JP2011523694A

JP2011523694A - 複合材パイプ及びその製造方法

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Publication number: JP2011523694A
Application number: JP2011522019A
Authority: JP
Inventors: パク、ジュンキュ; オ、ヨンファン; キム、ヨンドク
Original assignee: シエスピカンパニーリミテッド
Priority date: 2009-07-09
Filing date: 2010-07-09
Publication date: 2011-08-18
Also published as: WO2011005037A3; WO2011005037A2; KR101005067B1

Abstract

本発明は、複合材パイプ及びその製造方法に関し、本発明に係る複合材パイプは、第１のパイプと、第１のパイプに挿入され、第１のパイプに取り付けられる第２のパイプと、を含み、第２のパイプは、セラミック材料からなる多数個のセラミックタイルを含む。本発明に係る複合材パイプの製造方法は、マンドレルの外周面を離型処理する段階と、マンドレルの外周面に接着剤を塗布する段階と、マンドレルの外周面を覆うように、複数のセラミックタイルをマンドレルの外周面に取り付けて第２のパイプを形成する段階と、第２のパイプの外周面に接着剤を塗布する段階と、フィラメントのワインディング方法によって、接着剤が塗布された第２のパイプの外周面に、樹脂を含浸した連続繊維を多数回ワインディングする段階と、ワインディングされた連続繊維に含浸されている樹脂を硬化処理して第１のパイプを形成する段階と、マンドレルを第２のパイプから分離する段階と、を含む。本発明によれば、耐摩耗性に優れた複合材パイプが提供される。
【選択図】なし

Description

本発明は、複合材パイプに係り、更に詳しくは、耐摩耗性を改良した複合材パイプ及びそのパイプを製造する方法に関する。

一般的に、繊維材料に合成樹脂を含浸させて得られる繊維強化の複合材パイプは、樹脂及び繊維材料の基本的な特性から、どうしても金属製のパイプに比べて耐摩耗性能が劣るという欠点を有している。
そのため、複合材パイプにおいては、耐摩耗性を必要とするパイプに耐摩耗性を必要とする用途に使用すると、複合材パイプの耐久寿命が短くなるという根本的な問題を内包していた。

本発明は上記問題点に鑑みてなされたものであって、本発明の目的は、優れた耐摩耗性を有する複合パイプ及びその製造方法を提供することにある。

上記本発明の目的を達成するために、本発明の第１の実施形態に係る複合材パイプは、複合材質で形成された第１のパイプと、第１のパイプに挿入した第２のパイプと、を含み、第２のパイプは、セラミック材料からなる多数個のセラミックタイルから構成されていることを特徴とする。
また、第１のパイプは、樹脂材質と該樹脂材質を含浸させた連続繊維とを含むことが望ましい。

本発明の第２の実施形態に係る複合材パイプは、第１のパイプと、第１のパイプに挿入され、第１のパイプに取り付けられる第２のパイプと、を含み、第２のパイプは、２つの材質領域から構成され、第１の材質領域は、樹脂材質と該樹脂材質を含浸させた連続繊維とからなり、第２の材質領域は、セラミック材質からなることを特徴とする。
また、第２の材質領域は、複数のセラミックタイルから構成させることができる。

本発明の第１の実施形態に係る複合材パイプの製造方法は、マンドレルの外周面を離型処理する段階と、マンドレルの外周面に接着剤を塗布する段階と、マンドレルの外周面を覆うように、複数のセラミックタイルをマンドレルの外周面に取り付けて第２のパイプを形成する段階と、第２のパイプの外周面に接着剤を塗布する段階と、フィラメントのワインディング工法によって、接着剤が塗布された第２のパイプの外周面に、樹脂を含浸した連続繊維を多数回ワインディングする段階と、ワインディングされた連続繊維に含浸されている樹脂を硬化処理して第１のパイプを形成する段階と、マンドレルを第２のパイプから分離する段階と、を含む。

