǎn)，例如重量輕、自潤(rùn)滑性能、耐腐蝕、低噪聲、大批生產(chǎn)性和可加工性。
雖然聚亞芳基硫醚樹脂如聚亞苯基硫醚樹脂具有高耐熱性而且通常適于制備齒輪，但本發(fā)明者發(fā)現(xiàn)，普通聚亞芳基硫醚或其組合物在高溫時(shí)齒根強(qiáng)度不夠。因此，急需進(jìn)一步改進(jìn)齒根強(qiáng)度。
在為通過解決上述問題制成近來(lái)急需的、可在高溫使用的齒輪之目的而進(jìn)行的深入研究之后，本發(fā)明者已通過使用一種具有特定分子量和基本上直鏈分子結(jié)構(gòu)的聚亞芳基硫醚樹脂作為基本樹脂，結(jié)合使用無(wú)機(jī)填料，成功地生產(chǎn)出一種在高溫具有高齒根強(qiáng)度的預(yù)期樹脂齒輪。至此，本發(fā)明已告完成。
因此，本發(fā)明提供一種通過模塑含有下列組分的樹脂組合物生產(chǎn)的模塑齒輪(A)100份(重量)基本上直鏈的聚亞芳基硫醚樹脂，其熔體粘度(在310℃的溫度，1200/秒的剪切速率下)為1000～5000泊，和(B)5～400份(重量)無(wú)機(jī)填料。
本發(fā)明的齒輪包括一個(gè)該組合物的模塑齒輪零件和一個(gè)與該齒輪零件連接的傳動(dòng)軸。
本發(fā)明者已進(jìn)一步發(fā)現(xiàn)，通過模塑含有上述組分(A)和(B)以及(C)0.01～5份(重量)至少一種選自氨基烷氧基硅烷、環(huán)氧基烷氧基硅烷、巰基烷氧基硅烷和乙烯基烷氧基硅烷的硅烷化合物的樹脂組合物而生產(chǎn)的模塑齒輪，具有進(jìn)一步改善的高溫齒根強(qiáng)度，而且實(shí)際上是特別有用的。
用于制作本發(fā)明的齒輪的組合物的基本樹脂(A)是一種主要含有重復(fù)單元-(Ar-S)-的聚亞芳基硫醚樹脂(下文簡(jiǎn)稱為PAS)，其中Ar代表亞芳基。
這些亞芳基(例如)如下
其中R代表最好具有1～6個(gè)碳原子的烷基或苯基，n代表1～4的整數(shù)，
萘基(
)。
可以使用只由一種屬于含有上述亞芳基的亞芳基硫醚基團(tuán)的重復(fù)單元組成的均聚物，而在某些情況下，從組合物的可加工性觀點(diǎn)來(lái)看，最好是由不同種重復(fù)單元組成的共聚物。
在均聚物當(dāng)中，特別好的是其中亞芳基是對(duì)亞苯基的聚對(duì)亞苯基硫醚(下文簡(jiǎn)稱為PPS)。
可以使用具有兩種或多種亞芳基硫醚基團(tuán)的共聚物，其中亞芳基如上所述。它們當(dāng)中，特別好的是具有對(duì)亞苯基硫醚基團(tuán)和間亞苯基硫醚基團(tuán)的組合的共聚物。從諸如耐熱性、可模塑性和機(jī)械性能等這樣一些性能的觀點(diǎn)來(lái)看，它們當(dāng)中含至少60%(摩爾)、尤其至少70%(摩爾)的對(duì)亞苯基硫醚基團(tuán)的共聚物是較好的。
間亞苯基硫醚基團(tuán)的含量較好的是5～40%(摩爾)，特別好的是10～25%(摩爾)。
從耐熱性和機(jī)械性能的觀點(diǎn)來(lái)看，那些重復(fù)單元不按無(wú)規(guī)排列而按嵌段排列的聚合物(例如，在日本專利公開NO.14228/1986中所述的那些聚合物)是較好的，盡管可加工性基本上相同。
