JP2004524224A - 薄い壁部を有する熱可塑性保存容器を強化する方法 - Google Patents

Abstract

壁部が薄い中空の熱可塑性保存容器を連続する繊維からなる１以上の巻回体により強化する方法が開示される。この方法は、保存容器（１２）の内部の空洞を加圧しながら（２４）また熱を加えながら（２２）、強化繊維（１４、１６）と熱可塑性保存容器（１２）の外面とを熱接着することを要件としている。

Description

【技術分野】
【０００１】
本発明は、概略的にいうと、中空の熱可塑性を有する保存容器を連続した繊維の１以上の巻回体により強化する方法に関し、更に特定すると、適用される繊維と比較的薄い壁部を有する保存容器の外面との間を接着する改良された接着方法に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
発明の名称を「強化された熱可塑性管継手」として、デーヴィット・イー・ヒューバー、ロバート・ジェー・ランゴーン及びジェームズ・エー・モンドの名義で１９９９年６月７日に出願され、同様に本出願の承継人に譲渡された出願第０９／３２７，００３号の出願には、連続した繊維により強化されて、相互に接続される管長尺体とともに用いられた際に与えられる圧力に対する耐力が向上させられた熱可塑性管継手が開示されている。繊維強化材は、それを配備する間特定の方法により一方向に沿うように整列させられ、連結される管長尺体内の流体圧力等により与えられる機械力により決められる予め定められた繊維角度で配設される。強化された熱可塑性管継手を構成するための既知の方法には、接続された管長尺体が加圧された流体を輸送するために普通に用いられる際に与えられる特定の圧力に耐える効果が最大になるように繊維の配置を決めることができるように、前記繊維要素の方向付けを制御された形で行うことが含まれている。このように用いられる繊維材料は、大体において、共に用いられるポリマーからなるマトリックス構成材料よりも大きな強度を有しているため、その複合材料により得られる全体的な強度は、個々の最終製品における繊維の配設方向に大きく依存する。そのため、繊維により強化された前記の継手に内圧が与えられたときのその内圧に対する強度は、結局は設けられている繊維の空間的な方向の強度と同じである。従って、内部の流体圧により繊維強化された前記の継手に繊維の配設方向の圧力が与えられた際には、与えられた荷重が主として繊維により持ちこたえられ、その圧力に耐える継手の強度は最大になる。これに対し、その複合部材に繊維の配設方向に対して直角な方向の圧力が与えられた際には、付与された力は主としてポリマーからなるマトリックスが持ちこたえなければならず、その継手の強度は最小になる。繊維強化された継手に与えられる個々の圧力の相対的な大きさもまた、繊維の固有の配設方向に対して考えなければならない。上記の既知の管継手を外部から拘束しない状態で設置する場合、例えば、地上に管を設置する場合には、接続された管の長尺体を圧力容器として取り扱うことにより、与えられる荷重を調べることができる。このような解析から、管の壁部に対して与えられるフープ方向（たがをしめる方向）の圧力が、その管の軸線方向に与えられる圧力の２倍の大きさになることが見出されている。よく知られた殻構造理論（shell theory)による演算から、管のフープ方向を９０°の方向とし、管の軸線方向を０°の方向とした場合、与えられる圧力をバランスさせるためには、繊維の角度が５５°である必要があることが見出された。しかしながら、管を拘束された状態で設置する場合、例えば、管を地中に設置する場合、または管の端部が固定される場合には、フープ力に耐えることが必要とされるだけである。従って、管の軸線方向に対して９０°または９０°に近い角度をもって繊維を配設するのがよいとされているが、従来の繊維巻回方法では、９０°よりも小さい角度での巻回しか行うことができないとされていた。ここで、前記の関連出願の全内容を本出願にそのまま組み入れるものとする。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
