KR101985115B1 - 가압 가스용 용기 - Google Patents

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치옹 구오
오즈렘 야딤치
스탠리 엠. 스미스
로날드 에프. 스폰
랜코 버삭
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Abstract

압력 하에 가스를 수용하기 위한 용기의 본체로서 유용한 물품, 및 용기 외부로의 가스의 유동을 제어하는 밸브가 부착되는 물품을 포함하는 용기가 개시되는데, 여기서 물품은 외부 표면을 갖고 개구를 갖는 중공 용기 본체 - 상기 개구를 통해 가스가 중공 용기 본체의 내부에 들어가거나 이를 빠져나갈 수 있음 -; 선택적으로 그러나 바람직하게는 용기 본체의 외부 주위에 있는 섬유-보강 중합체의 층; 및 존재한다면 섬유-보강 중합체의 층의 외부 표면 또는 그렇지 않으면 실린더 본체 주위에 있고 이에 대해 밀봉되는 탄성중합체의 외부 층을 포함한다.

Description

가압 가스용 용기{CONTAINER FOR PRESSURIZED GAS}
본 발명은 압축 가스(compressed gas)를 고압으로 저장하는 데 사용될 수 있는, 실린더로서 또한 지칭되는 용기에 관한 것이다. 더 구체적으로, 본 발명은 용기에 관한 것으로, 탄소 섬유 복합재와 같은 래핑(wrapping)을 포함하고, 외부의 기계적 충격 및 환경적 부식에 대항하여 래핑을 위한 보호를 제공할 수 있고 개선된 취급 용이성 및 개선된 외관을 용기에 제공할 수 있는 열가소성 탄성중합체성 중합체 코팅을 래핑 둘레에서 또한 포함하는 용기에 관한 것이다.
압축 가스를 위한 종래의 용기는 강철 또는 다른 금속으로 제조된다. 압축 가스 강철 실린더의 용량을 증가시키기 위해, 강철 벽의 두께는 실린더의 벽의 강도를 보강하도록 통상의 실린더보다 더 두껍게 제조된다. 더 두꺼운 벽은, 더 얇은 벽의 실린더에 비해, 실린더가 내용물을 더 높은 압력으로 보유하게 한다. 따라서, 실린더의 더 두꺼운 벽은 실린더의 저장 용량을 증가시킨다.
그러나, 한편으로는, 실린더 벽의 두께를 증가시키는 것은 실린더의 중량을 또한 증가시킨다. 실린더의 증가된 중량은 실린더를 인간공학적으로 취급하기 곤란하게 만들고, 조작 상의 난제를 제기한다. 일반적인 대책으로서, 실린더의 용량을 2배로 하는 것은 실린더 중량을 2배 이상으로 하는 것을 의미하며, 이는 매우 바람직하지 않다.
고압 강철 실린더의 중량을 감소시키는 설계가 바람직하였지만, 실린더의 과도한 증가된 중량을 초래하지 않고서 고압 고용량 실린더를 제공하는 능력을 개선할 필요성이 여전히 존재한다.
본 발명의 일 태양은, 압력 하에 가스를 수용하기 위한 용기의 본체로서 유용한 물품으로서,
외부 표면을 갖고 개구를 갖는 중공 용기 본체 - 상기 개구를 통해 가스가 중공 용기 본체의 내부에 들어가거나 이를 빠져나갈 수 있음 -;
용기 본체의 외부 주위에 있고, 용기 본체의 외부 표면에 부착되며, 외부 표면을 갖는 섬유-보강 중합체의 층; 및
섬유-보강 중합체의 층의 외부 표면 주위에 있고 외부 표면에 대해 밀봉되는 탄성중합체의 층을 포함하는, 물품이다.
바람직하게는, 탄성중합체의 층은 섬유-보강 중합체의 층의 외부 표면 내로 침투된 일부 탄성중합체 재료를 포함한다.
본 발명의 추가의 태양은 압력 하에 가스를 수용하기 위한 용기의 본체로서 유용한 물품으로서,
외부 표면을 갖고 개구를 갖는 중공 용기 본체 - 상기 개구를 통해 가스가 중공 용기 본체의 내부에 들어가거나 이를 빠져나갈 수 있음 -; 및
용기 본체의 외부 표면 주위에 있고 외부 표면에 대해 밀봉되는 탄성중합체의 층을 포함하는, 물품이다.
