JP5671216B2 - 断熱発泡ポリオレフィン被覆鋼管 - Google Patents

Description

本発明は、鋼管の外面に断熱被覆を施した管材に関し、特に、断熱性に優れた断熱発泡ポリオレフィン被覆層を施した管材に関するものである。

従来、水道水、温水等の液体を輸送する液体輸送管は、十分な断熱対策を殆ど施していないのが現状である。また、場所によっては、内部の液体の熱が放出するのを防ぐ目的として、或いは、冬季に内部の液体が凍結するのを防止する目的として、管本体をグラスウールやロックウールなどの断熱材で被覆し、その断熱材を紐状体で巻付けたり、粘着テープで断熱材が見えないように巻いたりしている。或いは、管本体を真空断熱二重容器で構成したものも採用されている。

上述した断熱材を用いた液体輸送管は、構造は簡単であるものの、断熱材自体の断熱性能が十分でなく、また管内の水温が周りの空気の飽和水蒸気温度を下回ると結露が生じ、その結露水がグラスウールやロックウールなどの隙間に溜まっていき、断熱性能がさらに低下するという問題がある。一方、管本体に真空断熱二重容器を用いた液体輸送管の場合、管本体の外壁を二重構造として密閉された空間を形成し、その空間内を真空とする。或いは、ケイ酸カルシウム等の断熱材を充填させたような断熱構造を採用することによって、保温機能を発揮させようとしている。しかしながら、二重管構造による長距離輸送管を採用するためには、膨大なコストが掛かるという経済的な問題がある。

上述のような問題を解消するために、例えば特開平７−２０５３７１号公報（特許文献１）や特開平８−２５５６１号公報（特許文献２）に開示されているように、下地処理を施した鋼管の外面に、変性ポリオレフィン層、発泡ポリオレフィン層と繊維強化変性ポリオレフィン層を順次積層した断熱ポリオレフィン被覆鋼管や、下地処理を施した鋼管の外面に、変性ポリオレフィン層、繊維強化発泡ポリオレフィン層とポリオレフィン層を順次積層した断熱ポリオレフィン被覆鋼管が提案されている。

一方、上記樹脂被覆用発泡体として、例えば特開２００６−４５２６８号公報（特許文献３）に開示されているように、柔軟性、耐熱性、および優れた発泡性、リサイクル性を有する非架橋のポリプロピレン系樹脂による低密度発泡体による配管や電線の被覆に優れたポリプロピレン系被覆用発泡体や、特開２００７−１９１６９０号公報（特許文献４）に開示されているように、優れた耐熱性と発泡倍率を有し、強い剪断力が加えられる混練成形、カレンダー成形、押出成形、射出成形等に好適に使用可能な熱膨張性マイクロカプセル及び熱膨張性マイクロカプセルを用いた発泡成形体が提案されている。

さらに、国際公開２００７／０７２７６９号公報（特許文献５）に開示されているように、耐熱性に優れ、かつ、発泡倍率が高く、安定した発泡挙動を示す発泡剤を内包する外殻が、ポリメタクリルイミド構造を有する共重合体を形成し得る熱発泡性マイクロスフェアー、並びに熱発泡性マイクロスフェアーの製造方法が提案されている。
特開平７−２０５３７１号公報 特開平８−２５５６１号公報 特開２００６−４５２６８号公報 特開２００７−１９１６９０号公報 国際公開２００７／０７２７６９号公報

上述した特許文献１や特許文献２に開示されている断熱ポリオレフィン被覆鋼管は、かなり断熱構造を採用することで、保温機能を発揮することができるが、必ずしも十分ということはできない。さらに、特許文献３や特許文献４および特許文献５に開示されている、ポリプロピレン系被覆用発泡体や熱膨張性マイクロカプセル及び熱膨張性マイクロカプセルを用いた発泡成形体が提案されているが、しかし、これも液体輸送管等の過激な条件下での保温鋼管層の対策にまで至っていない。