容易に理解できることであるが、熱可塑性を有する材料からなる保存容器は、利用される際に、上記と同様の内圧を受ける。従って、熱可塑性保存容器に対する繊維強化の効果は、前記の強化された熱可塑性管継手に関して考慮された要素と同一の要素に相当程度依存することになる。例えば、円筒形の形状を有する熱可塑性保存容器は、一般に、強化を最大にするために、フープ方向に巻かれた繊維の巻回体を備えることができるが、球形の保存容器では繊維の配設角度が種々の異なる空間的な方向に変化させられることになる。しかしながら、前記熱可塑性管継手を強化するために以前から用いられていた方法と同じ方法で熱可塑性保存容器の外面に強化繊維を熱接着することによっては、劣る結果しか得られないことが明らかになった。特に、以前に用いられた接着方法では、繊維強化材との効果的な熱接着を行う際に、熱可塑性を有する内側の継手を熱膨張させていた。このようなことは、壁部の厚さが薄い種々の形状の熱可塑性の保存容器では、信頼できる形では起こらない。従って壁部が比較的薄い保存容器に対しては、繊維強化材に所望の効果を持たせるために、改良された熱接着方法を採用することが必要とされる。
【０００４】
従って本発明の重要な目的は、連続する繊維からなる１またはそれ以上の巻回体により、壁部が薄い熱可塑性の保存容器を強化するための新規な方法を提供することにある。
【０００５】
本発明の他の目的は、壁部が薄い熱可塑性の保存容器が使用されたときに内圧に良く耐え、かつ圧力が開放されたときに薄層に裂けるのを防ぐことができるようにするために、該保存容器の外面に与えられた繊維を固定する新規な方法を提供することにある。
【０００６】
本発明の更に他の目的は、熱可塑性保存容器の使用中に与えられる内圧に抗するように所定の空間的方向に整列させられて前記保存容器の外面に確実に固定された、複数の並置された連続する繊維を有する保存容器を強化する新規な方法を提供することにある。
【０００７】
本発明の上記の目的及び更に他の目的は、以下に記載される本発明の更に詳細な説明を考察することにより更に明らかになるであろう。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本出願人は、薄い壁部を有する熱可塑性保存容器の外面に付与された強化繊維を前記容器の外面に熱接着する際に、同時に容器内の空洞を加圧することによって、従来、前記強化手段の接着が不十分であることにより経験されていた問題を解決できることを見出した。容器の内部に圧力を与えると、強化繊維と容器の外面との間の接合部を十分に加熱してそれらの間で十分な接着作用が行われるようにする間、保存容器の薄い壁部が座屈したり、該壁部にしわがよったりするのが防止されることが明らかになった。本発明の強化方法では、その後保存容器内の加圧を停止することができ、上記接着作用が終了する際に繊維が巻かれた保存容器を冷却することができる。従って、前記のタイプの薄い壁部を有する中空保存容器を強化する本発明の方法は、セラミックス、金属、カーボン、及び有機ポリマーからなるグループから選択された物質により形成された、複数の並置された連続した強化繊維を未接着の状態で前記保存容器の外面に巻き付ける過程と、前記強化繊維と該繊維が巻かれた容器の外面との間に熱的な接着を生じさせるように前記容器の外面を十分に加熱する過程と、この加熱過程を行っている間、繊維が巻かれ、回転している前記保存容器の内部の空洞を同時に冷却材で加圧する過程と、容器内の空洞の加圧を終了する前に前記加熱過程を終了し、前記繊維が巻かれた保存容器を冷却させる過程とからなる。本発明の方法では、水、空気、窒素その他を含む種々の液体またはガス状の冷却材を用いることができるが、この冷却材は本発明の加熱接着過程での加熱が終わった後に保存容器から取り除く。加熱が終わった後に冷却材を取り除くようにすることにより、強化繊維が巻かれた前記容器の最後の冷却が促進される。本発明の方法における熱接着では、熱可塑性物からなる容器の外面の溶融が生じ、それに伴って、適用された繊維強化材に含まれている熱可塑性マトリックスが溶融する程度に、使用されている熱可塑性物が溶融することを必要とする。従って、本発明の熱接着過程では、熱可塑性物からなる保存容器の外面と、連続する強化繊維を有する予備成形されたテープ状物内でマトリックス構成体としての働きをしている熱可塑性ポリマー材料との間で軟化または溶融が起こり、その後、該熱可塑性ポリマー材料が強化繊維と永久的に接着される。
