JP5090736B2 - 改良された物理的性質を有する多層管 - Google Patents

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Description

本発明は、厚紙またはファイバーボード（段ボール紙）の管として当該技術分野で公知の紙管および紙芯に一般に用いられる螺旋巻き法によって製造される多層管の製造分野に関する。特に、本発明は、改良された物理的性質（とりわけ引張強度の増大および耐衝撃性の改良）を有する管状製品の改良された構造に関する。
多層紙構造から形成される管状製品の製造分野において、特定の紙材料に基づく製品の物理的強度特性（引張強度、耐圧潰性、耐引裂性または耐穿刺性、その他のパラメータに関連し得る）は、管壁中に組み込まれる紙層の数と、複数の紙層を貼り合わせるのに用いる接着剤の特性によって、ほとんど決まってしまう。一般に、主として、管壁中に、より多くの紙層を組み込むことにより、一層強度が増す。同様に、より強力なまたは耐湿性の接着剤、例えばケイ酸ナトリウムまたはPVA接着剤を用いることにより、好ましくない環境、例えば湿潤環境における強度損失耐性が高くなる。
紙管および紙芯は従来、多層紙(典型的にはクラフト紙または類似する繊維質の紙)を互いに接着させ、所与の直径を有するスチールマンドレルの周りに各層を巻き取ることにより形成する。当該方法では通常、個々のロールその他のディスペンサー上に管の種々の層を供給し、同時に、所定のアレイ状態にあるディスペンサーから材料を引き出し、接着剤を互いに接触していない異なるストランドに同時に塗布し、次いで、当該アレイをマンドレルの周りに巻き取って、管構造を形成する。この技術は、当該技術分野において「螺旋巻き」として公知であり、当該用語が用いられる本明細書および特許請求の範囲においてかかるものとして理解されたい。当該方法を実施する装置は、例えば、Pack Industrie, rue Gutenberg - B.P. 109 - 68170 RIXHEIM (Alsace) - FRANCEによって提供される。
一般に、用いるべき紙層の数は、管に必要とされる物理的要件に依存する。例えば、トイレットペーパー芯用の小径の紙管には、より安価なデキストリン接着剤を用いた層数の少ない薄紙層が必要とされ、2トンまでの重さのある紙ロール用の芯には、ケイ酸塩またはPVA接着剤と共にBrown Chip BoardまたはLiner Boardが必要とされ、またはコンクリート鋳造用の管には、より高い耐水性のある接着剤を用いた、より厚みのある壁厚が必要とされるので、より層数の多い紙層が必要となる。
しかしながら、これらの手段では一般に、管がより重くなり、質量が原因でおよび／または柔軟性の損失が原因で、輸送がより困難になり、必要な場合に管を切開することがより困難になり、製造がより困難且つ高額になる。さらに、ケイ酸塩系接着剤は、より高額であり、製造中に様々な安全面での問題がある。例えば、ケイ酸塩系接着剤のいくつかは、硬化して非常に硬質になり易く、しかも残留物がカットハザードを招き易い。さらに耐水性接着剤のいくつかは、硬化に時間がかかり、オーブンなどでの硬化の助けが必要となる場合があり、製品単価および製造ラインの資本コストの増加となり得る。
したがって、これらの管が適用される種々の用途に関して、これらの問題の一部または全部を克服する紙系管類の種々の強度パラメータの改良方法を見出すことが必要である。
例えば、建築建造産業においては、多層紙系の管および型枠を垂直コンクリートパイル成型で使用することは、建築用の基礎、特に階層数の一層多い構造を設置する際の一般的な方法となっている。
先行技術で用いられている使い捨て鋳造管の場合の典型的な構築では、多層のクラフト紙その他の繊維質の紙から硬質管を作成する。しかしながら、上述の通り、クラフト紙その他の繊維質の紙構造に遭遇する問題の1つには、濡れた場合に引張強度が損なわれ易く、ふくれまたは破損・故障が生じることである。また、湿潤条件においては、管寸法が変化し易く、コンクリートパイルの寸法管理が困難となる。
かかる管の構築に対して先行技術でとられたアプローチは、本質的に多層のクラフト紙からなる管が記載されている米国特許第5,376,316号(Weekers)に例示されている。この特有の鋳造管にはまた、管の防水加工性を改善するという明確な目的のためにクラフト紙層内にプラスチック材料層も含まれている。しかしながら、当該明細書は、管の全体強度がどのように改良され得るかについて示唆していない。例えば、当該構造に伴う一つの欠点は、プラスチック層はクラフト紙層の濡れに対してある程度のバリアを提供し得るが、その管の両側面から水が滲入する場合や、あるいは特に水が管の両端から滲入する場合には、これらの層の脆弱化を完全に避けることはできないということである。
