JP7725945B2 - Polyphenylene sulfide resin composition and molded article thereof - Google Patents
Polyphenylene sulfide resin composition and molded article thereofInfo
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Description
本発明はポリフェニレンスルフィド樹脂組成物およびそれを含む成形品に関するものである。より詳しくはドライおよび液中環境下にて高い耐摩耗性を有し、かつ強度に優れる、摺動に供するポリフェニレンスルフィド樹脂組成物およびその成形品に関する。 The present invention relates to a polyphenylene sulfide resin composition and a molded article containing the same. More specifically, the present invention relates to a polyphenylene sulfide resin composition and molded article thereof that are suitable for sliding and have high abrasion resistance and excellent strength in dry and liquid environments.
ポリフェニレンスルフィド樹脂(以下PPS樹脂と略す場合もある)は高耐熱性のスーパーエンジニアリングプラスチックに属し、機械的強度、剛性、難燃性、耐薬品性、電気特性および寸法安定性などを有していることから、射出成形用を中心として、各種電気・電子部品、家電部品、自動車部品および機械部品などの用途に幅広く使用されている。種々の用途の中でも、PPS樹脂は優れた耐薬品性、寸法安定性を有することから、液中で使用されるスライドバルブ、ギア、ベアリングリテーナーなどの摺動部材用途へ広く用いられている。摺動部材は、通常、潤滑液を摺動界面に介在させて摺動性を向上させるが、使用中に何らかの条件で潤滑液が涸れてしまう場合があり、摺動部材の異常摩耗に起因する装置故障につながることがある。良好な性能を維持するためには、潤滑液の有無に対するロバスト性を高めることが重要である。 Polyphenylene sulfide resin (hereinafter sometimes abbreviated as PPS resin) is a highly heat-resistant super engineering plastic. Its mechanical strength, rigidity, flame retardancy, chemical resistance, electrical properties, and dimensional stability make it widely used in a variety of applications, primarily for injection molding, including various electrical and electronic components, home appliance components, automotive components, and machine components. Among its various applications, PPS resin's excellent chemical resistance and dimensional stability make it widely used in sliding components used in liquids, such as slide valves, gears, and bearing retainers. Sliding components typically incorporate a lubricant at the sliding interface to improve their sliding properties. However, certain conditions can cause the lubricant to dry up during use, leading to equipment failure due to abnormal wear of the sliding components. To maintain good performance, it is important to increase robustness against the presence or absence of lubricant.
例えば、特許文献1では高強度で耐摩擦摩耗性に優れる樹脂組成物としてPPS樹脂に炭素繊維および摺動性向上材を含有するPPS樹脂組成物が提案されている。特許文献2では、コンプレッサー用シール部材を想定したPPS樹脂組成物として、PPS樹脂にPAN系炭素繊維、異方性ピッチ系炭素繊維およびフッ素系樹脂を含有するPPS樹脂組成物が提案されている。特許文献3では、バルブスライド成形体を想定した高温高荷重に耐えるPPS樹脂組成物として、繊維系充填材およびフッ素系樹脂を配合したPPS樹脂組成物が提案されている。特許文献4では、潤滑油の存在しない摺動条件でも耐摩耗性に優れる樹脂組成物として、マトリックス合成樹脂と、特定の比表面積を有する炭素繊維および固体潤滑剤を配合するPPS樹脂組成物が提案されている。 For example, Patent Document 1 proposes a PPS resin composition containing carbon fiber and a sliding property improver in PPS resin as a resin composition with high strength and excellent friction and wear resistance. Patent Document 2 proposes a PPS resin composition containing PAN-based carbon fiber, anisotropic pitch-based carbon fiber, and a fluororesin as a PPS resin composition intended for compressor sealing members. Patent Document 3 proposes a PPS resin composition blended with a fibrous filler and a fluororesin as a PPS resin composition intended for valve slide moldings that can withstand high temperatures and high loads. Patent Document 4 proposes a PPS resin composition blended with a matrix synthetic resin, carbon fiber with a specific specific surface area, and a solid lubricant as a resin composition with excellent wear resistance even under sliding conditions in the absence of lubricating oil.
近年、液中で使用される摺動部材に対し、より優れた成形品の機械特性、および耐摩耗性が求められている。加えて、機器保全の観点から液中、ドライ環境の両方での優れた耐摩耗性が求められている。 In recent years, there has been a demand for better mechanical properties and wear resistance in molded products for sliding components used in liquids. In addition, from the perspective of equipment maintenance, there is a demand for excellent wear resistance in both liquid and dry environments.
しかしながら、特許文献1、特許文献2および特許文献3では、潤滑油や冷凍油が介在する環境での耐摩耗性向上につき開示されているが、ドライ環境での耐摩耗性に課題があり、特許文献4では、潤滑油中、ドライ環境での耐摩耗性向上につき開示されているが、ドライ環境での耐摩耗性は必ずしも優れているとは言えず、低い材料強度に起因し部品強度が低い課題がある。そこで、本発明においては上述の課題を解決し、機械特性、ドライおよび液中環境下で耐摩耗性に優れる成形品を得ることのできるPPS樹脂組成物および成形品を提供することを目的とする。 However, while Patent Documents 1, 2, and 3 disclose improved abrasion resistance in environments where lubricating oil or refrigerating oil is present, there are issues with abrasion resistance in dry environments. Patent Document 4 discloses improved abrasion resistance in lubricating oil and dry environments, but the abrasion resistance in dry environments is not necessarily excellent, and there is an issue of low part strength due to low material strength. Therefore, the object of the present invention is to solve the above-mentioned issues and provide a PPS resin composition and molded article that can produce molded articles with excellent mechanical properties and abrasion resistance in dry and liquid environments.
本発明者らは、上記課題を解決するために鋭意検討を重ねた結果、PPS樹脂組成物におけるPPS樹脂、PAN系炭素繊維、等方性ピッチ系炭素繊維、およびフッ素樹脂の含有量を特定の範囲内にせしめることにより、前記課題を解決できることを見出し、本発明を完成するに至った。 As a result of extensive research into resolving the above-mentioned problems, the inventors discovered that the above problems could be resolved by adjusting the content of PPS resin, PAN-based carbon fiber, isotropic pitch-based carbon fiber, and fluororesin in the PPS resin composition to fall within specific ranges, leading to the completion of the present invention.
すなわち本発明は、以下を提供するものである。
(1) ポリフェニレンスルフィド樹脂、引張強さ3000MPa以上のPAN系炭素繊維、等方性ピッチ系炭素繊維およびフッ素樹脂を含むポリフェニレンスルフィド樹脂組成物であって、
ポリフェニレンスルフィド樹脂100重量部に対する、引張強さ3000MPa以上のPAN系炭素繊維の含有量が10~40重量部であり、等方性ピッチ系炭素繊維の含有量が5~30重量部であり、
フッ素樹脂の含有量がポリフェニレンスルフィド樹脂100重量部に対して、6重量部以上30重量部以下であり、かつ、等方性ピッチ系炭素繊維およびフッ素樹脂の含有量の合計が、ポリフェニレンスルフィド樹脂100重量部に対して、15~60重量部であることを特徴とする、摺動用途に供するポリフェニレンスルフィド樹脂組成物。
(2) 引張強さが120MPa以上であることを特徴とする(1)に記載の摺動用途に供するポリフェニレンスルフィド樹脂組成物。
(3) (1)または(2)に記載のポリフェニレンスルフィド樹脂組成物を成形してなる成形品。
That is, the present invention provides the following.
(1) A polyphenylene sulfide resin composition comprising a polyphenylene sulfide resin, a PAN-based carbon fiber having a tensile strength of 3000 MPa or more , an isotropic pitch-based carbon fiber , and a fluororesin ,
The content of the PAN-based carbon fiber having a tensile strength of 3000 MPa or more is 10 to 40 parts by weight and the content of the isotropic pitch-based carbon fiber is 5 to 30 parts by weight relative to 100 parts by weight of the polyphenylene sulfide resin,
A polyphenylene sulfide resin composition for sliding applications, characterized in that the content of the fluororesin is 6 parts by weight or more and 30 parts by weight or less per 100 parts by weight of the polyphenylene sulfide resin, and the total content of the isotropic pitch-based carbon fiber and the fluororesin is 15 to 60 parts by weight per 100 parts by weight of the polyphenylene sulfide resin.
(2) The polyphenylene sulfide resin composition for sliding applications according to (1), characterized in that the tensile strength is 120 MPa or more.
(3) A molded article obtained by molding the polyphenylene sulfide resin composition according to (1) or (2).
本発明によれば、機械特性に優れ、ドライおよび液中環境下での耐摩耗性に優れるPPS樹脂組成物およびその成形品を提供することができる。 The present invention makes it possible to provide a PPS resin composition and molded articles thereof that have excellent mechanical properties and excellent abrasion resistance in both dry and submerged environments.
以下、本発明を実施するための形態(以下、「本実施形態」ということもある)について詳細に説明する。なお、本発明は、以下の実施形態に制限されるものではない。 The following describes in detail the mode for carrying out the present invention (hereinafter sometimes referred to as the "present embodiment"). Note that the present invention is not limited to the following embodiment.
