JP2004527709A - 補強プラスチックパイプ、および該パイプの製造方法 - Google Patents

Abstract

高分子組成物をベースとする管状支持体上に、パイプ軸に対して等しいが逆の角度で交差させた各層中の配向高分子組成物を含む補強用テープを巻付けることによって得られた補強パイプ。これらのテープは、その高分子組成物が引張における特定の機械強度特性を有するテープから選択される。

Description

【技術分野】
【０００１】
本発明は、機械的応力に耐えるように補強されたプラスチックパイプに関する。
【背景技術】
【０００２】
大直径パイプのような高機械的応力に耐えなければならないパイプおよび/または高内部圧力を受けるパイプは、延性を有する鋳鉄から経済的に製造し得る。しかしながら、多くの場合、プラスチックパイプの方が、はるかに軽量であり且つ顕著な耐腐食性を示すことから、鋳鉄よりも優先されている。
鋳鉄同様に高機械的応力に耐えるためには、通常のプラスチックパイプは、厚目の壁厚を有さなければならず、それがパイプのコストを増大させ、延性鋳鉄パイプと比較してプラスチックパイプを競争力の低いものにしている。
さらにまた、プラスチックパイプは、多くの場合、長期の応力下では低い耐クリープ性を有する。しかしながら、あるタイプの用途においては、これらのパイプの強度、例えば、破裂強度が、場合によっては数10年間にも及び得る長期の使用後に低下しないことが極めて重要である。
幾つかの試みがこの問題を解決するために行われている。第１の試みは、プラスチックをパイプの軸に対して水平および垂直方向に二軸配向させたパイプを製造することからなる。
しかしながら、二軸配向操作は、押出によって予備加工したパイプにおいてのみしか実施できず、その加工はバッチ方法となりそのコストを増大させている。さらにまた、上記材料の二軸配向をカップラー手段の取付け中に維持するためには、多くの特別なカップラーの使用と関連して、とりわけ注意を払わなければならない。さらにまた、この方法を使用して得られる補強は長さ方向においては最も有効であるが、幾つかの用途、例えば、加圧流体の輸送における最大応力を示す半径方向力に対する耐性問題については極めて部分的にしか解決されない。今までのところ、二軸配向加工を連続にするための努力は、技術的な制約および得られる強度の依然として不十分な増大と対比しての必然的に伴う実質的なコスト負担の故に、いまだ十分には結実していない。
【０００３】
もう１つの試みは、例えば、熱可塑性または熱硬化性樹脂を含浸させた繊維(例えば、ガラス繊維)の連続巻付け(COFITS)のような補強材をプラスチックパイプ上に存在させることである。しかしながら、この試みは、これらの巻付けが一般に脆くて且つ得られる補強パイプの密度とそのコストを大いに増大させるので、いずれにしろ欠点がないものではない。さらに、これら補強材の有効性は経時的に常に一定ではなく、さらに、パイプのポリマー中への外来物質の混入は分離が困難であるので、寿命終了時にスクラップパイプをリサイクルするのが、多くの場合難しい。
また、各種材料(板材、紙、ゴム、木材またはプラスチック)製の支持体を配向型ポリオレフィンテープによって補強する方式も開示されている(特許文献１参照)。しかしながら、得られた補強パイプは、加圧流体の輸送において長時間に亘って安全に使用するには十分な強度、とりわけ破裂強度を有していない。
【０００４】
【特許文献１】
米国特許第4,093,004号
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
本発明の目的は、許容し得且つ延性鋳鉄パイプと拮抗し得る限界内に製造コストを維持しながら、上述の公知の補強方式がもたらす問題を解決することである。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
この目的において、本発明は、高分子組成物をベースとする管状支持体から形成され、この支持体上に、配向高分子組成物を含む補強用テープを巻付けてなる補強された多層プラスチックパイプに関し、このパイプにおいては、上記テープが、
下記の関係：
【数１】

（式中、SIは、下記の式：
【数２】

によって算出した上記補強用テープの強度指数であり；
σは、上記支持体の降伏点あるいは上記テープの破壊点での伸びが上記支持体の降伏点での伸びよりも小さい場合の上記テープの破壊点に相応する伸びにおいて、上記テープにおける配向方向での引張試験中に達した応力の最高値であり；
Eは、上記配向テープの引張弾性率であり；
【数３】

