KR100805787B1 - 나선상 개스킷 및 이에 사용되는 밀봉 스트립의 제조 방법 - Google Patents

Abstract

나선상 개스킷이 개시된다. 상기 개스킷은 나선형으로 감긴 밀봉 스트립(11) 및 나선형으로 감긴 지지 스트립(11)을 포함하며, 상기 밀봉 스트립의 나선은 지지 스트립의 코일 사이에 삽입되어 형성된다. 밀봉 스트립은 탄성 물질을 포함하고, 탄성 물질은 최소한 밀봉 스트립의 25중량%의 비율로 CEV 성분을 포함한다. CEV 성분은 최소한 부분적으로 건조 CEV로부터 유도되고, 한 태양에서 밀봉 스트립은 캐리어 스트립을 포함하지 않는다. 또 다른 태양에서, CEV 성분은 최소한 부분적으로 건조 CEV로부터 유도되고, 밀봉 스트립은 상기 개스킷으로 감기는 동안에 밀봉 스트립 탄성 물질의 3 내지 20중량%의 수분 함량을 갖는다. 밀봉 스트립을 제조하는 방법이 또한 개시된다.

나선상 개스킷, 밀봉층, 화학적으로 표층박리된 질석

Description

나선상 개스킷 및 이에 사용되는 밀봉 스트립의 제조 방법{Spirally wound gaskets and method of producing a sealing strip for the same}

본 발명은 개스킷에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는, 화학적으로 표층박리된 질석(chemically exfoliated vermiculite)에 기초한, 향상된 물성의 밀봉층(sealing layer)을 구비한, 나선상 개스킷(spirally wound gasket)에 관한 것이다.

표층박리된 질석(exfoliated vermiculite)은 공지의 내열성 탄성재료이다. 표층박리된 질석은 통상적으로 광물 질석을 가스를 이용하여 팽창시켜서 제조되는 데, 이를 여기서는 "가스 표층박리된 질석(gas-exfoliated vermiculite)"으로 지칭한다. 가스는 열적으로 생성될 수 있는 데, 이 경우의 생성물은 "열적으로 표층박리된 질석(thermally exfoliatedvermiculite; TEV)으로 불린다. TEV는 광물 질석을 750 ~ 1000℃로 플래쉬 가열(flash heating)하여 제조될 수 있는 데, 이 온도에서 광석의 수분(자유수 및 결합수)은 급속히 기화하며, 이온 반발력이 광물을 구성하는 실리케이트 시트를 분리시켜 상기 시트 면에 수직하게 10 ~ 20배 팽창시킨다. 생성된 그래뉼(granule)은 원료와 거의 동일한 화학 조성(수분의 상실을 제외하고)을 갖는다. 가스 표층박리된 질석은, 또한 예를 들면 과산화수소수와 같이 실리케이트 시트의 사이로 침투한 후, 예를 들면 산소와 같은 가스를 생성하여 표층박리 를 일으키는 액체 화학약품으로 원료 질석을 처리하는 것에 의하여도 제조될 수 있다.

다른 형태의 표층박리된 질석은 "화학적으로 표층박리된 질석(chemically-exfoliated vermiculate; CEV)'으로 알려져 있는 데, 이는 광석을 처리한 후 물에서 팽창시키는 것에 의하여 형성된다. 하나의 가능한 제조방법에 있어서, 광석을 포화염화나트륨 용액으로 처리하여 마그네슘 이온을 나트륨 이온으로 이온교환하고, 이어서 n-부틸 암모늄 클로라이드로 처리하여 나트륨 이온을 n-C₄-H₉NH₃ 이온으로 치환한다. 물로 수세하면 팽창하기 시작한다. 이어서 팽창된 물질에 큰 전단력을 가하여 매우 미세한(직경이 50미크론 이하) 질석 입자의 수성 서스펜션을 얻는다.

표층박리된 질석을, 예를 들면 자동차 헤드 개스킷과 같은 시트 개스킷의 층으로서 또는 다른 목적으로 이용하는 것은 공지이다. 예를 들면, 영국 특허 GB 2,193,953B는 가스 표층박리 질석의 입자로부터 시트상 개스킷을 제조하는 것을 개시한다. 이러한 입자는 잘 응집하지 않으므로 이들을 CEV 미립자로써 결합시킨다. 다른 무기 바인더를 사용하면 비압축성 구조가 생성되는 데 비하여, 바인더로서 CEV를 사용하면 내열성 및 탄성을 유지한다. 그러나, 비록 표층박리된 질석이 우수한 내열성 및 고탄성도를 갖지만, 내수성은 불량하다. 또한, 이러한 제품은 저고형분 함량에서 높은 수분함량을 갖는 CEV를 이용하여 제조되었는데, CEV 함유 재료가 수분의 탈출을 막는 표면 스킨을 형성하는 경향이 있기 때문에 제조 도중 심각한 건조 문제가 발생한다.

나선상 개스킷(spirally wound gasket)은 잘 알려진 것으로서, 통상적으로 강철로 형성된 금속 지지 스트립, 및 통상적으로 발포 그래파이트(expanded graphite)(표층박리 그래파이트(exfoliated graphite)라고도 불리운다)와 같은 탄성재료로 이루어진 밀봉 스트립으로 형성된다. 종래의 나선상 개스킷의 제조공정에 있어서, 강철 지지 스트립은 맨드렐 상으로 공급된다. 강철 지지 스트립은 자신끼리 용접되어 맨드렐의 둘레에 폐루프를 형성하거나, 또는 이와 달리 맨드렐에 장착된 개스킷의 내부 링에 용접된다. 이어서 맨드렐이 회전하여 그 이상의 지지 스트립을 맨드렐 상으로 잡아당겨 평면 나선을 형성한다. 동시에, 밀봉 스트립이 강철 스트립 코일의 사이로 잡아당겨져 밀봉 스트립 나선이 지지 스트립 코일의 사이에 삽입된 채로 형성된다. 개스킷 나선이 완성될 때, 강철 지지 스트립은 자신끼리 용접되어 개스킷의 외부에서 폐루프를 형성하고, 개스킷은 맨드렐상에서 제거된다. 이러한 개스킷은, 예를 들면, 파이프의 단부에서 플랜지 사이에 밀봉을 형성하는 데에 이용된다. 지지 스트립은 밀봉 스트립을 정위치로 유지시키고, 밀봉 스트립은 플랜지 사이 및 지지 스트립 코일 사이에서 밀봉을 형성한다.