特に、特許文献４および特許文献５においては、熱膨張性マイクロカプセル及び熱膨張性マイクロカプセルを用いた発泡成形体は、発泡開始温度が１７０℃以下を条件とした熱膨張性マイクロカプセルであり、この条件では、特に、押出工程における高温、高圧、長時間被覆層、すなわち、高温、高圧、長時間を要する押出工程においては十分な発泡成形体を得ることが出来ず、このため、上述した液体輸送管等の過激な条件下での保温鋼管層の対策にまで至っていないのが実状である。

上述したような問題を解消するために、発明者らは鋭意開発を進めた結果、より優れた外部への放出される熱を阻止した、保温性に優れ、エネルギーの節約を大幅に向上させることが出来、しかも経済的な液体輸送管としての断熱性に優れた断熱発泡ポリオレフィン被覆鋼管を提供するものである。その発明の要旨とするところは、
（１）下地処理を施した鋼管の外面に、接着層および防食層を順次積層し、その上部表面に外殻がポリメタクリルニトリルとメタクリル酸の共重合反応により形成するポリメタクリルイミド構造を有する共重合体よりなる熱発泡性中空粒子を０．０１〜２０質量％ポリオレフィン樹脂中に添加することによって密度を０．２〜０．９ｇ／ｃｍ ^３ とした発泡層を積層したことを特徴とする断熱発泡ポリオレフィン被覆鋼管。

（２）前記（１）に記載のポリオレフィン樹脂は、引張弾性率が、１００〜３０００ＭＰａの範囲を有することを特徴とする断熱発泡ポリオレフィン被覆鋼管。

（３）前記（１）に記載の発泡層の膜厚を１〜１００ｍｍとすることを特徴とする断熱発泡ポリオレフィン被覆鋼管。

以上述べたように、本発明による断熱発泡ポリオレフィン被覆鋼管を長距離輸送管等であるパイプラン等に用いることによって、外部への放出される熱を阻止し、極めて優れた保温性を維持することが出来る効果を奏するものである。

以下、本発明について図面に従って詳細に説明する。
図１は、本発明に係る断熱発泡ポリオレフィン被覆鋼管の１部断面を示す図である。この図に示すように、外面をブラスト処理、あるいは酸洗、脱脂等した鋼管１の外面に、接着層２および防食層３を順次積層し、その上部表面に高温、高圧力、長期間押出被覆に適した中空粒子をポリオレフィン樹脂中に添加した発泡層４を積層した断熱発泡ポリオレフィン被覆鋼管にある。

上記、本発明に使用する鋼管としては、炭素鋼、或いはステンレス鋼などの合金鋼である。また、炭素鋼管の内面、または外面、或いは両面にステンレス鋼やＴｉ、Ａｌ，Ｎｉ，Ｃｕなどの金属などの金属、またはＮｉ−Ｃｒ−Ｍｏ合金、Ｎｉ−Ｃｒ−Ｍｏ−Ｗ合金などの合金鋼を積層したクラッド鋼管等、また、炭素鋼管の内面または、両面にＺｎ，Ａｌ，Ｃｒ等合金めっきを施しためっき鋼管なども使用できる。

本発明の下地処理した鋼管とは、ブラスト処理や酸洗、脱脂などによりスケール等を除去した鋼板外面である。また、一般的な耐食性、或いは密着性向上を目的とした表面処理剤を前記ブラスト処理などをした鋼管表面に塗布することもできる。次に、本発明の防食層とは、ＪＩＳ Ｇ３４６９記載のＰ１Ｈ，Ｐ１Ｓ、或いはＰ２Ｓのような一般的な防食被覆をいう。また、耐食性向上、密着性の向上のために、プライマーを上記記載の下地処理した鋼管外面に積層塗布することもできる。

本発明の断熱発泡ポリオレフィン被覆鋼管の製造に用いるプライマー（接着剤）としては、エポキシとしてビスフェノールＡのジグリシジルエーテル、ビスフェノールＦのジグリシジルエーテルの単独、またはこれらの混合物を用い、硬化剤として脂環族アミン脂肪族アミンまたはジシアンジアミドと変性イミダゾールの混合物を用い、かつエポキシに対してシリカ微粒子などの無機顔料を混合添加し衝撃強度を得ることができるが、これらプライマーについては、特に上記エポキシの限定するものではない。

