国立产业技术综合研究所【会长：中钵良二】（以下简称“AIST”）纳米管实际应用研究中心【研究中心主任：畠健二】CNT应用小组特别集中研究专家小松正明、太田清介研究员等超级成长法制成碳纳米管(SGCNT)，我们开发了一种高度安全的O型圈，具有优异的耐高温和高压性能，即使在高温下也能保持其形状。
新开发的O型圈是SGCNT氟橡胶的复合材料，耐230℃高温密封性可保持500小时以上，即使在氟橡胶劣化分解的超过400摄氏度的高温环境下，SGCNT的纤维增强效果也使其能够保持形状，使用安全性极高。进一步低温特性
新开发的O型圈预计将应用于各种恶劣环境下的密封应用，包括需要在较宽温度范围内具有密封性能的汽车应用、需要耐高温高压的化工厂应用和发电应用、需要长期耐久性的石油钻井应用以及垫片更换应用。该技术将于 2017 年 6 月 14 日至 15 日在船堀塔厅（东京江户川区）举行的第 28 届塑料成型加工学会年会上的特别展位上展出。
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| 新开发的O型圈与市售产品的比较（左）和高温加热后SGCNT的电子显微镜图像（右） |
使用金属、树脂、橡胶等各种材质的密封部件，防止管道、容器内的内容物泄漏。其中，O型圈作为柔性橡胶密封件的代表，不易因温度变化而泄漏，易于操作，并且可以重复使用，因此随着橡胶变得更加复杂，其使用范围正在扩大。
目前，在150℃以上的高温环境下使用的橡胶密封件使用含有球状炭黑的氟橡胶，但存在耐高温、耐高压的问题。具体来说，在汽车、化工厂、发电、石油钻探等恶劣环境下使用的橡胶密封件要求具有更高的耐高温、耐压能力。此外，在恶劣的环境下，内容物的泄漏可能会导致严重事故，因此需要长期的耐用性，以长时间保持耐高温和高压。
产业技术研究院正在进行SGCNT与橡胶复合材料的研究开发。到目前为止，我们已经开发出一种具有高耐热性和耐热水性的橡胶材料，它是氟橡胶和SGCNT的复合材料（2016 年 1 月 25 日 AIST 新闻稿）以及将SGCNT分散到氟橡胶中以改善其性能的技术。
另外，我们一直在开发橡胶密封件，结果发现，当具有纤维结构的SGCNT在橡胶中分散复合形成网络时，耐高温高压性提高，但针对橡胶变形的恢复力（弹性恢复力）降低。为了解决这一点，新能源与产业技术发展组织资助项目2017 年在 AIST 内成立，利用了碳纳米管复合材料研究中心，混合比例捏合/交联过程
这次，为了在保持橡胶的回复力的同时获得部件的耐高温高压性，我们将SGCNT和炭黑一起使用，并致力于优化与氟橡胶的共混比以及捏合和交联工艺。即使炭黑与氟橡胶共混，也不影响恢复力。为此，我们成功开发了一种将耐高温高压性与橡胶的弹性相结合的新型橡胶密封件，以及使用该材料的O型圈。
在室温下对与新开发的 O 形圈具有相同硬度的市售 O 形圈进行拉伸测试（图 1a）。一般来说，在橡胶的拉伸试验中，应力-应变曲线的斜率越陡，小应变所施加的应力就越大，断裂应力越大，使橡胶断裂所需的力就越大。因此，所开发的O型圈在拉伸试验中具有陡峭的应力-应变曲线和高断裂应力，这意味着它具有高排斥力密封并具有高耐压性。此外，即使在高温（230°C）的拉伸测试中，这种趋势仍然存在（图1b）。
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图1 开发产品的拉伸测试结果，比较具有匹配橡胶硬度的成型产品
(a)室温强度性能比较和(b)高温(230℃)强度性能比较 |
分别是新开发的O型圈中使用的橡胶密封件（图2开发品）、仅由不含炭黑的SGCNT复合而成的橡胶密封件（图2传统SGCNT组合）和仅与市售炭黑混合的橡胶密封件（图2市售产品组合）。橡胶硬度在 230 ℃ 下形成一个小圆柱形样品（直径 13 毫米，高度 63 毫米）压缩永久变形的变化随着时间的推移（图 2）。一般情况下，压缩永久变形值越大，密封性能越低，因此将压缩永久变形达到80%所需的时间评价为能够保持密封性能的密封耐久时间。在传统的SGCNT复合构件中，压缩形变在不到100小时内达到80%。所开发的产品即使在超过500小时后也没有达到80%的压缩永久变形，并且表现出与市售产品相同或更长的密封耐久性。
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| 图2 230℃压缩永久变形时程 |
此外，作为恶劣环境下的耐久性测试，氟橡胶在高温下进行了劣化和分解热降解测试进行了比较开发的 O 形圈和市售的 O 形圈。该测试在氮气气氛中在420℃下进行3小时。测试后，市售的O型圈无法保持形状，一碰就会碎裂。另一方面，开发的 O 形圈即使在测试后触摸也能保持其形状（图 3a）。此外，当氟橡胶在氮气气氛中在550℃下升华55小时，然后用电子显微镜观察时，在内部确认了由SGCNT纤维制成的网络状结构（图3b）。由于SGCNT即使在400°C以上的高温下也不会分解，因此即使在氟橡胶因热而劣化的高温环境下，所开发的含有SGCNT的O形环也能保持其形状。
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图3热劣化测试结果
(a) 测试前后 O 型圈的外观和 (b) 氮气 (N2)氟橡胶在大气中高温加热升华后的电子显微镜图像 |
此外，为了确认所开发的O型圈在低温下的性能，我们测量了所开发的O型圈所使用的橡胶密封件的低温特性。基于JIS标准，将橡胶试验片拉伸15倍并冷冻，然后升高温度并测量试验片从拉伸量收缩10％时的温度。结果表明，即使在-15°C的低温环境下，所开发的O型圈仍能保持橡胶的柔韧性。
这样，新开发的O型圈具有优异的耐高温、高压性能，即使在氟橡胶因热劣化的高温下也能保持形状而不会破碎。该O型圈中使用的SGCNT和炭黑的混合比例以及混炼和交联工艺可适用于各种类型的氟橡胶，因此通过适当选择氟橡胶的类型，可以开发出适合各种用途的O型圈和橡胶密封件。
今后，我们将在碳纳米管复合材料研究中心建立橡胶密封件的量产技术，增加成型模具的阵容，计划在三年内投入实用。此外，我们计划利用新开发的配合比、捏合和交联工艺，开始原型设计并提供与要求的应用相对应的橡胶密封件的各种成型产品的样品。