JP2013151692A - 繊維強化製品のための高吸収性耐水性コーティング - Google Patents
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Abstract
【解決手段】ロッド又はケーブル等の繊維強化製品上に耐水性コーティングを形成するためのコーティング組成物。
【選択図】なし
Description
本発明は、強化用繊維のコーティング用に好適であり、又強化ロッドやケーブル等の強化用繊維を含む製品(article)のコーティング用に好適である水を高速吸収できる高強度高吸収性コーティングに関する。より具体的には、該コーティングは、硬化して、高い水膨潤性能を有するポリマーを形成する高吸収性ポリマー前駆体及び膜形成ポリマーを含むコーティング組成物から形成される。又、コーティングを引抜成形製品(pultruded articles)に適合させるための改良として、コーティング組成物は粘度改質剤を含んでもよい。
又、発明の概念は、ガラスロッド等の高吸収性コーティング組成物でコートした製品及びそのようなコーティングを施す方法に関する。本発明の新規コーティングは、淡水及び塩水環境で高いレベルの吸水性を示し、基体に施した場合、優れた拡がり(spreading)性能及び被覆(coating)性能を示す。
屋外環境で使用する製品の露出した面の水分の進入による劣化は、よく知られた問題である。この劣化は、水とこれらの製品で使用される強化用繊維の表面との反応による酸化劣化を含み、同様に水誘導腐食を含む。海洋環境において、浸水に関する問題は、特に環境の塩分によって倍増する。そのような水分環境において、塩の存在は、酸化劣化を促進する。
上記の劣化の影響を受ける製品は、ガラス、炭素、ポリマー又はそれらの混合物を含む強化用繊維又はそのような強化用繊維を含む部材を含む。ここで使用する用語“製品”は、特に当業界で公知の強化用繊維材料を含むものとし、同様に1つ以上のこれらの繊維を集合的に使用して製造した製品又は任意の種類のマトリックス内に分散した製品をも含むことを意味する。又、この用語は、建築用材料又は設備材料等、強化用繊維製品を使用して製造した製品を含む。そのような製品としては、強化ロッド及び光ファイバー又は遠距離通信ケーブル等のケーブル等が挙げられる。これらの遠距離通信ケーブルは、しばしば地中に埋めた状態又は長期間に渡って水中に沈めた状態で使用される。このように、水による損傷からの保護は、これらのケーブルの構造的な保全に重要であり、これらが果たすべき機能の成功に重要である。例えば、遠距離通信ケーブルは強化用(stiffening or reinforcing)部材として作用するガラスロッドを含むコアを含んでもよい。このロッドはケーブルの剛性に寄与する。水が浸透して、ケーブルのコア成分と接触する場合、ケーブルの基礎構造の腐食又は化学劣化が生じるかもしれない。
表面を保護被覆材料で被覆する方法は一般的である。そのような方法としては、例えば水ブロッキング性能を持つ防水性ポリマーでできたラップ又はテープを使用する方法、又は包装材料を水ブロッキングポリマーの乳濁液又は溶液で処理する方法が挙げられる。被覆方法は化学合成物の利用又は製品表面の処理を要求せず、むしろ保護は被覆材料による被覆からのみ導かれる。
粉末コーティングの場合において、粒状化水ブロッキング剤を使用したコーティング処理は、多くの時間を浪費し、大きな労働力を必要とし、粒状化ポリマーの使用に直接関係する大掛かりな装置を必要とする。これらの工程は、結合樹脂での1以上の処理を必要とし、流動床等の装置を使用する粉末コーティングステーションでの粉末樹脂の1以上の適用を必要とする。
驚いたことに、高吸収性ポリマー前駆体の溶液をケーブル又はロッド等のガラス繊維強化製品のコート用水溶液に組み入れることによって、優れた水膨潤能及び急速膨潤率を有する高吸収性水ブロッキングコーティングが形成できることを発見した。硬化した場合、ポリマー前駆体は高吸収性ポリマーを形成する。この高吸収性ポリマーを含む新規コーティングは、水環境に曝した場合に、実質的に瞬時に水を吸収できる。