ともかく、半硬質または硬質の管が必要とされるコンクリート鋳造用途が存在する。先行技術は、かかる管を強化および／または防水加工する方法を全く教示していない。恐らく、かかる問題に直面した人は、さらに紙層および／または高額な接着剤を用いる上記方法に頼らなければならない。
同様に、かかる紙系管が、硬質、鋭利および／または重みのある材料（例えば金属部品）の包装材料として用いられる場合には、これらの品物が輸送中に位置を変えるので、管壁に非常に大きな局所的衝撃歪みを与え易いという大きな問題がある。さらに、Weekersにより開示された構造は、この種の包装手段に信頼して用いるには十分な硬さではなく、先行技術にて利用できるその他の解決法も、さらに多くの紙層を管に用いるという周知の手段に関連するもののみであろう。
同様に、例えば新聞印刷用紙などの巻き製品の強力な芯として用いる、優れた耐圧潰性を有する管を作る試みがなされる場合には、先行技術は、さらに多くの紙層および異種の紙を管に用いるという類似の解決法のみを教示している。
したがって、本発明の目的は、過剰な紙の積層、または高額なもしくは有害な接着剤の使用を必要とせず、さらに従来の紙管形成装置を用いて製造可能である、改良された物理的性質を有する多層管材を提供することである。
本発明の１の態様によれば、多層構造の壁を有する管であって、当該多層構造は、１もしくは複数の下層を含み、当該下層はそれぞれ、紙またはポリマー材料からなる群から選択される材料の１もしくは複数の外層間に配置された織ったポリマーメッシュからなり、当該管は、当該下層を互いに貼り合わせることにより形成され、当該下層は、紙管の螺旋巻き製造装置を用いて管に形成されている、管を提供する。
紙はクラフト紙であり、ポリマー材料は、高密度ポリエチレン(HDPE)またはポリプロピレン(PP)であり、紙層はポリエチレン(PE)の中間層を介してメッシュに結合していることが好ましい。連続する下層と紙の外層間の結合は、当該技術分野で周知である水系接着剤により行われてもよい。
メッシュ材料の引張強度は、例えば、水分の滲入による脆弱化の影響を受けないように、管の全引張強度および全衝撃強度を高めるのに効果的な手段を提供する。さらに、優れたメッシュ寸法安定性が、高い相対湿度の条件においてさえ管に同様な利点を提供し、その結果、望ましくない溶剤系接着剤の使用を必要としない。
メッシュにより与えられるこの全引張強度の増加は、過剰な紙の積層に頼る必要がなく、優れた管の性能を付与する。即ち、より強く、より強靭な管が、顕著な質量増加なしに製造可能である。或いは、管は、先行技術と同一の強度規格値に製造され得るが、先行技術と比較して非常に薄い壁を有している。
本発明のさらなる利点は、下層の外側に貼られた紙が主に、連続する下層を結合するための適切な接着表面を提供するために存在しているので、これらの紙層の厚みは、先行技術と比較して低減することができ、例えば約40g/m2に低減でき、所望の管強度に必要な管壁厚を低減するさらなる機会を提供することにある。
本発明のさらなる利点は、連続する下層の結合が従来の水系接着剤を用いた紙と紙との結合を介して達成されるので、本発明にかかる管は、従来の螺旋巻き紙管製造装置にて製造可能であることである。
HDPEまたはPPのメッシュ坪量は、40g/m2〜80g/m2であり、複合構造の全坪量は、約120g/m2〜180g/m2であることが好ましい。当該メッシュの引張強度は、約6.5kN/m超であることが好ましい。メッシュは、単純な交叉織の形状を取るか、またはあらゆる他の適切な型で提供されてもよい。かかるメッシュは、あらゆる方向において１インチ当たり6〜15ストランドのスクリムクロスの形状で提供されることが好ましい。
コンクリート鋳造に適用する場合には、本発明にかかる管型構造は、管構造内への水の滲入を直接食い止めるのに役立つだけでなく、その引張強度が、水自体による影響を受けないので、管全体の引張強度が水の滲入により損なわれることを防ぐ。
本発明は、硬質（すなわち剛性）および軟質（すなわち可撓性）の双方の「レイフラット」管に適用可能である。
管用の好ましい構造は、硬質コンクリート形成材料として用いる場合に、管壁厚が約2.5mm〜約5mmであることを確保するように十分な数の下層が設けられた構造である。これは、直立させたときに自立するのに十分な強度を管材に与える一方で、手持ち式ナイフで切断するなどの比較的単純な手段で取り除くことができ、さらに優れた引張強度および耐湿性の半硬質または硬質の構造を提供するためである。
