专利名称：模塑齿轮的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种树脂齿轮。具体地说，本发明涉及一种在高温下具有高齿根强度、高精度、重量轻、耐磨蚀、只发出低噪声并能容易地以低成本大规模生产的树脂齿轮。
树脂齿轮在重量轻、自润滑性能、耐腐蚀、低噪声、可加工性、大批生产性和成本方面优于金属齿轮。因此，树脂齿轮广泛用于各种不同领域，例如汽车零件、电子和电气用具以及通用机器的部件。
然而，由于树脂齿轮在机械强度、耐热、热变形和因加工期间的收缩而引起的尺寸精度问题方面远不如金属齿轮，所以，还不能令人满意地达到使之小型化、增加其强度或拓宽其可使用的温度范围的目的。在各种树脂当中，聚缩醛树脂是一种可注射模塑的热塑性树脂，已被用作齿轮的重要树脂材料，因为它具有各方面协调的性能和生产性。然而，最近，有甚至在需要更高温度和更高负荷的领域中使用树脂齿轮的需求，而在这些条件下在高温时，甚至聚缩醛树脂的强度也降低，或该树脂软化和变形。
尤其，最近用于汽车领域的风挡刮水器驱动齿轮或动力车窗驱动齿轮因为空间有限通常必须与马达相连。结果，齿轮因马达发热而被加热。此外，对齿轮的小型化也有需求。在这些情况下，普通树脂因齿根强度不够而不能使用。虽然有很多树脂具有高熔点和高软化点，甚至在高温时也不易于变形，但不仅具有齿轮所要求的性能而且也能满足经济要求的树脂目前还难以得到。
这就是说，现在重要的问题是要改进树脂齿轮在高温时的机械性能，尤其是齿根强度，而在克服普通树脂齿轮的不足的同时又不损害其优点，例如重量轻、自润滑性能、耐腐蚀、低噪声、大批生产性和可加工性。
虽然聚亚芳基硫醚树脂如聚亚苯基硫醚树脂具有高耐热性而且通常适于制备齿轮，但本发明者发现，普通聚亚芳基硫醚或其组合物在高温时齿根强度不够。因此，急需进一步改进齿根强度。
在为通过解决上述问题制成近来急需的、可在高温使用的齿轮之目的而进行的深入研究之后，本发明者已通过使用一种具有特定分子量和基本上直链分子结构的聚亚芳基硫醚树脂作为基本树脂，结合使用无机填料，成功地生产出一种在高温具有高齿根强度的预期树脂齿轮。至此，本发明已告完成。
因此，本发明提供一种通过模塑含有下列组分的树脂组合物生产的模塑齿轮(A)100份(重量)基本上直链的聚亚芳基硫醚树脂，其熔体粘度(在310℃的温度，1200/秒的剪切速率下)为1000～5000泊，和(B)5～400份(重量)无机填料。
本发明的齿轮包括一个该组合物的模塑齿轮零件和一个与该齿轮零件连接的传动轴。
本发明者已进一步发现，通过模塑含有上述组分(A)和(B)以及(C)0.01～5份(重量)至少一种选自氨基烷氧基硅烷、环氧基烷氧基硅烷、巯基烷氧基硅烷和乙烯基烷氧基硅烷的硅烷化合物的树脂组合物而生产的模塑齿轮，具有进一步改善的高温齿根强度，而且实际上是特别有用的。
用于制作本发明的齿轮的组合物的基本树脂(A)是一种主要含有重复单元-(Ar-S)-的聚亚芳基硫醚树脂(下文简称为PAS)，其中Ar代表亚芳基。
这些亚芳基(例如)如下
其中R代表最好具有1～6个碳原子的烷基或苯基，n代表1～4的整数，
萘基(
)。
可以使用只由一种属于含有上述亚芳基的亚芳基硫醚基团的重复单元组成的均聚物，而在某些情况下，从组合物的可加工性观点来看，最好是由不同种重复单元组成的共聚物。
在均聚物当中，特别好的是其中亚芳基是对亚苯基的聚对亚苯基硫醚(下文简称为PPS)。