【０００９】
既に指摘したように、ここで提示される繊維強化方法では、多種多様の繊維材料を選択することができる。例えば、強化繊維材料は、選択された熱可塑性容器のポリマー材料よりも機械的に強固であって、ガラス遷移温度または溶融温度が、熱可塑性容器が使用される際のその表面温度が高いものであれば、前記した適切な材料の群から選択することができる。選択されるポリマー繊維には、前記した加熱接着方法を行う際に、ポリマーの溶融流により濡らすことができる連続した裸繊維及び混ぜ合わされた連続繊維を含めることができる。適当な予備成形された連続した繊維材料または熱可塑性物により形成されたマトリックスを有するプリプレグテープを選択する場合には、前記マトリックスを形成するポリマーを、選択された容器形成用ポリマーの軟化温度に等しいか、または該軟化温度よりも低い軟化温度を持つように選択するのが好ましい。本発明においては、適用される繊維強化材を熱可塑性容器の外面に確実に接着するために、任意の適切な加熱源を使用することができる。使用することが考えられる加熱源には、不活性ガス、酸化性ガス、及び還元性ガス及びこれらの混合ガス、赤外線パネルや収束形赤外線加熱装置などの赤外線加熱源、加熱されたローラ、ベルトやシュー（shoe)デバイス等を用いた熱伝導形加熱源、電気抵抗加熱源、レーザ加熱源、マイクロウェーブ加熱源、高周波加熱源、プラズマ加熱源、及び超音波加熱源などが含まれるが、これらに限定されるものではない。外部火炎加熱源によると、ガスバーナーや繊維が巻かれた熱可塑性の容器の外周を加熱するように設計されたガスバーナーその他のバーナーを用いて、高エネルギー密度で、経済的に加熱を行わせることができる。好ましい実施形態においては、繊維が巻かれた容器が選択された加熱源の周囲を回転させられ、その間前記保存容器の内部の空洞が加圧された状態におかれる。圧力を付与することにより、保存容器の壁部を適量径方向に膨張させることができ、それにより熱接着作用が行われるのを助けることができる。上記の加圧はまた、本発明の方法における前記加熱過程を行う前に開始することができる。この場合、付与する圧力を１０［psi］（68.9476[kPa]）以上とすることが効果的であることが分かっている。
【００１０】
本発明の方法において選択される繊維のアライメントもまた、前記の方法により強化される熱可塑性保存容器の個々の形状により変わる。例えば、円筒形に形成された熱可塑性の湯沸かし器には、フープ方向または螺旋方向に整列させられた１以上の強化繊維の巻回体を持たせるのがよいが、同じ用途に用いる球形の熱可塑性保存容器では、明らかに、異なる空間的方向に巻回した方がよい。本発明においては、繊維と物理的に接触した状態で溶融したポリマーが再び固まるまでの間繊維のアライメントを保持しておくために、熱接着作用が行われている間前記繊維に適当な機械力を与えておくことが必要とされる。外部から張力が付与される巻回手段を用いて繊維強化材を容器の外面に巻き付ける間、該繊維強化材をガイドすることにより、繊維を上記のような状態にしておくことができる。繊維のアライメントを保持するための他の手段は、繊維とポリマー材料とが相互に接着される間、加熱された繊維とポリマー材料とに機械的圧力を加える圧縮ローラである。このように繊維を配置する際に圧縮ローラを用いると、所望される場合に、印加される張力を零として外部圧縮力を付与することができる。上記双方の形態の外部機械エネルギを用いることが有用であることが見出された場合に、両エネルギを共に用いることもまた、本発明が意図している範囲内に含まれる。圧縮ローラを用いることの他の利点は、その手段を任意の空間的な方向に向けて、前記の方法により強化される個々の保存容器の外形により決定される所定の繊維角度で繊維を配置することができることである。例えば、円筒形の熱可塑性容器は、フープ方向またはヘリカル方向に整列させられた強化繊維の巻回体を１以上備えることができるが、同様の用途に用いられる球形の熱可塑性保存容器では、異なる空間的方向に繊維を巻回することができる。
