JP2014504672A - Ｐｐｓ繊維、エポキシ樹脂および／またはフラン樹脂を用いた複合材料 - Google Patents

Abstract

本発明は、強化用繊維と、前記繊維を取り囲むマトリックス材料で作られたマトリックスと、を含む複合材料に関し、マトリックス材料は樹脂を含有し、強化用繊維はポリフェニレンスルフィドを含有する。

Description

本発明は、繊維強化プラスチック構造（複合材料）、本発明を具体化する繊維強化プラスチックから製造される物品、およびかかる物品の使用に関する。

この種のプラスチック構造は、プラスチックマトリックスに埋め込まれた強化用繊維からなる材料である。これらは、多種多様な応用分野において短繊維、長繊維、継目なし繊維で強化された構成要素の形で使用される。

ガラス繊維強化プラスチックのサブグループは、ポリエステル樹脂、エポキシ樹脂またはポリアミド、およびガラス繊維などのプラスチック製の複合材料を含む。ガラス繊維強化プラスチックは、標準的な工業材料である。かかる種類の管はＤＩＮ標準化されており、市販されている。

アルカリ性流体の分野において、ガラス繊維強化プラスチックは主に、アルカリ性流体を保持または輸送するために使用される。それらは通常、ポリプロピレンなどの熱可塑性材料が保護化学コーティングとして施されている。この保護化学コーティングは、ガラス繊維強化プラスチックを保護する目的で、アルカリ性溶液と接触するすべての表面に施されている。特にアルカリ性溶液の温度が４０℃を超える場合、その腐蝕作用が増加し、表面が腐食され、破壊されるため、この更なる保護コーティングが必要である。

４０℃未満の温度であり、アルカリ性流体の濃度が低い場合には、熱可塑性保護化学コーティングは省くことができ、代わりにプラスチックマトリックス自体から生成される。

先行技術で公知のガラス繊維強化プラスチックの不利点は、保護化学コーティングが損傷を受けた場合に、ガラス繊維が剥き出しにされ、アルカリ性流体による化学的攻撃を直接、受けることである。

ガラスは高い耐薬品性の材料であるが、アルカリ性流体に対して耐性ではなく、アルカリ性流体により激しく攻撃され、破壊される。複合材料の機械的安定性は強化用繊維によって達成されることから、強化用繊維の破壊によって、複合材料全体が攻撃される。例えば工業プラントの運転時に一般に適用されている圧力および熱負荷に耐えることができないため、機械的安定性が低下した結果、材料が破損する。

先行技術によるガラス繊維強化プラスチック管は、例えば独国特許出願公開第１０２００８０３３５７７Ａ１号明細書から知られている。この文書では特に、先行技術と比較して、気密、剛性、形状安定性および摩耗に関して向上した特性を実証するプラスチック管が示されている。同時に、管壁は、遠心および／または遠心注型プロセスで製造される少なくとも１つの遠心層と、ワインディング（ｗｉｎｄｉｎｇ）法で製造される少なくとも１つのワインディング層と、によって形成される。かかる管は向上した特性を示すが、製造費が非常に高い。

したがって、本発明の目的は、マトリックス材料と繊維材料の両方が、６０℃を超える温度でアルカリ性流体に対して耐性であり、したがって上述のように破損の可能性を低減する、代替の複合材料を提供することである。本発明の目的は、関連する物品および複合材料の使用を提供することでもある。

この目的は、強化用繊維と、前記繊維を取り囲むマトリックス材料で作られたマトリックスと、を含む複合材料によって達成され、マトリックス材料は、エポキシ樹脂および／またはフラン樹脂を含有し、強化用繊維はポリフェニレンスルフィドを含有する。

エポキシ樹脂（略してＥＰ樹脂）は、一般に硬化剤として公知のキュアリング剤と反応して、デュロプラスチック複合材料を形成する。ＥＰ樹脂は、異なる配合に基づき、ビスフェノールＡまたはノボラックベースが用いられる用途に好ましい。硬化剤システムは好ましくは、アミン系をベースとし、脂肪族アミンと芳香族アミンのどちらも使用される。しかしながら、無水硬化剤も使用することができる。