は、上記支持体の強度指数であり；そして、
σ₀およびE₀は、それぞれ、上記支持体の降伏点での応力および引張弾性率であり；
σ、E、σ₀およびE₀は、同じ任意の引張単位である)
を満たすテープから選ばれ、
且つ上記パイプが前記支持体上に巻付けられた少なくとも2つのテープ層を含み、テープから形成された各層が同様な角度をなすが、パイプの軸に対して他方の層のテープと逆方向を有する。
この定義において、用語“同様な角度”は、最低で同じ角度から５度を差し引いた角度に等しい角度を意味する。また、用語“同様な角度”は、最大で同じ角度に５度をプラスした角度に等しい角度も包含する。好ましくは、この用語は、最低で同じ角度から２度を差し引いた角度に等しい角度を意味する。また、好ましくは、この用語は、最大で同じ角度に２度をプラスした角度に等しい角度も包含する。
【０００７】
用語“降伏点”は、上記の該当するプラスチックにおいて実施した引張試験の加重-伸び曲線上の点であって、さらなる伸びを得るのに必要とする適用加重が上記の点に相応する点以下で伸びを得るのに必要な荷重に対比して低下し始める点を意味する。
用語“補強パイプ”とは、パイプを構成する基材組成物の固有の機械特性がこの基材と異なる追加の材料組成物の存在によって改変されており、その存在によって、機械的強度が増大されているパイプを意味するものと理解されたい。基材組成物は、補強パイプの総質量の少なくとも40質量%を示す高分子組成物である。上記支持体は、上記基材高分子組成物から形成される。追加の材料組成物は、上記補強用テープにより形成される。
用語“プラスチック”は、合成樹脂から調製した少なくとも１種のポリマーを含む任意の材料を意味するものと理解されたい。
すべてのタイプのプラスチックが適し得る。きわめて適切なプラスチック類は、熱可塑性プラスチックのカテゴリーに属する。
用語“熱可塑性”は、熱可塑性エラストマー類およびそのブレンドを含む任意の熱可塑性ポリマーを意味する。用語“ポリマー”は、ホモポリマーおよびコポリマー(とりわけ、２成分または３成分コポリマー)を意味する。そのようなコポリマーの例は、限定するものではないが、ランダムコポリマー、ブロックコポリマーおよびグラフトコポリマーである。
溶融点が分解温度よりも低い任意のタイプの熱可塑性ポリマーまたはコポリマーが適している。少なくとも10℃に亘る溶融範囲幅を有する合成熱可塑性プラスチックが特に適している。そのような材料の例としては、その分子量において多分散性を示す材料がある。
とりわけ、ポリオレフィン類、ポリハロゲン化ビニル類、熱可塑性ポリエステル類、ポリケトン類、ポリアミド類およびこれらのコポリマー類を使用し得る。ポリマーまたはコポリマーのブレンドも、高分子材料と、例えば、限定するものではないが、炭素、塩類および他の無機誘導体、天然無機繊維または高分子繊維のような無機、有機および/または天然充填剤との混合物と同様に、使用し得る。上述のポリマーまたはコポリマーの少なくとも1種を含む、一緒に結合させた積重ね層からなる多層構造体の使用も可能である。
頻繁に使用されるポリマーはポリエチレンである。優れた結果は、高密度ポリエチレン(HDPE)において得られている。
【０００８】
本発明に従う補強パイプの基本構成成分は、管状支持体、即ち、チューブ形状の中空体である。この管状支持体は、少なくとも1部が高分子組成物から形成される。
本発明に従う補強パイプの他の構成成分は、必要な機械的強度を増大させて上記補強パイプにその意図する用途に適する機械特性を与えるさらなる材料組成物を含む上記の補強用テープである。
本発明に従うパイプの補強用テープに存在するさらなる材料は、少なくとも1種の配向高分子組成物を含む。この材料は、単一の配向高分子組成物を含み得る。また、この材料は、数種の高分子組成物および任意成分としての非高分子添加剤のブレンドも含み得、そのポリマーの少なくとも1種は配向型である。そのポリマーは、上記テープ中に配向形で存在し得る任意の熱可塑性ポリマー、即ち、その構成分子鎖の少なくとも20質量%が同じ方向で存在する熱可塑性ポリマーであり得る。好ましくは、配向方向は、上記テープの長さ方向である。それ自体で良好にその分子鎖が配向する性向を有する任意の熱可塑性ポリマーを上記配向ポリマーとして選択し得る。一般に、圧力に耐えなければならないパイプを製造するのに一般的に使用されているポリマーの性質と同じ性質を有する配向ポリマーを使用する。高密度ポリエチレン(HDPE)製の支持体の場合におけるそのようなポリマーの有利な例は、限定するものではないが、マルチモードHDPE樹脂および架橋性樹脂である。
マルチモード樹脂は、数個の極値を示す分子量分布を有する樹脂である。2個の極値を有するバイモードHDPE樹脂が好ましい。