위의 나선상 개스킷 제조방법의 설명으로부터 개스킷의 밀봉 스트립은 파단없이 나선상으로 잡아 당겨져 개스킷을 형성할 수 있도록 충분한 강도 및 유연성을 구비하여야 한다는 것이 분명해질 것이다. 발포 그래파이트 포일로 형성된 밀봉 스트립은 비교적 깨지기 쉽지만(brittle) 충분한 강도를 갖는다.

많은 경우, 나선상 개스킷이 높은 내열성을 갖는 것이 바람직하다. 그러나, 종래의 개스킷에 있어서, 내열성은 소망치 보다 작은 발포 그래파이트의 내열성 때문에 제한된다.

본 발명의 최소한 몇몇 바람직한 구체예의 또 다른 목적은 밀봉 스트립이 증가된 내열성을 갖는 나선상 개스킷을 제공하는 것이다.

WO98/53022는 탄성 물질의 깨짐을 방지하기 위해 캐리어(carrier) 스트립을 구비하는, CEV 조성물로부터 생산된 밀봉 스트립을 갖는 나선상 개스킷의 가능성을 개시하고 있으며, 상기 캐리어 스트립의 부존재 시에는 나선상 개스킷을 형성하기에는 탄성 물질이 너무 부서지기 쉽다. 이러한 기술은 탄성층을 슬리팅(slitting)하는 도중에 캐리어 스트립의 데라미네이션(delamination)이라는 문제점을 야기할 수 있다. 결과적으로, 어떤 경우에는 캐리어 스트립의 데라미네이션을 방지하기 위하여 탄성층에 접착제가 부가된다.

불행하게도, 접착제를 부가하는 것은 탄성층의 유기물 함량을 증가시키고, 유기물 성분은 상승된 온도에서 연소하여 물질을 통한 균열 경로, 축소, 및 응력(stress) 완화를 제공하는 공동(void)을 야기하는 경향이 있다.

더욱이, 캐리어 스트립의 사용은 공정 비용과 복잡성을 증가시킨다. 캐리어 스트립을 구비한 그래파이트의 사용이 균열 문제를 야기하지 않으므로, 깨지기 쉬운 질석 물질에 캐리어 스트립 기술을 적용하는 방법들이 진행 중이지만, 현재까지 효과적인 해결책은 없는 실정이다.

본 발명의 최소한 몇몇 바람직한 구체예의 다른 목적은 향상된 내수성을 갖는 밀봉층을 포함하는 나선상 개스킷을 제공하는 것이다. 본 발명의 또 다른 목적 은 응력 잔율(stress retention)의 손실이 감소되고 낮은 크리프(creep)를 갖는 밀봉층을 갖는 나선상 개스킷을 제공하는 것이다. 본 발명의 또 다른 목적은 놀라운 개선점들을 갖는 나선상 개스킷을 제공하는 것이다.

본 발명의 제1 태양에 따르면, 나선형으로 감긴 밀봉 스트립 및 나선형으로 감긴 지지 스트립을 포함하는 나선상 개스킷으로서, 상기 밀봉 스트립의 나선이 지지 스트립의 코일 사이에 삽입되어(interposed) 형성되고, 상기 밀봉 스트립은 탄성 물질을 포함하며, 상기 탄성 물질은 CEV 성분을 최소한 밀봉 스트립의 25중량%의 비율로 포함하고, 상기 CEV 성분은 최소한 부분적으로 건조 CEV로부터 유도되며, 상기 밀봉 스트립은 캐리어 스트립을 포함하지 않는, 나선상 개스킷이 제공된다.

바람직하게는, 탄성 물질은 또한 상기 밀봉 스트립의 내수성을 향상시키기 위한 내가수분해성 폴리머를 포함하며, 상기 폴리머의 비율은 밀봉 스트립의 20중량%를 초과하지 않는다.

놀랍게도, CEV를 상기 수준 정도로 사용하는 것은 밀봉 스트립이 캐리어 스트립의 사용 없이도 나선으로 감길 수 있도록 충분한 강도를 부여하는 것으로 밝혀졌으며, 이는 지금까지 질석 사용이, 캐리어 스트립의 사용 없이 나선으로 감기 위한 목적으로 사용하기에는, 밀봉 스트립을 너무 부서지기 쉽게 하는 것으로 알려져 왔던 것과는 반대의 사실이다.

바람직하게는, 탄성 물질은 판상 충진재(plate like filler material), 바람 직하게는 분쇄된(milled) 충진재를 더 포함한다.

바람직하게는, 밀봉 스트립은 나선으로 감는 도중, 바람직하게는 밀봉 스트립 또는 층이 형성된 성형 시트(forming sheet)로부터 제거하는 도중에 약간의 수분 함량을 갖는다.

바람직하게는, 수분 함량은 스트립의 부스러짐성(brittleness)을 충분히 감소시키거나, 또는 스트립의 응집성(cohesion)을 충분히 증가시켜, 상기 나선형 감기 및 스트립의 쪼개짐(splitting)이나 찢어짐(tearing)과 같은 피해가 없이 성형 시트로부터 제거를 가능하게 한다.

불명료함을 피하기 위하여, 본 발명의 나선상 개스킷은 고정 부품들 사이의 통상적인 밀봉을 제공할 수도 있다. 후자의 예로는 밸브 스템(valve stem) 밀봉이 있다.

바람직하게는, 상기 CEV의 함량은 최소한 밀봉 스트립의 30중량%이며, 더욱 바람직하게는 최소한 밀봉 스트립의 35중량%이다.

통상적으로, 상기 CEV의 함량은 밀봉 스트립의 25 내지 80중량%의 범위, 더욱 통상적으로는, 밀봉 스트립의 30 내지 75중량%, 가장 통상적으로는, 밀봉 스트립의 35 내지 70중량%의 범위 내이다.