<ポリフェニレンスルフィド樹脂>
本発明で用いるポリフェニレンスルフィド樹脂(PPS樹脂)の代表例としては、ポリアリーレンスルフィド、ポリアリーレンスルフィドスルホン、ポリアリーレンスルフィドケトン、これらのランダム共重合体、ブロック共重合体およびそれらの混合物などが挙げられ、中でもポリアリーレンスルフィドが特に好ましく使用される。かかるポリアリーレンスルフィドは、下記構造式で示される繰り返し単位を好ましくは70モル%以上、より好ましくは90モル%以上含む重合体であり、上記繰り返し単位が70モル%以上の場合には、耐熱性に優れる点で好ましい。
<Polyphenylene sulfide resin>
Typical examples of the polyphenylene sulfide resin (PPS resin) used in the present invention include polyarylene sulfide, polyarylene sulfide sulfone, polyarylene sulfide ketone, their random copolymers, block copolymers, and mixtures thereof, among which polyarylene sulfide is particularly preferably used. Such polyarylene sulfide is a polymer containing preferably 70 mol % or more, more preferably 90 mol % or more, of a repeating unit represented by the following structural formula, and when the repeating unit is 70 mol % or more, it is preferred in terms of excellent heat resistance.
また、かかるポリアリーレンスルフィド樹脂は、その繰り返し単位の30モル%以下を、下記の構造式を有する繰り返し単位などで構成することが可能であり、ランダム共重合体、ブロック共重合体であってもよく、それらの混合物であってもよい。 Furthermore, such polyarylene sulfide resins may be composed of 30 mol % or less of repeating units having the following structural formula, and may be random copolymers, block copolymers, or mixtures thereof.
かかるポリアリーレンスルフィド樹脂は、通常公知の方法、つまり特公昭45-3368号公報に記載される比較的分子量の小さな重合体を得る方法、あるいは特公昭52-12240号公報や特開昭61-7332号公報に記載される比較的分子量の大きな重合体を得る方法などによって製造することができる。 Such polyarylene sulfide resins can be produced by commonly known methods, such as the method for obtaining a polymer with a relatively low molecular weight described in Japanese Patent Publication No. 45-3368, or the method for obtaining a polymer with a relatively high molecular weight described in Japanese Patent Publication No. 52-12240 and Japanese Patent Laid-Open Publication No. 61-7332.
本発明で用いるポリアリーレンスルフィド樹脂の製造方法においては、重合終了後に、重合体、溶媒などを含む重合反応物から固形物を回収する。本発明で用いるポリアリーレンスルフィド樹脂は、公知の如何なる回収方法を採用しても良い。 In the method for producing the polyarylene sulfide resin used in the present invention, after polymerization is completed, solid matter is recovered from the polymerization reaction product containing the polymer, solvent, etc. Any known recovery method may be used for the polyarylene sulfide resin used in the present invention.
例えば、重合反応終了後、徐冷して粒子状のポリマーを回収する方法を用いても良い。この際の徐冷速度には特に制限は無いが、通常0.1℃/分~3℃/分程度である。徐冷工程の全工程において同一速度で徐冷する必要もなく、ポリマー粒子が結晶化析出するまでは0.1~1℃/分、その後1℃/分以上の速度で徐冷する方法などを採用しても良い。 For example, after the polymerization reaction is complete, the mixture may be slowly cooled to recover the particulate polymer. There are no particular restrictions on the cooling rate, but it is typically about 0.1°C/min to 3°C/min. It is not necessary to cool at the same rate throughout the entire cooling process; instead, it is possible to cool at a rate of 0.1 to 1°C/min until the polymer particles crystallize and precipitate, and then at a rate of 1°C/min or faster.
また、上記の回収を急冷条件下で行うことも好ましい方法の一つであり、この回収方法の好ましい一つの方法としてはフラッシュ法が挙げられる。フラッシュ法とは、重合反応物を高温高圧(通常250℃以上、8kg/cm2以上)の状態から常圧もしくは減圧の雰囲気中へフラッシュさせ、溶媒回収と同時に重合体を粉末状にして回収する方法であり、ここでいうフラッシュとは、重合反応物をノズルから噴出させることを意味する。フラッシュさせる雰囲気は、具体的には例えば常圧中の窒素または水蒸気が挙げられ、その温度は通常150~250℃の範囲が選択される。 Another preferred method is to carry out the recovery under rapid cooling conditions, and a preferred example of this recovery method is the flash method. The flash method is a method in which the polymerization reaction product is flashed from a high-temperature, high-pressure state (usually 250°C or higher, 8 kg/cm2 or higher ) into an atmosphere of normal pressure or reduced pressure, and the polymer is recovered in powder form at the same time as the solvent is recovered; flashing here means that the polymerization reaction product is ejected from a nozzle. Specific examples of the flashing atmosphere include nitrogen or water vapor at normal pressure, and the temperature is usually selected in the range of 150 to 250°C.
本発明においては、上記のようにして得られたポリアリーレンスルフィド樹脂を、空気中加熱による架橋/高分子量化、窒素などの不活性ガス雰囲気下あるいは減圧下での熱処理、有機溶媒、熱水、酸水溶液などによる洗浄、酸無水物、アミン、イソシアネート、官能基含有ジスルフィド化合物などの官能基含有化合物による活性化などの種々の処理を施した上で使用することも、もちろん可能である。しかしながら、空気中加熱による架橋/高分子量化はポリアリーレンスルフィド樹脂の酸化着色を招くため、白色性の目標を達成するために、加熱による架橋/高分子量化を行わない実質的に直鎖状のポリアリーレンスルフィド樹脂であることが好ましい。 In the present invention, the polyarylene sulfide resin obtained as described above can, of course, also be used after undergoing various treatments, such as crosslinking/polymerization by heating in air, heat treatment in an inert gas atmosphere such as nitrogen or under reduced pressure, washing with an organic solvent, hot water, or an acid aqueous solution, or activation with a functional group-containing compound such as an acid anhydride, amine, isocyanate, or functional group-containing disulfide compound. However, since crosslinking/polymerization by heating in air can cause oxidative discoloration of the polyarylene sulfide resin, a substantially linear polyarylene sulfide resin that is not crosslinked/polymerized by heating is preferred in order to achieve the target whiteness.
ポリアリーレンスルフィド樹脂を有機溶媒で洗浄する場合に、洗浄に用いる有機溶媒としては、ポリアリーレンスルフィド樹脂を分解する作用などを有しないものであれば特に制限はなく使用することができる。例えば、N-メチルピロリドン、ジメチルホルムアミド、ジメチルアセトアミドなどの含窒素極性溶媒、ジメチルスルホキシド、ジメチルスルホンなどのスルホキシド・スルホン系溶媒、アセトン、メチルエチルケトン、ジエチルケトン、アセトフェノンなどのケトン系溶媒、ジメチルエーテル、ジプロピルエーテル、テトラヒドロフランなどのケトン系溶媒、クロロホルム、テトラクロロエタン、クロロベンゼンハロゲン系溶媒、メタノール、エタノール、プロパノール、ブタノール、ペンタノール、エチレングリコール、プロピレングリコール、フェノール、クレゾール、ポリエチレングリコールなどのアルコール・フェノール系溶媒、およびベンゼン、トルエン、キシレンなどの芳香族炭化水素系溶媒などが使用される。また、これらの有機溶媒は、1種類または2種類以上の混合で使用される。 When washing polyarylene sulfide resin with an organic solvent, any organic solvent can be used for washing, as long as it does not decompose the polyarylene sulfide resin. Examples of suitable organic solvents include nitrogen-containing polar solvents such as N-methylpyrrolidone, dimethylformamide, and dimethylacetamide; sulfoxide/sulfone solvents such as dimethyl sulfoxide and dimethyl sulfone; ketone solvents such as acetone, methyl ethyl ketone, diethyl ketone, and acetophenone; ketone solvents such as dimethyl ether, dipropyl ether, and tetrahydrofuran; halogenated solvents such as chloroform, tetrachloroethane, and chlorobenzene; alcohol/phenol solvents such as methanol, ethanol, propanol, butanol, pentanol, ethylene glycol, propylene glycol, phenol, cresol, and polyethylene glycol; and aromatic hydrocarbon solvents such as benzene, toluene, and xylene. These organic solvents can be used alone or in combination.
かかる有機溶媒による洗浄の具体的方法としては、有機溶媒中にポリアリーレンスルフィド樹脂を浸漬せしめるなどの方法があり、必要により適宜攪拌、または加熱することも可能である。有機溶媒でポリアリーレンスルフィド樹脂を洗浄する際の洗浄温度については特に制限はなく、常温~300℃程度の任意の温度が選択できる。洗浄温度が高く張るほど洗浄効率が高くなる傾向があるが、通常は常温~150℃の洗浄温度で十分な効果が得られる。なお、有機溶媒洗浄を施されたポリアリーレンスルフィド樹脂は、残留している有機溶媒を除去するため、水または温水で数回洗浄することが好ましい。上記水洗浄の温度は50~90℃であることが好ましく、60~80℃であることが好ましい。 Specific methods for washing with such organic solvents include immersing the polyarylene sulfide resin in the organic solvent, which can be stirred or heated as needed. There are no particular restrictions on the washing temperature when washing the polyarylene sulfide resin with an organic solvent, and any temperature between room temperature and approximately 300°C can be selected. While higher washing temperatures tend to improve cleaning efficiency, a washing temperature between room temperature and 150°C typically provides sufficient results. It is preferable to wash the polyarylene sulfide resin that has been washed with an organic solvent several times with water or warm water to remove any remaining organic solvent. The temperature for the water wash is preferably 50 to 90°C, and more preferably 60 to 80°C.