上記接着層および防食層を順次積層し、その上部表面に高温、高圧力、長期間押出被覆に適した中空粒子をポリオレフィン樹脂中に添加した発泡層を積層する断熱発泡ポリオレフィン被覆鋼管から構成される。本発明の最大の特徴は中空粒子を０．０１〜２０質量％ポリオレフィン樹脂中に添加することによって密度を０．２〜０．９ｇ／ｃｍ ^３ とした発泡層を積層した断熱発泡ポリオレフィン被覆鋼管にある。

本発明に係る高温、高圧力、長期間押出被覆に適した中空粒子をポリオレフィン樹脂中に添加した発泡ポリオレフィン層とは、ポリエチレン、またはエチレンと１−ブテン、プロピレン、１−ヘキセン、または１−オクテン等のα−オレフィンを共重合したエチレン−α−オレフィン共重合体の単独、或いは混合物を主成分とするポリオレフィン層に、中空粒子および／または気泡を内包する樹脂組成物を均一分布・混合したものである。

高温、高圧力、長期間押出被覆に適した中空粒子は、発泡開始温度１７０℃以上、発泡保持時間として、１〜６０分の長時間、かつ０．１〜５０ＭＰａのスクリュー先端樹脂圧力を伴う溶融押出剪断発泡条件下で、高発泡率を発現したもので、発泡剤を内包する外殻が、ポリメタクリルニトリル（ｐｏｌｙｍｅｔｈａｃｒｙｌｏｎｉｔｒｉｌｅ）とメタクリル酸（ｍｅｔｈａｃｒｙｌｉｃ ａｃｉｄ）の共重合反応により形成するポリメタクリルイミド（ｐｏｌｙｍｅｔｈａｃｒｙｌｉｍｉｄｅ）構造を有する共重合体を形成し得る熱発泡性中空粒子である。なお、具体的には引用文献５に開示されている方法で得られる熱発泡性マイクロスフェアーを好適に用いることが出来る。

特に、溶融発泡開始温度が、１７０℃以下の中空粒子を添加した場合は、発泡ポリオレフィン樹脂を溶融押出加工する際の溶融樹脂温度が具体的には、スクリュー先端樹脂圧力が、例えば、２０ＭＰａのもとで１〜６０分の長時間の発泡保持時間のために、１７０℃以上の高い溶融樹脂温度となり、中空粒子が均一球状発泡せず、所謂“へたり”現象が多く発生するため、ポリオレフィン層に、中空粒子および／または気泡を内包する樹脂組成物が均一分布・混合することができなくなる。なお、発泡開始温度の測定方法としては、パーキンエルマー社製のＴＭＡ−７型を用いて「ＴＭＡ測定」を行った。具体的には、容器にサンプル（熱発泡性マイクロスフェアーを約０．２５ｍｇ）を入れて、昇温速度５℃／分で昇温し、その高さの変位を連続的に測定する。その容器内におけるサンプルの高さの変位が始まった温度を発泡開始温度とした。

また、発泡保持時間を１〜６０分とした理由は、１分未満では、中空粒子が十分に発泡せず、しかし、６０分を超えると、中空粒子が均一球状発泡せず、所謂“へたり”現象が多く発生する傾向になることから、その範囲を１〜６０分とした。また、スクリュー先端樹脂圧力を０．１〜５０ＭＰａとした理由は、０．１ＭＰａ未満では、中空粒子の樹脂圧力が低いために十分な均一分布・混合することができなくなる。また、５０ＭＰａを超える圧力は、実用押出加工する際の上限以上の圧力であり、実用安全操業条件の面から上限とした。

また、中空粒子の添加量は、０．０１〜２０質量％が望ましく、０．０１質量％未満の場合には、殆ど断熱効果が認められない。また、２０質量％を超える添加量の場合には、ポリオレフィン樹脂の溶融押出製造プロセスの中で、樹脂溶融粘度が非常に高くなるため、押出機溶融温度を上昇させざるを負えなくなり、結果として、添加した中空粒子が縮小、或いは破損してしまい、添加量に伴う断熱効果の向上が認められなくなる。より好ましくは１〜１５質量％とする。