別の構造は、改良された強度を有しているが「フラット」状態にて貯蔵および輸送するのに十分な柔軟性を有するコンクリート形成用管であり、上記の「サンドイッチ」構造の１または２の層を含んでいる。ポリマーメッシュの織った構造は、先行技術のようにプラスチック材料の単一のシートにより得られる引張強度よりも大きい強度を付与するのに有用である。さらに、この好ましいメッシュは、管がコンクリートで充填されたときの伸びまたはふくれに対して格別優れた耐性を示す。これにより、典型的なコンクリート鋳造作業に必要な強度を有する、レイフラット管の提供が可能となる。本発明にかかる管材のこの実施形態の全厚は約1.5mm以下となり得る。
さらに別の実施形態において、管の内側鋳造面用の適切な表面を提供するために、１もしくは複数の追加のポリマーシート層、例えばポリエチレンを最外部にある下層に結合してもよい。
材料包装分野における本発明にかかる管構造の使用に関して、例えば金属部品の容器としての使用に適切な管は、４または５つの当該「サンドイッチ」層を有する管壁構造により提供され、この管壁厚は、少なくとも約2.5mmである。これは、輸送中に予想され得るように、硬質または鋭利な部品が管内面と激しく接触する場合の引裂または穿刺に耐える十分な引張強度を管材に与えるためである。
さらに、改良された管壁の引張抵抗性が、より厚型である管の変形を妨げるのに役立つので、本発明にかかる管壁構造を用いた、改良された耐圧潰性の管が提供されることも予期され得る。管壁の至るところで得られる引張強度の改良は、管壁の一方、例えば外側が圧縮下に置かれる場合であって、すぐ隣の管壁の対応箇所、例えば管壁の内側が引張状態に置かれる場合、管の差動座屈を防ぐのに有用となり得る。したがって、引張状態に置かれた管壁部分は、圧潰力に屈し難い。
かかる芯として用いる場合には、管壁構造は、下層が約10〜50層であり、全厚が約20mmであることが好ましい。
本発明の好ましい実施形態を、特定の非限定的実施例により下記に示す。
下記の各実施形態では、当該技術分野で「螺旋巻き」として公知の技術によって形成されると理解されたい。
１の好ましい実施形態において、本発明は、多層からなる材料の下層から構成される硬質コンクリート成形管であって、当該下層はそれぞれ、１もしくは複数のクラフト紙層の間に配置された織ったHDPEメッシュからなる管を提供する。同様の結果がPPメッシュを用いても得られ得る。クラフト紙は、当該技術分野における従来の方法にてメッシュに結合し得、当該クラフト紙がポリエチレン(PE)の中間層を介してメッシュに結合していることが特に好ましい。
好ましいメッシュ材料の例は、Insulation Solutions, 127 Dandenong-Frankston Road, Dandenong, Victoria 3175, Australiaから「Metal Wrapping」, item no.1625の名で提供されるものである。
かかる材料は、表１に概略されているような特性を有する。
Figure 0005090736
一般に、HDPE材料は、あらゆる方向において１インチ当たり8〜10ストランドのスクリムクロスの形状で供給される。かかる材料は、その非常に大きな引張強度、特にあらゆるレベルの伸びに対して非常に高い抵抗性を有するために本用途に特に適している。次いで、HDPEを、当該技術分野で公知の従来の方法で低密度ポリエチレン(LDPE)を介して40gsmのクラフト紙とラミネートする。
本発明が適用され得る一般的なコンクリート形成管は、上記の米国特許第5,376,316号に詳述されており、当該特許に記載されている一般的な構造を参照して、下記に説明する。
上記材料を含んでいる硬質鋳造管用の理想的な構造は、PVAなどの従来の紙-紙接着剤により貼り合わせられた4〜6の上記下層からなる。当該材料は、当該技術分野で周知の従来の螺旋巻き装置を用いて構成され得、多層の紙(典型的にはクラフト紙または類似する繊維質の紙)を互いに接着するかあるいは他の方法で貼り合わせ、所与の径のスチールマンドレルの周りに各層を巻き取る。
ポリエチレンの更なる層を、当該材料の外面に貼り合せて、鋳造用の所望の表面組織を得ることができる。特に、鋳造用の滑らかな表面を確保するために管内面に結合させた十分なポリエチレン層の存在が好ましい。管材の全厚は、剛性の上部構造物の支えなしに立っているのに十分な剛性を与えるために2.5mm〜5mmにすべきである。