架橋性HDPE樹脂は、加工中は通常の熱可塑性HDPE樹脂同様に挙動し、成形後は、任意の方法(過酸化物の作用、照射等)によって架橋し硬化し得るHDPE樹脂である。
【０００９】
数種の配向ポリマーが存在する場合、これらのポリマーは、同じ配向方向を共有する。上記テープの配向ポリマーは、上記支持体を製造した基材高分子組成物のポリマー類の性質と同じ性質を有し得る。しかしながら、その配向ポリマーは、上記基材高分子組成物中には存在しないポリマーであってもよい(そのような使用状況を必要とする場合、あるいはそのような使用状況が同一のポリマーの使用とあまり適合し得ない場合)。
有利には、本発明に従う補強パイプは、上記支持体上に巻付けた補強用テープの偶数の層を含む。
好ましくは、接着剤層を、上記支持体と隣接テープ層間およびテープ層間に挿入する。
用語“接着剤”は、上記支持体の組成物および上記補強用テープの組成物と相溶性の任意の接着剤と理解されたい。最も普通に使用される接着剤は、一般に、ポリウレタンまたは官能化ポリオレフィンの形であり得るポリマー接着剤である。用語“官能化ポリオレフィン”は、オレフィン類から誘導された単位以外に、官能性モノマー単位を含む任意のポリオレフィンを意味するものと理解されたい。官能性モノマー単位は、ポリオレフィンの主鎖または側鎖のいずれかに導入させ得る。また、官能性モノマー単位は、これらの主鎖および側鎖のバックボーン中に、例えば、１種以上の官能性モノマーとオレフィンモノマー(1種以上)との共重合によって直接導入させることができ、さらにまた、ポリオレフィン調製後に、上記の鎖上に１種以上の官能性モノマーをグラフトさせることによっても得ることができる。数種の官能性ポリオレフィン類をブレンドとして使用することもできる。
官能化ポリオレフィンの官能性モノマー単位は、カルボン酸類、ジカルボン酸類およびこれらジ酸の無水物から選択し得る。これらのモノマー単位は、一般に、同じ官能基を有する少なくとも1種の不飽和モノマーの共重合またはグラフト化により由来する。使用し得るモノマーの非限定的な例は、アクリル酸、メタクリル酸、マレイン酸、フマル酸、イタコン酸、無水マレイン酸、無水フマル酸および無水イタコン酸である。好ましくは、官能性モノマー単位は、無水マレイン酸の共重合またはグラフト化に由来する。
【００１０】
好ましくは、層の数および補強用テープの角度は、生ずる応力に実質的に耐えるようにし得るのに少なくとも十分な強度を最終パイプに与えるような方法で選定する。
上記補強パイプは、少なくとも２つの補強用テープ層を一般に含む。上記補強パイプが2つのテープ層を含む場合、これらのテープ層は、これらの層間で、パイプ軸に対して、同様であるが逆方向を有する角度をなす。用語“同様”は、ここでも、前述した用語と同じ意味を有する。
上記補強パイプが2つよりも多い補強用テープ層を含む場合、このパイプの任意の2つの隣接層が、パイプ軸に対し同様な角度をなし、逆方向を有する。
本発明の1つのとりわけ有利な実施態様によれば、上記パイプの補強用テープは、接触回転(touching turn)によって巻付ける。さらに有利には、これらの補強用テープは、2つの未配向高分子層によっても保護される。用語“保護される”とは、ここでは、上記補強パイプ上の外的環境応力に由来する機械的要因の何らかの欠陥に対する機械的保護の意味で理解されたい。好ましくは、これらの保護層高分子組成物は、上記補強用層の配向高分子組成物と相溶性である。また、好ましくは、これら保護層の第１層、即ち、最深の層は、接触回転によって巻付けたテープから形成される。有利には、上記補強パイプの外周の周りに位置する第２保護層は、単一片から形成され、トップコートとして機能する管状固形層である。“配向高分子組成物と相溶性の高分子組成物”なる表現は、この配向組成物を含む溶融物中に混和性であり、上記配向高分子組成物の少なくとも1種のポリマーの配向に影響し得る望ましくない物理的または化学的反応を生じない任意の高分子組成物を意味するものと理解されたい。
また、パイプの各構成成分の性質を注意深く選定することは、これらの成分を、新しいパイプの各層のどれかの混合物としてリサイクルしまたは再使用可能にする目的においてとりわけ有利である。この可能性は、この場合、新しいパイプを製造するとき(製造用小片を使用することにより)およびパイプの使用期間終了時に使用済みパイプをリサイクルするときの双方において担保され得るべきである。
【００１１】
また、本発明は、高分子組成物をベースとする管状支持体の周りに、配向高分子組成物を含む補強用テープを巻付けることによる適用法を含む、補強プラスチックパイプの製造方法にも関し、該方法は、上記テープが、下記の関係：
【数４】