在可用于本發(fā)明的組分(A)當(dāng)中，較好的是由主要包含雙官能鹵代芳族化合物的單體縮聚生產(chǎn)的、具有基本上線型分子結(jié)構(gòu)的聚合物。
聚亞芳基硫醚，除了那些具有線型結(jié)構(gòu)的之外，通常還包括具有通過使用少量可交聯(lián)單體如具有三個(gè)或多個(gè)鹵素取代基的多鹵代芳族化合物形成的交聯(lián)結(jié)構(gòu)的那些，和通過上述具有線型結(jié)構(gòu)的聚合物的氧化交聯(lián)或熱交聯(lián)形成的那些。雖然交聯(lián)的PPS是大家相當(dāng)熟悉的，且在市場(chǎng)上比直鏈結(jié)構(gòu)的更容易得到，但此類交聯(lián)的PAS(PPS)對(duì)于獲得本發(fā)明所預(yù)期的足夠效應(yīng)來(lái)說(shuō)是不能令人滿意。因此，要在本發(fā)明中使用的PAS(PPS)最好是具有基本上直鏈結(jié)構(gòu)的而不形成如上所述的交聯(lián)或支化結(jié)構(gòu)的那一種。然而，要加以說(shuō)明的是，支化的或交聯(lián)的聚合物也是部分可用的。
用作本發(fā)明中組分(A)的PAS的熔體粘度為1000～5000泊(在310℃的溫度和1200/秒的剪切速率下)。尤其是，熔體粘度為1400～4000泊的PAS具有優(yōu)異的機(jī)械性能，且是特別好的。在這個(gè)范圍內(nèi)的熔體粘度比普通PPS的熔體粘度高，而且它表明有更高的分子量。因此，除上述分子結(jié)構(gòu)外，熔體粘度是本發(fā)明的另一重要組成特征。當(dāng)熔體粘度低于這一范圍時(shí)，齒根強(qiáng)度不夠，不利于使用。當(dāng)它超過5000泊時(shí)，在注射模塑步驟中樹脂組合物的流動(dòng)性對(duì)模塑操作來(lái)說(shuō)是不夠的。
用作本發(fā)明的組分(A)的PAS可以同少量其它輔助熱塑性樹脂組合使用，只要它不妨礙本發(fā)明的目的即可。
此處可用的其它熱塑性樹脂可以是那些在高溫時(shí)穩(wěn)定的樹脂中的任何一種。
它們包括芳族二羧酸與二醇的芳族聚酯，如聚對(duì)苯二甲酸乙二醇酯和聚對(duì)苯二甲酸丁二醇酯，或羥基羧酸的芳族聚酯;聚酰胺;聚碳酸酯;ABS樹脂;聚苯醚;聚丙烯酸烷基酯;聚縮醛類;聚砜類;聚醚砜類，聚醚酰亞胺類，聚醚酮類和氟樹脂類。這些熱塑性樹脂既可以單獨(dú)使用，也可以其中兩種或多種的混合物形式使用。
在用于形成本發(fā)明的齒輪的組合物中作為組分(B)的無(wú)機(jī)填料對(duì)于保持在高溫氣氛下的剛性和改善齒根強(qiáng)度來(lái)說(shuō)是不可缺少的。纖維狀的、粉末狀的、顆粒狀的和片狀的填料均可使用。
在它們當(dāng)中，較好的是具有顯著改善齒根強(qiáng)度效應(yīng)的纖維狀填料。它們包括無(wú)機(jī)物質(zhì)如玻璃、石棉、碳、硅石、硅石/礬土、氧化鋯、氮化硼、氮化硅、硼和鈦酸鉀等的纖維，以及金屬如不銹鋼、鋁、鈦、銅和黃銅等的纖維。典型的纖維狀填料是玻璃纖維和碳纖維。此外，高熔點(diǎn)有機(jī)物質(zhì)如聚酰胺、氟樹脂和丙烯酸樹脂等的纖維也可以使用。