ポリアリーレンスルフィド樹脂を熱水で処理する場合の具体的方法としては、以下の方法を例示することができる。すなわち、熱水洗浄によるポリアリーレンスルフィド樹脂の好ましい化学的変性の効果を発現するために、使用する水は蒸留水あるいは脱イオン水であることが好ましい。熱水処理の操作は、通常、所定量の水に所定量のポリアリーレンスルフィド樹脂を投入し、常圧あるいは圧力容器内で加熱、攪拌することにより行われる。ポリアリーレンスルフィド樹脂と水との割合は、水の多い方がよく、好ましくは水1リットルに対し、ポリアリーレンスルフィド樹脂200g以下の浴比で使用される。 Specific examples of methods for treating polyarylene sulfide resin with hot water include the following. Specifically, to achieve the desired chemical modification effect of the polyarylene sulfide resin by hot water washing, it is preferable to use distilled or deionized water. Hot water treatment is usually carried out by adding a predetermined amount of polyarylene sulfide resin to a predetermined amount of water, and then heating and stirring at normal pressure or in a pressure vessel. The ratio of polyarylene sulfide resin to water is preferably higher, and a bath ratio of 200 g or less of polyarylene sulfide resin per 1 liter of water is preferably used.
ポリアリーレンスルフィド樹脂を酸処理する場合の具体的方法としては、以下の方法を例示することができる。すなわち、酸または酸の水溶液にポリアリーレンスルフィド樹脂を浸漬せしめるなどの方法があり、必要により適宜攪拌または加熱することも可能である。用いられる酸としては、ポリアリーレンスルフィド樹脂を分解する作用を有しないものであれば特に制限はなく、ギ酸、酢酸、プロピオン酸、酪酸などの芳香族飽和モノカルボン酸、クロロ酢酸、ジクロロ酢酸などのハロ置換脂肪族飽和カルボン酸、アクリル酸、クロトン酸などの脂肪族不飽和モノカルボン酸、安息香酸、サリチル酸などの芳香族カルボン酸、シュウ酸、マロン酸、コハク酸、フタル酸、フマル酸などのジカルボン酸、および硫酸、リン酸、塩酸、炭酸、珪酸などの無機酸性化合物などが用いられる。これらの酸のなかでも、特に酢酸、塩酸がより好ましく用いられる。酸処理を施したポリアリーレンスルフィド樹脂は、残留している酸または塩などを除去するため、水で数回洗浄することが好ましい。上記水洗浄の温度は50~90℃であることが好ましく、60~80℃であることが好ましい。また、洗浄に用いる水は、酸処理によるポリアリーレンスルフィド樹脂の好ましい化学的変性の効果を損なわない意味で、蒸留水または脱イオン水であることが好ましい。 Specific examples of acid-treating polyarylene sulfide resin include the following methods. Specifically, the polyarylene sulfide resin can be immersed in an acid or an aqueous solution of an acid, with stirring or heating as necessary. The acid used is not particularly limited as long as it does not decompose the polyarylene sulfide resin. Examples include saturated aromatic monocarboxylic acids such as formic acid, acetic acid, propionic acid, and butyric acid; halo-substituted saturated aliphatic carboxylic acids such as chloroacetic acid and dichloroacetic acid; unsaturated aliphatic monocarboxylic acids such as acrylic acid and crotonic acid; aromatic carboxylic acids such as benzoic acid and salicylic acid; dicarboxylic acids such as oxalic acid, malonic acid, succinic acid, phthalic acid, and fumaric acid; and inorganic acidic compounds such as sulfuric acid, phosphoric acid, hydrochloric acid, carbonic acid, and silicic acid. Among these acids, acetic acid and hydrochloric acid are particularly preferred. The acid-treated polyarylene sulfide resin is preferably washed several times with water to remove any remaining acid or salt. The temperature for the water washing is preferably 50 to 90°C, and more preferably 60 to 80°C. Furthermore, the water used for washing is preferably distilled water or deionized water, so as not to impair the desired chemical modification effect of the polyarylene sulfide resin by the acid treatment.
本発明で用いられるポリアリーレンスルフィド樹脂のメルトフローレート(以下、MFRと略すこともある)は、1000g/10分以下であることが好ましく、700g/10分以下、更に好ましくは500g/10分以下である。MFRが1000g/10分を超えると、重合度が低すぎるため、機械的強度が低下する。下限としては、80g/10分を超える範囲であることが好ましく、100g/10分以上であることが更に好ましい。ここでMFRは、315.5℃、5000g荷重とし、ASTM-D1238-70に従って測定した値である。 The melt flow rate (hereinafter sometimes abbreviated as MFR) of the polyarylene sulfide resin used in the present invention is preferably 1000 g/10 min or less, 700 g/10 min or less, and more preferably 500 g/10 min or less. If the MFR exceeds 1000 g/10 min, the degree of polymerization will be too low, resulting in reduced mechanical strength. The lower limit is preferably greater than 80 g/10 min, and more preferably 100 g/10 min or more. Here, MFR is a value measured in accordance with ASTM-D1238-70 at 315.5°C under a 5000 g load.
<PAN系炭素繊維>
PAN系炭素繊維はアクリロニトリルを主成分として重合させたポリアクリロニトリル径樹脂からなる繊維を、不溶化させて、更に炭化させて生成した実質的に炭素のみからなるフィラメント繊維を主たる成分として構成される。かかるPAN系炭素繊維の紡糸方法としては、湿式紡糸、乾湿式紡糸などが挙げられ、所望の特性による任意の紡糸方法を選択することができる。
<PAN-based carbon fiber>
PAN-based carbon fibers are primarily composed of filament fibers consisting essentially of carbon, which are produced by insolubilizing and carbonizing fibers made of polyacrylonitrile resin polymerized with acrylonitrile as the primary component. Spinning methods for such PAN-based carbon fibers include wet spinning and dry-wet spinning, and any spinning method can be selected depending on the desired properties.
本発明に用いるPAN系炭素繊維の引張強さは3000MPa以上であることが必要である。引張強さが3000MPa以上であることにより、摺動界面でのPAN系炭素繊維折損による脱落が抑制され、耐摩耗性を阻害しない。引張強さ3000MPa以上のPAN系炭素繊維としては、引張強さ3000MPa以上である公知のPAN系炭素繊維や市販のPAN系炭素繊維を用いることができる。例えば、東レ株式会社のトレカ(R)T300[引張強さ3530MPa]、トレカ(R)T700SC[引張強さ4900MPa]、トレカ(R)T800SC[引張強さ5880MPa]、トレカ(R)T1100GC[引張強さ7000MPa]、帝人株式会社のテナックス(R)フィラメントHTA40[引張強さ4100MPa]、テナックス(R)フィラメントHTS40[引張強さ4400MPa]などが挙げられる。なお、本発明において用いられるPAN系炭素繊維の引張強さの上限は特に限定されるものではないが、8000MPa以下が好ましい。 The PAN-based carbon fiber used in the present invention must have a tensile strength of 3000 MPa or more. A tensile strength of 3000 MPa or more prevents the PAN-based carbon fiber from breaking and falling off at the sliding interface, and does not impair wear resistance. As PAN-based carbon fibers with a tensile strength of 3000 MPa or more, known PAN-based carbon fibers or commercially available PAN-based carbon fibers with a tensile strength of 3000 MPa or more can be used. Examples include Toray Industries, Inc.'s Torayca® T300 (tensile strength 3530 MPa), Torayca® T700SC (tensile strength 4900 MPa), Torayca® T800SC (tensile strength 5880 MPa), and Torayca® T1100GC (tensile strength 7000 MPa), and Teijin Limited's Tenax® Filament HTA40 (tensile strength 4100 MPa) and Tenax® Filament HTS40 (tensile strength 4400 MPa). There is no particular upper limit to the tensile strength of the PAN-based carbon fiber used in the present invention, but a value of 8000 MPa or less is preferred.
本発明に用いるPAN系炭素繊維としては、引張破断伸びが1.3%以上のPAN系炭素繊維が好ましい。引張破断伸びが1.3%以上のPAN系炭素繊維を用いることで、PPS樹脂組成物の製造工程や射出工程での繊維破断を抑制し、樹脂組成物中ならびに成形品中の繊維を長く維持することができるため、機械特性に優れるPPS樹脂組成物ならびに成形品を得ることができる。PAN系炭素繊維の引張破断伸びは1.5%以上が好ましい。 The PAN-based carbon fiber used in the present invention is preferably one with a tensile breaking elongation of 1.3% or more. Using PAN-based carbon fiber with a tensile breaking elongation of 1.3% or more suppresses fiber breakage during the PPS resin composition manufacturing process and injection process, and allows the fibers to be maintained for a long time in the resin composition and molded article, resulting in a PPS resin composition and molded article with excellent mechanical properties. The tensile breaking elongation of the PAN-based carbon fiber is preferably 1.5% or more.
本発明に用いるPAN系炭素繊維の平均繊維直径は1~20μmであることが好ましく、3~17μmであることがより好ましい。平均繊維直径が1μm以下であると、PPS樹脂中での炭素繊維の分散が困難となり炭素繊維による十分な補強効果を得ることが困難となる。平均繊維直径が20μm以上であると、PPS樹脂組成物中に含まれる繊維数が少なくなり、十分な補強効果を得ることが困難となる。 The average fiber diameter of the PAN-based carbon fiber used in the present invention is preferably 1 to 20 μm, and more preferably 3 to 17 μm. If the average fiber diameter is 1 μm or less, it becomes difficult to disperse the carbon fiber in the PPS resin, making it difficult to obtain a sufficient reinforcing effect from the carbon fiber. If the average fiber diameter is 20 μm or more, the number of fibers contained in the PPS resin composition becomes too small, making it difficult to obtain a sufficient reinforcing effect.