본 발명의 다른 태양은 압력 하에 가스를 수용하는 데 유용한 용기로서, 전술된 물품들 중 임의의 것을 포함하고, 전술된 개구에 연결되고 상기 개구를 통한 가스의 통과를 선택적으로 방지할 수 있으며 상기 개구를 통한 가스의 유동을 제어가능하게 제어할 수 있는 밸브를 추가로 포함하는, 용기이다.
본 발명의 용기는 가스를 1000 파운드/제곱 인치(psia) 이상, 더 구체적으로 4000 psia 이상 8000 psia 이하의 압력으로 수용하는 데 특히 유용하다.
"가스"는 기체 상태에 있는 단지 하나의 화학적으로 구별가능한 성분의 가스(예를 들어, 산소, 질소 또는 이산화탄소)뿐만 아니라, 기체 상태에 있는 둘 이상의 화학적으로 구별가능한 성분들의 혼합물(예를 들어, 공기뿐만 아니라, 관심대상의 하나의 성분이 하나 이상의 추가의 기체 생성물과의 혼합물로 존재하는 조성물 - 예는 90 체적%의 산소의 조성물 - 및 소량 또는 미량의 하나의 물질과의 하나 이상의 추가의 희석제 또는 보충 가스(makeup gas)(들)인 잔부의 조성물)을 의미한다.
본 발명에서 다른 하부 표면 또는 층에 대해 "부착되는" 또는 "밀봉되는" 재료의 각각의 층은 바람직하게는, 이러한 각각의 층이 도포되는 하부 표면과는 하부 표면의 범위 전체에 걸쳐 연속적으로 접촉된다. 즉, 각각의 상부 층은, 하부 표면이 상부 층과 접촉되지 않는 영역을 하부 표면이 상부 표면과 완전히 접촉되는 영역이 둘러싸는 구역 또는 불연속부(discontinuity) 또는 공극(void) 없이, 모든 하부 표면과 접촉한다.
본 발명은 임의의 응용에, 예를 들어 전자장치, 의료 및 산업 용도에 유용한 가스를 수용 및 분배하는 모든 실린더 또는 탱크에 적용가능하다.
도 1은 본 발명에 따른 용기 본체의 사시도.
도 2는 본 발명에 따른 밸브를 포함하는 용기 본체의 사시도.
도 3은 도 2의 용기 본체의 단면도.
도 3a 및 도 3b는 본 발명의 대안 실시 형태의 단면도.
도 4a 및 도 4b는 본 발명의 대안 실시 형태의 단면도.
도 5는 본 발명의 대안 실시 형태의 단면도.
도 6은 본 발명의 바람직한 실시 형태의 확대 단면도.
도 7a 및 도 7b는 본 발명의 일 실시 형태의 코팅들의 일부분의 주사 전자 현미경(scanning electron microscope, SEM) 사진.
도 1을 우선 참조하면, 중공 용기 본체(1)는 바람직하게는 수평 단면이 원형인 측벽(2)을 포함한다. 본체(1)는 바람직하게는 본체(1)가 넘어지지 않으면서 평탄한 표면 상에 서 있게 할 수 있도록 평탄한 기부(3)를 갖는다. 본체(1)는 개구(4)를 포함하는데, 개구를 통해 가스가 본체의 내부(5)(도 3에 도시됨)에 들어가고 내부에서 빠져나갈 수 있다.
도 2는 도 1에 도시된 그러나 이제 개구(4)를 가로질러 설비되는 밸브(15)를 또한 포함하는 물품의 도면이다. 도 2에서는 개구(4)를 통한 가스의 유동을 제어할 수 있는 제어 노브(knob)(12), 및 가스가 본체(1)를 떠날 때 가스가 통과하는 유출구(13)를 볼 수 있다. 밸브(15)는, 가스가 본체(1) 외부로 나가는지 여부를 제어하고 본체(1) 외부로의 가스 유량을 제어하는 매우 다양한 유닛들 중 하나만을 나타낸다.