本発明の有利な実施形態において、複合材料はさらに、複合材料の特性に影響する添加剤を含む。これらは、安定剤、ボンディング剤およびスリップ剤の群から選択され、先行技術において当業者に公知である。これらの改質剤は主に、脂肪族または芳香族グリシジルエーテルをベースとする。しかしながら、特性を調節するために、脂肪族エポキシエステル樹脂またはポリエポキシド樹脂も使用される。イミダゾールベースのシステムは促進剤として作用する。

複合材料は好ましくは、添加剤０．０５〜３５重量％を含む。これらは、マトリックス材料および／または繊維材料中に含有され得る。本発明に従って、マトリックス材料は、樹脂９５〜１００重量％、添加剤０〜５重量％を含む。繊維材料は有利には、ポリフェニレンスルフィド６５〜１００重量％、添加剤０〜３５重量％を含む。

利点の１つは、本発明による複合材料は、２０％を超える濃度のアルカリ性流体に対して耐性であり、特に前記アルカリ性流体は２０％を超える濃度のＮａＯＨであることである。複合材料は他の化学薬品に対する耐性も示すことは言うまでもない。

本発明の複合材料は、６０℃を超える温度でＮａＯＨおよび他のアルカリ性流体に対して耐性である。

本発明は、アルカリ性流体を保持かつ／または輸送する物品も含み、前記物品は、本発明による複合材料を含む。有利なことには、これらは／パイプまたは容器である。

これらの管／パイプおよび容器は、先行技術において当業者に公知のプロセスを用いて複合材料から製造される。公知のプロセスは以下に詳細に記述する：
−ワインディング法：ワインディング法は、具体的なワインディングパターンに従ってマンドレル上に樹脂含浸繊維を付着することを可能にする、回転（巻取りマンドレル）および振動（支持体）運動を併せ持つ。この方法は、例えば、ロービングなどの連続フィラメント、チョップトファイバー製のマット、単繊維および長繊維性のランダムに配向された繊維のマット、織布またはニットなど様々な異なる繊維構造を用いて、機械によって、または手作業で行うことができる。
−ブレーディング法：ブレーディング法では、強化用繊維が、回転ブレーディングヘッドを有する移動ブレーディング機によって固定コア上に付着され、したがって、静止コア（ｓｔａｔｉｏｎａｒｙ ｃｏｒｅ）上に織布状構造が形成され、後のプロセスにおいてマトリックス樹脂で含浸される。
−遠心法：遠心法では、繊維強化は、例えばマットまたは織布の形で予め導入されるか、またはランス、可撓性の供給アームを通して樹脂およびいずれかの添加剤と共に、チョップトファイバーとして回転金型に導入される。遠心時の遠心力によって、補強剤が豊富な外部層と樹脂が豊富な耐薬品性内部層を有する中空体が形成される。

本発明による複合材料は主に、パイプ、管および／または容器の材料として使用され、前記パイプ、管および／または容器はアルカリ性流体と接触する。パイプ、管および容器はまた、６０℃を超える上昇した温度にてアルカリ性流体に対して使用される。

好ましい用途において、複合材料は、アルカリ性流体が生成かつ／または添加される電気分解プロセス用の装置で使用される。可能性のある用途は主に、電気分解セルの入口および出口に対する用途のみならず、反応チャンバにおける用途である。

本発明による複合材料の使用の更なる可能性を以下に示す。これらは例えば、アルカリ性流体の濃度を変化させる、アルカリ性流体濃縮プロセス用の装置、またはアルカリ性流体が添加かつ／または使用される抽出冶金プロセス用の装置を含み、前記プロセスは有利には、ボーキサイトからのアルミニウムの抽出である。さらに、本発明は一般に、アルカリ性流体が添加かつ／または使用される、現況技術において公知のプロセスの装置に関する。

本発明は、一例として実施形態を用いて以下に詳細に説明され、熱いアルカリ性流体中での管材料の耐性についての研究を含む。

実験で使用される管材料は繊維強化プラスチックであった。最初に、純粋な基本成分のみを調べた。マトリックス材料は、エポキシドおよびビニルエステル樹脂ならびにその構造が変化する他の種類の樹脂であった。種々のガラスおよびポリマー繊維、例えばＡＲガラス、ポリアミド繊維およびポリフェニレンスルフィド繊維を繊維材料としての使用に指定した。純粋な樹脂および繊維で作られた試験片は、製品製造元によって供給された。正方形の試験片はエッジ長さ３０ｍｍを有した。個々の繊維（樹脂を含まない）を市販されている状態のまま使用した。