本実施形態におけるPAN系炭素繊維含有量は、PPS樹脂100重量部に対して10~40重量部である。PPS樹脂100重量部に対してPAN系炭素繊維含有量が10~40重量部の範囲の場合、それを含む成形品が必要とする、ドライ環境下および液中環境下における耐摩耗性と強度のバランスに優れたものになる。 In this embodiment, the PAN-based carbon fiber content is 10 to 40 parts by weight per 100 parts by weight of PPS resin. When the PAN-based carbon fiber content is in the range of 10 to 40 parts by weight per 100 parts by weight of PPS resin, molded articles containing it will have an excellent balance of abrasion resistance and strength in dry and submerged environments, which is required.
PAN系炭素繊維が10重量部未満の場合、成形品の機械的強度に劣る。一方、PAN系炭素繊維が40重量部を超えると機械的強度は高いものになるが、摩耗した際に脱落したPAN系炭素繊維が摺動界面に存在することで、ドライ環境下および液中環境下での耐摩耗性が悪化する。 If the amount of PAN-based carbon fiber is less than 10 parts by weight, the mechanical strength of the molded product will be poor. On the other hand, if the amount of PAN-based carbon fiber exceeds 40 parts by weight, the mechanical strength will be high, but the PAN-based carbon fiber that falls off during wear will be present at the sliding interface, resulting in poor wear resistance in dry and liquid environments.
<等方性ピッチ系炭素繊維>
等方性ピッチ系炭素繊維は等方性ピッチを炭素前駆体とする炭素繊維である。等方性とは光学的等方性であり、分子や分子の集合が無秩序に配向していることを示す。炭素前駆体とは、目的とする最終炭素製品の前の段階にある一連の炭素化中間体を指す。
<Isotropic pitch-based carbon fiber>
Isotropic pitch-based carbon fibers are carbon fibers made from isotropic pitch as a carbon precursor. Isotropy refers to optical isotropy, which indicates that molecules or molecular clusters are randomly oriented. Carbon precursors refer to a series of carbonization intermediates that precede the desired final carbon product.
炭素前駆体であるピッチとは、木材、石炭等の乾留の際に得られる液状タール、オイルサンドから得られるビチューメン、オイルシェールの乾留によって得られる油分、原油蒸留による残渣油、石油留分のクラッキングによって生成するタール等を熱処理、重合して得られる常温で固体状のものである。具体的には、石炭系ピッチ、石油系ピッチ、ナフタレン等の芳香族化合物を重合した合成ピッチ等が挙げられる。ピッチは、化学的には無数の縮合多環芳香族化合物の混合物である。石炭を原料として得られる石炭系ピッチとしては、コークス炉から生じるコールタールを熱処理して得られるピッチが挙げられる。 Pitch, a carbon precursor, is a solid at room temperature obtained by heat-treating and polymerizing liquid tar obtained during the carbonization of wood or coal, bitumen obtained from oil sands, oil obtained by carbonization of oil shale, residual oil from crude oil distillation, and tar produced by cracking petroleum fractions. Specific examples include coal-based pitch, petroleum-based pitch, and synthetic pitch obtained by polymerizing aromatic compounds such as naphthalene. Chemically, pitch is a mixture of countless condensed polycyclic aromatic compounds. An example of coal-based pitch obtained from coal is pitch obtained by heat-treating coal tar from coke ovens.
本発明においては、原料となる等方性ピッチは特に限定されないが、石炭系等方性ピッチが好ましい。 In the present invention, the isotropic pitch used as a raw material is not particularly limited, but coal-based isotropic pitch is preferred.
等方性ピッチ系炭素繊維を製造する方法は、溶融ピッチを紡糸する工程、不溶化する工程および炭素化する工程からなる。紡糸する工程においては、渦流法によって予め溶融ピッチに旋回流を付与した後に溶融ピッチを流出ノズルより流出させる方法もある。ピッチを紡糸し、台上に堆積させるとピッチ繊維のマットとなる。 The method for producing isotropic pitch-based carbon fiber consists of the steps of spinning molten pitch, insolubilizing it, and carbonizing it. In the spinning process, a vortex method can be used to first impart a swirling flow to the molten pitch, and then the molten pitch is discharged from an outlet nozzle. The pitch is spun and deposited on a table to form a pitch fiber mat.
不溶化工程は、ピッチ繊維の表面に酸素を導入し酸化させる工程である。不溶化工程の雰囲気は空気やNOxとすることができ、不溶化工程によってマット状の等方性ピッチ系炭素繊維を得ることができる。 The insolubilization process involves introducing oxygen to the surface of pitch fibers to oxidize them. The atmosphere used in the insolubilization process can be air or NOx, and the insolubilization process produces a mat-like isotropic pitch-based carbon fiber.
マット状の等方性ピッチ系炭素繊維を所望の長さに切断・粉砕した後にPPS樹脂と混練し、PPS樹脂組成物を得ることができる。マット繊維を切断・粉砕する方法としては、例えば、ジェットミル、ハンマーミル、ピンミルなどを用いて粉砕する方法や、ロービングカッター、ギロチン式カッター、クロスカッター、低速剪断型スクリーン式粉砕機などを用いて切断する方法を利用することができる。 Mat-like isotropic pitch-based carbon fibers can be cut and crushed to the desired length and then kneaded with PPS resin to obtain a PPS resin composition. Methods for cutting and crushing the mat fibers include, for example, crushing using a jet mill, hammer mill, or pin mill, or cutting using a roving cutter, guillotine cutter, cross cutter, or low-speed shear screen crusher.
等方性ピッチ系炭素繊維の平均繊維径は特に限定されないが、一般的に10~20μm程度のものが入手可能である。市販品の多くは、13~18μmであり、この中では、PPS樹脂中での分散性が良好となるので繊維径が細いものの方が好ましい。 There are no particular restrictions on the average fiber diameter of isotropic pitch-based carbon fiber, but fibers of around 10 to 20 μm are generally available. Most commercially available products are 13 to 18 μm, and of these, fibers with a smaller fiber diameter are preferred as they provide better dispersibility in PPS resin.
等方性ピッチ系炭素繊維は結晶構造である炭素六角網面が繊維軸方向に対して無配向に配列されており、せん断されやすく、また、摺動に対してへき開性を示すため、等方性ピッチ系炭素繊維を含有する樹脂組成物はドライ環境下において良好な耐摩耗性を有する。 Isotropic pitch-based carbon fibers have a crystalline structure in which the carbon hexagonal mesh planes are arranged randomly along the fiber axis, making them susceptible to shear and exhibiting cleavage properties when subjected to sliding. Therefore, resin compositions containing isotropic pitch-based carbon fibers have good abrasion resistance in dry environments.
等方性ピッチ系炭素繊維は水分などを吸液することができるため、等方性ピッチ系炭素繊維を有する樹脂組成物は液中での摺動時に潤滑剤として作用する液をはじき出すことなく摺動界面に留めることができるので、液中環境下においても良好な耐摩耗性を有する。 Isotropic pitch-based carbon fibers are capable of absorbing liquids such as moisture, so resin compositions containing isotropic pitch-based carbon fibers can retain the liquid that acts as a lubricant during sliding in liquid at the sliding interface without expelling it, providing good wear resistance even in liquid environments.
本実施形態における等方性ピッチ系炭素繊維含有量は、PPS樹脂100重量部に対して5~30重量部である。PPS樹脂100重量部に対して等方性ピッチ系炭素繊維含有量が5~30重量部の範囲の場合、それを含む成形品が必要とするドライ環境下および液中環境下での耐摩耗性が優れたものになる。 In this embodiment, the isotropic pitch-based carbon fiber content is 5 to 30 parts by weight per 100 parts by weight of PPS resin. When the isotropic pitch-based carbon fiber content is in the range of 5 to 30 parts by weight per 100 parts by weight of PPS resin, molded articles containing it will exhibit excellent abrasion resistance in dry and liquid environments.
等方性ピッチ系炭素繊維が5重量部未満の場合、等方性ピッチ系炭素繊維の結晶構造のへき開による耐摩耗性への効果が十分でなく、成形品の液中環境下での耐摩耗性に劣る。一方、等方性ピッチ系炭素繊維が30重量部を超えると、PPS樹脂組成物の機械的特性が低下し、PPS樹脂組成物の脆化が顕著になるためにドライ環境下および液中環境下での耐摩耗性が悪化する。 If the amount of isotropic pitch-based carbon fiber is less than 5 parts by weight, the cleavage of the crystalline structure of the isotropic pitch-based carbon fiber will not have a sufficient effect on abrasion resistance, and the molded product will have poor abrasion resistance in a liquid environment. On the other hand, if the amount of isotropic pitch-based carbon fiber exceeds 30 parts by weight, the mechanical properties of the PPS resin composition will deteriorate and the PPS resin composition will become significantly embrittled, resulting in poor abrasion resistance in both dry and liquid environments.
<フッ素樹脂>
本実施形態におけるフッ素樹脂含有量は、PPS樹脂100重量部に対して6重量部以上30重量部以下である。
<Fluoropolymer>
In this embodiment, the content of the fluororesin is 6 parts by weight or more and 30 parts by weight or less with respect to 100 parts by weight of the PPS resin .