また、断熱ポリオレフィン樹脂の機械的強度として、引張弾性率が１００ＭＰａ未満の場合には、製造時、或いは置場、敷設後の支持部位において、断熱ポリオレフィン樹脂層中に添加している発泡中空粒子の形状変形し、当初求められた断熱特性を得ることができない。また、逆に、断熱ポリオレフィン樹脂の機械的強度として、引張弾性率が３０００ＭＰａを超える場合には、ポリオレフィン樹脂の分子量が非常に高分子量となるために、溶融押出製造時の押出成形が非常に難しく、かつ被覆成型の観点から、被覆内部の残留応力が大きくなり、管端切断加工時に、容易に被覆割れが発生し、実用上不具合が発生し、安定した積層被覆鋼管を得ることができない。したがって、その範囲を１００〜３０００ＭＰａとする。好ましい範囲は５００〜２５００ＭＰａとする。

断熱ポリオレフィン発泡層の膜厚を１〜１００ｍｍとする。膜厚１ｍｍ未満では液体輸送管等の過激な条件下での保温効果が十分でなく、また、１００ｍｍを超える膜厚ではその効果は飽和しコスト高となることから、その範囲を１〜１００ｍｍとした。好ましくは３〜５０ｍｍとする。

また、発泡ポリオレフィン被覆層の密度を、０．２〜０．９ｇ／ｃｍ³ とした理由は、密度０．２ｇ／ｃｍ³ 未満では、発泡倍率が過剰に大きく、被覆の圧縮強度が弱すぎる課題がある。一方、０．９ｇ／ｃｍ³ を超えると発泡倍率が低く、被覆の断熱性が低すぎる課題がある。したがって、その範囲を０．２〜０．９ｇ／ｃｍ³ とした。

以上、鋼管、接着剤あるいは粘着層、防食層および中空粒子をポリオレフィン樹脂中に添加した発泡層を順次形成させた断熱発泡ポリオレフィン被覆鋼管を主体に説明してきましたが、これに限定するものでなく、防食層と発泡層間にさらに粘着層等を設けて、防食層と発泡層との密着性をより高めることが可能となる。さらに、断熱被覆鋼管の耐衝撃性、耐傷付き性を向上させる目的により、本発明の断熱発泡ポリオレフィン被覆の保護層として、最外被覆層にポリエチレン、或いはポリプロピレン系樹脂をさらに積層させることは本発明の目的を些かも変更するものでない。むしろ耐衝撃性、耐傷付き性を向上させることになる。

また、本発明の断熱ポリオレフィンを最外被覆層として用いる場合には、ポリオレフィン樹脂に耐候性付与を目的とした着色顔料（無機系、或いは有機系）や、その他の耐候剤を適宜添加することも好ましい。さらに、本発明のポリオレフィン層の形成には、丸ダイ被覆、或いはＴダイ被覆の何れの押出被覆する方法でも使用できるし、下層の防食層と同時に、多層押出被覆する方法でも使用できる。

さらに加えて、上述した断熱発泡層管の端部からの水侵入を抑制するために、断熱発泡層の被覆端部にテーパー加工を施したり、この端部にシール材を塗布することにより、本発明の断熱発泡ポリオレフィン被覆の保護層をより高度な防食により長期間の寿命を安全に保持することを可能にすることも、本発明の目的を達成する手段である。

以下、本発明について実施例によって具体的に説明する。
鋼管（ＳＧＰ２００Ａ×５５００×５．８ｔ）の外面をグリットブラスト処理して除錆し、表面処理剤を塗布した後、乾燥した。表面処理した鋼管外面に、さらにエポキシプライマーを静電塗装し、鋼管を高周波誘導加熱で表面温度が２００℃になるように加熱し硬化させた。その表面に、変性ポリオレフィン、ポリオレフィンおよび発泡ポリオレフィン（引用文献５に開示される方法で得た中空粒子）を押出被覆しながら、順次積層し、水冷して本発明による断熱ポリオレフィン被覆鋼管を製造した。この断熱ポリオレフィン被覆鋼管の性能を表１および表２に示す。なお、断熱発泡ポリオレフィン被覆鋼管の性能としては、（１）保温特性の評価、（２）押出特性の評価、（３）圧縮特性の評価の３種類の試験を実施して、総合評価を実施した。

