ピストンシール材質：PTFEとゴムの比較

ピストンシール材質：PTFE vs ゴム — エンジニア向け実用ガイド

適切なピストンシール材料の選択が重要な理由

適切なピストンシール材料の選択は、油圧・空圧システム設計において最も重要な決定事項の一つです。材料は、シールの信頼性、摩擦およびスティックスリップ挙動、摩耗寿命、耐薬品性、そして全体的なメンテナンス間隔を決定します。移動体油圧システム、産業用シリンダー、あるいは高精度アクチュエーターなど、どのような用途にピストンシールを選定する場合でも、PTFEと様々なゴムコンパウンドのトレードオフを理解することで、現場での故障や運用コストを削減できます。

概要: ピストンシール用途に使用される PTFE およびゴムファミリー

ピストンシール材は、主にPTFE（ポリテトラフルオロエチレンおよびその充填材）とエラストマー（NBR、FKM、EPDM、シリコンなどのゴム）の2つのグループに分けられます。PTFEは超低摩擦と優れた耐薬品性・耐熱性を備えていますが、弾性が限られているため、溝の設計には慎重さが求められます。ゴム材は、多くのダイナミックシールにおいて弾性回復力と優れた耐押し出し性を備えていますが、摩擦が大きく、使用可能な耐薬品性・耐熱性の範囲が限られています。この記事におけるピストンシールとは、油圧シリンダーおよび空気圧シリンダーの往復ピストンに使用されるシールを指します。

ピストンシールの性能を左右する機械的特性と材料特性

ピストンシール用途においてPTFEとゴムを比較する際には、温度範囲、動摩擦係数、耐摩耗性、圧縮永久歪み（弾性回復率）、耐押し出し性、耐薬品性、製造性といった主要な特性に注目してください。それぞれの特性は、実際の性能にそれぞれ異なる影響を与えます。例えば、低摩擦は作動力とスティックスリップのリスクを低減し、優れた弾性回復率は変動圧力下でもシール性を維持します。

ピストンシールの選択に関する技術比較（PTFE vs ゴム）

以下の表は、ピストンシール設計において一般的に使用される材料の標準的な範囲と相対的な性能をまとめたものです。値は標準的な材料または業界ガイドラインの範囲であり、実際の性能は化合物、充填タイプ、および部品設計によって異なります。

表の値のソースはこの記事の最後に記載されています。

摩擦とスティックスリップがピストンシールの材質選択に与える影響

スティックスリップは低速往復動シールでよく見られる問題であり、ぎくしゃくした動き、騒音、制御上の問題を引き起こします。PTFEは摩擦係数が低いため、スティックスリップのリスクを大幅に低減できるため、精密アクチュエータや低速制御弁に適しています。エラストマーは、特に乾燥時や圧縮永久歪みによって接触面の安定性が低下すると、スティックスリップが発生しやすくなります。ゴムを用いたソリューションでは、スティックスリップを軽減するために、潤滑剤、表面仕上げ、コーティングなどが用いられることがよくあります。

押し出し制御、溝設計、通電方法

PTFEピストンシールは、弾性特性がないため、シール接触を維持するために、一般的に金属製またはポリマー製のスプリング、Uカップ通電プロファイル、または専用の通電装置が必要です。エラストマーピストンシールは、材料の弾性特性を利用した一体型シールとして設計されることがよくあります。高圧の場合、どちらの材料クラスも、はみ出しを防止するバックアップリングの効果が期待できます。PTFEの場合は、堅牢な溝や、補強材を埋め込んだ複合設計、あるいは充填グレードを使用して剛性を高めることが効果的です。

充填PTFEグレード：なぜ、いつ使用するのか

充填PTFEコンパウンド（ブロンズ、カーボン、グラファイト、MoS₂、ガラス）は、PTFEの耐摩耗性、熱伝導性、または耐クリープ性を向上させるように設計されています。例えば、ブロンズ充填PTFEは耐摩耗性と熱伝導性を向上させ、高負荷往復動システムに適しています。カーボン充填グレードとグラファイト充填グレードは、コールドフローを低減し、慣らし運転時の挙動を改善します。バージンPTFEでは過度のクリープや摩耗が発生する高サイクル用途には、充填PTFEをお選びください。