바람직하게는, 상기 폴리머의 함량은 밀봉 스트립의 15중량% 이하이며, 더욱 바람직하게는, 10중량% 이하이다. 특히 바람직한 폴리머의 함량은 7.5중량% 이하이며, 더욱 특히 바람직한 폴리머의 함량은 밀봉 스트립의 1.0 내지 7.5중량%의 범위 내이다.

바람직하게는, 본 발명의 화학적으로 표층박리된 질석 성분은 충분한 건조 CEV를 포함함으로써, 많은 스킨이 형성되기 전에 건조될 수 있을 정도로 감소된 수분 함량을 갖는 액상 밀봉층 반죽(dough)을 제공한다.

내가수분해성 폴리머라는 용어는 실리콘계 및 탄소계 기초 엘라스토머(elastomer) 폴리머와 같은 임의의 적당한 엘라스토머를 포함한다. 본 발명에 사용될 수 있는 적당한 폴리머는 니트릴 부타디엔 고무, 스티렌 부타디엔 고무, 천연 고무, 부틸 고무, 실록산(특히 디알킬 실록산과 같은 유기 실록산) 및 에틸렌프로필디엔 모노머를 포함한다. 디엔계 폴리머는 유연하고 내가수분해성을 지니고 있어서 적합하다.

지지 스트립은 임의의 적당한 지지 물질로 제조될 수 있으며, 이와 함께 밀봉층이 감겨 나선상 개스킷을 형성할 수 있다. 적당한 지지 스트립 물질들은 스테인레스 스틸 및 얇은 스트립의 형태를 갖는 인코넬(Inconel) 및 하스톨로이(Hastoloy)와 같은 특수한 합금들을 포함할 수 있다.

본 발명의 제2 태양에 따르면, 나선형으로 감긴 밀봉 스트립 및 나선형으로 감긴 지지 스트립을 포함하는 나선상 개스킷으로서, 상기 밀봉 스트립의 나선이 지지 스트립의 코일 사이에 삽입되어 형성되고, 상기 밀봉 스트립은 탄성 물질을 포함하며, 상기 탄성 물질은 CEV 성분을 최소한 밀봉 스트립의 25중량%의 비율로 포함하고, 상기 CEV 성분은 최소한 부분적으로 건조 CEV로부터 유도되며, 상기 밀봉 스트립은 상기 개스킷으로 감기는 동안 수분을 밀봉 스트립 탄성 물질의 3 내지 20중량%의 수준으로 갖는, 나선상 개스킷이 제공된다.

바람직하게는, 감기는 동안 밀봉 스트립의 수분 함량은 밀봉 스트립 탄성 물질의 2 내지 10중량% 이내이며, 가장 바람직하게는 3 내지 5중량%이다.

바람직하게는, 밀봉 스트립은 80%의 탄성 물질을 포함하며, 더욱 바람직하게는 90%의 탄성 물질, 가장 바람직하게는, 밀봉 스트립은 실질적으로 전부 탄성 물질로 구성된다.

본 발명의 본 태양에 따른 밀봉 스트립은 캐리어 스트립을 포함하거나 또는 포함하지 않을 수 있다.

본 발명의 제3 태양에 따르면, 하기의 단계들을 포함하는, 본 발명의 제1 및 제2 태양에 따른 나선상 개스킷에 사용되는 밀봉 스트립을 제조하는 방법이 제공된다:

(a) 액상 밀봉 스트립 물질을 성형 시트에 가하여 층을 형성하는 단계,

(b) 성형 시트 위의 상기 액상 밀봉 스트립 층을 부분적으로 건조하는 단계,

(c) 성형 시트로부터 층을 제거하는 단계, 및

(d) 상기 층을 나선상 개스킷의 제조에 사용되기에 적당하게 스트립으로 절단하는 단계.

바람직하게는, 건조 단계 이전의 상기 액상 밀봉 스트립 물질의 고형분 함량은 상기 물질의 20 내지 70중량%이다.

또한, 상기 (c) 단계를 (d) 단계 이후에 수행하는 것도 고려할 수 있다.

바람직하게는, 성형 시트는 액상 밀봉 스트립 층에 가해진 건조 온도를 견뎌낼 수 있다. 성형 시트는 스테인레스 스틸, PTFE와 같은 비활성 폴리머, 또는 층이 부착되지 않는 적당한 다른 물질일 수 있다.

바람직하게는, 상기 밀봉 스트립 층의 고형분 함량은 상기 액상 물질의 25 내지 60중량% 범위 내, 더욱 바람직하게는, 액상 물질의 30 내지 55중량% 범위 내, 가장 바람직하게는, 액상 물질의 35 내지 50중량%의 범위 내에 있다.

바람직하게는, 본 발명의 임의의 태양에 따라, CEV는 열적으로 표층박리된 질석(thermally exfoliated vermiculate, TEV)과 같은 적당한 판상 충진재(plate-like filling agent)와 혼합된다. 바람직하게는, 상기 충진재는 분쇄되어진다. 바람직하게는, 상기 충진재는 상기 밀봉 스트립의 75중량% 이하, 더욱 바람직하게는, 밀봉 스트립의 70중량% 이하, 가장 바람직하게는 밀봉 스트립의 65중량% 이하로 포함된다. 바람직하게는, 성형 시트로부터 제거되는 동안의 상기 부분 건조 층의 수분 함량은 3 내지 20중량%, 더욱 바람직하게는, 5 내지 15%, 가장 바람직하게는, 7 내지 13%이다. 성형 시트는 연속적이거나 또는 그렇지 않은 이동식 벨트일 수 있다. 많은 경우에 있어서 층 내의 TEV 함량은 55중량% 이하이다.

상기 성형 시트로부터 상기 밀봉층 물질의 제거 이후에 건조 단계가 더 수행될 수도 있다.

본 발명에 따른 액상 밀봉 스트립 층 물질 반죽은 50 내지 135℃, 더욱 바람직하게는, 60 내지 130℃, 가장 바람직하게는, 80 내지 125℃ 사이의 온도에서 건조될 수 있다. 물질은 또한 실온 근방에서 건조될 수 있으나, 이 경우에는 상품화가 어렵다는 점을 고려하여야 한다.

바람직하게는, 액상 밀봉 스트립 물질은 닥터 블레이드(doctor blade)의 응 용과 같은 적당한 분무(spreading) 기술을 사용하여 성형 시트 위에 분무되어진다. 캘린더링(calendering) 또한 고려되어질 수 있다.

