JP6348885B2 - 圧力容器およびその製造方法 - Google Patents

Description

本発明は、圧力容器およびその製造方法に関する。

圧力容器として、樹脂ライナーの外表面に接着層を介して補強層を形成したものが知られている（例えば、特許文献１参照）。特許文献１には、樹脂ライナーおよび接着層をブロー成形により形成するとともに、補強層を、熱硬化性樹脂（含浸樹脂）に浸したロービングを接着層に巻き付けるいわゆるフィラメントワインディング法により形成し、ロービングの巻き付け後、乾燥炉で補強層の熱硬化性樹脂を硬化させる技術が記載されている。そして、特許文献１には、硬化温度が接着層の融点以上である熱硬化性樹脂を用い、熱硬化性樹脂の硬化工程において接着層を再溶融させる旨が記載されている。

特開２０１５−４３９８号公報

前記熱硬化性樹脂の硬化工程で接着層が再溶融することは、樹脂ライナーと補強層との接着性に関して、化学的結合接着性に加えて物理的結合接着性も高まることとなるので、好ましい。ここで、乾燥炉の雰囲気温度は、樹脂ライナーの軟化に関する許容温度（例えば樹脂ライナーの材料メーカーの加熱時における使用推奨温度）に合わせて設定する必要があるところ、もし乾燥炉の雰囲気温度が熱硬化性樹脂の硬化温度や接着層の融点と同じかそれよりも低い場合には、熱硬化性樹脂の硬化が不十分となったり、接着層が再溶融しないという問題が生じる。

本発明はこのような課題を解決するために創作されたものであり、加熱時の雰囲気温度が補強層の熱硬化性樹脂の硬化温度や接着層の融点よりも低い場合であっても、補強層の熱硬化性樹脂の十分な硬化と接着層の再溶融を可能とする圧力容器の製造方法およびこれにより製造される圧力容器を提供することを目的としている。

前記課題を解決するため、本発明は、内部に気体または液体を収容可能な中空の樹脂ライナーと、前記樹脂ライナーの外側に設けられる接着層と、前記接着層の外側に設けられ、熱硬化性樹脂および強化繊維を含む補強層と、を備える圧力容器の製造方法であって、前記熱硬化性樹脂に硬化剤が添加され、前記熱硬化性樹脂の硬化工程において、前記樹脂ライナーの軟化に関する許容温度以下であり、かつ前記接着層の融点と略同じ雰囲気温度にて前記熱硬化性樹脂を硬化させつつ、前記熱硬化性樹脂および前記硬化剤に起因する自己発熱により、前記接着層の温度を、前記雰囲気温度よりも高い温度であり、かつ前記接着層の融点よりも高い温度まで昇温させて、前記接着層を再溶融させることを特徴とする。

本発明によれば、加熱時の雰囲気温度が補強層の熱硬化性樹脂の硬化温度や接着層の融点と同じかそれよりも低い場合であっても、樹脂ライナーについては樹脂ライナーの許容温度以下に保ちつつ、補強層および接着層については、雰囲気温度よりも高い温度となって、熱硬化性樹脂の十分な硬化と接着層の再溶融を見込める。

本発明によれば、接着層を確実に再溶融させることができる。

また、本発明は、前記接着層の温度が６５℃から８５℃までに昇温する時間を６．５分以下にすることを特徴とする。

本発明によれば、接着層の接着性を一層高めることができる。

本発明によれば、樹脂ライナーについては樹脂ライナーの許容温度以下に保ちつつ、補強層および接着層については、加熱時の雰囲気温度よりも高い温度となって、熱硬化性樹脂の十分な硬化と接着層の再溶融を見込める。

圧力容器の断面図である。 硬化剤の添加量を多くした場合の接着層の温度グラフである。 硬化剤の添加量を少なくした場合の接着層の温度グラフである。 接着層が６５℃から８５℃までに昇温する時間を示すグラフである。

本発明の圧力容器は、ＬＰＧ等の低圧ガスや水素ガス等の高圧ガス等を貯留する容器である。図１に示すように、圧力容器１は、容器筐体のコアをなす中空の樹脂ライナー２と、樹脂ライナー２の外側に形成される接着層３と、接着層３の外側に形成される補強層４とを有する。

「樹脂ライナー２」
樹脂ライナー２は、たとえば略定断面の円筒状の胴部５と、胴部５の両端に形成されるドーム部６とを有する。各ドーム部６の頂上にはそれぞれ突起体が形成されている。すなわち、圧力容器１の軸心Ｏと同軸となるように、一方のドーム部６には前記突起体としての口金座７が突設され、他方のドーム部６には前記突起体としての支持部８が突設されている。口金座７の内周には金属製の口金９が、樹脂ライナー２と接着層３のブロー成形時に一体成形として取り付けられる。口金座７は、円筒状に形成され、その内部は容器の内外を連通させる開口部として構成される。支持部８は中実の円柱状に形成されている。