エラストマーの選択 - 媒体と温度に合わせたコンパウンドのマッチング

すべてのゴムが同じというわけではありません。ピストンシールの選定に関する一般的なガイドライン：- NBR (ニトリル): 経済的、石油系油や油圧油に対する耐性が良好、高温性能は限定的。- FKM（Viton）：耐高温性、耐燃料性に優れているが、コストが高い。- EPDM: 水、蒸気、グリコールベースの流体に対する優れた耐性 (油や燃料とは互換性がありません)。- シリコン: 温度範囲が非常に広いですが、引き裂き強度が低く、耐摩耗性が限られています。ピストン シールの用途に合わせて、化学的適合性、温度、機械的摩耗のバランスが取れたエラストマーを選択してください。

PTFEピストンシールとゴムピストンシールのどちらを選ぶべきか - 実用的経験則

次の場合には PTFE ピストン シールを使用します。- システムは極端な温度や強力な化学物質で動作します。- 低摩擦と最小限の作動力が重要です。- 高いサイクル数で長い耐用年数が必要です。- 正確な制御と最小限のスティックスリップが必要です。次の場合にはゴム製ピストンシールを選択してください。- 追加の通電要素なしで弾性回復とプリロードが必要です。- コスト、成形のしやすさ、部品の統合が優先されます。- 動作温度と媒体はゴム化合物の安全限度内です。- 中程度の速度、圧力、サイクルが予想されます。

設計例: 最高のパフォーマンスを得るための材料の組み合わせ

多くの高性能ピストンシールはハイブリッド構造を採用しています。PTFE製ウェアリングまたは低摩擦摺動エレメントと、エラストマー製のエナジャイザーリングまたはバックアップリングを組み合わせたものです。この構造により、PTFEの低摩擦性と耐薬品性に​​加え、エラストマーの弾性とシール予荷重を両立しています。もう一つの一般的なソリューションは、シールリップに低摩擦PTFEコーティングを施したUカップゴムピストンシールです。これにより、弾性回復力を維持しながら摺動特性が向上します。

比較表の出典

表中の数値範囲および定性的な評価は、シールメーカーおよび材料データベースの材料データシート、業界ガイダンスに基づいています。標準値の算出に使用した具体的なデータシートおよび技術資料については、末尾の引用元を参照してください。

ポリパック：ピストンシールのニーズに合わせたシール製造の専門知識

Polypacは、シール製造、シール材開発、そして特殊な動作条件に対応するカスタマイズされたシールソリューションを専門とする、科学技術に裏付けされた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。2008年に設立されたPolypacは、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などの充填PTFEシールの製造から事業を開始し、その後、NBR、FKM、シリコン、EPDM、FFKM製のOリングも取り扱うようになりました。

ピストンシールソリューションにおいてポリパックが優れている理由

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に、8,000平方メートルの専用生産スペースを有しています。生産設備と試験設備は業界最高水準を誇り、一貫した品質と再現性の高い性能試験を支えています。中国最大級のシールメーカーの一つとして、ポリパックは国内外の大学や研究機関と長期的な協力関係を維持しており、要求の厳しいピストンシール用途に向けた材料開発、加速寿命試験、カスタムコンパウンド配合など、幅広いサポート体制を整えています。

主力製品と競争力

ポリパックのピストンシール関連の主な製品には、Oリング、ロッドシール、ピストンシールなどがあります。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。コアとなる競争力：- 充填PTFEおよびエラストマー向けの高度な材料開発。- 特殊な作業条件（温度、化学物質への暴露、圧力）に合わせたカスタマイズ。- 精密機械加工と成形を組み合わせた大規模生産能力。- 社内テストと長期にわたる研究開発パートナーシップにより、設計と耐久性を検証します。

ピストンシールプロジェクトのサプライヤーを評価する方法

Polypac のようなサプライヤーを選択するときは、次の点を評価します。- 材料の認定およびテストデータ（摩耗テスト、摩擦、圧縮永久歪み、老化）。- プロトタイプを作成し、溝のプロファイルを迅速に反復する機能。- 品質システム（例：検査機器、トレーサビリティ、サンプルテスト）。- 類似のアプリケーションおよびサービス条件に関する参照。Polypac は充填 PTFE の経験とエラストマー生産の融合により、既成品とカスタムの両方のピストン シール ソリューションを提供するのに最適です。