도 3, 도 3a, 도 3b, 도 4a, 도 4b 및 도 5는 외부가 도 2에 도시된 바와 같을 수 있는 본 발명에 따른 실린더의 가능한 실시 형태들 중 일부의 단면도인데, 여기서 밸브(15)는 가스가 본체(1)의 내부(5)에서 빠져나갈 수 있는 유일한 경로가 밸브(15)의 통과에 의한 것이도록 개구(4)를 가로질러 연장되는 것으로 도시되어 있다. 도시된 바와 같이, 밸브(15)는 밸브(15) 내의 구멍을 통해 나사결합되는 나삿니-형성된 스템(threaded stem)(14)에 부착되는 제어 노브(12)를 포함하여, 노브(12)를 회전시키는 것이 스템(14)의 단부(17)를 통로(16) 내부 또는 외부로 이동시키도록 한다. 이렇게, 스템(14)은 통로(16) 내의 일정 위치로 들어갈 수 있어, 밸브(15)를 통한 본체(1) 외부로의 가스의 통과가 차단될 수 있도록 하고, 통로(16)를 통한 가스의 유량은 노브(12)를 회전시킴으로써 단부(17)의 위치를 조정하는 것에 의해 제어될 수 있다. 본 발명의 목적을 위해, 밸브 및 조절기(regulator)의 많은 다른 실시 형태들이 도 3에 있는 밸브(15)를 대체할 수 있음이 인식될 것이다.
층(21, 23, 25)들에 대한 하기의 설명은 (물론 도 4a 및 도 4b의 실시 형태들에서의 층(23)의 부존재를 제외하고는) 도 3, 도 3a, 도 3b, 도 4a, 도 4b 및 도 5에 도시된 실시 형태들 각각에 적용된다. 도 3, 도 3a, 도 3b 및 도 5에서, 층(21, 23, 25)들의 도시는 참조의 용이성을 위해 내부 공간(5)의 크기에 비해 확대되어 있다. 마찬가지로, 도 4a 및 도 4b에서, 층(21, 25)들의 도시는 참조의 용이성을 위해 내부 공간(5)의 크기에 비해 확대되어 있다.
도 3은 실린더의 본체(21)의 측면들 상의 복합재 래핑(23), 및 복합재 래핑(23)을 덮는 코팅(25)을 갖는 후프 래핑식(hoop wrapped) 복합재 실린더를 도시한다.
도 3a는 실린더의 본체(21)의 측면들 상의 복합재 래핑(23)을 갖는 후프 래핑식 복합재 실린더를 도시한다. 코팅(25)은 복합재 래핑(23) 및 실린더 저부(3)를 덮는다.
도 3b는 실린더의 본체(21)의 측면들 상의 복합재 래핑(23)을 갖는 후프 래핑식 복합재 실린더를 도시한다. 코팅(25)은 복합재 래핑(23)만을 덮는다. 코팅(25)의 저부 에지(edge)는 래핑(23)의 저부 에지를 지나 연장되고, 대체로 실린더 저부(3)로부터 0.5 내지 2 인치만큼 떨어져 있다.
도 4a는 표준적인 강철 실린더(21)를 도시한다. 코팅(25)은 측면들 및 실린더 저부(3)를 포함하는 실린더(21)의 전체 본체를 덮는다.
도 4b는 표준적인 강철 실린더(21)를 도시한다. 코팅(25)은 실린더 본체(21)의 측면들만을 덮는다. 코팅(25)의 저부 에지는 전형적으로 실린더 저부(3)로부터 0.5 내지 2 인치만큼 떨어진 거리에 있다.
도 5는 실린더의 본체(21)의 측면들과 저부(3) 상의 복합재 래핑(23), 및 실린더의 측면들과 저부(3) 상의 복합재 래핑(23)을 덮는 코팅(25)을 갖는 완전 래핑식(fully wrapped) 복합재 실린더를 도시한다.
층(21)은, 가스 내용물을 고압으로 보유하면서도 주어진 형상을 유지하는 능력 및 강도를 갖는 용기를 제공하는 재료로 제조된다. 바람직한 재료는 강철이다. 다른 적합한 재료는 알루미늄과 같은 다른 금속, 및 중합체 재료를 포함한다. 층(21)의 두께는 본 발명의 용기가 가스 내용물을 심지어 1000 psia 이상 또는 심지어 4000 psia 이상의 압력으로 보유하기에 충분하여야 한다.