樹脂ライナー２は、その断面構造としては単層、多層のどちらでも構わない。単層構造の場合、一般にはポリエチレン樹脂、具体的には高密度ポリエチレン樹脂が用いられる。多層構造の例としては、例えば一面側から順に、母層、第２接着層、バリア層、第２接着層、母層を有する３種５層構造である。この場合、母層は、例えば、ポリエチレン樹脂、具体的には高密度ポリエチレン樹脂である。第２接着層は、例えば、変性ポリエチレン樹脂から構成される。第２接着層は、その融点が前記接着層３の融点よりも高い接着材から構成される。バリア層は、容器内のガス等の不透過性に優れた樹脂、例えばエチレン−ビニルアルコール共重合体（ＥＶＯＨ）から構成される。

「接着層３」
接着層３は、例えば変性ポリエチレン樹脂から構成される。樹脂ライナー２と接着層３とはブロー成形により一体に形成される。

「補強層４」
補強層４は、図示しない回転装置に樹脂ライナー２の口金座７および支持部８を支持させ、樹脂ライナー２を軸心Ｏ回りに回転させてストランドの束からなるロービング（強化繊維）を樹脂ライナー２の表面に巻き付けるフィラメントワインディング法により形成される。

ロービングの含浸樹脂は熱硬化性樹脂であり、例えばビニルエステルである。熱硬化性樹脂には硬化材が添加されている。硬化材は、例えばパーオキシエステルおよびパーオキシジカーボネートである。

ロービングの巻き付け後、圧力容器１を乾燥炉で加熱することで補強層４の熱硬化性樹脂を硬化させる。ここで、乾燥炉の雰囲気温度を、樹脂ライナー２の軟化に関する許容温度（材料メーカーの加熱時における使用推奨温度）以下に設定する場合において、もし乾燥炉の雰囲気温度が補強層４の熱硬化性樹脂の硬化温度や接着層３の融点と同じかそれよりも低いときには、補強層４の熱硬化性樹脂の硬化が不十分となったり、接着層３が再溶融しないという問題が生じる。

この問題に対し、本発明は、補強層４の熱硬化性樹脂の硬化工程において、樹脂ライナー２の軟化に関する許容温度以下の雰囲気温度にて熱硬化性樹脂を硬化させつつ、熱硬化性樹脂および硬化剤に起因する発熱により、接着層３の温度を前記雰囲気温度よりも高い温度まで昇温させる。これにより、乾燥炉の雰囲気温度が補強層４の熱硬化性樹脂の硬化温度や接着層３の融点と同じかそれよりも低い場合であっても、樹脂ライナー２については樹脂ライナー２の許容温度以下に保ちつつ、補強層４および接着層３については、雰囲気温度よりも高い温度となって、熱硬化性樹脂の十分な硬化と接着層３の再溶融を見込める。特に、接着層３の温度をその融点よりも高い温度まで昇温させれば、接着層３を確実に再溶融させることができる。

「実施例」
圧力容器１として、樹脂ライナー２と接着層３とをブロー成形により形成し、図１に示すように接着層３の外表面に温度センサ１０を貼着したうえで、補強層４をフィラメントワインディング法により形成した。温度センサ１０は、胴部５の略中央部の位置（ｂｏｄｙ位置）と、口金座７寄りのドーム部６の位置（ｈｅａｄ位置）と、支持部８寄りのドーム部６の位置（ｔａｉｌ位置）との３カ所に貼着した。

樹脂ライナー２の母層を構成するポリエチレン樹脂として、「日本ポリエチレン株式会社製 ＨＢ１１２Ｒ」を用いた。当該ポリエチレン樹脂の軟化に関する許容温度（材料メーカーの加熱時における使用推奨温度）は８０℃である。
樹脂ライナー２の第２接着層を構成する接着材として、「日本ポリエチレン株式会社製 ＦＴ７１Ａ」を用いた。当該接着材の融点は約１２０℃である。
接着層３の接着材として、「日本ポリエチレン株式会社製 ＭＸ００１」を用いた。当該接着材の融点は約８０℃である。
補強層４の熱硬化性樹脂として、「昭和電工株式会社製 Ｒ８０２Ｕ」を用いた。当該熱硬化性樹脂の硬化温度は約８０℃である。硬化剤として、「日油株式会社製 パーオクタＯ７０ＳおよびパーロイルＴＣＰ」を用いた。

補強層４におけるロービングの巻き付け後、圧力容器１を乾燥炉で加熱した。乾燥炉の雰囲気温度は、樹脂ライナー２の母層を構成するポリエチレン樹脂の許容温度と同じ８０℃に設定し、加熱時間は４０分とした。

乾燥炉の加熱によって補強層４が硬化する際には、補強層４の熱硬化性樹脂のモノマー同士が重合反応して自己発熱する。重合反応は硬化剤で促進され、発熱は一層高まる。これにより、補強層４は、乾燥炉の雰囲気温度の８０℃よりも高い温度まで昇温し、補強層４に隣接する接着層３も、熱伝導によって８０℃よりも高い温度まで昇温する。