可以使用具有两种或多种亚芳基硫醚基团的共聚物，其中亚芳基如上所述。它们当中，特别好的是具有对亚苯基硫醚基团和间亚苯基硫醚基团的组合的共聚物。从诸如耐热性、可模塑性和机械性能等这样一些性能的观点来看，它们当中含至少60%(摩尔)、尤其至少70%(摩尔)的对亚苯基硫醚基团的共聚物是较好的。
间亚苯基硫醚基团的含量较好的是5～40%(摩尔)，特别好的是10～25%(摩尔)。
从耐热性和机械性能的观点来看，那些重复单元不按无规排列而按嵌段排列的聚合物(例如，在日本专利公开NO.14228/1986中所述的那些聚合物)是较好的，尽管可加工性基本上相同。
在可用于本发明的组分(A)当中，较好的是由主要包含双官能卤代芳族化合物的单体缩聚生产的、具有基本上线型分子结构的聚合物。
聚亚芳基硫醚，除了那些具有线型结构的之外，通常还包括具有通过使用少量可交联单体如具有三个或多个卤素取代基的多卤代芳族化合物形成的交联结构的那些，和通过上述具有线型结构的聚合物的氧化交联或热交联形成的那些。虽然交联的PPS是大家相当熟悉的，且在市场上比直链结构的更容易得到，但此类交联的PAS(PPS)对于获得本发明所预期的足够效应来说是不能令人满意。因此，要在本发明中使用的PAS(PPS)最好是具有基本上直链结构的而不形成如上所述的交联或支化结构的那一种。然而，要加以说明的是，支化的或交联的聚合物也是部分可用的。
用作本发明中组分(A)的PAS的熔体粘度为1000～5000泊(在310℃的温度和1200/秒的剪切速率下)。尤其是，熔体粘度为1400～4000泊的PAS具有优异的机械性能，且是特别好的。在这个范围内的熔体粘度比普通PPS的熔体粘度高，而且它表明有更高的分子量。因此，除上述分子结构外，熔体粘度是本发明的另一重要组成特征。当熔体粘度低于这一范围时，齿根强度不够，不利于使用。当它超过5000泊时，在注射模塑步骤中树脂组合物的流动性对模塑操作来说是不够的。
用作本发明的组分(A)的PAS可以同少量其它辅助热塑性树脂组合使用，只要它不妨碍本发明的目的即可。
此处可用的其它热塑性树脂可以是那些在高温时稳定的树脂中的任何一种。
它们包括芳族二羧酸与二醇的芳族聚酯，如聚对苯二甲酸乙二醇酯和聚对苯二甲酸丁二醇酯，或羟基羧酸的芳族聚酯;聚酰胺;聚碳酸酯;ABS树脂;聚苯醚;聚丙烯酸烷基酯;聚缩醛类;聚砜类;聚醚砜类，聚醚酰亚胺类，聚醚酮类和氟树脂类。这些热塑性树脂既可以单独使用，也可以其中两种或多种的混合物形式使用。
在用于形成本发明的齿轮的组合物中作为组分(B)的无机填料对于保持在高温气氛下的刚性和改善齿根强度来说是不可缺少的。纤维状的、粉末状的、颗粒状的和片状的填料均可使用。
在它们当中，较好的是具有显著改善齿根强度效应的纤维状填料。它们包括无机物质如玻璃、石棉、碳、硅石、硅石/矾土、氧化锆、氮化硼、氮化硅、硼和钛酸钾等的纤维，以及金属如不锈钢、铝、钛、铜和黄铜等的纤维。典型的纤维状填料是玻璃纤维和碳纤维。此外，高熔点有机物质如聚酰胺、氟树脂和丙烯酸树脂等的纤维也可以使用。
粉末状的和颗粒状的填料包括炭黑;硅酸盐如硅石、石英粉、玻璃珠、玻璃粉、硅酸钙、硅酸铝、高岭土、滑石粉、粘土、硅藻土和硅灰石;金属氧化物如氧化铁、氧化钛、氧化锌和氧化铝;金属碳酸盐如碳酸钙和碳酸镁;金属硫酸盐如硫酸钙和硫酸钡;碳化硅;氮化硅;氮化硼和各种金属粉末。
片状填料包括云母、玻璃片和各种金属箔。
无机填料既可以单独使用，也可以其中两种或多种的混合物形式使用。
