ピストンシールにおけるPTFEとゴム：長所と短所

ピストンシール材質の選択：PTFEとゴムのどちらを選ぶべきか

適切なピストンシール材の選択は、油圧・空圧システムの信頼性、効率、そしてライフタイムコストを左右する重要な決定です。この記事では、ピストンシール材の選定においてPTFEと一般的なゴム系エラストマー（NBR、FKM、EPDM、シリコン）を比較し、測定可能な長所と短所、適用ガイドライン、試験における考慮事項、そして業界の実践例から得られた実用的なヒントを紹介します。

ピストンシールの材質が重要な理由

ピストンシールの材質は、リーク率、摩擦（ヒステリシス）、耐用年数、コンタミネーション感度、起動トルク、メンテナンス間隔に影響を与えます。不適切な材質を選択すると、一見経済的に見えるかもしれませんが、早期摩耗、押し出し損傷、大きなエネルギー損失、予期せぬダウンタイムにつながる可能性があります。このセクションでは、動作温度、流体/化学適合性、圧力と押し出し隙間、動的負荷と静的負荷、許容摩擦、そしてコストといった決定要因について説明します。

材料の基礎：PTFEとゴム（ピストンシールの材料特性の概要）

PTFE（ポリテトラフルオロエチレン）は、優れた耐薬品性、非常に低い摩擦、そして優れた高温・低温特性を備えた半結晶性フッ素ポリマーです。寸法安定性が高く、エラストマーに比べて弾性が低いため、PTFEシールでは、シール接触を維持するために、通電部品（スプリング、Oリング、金属スプリング）や特殊な形状が必要となることがよくあります。

ゴムエラストマー（一般的にはNBR/ニトリル、FKM/Viton®、EPDM、シリコン）は、柔らかく高弾性の材料で、変形によってシール接触を形成します。低圧での優れた即時シール性、優れた弾力性、そして衝撃吸収性を備えていますが、耐薬品性、耐熱性、圧縮永久歪み、耐摩耗性、摩擦性には大きなばらつきがあります。

ピストンシール材の測定可能な特性の比較

以下の表は、一般的によく挙げられる典型的な差異をまとめたものです。値は方向性があり、コンパウンド、フィラー、シール設計によって異なります。必ず特定の材料のデータシートを参照し、代表的な条件下でベンチテスト/パイロットテストを実施してください。

PTFEがピストンシール材として最適な選択肢である場合

次のいずれかに該当する場合は、PTFE ベースのシールを検討してください。

• 高い連続温度（エラストマーの安全範囲を超える）。
• エラストマーを攻撃する強力な液体（強溶剤、酸、塩基）。
• 非常に低い摩擦要件（エネルギー損失またはスティックスリップを低減するため）。
• 耐摩耗性により寿命が延びる、高サイクルの研磨条件。
• 最小限の圧縮永久歪みと寸法安定性が求められる用途。

PTFEは、複合シールの摺動面としてよく使用されます。複合シールとは、ゴム製のエナジャイザーまたは金属スプリングによって駆動されるPTFE摺動リングです。充填材入りPTFE（ブロンズ、カーボン、MoS2、ガラス）は、摩耗と摩擦性能を向上させ、コールドフローを低減します。

ゴムエラストマーがピストンシール材として最適な選択肢である場合

次の場合にはエラストマーゴム材料を選択します。

• 低圧でのシール、または通電接触が不可能なシステム (エラストマーによるセルフシール)。
• コスト、交換の容易さ、製造性が重要です (大量生産すると成形が安価になります)。
• 衝撃吸収と振動減衰に効果があります。
• 流体は互換性があります (例: 鉱油と NBR、または合成油と FKM)。
• アプリケーションは中程度の摩擦と定期的なメンテナンスに耐えます。

ピストンシール材料の設計と設置のトレードオフ

設計者は、押し出し隙間、バックアップリング、グランド設計、表面仕上げ、通電を考慮する必要があります。重要な実用上のポイント：

• PTFEは通常、ロッド/シリンダーの表面仕上げを厳密に管理し（Ra約0.2～0.4µm）、適切なエナジャイザーを使用する必要があります。これらが不足すると、漏れや摩耗が加速します。
• エラストマーには適切な硬度 (ショア A) の選択が必要です。柔らかすぎると押し出しが発生し、硬すぎると低圧での密閉性が悪くなります。
• バックアップ リング (PTFE または UHMWPE) は、高圧アプリケーションで押し出しを防ぐためにエラストマーと併用されることが多く、PTFE シールでは通常、接触を維持するためにエラストマー エナジャイザーまたはスプリング エナジャイザー設計が使用されます。
• 潤滑: PTFE は適合性のある流体フィルムを使用すると最もよく機能します。乾式往復運動の場合は、充填 PTFE または特殊な表面処理が推奨されます。