본 발명의 하나의 이점은, 층(21)이 가스를 수 백 psia 이하의 보다 통상적인 압력으로 수용하는 강철 실린더를 위한 전형적인 두께 범위인 4 mm 내지 7 mm 정도의 두께일 수 있다는 것이다. 즉, 본 발명의 용기는 강철 또는 다른 재료의 두께가 고압을 취급하도록 증가될(즉, 8 내지 14 mm 또는 더 큰 두께로) 필요없이 가스를 고압(즉, 1000 psia 이상)으로 보유할 수 있다.
도 3, 도 3a, 도 3b 및 도 5의 실시 형태들과 같은 실시 형태들에 존재하는 층(23)은 추가의 강도를 용기에 제공하는 재료를 포함하는데, 즉 이는 용기 내의 가스 내용물의 고압으로 인한 폭발을 피하는 용기의 능력을 부가한다. 층(23) 내에 있는 재료의 양은, 층(21)을 제조하는 동일한 재료로 층(23)이 제조된다면 동일한 추가의 강도를 제공하기 위해 층(23) 내에 있게 될 재료의 양보다 더 적다. 층(23)은 구조적 강도를 실린더 벽에 제공하고, 더 높은 압력을 보유하는 용기의 능력을 증가시키며, 따라서 용기의 저장 용량을 증가시킨다. 저장 용량은 요구되는 저장 용량에 대응할 압력을 수용하는 두께까지의 층(23)의 래핑을 제공함으로써 요구되는 수준까지 조정될 수 있다. 바람직하게는, 층(23)은 1 내지 10 mm의 두께이다.
층(23)을 위한 바람직한 재료는 섬유들이 중합체 매트릭스 내에 매립된 섬유-보강 중합체이다.
적합한 보강 섬유의 예는 탄소 섬유(이것이 바람직함), 유리 섬유, 및 아라미드, 폴리에스테르 및 폴리아미드(예컨대, 나일론)의 섬유와 같은 중합체 섬유를 포함한다.
중합체 매트릭스를 위한 적합한 중합체의 예는 에폭시 수지, 폴리에스테르, 비닐 에스테르, 및 폴리이미드를 포함한다.
섬유는 중합체 매트릭스의 경량 특성을 유지하면서 매트릭스를 더 강하게 만들기 위하여 중합체 매트릭스 내로 매립된다. 섬유-매트릭스 복합재는, 예들 들어 필라멘트 권취를 통해 압축 가스 용기 상에 공지된 방식으로 후프 래핑될 수 있다. 필라멘트 권취기가 섬유, 예를 들어 탄소 섬유를 중합체 용액, 예를 들어 에폭시 수지의 습식조(wet bath)를 통해 견인할 수 있고, 중합체-습윤된 섬유를 회전하는 실린더 위에 하나의 배향으로 또는 일련의 상이한 배향들로 권취할 수 있다. 중합체 수지 매트릭스 및 섬유의 복합재는 실온 또는 고온에서 경화되어, 섬유가 중합체 매트릭스 내에 견고하게 매립된다.
중합체 매트릭스는, 대부분의 경우에, 섬유 보강 공정에 적합하도록 소정의 요건을 충족시킬 필요가 있다. 중합체 매트릭스는 제어되는 경화 조건 및 경화 기간 내에서 섬유로 완전히 포화되어 섬유와 적절하게 결합될 필요가 있다. 바람직하게는, 매트릭스는 섬유 보강물과 화학적으로 결합하여야 한다. 매트릭스는 또한 섬유들을 외부 충격, 예를 들어 절단에 대해 보호하기 위하여 섬유들을 완전히 감쌀 수 있어야 한다. 매트릭스 자체는 또한 성형 공정 동안 및 그 후에 화학적으로 그리고 물리적으로 안정할 필요가 있다. 한편, 섬유는 수지 매트릭스 내로 균일하게 분포될 필요가 있다. 인접한 섬유들이 수지조(resin bath)로부터 나올 때, 섬유들은 국소화된 보강을 피하기 위하여 서로 분리된 상태로 유지될 필요가 있다. 섬유와 매트릭스 사이의 최적 결합은 대개는, 적합한 유형의 중합체를 선택하여 성형 공정을 설정하도록 결정된다. 전형적으로, 섬유의 유형은 중합체 매트릭스에 대한 섬유의 바람직한 유형의 재료를 갖는다. 예를 들어, 유리 섬유는 폴리에스테르와 가장 잘 작용하는 반면, 탄소 섬유는 에폭시와 가장 잘 작용한다.