フッ素樹脂は、テトラフルオロエチレン(TFE)、フッ化ビリニデン、クロロトリフルオロエチレン、フッ化ビニル、ヘキサフルオロプロピレン、ヘキサフルオロイソブテン、CH2=CX1(CF2)nX2(式中、X1はH又はF、X2はH、F又はCl、nは1~10の整数である)で示される単量体、CF2=CF-ORf1(式中、Rf1は、炭素数1~8のパーフルオロアルキル基を表す)であらわされるパーフルオロ(アルキルビニルエーテル)、およびCF2=CF-OCH2-Rf2(式中、Rf2は、炭素数1~5のパーフルオロアルキル基)で表されるアルキルパーフルオロビニルエーテル誘導体、トリフルオロエチレン、トリフルオロプロピレン、テトラフルオロプロピレン、ペンタフルオロプロピレン、トリフルオロブテン、テトラフルオロイソブテン、ヨウ素含有フッ素化ビニルエーテルからなる群より選択される少なくとも1種の含フッ素単量体に基づく重合単位を有することが好ましい。フッ素樹脂は、上記含フッ素単量体の単独重合体であってもよいし、変性フッ素樹脂(本発明の効果を損なわない程度の共単量体を、前記含フッ素単量体と共重合してなるもの)であっても構わない。当該フッ素樹脂は含フッ素単量体の単独重合体であることが好ましい。 The fluororesin may be a monomer represented by tetrafluoroethylene (TFE), vinylidene fluoride, chlorotrifluoroethylene, vinyl fluoride, hexafluoropropylene, hexafluoroisobutene, CH 2 ═CX 1 (CF 2 ) n X 2 (wherein X 1 is H or F, X 2 is H, F or Cl, and n is an integer of 1 to 10), a perfluoro(alkyl vinyl ether) represented by CF 2 ═CF-ORf 1 (wherein Rf 1 represents a perfluoroalkyl group having 1 to 8 carbon atoms), or a perfluoro(alkyl vinyl ether) represented by CF 2 ═CF-OCH 2 -Rf 2 (wherein Rf Preferably, the fluororesin has polymerization units based on at least one fluorine-containing monomer selected from the group consisting of alkyl perfluorovinyl ether derivatives represented by the formula (2 ) (a perfluoroalkyl group having 1 to 5 carbon atoms), trifluoroethylene, trifluoropropylene, tetrafluoropropylene, pentafluoropropylene, trifluorobutene, tetrafluoroisobutene, and iodine-containing fluorinated vinyl ethers. The fluororesin may be a homopolymer of the fluorine-containing monomer, or may be a modified fluororesin (produced by copolymerizing the fluorine-containing monomer with a comonomer to an extent that does not impair the effects of the present invention) . The fluororesin is preferably a homopolymer of a fluorine-containing monomer.
フッ素樹脂はドライ環境下において、摺動によってPPS樹脂組成物(摺動部材)から脱落した際に摺動部材の表面に留まることができ、また、摺動相手部材の表面に移着することができるので摺動界面にフッ素樹脂が介在し、良好な耐摩耗性を得ることができる場合がある。ただし、後述するように、本発明においては、PAN系炭素繊維や等方性ピッチ系炭素繊維の含有量(特に等方性ピッチ系炭素繊維の含有量)を所定の範囲に制御することによって、フッ素樹脂をPPS樹脂組成物に含有せしめなくとも、良好な耐摩耗性を得ることができる。 In a dry environment, when fluororesin falls off from a PPS resin composition (sliding member) due to sliding, it can remain on the surface of the sliding member and can also be transferred to the surface of the mating sliding member, resulting in the fluororesin being present at the sliding interface and potentially providing good wear resistance. However, as will be described later, in the present invention, by controlling the content of PAN-based carbon fiber or isotropic pitch-based carbon fiber (particularly the content of isotropic pitch-based carbon fiber) within a specified range, good wear resistance can be achieved without incorporating fluororesin into the PPS resin composition.
また、本実施形態におけるフッ素樹脂含有量は、PPS樹脂100重量部に対して30重量部以下とすることが必要である。フッ素樹脂の含有量が30重量部よりも大きい場合、液中環境下では、フッ素樹脂が摺動界面での液による潤滑作用を阻害したり、フッ素樹脂が液によって摺動面から流出したりして、液中での耐摩耗性に劣る。 In addition, the fluororesin content in this embodiment must be 30 parts by weight or less per 100 parts by weight of PPS resin. If the fluororesin content is greater than 30 parts by weight, the fluororesin will inhibit the lubricating action of the liquid at the sliding interface in a liquid environment, or the fluororesin will flow out of the sliding surface due to the liquid, resulting in poor wear resistance in liquid.
フッ素樹脂の融点は、得られる成形品の外観の観点から140~340℃であることが好ましく、150~330℃であることがより好ましい。上記融点は、示差走査熱量計(DSC)を用いて10℃/分の速度で昇温したときの溶融熱曲線における極大値に対応する温度である。 From the perspective of the appearance of the resulting molded article, the melting point of the fluororesin is preferably 140 to 340°C, and more preferably 150 to 330°C. The melting point is the temperature corresponding to the maximum value on the heat of melting curve when heated at a rate of 10°C/min using a differential scanning calorimeter (DSC).
フッ素樹脂は、372℃におけるメルトフローレート(MFR)が0.3~300g/10分であることが好ましい。MFRが小さすぎると低摩擦性や非粘着性に劣るおそれがあり、MFRが大きすぎると耐摩耗性に劣るおそれがある。上記MFRは、ASTM D 1238に準拠し、温度372℃、荷重5kgで得られる値である。 The fluororesin preferably has a melt flow rate (MFR) of 0.3 to 300 g/10 min at 372°C. If the MFR is too low, low friction and non-stick properties may be poor, while if the MFR is too high, abrasion resistance may be poor. The above MFR is a value obtained in accordance with ASTM D 1238 at a temperature of 372°C and a load of 5 kg.
<等方性ピッチ系炭素繊維およびフッ素樹脂の含有量の関係>
本発明者らは、等方性ピッチ系炭素繊維およびフッ素樹脂の含有量の合計がある特定の範囲にあることによって、得られる成形品のドライおよび液中環境下での耐摩耗性が特に優れることを見出した。
<Relationship between the content of isotropic pitch-based carbon fiber and fluororesin>
The present inventors have found that when the total content of the isotropic pitch-based carbon fiber and the fluororesin is within a certain range, the resulting molded article has particularly excellent abrasion resistance in dry and submerged environments.
すなわち、本発明では、PPS樹脂100重量部に対して、等方性ピッチ系炭素繊維およびフッ素樹脂の含有量の合計が15~60重量部であることが重要である。
等方性ピッチ系炭素繊維およびフッ素樹脂の含有量の合計を上記の範囲とすることによって、得られる成形品のドライおよび液中環境下での耐摩耗性が向上する理由は定かではないが、以下のように推測される。
That is, in the present invention, it is important that the total content of the isotropic pitch-based carbon fiber and the fluororesin is 15 to 60 parts by weight per 100 parts by weight of the PPS resin.
The reason why the wear resistance of the resulting molded article in dry and liquid environments is improved by setting the total content of the isotropic pitch-based carbon fiber and the fluororesin within the above range is not clear, but is presumed to be as follows.
摺動部材を相手部材(例えば金属部品)との間で、ドライ環境下で摺動させると、摺動部材が摩耗し、摺動部材からは等方性ピッチ系炭素繊維およびフッ素樹脂が脱落する。等方性ピッチ系炭素繊維はせん断で脱落しやすく、また、等方性ピッチ系炭素繊維はへき開性を有するために、摺動部材と相手部材の摺動界面部分の摩耗量を低減することに大きく作用する。摺動部材と相手部材の摺動界面部分の摩耗は、等方性ピッチ系炭素繊維のへき開性により低減され、そして、その性能は等方性ピッチ系炭素繊維の配合量に相関する。そのため、等方性ピッチ系炭素繊維の配合量(含有量)には前述の下限値が存在する。また、PPS樹脂組成物がフッ素樹脂を含有する場合は、フッ素樹脂についても同様に摺動部材から脱落し、相手部材に移着することによって摺動界面にフッ素樹脂の層を形成することがあり、その潤滑作用により、等方性ピッチ系炭素繊維同様に摩耗量を低減できる場合がある。そして、PPS樹脂組成物が適量の等方性ピッチ系炭素繊維およびフッ素樹脂を含有する場合は、上記の効果が相俟り、相乗効果を示す場合がある。 When a sliding member slides against a mating member (e.g., a metal part) in a dry environment, the sliding member wears, causing the isotropic pitch-based carbon fiber and fluororesin to fall off. Isotropic pitch-based carbon fiber easily falls off due to shear stress. Furthermore, because isotropic pitch-based carbon fiber has cleavage properties, it significantly reduces the amount of wear at the sliding interface between the sliding member and the mating member. Wear at the sliding interface between the sliding member and the mating member is reduced by the cleavage properties of the isotropic pitch-based carbon fiber, and this performance correlates with the amount of isotropic pitch-based carbon fiber blended. Therefore, the amount (content) of isotropic pitch-based carbon fiber has the aforementioned lower limit. Furthermore, when a PPS resin composition contains a fluororesin, the fluororesin may also fall off the sliding member and transfer to the mating member, forming a fluororesin layer at the sliding interface. This lubricating effect may reduce wear, similar to that of isotropic pitch-based carbon fiber. Furthermore, when the PPS resin composition contains an appropriate amount of isotropic pitch-based carbon fiber and fluororesin, the above effects combine to produce a synergistic effect.