また、本発明の第２の実施形態に係る複合材パイプの製造方法は、マンドレルの表面を離型処理する段階と、フィラメントのワインディング工法によって、マンドレルの外周面に、樹脂を含浸した連続繊維をワインディングする段階と、ワインディングされた連続繊維に含浸されている樹脂を硬化処理して第２のパイプを形成する段階と、第２のパイプの一部分を切開する段階と、第２のパイプの一部分を切開することによって露出されたマンドレルの外周面に接着剤を塗布する段階と、露出したマンドレルの外周面を覆うように、マンドレルの外周面に複数のセラミックタイルを取り付ける段階と、セラミックタイルが備えられた第２のパイプの外周面に接着剤を塗布する段階と、フィラメントのワインディング工法によって、セラミックタイルが備えられた第２のパイプの外周面に、樹脂を含浸した連続繊維をワインディングする段階と、ワインディングされた連続繊維に含浸されている樹脂を硬化処理して第１のパイプを形成する段階と、マンドレルを第２のパイプから分離する段階と、を含む。

以下、本発明の好ましい実施形態について、添付した図面に基づいて詳細に説明する。
図１は、本発明の第１の実施形態に係る複合材パイプを示した斜視図であり、図２は、本発明の第１の実施形態に係る複合材パイプを示した断面図である。

図１、図２に示すように、本発明の第１の実施形態に係る複合材パイプ１００は、第１のパイプ１３０と、第１のパイプ１３０の内側に挿入されて第１のパイプ１３０に取り付けられた第２のパイプ１１０を含んで構成され、第２のパイプ１１０は、セラミック材料からなる多数個のセラミックタイル１１３で構成されている。

第１のパイプ１３０の内周面と第２のパイプ１１０の外周面との間には、接着剤層１２０が備えられていることが好ましく、接着剤層を備えることにより、第１のパイプと第２のパイプの間の接着力が高められる。

第１のパイプ１３０は、樹脂材質と該樹脂材質を含浸させた連続繊維とを含んで構成されている。

第２のパイプを構成するセラミックタイル１１３は、好ましくは、アルミナ（Ａｌ_２Ｏ_３）を主成分とするアルミナセラミック材質である。

第２のパイプを構成する多数個のセラミックタイル１１３の形状は、それぞれのタイルの形状及び大きさが、同じであることが望ましい。
また、第２のパイプ１１０の両端部に位置するセラミックタイルの大きさと形状はそれぞれ同じであり、第２のパイプ１１０の内部側に位置するセラミックタイルについても、それぞれの大きさと形状が同じであることが望ましいが、パイプの両端部のセラミックタイルと内部側のセラミックタイルの大きさと形状が、異なっていても良い。

セラミックタイル１１３の形状は、一定の厚さを持つ平面板（平板）形状であることができるが、図３に示すように、一定の厚さを持つ曲面板（曲板）形状であってもよく、セラミックタイル１１３の第２のパイプ１１０の長さ方向に位置する両端部の面が、垂直な平面であることが望ましく、セラミックタイル１１３の第２のパイプ１１０の円周方向に位置する両側面は、傾斜した平面であることが望ましい。

また、セラミックタイル１１３は、セラミックタイル１１３の第２のパイプ１１０の長さ方向に位置する両端部の面が、隣接したセラミックタイル１１３の端面と互いに接触し、長さ方向に位置する両端面のいずれかの面に、隣接する２つのセラミックタイル１１３の長さ方向に位置する端面が接触することが望ましい。

図４は、本発明の第２実施形態に係る複合材パイプを示した断面図である。
図４に示すように、本発明の第２実施形態に係る複合材パイプは、第１のパイプ２３０と、第１のパイプ２３０の内側に挿入されて第１のパイプ２３０に取り付けられる第２のパイプ２１０を含む構成であり、第２のパイプ２１０は、２つの材質領域を含んで構成される。

第２のパイプ２１０を構成する第１の材質領域２１１は、樹脂材質と該樹脂材質を含浸させた連続繊維とからなり、第２の材質領域は、セラミック材質からなる。

第１のパイプ２３０の内周面と第２のパイプ２１０の外周面との間には、接着剤層２２０が備えられていることが好ましく、接着剤層を備えることにより、第１のパイプと第２のパイプの間の接着力が高められる。