使用された試験片の塩基耐性を確認するために、乾燥オーブン内にて９０℃で１０日間、ねじ蓋を有するＰＦＡ容器内の３２重量％のＮａＯＨ溶液中で、試験片および繊維を保存した。これらの１０日後、温度を２５０℃に上昇させた。そうすることで、３２重量％のＮａＯＨ水溶液は完全に蒸発し、乾燥したＮａＯＨ１００％となった。したがって、すべての試験片を最大２５０℃までの温度で３２〜１００％の濃度範囲にさらした。

高温および／または化学的攻撃の影響によって、試験片の一部が破壊された。しかしながら、本発明による材料、つまりエポキシ樹脂およびフラン樹脂マトリックス材料、ならびにポリフェニレンスルフィド強化用繊維は、実験セットアップの極限条件に耐え、したがって最初の課題を完全に遂行した。

本発明により生まれる利点：
−優れた耐アルカリ性を有する複合材料
−アルカリ性流体の存在下においてさえ高温耐性がある複合材料。

Claims (17)

1. 強化用繊維と、前記繊維を取り囲むマトリックス材料で作られたマトリックスと、を含む複合材料において、前記マトリックス材料がエポキシ樹脂および／またはフラン樹脂を含有し、かつ前記強化用繊維がポリフェニレンスルフィドを含有することを特徴とする複合材料。
2. 請求項１に記載の複合材料において、改質剤として、安定剤、ボンディング剤およびスリップ剤の群から選択される添加剤を含むことを特徴とする複合材料。
3. 請求項１または２に記載の複合材料において、添加剤０．０５〜３５重量％を含むことを特徴とする複合材料。
4. 請求項１乃至３の何れか１項に記載の複合材料において、前記マトリックス材料が樹脂９５〜１００重量％、添加剤０〜５重量％を含むことを特徴とする複合材料。
5. 請求項１乃至４の何れか１項に記載の複合材料において、前記繊維材料がポリフェニレンスルフィド６５〜１００重量％、添加剤０〜３５重量％を含むことを特徴とする複合材料。
6. 請求項１乃至５の何れか１項に記載の複合材料において、２０％を超える濃度を有するアルカリ性流体に対して耐性であることを特徴とする複合材料。
7. 請求項６に記載の複合材料において、２０％を超える濃度のＮａＯＨに対して耐性であることを特徴とする複合材料。
8. 請求項１乃至７の何れか１項に記載の複合材料において、６０℃を超える温度で耐アルカリ性であることを特徴とする複合材料。
9. アルカリ性流体を保持かつ／または輸送するための物品において、請求項１に記載の複合材料を含むことを特徴とする物品。
10. 請求項９に記載のアルカリ性流体を保持かつ／または輸送するための物品において、パイプまたは管であることを特徴とする物品。
11. 請求項９に記載のアルカリ性流体を保持かつ／または輸送するための物品において、容器であることを特徴とする物品。
12. パイプ、管および／または容器用の材料としての請求項１に記載の複合材料の使用において、前記パイプ、管および／または容器がアルカリ性流体と接触することを特徴とする使用。
13. パイプ、管および／または容器用の材料としての請求項１に記載の複合材料の使用において、前記複合材料が６０℃を超える温度のアルカリ性流体と接触することを特徴とする使用。
14. 請求項１に記載の複合材料の使用において、アルカリ性流体が添加かつ／または使用されるプロセスの装置におけることを特徴とする使用。
15. 請求項１４に記載の複合材料の使用において、前記装置が、アルカリ性流体が生成かつ／または添加される電気分解プロセス用の装置であることを特徴とする使用。
16. 請求項１４に記載の複合材料の使用において、前記装置が、アルカリ性流体の濃度が変化する、アルカリ性流体濃縮プロセス用の装置であることを特徴とする使用。
17. 請求項１４に記載の複合材料の使用において、前記装置が、アルカリ性流体が添加かつ／または使用される抽出治金プロセス用の装置であることを特徴とする使用。