摺動部材を相手部材(例えば金属部品)と液中環境下で摺動させると、一般には、液が摺動界面に留まることで潤滑剤として作用するが、大きな凹凸がある箇所では、ドライ環境下同様に摺動部材が相手部材と接触して摩耗する。接触した箇所においては等方性ピッチ系炭素繊維がせん断で脱落しやすいが、等方性ピッチ系炭素繊維は、その吸液性により、摺動部材と相手部材の摺動界面に潤滑剤として作用する液をはじき出すことなく留めることができるため良好な耐摩耗性が得られる。摺動部材と相手部材の摺動界面部分の摩耗は、等方性ピッチ系炭素繊維の吸液性により低減させることができ、そして、その性能は等方性ピッチ系炭素繊維の配合量に相関する。そのため、等方性ピッチ系炭素繊維の配合量(含有量)には前述の下限値が存在する。また、PPS樹脂組成物がフッ素樹脂を含有する場合は、フッ素樹脂樹脂が摺動部材から脱落し、相手部材に移着することによって摺動界面に形成するフッ素樹脂の層の作用により摩耗量を低減できる場合がある。そして、PPS樹脂組成物が適量の等方性ピッチ系炭素繊維およびフッ素樹脂を含有する場合は、上記の効果が相俟り、相乗効果を示す場合がある。 When a sliding member slides against a mating member (e.g., a metal part) in a liquid environment, the liquid generally remains at the sliding interface and acts as a lubricant. However, in areas with large irregularities, the sliding member comes into contact with the mating member and wears, just as in a dry environment. Isotropic pitch-based carbon fibers are prone to shear shear and fall off at the contact points, but their liquid absorption properties allow them to retain the liquid acting as a lubricant at the sliding interface between the sliding member and the mating member without expelling it, resulting in good wear resistance. The liquid absorption properties of isotropic pitch-based carbon fibers can reduce wear at the sliding interface between the sliding member and the mating member, and this performance correlates with the amount of isotropic pitch-based carbon fiber blended. Therefore, there is a lower limit, as mentioned above, for the amount (content) of isotropic pitch-based carbon fiber blended. Furthermore, when the PPS resin composition contains a fluororesin, the fluororesin may fall off the sliding member and transfer to the mating member, forming a fluororesin layer at the sliding interface, which may reduce the amount of wear. Furthermore, when the PPS resin composition contains an appropriate amount of isotropic pitch-based carbon fiber and fluororesin, the above effects may combine to produce a synergistic effect.
本発明では、PPS樹脂100重量部に対する、等方性ピッチ系炭素繊維およびフッ素樹脂の含有量の合計が15~60重量部であることが重要である。等方性ピッチ系炭素繊維およびフッ素樹脂の合計量が15重量部よりも小さい場合は、ドライ環境下での摺動部材と相手部材と摺動界面での等方性ピッチ系炭素繊維のへき開による潤滑剤効果が不十分であり、フッ素樹脂との相乗効果をもってしても摩耗が増大する。 In the present invention, it is important that the total content of isotropic pitch-based carbon fiber and fluororesin is 15 to 60 parts by weight per 100 parts by weight of PPS resin. If the total amount of isotropic pitch-based carbon fiber and fluororesin is less than 15 parts by weight, the lubricating effect of the cleavage of the isotropic pitch-based carbon fiber at the sliding interface between the sliding member and the mating member in a dry environment will be insufficient, and wear will increase even with the synergistic effect of the fluororesin.
一方、ピッチ系炭素繊維およびフッ素樹脂の合計量が60重量部よりも大きい場合は、液中環境下において、フッ素樹脂が摺動界面での液による潤滑作用を阻害し、摩耗が増大する。 On the other hand, if the total amount of pitch-based carbon fiber and fluororesin is greater than 60 parts by weight, the fluororesin will inhibit the lubricating effect of the liquid at the sliding interface in a liquid environment, resulting in increased wear.
<PPS樹脂組成物>
本発明のPPS樹脂組成物には、更に上記の成分の他に、その物性を損なわない範囲において、樹脂組成物の製造時(混合時)、成形時に用いられる通常の他の添加剤を配合することができる。
<PPS resin composition>
In addition to the above-mentioned components, the PPS resin composition of the present invention may further contain other additives that are commonly used during the production (mixing) and molding of a resin composition, provided that the additives do not impair the physical properties of the resin composition.
<PPS樹脂組成物の特性>
本発明では、PPS樹脂組成物の引張強さが120MPa以上であることが好ましい。引張強さが120MPa以上であることにより、摺動部材ゆえの相手部材との接触状態における相対的な動作から発生する応力に対し、局所的破壊を呼ばないため、摩耗量が抑制されることがある。例えば、PPS樹脂100重量部に対して、PAN系炭素繊維を10重量部以上含有せしめることによって、PPS樹脂組成物の引張強さを120MPa以上とせしめることができる。
<Characteristics of PPS resin composition>
In the present invention, the tensile strength of the PPS resin composition is preferably 120 MPa or more. A tensile strength of 120 MPa or more prevents localized breakdown due to stress generated by relative movement in contact with a mating member due to the sliding member, and thus may reduce the amount of wear. For example, the tensile strength of the PPS resin composition can be increased to 120 MPa or more by incorporating 10 parts by weight or more of PAN-based carbon fiber per 100 parts by weight of PPS resin.
<PPS樹脂組成物の製造方法>
本実施形態のPPS樹脂組成物は、PPS樹脂、PAN系炭素繊維、等方性ピッチ系炭素繊維およびフッ素樹脂、必要に応じてその他添加剤を配合することによって製造できる。配合方法としては、公知の技術を用いることができる。
<Method of producing PPS resin composition>
The PPS resin composition of the present embodiment can be produced by blending PPS resin, PAN-based carbon fiber, isotropic pitch-based carbon fiber, and fluororesin, and optionally other additives. Known techniques can be used as the blending method.
例えば、各原料を溶融混錬する方法が挙げられる。各成分の配合順序は特に制限されない。2軸押出機を用いて溶融混錬する場合を例に挙げると、例えば、メインフィーダーからPPS樹脂、フッ素樹脂を供給し、PAN系炭素繊維および等方性ピッチ系炭素繊維を2軸押出機のサイドフィーダーから供給する方法が挙げられる。 For example, one method involves melt-kneading the raw materials. There are no particular restrictions on the order in which the components are mixed. Taking the example of melt-kneading using a twin-screw extruder, one method involves feeding PPS resin and fluororesin from the main feeder, and feeding PAN-based carbon fiber and isotropic pitch-based carbon fiber from the side feeder of the twin-screw extruder.
<成形品の製造方法>
上記PPS樹脂組成物を成形することにより、本発明の成形品を得ることができる。成形方法は特に制限されず、例えば、射出成形法、射出圧縮成形法、押出成形法、異形押出法、トランスファー成形法、中空成形法、ガスアシスト中空成形法、ブロー成形法、押出ブロー成形法、多層成形法、2色成形法、インサート成形法、発泡成形法、加圧成形法などの公知の方法を用いることができる。形状自由度、生産性の観点で射出成形法および射出圧縮成形法が好ましい。
<Method of manufacturing molded products>
The molded article of the present invention can be obtained by molding the PPS resin composition. The molding method is not particularly limited, and known methods such as injection molding, injection compression molding, extrusion molding, profile extrusion, transfer molding, blow molding, gas-assisted blow molding, blow molding, extrusion blow molding, multilayer molding, two-color molding, insert molding, foam molding, and pressure molding can be used. In terms of shape freedom and productivity, injection molding and injection compression molding are preferred.
<PPS樹脂組成物、成形品の用途>
本実施形態のPPS樹脂組成物や、それを成形してなる成形品は、機械的特性およびドライおよび液中環境下で良好な耐摩耗性を有するので、各種電子・電気部品、家電部品、建築部品、衛生用品、自動車部品など各種用途に好適に用いることができる。中でも、本実施形態のPPS樹脂組成物は摺動用途に特に好適に供することができ、また、成形品は、各種摺動部材として好適に用いることができる。
<Uses of PPS resin compositions and molded products>
The PPS resin composition of this embodiment and molded articles obtained by molding it have good mechanical properties and good abrasion resistance in dry and liquid environments, and therefore can be suitably used in a variety of applications, such as various electronic and electrical parts, home appliance parts, building parts, sanitary goods, automobile parts, etc. In particular, the PPS resin composition of this embodiment can be particularly suitably used in sliding applications, and molded articles can be suitably used as various sliding members.
電気・電子部品、家電部品、建築部品、衛生用品における摺動部材としては、以下に制限されないが、例えば、ギア、カム、ベアリングリテーナー、軸受け、プーリー、メカニカルシールの端面材、バルブの弁座、Vリング、インペラー、ベーン、ポンプケーシング、パイプジョイント、水量調節弁、湯温センサー、水量センサーなどに用いられる。 Sliding parts used in electrical and electronic components, home appliance components, building components, and sanitary products include, but are not limited to, gears, cams, bearing retainers, bearings, pulleys, end face materials for mechanical seals, valve seats, V-rings, impellers, vanes, pump casings, pipe joints, water control valves, hot water temperature sensors, and water volume sensors.
自動車部品用摺動部材としては、以下に制限されないが、例えば、ギア、アクチュエーター、ベアリングリテーナー、軸受け、チェーンガイド、チェーンテンショナー、スイッチ、ピストン、パッキン、ローラー、ベルトといったドライおよび液中環境下で摺動する部材に好適に使用することができる。 Sliding components for automotive parts include, but are not limited to, gears, actuators, bearing retainers, bearings, chain guides, chain tensioners, switches, pistons, packings, rollers, and belts, and can be used effectively in components that slide in dry and submerged environments.