【００１１】
本発明の方法においては、前記熱接着工程が終了した後続いて、繊維が巻かれた保存容器を周囲温度下で冷却することができる。この冷却は、種々の方法で行うことができ、その方法には、熱接着過程を行っている間加熱された液状またはガス状の加圧用冷却材を取り除くとともに、冷却材を供給して積極的に冷却することが含まれる。上記のようにして達成された繊維強化材の働きにより、前記保存容器内に、他の方法によった場合に許容される圧力よりも十分に高い圧力をかけることが可能になる。本発明の方法を、閉鎖された端部を有する円筒形の一般的な熱可塑性圧力容器に適用することにより、上記の結果が得られた。更に、繊維強化材を周囲環境、機械的なダメージ、及びまたは腐食から保護するために、熱収縮チューブ、包装体、または押し出し成形された被覆等を含む外装保護被覆または装飾用被覆を、通常の方法で、繊維強化が施された保存容器に適用することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１２】
図面において、図１は一端が閉じられた円筒形の形状を有する代表的な熱可塑性の保存容器を繊維強化する本発明の方法により用いられる一連の過程を示したブロック図である。図示された繊維強化過程１０では、直径が6インチ（15.2[cm])、長さが32インチ（81.3[cm])で、0.14インチ（3.56[mm])の厚さの壁部を有する典型的な熱可塑性の液体容器１２を用いている。液体容器１２の円筒状の外面には、熱可塑性物からなる１以上の強化繊維１４が螺旋状に巻き付けられる。また円筒形の圧力容器の場合には、径方向に働く圧力を支えるために、続いて、熱可塑性を有する強化繊維からなる１以上の拘束用巻回体をフープ方向に巻くことができる。次いで繊維が巻かれた容器１８に対して、巻き付けられた繊維強化材を容器の外面に熱接着する過程が行われる。好ましい実施形態においては、容器の外面を一般的な加熱源２２で加熱する間、繊維で包まれた容器が、その中心軸線２０を中心にして回転させられる。上記のようにして繊維が巻かれた容器を加熱すると、容器の外面がある程度溶融させられ、容器が冷える際に、最初に与えられた繊維の空間的方向が保持される。容器の壁部に無視できない皺や縮みが生じるのを避けるため、前記加熱過程が行われている間、繊維が巻かれた保存容器１８の内側の空洞が種々の手段により加圧される。容器の壁部の皺や縮みは、当然のことながら、適用された繊維強化材が完全に接着された状態になるのを妨げる。保存容器の内部の加圧は、繊維強化材の熱接着を行う前に開始するのがよく、その後熱接着過程が完了して強化された保存容器を冷却する（ステップ２６）ことができるようになったときに停止するのがよい。保存容器２８の加圧の終了はまた種々の方法で行うことができる。本発明の方法で用いるのに適した容器の他の加圧方法では、繊維で包まれた保存容器１８の内側の空洞を、上記加熱過程が開始される前に、水、グリコール、アルコール等の液体の冷却材で満たし、前記の過程で保存容器が加熱された状態になった後に該冷却材を保存容器から取り除く。また、上記のようにする代わりに、熱接着過程を行っている間前記保存容器２８の内部の空洞を空気、窒素、または他の不活性ガスを含む適当なガス状の冷却材により積極的に冷却することができ、強化された保存容器を冷却することが許容される状態になったときに冷却動作を停止させるようにすることもできる。10PSI(68.9476kPa)の圧力をかけて前記の方法で繊維により包まれた保存容器を積極的に冷却すると、本発明の方法により満足な結果が得られることが確認されている。
【００１３】