第２のパイプ２１０を構成する第２の材質領域は、多数個のセラミックタイル２１３から構成される。
セラミックタイル２１３は、好ましくは、アルミナ（Ａｌ_２Ｏ_３）を主成分とするアルミナセラミック材質である。
第２のパイプ２１０を構成する多数個のセラミックタイル２１３の形状は、それぞれのタイルの形状及び大きさが、同じであることが望ましい。

セラミックタイル２１３の形状は、一定の厚みを有する平面板（平板）形状であってもよく、一定の厚みを有する曲面板（曲板）形状であってもよく、セラミックタイル２１３の第２のパイプ２１０の長さ方向に位置する両端部の面が、垂直な平面であることが望ましく、セラミックタイル２１３の第２のパイプ２１０の円周方向に位置する両側面は、傾斜した平面であることが望ましく、垂直な平面であってもよい。

また、セラミックタイル２１３は、第２のパイプ２１０の長さ方向に位置する両端面が、隣接したセラミックタイル２１３の端面と互いに接触し、長さ方向の両端面のいずれかの端面に、隣接する２つのセラミックタイル２１３の端面が接触することが望ましい。

本発明の第１の実施形態に係る複合材パイプの製造方法は、マンドレルの外周面を離型処理する段階（Ｓ１０２）、離型処理されたマンドレルの外周面に接着剤を塗布する段階（Ｓ１０４）、マンドレルの外周面を巻き取るように、複数のセラミックタイルを配列して第２のパイプを形成する段階（Ｓ１０６）、第２のパイプの外周面に接着剤を塗布する段階（Ｓ１０８）、フィラメントのワインディング方法により、接着剤が塗布された第２のパイプの外周面に、高分子樹脂を含浸した連続繊維を多数回ワインディングする段階（Ｓ１１０、Ｓ１１２）、ワインディングされた連続繊維に含浸させた高分子樹脂を硬化処理して第１のパイプを形成する段階（Ｓ１１４）、マンドレルを第２のパイプから分離する段階（Ｓ１１６）を含む。

図５は、本発明の第１の実施形態に係る複合材パイプの製造方法を説明するためのフローチャートである。
図６は、本発明の第１の実施形態に係る複合パイプの製造方法に適用される装置の概略構成図である。
図５、図６、及び図２を参照して、本発明の第１の実施形態に係る複合材パイプの製造方法を以下に詳細に説明する。

まず、複合材パイプ１００を製造するために、回転可能なマンドレル１０の外周面を離型処理する（Ｓ１０２）。例えば、マンドレル１０の外周面に、自己集合単層膜（ＳｅｌｆＡｓｓｅｍｂｌｅｄＭｏｎｏｌａｙｅｒ：ＳＡＭ）で形成された離型性コーティング膜を形成する方法等により、マンドレル１０表面の離型処理をする。

次に、離型処理されたマンドレル１０の外周面に、例えば、エポキシ樹脂などの接着剤を塗布して、マンドレル１０が回転することによって発生する遠心力により、セラミクタイル１１３が離脱することを防止する（Ｓ１０４）。
マントレル１０の外周面に接着剤を塗布する代わりに、外周面に粘着シートを張り付けても良い。

次に、図７に示すように、接着剤が塗布されたマンドレル１０の外周面を覆うように、複数のセラミックタイル１１３を配列して第２のパイプ１１０を形成する（Ｓ１０６）。ここで、セラミックタイル１１３は、アルミナ（Ａｌ_２Ｏ_３）が主成分であるタイプを採用することが好ましい。

また、図７に示すように、第２のパイプ１１０を形成する複数のセラミックタイル１１３は、第２のパイプ１１０の長さ方向に位置をずらして配列させて設置することが好ましい。このように設置することによって、複合材パイプ１００を使用する際に、セラミックタイル１１３の接着部位に摩耗が集中することを防ぐことができる。

次に、第２のパイプ１１０の外周面に、例えば、エポキシ樹脂などの接着剤層１２０を塗布する（Ｓ１０８）。
続いて、フィラメントワインディング（ｆｉｌａｍｅｎｔｗｉｎｄｉｎｇ）の方法により、接着剤層１２０が塗布された第２のパイプ１１０の外周面に、高分子樹脂２０を含浸した、例えば、ガラス繊維などの連続繊維３０を圧着ワインディングする（Ｓ１１０、Ｓ１１２）。