以下、実施例を挙げて本発明を詳細に説明するが、本発明の骨子は以下の実施例のみに限定されるものではない。 The present invention will be described in detail below using examples, but the gist of the present invention is not limited to the following examples.
(PPS樹脂(A))
撹拌機および底栓弁付きの70リットルオートクレーブに、47.5%水硫化ナトリウム8.27kg(70.00モル)、96%水酸化ナトリウム2.96kg(71.1モル)、N-メチル-2-ピロリドン(NMP)11.43kg(115.50モル)、酢酸ナトリウム1.72kg(21.00モル)、およびイオン交換水10.5kgを仕込み、常圧で窒素を通じながら230℃まで約3時間かけて徐々に加熱し、水14.78kgおよびNMP0.28kgを留出した後、反応容器を160℃に冷却した。仕込みアルカリ金属硫化物1モル当たりの系内残存水分量は、NMPの加水分解に消費された水分を含めて1.06モルであった。また、硫化水素の飛散量は、仕込みアルカリ金属硫化物1モル当たり0.017モルであった。
(PPS resin (A))
A 70-liter autoclave equipped with a stirrer and a bottom stop valve was charged with 8.27 kg (70.00 mol) of 47.5% sodium hydrosulfide, 2.96 kg (71.1 mol) of 96% sodium hydroxide, 11.43 kg (115.50 mol) of N-methyl-2-pyrrolidone (NMP), 1.72 kg (21.00 mol) of sodium acetate, and 10.5 kg of ion-exchanged water. The mixture was gradually heated to 230°C over approximately 3 hours under atmospheric pressure while passing nitrogen through it. After distilling off 14.78 kg of water and 0.28 kg of NMP, the reaction vessel was cooled to 160°C. The amount of water remaining in the system per mole of charged alkali metal sulfide was 1.06 mol, including the water consumed in the hydrolysis of NMP. The amount of hydrogen sulfide released was 0.017 mol per mole of charged alkali metal sulfide.
次に、p-ジクロロベンゼン10.36kg(70.5モル)、NMP9.08kg(91.7モル)を加え、反応容器を窒素ガス下に密閉し、240rpmで攪拌しながら0.6℃/分の速度で270℃まで昇温し、270℃で140分保持した。その後、250℃まで1.3℃/分の速度で冷却しながらイオン交換水2.52kg(140モル)をオートクレーブに圧入した。その後、200℃まで1.0℃/分の速度で冷却してから、室温近傍まで急冷した。 Next, 10.36 kg (70.5 mol) of p-dichlorobenzene and 9.08 kg (91.7 mol) of NMP were added, the reaction vessel was sealed under nitrogen gas, and the temperature was raised to 270°C at a rate of 0.6°C/min while stirring at 240 rpm, and maintained at 270°C for 140 minutes. 2.52 kg (140 mol) of ion-exchanged water was then pressure-fed into the autoclave while the temperature was cooled to 250°C at a rate of 1.3°C/min. The mixture was then cooled to 200°C at a rate of 1.0°C/min, and then rapidly cooled to near room temperature.
内容物を取り出し、26.3kgのNMPで希釈後、溶剤と固形物をふるい(80mesh)で選別し、得られた粒子を31.9kgのNMPで洗浄、濾別した。これを、56kgのイオン交換水で数回洗浄、濾別した後、0.05重量%の酢酸水溶液70kgで洗浄、濾別した。そのと、70kgのイオン交換水で洗浄、濾別した後、得られた含水PPS粒子を80℃で熱風乾燥し、120℃で減圧乾燥し、乾燥PPS樹脂(A)を得た。得られたポリマーのMFRは210g/10minであった。 The contents were removed and diluted with 26.3 kg of NMP. The solvent and solids were separated using a sieve (80 mesh). The resulting particles were washed with 31.9 kg of NMP and filtered. These were washed several times with 56 kg of ion-exchanged water and filtered, and then washed with 70 kg of a 0.05 wt% aqueous acetic acid solution and filtered. After washing with 70 kg of ion-exchanged water and filtering, the resulting hydrous PPS particles were dried with hot air at 80°C and then dried under reduced pressure at 120°C to obtain dried PPS resin (A). The MFR of the resulting polymer was 210 g/10 min.
(PAN系炭素繊維(B))
東レ(株)製トレカ(R)T700SC。
(PAN-based carbon fiber (B))
Toray Industries, Inc.'s Torayca(R) T700SC.
(等方性ピッチ系炭素繊維(C))
大阪ガスケミカル(株)社製 ドナカーボS-242 。
(Isotropic pitch-based carbon fiber (C))
DonaCarbo S-242 manufactured by Osaka Gas Chemicals Co., Ltd.
(フッ素樹脂(D))
ポリテトラフルオロエチレン(ダイキン工業(株)社製 ルブロンL-5)、融点:328℃。
(Fluororesin (D))
Polytetrafluoroethylene (Lubron L-5 manufactured by Daikin Industries, Ltd.), melting point: 328°C.
[測定評価方法]
本実施例および比較例における測定評価方法は以下の通りである。
[Measurement and evaluation method]
The measurement and evaluation methods in the present examples and comparative examples are as follows.
(PPS樹脂組成物の引張強度)
各実施例及び比較例により得られたペレットを射出成形機(住友重機械工業(株)製SE50DUZ-C160)を用いてJIS K7315に規定の条件で射出成形することにより、厚さ4.0mmのISOダンベル試験片1A型を作成した。この試験片を23℃、相対湿度50%の条件で16時間状態調節を行った後、ISO 527に従って引張試験機インストロン5581型(インストロン社製)により、クロスヘッド速度5mm/分で引張試験を行った、5回測定を行い、その平均値を引張強度として算出した。
(Tensile strength of PPS resin composition)
The pellets obtained in each example and comparative example were injection molded using an injection molding machine (SE50DUZ-C160 manufactured by Sumitomo Heavy Industries, Ltd.) under the conditions specified in JIS K7315 to prepare 4.0 mm thick ISO dumbbell test pieces, type 1A. These test pieces were conditioned for 16 hours at 23°C and 50% relative humidity, and then subjected to a tensile test at a crosshead speed of 5 mm/min using an Instron 5581 tensile tester (manufactured by Instron) in accordance with ISO 527. Five measurements were taken, and the average value was calculated as the tensile strength.
(PAN系炭素繊維の引張強さ)
PAN系炭素繊維の引張強さは、JIS-R-7608(2004)の樹脂含浸ストランド試験法に準拠し、求めることができる。樹脂処方としてはセロキサイド(登録商標:2021P、ダイセル化学工業社製)/3フッ化ホウ素モノエチルアミン(東京化成工業社製)/アセトン=100/3/4(重量部)を用い、硬化条件としては、130℃、30分を用いる。
(Tensile strength of PAN-based carbon fiber)
The tensile strength of PAN-based carbon fibers can be determined in accordance with the resin-impregnated strand test method of JIS-R-7608 (2004). The resin formulation used is Celloxide (registered trademark: 2021P, manufactured by Daicel Chemical Industries, Ltd.) / boron trifluoride monoethylamine (manufactured by Tokyo Chemical Industry Co., Ltd.) / acetone = 100/3/4 (parts by weight), and the curing conditions are 130°C and 30 minutes.
(ドライ環境下での耐摩耗性、液中環境下での耐摩耗性(ボールオンディスク摩耗試験))
各実施例および比較例により得られたペレットを射出成形機(住友重機械工業(株)製SE50DUZ-C160)を用いてJIS R1613に規定のボールオンディスク摩耗試験方法に準拠して成形した試験片を作成した。作成した試験片それぞれに対して、ボールオンディスク摩擦・摩耗試験を行った。
(Wear resistance in dry environments, wear resistance in liquid environments (ball-on-disk wear test))
The pellets obtained in each of the Examples and Comparative Examples were molded into test pieces using an injection molding machine (SE50DUZ-C160 manufactured by Sumitomo Heavy Industries, Ltd.) in accordance with the ball-on-disk wear test method specified in JIS R 1613. Each of the test pieces thus prepared was subjected to a ball-on-disk friction and wear test.
図1に摩耗深さの評価に用いたボールオンディスク試験に用いた装置の概略図を示す。まず、SUJ-2クロム鋼製のボール(φ6mm)1を用意し、ボール1をホルダ2に固定した。その後、ホルダ2に固定されたボール1を試験片3の上面に接触させた。ボール側から試験片側に向かって荷重20Nを図1のBの方向から付与しつつ、試験片を週方向に速度0.3m/秒で回転させた(図1のA:試験片の回転方向)。試験環境としては、室温・大気圧下のドライ条件および室温・水中の液中条件の2条件で試験を行った。各実施例および比較例の試験片を3時間回転させた後における、試験片の摩耗深さをレーザーマイクロスコープ((株)キーエンス製VK-X100)を用いて測定した。摩耗深さは、摺動による摩耗量を示し、摩耗深さが浅いほど耐摩耗性に優れることを意味する。 Figure 1 shows a schematic diagram of the ball-on-disk test equipment used to evaluate wear depth. First, a ball (φ6 mm) 1 made of SUJ-2 chrome steel was prepared and fixed to a holder 2. Then, ball 1 fixed to holder 2 was brought into contact with the upper surface of test specimen 3. A load of 20 N was applied from the ball side toward the test specimen side from direction B in Figure 1, while the test specimen was rotated in a circular direction at a speed of 0.3 m/s (A in Figure 1: test specimen rotation direction). Tests were conducted under two conditions: dry conditions at room temperature and atmospheric pressure, and submerged conditions at room temperature and in water. After rotating the test specimens of each example and comparative example for 3 hours, the wear depth of the test specimens was measured using a laser microscope (Keyence VK-X100). Wear depth indicates the amount of wear due to sliding, with shallower wear depth indicating better wear resistance.