コストの考慮とライフサイクルの考え方

PTFE部品は、材料費や加工費などの理由で初期費用が高くなる傾向がありますが、寿命が長くメンテナンス費用も少ないため、特に高サイクル環境や過酷な環境においては、資産ライフサイクル全体ではより経済的です。エラストマーは通常、初期費用は安価ですが、過酷な環境や高温環境では交換頻度が高くなる可能性があります。ピストンシールを選定する際は、単価だけでなく総所有コストも考慮してください。

ピストンシールの仕様決定のための実用チェックリスト

ピストンシールの材質を選択するときは、次の簡単なチェックリストを使用してください。- 動作温度範囲と流体/媒体を定義します。- ストローク速度、頻度、圧力差を決定します。- 許容される作動力と摩擦またはスティックスリップに対する感度を決定します。- 流体内の摩耗/汚染物質のレベルを考慮してください。- 上記に基づいて、エラストマー、PTFE、またはハイブリッドから選択します。- 溝の形状と、バックアップ リングまたはエナジャイザーが必要かどうかを指定します。- サプライヤーに材料データシートとテスト結果を要求します。Polypac は、チェックリストに基づいて選択内容を検証するためのデータとプロトタイプを提供できます。

FAQ - PTFEとゴムのピストンシールに関するよくある質問

Q1: PTFE ピストン シールは油圧シリンダーのゴム シールの代わりに使用できますか?A1: はい。低摩擦、高温、または刺激の強い化学物質が存在する場合、多くの場合、PTFEはゴムの代わりに使用できます。ただし、PTFEは通常、エナジャイザーまたはスプリングを必要とし、はみ出しを防ぐために設計変更が必要になる場合があります。

Q2: ピストンシールの寿命が最も長くなる素材は何ですか?A2: 研磨性、化学薬品性、または高温環境においては、充填PTFEグレードが最も長寿命となる場合が多いです。適合性のある流体を使用する標準的な油圧サービスでは、適切に配合されたエラストマーを使用することで、低コストで必要な寿命を満たすことができます。

Q3: バックアップ リングは材料の選択にどのように影響しますか?A3: 高い差圧下で柔らかい材料を使用する場合、はみ出しを防ぐためにバックアップリングが不可欠です。PTFEであっても、狭い隙間でのサポートは効果的です。バックアップリングは寿命と信頼性を向上させます。

Q4: スティックスリップは材料の問題だけでしょうか?A4: いいえ。スティックスリップは、材料の摩擦特性、表面仕上げ、潤滑、予圧、動作速度によって影響を受けます。材料の選択（PTFEまたはゴム）は重要な要素ですが、唯一の要素ではありません。

連絡先と製品のCTA

ピストンシールの材質選定やカスタムソリューションのご要望がございましたら、Polypacまでお問い合わせください。技術コンサルティング、材料データシート、試作品サンプルをご提供いたします。PolypacのピストンシールおよびOリング製品ラインをご覧いただき、お客様の動作条件に最適なソリューションを見つけてください。

参考文献と情報源

この記事で要約されている技術値、温度範囲、および材料の動作は、次の信頼できる情報源とメーカーのデータシートに基づいています。

• Parker O リング ハンドブックおよび Parker PTFE 材料データシート - 材料特性とシーリング ガイダンス。
• SKF シーリング ソリューションの技術ガイド - シーリングの原理と押し出し/バックアップ リングの推奨事項。
• MatWeb 材料特性データベース - PTFE およびエラストマーの代表的な特性範囲。
• Trelleborg シーリング プロファイルおよび材料ガイド - エラストマーの性能と化学的適合性チャート。
• 充填 PTFE グレード (ブロンズ/カーボン/グラファイト/MoS₂ 充填 PTFE) のメーカーデータシート - 摩耗特性および熱特性。

カスタマイズされたピストンシール設計、プロトタイプテスト、または材料認定レポートについては、Polypac の技術チームに問い合わせて、特定のデータとサンプル部品をリクエストしてください。