意図した用途に依存して、粘度改質剤を添加することにより吸収性コーティングの性能を高めてもよい。例えば、コーティング組成物をガラス、炭素、ポリマー又はそれらの混合物を含むロッドに施す場合、粘度改質剤(viscosifier)の含有は処方物に優れた拡がり性能を与える。この粘度改質剤は不溶性粉末成分ではなく、むしろコーティング組成物に容易に組み入れられるポリマー溶液又は分散液である。従って、従来から当業界で知られている水ブロッキングコーティングと異なり、本発明のコーティング組成物は実質的に粒状成分を有さない真の溶液の形態である。
さらに、本発明の概念は、本発明の吸水性コーティングを用いて製造したガラス、ポリマー、炭素又は天然繊維を含む強化用繊維を含む製品に関する。そのような製品としては、強化用繊維、ストランド、ロッド、ロービング等の連続形態又は切り刻んだ繊維、ストランドやペレット、ガラス、ポリマー又は天然繊維を含む織物、ロッド又はケーブル等の引抜製品が挙げられる。引抜成形製品はガラス、炭素、1つ以上のポリマー及びそれらの混合物を含んでも良い。又、コーティングは、光ファイバーケーブルのネズミからの保護として使用される波型の金属チューブ及びテープに施すことができる。
本発明の組成物は、繊維強化材及びこれらの強化材を用いて製造した繊維製品(products or articles)の表面に高吸収性コーティングを形成するために好適である。組成物を施してもよい製品は、連続ストランド等の繊維強化材又は繊維強化材及び1つ以上のその他の成分を含む複合製品の広いカテゴリーに分けられる。高吸収性コーティング処方物に含まれる成分は、組成物を施す製品の種類に依存する。
一の実施態様として、上述の第一カテゴリーの繊維強化材製品には、ガラス、炭素、ポリマー又はそれらの混合物等の繊維形成材料から製造されるストランド又はロービングが挙げられる。これら製品のためのコーティング処方物としては少量の潤滑剤を含むものが好ましい。
他の実施態様としては、第二カテゴリーの複合製品は、それらの少なくとも1つの成分として、強化用繊維材料を含む製品である。実施例として、引抜成形作業により形成した製品が挙げられる。例えば、本発明のコーティングは、少なくとも部分的に強化用ガラス繊維/ポリマー複合物を含む引抜成形ロッド又はケーブルにうまく施用できる。これらの引抜成形製品を形成するために使用してもよいポリマーとしては、エポキシ、ポリエステル及びビニルエステル等の熱硬化性樹脂が挙げられる。又、引抜成形製品のポリマー成分は、熱処理した熱可塑性樹脂であってもよいが、熱硬化性樹脂が好ましい。実施例として、ビニルエステル等の熱硬化性エポキシ樹脂を、遠距離通信ケーブルの補強部剤として使用できるロッドを形成するために引抜成形作業においてガラスストランドと組み合わせてもよい。
本発明で使用する高吸収性ポリマー前駆体は、前述のように、例えば必要とされる大量の水を吸収し、脱着する能力を与える水溶性ポリアクリレートの群から選択してもよい。高吸収性前駆体は、好ましくは、対応するアルカリ塩又はアルカリ金属塩の塩として、そのアニオン性の形態で使用される。ポリマー塩は、外観上、澄んだ又はわずかに濁った水溶液の形態である。所望する固体含有量は、30から35重量%の範囲である。又、溶液は約1.1グラム/mlの比重及び約20℃で約1000mPasの粘度を有する。溶液は、典型的にはわずかにアニオン性であり、約6から約8のpHを有する。許容できる高吸収性ポリマー前駆体の1つの例は、水溶性アニオン性ポリアクリレート水溶液である。
湿潤剤は懸濁液と繊維表面との間の接触を容易にするために加えられる。サイズ組成物のその他の成分と混和性の一般的な任意の湿潤剤を使用できる。
本発明のコーティングを強化用繊維ストランドの表面に施し、硬化した場合、それらは、水膨潤可能なポリマーの初期乾燥重量の約400倍までの膨潤能を示す。好ましくは、この種の利用のための膨潤能は、水膨潤可能なポリマーの初期乾燥重量の約200倍から約400倍である。コーティングがロッド又はケーブル等の製品表面に施し、硬化した場合、膨潤能は水膨潤可能なポリマーの初期乾燥重量の最大120倍までの範囲である。本明細書において、好ましくは、膨潤能は水膨潤可能なポリマーの初期乾燥重量の約50倍から約100倍である。
