要するに、充填材はPTFE（ポリテトラフルオロエチレン）の固有の機械的弱点を克服するために添加されます。バージンPTFEは優れた耐薬品性と低摩擦性を提供しますが、クリープ耐性が低く、耐久性に劣るという欠点があります。充填材は、耐摩耗性、剛性、寸法安定性などの特性を劇的に向上させ、特定の運転要求に合わせてシールの性能を調整します。
核となる原理はトレードオフです。PTFEに充填材を加えることで、柔らかく低摩擦の材料から堅牢なエンジニアリング複合材へと変化しますが、この機械的強度の向上は、摩擦係数や耐薬品性の変化を伴うことがよくあります。
バージンPTFEだけでは不十分な理由
未充填、または「バージン」PTFEは驚異的なポリマーですが、動的シールとしての有用性は主に2つの要因によって制限されます。これらの限界を理解することで、充填材がなぜ必要になるのかが明確になります。
クリープ（冷間フロー）の問題
クリープは冷間フローとも呼ばれ、持続的な機械的応力の影響下で固体材料が永久に変形する傾向を指します。
バージンPTFEはクリープに対する耐性が非常に低いです。圧力下では徐々に変形し、元の形状を失い、時間の経過とともに信頼性の高いシールを維持する能力が損なわれます。
低い耐摩耗性
PTFEは柔らかい材料です。摩擦と動きを伴う動的用途では、すぐに摩耗します。これにより、耐用年数が短くなり、システムへの汚染の可能性があります。
一般的な充填材とその影響の内訳
各充填材は、PTFEベースに独自の特性を付与します。充填材の選択は、用途の要求に基づいた意図的なエンジニアリング上の決定です。
ガラス：剛性と安定性のために
ガラス繊維の添加は、PTFEを強化する最も一般的な方法の1つです。
これは剛性と硬度を大幅に増加させ、負荷下でのクリープや変形に対するシールの耐性を劇的に向上させます。また、一般的な耐摩耗性も高めます。
カーボンとグラファイト：耐摩耗性と安定性のために
カーボンとグラファイトは、動的特性を向上させるための優れた選択肢です。
これらの充填材は、特に高温下で優れた耐摩耗性と寸法安定性をもたらします。また、摩擦係数を低く保つため、高速用途に最適です。
青銅：高負荷と熱伝導性のために
要求の厳しい高圧用途のために、PTFEに青銅粉末が添加されます。
優れたクリープ耐性と耐摩耗性を提供します。金属であるため、コンパウンドの熱伝導性も高まり、シール面からの熱放散に役立ちます。
二硫化モリブデン（MoS₂）：多用途な強化材
二硫化モリブデン（MoS₂）は、他の材料と組み合わせて使用される潤滑性を高める充填材です。
耐摩耗性と表面硬度を向上させます。MoS₂は単独で使用されることはめったにありませんが、他の充填コンパウンドの相乗的な添加剤として機能します。
ガラスと二硫化モリブデンの組み合わせ
ガラスとMoS₂のブレンドは、多くの場合、理想的な汎用シーリングコンパウンドと見なされます。
この混合物は、ガラス由来の優れた剛性とクリープ耐性と、二硫化モリブデン由来の強化された耐摩耗性および表面特性を組み合わせ、幅広い用途に対応できるバランスの取れた材料を生み出します。
避けられないトレードオフ
充填材によるPTFEの強化には、妥協が伴います。これらのトレードオフは、意図しない結果を避けるために材料選択時に考慮することが不可欠です。
摩擦の増加
カーボンやグラファイトは低摩擦を維持しますが、他の充填材はその逆の効果をもたらす可能性があります。例えば、青銅はバージンPTFEと比較して摩擦係数を増加させる可能性があります。
耐薬品性の低下
バージンPTFEは、ほぼすべての工業用化学薬品に対して不活性であることが有名です。充填材を追加すると、この特性が損なわれる可能性があります。充填材自体がPTFEマトリックスほど腐食性媒体に耐性がない場合があり、シールの全体的な耐薬品性が低下します。
相手材の摩耗
硬い充填材、特にガラスは、柔らかいシャフトやボア材料に対して研磨性となる可能性があります。時間の経過とともに、相手材の表面硬度が適切に選択されていない場合、ガラス充填シールは相手側のハードウェアを摩耗させる可能性があります。
用途に最適な充填PTFEの選択
選択は、システムで最も重要な単一の性能要求によって導かれる必要があります。
- 高静的負荷下でのクリープ耐性が主な焦点である場合： ガラス充填コンパウンドが最も効果的な選択肢です。
- 高速動的シールでの耐摩耗性が主な焦点である場合： カーボンまたはグラファイト充填材料は、優れた耐久性と低摩擦を提供します。
- 汎用向けのバランスの取れたオールラウンダーが主な焦点である場合： ガラスとMoS₂のブレンドは、優れた特性の組み合わせを提供します。
- 食品、飲料、または医療用途が主な焦点である場合： FDA承認の特殊なPTFEコンパウンドを探す必要があります。
結局のところ、適切な充填PTFEの選択とは、材料の強化された特性を、その動作環境の課題に直接一致させることです。
要約表：
| 充填材 | 強化される主な特性 | 一般的な用途 |
|---|---|---|
| ガラス | 剛性、クリープ耐性、寸法安定性 | 高静的負荷シール |
| カーボン/グラファイト | 耐摩耗性、低摩擦、熱安定性 | 高速動的シール |
| 青銅 | 高負荷容量、熱伝導性、クリープ耐性 | 高圧用途 |
| 二硫化モリブデン（MoS₂） | 耐摩耗性、表面硬度（ブレンドでよく使用される） | 汎用シール（ガラスと併用） |
| ガラス + MoS₂ | バランスの取れた剛性、耐摩耗性、クリープ耐性 | 多用途のオールラウンドシーリングソリューション |
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