층(23)은 용기(1)에 강도를 제공한다. 층(21, 23)들은 용기 내의 높은 압력으로 인해 약간 휘어질 수 있다. 층(23)은 약간 휘어지는 능력을 가짐으로써 층(21)을 보조한다.
층(25)은 경량의 섬유-보강된 중합체 복합재 래핑 층(23)의 내구성 및 수명을 유지한다. 층(25)은 부식 및/또는 압력 무결성 감소를 초래할 수 있는 기계적 및 환경적 충격에 대해 견딜 수 있는 보호 코팅을 제공한다. 보호 코팅은 또한 사용자 친화적이고 라벨을 부착하기에 적절하여야 하며, 게다가 다양한 색상 및 텍스처 형성된 마감(textured finish)을 이용하여 조정가능할 수 있어야 한다.
모든 그러한 실린더 또는 탱크의 외부 표면은 보호 코팅을 도포하기 위하여 청결하고 위생적이어야 한다.
전반적으로, (도 3, 도 3a, 도 3b 및 도 5의 실시 형태들에서의) 탄소 섬유 또는 다른 섬유-보강 중합체 복합재 래핑식 저장 용기 상의 보호 코팅으로서, 또는 (도 4a 및 도 4b의 실시 형태들에서의) 용기(21) 상의 보호 코팅으로서 효과적으로 사용되기 위해, 코팅은 하기의 특성들을 나타내야 한다:
압력 및 온도 변동으로 인한 실린더 벽의 팽창 및 압축을 수용하도록 가요성임
용융 상태로 도포될 수 있음
낮은 크리프성(creep)
내마모성 및 내충격성
탄소 섬유 복합재 래핑 상에서의 강한 접착력
가혹한 환경 조건에 대한 내성
조정가능한 색상
열가소성 탄성중합체 계열 내의 중합체가 섬유-보강 중합체 복합재 래핑을 위한 또는 실린더 본체 자체를 위한 보호 코팅으로서 역할할 수 있음이 본 발명의 일 태양으로서 밝혀졌다. 열가소성 탄성중합체들에 의해 나타내어지는 특성은, 보호 코팅을 위한 요건에 근거하여, 이들을 이러한 응용을 위한 우수한 후보로 만든다. 적합한 열가소성 탄성중합체성 중합체의 예는 폴리올레핀, 폴리아미드, 폴리에스테르, 폴리우레탄 및 폴리우레아, 및 그러한 중합체들의 공중합체 및 물리적 혼합물이다. 열가소성 탄성중합체성 중합체가 일반적으로 제공하는 특성들은 하기를 포함한다:
중간 정도의 연신율
응력의 제거 시에 원래의 구성으로 복귀하는 능력
고온에서 용융 상태에서의 도포가능성
상당한 크리프성을 갖지 않음
화학적 및 기계적 내성을 갖는 가교결합된 매트릭스
조성 및 제형에 기초한 가변 특성
폴리우레아 및 폴리우레아-우레탄 열가소성 탄성중합체성 중합체들이 이들을 이러한 응용에 특히 바람직하게 만드는 추가의 특성을 나타낸다는 것이 추가로 밝혀졌다. 특성은 하기를 포함한다:
10 초 이하 내에 점착성 상실(tack free)
0 또는 매우 낮은 휘발성 유기 화합물(volatile organic compound, VOC) 함량
우수한 칩, 마모, 충격, 인열 및 화학 내성
넓은 온도 범위에 걸친 내구성 및 가요성
UV 노출 및 다습 환경을 받은 후에 원래의 광택 및 색상을 유지하는 능력
보호 코팅을 위한 특성 요건들에 더하여, 본 발명의 고압 저장 용기와 같은 고압 저장 용기가 실제의 사용 동안에 특정 작동 조건을 받게 된다는 것이 또한 밝혀졌다. 조건은 하기를 포함한다:
-40 C 내지 +60 C의 온도 범위
120 in-lb 초과의 기계적 충격
직접적이고 지속적인 태양광 노출
비, 안개 및/또는 염수에 대한 노출
15년 이하 또는 심지어 30년 이하의 지속적인 사용
복합재 래핑 층(23)을 덮거나 실린더 본체(21)에 직접적으로 도포되는 층(25)으로서의 보호 코팅은 적정한 두께 범위, 즉 1 내지 8 mm, 바람직하게는 2.5 내지 5 mm 내에서 제공될 수 있다. 상기 코팅이 너무 얇으면, 강한 기계적 특성이 성취가능하지 않고, 코팅 마감이 하부의 복합재 래핑과 정합하며; 상기 코팅이 너무 두꺼우면, 이는 가스 실린더의 구성을 변경하여 가스 실린더를 취급하는 어려움을 증가시킬 수 있다. 따라서, 상기 층(25)은 바람직하게는 층(23)보다 더 얇다.