本発明のコーティング組成物の製造方法において、成分は液状形態で組み合わせて、コーティング溶液を調製する。高吸収性ポリマー前駆体の溶液を初めに撹拌して均質性を確保し、次いで混合タンクに加える。次に、脱イオン水をタンクに加え、次いで所望する場合には潤滑剤を導入する。次に、水性乳濁液の形態でポリウレタンをタンクにポンピングする。粘度改質剤を初めに予め混合して1%水溶液を調製し、充分な量のこの水溶液を混合タンクに加える。最終工程として、混合物を加熱せずに撹拌して、得られた組成物は利用の準備が整う。
水又は水蒸気に曝される場合及び良い防水性を持ち、耐久性、弾力性、可撓性を有するコーティングの形成が所望される場合に、ここに記載した耐水性コーティングを有するガラス繊維強化製品を利用してもよい。以下に実施例を示すが、本発明の範囲を限定しない。
具体例としてのコーティング処方物を、膜形成結合剤ポリマー、吸水性ポリマー前駆体溶液及びポリアクリルアミド溶液を組み合わせることにより調製した。次いで、コーティング組成物を、浸漬方法を用いて引抜成形したガラス‐ビニルエステルロッドに施した。コーティング組成物を施した後、ロッドを所望するオリフィスサイズのストリッパーに通し、ロッド表面に堆積するコーティング組成物の量を制御した。次いで、ロッドを加熱して水分を揮発させ、さらに270°F(132℃)に加熱してコーティングを硬化し、高吸収性ポリマー前駆体を活性化した。
(実施例1)
この実施例において、引抜成形したガラス/ポリマーロッドの処理用コーティング組成物を以下に示した割合で成分を混合して調製した。
33.3重量%の高吸収性ポリアクリレート前駆体溶液(水性)(Stockhausen Inc.から市販されているStockhausen 63815)、
25.0重量%のウレタン膜形成ポリマー(Witco Chemical Co.から入手可能なWitcobond W290H)及び
41.7重量%の1%アクリルアミド水溶液(Ashland Chemical Inc.から市販されているDrewfloc 270)。
(実施例2)
引抜成形したロッド用のこのコーティング組成物において、成分を以下のように組み合わせた。
28.6重量%のStockhausen 63815高吸収性ポリアクリレート前駆体溶液、
35.7重量%のウレタン膜形成ポリマー(Witco Chemical Co.から入手可能なWitcobond W320)及び
35.7重量%の1%Drewfloc 270水溶液。
具体的なコーティング組成物を以下の処方に従って開発した。
40.0重量%のStockhausen 63815高吸収性ポリアクリレート前駆体溶液、
7.5重量%のWitcobond W320ポリウレタン膜形成ポリマー、
2.0重量%のEmerlube 7440(Henkel Corp.から入手可能なスルホン化鉱油)、
2.0重量%の1%Drewfloc 270水溶液及び
48.5重量%の脱イオン水。
組成物を光ケーブルで使用するためにデザインしたガラス繊維強化ストランドに施した。次いで強化材を脱イオン水又は1%塩水のいずれにも浸漬した。淡水環境及び海洋環境の両方の膨潤率を、百分率膨潤又は0から20分の範囲の時間間隔における重量増加を測定することによって決定した。又、比較として、粒状化ポリマー粉末を用いて乾燥水ブロッキングコーティングでコートしたストランドを淡水環境及び塩水環境に同じ時間間隔で浸漬した。
本発明に従ってコートし、脱イオン水又は淡水に浸漬したストランドは、最大7倍まで、初めの1分間の浸漬で乾燥粒状化ポリマーでコートしたロッドの膨潤率よりも早い膨潤率を示した。膨潤能又は全膨潤量は乾燥コーティングと比較してより高く、最大270%までであった。塩水環境において、本発明のコーティングは、初めの1分間の浸漬で乾燥粒状化コーティングよりも速く、6倍を超える膨潤率を示した。又、コーティングは乾燥コーティングよりも最大50%まで多い膨潤能を示した。
これらの結果は、淡水環境又は塩水環境に長期間にわたって曝される製品に施した場合に、本発明のコーティング溶液が優れた吸水性及び対応して優れた耐水性を達成することを明らかに示している。