ここに指摘されたように、図示された円筒形保存容器に用いる基礎となる繊維層の繊維の方向は、主として、強化された保存容器が使用される際の内部流体圧力に耐える能力により決められる。しかしながら、異なる形状を有する他の保存容器、例えば球形の容器では、使用の際の内部流体圧力に対する耐性を良好にするために、繊維のアライメントの方向を全体に亘ってフープ方向とすることができることが理解されるべきである。更に、本発明の方法においては、連続的な繊維による強化を種々の手段により適用することができる。図示された例において、予め定められた、または並置された繊維の容器の縦軸方向に対する角度の保持を助けるために連続する繊維に張力を付与する場合には、選択された適度の大きさの張力を連続する繊維に印加するのがよい。同様に、前記繊維を最初に布設する際、または、続いて熱接着を行う際に与えられる機械的圧縮力を同じ目的に用いることができる。また本発明の方法により強化される保存容器を構成するために用いる材料としても、多種多様の熱可塑性ポリマーを用いることができる。好適な有機ポリマーには、高密度ポリエチレン(high density polyethylene)及び中密度ポリエチレン(medium density polyethylene)、ポリプロピレン(polypropylene)、ポリフェニレンスルフィド（polyphenylene sulfide)、ポリエーテルケトンケトン(polyetherketoneketone)、ポリアミド(polyamide)、ポリアミドイミド(polyamideimide)、及びポリビニリデンディフルオライド(polyvinylidene difluoride)が含まれるがこれらに限定されるものではない。同様に、本発明の方法で用いる繊維強化材として、多種多様の材料が見出されている。繊維強化材として好適な材料には、セラミック、金属、カーボンアラミド、軟化温度が使用される保存容器のそれよりも高い他の有機ポリマー繊維、及びＥタイプガラスやＳタイプガラスのようなガラス組成物が含まれるが、これらに限定されるものではない。更に、前記繊維材料は、裸繊維の並列アライメント及び平行に配置された連続テープが熱可塑性ポリマーマトリックス内で相互に接着された状態にある一般的な繊維テープを含む種々の形態で提供される。図示の実施形態において、選択された熱可塑性ポリマー材料が加熱過程で混じり合わない場合に、繊維強化材の空間的方向を並置された方向に保つために、オプションで結束層１６を用いることもまた有用である。
【００１４】
図２は本発明の方法により強化される代表的な熱可塑性保存容器の側面図である。更に詳細に説明すると、図示された容器３０は、前に述べた好ましい実施形態に記載された各製造過程で繰り返し説明された円筒形の熱可塑性保存容器である。図示されたように、保存容器３０は、閉鎖された端部３４と、一般的な入口カップリング３８がはめ込まれた開口端３６とを有する細長い熱可塑性物からなる円筒３２を備えている。次には、連続する強化繊維４０に通常の方法で張力をかけながら、回転している熱可塑性保存容器の外面４２に強化繊維を螺旋形のパターンで巻く方法が示されている。その次に示された製造過程は、繊維が巻かれた保存容器４６を更に回転させながら他の繊維巻回体４８をフープ方向に施して、基礎となる強化繊維４０を更に良く保持することができるようにする状態を示している。図示された繊維強化方法の更に次の製造過程は、施された未接着の強化繊維と保存容器の外面との間に熱接着を生じさせるために行われる加熱過程を示している。この加熱過程を行うに当たっては、通常の加熱源５０が繊維が巻かれた保存容器４６に比較的接近した状態で配置され、接着過程が行われる間該加熱源から必要とされる熱エネルギーが供給される。そして、この過程では、熱接着過程を行う間、繊維が巻かれた保存容器の内部の空洞５２を選択された液状の冷却媒体５４により加圧する過程を併せて行う。上記後者の過程に続いて、強化された保存容器５６は周囲温度下で冷却させられる。この過程には更に、熱接着されたポリマーが固まるのに十分な時間が経過した後に、加圧流体を取り除く過程が含まれる。
【００１５】