フィラメントのワインディング工法を行うために、本発明の第１実施形態に適用される製造装置には、フィラメントに高分子樹脂２０を含浸させるための樹脂供給槽が用意される。
フィラメントに含浸させる高分子樹脂２０には、例えば、ポリエステル樹脂などを用いることができ、パイプ１００の特性に応じて、微量の添加剤を更に含んでも良い。

本発明の第１実施形態に係る複合材パイプの製造方法に基づいて作製された複合材のパイプは、Ｓ１１０及びＳ１１２段階の工程で、高分子樹脂２０を含浸した連続繊維３０が、フィラメントのワインディング工法により、圧着ワインディングされるので、第２のパイプ１１０を一定のテンションで加圧することになり、接着剤層１２０の気泡を抜くことができ、非接着部位を少なくすることができる。

このようにして、第２のパイプ１１０と、高分子樹脂２０と連続繊維３０からなる第１のパイプ１３０とは、完全に一体なものとして成型される。
また、フィラメントのワインディング工法による、連続繊維３０の外周面に圧着ワインディングは、５５°のワインディング角度で、所定の厚さになるまで行われることが好ましい。

次に、圧着ワインディングされた連続繊維３０を、例えば、１００℃以上の温度で硬化処理（Ｓ１１４）して、第１のパイプ１３０を形成する。
上記硬化処理（Ｓ１１４）において、マンドレル１０の回転速度は、１〜５ｒｐｍ程度を維持することが望ましい。
最後に、マンドレル１０を第２のパイプ１１０から分離して、マンドレル１０を脱型することにより、本発明の第１の実施形態に係る複合材パイプ１００が完成する。

本発明に係る複合材パイプは、高い耐摩耗性が要求される灰（ａｓｈ）の移送用パイプとして用いることができる。つまり、本発明の実施形態に係る複合材パイプは、耐摩耗性に優れたアルミナセラミックタイルで構成された第２のパイプと、連続繊維複合材である第１のパイプとが一体に成形されているので、優れた耐摩耗性を有し、第２のパイプを構成するセラミックタイルの離脱がない、軽量化された灰（ａｓｈ）の移送用パイプを具現することができる。

本発明に係る複合材パイプは、優れた耐摩耗性能を有するので、パイプの交換寿命を延ばすことができ、修理費用を低減することができる。
以下に、本発明に係る複合材パイプと従来のパイプについて、配管の寿命、物理的特性及び摩耗量特性の比較表を示す。

以上、表１〜表３に示すように、本発明に係る複合材パイプは、従来のパイプに比べ、寿命が長く、物理的な特性（重量、流速係数など）が優れ、特に耐摩耗特性が顕著に改善されていることが分かる。

図８は、本発明の第２の実施形態に係る複合材パイプの製造方法を説明するためのフローチャートである。

図８に示すように、本発明の第２の実施例に係る複合材パイプの製造方法は、マンドレルの外周面を離型処理する段階（Ｓ５０１）、のフィラメントのワインディング工法によって、マンドレルの外周面に、高分子樹脂を含浸した連続繊維をワインディングする段階（Ｓ５０３、Ｓ５０５）、ワインディングした連続繊維に含浸させた高分子樹脂を硬化処理して、第２のパイプを形成する段階（Ｓ５０７）、第２のパイプの一部の部位を切開する段階（Ｓ５０９）、切開された一部の部位の露出されたマンドレルの外周面に接着剤を塗布する段階（Ｓ５１１）、露出されたマンドレルの外周面を覆うように複数のセラミックタイルを取り付ける段階（Ｓ５１３）、セラミックタイルが備えられた第２のパイプの外周面に接着剤を塗布する段階（Ｓ５１５）、フィラメントのワインディング工法により、セラミックタイルが備えられた第２のパイプの外周面に、高分子樹脂に含浸された連続繊維を圧着ワインディングする段階（Ｓ５１７）、ワインディングされた連続繊維に含浸させた高分子樹脂を硬化処理して第１のパイプを形成する段階（Ｓ５１９）、マンドレルを脱型する段階（Ｓ５２１）、を含んでいる。