층(25)은 래핑 층(23) 또는 실린더의 본체를 완전히 덮는 슬리브(sleeve)의 형태, 또는 복합재 래핑 층(23)(존재하는 경우)을 갖는 본체 및 본래 그대로의 강철로 된 기부 둘 모두를 포함하는 캡슐화(encapsulation)의 형태일 수 있다. 전형적으로, 층(25)은 사람들이 정보 라벨을 용기 상에 부착 및 교체하게 하고, 용기의 외부 표면에 매력적인 외관을 부여하는 매끄러운 외부 마감을 갖는 코팅이다. 그러나, 코팅 캡슐화의 경우에, 매끄러움은 사람들이 실린더를 바닥 상에서 이동시킬 때에 미끄러짐을 유발할 수 있다. 본 발명은, 코팅 고화 동안에 텍스처를 스탬핑(stamping)하거나 코팅이 실린더의 기부에 도포될 때에 추가의 입자들을 블렌딩함으로써, 코팅 표면에서 저부(3)에 미끄럼-방지 특징부를 추가하는 선택사항을 포함한다.
층(25)을 포함하는 코팅의 화학적 성질은 바람직하게는 내화학성 및 불투과성이다. 상기 코팅은 압력 및 온도 변동으로 인한 실린더 벽의 팽창 및 압축을 수용하도록 가요성이고, 기계적 충격에 대해 견디기에 충분히 기계적으로 강할 필요가 있다. 코팅이 충분히 경질이지만 너무 취성이라면, 반복된 가스 충전이 실린더를 약간이라도 그러나 반복적으로 팽창 및 압축시킴에 따라 시간에 걸쳐 코팅의 성능은 열화될 수 있다. 상기 코팅은 또한 내화학성일 필요가 있다. 습기 및 화학물질이 코팅을 통해 침투하여 실린더 본체를 침범하거나, 탄소 섬유와 결합되어 래핑을 함께 유지하는 수지를 침범한다면, 실린더의 무결성이 영향을 받을 수 있다. 따라서, 본 발명의 코팅 층(25)은 실린더, 및 층(23)이 존재하는 경우의 층(23)의 복합재 섬유 수지를 보호하기 위하여 내화학성 및 불침투성이다.
본 발명에서의 층(25)의 바람직한 코팅 재료는 열가소성 탄성중합체이다. 열가소성 탄성중합체는 열가소성 및 탄성중합체성 특성 둘 모두를 갖는 중합체들의 한 부류의 공중합체 또는 물리적 혼합물이다. 이들은 고무 재료 및 플라스틱 재료 둘 모두에 비해 큰 이점을 보여준다. 열가소성 탄성중합체는 비상용성(incompatible) 경질 재료에 공유 결합되거나 이와 물리적으로 혼합되는 고무 중합체 세그먼트를 포함한다. 이는 물리적 가교결합 및 보강을 제공한다. 적합한 열가소성 탄성중합체는, 고비용 및 환경적 비친화성이 아니면서, 요구되는 우수한 특성들, 예를 들어 화학적 및 기계적 내성, 고압 용기와 함께 팽창 및 압축되기 위한 가요성, 그리고 취급 및 적용의 용이성을 유지할 필요가 있다.