上記の説明から、壁部が薄い熱可塑性保存容器を、施された連続繊維の１以上の巻回体により強化するための、用途が広く、新規な方法が提供されたことが明らかであろう。しかしながら、本発明の趣旨及び範囲から逸脱することなしに、開示された方法に種々の修正を行うことができることも明らかであろう。例えば、未接着の強化材を保存容器の外面に最初に施す際に未接着の強化材をある程度加熱すると、繊維が容器表面の特定の外形に更に密接に沿うのを助けることができることが考えられる。同様に、ここに詳細に説明されたもの以外の他の有機ポリマー、他の容器形状、及び他の製造装置を本発明の方法を実施する際に代替手段として用いることができることも考えられることである。従って、当業者が考え得るあらゆる変形を、添付された請求項の範囲に入るものとして、開示された強化方法に含ませることが意図されている。
【図面の簡単な説明】
【００１６】
【図１】図１は、本発明の方法を実施する際に用いることができる一連の過程を示したブロック図である。
【図２】図２は、本発明の方法により強化される代表的な熱可塑性保存容器の側面図である。

Claims (21)

1. 熱可塑性を有する固形の有機ポリマーにより形成される、薄い壁部を有する中空の保存容器を強化する方法であって、
   （ａ）セラミック、金属、カーボン及び有機ポリマーからなるグループから選択された物質により形成された、複数の並置された連続する強化繊維を未接着の状態で前記保存容器の外面に巻き付ける過程と、
   （ｂ）前記強化繊維と前記容器の外面との間に熱接着を生じさせるように前記繊維が巻かれた容器の外面を十分に加熱する加熱過程と、
   （ｃ）前記加熱を行っている間、同時に前記繊維が巻かれた回転している保存容器の内側の空洞を冷却材で加圧する過程と、
   （ｄ）前記容器の内部の空洞の加圧を停止する前に前記加熱過程を終了し、前記繊維が巻かれた保存容器を冷却させる過程と、
   を備えた保存容器の強化方法。
2. 前記加熱過程を行う間前記繊維が巻かれた保存容器を回転させることを含む請求項１の方法。
3. 前記強化繊維は、固形の熱可塑性有機ポリマーにより形成されたマトリックス内に設けられている請求項１の方法。
4. 前記熱接着には、前記繊維とマトリックスを溶融させることが含まれる請求項３の方法。
5. 前記熱接着には、前記繊維が巻かれた保存容器を径方向へ膨張させることが含まれる請求項１の方法。
6. 前記熱接着には、前記容器の外面を溶融させることと前記強化繊維のマトリックスを溶融させることとが含まれる請求項３の方法。
7. 前記強化繊維は、前記保存容器の外面に巻き付けられる際に予熱される請求項１の方法。
8. 前記容器の内部の空洞を加圧する過程は前記加熱過程を行う前に開始される請求項１の方法。
9. 前記保存容器は前記加熱過程を終了する際に前記容器の外面の溶融温度よりも低い温度に冷却することが許容される請求項１の方法。
10. 前記保存容器は、前記加熱過程を終了する際に前記繊維及びマトリックスの溶融温度よりも低い温度に冷却することが許容される請求項４の方法。
11. 前記強化繊維は、選択された大きさの機械力が外部から与えられた状態で前記保存容器の外面に巻き付けられる請求項１の方法。
12. 前記強化繊維には、外部から供給される張力が与えられる請求項１１の方法。
13. 前記強化繊維には、外部から供給される圧力が与えられる請求項１１の方法。
14. 前記冷却材はガスである請求項１の方法。
15. 前記冷却材は液体である請求項１の方法。
16. 前記冷却材は、前記加熱過程を終了する際に前記容器内の空洞から除去される請求項１５の方法。
17. 前記保存容器は、円筒状の形を有している請求項１の方法。
18. 前記保存容器は球状の形を有している請求項１の方法。
19. 前記強化繊維は、フープ方向に巻かれた繊維を含んでいる請求項１７の方法。
20. 前記強化繊維は、複数の異なる空間的方向に沿って巻かれている請求項１８の方法。
21. 前記強化繊維は多重巻されている請求項１の方法。

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