以下、図８及び図４を参照して、本発明の第２の実施形態に係る複合材パイプの製造方法を更に詳細に説明する。
複合材パイプ２００を製造するために、まず、回転可能なマンドレル１０の外周面を離型処理する（Ｓ５０１）。
マンドレル１０の外周面を離型処理する方法としては、例えば、マンドレル１０の外周面に自己集合単層膜（ＳｅｌｆＡｓｓｅｍｂｌｅｄＭｏｎｏｌａｙｅｒ：ＳＡＭ）で形成された離型性コーティング膜を形成する方法がある。

次に、フィラメントのワインディング工法により、マンドレル１０の外周面に、高分子樹脂２０を含浸させた、例えば、ガラス繊維などの連続繊維３０をワインディングする（Ｓ５０３、Ｓ５０５）。
フィラメントのワインディング工法を行うために、本発明の第２の実施形態に適用される製造装置には、フィラメントに高分子樹脂２０を含浸させるための樹脂供給槽が用意される。
フィラメントに含浸させる高分子樹脂２０には、例えば、ポリエステル樹脂などを用いることができ、パイプ２００の特性に応じて、微量の添加剤を更に含んでも良い。

次に、ワインディングした高分子樹脂２０を含浸させた連続繊維３０を硬化処理して、第２のパイプ２１０を形成する（Ｓ５０７）。

続いて、第２のパイプ２１０の脆弱な部位、つまり、複合材パイプ２００の使用時に摩耗が集中的に発生する部位を切開し（Ｓ５０９）、切開して露出したマンドレル１０の部位の表面に接着剤を塗布した後（Ｓ５１１）、切開して露出した部位を覆うように、複数のセラミックタイル２１３をマンドレル１０の表面に取り付ける（Ｓ５１３）。

本発明の第２の実施形態に係る複合材パイプ２００は、パイプ２００の脆弱な部位のみにセラミックタイル２１３が取り付けられている点が、第１の実施形態に係る複合材パイプ１００とは異なっている。
ここで、第２のパイプ２１０を構成するセラミックタイル２１３は、アルミナ（Ａｌ_２Ｏ_３）が主成分であるタイプを採用することが好ましい。

次に、セラミックタイル２１３が備えられた第２のパイプ２１０の外周面に、例えば、エポキシ樹脂などの接着剤層２２０を塗布し（Ｓ５１５）、フィラメントのワインディング工法によって、部分的にセラミックタイル２１３が備えられた第２のパイプ２１０の外周面に、高分子樹脂２０を含浸させた連続繊維３０を、所定の厚さまで圧着ワインディングする（Ｓ５１７）。

続いて、圧着ワインディングされた連続繊維３０を硬化処理して、第１のパイプ２３０を形成する（Ｓ５１９）。
最後にマンドレル１０を脱型（Ｓ５２１）することにより、本発明の第２の実施形態に係る複合材パイプ２００が完成する。

本発明によれば、パイプの寿命が延び、パイプの物理的な特性（重量、流速係数など）が向上し、特にパイプの耐摩耗性が顕著に改善される。

以上の説明は、本発明の技術思想を例示的に説明していることに過ぎないものであって、本発明が属する技術分野で通常の知識を有する者であれば、本発明の本質的な特性から逸脱しない範囲で多様な修正および変形が可能である。
したがって、開示した本発明の実施形態は、本発明の技術思想を説明するためのものであって、本発明の技術思想の範囲を限定するものではない。
また、本発明の権利範囲は、特許請求の範囲により解釈されるべきであり、それと同等の範囲内にあるすべての技術思想は、本発明の権利範囲に含まれるものと解釈されるべきである。

本発明の第１の実施形態に係る複合材パイプを示した斜視図である。本発明の第１の実施形態に係る複合材パイプを示した断面図である。本発明の第１の実施形態に係る複合材パイプを構成する第２のパイプの一部斜視図である。本発明の第２の実施形態に係る複合材パイプを示した断面図である。本発明の第１の実施形態に係る複合材パイプの製造方法を説明するためのフローチャートである。本発明の複合材パイプの製造方法に適用される装置の概略構成図である。本発明に係る複合材パイプのセラミック層を構成する複数のセラミックタイルの配列を示す拡大図である。本発明の第２の実施形態に係る複合材パイプの製造方法を説明するためのフローチャートである。