바람직하게는, 액상 밀봉 스트립 물질은 분무 가능한 페이스트의 형태이며, 바람직하게는, 묽은 페이스트 또는 진한 슬러리 농도(consistency)가 이용된다.

바람직하게는, 건조 밀봉 스트립 성분 중의 비건조 유도 CEV의 건조 CEV에 대한 상대적 비율은 0.01:1에서 20:1 사이, 더욱 바람직하게는, 0.05:1에서 10:1 사이, 가장 바람직하게는, 0.1:1에서 4:1 사이이다.

CEV가 본 발명에 따른 나선상 개스킷의 기체 표층박리된 질석, 예를 들어 TEV에 비하여 상대적으로 고가의 물질이므로, 탄성층은 또한 기체 표층박리된 질석의 입자를 함유할 수 있으며, 예를 들어 스트립이 CEV 입자와 결합된 기체 표층박리된 질석의 입자를 함유할 수 있다.

사용되는 물질은 분쇄되거나 또는 다른 방법에 의하여 입자 크기에 있어서 50㎛ 이하의 입자 크기로 감소되지만, 바람직하게는, 최소한 실질적인 비율, 예를 들면 CEV 중 최소한 90%의 입자 크기가 50㎛ 이상이며, 바람직하게는, 50 내지 300㎛, 더욱 바람직하게는, 50 내지 250㎛, 가장 바람직하게는, 50 내지 200㎛이다. 다른 가능한 첨가제에는 탈크(talc), 운모(mica), 및 표층박리되지 않은 질석이 포함된다.

건조 CEV라 함은, 수분 함량이 20중량% 이하, 더욱 바람직하게는, 10중량% 이하, 가장 바람직하게는, 5중량% 이하인 CEV를 의미한다.

바람직하게는, 액상 물질 중의 CEV 성분은 건조 CEV와 슬러리 형태의 이용 가능한 CEV의 혼합물을 포함한다. 그러나, 허용 가능한 고형분 함량을 제공하기 위 해서는 충분한 양의 건조 CEV를 사용할 필요가 있다. 액상 물질 중에 고형분 함량이 높은 경우에는 본 발명에 따른 높은 고형분 함량을 유지하는 동안 후속 건조 공정에서 스키이 형성되는 것을 감소시키는데 도움이 된다.

바람직하게는, 상기 건조 CEV는 적절한 건조 기술에 의하여 제조된다. 적절한 건조 기술은 하기의 기술들을 포함한다:

케이크 건조 및 미분쇄(cake drying and pulverizing);

필름 건조 및 미분쇄(film drying and pulverizing);

로타리 핫 에어 건조(rotary hot air drying);

스프레이 건조(spray drying);

냉동 건조(freeze drying);

공기 건조(pneumatic drying);

부분적으로 건조된 고형분의 유동상 건조(fluidised bed drying); 및

진공 선반 건조를 포함하는 진공 방법(vacuum methods including vacuum shelf drying).

바람직하게는, 본 발명의 임의의 태양의 임의의 특징 또는 임의의 바람직한 특징은 제1 태양과 결합될 수 있으며, 따라서 제2 태양의 방법은 제1 태양과 관련하여 해석되어야 한다.

사용 시에는, 상기 내가수분해성 폴리머는 커플링제에 의하여 질석에 커플링될 수 있다.

본 발명의 이러한 바람직한 태양에 따른 나선상 개스킷에 있어서, 층이 질석 및 커플링제만을 함유한 물질보다 더 내수성을 갖는 것을 알 수 있었으며, 또한 질석 및 폴리머만을 함유한 물질보다도 더 내수성을 갖는 것을 알 수 있었다.

커플링제는, 예를 들어 트리에톡시 비닐 실란(CH₃CH₂O)₃SiCH=CH₂)과 같은 비닐기를 갖는 실란과 같은 실란(silane)일 수 있다.

탄성 물질이 표층박리되지 않은 (팽창성) 질석을 포함할 수 있으며, 이는 개스킷을 가열하는 경우에, 예를 들어 인-시튜(in-situ)적으로, TEV를 형성하여 탄성층을 팽창시켜 밀봉을 향상시킨다.

탄성 물질은 접착제에 의하여 지지 스트립에 결합되어질 수 있으나, 기계적으로 결합되는 것이 유리할 수 있다. 그러나, 바람직하게는, 어떠한 접착제도 요구되어지지 않는다.

바람직하게는, 지지 스트립은 탄성 물질에 결합되지 않은 말단 부위를 갖고, 이러한 말단 부위는 개스킷의 형성 시에 용접될 수 있다.

본 발명의 어느 한가지 태양에 따른 나선상 개스킷에 있어서, 판상 충진재 입자는, 존재 시에, 그들 자신을 스트립의 평면 내로 위치시키는 경향이 있어서, 많은 수의 작은 판 용수철(leaf spring)처럼 작용하여 밀봉을 향상시킨다.

본 발명의 어느 한가지 태양에 따르면, 판상 충진재는 활석, 몰리브덴 이황화물, 6방정계 붕소 질화물(hexagonal boron nitride), 동석(soapstone), 납석(pyrophyllite), 분쇄된 열적으로 표층박리된 질석, 운모, 플루오로운모(fluoromica), 분말 그래파이트, 유리 박편(glass flake), 금속 박편, 세라믹 박편, 또는 카올리나이트(kaolinite)로 이루어진 군으로부터 선택될 수 있다. 그러나, 특히 바람직한 질석 물질은 판 크기가 실질적으로, 예를 들면, 최소한 90%가 50 내지 300㎛의 범위 내에 있는 것으로서, 예를 들어 W R Grace & Co.에서 구입 가능한 FPSV이다. FPSV는 W R Grace & Co.의 등록상표이다.

일반적으로, 판상 충진재는 평균 두께의 최소한 3배의 평균 판 넓이를 갖는다.

밀봉층은 판상 충진재의 5 내지 80중량%, 예를 들어 20 내지 50중량%, 바람직하게는, 25 내지 40중량%의 건조 밀봉층에 존재하는 판상 충진재를 포함한다.