本発明のコーティングを、ストランド又はロービング等の強化用繊維材料に施した場合のその効力を測定するために、さらに研究した。ガラス強化用繊維のストランドを本発明でコートし、コーティング及び繊維の全重量を基準に計算した時間に対する百分率膨潤を測定した。又、比較のため、乾燥粒状コーティングでコートしたストランドもコーティングの膨潤率を決定するために試験した。実施例4において、強化材を脱イオン水に浸漬した。実施例5のため、強化材を1%塩化ナトリウム溶液に曝した。得られた結果を以下の表1及び表2に示した。
1. 水溶液中に高吸収性水溶性ポリマー前駆体を含む製品用コーティング組成物。
2. 高吸収性水溶性ポリマー前駆体がポリアクリレートである上記第1項記載のコーティング組成物。
3. さらに粘度改質剤を含む上記第1項記載のコーティング組成物。
4. 粘度改質剤がポリアクリルアミドからなる群から選択されるポリマー材料の水溶液である上記第3項記載のコーティング組成物。
5. さらに潤滑剤を含む上記第1項記載のコーティング組成物。
6. さらに結合剤を含む上記第1項記載のコーティング組成物。
7. 結合剤がポリウレタンである上記第6項記載のコーティング組成物。
8. 強化する製品の表面に形成したコーティングであって、高吸収性水溶性ポリマーを含むコーティング。
9. 高吸収性水溶性ポリマーが、硬化した後、水中に浸漬した場合に、その初期乾燥重量の約400倍までの水を吸収し、コーティングを乾燥した場合に、水を脱着する上記第8項記載のコーティング。
10. さらに粘度改質剤を含む上記第8項記載のコーティング。
11. さらに潤滑剤を含む上記第8項記載のコーティング。
12. 強化用繊維材料を含む製品が、ガラス、炭素、1つ以上のポリマー、天然繊維及びそれらの混合物からなる群から選択されるファイバーストランドである上記第11項記載のコーティング。
13. コートしたストランドの全重量を基準に、初めの1分間で、約300から約2000重量%の膨潤率を有する上記第12項記載のコーティング。
14. 高吸収性ポリマー、粘度改質剤及び結合剤を含むコーティングを有する製品。
15. 製品の表面に高吸収性耐水性コーティングを形成する方法であって、
a)コーティングが水分を含んだ環境(aqueous or moisture-containing environment)に曝された場合に、水を吸収し、脱着する高吸収性水溶性ポリマー前駆体及び粘度改質剤を含む液体コーティング組成物を調製する工程と、
b)強化用繊維を含む製品の表面に吸水性耐水性コーティング層を形成するために液体コーティング組成物を製品の表面に施す工程と、
c)液体コーティングを乾燥し、硬化して、製品の表面に吸水性耐水性コーティング層を形成する工程を含む方法。
16. 液体コーティング組成物を製品の表面に施す工程が、液体コーティング組成物と製品表面とを接触させて、製品の表面全体にわたって液体コーティング層を形成する工程を含む上記第15項記載の方法。
17. 高吸収性ポリマー前駆体、粘度改質剤及び結合剤を含む水性コーティング組成物。
18. 高吸収性ポリマー前駆体が前記高吸収性ポリマーのアニオン性アルカリ塩及びアルカリ金属塩からなる群から選択される上記第17項記載の水性コーティング組成物。
19. 高吸収性ポリマー前駆体がポリアクリレートである上記第17項記載の水性コーティング組成物。
20. 粘度改質剤がアルキルセルロース、アクリルアミドポリマー及びそれらの混合物からなる群から選択される上記第17項記載の水性コーティング組成物。
21. 粘度改質剤がポリアクリルアミドである上記第20項記載の水性コーティング組成物。
22. 結合剤がポリエステル、ポリウレタン、エポキシ、ラテックス及びそれらの混合物からなる群から選択される上記第17項記載の水性コーティング組成物。
23. 結合剤が膜形成ポリウレタンである上記第22項記載の水性コーティング組成物。
24. 製品が繊維を含有する上記第14項記載のコートした製品。
25. 製品が繊維である上記第14項記載のコートした製品。
26. 製品が繊維の束である上記第14項記載のコートした製品。
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