(実施例3~13、比較例1~17)
表に示す(A)PPS樹脂および(D)フッ素樹脂をシリンダー温度がPPS樹脂の融点+15℃に設定された日本製鋼所(株)製TEX-44αII型2軸押出機の原料供給口から供給し、溶融状態とした。この原料供給口はスクリューの全長を1.0としたときの上流側から見て0の位置、つまりスクリューセグメントの上流側の端部の位置に接続されていた。続いて、表に示す(B)PAN系炭素繊維および(C)等方性ピッチ系炭素繊維をサイドフィーダーから2軸押出機に供給し、吐出量60kg/時間で溶融混錬して、ダイから吐出されるガットを即座に水浴にて冷却し、ストランドカッターによりペレットに加工した。
(Examples 3 to 13, Comparative Examples 1 to 17)
The (A) PPS resin and (D) fluororesin shown in the table were fed into a TEX-44αII twin-screw extruder manufactured by Japan Steel Works, Ltd., with a cylinder temperature set at the melting point of the PPS resin + 15°C, and were melted. The raw material feed port was connected to a position 0 when viewed from the upstream side, where the total length of the screw was taken as 1.0, that is, the upstream end of the screw segment. Next, the (B) PAN-based carbon fiber and (C) isotropic pitch-based carbon fiber shown in the table were fed into the twin-screw extruder from a side feeder and melt-kneaded at a discharge rate of 60 kg/hour. The guts discharged from the die were immediately cooled in a water bath and processed into pellets using a strand cutter.
得られたペレットを用いて、参考例に示す方法で、引張強度、ドライ環境下および液中環境下でのボールオンディスク摩耗試験後の摩耗深さを評価した。評価結果を表に示す。実施例1~13はPPS樹脂100重量部に対して、PAN系炭素繊維を10~40重量部、等方性ピッチ系炭素繊維を5~30重量部、フッ素樹脂を6~30重量部含有し、PPS樹脂100重量部に対して、等方性ピッチ系炭素繊維およびフッ素樹脂の合計が15~60重量部であったため、ドライおよび液中環境下での摩耗深さが小さく、環境条件に対するロバスト性に優れていることがわかる。さらに、引張強度が高いことから、各種摺動部品に適している。 Using the resulting pellets, tensile strength and wear depth after ball-on-disk wear tests in dry and liquid environments were evaluated using the method described in the Reference Example. The evaluation results are shown in the table. Examples 1 to 13 contained 10 to 40 parts by weight of PAN-based carbon fiber, 5 to 30 parts by weight of isotropic pitch-based carbon fiber, and 6 to 30 parts by weight of fluororesin per 100 parts by weight of PPS resin. Since the total amount of isotropic pitch-based carbon fiber and fluororesin was 15 to 60 parts by weight per 100 parts by weight of PPS resin, wear depth was small in dry and liquid environments, demonstrating excellent robustness against environmental conditions. Furthermore, due to their high tensile strength, they are suitable for various sliding parts.
〔比較例1、3〕
表に示す比較例1は、等方性ピッチ系炭素繊維を配合しないためにドライ環境で等方性ピッチ系炭素繊維のへき開による潤滑剤効果を阻害し、耐摩耗性に劣ることがわかる。
[Comparative Examples 1 and 3]
It can be seen that Comparative Example 1 shown in the table does not contain isotropic pitch-based carbon fibers, which inhibits the lubricating effect due to the cleavage of the isotropic pitch-based carbon fibers in a dry environment, resulting in poor wear resistance.
〔比較例2、4、6、9〕
表に示す比較例2、4、6、9は等方性ピッチ系炭素繊維とフッ素樹脂の配合量の和が低いために、潤滑剤効果が得られず、ドライ環境下での耐摩耗性に劣ることがわかる。
[Comparative Examples 2, 4, 6, and 9]
In Comparative Examples 2, 4, 6 and 9 shown in the table, the sum of the blending amounts of isotropic pitch-based carbon fiber and fluororesin was low, so no lubricant effect was obtained and the wear resistance in a dry environment was poor.
〔比較例5、7、11〕
表に示す比較例5、7、11は、等方性ピッチ系炭素繊維の配合量が低いために、液中環境で等方性ピッチ系炭素繊維のへき開による潤滑剤効果を阻害し、潤滑剤として作用する液を摺動界面からはじき出してしまうため、耐摩耗性に劣ることがわかる。
[Comparative Examples 5, 7, and 11]
In Comparative Examples 5, 7, and 11 shown in the table, the amount of isotropic pitch-based carbon fiber blended was low, which inhibited the lubricating effect of the isotropic pitch-based carbon fiber cleavage in a liquid environment and repelled the liquid acting as a lubricant from the sliding interface, resulting in poor wear resistance.
〔比較例8〕
表に示す比較例8は、PAN系炭素繊維の配合量が高いため、その剛直さからドライ環境、液中環境ともに耐摩耗性に劣ることがわかる。
Comparative Example 8
In Comparative Example 8 shown in the table, the blending amount of PAN-based carbon fiber is high, and therefore, due to its stiffness, it is understood that the abrasion resistance is poor in both dry and submerged environments.
〔比較例10〕
表に示す比較例10は、PAN系炭素繊維の配合量が低いため、摺動界面に発生する応力により局所的な破壊を生じるため、ドライ環境下での耐摩耗性に劣ることが分かる。
Comparative Example 10
In Comparative Example 10 shown in the table, the blending amount of PAN-based carbon fiber is low, so localized destruction occurs due to stress generated at the sliding interface, and it is clear that the wear resistance in a dry environment is poor.
〔比較例12、13、15〕
表に示す比較例12、13、15はフッ素樹脂の配合量が高く、摺動界面での液による潤滑作用を阻害、フッ素樹脂が液によって摺動面から流出することにより、液中環境での耐摩耗性に劣ることが分かる。
[Comparative Examples 12, 13, and 15]
Comparative Examples 12, 13, and 15 shown in the table contain a high amount of fluororesin, which inhibits the lubricating action of the liquid at the sliding interface and causes the fluororesin to flow out of the sliding surface due to the liquid, resulting in poor wear resistance in a liquid environment.
〔比較例14、16〕
表に示す比較例14、16は、等方性ピッチ系炭素繊維の配合量が高く、PPS樹脂組成物の引張強さを低下させるため、ドライ環境下、液中環境下での耐摩耗性に劣ることがわかる。
[Comparative Examples 14 and 16]
Comparative Examples 14 and 16 shown in the table contain a high amount of isotropic pitch-based carbon fiber, which reduces the tensile strength of the PPS resin composition, and therefore the abrasion resistance is poor in dry and liquid environments.
〔比較例17〕
表に示す比較例17は、PAN系炭素繊維を配合しないため、PPS樹脂組成物の引っ張り強さを低下させるため、ドライ環境下での耐摩耗性に劣ることがわかる。
Comparative Example 17
Comparative Example 17 shown in the table does not contain PAN-based carbon fiber, which reduces the tensile strength of the PPS resin composition, and therefore it is clear that the abrasion resistance in a dry environment is poor.
本発明のポリフェニレンスルフィド樹脂組成物およびその成形品は、ドライおよび液中環境下にて高い耐摩擦性、強度が望まれる、摺動に供するあらゆる用途に適用可能である。 The polyphenylene sulfide resin composition of the present invention and its molded articles are applicable to any sliding applications requiring high friction resistance and strength in dry and liquid environments.
・ ボール
・ ホルダ
・ 試験片
A.試験片の回転方向
B.荷重
Ball Holder Test piece A. Rotation direction of test piece B. Load
Claims (3)
ポリフェニレンスルフィド樹脂100重量部に対する、引張強さ3000MPa以上のPAN系炭素繊維の含有量が10~40重量部であり、等方性ピッチ系炭素繊維の含有量が5~30重量部であり、
フッ素樹脂の含有量がポリフェニレンスルフィド樹脂100重量部に対して、6重量部以上30重量部以下であり、かつ、等方性ピッチ系炭素繊維およびフッ素樹脂の含有量の合計が、ポリフェニレンスルフィド樹脂100重量部に対して、15~60重量部であることを特徴とする、摺動用途に供するポリフェニレンスルフィド樹脂組成物。 A polyphenylene sulfide resin composition comprising a polyphenylene sulfide resin, a PAN-based carbon fiber having a tensile strength of 3000 MPa or more , an isotropic pitch-based carbon fiber , and a fluororesin ,
The content of the PAN-based carbon fiber having a tensile strength of 3000 MPa or more is 10 to 40 parts by weight and the content of the isotropic pitch-based carbon fiber is 5 to 30 parts by weight relative to 100 parts by weight of the polyphenylene sulfide resin,
A polyphenylene sulfide resin composition for sliding applications, characterized in that the content of the fluororesin is 6 parts by weight or more and 30 parts by weight or less per 100 parts by weight of the polyphenylene sulfide resin, and the total content of the isotropic pitch-based carbon fiber and the fluororesin is 15 to 60 parts by weight per 100 parts by weight of the polyphenylene sulfide resin.
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