粉末狀的和顆粒狀的填料包括炭黑;硅酸鹽如硅石、石英粉、玻璃珠、玻璃粉、硅酸鈣、硅酸鋁、高嶺土、滑石粉、粘土、硅藻土和硅灰石;金屬氧化物如氧化鐵、氧化鈦、氧化鋅和氧化鋁;金屬碳酸鹽如碳酸鈣和碳酸鎂;金屬硫酸鹽如硫酸鈣和硫酸鋇;碳化硅;氮化硅;氮化硼和各種金屬粉末。
片狀填料包括云母、玻璃片和各種金屬箔。
無(wú)機(jī)填料既可以單獨(dú)使用，也可以其中兩種或多種的混合物形式使用。
這些填料最好先用一種粘合劑或一種表面處理劑處理，以改善齒根強(qiáng)度。在處理中，使用一種環(huán)氧、異氰酸酯、硅烷或鈦酸鹽化合物。
對(duì)于100份(重量)聚亞芳基硫醚樹脂，無(wú)機(jī)填料的用量是5～400份(重量)、最好是10～200份(重量)。當(dāng)它低于5份(重量)時(shí)，剛性和齒根強(qiáng)度不夠，而當(dāng)它過多時(shí)，模塑操作就變得困難。
用作與組分(A)和(B)組合的組分(C)的較好硅烷化合物包括氨基烷氧基硅烷，環(huán)氧基烷氧基硅烷，巰基烷氧基硅烷和乙烯基烷氧基硅烷。它們既可單獨(dú)使用，也可以其中兩種或多種的混合物形式使用。
氨基烷氧基硅烷是任何一種在分子中具有至少一個(gè)氨基和兩個(gè)或三個(gè)烷氧基的硅烷化合物。它們包括γ-氨基丙基三乙氧基硅烷，γ-氨基丙基三甲氧基硅烷，γ-氨基丙基甲基二乙氧基硅烷，γ-氨基丙基甲基二甲氧基硅烷，N-β(氨基乙基)-γ-氨基丙基三乙氧基硅烷，N-β(氨基乙基)-γ-氨基丙基三甲氧基硅烷，N-β(氨基乙基)-γ-氨基丙基甲基二乙氧基硅烷，N-β(氨基乙基)-γ-氨基丙基甲基二甲氧基硅烷和N-苯基-γ-氨基丙基三甲氧基硅烷。
環(huán)氧基烷氧基硅烷是任何一種在分子中具有至少一個(gè)環(huán)氧基和兩個(gè)或三個(gè)烷氧基的硅烷化合物。它們包括γ-環(huán)氧丙氧基丙基三甲氧基硅烷，β-(3，4-環(huán)氧環(huán)己基)乙基三甲氧基硅烷和γ-環(huán)氧丙氧基丙基三乙氧基硅烷。
巰基烷氧基硅烷是任何一種在分子中具有至少一個(gè)巰基和兩個(gè)或三個(gè)烷氧基的硅烷化合物。它們包括γ-巰基丙基三甲氧基硅烷和γ-巰基丙基三乙氧基硅烷。
乙烯基烷氧基硅烷是任何一種在分子中具有至少一個(gè)乙烯基和兩個(gè)或三個(gè)烷氧基的硅烷化合物。它們包括，例如，乙烯基三乙氧基硅烷，乙烯基三甲氧基硅烷和乙烯基三(β-甲氧基乙氧基)硅烷。
本發(fā)明的烷氧基硅烷的用量，對(duì)于100份(重量)聚亞芳基硫醚樹脂，是0.01～5份(重量)，最好是0.1～3份(重量)。當(dāng)它小于0.01份(重量)時(shí)，不能得到任何預(yù)期的齒根強(qiáng)度改進(jìn)效應(yīng)，而當(dāng)它過量時(shí)，模塑操作就變得困難而不順利。
用作本發(fā)明齒輪材料的組合物可以含有通常摻入熱塑性和熱固性樹脂中的已知物質(zhì)，例如穩(wěn)定劑，如抗氧劑和紫外吸收劑;抗靜電劑;離模劑;阻燃劑;著色劑，如染料和顏料;潤(rùn)滑劑;結(jié)晶促進(jìn)劑和成核劑，以便獲得具有所需性能的組合物。