試験と認定：ピストンシール材料の選択を検証する方法

代表的な条件下で次のテストを実行して、候補となるピストンシール材料の組み合わせを検証します。

• 圧力サイクルと静圧保持（押し出しとセットを確認するため）。
• 目標ストローク、速度、温度での動的往復寿命テスト。
• 作動流体と汚染物質への暴露による適合性浸漬テスト。
• 摩擦および分離トルクの測定 — スティックスリップの影響を受けやすい低速システムにとって重要です。
• 摩耗破片の分析と寸法チェックによりメンテナンス間隔を予測します。

所有コストの比較

原材料費はコスト要因の一つに過ぎません。生涯コストの要因を検討してみましょう。

• 交換頻度 (PTFE は、研磨性または攻撃的な環境では長持ちする傾向があります)。
• 摩擦によるエネルギー損失 (摩擦の大きいゴム製シールは時間の経過とともにポンプの作業を増加させる可能性があります)。
• シール交換のためのダウンタイムと労力。
• 設計の複雑さ (PTFE シールには、より精密な製造と電源装置が必要になる場合があります)。

実用的な選定ガイド：ピストンシール材の簡単なフローチャート

次の簡略化された経験則を使用します。

1. 流体が攻撃的であるか、温度が 120°C を超える場合 → PTFE (または適切な場合は FKM) を優先します。
2. 低摩擦と高サイクル寿命が重要な場合 → PTFE（特に充填フォーム）を検討してください。
3. コストがかかる場合は、鉱油で潤滑し、中温で一般的な油圧サービスを行う → NBR または FKM (より高い温度/耐薬品性が必要な場合)。
4. 押し出しギャップが狭く高圧の場合 → 材質の選択に関係なくバックアップ リングを確保します。

ケーススタディと事例（業界の実践）

各材料が好まれる典型的な例:

• モバイル油圧装置（建設機械）：バックアップ リングと組み合わせた NBR または FKM ロッド/ピストン シール - コストとパフォーマンスのバランス。
• 高温油圧プレスまたは航空宇宙アクチュエータ: 温度耐性と低摩擦を実現する PTFE または充填 PTFE ピストン シール。
• 食品/医薬品用空気圧シリンダー: 清潔さと温度柔軟性に優れた FDA 承認グレードの PTFE またはシリコン エラストマー。

充填材と配合物の選択がPTFEとゴムの性能にどのように影響するか

充填PTFE（ブロンズ、カーボン、グラファイト、MoS2、ガラス）は、低温流動性を低減し、摩耗を改善し、境界潤滑下での摩擦を低減します。エラストマーの場合、充填剤や特殊ポリマー（例えば、極めて耐薬品性の高いFFKM）が耐用年数に大きな影響を与えます。必ず実際の配合データシートを確認し、可能であればサプライヤーの試験報告書も確認してください。

Polypac — パートナーのプロフィールと、ピストンシール材の性能にとってメーカーの能力が重要な理由

ポリパックは、シール製造、シール材料の開発、カスタマイズを専門とする科学的で技術的な油圧シールメーカーおよびオイルシールサプライヤーです。シーリングソリューション特殊な作業条件に対応します。2008年に設立されたPolypacは、充填PTFEシール（ブロンズ充填PTFE、カーボン充填PTFE、グラファイトPTFE、MoS₂充填PTFE、ガラス充填PTFE）の製造から事業を開始しました。現在では、NBR、FKM、シリコン、EPDM、FFKM製のOリングも製造しています。

ポリパックのカスタムゴムリングおよびOリング工場は、10,000平方メートルを超える敷地面積を誇り、工場敷地面積は8,000平方メートルです。当社の生産設備および試験設備は、業界最先端の水準を誇ります。中国最大級のシール製造・開発企業として、国内外の数多くの大学や研究機関と長年にわたる連携・協力関係を維持しています。

ピストンシール材を選択するお客様にとってのポリパックの主な利点:

• 材料科学能力 - 流体、温度、速度に合わせて調整された充填 PTFE およびエラストマー化合物の開発経験。
• 規模と品質管理 - 一貫したバッチパフォーマンスを実現する最新の製造およびテスト設備を備えた大規模な工場。
• R&D パートナーシップ - 大学や研究機関と連携し、ラボのデータを堅牢な現場ソリューションに変換します。
• 幅広い製品ラインナップとカスタマイズ - Oリング、ロッドシール、ピストンシール、端面スプリングシール、スクレーパーシール、ロータリーシール、バックアップリング、ダストリング。
• 顧客固有の条件でピストンシールの材質選択を検証するための設計サポート、プロトタイプ実行、寿命テストを提供する能力。