본 발명의 어느 한가지 태양의 또 다른 목적은, 표층박리된 질석에 기초한 밀봉 스트립을 포함하며, 상기 스트립은 폴리머 바인더를 포함하여, 스트립이 바인더가 분해되는 온도에서 향상된 밀봉을 제공하는 나선상 개스킷을 제공하는 것이다.

선택적으로, 본 발명의 어느 한가지 태양의 밀봉 스트립은 또한 상기 내가수분해성 폴리머가 분해되는 온도에서 팽창할 수 있도록 선택된 팽창성 물질을 포함한다.

본 발명의 선택적 특징에 따른 나선상 개스킷에 있어서, 바인더의 분해를 야기하는 온도에서, 팽창성 물질은 바인더에 의하여 남겨진 공간을 최소한 부분적으로 채우기 위하여 팽창하며, 따라서 밀봉을 유지하는 데에 도움이 된다.

바람직하게는, 팽창성 물질은 표층박리되지 않은 질석이며, 이는 그것이 표층박리된 후에는 훌륭한 내열성을 갖기 때문이다. 부분적으로 표층박리된 질석, 즉 완전히 표층박리시키는 데에 통상적으로 요구되는 온도보다 낮은 온도에서 표층박리된 질석을 사용할 수도 있다. 표층박리되지 않은 질석 또는 부분적으로 표층박리된 질석은 종래 공지된 방법에 의하여 표층박리가 일어나는 온도를 감소시키기 위하여 처리될 수 있다. 예를 들어 상기 온도는 160℃까지 감소될 수 있다. 다른 가능한 팽창성 물질은 팽창성 그래파이트, 규산 나트륨, 및 진주암(perlite)을 포함한다.

팽창성 물질은 상기 층의 무게로 50중량%까지 형성될 수 있지만, 20중량%까지가 바람직하다.

본 발명을 더욱 잘 이해하기 위하여, 지금부터 첨부한 도면을 참고하여 예를 들어가며 본 발명의 실시예를 설명하기로 하며, 도 1 및 2는 통상적인 나선상 개스킷의 구조를 나타낸 것이다.

먼저 도 1 및 2를 참조하면, 도 1은 연관된 절반의 가이드 링과 함께 완성되는 대략 절반의 나선상 개스킷의 평면도(plan view)이다. 도 2는 도 1의 A-A 선을 따라 취한 단면도(cross-sectional view)이다. 도면은 설명을 위하여 약간 확대하여 나타내었다.

도면에서, 개스킷은 복수개의 "V" 단면 금속 스트립 회전(turn)을 포함한다. 가장 안쪽 회전(12)과 가장 바깥쪽 회전(13)은 개스킷 물질이 없다. 안쪽 자유 말단(14)은 인접하여 밑에 있는 회전에 점 용접(spot welding)에 의하여 고정되고; 바깥쪽 자유 말단(15)은 마찬가지로 점 용접에 의하여 인접하여 밑에 있는 회전에 고정된다. 본 발명에 따라서, 상대적으로 부드러운 개스킷 물질(11)의 복수개의 회 전(11)이, 도 2에 잘 나타나 있는 바와 같이, 감기는 도중에 중간 금속 회전(10)에 끼워져 있다. 전체적인 나선형 구조는, 따라서 평평한 금속 회전 사이에 끼워진 적층물(laminate)이다.

나선 방사상의 외부 가장자리는 "V" 단면의 정점으로 나타나는 돌출부(17)를 갖는다. 이것은 나선 방사상의 외부 가장자리가 외부 가이드 링(16)에 "물려 들어가는 것"을 가능하게 하며, 그 안쪽 가장자리는 그것을 수용하기 위하여 기계화된 또는 압축화된 홈(18)을 갖는다.

사용 시에, 가이드 링(16)은 일반적으로는, 플랜지된(flanged) 파이프 조인트의 볼트 써클 내에 완성된 개스킷이 중심을 잡도록 하는 데에 사용된다(도면에 명시되지 않음). 볼트는 반대편 플랜지가 나선형으로 감긴 고리(annulus)의 앞면 및 뒷면에 압력을 가할 수 있도록 조여진다. 다음으로 이것은 파이프 플랜지가 가이드 링(16)의 면들에 고정될 때까지 "V"형 단면의 변형을 통하여 점진적으로 압축되어진다. 본 명세서의 다른 곳에서도 서술되는 것과 마찬가지로, 전형적이고, 통상적인 개스킷에서 이것을 달성하기 위해 필요한 하중(loading)은 매우 높다.

이하, 본 발명의 다른 태양들에 따른 실시예에 대한 상세한 설명을 하기로 한다.

시험 방법

개스킷의 기능성을 시험하기 위하여, 가장 적절한 시험 중의 하나는 쉘 석유 회사(Shell Petroleum Company)에 의하여 개발된 것이며, 이 시험이 예들을 평가하기 위하여 사용되었다.

쉘 시험 공정

이것은 시험 샘플(이 경우에는, 4" 클래스 300 나선상 개스킷)을 대기 온도 밀봉 시험에 주입하고, 이어서 상승된 온도 밀봉 시험(450℃)에 주입하는 것을 포함한다. 시험 장치는 Ra=3.2-6.3㎛까지 마감된 밀봉면을 갖는, 2개의 상승면 플랜지로 구성된다. 파이프의 2개의 짧은 길이들이 각각의 플랜지에 용접되어지고, 파이프의 각 섹션은 반대편 말단에서 플랜지에 캡(capped)되어져, 둘러싸인 챔버를 형성한다; 시험 리그(test rig)는 수평 플랜지에 올려지고, 시험 샘플은 그 사이에 올려진다. 전기 가열 요소가 하부 섹션에 구비되고; 기체 공급원으로부터 리그를 분리시키는 밸브를 통과하여 상부 섹션을 통하여 질소가 도입된다.

플랜지 상세 사항은 ASTM A 182 Gr. F11 또는 F12이다.

파이프 상세 사항은 ASTM A 335 P11이다.