Claims

第１のパイプと、
前記第１のパイプに挿入され、前記第１のパイプに取り付けられた第２のパイプを含み、
前記第２のパイプは、セラミック材料からなる多数個のセラミックタイルを含んでいることを特徴とする複合材パイプ。
前記第１のパイプと前記第２のパイプとの間に、前記第１のパイプと前記第２のパイプの接着を強化する接着剤層が備えられていることを特徴とする請求項１に記載の複合材パイプ。
前記セラミックタイルは、一定の厚さを有する平板であることを特徴とする請求項１に記載の複合材パイプ。
前記セラミックタイルは、一定の厚さを有する曲板であることを特徴とする請求項１に記載の複合材パイプ。
前記セラミックタイルは、前記第２のパイプの長さ方向に位置する両端面が、垂直な平面であり、前記第２のパイプの円周方向に位置する両側面は、傾斜した平面であることを特徴とする請求項１に記載の複合材パイプ。
前記セラミックタイルは、前第２のパイプの長さ方向の両端面が隣接するセラミックタイルの端面と互いに接触し、長さ方向の両端面のいずれかの端面に隣接する２つのセラミックタイルの長さ方向の端面が接触することを特徴とする請求項５に記載の複合材パイプ。
前記第１のパイプは、樹脂材質と該樹脂材質を含浸させた連続繊維とを含むことを特徴とする請求項１に記載の複合材パイプ。
第１のパイプと、
前記第１のパイプの内部に挿入され、前記第１のパイプに取り付けられた第２のパイプと、を含み、
前記第２のパイプは、２つの材質領域から構成され、
第１の材質領域は、樹脂材質とその樹脂材質を含浸させた連続繊維とからなり、
第２の材質領域は、セラミック材質からなることを特徴とする複合材パイプ。
前記第２の材質領域は、複数のセラミックタイルで構成されていることを特徴とする請求項８に記載の複合材パイプ。
前記第１のパイプと前記第２のパイプとの間に、前記第１のパイプと前記第２のパイプの接着を強化する接着剤層が備えられていることを特徴とする請求項８に記載の複合材パイプ。
前記第１のパイプは、樹脂材質と該樹脂材質を含浸させた連続繊維を含むことを特徴とする請求項８に記載の複合材パイプ。
マンドレルの外周面を離型処理する段階と、前記マンドレルの外周面に接着剤を塗布する段階と、前記マンドレルの外周面を覆うように、複数のセラミックタイルをマンドレルの外周面に取り付けて第２のパイプを形成する段階と、前記第２のパイプの外周面に接着剤を塗布する段階と、フィラメントワインディング工法によって、前記接着剤が塗布された第２のパイプの外周面に、樹脂を含浸した連続繊維を多数回ワインディングする段階と、前記ワインディングされた連続繊維に含浸させている樹脂を硬化処理して第１のパイプを形成する段階と、前記マンドレルを第２のパイプから分離する段階と、を含む複合材パイプの製造方法。
マンドレルの外周面を離型処理する段階と、フィラメントのワインディング工法によって、前記マンドレルの外周面に、樹脂に含浸された連続繊維をワインディングする段階と、前記ワインディングされた連続繊維に含浸させている樹脂を硬化処理して第２のパイプを形成する段階と、前記第２のパイプの一部分を切開する段階と、前記第２のパイプの一部分を切開することによって露出されたマンドレルの外周面に接着剤を塗布する段階と、前記露出されたマンドレルの外周面を覆うように、前記マンドレルの外周面に複数のセラミックタイルを取り付ける段階と、前記セラミックタイルが備えられた第２のパイプの外周面に接着剤を塗布する段階と、フィラメントのワインディング工法によって、前記セラミックタイルが備えられた第２のパイプの外周面に、樹脂を含浸した連続繊維をワインディングする段階と、前記ワインディングされた連続繊維に含浸させている樹脂を硬化処理して第１のパイプを形成する段階と、前記マンドレルを前記第２のパイプから分離する段階と、を含む複合材パイプの製造方法。