腐食性の高い流体や高温環境下で長寿命、低摩擦のピストンシールが必要な場合は、ポリパックの充填PTFEピストンシールが最適です。従来の油圧システムコストと弾力性が重要な場合、Polypac は、品質保証とテスト文書を備えた NBR、FKM、およびその他の材料の標準およびカスタムのエラストマー シールを供給します。

ピストンシール注文前の選択チェックリスト

ピストンシールを注文する前に、サプライヤーに次の点を確認してください。

• 動作温度の極限（連続および一時）。
• 作動流体および予想される汚染物質。
• 圧力範囲と最大圧力スパイク。
• ストロークの長さ、速度、デューティ サイクル (動的デューティと静的デューティ)。
• 利用可能なグランドスペース/押し出しギャップおよびバックアップ リングのニーズ。
• 必要な認証（FDA、RoHS など）または材料のトレーサビリティ。
• サンプルテスト計画と生産部品の予想リードタイム。

FAQ — よくある質問

1. 最も摩擦の少ないピストンシール材質はどれですか?

PTFE（特に充填剤入りPTFE）は、通常、滑り摩擦係数が最も低く、エネルギー損失、熱の蓄積、またはスティックスリップを最小限に抑える必要がある場合に適しています。

2. すべての油圧シリンダーのゴムシールを PTFE で置き換えることができますか?

いいえ。PTFEは適切な通電（スプリングまたはOリング）、より厳しい仕上げ公差、そして慎重なグランド設計を必要とします。多くの低価格油圧シリンダーでは、エラストマーが依然として実用的な選択肢です。

3. 高圧時に柔らかいゴムのピストンシールによる押し出しを防ぐにはどうすればよいですか?

適切な硬度を選択し、押し出しギャップを減らし、バックアップ リング (PTFE または強化ポリマー) を追加し、負荷を分散するために段付きピストンまたは金属ガイドを検討します。

4. 充填された PTFE シールは、攻撃的な油圧作動油と化学的に適合しますか?

充填PTFEグレードは、ほとんどの油圧作動油および溶剤に対して優れた耐薬品性を備えています。必ず特定の作動油適合性試験およびサプライヤーのデータシートをご確認ください。

5. 耐用年数全体にわたって、PTFE とゴムのどちらの方がコスト効率が良いですか?

場合によります。PTFEは初期の材料費と加工費は高くなりますが、摩耗性や化学的に腐食性の高い環境下でも長寿命でメンテナンス費用を抑えることができます。一方、エラストマーは初期費用が安く、長期間使用しない場合は交換も容易です。

6. PTFE とゴムのピストンシール材では異なる表面仕上げが必要ですか?

はい。PTFEは通常、摩耗を最小限に抑え、安定したシール性を確保するために、より滑らかな表面仕上げ（低いRa）が必要です。エラストマーは比較的耐摩耗性に優れていますが、それでも仕上げを細かく制御することでメリットが得られます。

お問い合わせおよび製品に関するお問い合わせ

適切なピストンシール材料の選定、試作品の試験、あるいは量産用シールの調達についてサポートが必要な場合は、Polypacまでお問い合わせください。技術コンサルティング、サンプル、お見積もりをご提供いたします。Polypacは、カスタム設計、材料選定のサポート、そして実際の動作条件下でのピストンシールソリューションの検証試験をご提供いたします。図面、材料データシート、リードタイムの​​ご請求は、製品ページをご覧ください。または、営業エンジニアまでお問い合わせください。

参考文献

1. Polypac の会社概要と製品概要 - 簡潔にまとめた会社情報 (Polypac の内部資料)。
2. ポリテトラフルオロエチレン（PTFE） — Wikipedia https://en.wikipedia.org/wiki/Polytetrafluoroethylene（2025年11月30日アクセス）
3. SKF — シーリングソリューションの概要。https://www.skf.com/products/seals（2025年11月30日アクセス）
4. パーカーOリングハンドブック - 材料と設計のガイダンス（参考ハンドブック）。https://www.parker.com/literature/Oring/11095.pdf（アクセス日：2025年11月30日）
5. Chemours - テフロン（PTFE）製品および技術情報。https://www.chemours.com/en/brands/teflon（アクセス日：2025年11月30日）
6. 材料特性データベースとエラストマーの温度範囲 — MatWebおよびメーカーのデータシート（各種化合物）。https://www.matweb.com/（アクセス日：2025年11月30日）

ポリパックの技術相談、シールおよび試作試験のご依頼は、ポリパックのウェブサイトまたはメールで営業エンジニアまでお問い合わせください。ピストンシールおよび関連シール部品の詳細な材料データシート、試験報告書、カスタム設計をご提供いたします。