用作為制作本發(fā)明齒輪的原料的聚亞芳基硫醚樹脂組合物，可以借助用于生產(chǎn)合成樹脂組合物的普通方法和普通設(shè)備來(lái)生產(chǎn)。在這種方法中，將必要的組分用單螺桿或雙螺桿擠塑機(jī)捏合和擠出，形成模塑粒料。也可以用一部分必要的組分作為母料，再與其余部分混合，形成混合物，再進(jìn)行熔融擠出。
本發(fā)明的模塑齒輪可以借助用于進(jìn)行熱塑性樹脂模塑的普通方法生產(chǎn)。通常，這種模塑齒輪是從上述樹脂組合物的粒料，通過用注射模塑機(jī)注射模塑生產(chǎn)的。模塑可以用除注射模塑外的其它方法進(jìn)行，例如擠塑、壓機(jī)模塑、沖壓或切削。也可以通過在注射模塑過程中進(jìn)行金屬嵌件上注塑或嵌件模塑形成一個(gè)整體模制件，包括一個(gè)齒輪零件，結(jié)合一個(gè)由另一種材料制成的輔助零件如傳動(dòng)軸。
本發(fā)明的齒輪的典型實(shí)例包括正齒輪和圓柱齒輪。它們也包括那些具有與動(dòng)力傳遞方向不在同一平面上的互嚙合節(jié)圓的齒輪或那些具有與節(jié)柱軸不平行的節(jié)螺旋的齒輪，如螺旋齒輪，雙螺旋齒輪，直齒傘齒輪，螺旋傘齒輪，弧齒傘齒輪，交叉螺旋齒輪，偏軸傘齒輪，蝸輪和可調(diào)蝸輪。
這些齒輪可用作電子和電氣用具、汽車和通用機(jī)器、家用電器、各種物品等的零件。
它們尤其可用作電子和電氣領(lǐng)域中以及汽車領(lǐng)域中的驅(qū)動(dòng)部件，用于驅(qū)動(dòng)風(fēng)擋刮水器，動(dòng)力車窗，被動(dòng)式皮帶，頂棚窗，后視鏡，自動(dòng)天線，座位滑動(dòng)控制器和在惡劣條件下使用的可伸縮的車燈。
本發(fā)明有下列效果(1)可使齒輪機(jī)構(gòu)減小至最低限度，因?yàn)樵诟邷貢r(shí)其齒根強(qiáng)度比普通樹脂齒輪高。因此，增加了設(shè)計(jì)機(jī)器時(shí)的自由度。
(2)由于它的齒根強(qiáng)度高，所以它可在高負(fù)荷下于高溫使用。例如，它可用于汽車包括卡車的需要高負(fù)荷的風(fēng)擋刮水器。
(3)它可在惡劣條件下使用，包括高溫、高濕等，因?yàn)樗哂懈呖節(jié)裥?，并且它的尺寸變化很小?br> (4)它具有樹脂齒輪特有的特征，如重量輕，易于加工，可大批生產(chǎn)，耐腐蝕，耐磨性和低噪聲。
(5)它的成本比金屬齒輪低。


圖1表示一個(gè)用于試驗(yàn)的、具有不銹鋼傳動(dòng)軸的正齒輪，其中(a)是垂直剖面視圖，(b)是平面圖。
1樹脂正齒輪，2不銹鋼傳動(dòng)軸，G澆口。
下列實(shí)例將進(jìn)一步說(shuō)明本發(fā)明，但不是限制本發(fā)明。
實(shí)例1～12如有必要，按表1中所述的量，把作為組分(C)的硅烷化合物添加到作為組分(A)的聚亞苯基硫醚樹脂中，然后用Henschel混合機(jī)把它們混合2分鐘。