（１）保温特性の評価は、各種断熱発泡ＰＰ被膜鋼管による屋外送水試験を実施し、送水管入り側と出側との温度差を測定した。なお、屋外送水試験では、上記記載の２００Ａ断熱ポリオレフィン被覆鋼管を用い、１００ｍ送水試験設備に設置した後、事前に昇温設備により所定の温度（５０℃）まで、昇温した温水を送水圧力５ｋｇ／ｃｍ² で送水させた。この時の外気温は５℃である。

（２）押出特性の評価は、１５０ｍｍφ押出機による押出被覆性を評価した。
（３）圧縮特性は、断熱ポリオレフィン被覆鋼管を発泡層にて、ダンネジの上に２段積み（俵積み）した場合の発泡層の圧縮変形程度を評価した。なお、圧縮変形の程度は、その圧縮程度が初期膜厚の９０％以下までに圧縮されたか否かを観察し評価した。その結果、各特性について優れているものを○、劣るものを×で表示した。

表１に示す、Ｎｏ．１〜４８は本発明例であり、表２に示す、Ｎｏ．４９〜８８は比較例である。

比較例Ｎｏ．４９〜５２は発泡開始温度が低く、かつ発泡樹脂層の密度が大きいために、保温特性が劣る。比較例Ｎｏ．５３〜５６は発泡保持時間が長く、かつ発泡樹脂層の密度が大きいために、保温特性が劣る。比較例Ｎｏ．５７〜６０は中空粒子の樹脂圧力が高く、かつ発泡樹脂層の密度が大きいために、保温特性が劣る。比較例Ｎｏ．６１〜６４は中空粒子の樹脂圧力が低く、かつ発泡樹脂層の密度が大きいために、保温特性が劣る。比較例Ｎｏ．６５〜６８は中空粒子の添加量が少なく、かつ発泡樹脂層の密度が大きいために、保温特性が劣る。

比較例Ｎｏ．６９〜７２は中空粒子の添加量が多いために、押出特性が劣る。比較例Ｎｏ．７３〜７６は発泡樹脂層の密度が小さいために、圧縮特性が劣る。比較例Ｎｏ．７７〜８０は発泡樹脂層の膜厚が薄いために、保温特性が劣る。比較例Ｎｏ．８１〜８４はポリオレフィン樹脂の引張弾性率が低いために、圧縮特性が劣る。比較例Ｎｏ．８５〜８８はポリオレフィン樹脂の引張弾性率が高いために、押出特性が劣る。これに対し、本発明例であるＮｏ．１〜４８はいずれも本発明の条件を満たしていることから、その特性である保温性、押出特性および圧縮特性に極めて優れていることが分かる。

以上のように、本発明の断熱ポリオレフィン被覆鋼管をパイプラインの建設工事に用いることによって、輸送時や施工時に受ける衝撃、あるいは圧縮に対して優れた衝撃・圧縮特性を発揮し、特に輸送時の長時間の保温性を安定して保持することができる断熱性の優れた断熱ポリオレフィン被覆鋼管を提供するものである。

本発明に係る断熱発泡ポリオレフィン被覆鋼管の１部断面を示す図である。

１ 鋼管
２ 接着層あるいは粘着層
３ 防食層
４ 中空粒子をポリオレフィン樹脂中に添加した発泡層


特許出願人 日鉄防蝕株式会社 他２名
代理人 弁理士 椎 名 彊

Claims (3)

1. 下地処理を施した鋼管の外面に、接着層および防食層を順次積層し、その上部表面に、外殻がポリメタクリルニトリルとメタクリル酸の共重合反応により形成するポリメタクリルイミド構造を有する共重合体よりなる熱発泡性中空粒子を０．０１〜２０質量％ポリオレフィン樹脂中に添加することによって密度を０．２〜０．９ｇ／ｃｍ ^３ とした発泡層を積層したことを特徴とする断熱発泡ポリオレフィン被覆鋼管。
2. 請求項１に記載のポリオレフィン樹脂は、引張弾性率が、１００〜３０００ＭＰａの範囲を有することを特徴とする断熱発泡ポリオレフィン被覆鋼管。
3. 請求項１に記載の発泡層の膜厚を１〜１００mmとすることを特徴とする断熱発泡ポリオレフィン被覆鋼管。
   

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