（式中、SIは、下記の式：
【数５】

によって算出した上記補強用テープの強度指数であり；
σは、上記支持体の降伏点あるいは上記テープの破壊点での伸びが上記支持体の降伏点での伸びよりも小さい場合の上記テープの破壊点に相応する伸びにおいて、上記テープにおける配向方向での引張試験中に達した応力の最高値であり；
Eは、上記配向テープの引張弾性率であり；
【数６】

は、上記支持体の強度指数であり；そして、
σ₀およびE₀は、それぞれ、上記支持体の降伏点での応力および引張弾性率であり；
σ、E、σ₀およびE₀は、同じ任意の引張単位である)
を満たすテープから選ばれ；且つ上記パイプが上記支持体上に巻付けられた少なくとも2つのテープ層を含み、テープから形成された各層が同様な角度をなすが、パイプの軸に対して他方の層のテープと逆方向を有することを特徴とする。上記降伏点および用語“同様な”は、ここでも、上記補強パイプに関連してすでに説明した意味と同じ意味を有する。
上記補強用テープは、上記支持体および/または上記下地のテープ層に、接着剤によって結合させ得る。使用する接着剤は、上記補強パイプに関連して前述した接着剤と同じである。
【００１２】
本発明に従う方法を実施する1つの特定の方法によれば、使用する補強用テープは、熱活性化型接着剤によって予備コーティングする。
このタイプの接着剤の使用は、上記補強用テープの加熱中、上記補強用テープの高分子組成物の配向(この性質は、熱の作用下では劣化することが一般に知れている)を保持する限りにおいて、接着効果を発生させるのに厳密に必要である加熱に制限するという利点を提供する。
また、本発明に従う方法を実施するこの特定の方法においては、上記補強用テープの組成物のポリマーの分子配向の保護をさらに改善することが、補強用テープ上に、下地層としての該テープ層の配向高分子組成物の性質と相溶性のある化学的性質を有する未配向高分子組成物を含む薄い熱シールドテープを巻付けることによって可能である。これらの保護テープは、無溶媒有機接着剤によってあるいはこれら配向補強用テープの分子配向を損なうことのない十分に低い温度で溶融するポリマー接着剤によって上記配向テープに結合させる。
このテープの厚さは、その熱シールド特性の程度に依存し、上記下地層の分子配向の比較的良好な安定性を可能にする厚さを超えない。また、この熱シールドテープが赤外線に対し高度に透過性であり、それによって、このタイプの放射線により接着剤を活性化させることも、他の熱源を排除するのに有利である。
本発明に従う方法の上記特定の方法の変法においては、外側トップコートを、押出コーティング法を使用して、上記薄い熱シールドテープ上に塗布し、このトップコートは下地の上記薄い熱シールドテープの高分子組成物と相溶性の未配向高分子組成物を含む。このトップコートは、上記補強パイプを取り囲む管状ダイ(このダイによって、トップコートを流動化させる)を使用することによって有利に塗布し得る。
上記外側トップコートは、パイプの外側寸法を正確にサイジングし且つ接着剤結合または加熱溶接によって固定される継手との適合性を与えるという目的を有する。
有利には、上記薄テープの厚さを、上記トップコートの押出コーティング中に、前述したようにして、有効な熱シールドとして機能するように調整して、上記補強用テープの配向高分子組成物の配向性の喪失を最低限にする。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１３】
以下の実施例は、本発明を例示する目的で示すものであり、如何なる形においても本発明の範囲を限定するものではない。
【実施例】
【００１４】
引張強度測定値および弾性率を、厚さ 0.9 mmのテープを製造するのに使用した4種のポリマーにおいて比較した。これらのテープを、壁厚 3.85 mmを有する高密度ポリエチレン(HDPE)製の管状支持体(以下、TUB121と称する)の周りに巻付けた。これらテープの各々の2つの交差層を上記支持体に施し、上記支持体の軸に対して+55度と−55度の角度とした。ただし、“Leeds 1”タイプの結晶性HDPEポリマーの場合には、４つのテープ層(上記他のパイプのテープと同じ角度とするのに)を、固有の巻付けを得るのに必要とした。この後者の結晶性HDPEポリマーの場合、巻付け装置においてなすべき必要な投資は、他の試験ポリマーの投資の2倍であった。
その後、パイプの瞬間破裂圧力を、ISO 9080規格に従って測定した。
得られた結果を下記の表に示す。
【００１５】