ここで、本発明者は、接着層３の所定の温度域での昇温時間と接着強度との関係について着目した。図２および図３は、温度センサ１０（図１）による接着層３の温度グラフであり、縦軸が温度、横軸が時間である。図２は、硬化剤の添加量を多くした場合、図３は硬化剤の添加量を少なくした場合である。それぞれ、実線グラフはｂｏｄｙ位置、点線グラフはｈｅａｄ位置、一点鎖線グラフはｔａｉｌ位置の測定グラフを示す。

図２および図３において、６５℃近辺から８５℃近辺までに昇温する時間は、ｂｏｄｙ位置、ｈｅａｄ位置、ｔａｉｌ位置のいずれにおいても、図２の方が短い。具体的には、図２の例（実験例１という）では、６５℃から８５℃までの昇温時間は、ｂｏｄｙ位置で６．１分、ｈｅａｄ位置で５．４分、ｔａｉｌ位置で５．８分であった。図３の例（実験例２という）では、６５℃から８５℃までの昇温時間は、ｂｏｄｙ位置で１１．３分、ｈｅａｄ位置で８．６分、ｔａｉｌ位置で９．０分であった。図４は、実験例１および実験例２における６５℃から８５℃までの昇温時間を示すグラフである。また、図４において、実験例３（温度グラフは図示せず）の６５℃から８５℃までの昇温時間は、ｂｏｄｙ位置で６．５分、ｈｅａｄ位置で５．９分、ｔａｉｌ位置で６．５分であった。

圧力容器１を乾燥炉から取り出して、接着層３の接着強度、つまり樹脂ライナー２と補強層４との接着状態について、剥離試験（アドヒージョン試験）を行った結果、ｂｏｄｙ位置、ｈｅａｄ位置、ｔａｉｌ位置の全てにおいて、実験例１および実験例３の方が実験例２よりも接着性が一層良好となることが判った。本発明者は、実験例１〜３の他にも硬化剤の添加量を変えて圧力容器１を多数試作して剥離試験を行った結果、接着層３の温度が６５℃から８５℃までに昇温する時間が６．５分（６分３０秒）以下となった場合に、より良好な接着性が得られることが判明した。６５℃から８５℃までに昇温する時間は、硬化剤の添加量を多くするほど短くすることができる。樹脂ライナー２の第２接着層を接着層３よりも高い融点の材料とすれば、第２接着層が再溶融することを防ぐことができる。

以上のように、樹脂ライナー２の軟化に関する許容温度以下の雰囲気温度にて補強層４の熱硬化性樹脂を硬化させつつ、熱硬化性樹脂および硬化剤に起因する発熱により、接着層３の温度を前記雰囲気温度よりも高い温度まで昇温させる圧力容器の製造方法によれば、樹脂ライナー２については樹脂ライナー２の許容温度以下に保ちつつ、補強層４における熱硬化性樹脂の十分な硬化と接着層３の再溶融を見込める。特に、接着層３の温度をその融点よりも高い温度まで昇温させれば、接着層３を確実に再溶融させることができるので、樹脂ライナー２と補強層４との接着性に関して、化学的結合接着に加えて物理的結合接着性を高めることができる。さらに、接着層３が６５℃から８５℃までに昇温する時間を、６．５分以下とすれば、接着性をより高めることができる。

１ 圧力容器
２ 樹脂ライナー
３ 接着層
４ 補強層

Claims (4)

1. 内部に気体または液体を収容可能な中空の樹脂ライナーと、
   前記樹脂ライナーの外側に設けられる接着層と、
   前記接着層の外側に設けられ、熱硬化性樹脂および強化繊維を含む補強層と、
   を備える圧力容器の製造方法であって、
   前記熱硬化性樹脂に硬化剤が添加され、
   前記熱硬化性樹脂の硬化工程において、
   前記樹脂ライナーの軟化に関する許容温度以下であり、かつ前記接着層の融点と略同じ雰囲気温度にて前記熱硬化性樹脂を硬化させつつ、前記熱硬化性樹脂および前記硬化剤に起因する自己発熱により、前記接着層の温度を、前記雰囲気温度よりも高い温度であり、かつ前記接着層の融点よりも高い温度まで昇温させて、前記接着層を再溶融させることを特徴とする圧力容器の製造方法。
2. 前記接着層の温度が６５℃から８５℃までに昇温する時間を６．５分以下にすることを特徴とする請求項１に記載の圧力容器の製造方法。
3. 請求項１または請求項２に記載の製造方法により製造された圧力容器。
4. 前記樹脂ライナーは、母層と、バリア層と、前記接着層の融点よりも高い融点を有する第２接着層と、を含む多層構造であることを特徴とする請求項３に記載の圧力容器。

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