这些填料最好先用一种粘合剂或一种表面处理剂处理，以改善齿根强度。在处理中，使用一种环氧、异氰酸酯、硅烷或钛酸盐化合物。
对于100份(重量)聚亚芳基硫醚树脂，无机填料的用量是5～400份(重量)、最好是10～200份(重量)。当它低于5份(重量)时，刚性和齿根强度不够，而当它过多时，模塑操作就变得困难。
用作与组分(A)和(B)组合的组分(C)的较好硅烷化合物包括氨基烷氧基硅烷，环氧基烷氧基硅烷，巯基烷氧基硅烷和乙烯基烷氧基硅烷。它们既可单独使用，也可以其中两种或多种的混合物形式使用。
氨基烷氧基硅烷是任何一种在分子中具有至少一个氨基和两个或三个烷氧基的硅烷化合物。它们包括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。
环氧基烷氧基硅烷是任何一种在分子中具有至少一个环氧基和两个或三个烷氧基的硅烷化合物。它们包括γ-环氧丙氧基丙基三甲氧基硅烷，β-(3，4-环氧环己基)乙基三甲氧基硅烷和γ-环氧丙氧基丙基三乙氧基硅烷。
巯基烷氧基硅烷是任何一种在分子中具有至少一个巯基和两个或三个烷氧基的硅烷化合物。它们包括γ-巯基丙基三甲氧基硅烷和γ-巯基丙基三乙氧基硅烷。
乙烯基烷氧基硅烷是任何一种在分子中具有至少一个乙烯基和两个或三个烷氧基的硅烷化合物。它们包括，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。
本发明的烷氧基硅烷的用量，对于100份(重量)聚亚芳基硫醚树脂，是0.01～5份(重量)，最好是0.1～3份(重量)。当它小于0.01份(重量)时，不能得到任何预期的齿根强度改进效应，而当它过量时，模塑操作就变得困难而不顺利。
用作本发明齿轮材料的组合物可以含有通常掺入热塑性和热固性树脂中的已知物质，例如稳定剂，如抗氧剂和紫外吸收剂;抗静电剂;离模剂;阻燃剂;着色剂，如染料和颜料;润滑剂;结晶促进剂和成核剂，以便获得具有所需性能的组合物。
用作为制作本发明齿轮的原料的聚亚芳基硫醚树脂组合物，可以借助用于生产合成树脂组合物的普通方法和普通设备来生产。在这种方法中，将必要的组分用单螺杆或双螺杆挤塑机捏合和挤出，形成模塑粒料。也可以用一部分必要的组分作为母料，再与其余部分混合，形成混合物，再进行熔融挤出。
本发明的模塑齿轮可以借助用于进行热塑性树脂模塑的普通方法生产。通常，这种模塑齿轮是从上述树脂组合物的粒料，通过用注射模塑机注射模塑生产的。模塑可以用除注射模塑外的其它方法进行，例如挤塑、压机模塑、冲压或切削。也可以通过在注射模塑过程中进行金属嵌件上注塑或嵌件模塑形成一个整体模制件，包括一个齿轮零件，结合一个由另一种材料制成的辅助零件如传动轴。
本发明的齿轮的典型实例包括正齿轮和圆柱齿轮。它们也包括那些具有与动力传递方向不在同一平面上的互啮合节圆的齿轮或那些具有与节柱轴不平行的节螺旋的齿轮，如螺旋齿轮，双螺旋齿轮，直齿伞齿轮，螺旋伞齿轮，弧齿伞齿轮，交叉螺旋齿轮，偏轴伞齿轮，蜗轮和可调蜗轮。
这些齿轮可用作电子和电气用具、汽车和通用机器、家用电器、各种物品等的零件。
它们尤其可用作电子和电气领域中以及汽车领域中的驱动部件，用于驱动风挡刮水器，动力车窗，被动式皮带，顶棚窗，后视镜，自动天线，座位滑动控制器和在恶劣条件下使用的可伸缩的车灯。
本发明有下列效果(1)可使齿轮机构减小至最低限度，因为在高温时其齿根强度比普通树脂齿轮高。因此，增加了设计机器时的自由度。
(2)由于它的齿根强度高，所以它可在高负荷下于高温使用。例如，它可用于汽车包括卡车的需要高负荷的风挡刮水器。