試験1R、2Rおよび5Rは、本発明に従わない対照試験である。試験3および4は、本発明による。試験3および4において製造した補強パイプは、指数比SI/SI₀が4よりも高い唯一のパイプであり、これらのパイプは最高であり補強パイプとして意図する用途に要求される規格を満たしていることから、最適の破裂圧力を示していることが理解できる。

Claims (9)

1. 高分子組成物をベースとする管状支持体から形成され、該支持体上に、配向高分子組成物を含む補強用テープを巻付けてなる補強された多層プラスチックパイプであって、前記テープが、下記の関係：
   

   

   （式中、SIは、下記の式：
   

   

   によって算出した前記補強用テープの強度指数であり；
   σは、前記支持体の降伏点あるいは前記テープの破壊点での伸びが前記支持体の降伏点での伸びよりも小さい場合の前記テープの破壊点に相応する伸びにおいて、前記テープにおける配向方向での引張試験中に達した応力の最高値であり；
   Eは、前記配向テープの引張弾性率であり；
   

   

   は、前記支持体の強度指数であり；そして、
   σ₀およびE₀は、それぞれ、前記支持体の降伏点での応力および引張弾性率であり；
   σ、E、σ₀およびE₀は、同じ任意の引張単位である)
   を満たすテープから選ばれ、且つ前記パイプが前記支持体上に巻付けられた少なくとも2つのテープ層を含み、テープから形成された各層が同様な角度をなすが、パイプの軸に対して他方の層のテープと逆方向を有することを特徴とする前記多層プラスチックパイプ。
2. 前記パイプが、前記支持体上に巻付けられた偶数の補強用テープ層を含む、請求項１記載のパイプ。
3. 接着剤層を、前記支持体と隣接テープ層間および各テープ層間に挿入する、請求項１または２記載のパイプ。
4. 前記補強用テープが、下地の前記補強層の配向高分子組成物と相溶性の未配向高分子組成物を含む、接触回転によって巻付けられたテープの薄い第１層；および単一片から形成され且つ前記同じ未配向高分子組成物を有し、トップコートとして機能する管状固形外側第２層によって保護されている、請求項１〜３のいずれか１項記載のパイプ。
5. 高分子組成物をベースとする管状支持体の周りに、配向高分子組成物を含む補強用テープを巻付けることによって施すことを含む、補強されたプラスチックパイプの製造方法において、
   前記テープが、下記の関係：
   

   

   （式中、SIは、下記の式：
   

   

   によって算出した前記補強用テープの強度指数であり；
   σは、前記支持体の降伏点あるいは前記テープの破壊点での伸びが前記支持体の降伏点での伸びよりも小さい場合の前記テープの破壊点に相応する伸びにおいて、前記テープにおける配向方向での引張試験中に達した応力の最高値であり；
   Eは、前記配向テープの引張弾性率であり；
   

   

   は、前記支持体の強度指数であり；そして、
   σ₀およびE₀は、それぞれ、前記支持体の降伏点での応力および引張弾性率であり；
   σ、E、σ₀およびE₀は、同じ任意の引張単位である)
   を満たすテープから選ばれ、且つ前記パイプが前記支持体上に巻付けられた少なくとも2つのテープ層を含み、テープから形成された各層が同様な角度をなすが、パイプの軸に対して他方の層のテープと逆方向を有することを特徴とする前記製造方法。
6. 使用する前記補強用テープを加熱活性化型接着剤で予備コーティングする、請求項５記載の方法。
7. 前記方法を、前記補強用テープ上に、下地の前記補強層の配向高分子組成物の化学組成と相溶性の化学組成を有する未配向高分子組成物を含む薄い熱シールドテープを巻付けることによって実施する、請求項５または６記載の方法。
8. 外側トップコートを、前記薄い熱シールドテープ上に、押出コーティング法を使用して塗布し、前記トップコートが下地の前記薄い熱シールドテープの未配向高分子組成物と相溶性の未配向高分子組成物を含み、前記トップコートが流動する管状ダイを使用する、請求項７記載の方法。
9. 前記薄いテープの厚さを前記トップコートの押出コーティング中に有効な熱シールドとして機能するように調整して、前記補強用テープの配向高分子組成物の配向喪失を最低限にする、請求項８記載の方法。