異なる表面仕上げを必要とする場合には、当業者は、種々の仕上げまたは表面特性を得るのに利用可能な代替材料を知っているであろう。
本発明は、主にクラフト紙から構成される管にのみ適用されるのではなく、クラフト紙は、かかる産業で用いられる、より一般的な材料の中の１つにすぎず、その特性が本発明により強化され易いことを当業者は認識するであろう。
例えば、HDPEメッシュを、ポリエチレンなどの別のポリマー材料の多層内に組み込むことにより鋳造管を構成することも可能であろう。かかる場合において、直接熱処理によりまたはホットメルトグルーを用いることにより多層を貼り合わせることが好ましいであろう。
上記材料を含む軟質鋳造管用の理想的な構造は、１または２の上記下層からなり、場合により、所望の表面組織を与えるために、片面が紙/メッシュ複合材料のさらなる層を管材料の外面に貼り合わせてもよいが、使用されない状態にある場合にはフラットに置くのに十分な柔軟性を与えるために全厚が4mm未満である。
さらに当業者には明らかであるように、本発明は、上記の好ましい実施形態がコンクリート鋳造に関しているが、種々の異なる用途向けの改良された多層管の構造も提供する。本発明により提供される管材の改良された引張強度は、かかる特性が望まれる多くの他の用途における性能を改善することは明らかである。
例えば、硬質鋳造用管として上記したものと類似の構造の管が同様に、金属部品の包装材料として用いられる。当該本発明にかかる４または５の下層を有する管壁構造は、管壁厚が約3mm〜約4mmであり、そのため、輸送中に予想され得るように硬質または鋭利な部品が管の内面と激しく接触する場合の引裂または穿刺に耐える十分な引張強度を管材に与えていることが予想される。
さらに、改良された管壁の引張抵抗性が、より厚型である管の変形を妨げるのに役立つので、本発明にかかる管壁構造を用いた改良された耐圧潰性の管が提供されることも予期され得る。上述のように、管壁の至るところで得られる改良された引張強度は、管壁の一方、例えば外側が圧縮下に置かれる場合であって、すぐ隣の管壁の対応箇所、例えば管壁の内側が引張状態に置かれる場合、管の差動座屈を防ぐのに有用となり得る。したがって、引張状態に置かれた管壁部分は、圧潰力に屈し難い。
かかる芯として用いる場合には、管壁構造は、下層が約10〜15層であり、全厚が約20mmであることが好ましい。

Claims (12)

  1. 紙管の製造において用いられる螺旋巻き装置を用いて、各下層を順に結合し、互いに貼り合わせてなる、多層構造の壁を有する複合管であって、該下層が、織ったポリマーメッシュの両面のそれぞれの面上に、ポリエチレンの中間層を介して、１以上の紙の外層が結合されてなる、前記複合管。
  2. 当該メッシュが、１インチ当たり６〜１５ストランドであるスクリムクロスの形状で与えられる、請求項１に記載の管。
  3. 下層の坪量が１２０ｇ／ｍ２〜１８０ｇ／ｍ２であり、引張強度が６．５ｋＮ／ｍを超える、請求項２に記載の管。
  4. スクリムクロスが高密度ポリエチレン（ＨＤＰＥ）ストランドからなる、請求項２又は３に記載の管。
  5. 当該下層の外層がクラフト紙からなる、請求項１〜４のいずれか１項に記載の管。
  6. クラフト紙の最小坪量が４０ｇ／ｍ２である、請求項５に記載の管。
  7. 管壁厚が少なくとも２．５ｍｍであり、それにより、コンクリート柱型枠のため直立させたときに自立するのに十分な強度の管材を提供する、請求項１〜６のいずれか１項に記載の管。
  8. 管壁厚が５ｍｍ以下である、請求項７に記載の管。
  9. 管壁厚が１．５ｍｍ以下であり、そのため当該管壁がフラット状態で貯蔵および輸送するのに十分な柔軟性を有している、請求項１〜６のいずれか１項に記載の管。
  10. 連続する下層の外層の紙が、水系接着剤を用いて互いに結合される、請求項１〜９のいずれか１項に記載の管。
  11. １以上のポリエチレンシートの層が管の内面に結合する、請求項１〜１０のいずれか１項に記載の管。
  12. 紙管の製造において用いられる螺旋巻き装置を備える工程、および当該螺旋巻き装置により各下層をマンドレルの周りに螺旋巻きして、所定の壁厚の管にする工程を含む、複合管を製造する方法であって、該下層が、織ったポリマーメッシュの両面のそれぞれの面上に、ポリエチレンの中間層を介して、１以上の紙の外層が結合されてなり、ここで、該各下層が水系接着剤を用いて互いに結合される、前記方法。
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