(3)它可在恶劣条件下使用，包括高温、高湿等，因为它具有高抗湿性，并且它的尺寸变化很小。
(4)它具有树脂齿轮特有的特征，如重量轻，易于加工，可大批生产，耐腐蚀，耐磨性和低噪声。
(5)它的成本比金属齿轮低。
图1表示一个用于试验的、具有不锈钢传动轴的正齿轮，其中(a)是垂直剖面视图，(b)是平面图。
1树脂正齿轮，2不锈钢传动轴，G浇口。
下列实例将进一步说明本发明，但不是限制本发明。
实例1～12如有必要，按表1中所述的量，把作为组分(C)的硅烷化合物添加到作为组分(A)的聚亚苯基硫醚树脂中，然后用Henschel混合机把它们混合2分钟。
然后按表1中所述的量，把作为组分(B)的无机填料添加于其中，用混合机将其混合30秒。用料筒温度为310℃的挤塑机捏合该混合物，形成聚亚苯基硫醚树脂组合物粒料。用注射模塑机在料筒温度为320℃而模温为150℃下，把这些粒料成形为ASTM试片。测定它们的拉伸强度，拉伸伸长，挠曲杨氏模量和热变形温度。
进而，用注射模塑机和齿轮模具，在料筒温度为320℃而模温为150℃下，通过注射模塑生产一种有一根不锈钢传动轴插入其中的正齿轮。该正齿轮具有图1所示的形状，节圆直径和齿轮模数分别为57.8mm和1.1mm。这样所获得的正齿轮于23℃和50%湿度静置24小时，然后在23℃和80℃测定它们的齿根强度。在齿根强度测试中，把上述生产的正齿轮与一个固定的金属蜗轮的蜗杆配合，强制性旋转，用一台扭曲试验机(岛津公司制造)测定其破裂时的强度。
用Capirograph IB(由Toyo Seiki Seisaku-sho，Ltd.制造)测定该树脂的熔体粘度。所用的毛细管直径为1mm，长度为10mm。筒温是130℃，剪切速率范围为120/秒至12000/秒。取在1200/秒所获得的值为熔体粘度。结果列于表1中。
对比实例1～5重复与上述相同的步骤，所不同的是使用一种在本发明范围之外的PPS组合物，例如一种不含组分(B)，一种所含PPS的粘度在1000泊或以下，或一种所含聚合物具有基本上非线型分子结构。结果列于表1中。
对比实例6和7用与实例1～12相同的方法进行注射模塑，所不同的是用聚缩醛树脂(POM)以及其组合物代替PPS，而且注射模塑条件包括注射模塑机的料筒温度为200℃，模温为80℃。性能测定结果列于表1中。
＊1)直链PPS;＊3)γ-氨基丙基三乙氧基硅烷＊2)交联PPS ＊4)γ-环氧丙氧基丙基三甲氧基硅烷＊5)巯基丙基三甲氧基硅烷＊6)乙烯基三甲氧基硅烷
权利要求
1.一种通过模塑含有下列组分的树脂组合物生产的模塑齿轮(A)100份(重量)基本上直链的聚亚芳基硫醚树脂，其熔体粘度(在温度为310℃，剪切速率为1200/秒)为1000～5000泊(P)，(B)5～400份(重量)无机填料。
2.一种通过模塑含有下列组分的树脂组合物生产的模塑齿轮权利要求1中所提出的组分(A)和(B)，以及(C)0.01～5份(重量)至少一种选自氨基烷氧基硅烷、环氧基烷氧基硅烷、巯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
一种通过模塑含有下列组分的树脂组合物生产的模塑齿轮
文档编号C08L81/02GK1048815SQ9010470
公开日1991年1月30日 申请日期1990年7月18日 优先权日1989年7月18日
发明者仁滕敏克, 福井喜一郎, 铃木政之, 德重和友 申请人:汎塑料株式会社