플랜지는 8 ×ASTM A 193 Gr. B16 스터드 볼트와 ASTM A 194 Gr 4H 너트를 사용하여 함께 고정되어, 고온 윤활제(황화 몰리브덴 그리스 또는 이와 유사한 것)로 윤활되고; 텐션(tension)은 바람직하게는, 유압 볼트 텐션기기를 사용하여 가하여지며, 허용되는 최종 볼트 응력의 범위는 210 내지 350N/mm²이다(서술된 시험들에서 사용된 응력은 300N/mm²이다). 일단 응력이 가해진 후에는, 시험 공정은 하기와 같다:

1. 용기(vessel)를 51바(bar)(750psi)까지 가압하고, 리그를 기체 공급원으로부터 분리한다. 30분간의 세팅 시간이 경과한 후에, 실제 압력을 측정하고, 1시 간의 간격이 경과한 후에 다시 측정한다.

2. 리그를 감압하고, 100℃/시간의 속도로 450℃까지 가열한 다음, 33바(500psi)까지 다시 가압한다. 리그의 온도를 450℃에서 안정화되도록 한 다음, 실제 출발 압력을 측정하고, 다시 1시간 후에 측정한다. 리그를 대기 온도까지 냉각시키고(어느 경우에든, 50℃ 이하), 다시 가열한다; 450℃에서의 1 시간 휴지가 끝날 때 즈음하여 압력을 측정한 다음, 냉각/가열 순환을 반복한다.

시험 공정은 쉘 문서 "석면 치환체(asbestos substitutes)를 연결, 패킹 및 밀봉의 용도로 사용하기 위한 요구사항"(Dol, Robbe & Voogd; issued May 1992 c/o Shell International Petroleum Maatschappij B. V., The Hague)에 설명되어 있다.

시험 결과의 요약

탄성 스트립으로부터 제조된 개스킷의 시험 결과를 하기에 요약하였다: 모두 내부 및 외부 고리를 갖고, 나선 지지 스트립으로서 316 스테인레스 스틸을 사용하는 ASME B 16.20 4" 클래스 300 나선이었다. 바람직한 구성은 4개의 내부 및 5개의 외부 강철 나선을 갖고, 나선 압력은 일반적으로 40psi를 사용하는 것이다. 폴리머가 없는 스트립을 시험하였으며, 내수성을 향상시키기 위해 (용액으로서) 5% NBR 바인더를 갖는 폴리머 함유 스트립 또한 방법 A에 따라 조성(formulation)마다 시험하였다.

샘플 1 내지 9의 구성과 조성은 하기에 서술하였다.

표 1

샘플 1 내지 9의 요약

샘플 1 폴리머가 없는 충진재; 3개의 내부 나선과 4개의 외부 나선 강철; 40 psi에서 감았음.

샘플 2 상기 사항의 반복.

샘플 3 폴리머가 없는 충진재; 4개의 내부 나선과 5개의 외부 나선 강철; 40 psi에서 감았음.

샘플 4 상기 사항의 반복.

샘플 5 샘플 3과 같으나, 5% NBR 충진재 함유(라텍스로 함유).

샘플 6 샘플 3과 같으나, 5% NBR 충진재 함유(용액으로 함유).

샘플 7 샘플 6과 같고, 20 psi에서 감았음.

샘플 8 샘플 6과 같고, 충진재를 건조하나, 경화^*하지 않았음.

샘플 9 샘플 5와 같으나, 0.05mm 강철 상에 라텍스 기초 충진재(2.5%)를 구비함(시험은 200 psi 및 450℃에서 수행된다. 시험 시에, 500 psi 및 450℃에서, 압력 감소는 450℃에서 0.5시간의 첫 번째 휴지 이후에 허용 불가능한 200 psi(14바)였다.).

* 샘플 5 내지 7은 감기 이전에 충진재가 경화(180℃/1시간)시켰다.

표 2

샘플 1 내지 9의 시험 결과

샘플 RT 압력(바) 온도에서의 압력(바)

초기 최종 초기 1회 순환 2회 순환 3회 순환

1 50.5 50.5 33.4 33.4 32.5 31.8 (1.6)

2. 50.9 50.9 33.6 33.6 33.3 32.1 (1.5)

3 51.2 51.2 33.0 33.0 32.9 32.1 (0.9)

4 51.3 51.3 32.9 32.9 32.1 31.7 (1.2)

5 50.2 50.2 34.1 34.0 32.8 31.8 (2.3)

6 51.2 51.2 33.8 33.7 32.7 31.7 (2.0)

7 51.0 51.9 34.0 34.0 31.4 29.4 (4.6)

8 51.3 51.3 33.0 33.0 31.9 30.9 (2.1)

9 51.4 51.4 14.4 11.8 3.3 2.5 (11.9)

괄호 안의 숫자는 3회의 열적 순환 이후의 압력 감소를 나타낸다.

방법 A

페이스트가 하기와 같이 제조되었다(Z-블레이드 믹서):

그레이스(Grace) 마이크로라이트(Microlite) HTS 분산 18.07kg

그레이스 마이크로라이트 PCEV 분말 9.49kg

그레이스 FPSV 분말 6.58kg

NBR 용액^* 6.10kg

실퀘스트(Silquest) A151 실란^** 0.19kg

NB-FPSV는 미소-분쇄된 TEV이다.

* - 이것은 파펜마이에르(Papenmaier) 고 전단, 고속 용액 믹서에 의하여 제 조된다; 500g의 NBR 가루를 2500g의 톨루엔에 가하고, 5분간 혼합하고(최대 속도), 31.3g의 페르카독스(Perkadox) BK 40B(과산화물 경화제)를 가하고, 5분간 더 혼합한 후, 밀봉 가능한 컨테이너로 옮긴다.

** - 실란(silane) 0.103kg과 등량(에탄올 용액).

a) 실란과 고무 용액을 제외하고 모두 가한다. 5분간 혼합한다.

b) 실란을 가하고, 5분간 혼합한다.

c) NBR 용액을 가하고, 5분간 혼합한다. 깨끗한 플라스틱 백(bag)에 붓고, 플라스틱 통에 밀봉한다.

방법 A에 대한 변형

건조 무게로 5%의 NBR이 수분 기초 라텍스(40% 고형분)의 형태로 혼합되어, 2.50kg의 라텍스가 6.10kg의 고무 용액과 등량인 라텍스 기초 페이스트(샘플 5).

상기 조성으로부터 폴리머가 생략된, 폴리머가 없는 페이스트(샘플 1 내지 4).