然后按表1中所述的量，把作為組分(B)的無(wú)機(jī)填料添加于其中，用混合機(jī)將其混合30秒。用料筒溫度為310℃的擠塑機(jī)捏合該混合物，形成聚亞苯基硫醚樹脂組合物粒料。用注射模塑機(jī)在料筒溫度為320℃而模溫為150℃下，把這些粒料成形為ASTM試片。測(cè)定它們的拉伸強(qiáng)度，拉伸伸長(zhǎng)，撓曲楊氏模量和熱變形溫度。
進(jìn)而，用注射模塑機(jī)和齒輪模具，在料筒溫度為320℃而模溫為150℃下，通過注射模塑生產(chǎn)一種有一根不銹鋼傳動(dòng)軸插入其中的正齒輪。該正齒輪具有圖1所示的形狀，節(jié)圓直徑和齒輪模數(shù)分別為57.8mm和1.1mm。這樣所獲得的正齒輪于23℃和50%濕度靜置24小時(shí)，然后在23℃和80℃測(cè)定它們的齒根強(qiáng)度。在齒根強(qiáng)度測(cè)試中，把上述生產(chǎn)的正齒輪與一個(gè)固定的金屬蝸輪的蝸桿配合，強(qiáng)制性旋轉(zhuǎn)，用一臺(tái)扭曲試驗(yàn)機(jī)(島津公司制造)測(cè)定其破裂時(shí)的強(qiáng)度。
用Capirograph IB(由Toyo Seiki Seisaku-sho，Ltd.制造)測(cè)定該樹脂的熔體粘度。所用的毛細(xì)管直徑為1mm，長(zhǎng)度為10mm。筒溫是130℃，剪切速率范圍為120/秒至12000/秒。取在1200/秒所獲得的值為熔體粘度。結(jié)果列于表1中。
對(duì)比實(shí)例1～5重復(fù)與上述相同的步驟，所不同的是使用一種在本發(fā)明范圍之外的PPS組合物，例如一種不含組分(B)，一種所含PPS的粘度在1000泊或以下，或一種所含聚合物具有基本上非線型分子結(jié)構(gòu)。結(jié)果列于表1中。
對(duì)比實(shí)例6和7用與實(shí)例1～12相同的方法進(jìn)行注射模塑，所不同的是用聚縮醛樹脂(POM)以及其組合物代替PPS，而且注射模塑條件包括注射模塑機(jī)的料筒溫度為200℃，模溫為80℃。性能測(cè)定結(jié)果列于表1中。
＊1)直鏈PPS;＊3)γ-氨基丙基三乙氧基硅烷＊2)交聯(lián)PPS ＊4)γ-環(huán)氧丙氧基丙基三甲氧基硅烷＊5)巰基丙基三甲氧基硅烷＊6)乙烯基三甲氧基硅烷
權(quán)利要求
1.一種通過模塑含有下列組分的樹脂組合物生產(chǎn)的模塑齒輪(A)100份(重量)基本上直鏈的聚亞芳基硫醚樹脂，其熔體粘度(在溫度為310℃，剪切速率為1200/秒)為1000～5000泊(P)，(B)5～400份(重量)無(wú)機(jī)填料。
2.一種通過模塑含有下列組分的樹脂組合物生產(chǎn)的模塑齒輪權(quán)利要求1中所提出的組分(A)和(B)，以及(C)0.01～5份(重量)至少一種選自氨基烷氧基硅烷、環(huán)氧基烷氧基硅烷、巰基烷氧基硅烷和乙烯基烷氧基硅烷的硅烷化合物。
全文摘要
一種通過模塑含有下列組分的樹脂組合物生產(chǎn)的模塑齒輪
文檔編號(hào)C08L81/02GK1048815SQ9010470
公開日1991年1月30日 申請(qǐng)日期1990年7月18日 優(yōu)先權(quán)日1989年7月18日
發(fā)明者仁滕敏克, 福井喜一郎, 鈴木政之, 德重和友 申請(qǐng)人:汎塑料株式會(huì)社