상기 샘플 5의 라텍스 양을 반으로 나눔으로써 제조된 2.5% 라텍스 페이스트(샘플 9).

기타 실시예

상기 서술한 바와 같이 두 개의 샘플이 더 제조되지만, 니트릴 라텍스에 기초한 페이스트의 용매 없는 변이체(Breon 1562 (NBR 라텍스) -40% 고형분)가 사용된다. 이것은 고무 용액 대신에 라텍스 1.02kg으로 대체하여, 주어진 싸이클에 따라 혼합된다. 용매의 제거는 페이스트가 안전하게 운반되도록 하기 위하여 의도되 었다(특히 공기-운송(air-freight)에 의하여).

적용 방법

페이스트는 진한 슬러리("버터크림" 농도) 형태로 적용될 필요성이 있고, 하기에 서술된 페이스트 제제에 물을 가함으로써 제조될 수 있다. 페이스트 두 부분(2kg까지)을 취하고, 깨끗한 컨테이너에 한줌 크기의 덩어리로 나누어 1 중량부 정도의 물을 붓고, 균일한 질감을 갖도록 젓는다. 페이스트에 대한 바람직한 조성(추가되는 물은 제외)은 하기에 서술된다. 약 0.6mm의 두께로 건조되는 페이스트의 균일한 피복이, 약 2mm에 셋팅된 닥터 블레이드를 사용하여 0.1mm까지의 두께를 갖는 성형 시트에 가하여진다. 페이스트는 실온에서 건조되고, 성형 시트가 제거되어 페이스트막이 남게된다. 페이스트 층은 120℃에서 더욱 건조되고, 124mm 넓이에 5m 길이 스트립 형태의 막이 슬릿 및 감긴다. 전형적으로 막은 미리 크림핑 로울러(crimping roller)에 통과되어져 더욱 유연해진다.

대체적으로, 페이스트는 "이중" 블레이드를 사용하여 적용되어질 수 있으며, 그중 하나는 슬러리의 거친 피복을 가하고, 두 번째는 그것을 부드럽게 하여, 두께를 조절하는 동시에 공기 방울을 제거하게 된다.

한 가지 방법에서는, 성형 시트를 구동하여 그것이 코팅 장치를 통하여 일정한 속도로 이동하는 가능성도 고려해 볼 수 있다.

사용된 CEV는 약 15% 고형분인 W R Grace's HTS 분산이었다. 사용된 건조 CEV는 W R Grace's "마이크로라이트 분말"이었다. FPSV 또한 W R Grace로부터 구입하였다. 이러한 실시예들에서 사용된 고무 또한 Zeon으로부터 구입한 니트릴 고무 N36C80이었다.

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본 명세서에서 개시된 모든 특징(모든 첨부된 청구범위, 요약 및 도면을 포함) 및/또는 그렇게 개시된 임의의 방법 또는프로세스의 모든 단계는, 몇몇 이러한 특징 및/또는 단계가 적어도 상호 배타적인 조합을 제외하고, 임의의 조합으로 조합될 수 있다.

본 명세서에서 개시된 각 특징(모든 첨부된 청구범위, 요약 및 도면을 포함)은, 명시적으로 다르게 기재되지 않는 한, 동일한, 균등한, 또는 유사한 목적을 달성하는 양자택일적인 특징에 의하여 대체될 수 있다. 따라서, 명시적으로 다르게 기재되지 않는 한, 개시된 각 특징은 균등한 또는 유사한 특징의 포괄적인 시리즈의 단지 하나의 예일 뿐이다.

본 발명은 앞의 구체예(들)의 세부사항에 한정되지 않는다. 본 발명은 본 명세서에서 개시된 특징들(모든 첨부된 청구범위, 요약 및 도면을 포함)의 임의의 신규한 특징, 또는 임의의 신규한 조합에 확장되며, 또는 이렇게 개시된 임의의 방법 또는 프로세스의 단계들의 임의의 신규한 단계, 또는 임의의 신규한 조합에 확장된다.

도 1은 연관된 절반의 가이드 링과 함께 완성되는 대략 절반의 나선상 개스킷의 평면도(plan view)이다.

도 2는 도 1의 A-A 선을 따라 취한 단면도(cross-sectional view)이다.

Claims (38)

1. 나선형으로 감긴 밀봉 스트립 및 나선형으로 감긴 지지 스트립을 포함하는 나선상 개스킷으로서, 상기 밀봉 스트립의 나선이 지지 스트립의 코일 사이에 삽입되어 형성되고, 상기 밀봉 스트립은 탄성 물질을 포함하며, 상기 탄성 물질은 화학적으로 표층박리된 질석(CEV) 성분을 밀봉 스트립의 25~80중량%의 비율로 포함하고, 상기 CEV 성분은 최소한 부분적으로 건조 CEV로부터 유도되며, 상기 밀봉 스트립은 캐리어 스트립을 포함하지 않는, 나선상 개스킷.
2. 제1항에 있어서, 상기 탄성 물질은 또한 상기 밀봉 스트립의 내수성을 향상시키기 위한 내가수분해성 폴리머를 포함하며, 상기 폴리머의 비율은 0중량%보다 크며 밀봉 스트립의 20중량%를 초과하지 않는 것을 특징으로 하는 나선상 개스킷.
3. 제1항에 있어서, 상기 탄성 물질은 판상 충진재를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 나선상 개스킷.
4. 제1항에 있어서, 상기 밀봉 스트립은 나선으로 감는 도중에 3~20중량%의 수분 함량을 갖는 것을 특징으로 하는 나선상 개스킷.
5. 삭제
6. 제1항에 있어서, 상기 CEV의 함량은 밀봉 스트립의 30~75중량%인 것을 특징으로 하는 나선상 개스킷.
7. 삭제
8. 제2항에 있어서, 상기 폴리머의 함량은 0중량%보다 크며 밀봉 스트립의 15중량% 이하인 것을 특징으로 하는 나선상 개스킷.
9. 제1항에 있어서, 상기 화학적으로 표층박리된 질석 성분은 건조 CEV를 포함함으로써, 많은 스킨이 형성되기 전에 건조될 수 있을 정도로 감소된 수분 함량을 갖는 액상 밀봉층 반죽(dough)을 제공하는 것을 특징으로 하는 나선상 개스킷.
10. 나선형으로 감긴 밀봉 스트립 및 나선형으로 감긴 지지 스트립을 포함하는 나선상 개스킷으로서, 상기 밀봉 스트립의 나선이 지지 스트립의 코일 사이에 삽입되어 형성되고, 상기 밀봉 스트립은 탄성 물질을 포함하며, 상기 탄성 물질은 CEV 성분을 최소한 밀봉 스트립의 25중량%의 비율로 포함하고, 상기 CEV 성분은 최소한 부분적으로 건조 CEV로부터 유도되며, 상기 밀봉 스트립은 상기 개스킷으로 감기는 동안 수분을 밀봉 스트립 탄성 물질의 3 내지 20중량%의 수준으로 갖는, 나선상 개스킷.
11. 제4항에 있어서, 감기는 동안 밀봉 스트립의 수분 함량은 밀봉 스트립 탄성 물질의 3 내지 10중량% 이내인 것을 특징으로 하는 나선상 개스킷.
12. 제1항에 있어서, 상기 밀봉 스트립은 최소한 80%의 탄성 물질을 포함하는 것을 특징으로 하는 나선상 개스킷.
13. 제10항에 있어서, 상기 밀봉 스트립은 캐리어 스트립을 포함하는 것을 특징으로 하는 나선상 개스킷.
14. 하기의 단계들을 포함하는, 제1항 내지 제4항, 제6항 또는 제8항 내지 제13항 중 어느 한 항에 따른 나선상 개스킷에 사용되는 밀봉 스트립을 제조하는 방법:

    (a) 액상 밀봉 스트립 물질을 성형 시트에 가하여 층을 형성하는 단계,

    (b) 성형 시트 위의 상기 액상 밀봉 스트립 층을 부분적으로 건조하는 단계,

    (c) 성형 시트로부터 층을 제거하는 단계, 및

    (d) 상기 층을 나선상 개스킷의 제조에 사용되기에 적당하게 스트립으로 절단하는 단계.
15. 제14항에 있어서, 건조 단계 이전의 상기 액상 밀봉 스트립 물질의 고형분 함량은 상기 물질의 20 내지 70중량%인 것을 특징으로 하는 방법.
16. 제14항에 있어서, 상기 (c) 단계는 상기 (d) 단계 이후에 수행되는 것을 특징으로 하는 방법.
17. 제14항에 있어서, 상기 밀봉 스트립의 고형분 함량은 상기 액상 밀봉 스트립 물질의 25 내지 60중량%의 범위 내인 것을 특징으로 하는 방법.
18. 제17항에 있어서, 상기 밀봉 스트립이 CEV를 포함하며, 상기 CEV가 판상 충진재와 혼합된 것을 특징으로 하는 방법.
19. 제18항에 있어서, 상기 충진재는 상기 밀봉 스트립의 0중량%를 초과하고 75중량% 이하로 포함되는 것을 특징으로 하는 방법.
20. 제14항에 있어서, 성형 시트로부터 제거되는 동안의 상기 부분 건조 층의 수분 함량이 3 내지 20중량%인 것을 특징으로 하는 방법.
21. 제14항에 있어서, 상기 성형 시트로부터 층을 제거하는 단계 이후에 건조 단계가 더 수행되는 것을 특징으로 하는 방법.
22. 제14항에 있어서, 상기 액상 밀봉 스트립 층이 50 내지 135℃ 사이의 온도에서 건조되는 것을 특징으로 하는 방법.
23. 제14항에 있어서, 상기 액상 밀봉 스트립 물질이 분무 기술을 사용하여 성형 시트 위에 분무되는 것을 특징으로 하는 방법.
24. 제14항에 있어서, 상기 액상 밀봉 스트립 물질은 분무 가능한 페이스트의 형태인 것을 특징으로 하는 방법.
25. 제1항 내지 제4항, 제6항 또는 제8항 내지 제13항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 밀봉 스트립 중의 비건조 유도 CEV의 건조 CEV에 대한 상대적 비율은 0.01:1에서 20:1 사이인 것을 특징으로 하는 개스킷.
26. 제1항 내지 제4항, 제6항 또는 제8항 내지 제13항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 CEV 중 최소한 90%의 입자 크기가 50㎛ 내지 300㎛인 것을 특징으로 하는 개스킷.
27. 제14항에 있어서, 상기 액상 밀봉 스트립 물질 중의 CEV 성분은 건조 CEV와 슬러리 형태의 이용 가능한 CEV의 혼합물을 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
28. 제1항 내지 제4항, 제6항 또는 제8항 내지 제13항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 탄성 물질은 지지 스트립에 기계적으로 결합되는 것을 특징으로 하는 개스킷.
29. 제1항 내지 제4항, 제6항 또는 제8항 내지 제13항 중 어느 한 항에 있어서, 판상 충진재로서, 최소한 90%의 입자크기가 50 내지 300㎛ 범위인 열적으로 표층박리된 질석(TEV)을 포함하는 것을 특징으로 하는 개스킷.
30. 제1항 내지 제4항, 제6항 또는 제8항 내지 제13항 중 어느 한 항에 있어서, 밀봉층이 건조 상태에서 5 내지 80%의 판상 충진재를 포함하는 것을 특징으로 하는 개스킷.
31. 삭제
32. 삭제
33. 제1항 내지 제4항, 제6항 또는 제8항 내지 제13항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 CEV가 판상 충진재와 혼합된 것을 특징으로 하는 개스킷.
34. 제33항에 있어서, 상기 판상 충진재는 상기 밀봉 스트립의 0중량 초과 및 75중량% 이하로 포함되는 것을 특징으로 하는 개스킷.
35. 삭제
36. 제18항에 있어서, 상기 판상 충진재가 열적으로 표층박리된 질석(thermally exfoliated vermiculite, TEV)인 것을 특징으로 하는 방법.
37. 제 23항에 있어서, 상기 액상 밀봉 스트립 물질이 닥터 블레이드(doctor blade)에 의하여 성형 시트 위에 분무되는 것을 특징으로 하는 방법.
38. 제33항에 있어서, 상기 판상 충진재가 열적으로 표층박리된 질석(TEV)인 것을 특징으로 하는 개스킷.

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