본 발명에서 층(25)으로서의 보호 코팅으로서 사용하기 위한 추천되는 열가소성 탄성중합체는 폴리에스테르, 폴리우레탄, 폴리우레아, 폴리이미드, 및 이들의 혼합물 및 조성물이다. 가요성 다이올 및/또는 가요성 다이아미드 세그먼트를 갖는 폴리우레탄 및 폴리우레아가 바람직하다. 화학적 부식 및 기계적 충격 둘 모두에 대한 강한 내성의 이들의 조합 때문에 폴리우레아가 더 바람직하다. 다이아이소시아네이트와 단쇄 다이아미드 및 장쇄 다이아미드 사이에서 생성될 수 있는 가능한 조합은 반응 화합물의 구조 및/또는 분자량의 조정을 포함한 무한량의 변동을 갖는다. 이는 우레아 화학자(chemist)가 최종 제품의 가장 요구되는 특성을 갖는 중합체 구조를 제공하게 한다. 일부 경우에, 폴리우레아 및 폴리우레탄의 화학적 성질을 혼합하여 전체 비용을 감소시키는 것이 또한 수용가능하다. 우레탄 결합을 생성하기 위한 단쇄 다이올 및 장쇄 다이올의 다양한 조합은 또한 섬유-보강 중합체 복합재 래핑식 저장 용기 상의 보호 코팅으로서의 최종의 열가소성 폴리우레아 및 폴리우레아-우레탄 코팅을 위한 특성들의 유연성을 제공한다.
층(25)을 위한 바람직한 유형의 탄성중합체성 보호 코팅으로서의 폴리우레아는 아이소시아네이트 성분 및 아민-말단 성분의 반응 생성물이다. 아이소시아네이트는 화학식 R1-(N=C=O)n을 갖는 아이소시아네이트 기를 포함하는 유기 화합물을 나타내는데, 여기서 R1은 1 내지 30개의 탄소 원자를 갖는 지방족, 방향족, 아릴지방족 및 사이클로지방족 기로 이루어진 군으로부터 선택되고, 아이소시아네이트 작용기의 개수 n은 1 내지 3이다(여기서, 2개의 아이소시아네이트 기를 갖는 아이소시아네이트 화합물은 다이아이소시아네이트로서 알려져 있고, 3개의 아이소시아네이트 기를 갖는 것들은 폴리아이소시아네이트로서 알려져 있다). 폴리우레아 코팅을 생성하는 데 실제로 사용될 수 있는 다이아이소시아네이트 및 폴리아이소시아네이트의 예는 메틸렌 다이페닐 다이아이소시아네이트, 헥사메틸렌 다이아이소시아네이트, 톨루엔 다이아이소시아네이트, 및 아이소포란 다이아이소시아네이트이다.
아이소시아네이트는 친전자체(electrophile)이고, 알코올, 아민, 및 심지어 물을 포함한 친핵체(nucleophile)와 반응하는 경향이 있다. 다이아이소시아네이트가 2개 이상의 하이드록실 기를 포함하는 다이올 또는 폴리올과 반응할 때, 폴리우레탄으로서 알려져 있는 중합체 사슬이 형성된다. 2개 이상의 아민 기를 포함하는 화합물과 다이아이소시아네이트 사이의 유사한 반응이 폴리우레아로서 알려져 있는 생성물을 생성한다. 2개 이상의 아민 기를 포함하는 화합물은 화학식 R2-(NH2)a를 갖는데, 여기서 R2는 1 내지 30개의 탄소 원자를 갖는 지방족, 방향족, 아릴지방족, 및 사이클로지방족 기로 이루어진 군으로부터 선택되고, 아민 기의 개수 a는 1 내지 3이다. 아민 기(-NH2)는 아이소시아네이트 기(-N=C=O)와 결합하여 우레아 결합(-(NH)2-C=O)을 형성한다. 아민 기 및 아이소시아네이트 기의 개수가 1 초과이면, 다른 아민 기가 이어서 다른 아이소시아네이트 기와 반응하여 가교결합된 장쇄 폴리우레아 중합체를 형성한다. 본 발명에서 층(25)으로서 유용한 폴리우레아 코팅을 생성하는 데 실제로 사용될 수 있는 다이아민 및 폴리아민의 예는 헥사메틸렌다이아민, 트라이프로필렌글리콜다이아민, 글리세릴 폴리(옥시프로필렌)트라이아민, 및 다이에틸톨루엔다이아민이다.
층(25)은 바람직하게는 용매가 없다. 층(25)이 형성될 때에 층의 두께를 제어할 수 있기 위해, 층(25)을 형성하는 재료는, 경우에 따라, 액체 상태로 실린더 본체의 표면 상에 또는 층(23)의 표면 상에 도포된다. 이들 재료는 화학 반응을 통해 고화되어 상태 변화를 겪기 시작한다. 화학 반응이 완료되어 무용매 코팅을 초래하고, 모든 반응물이 완전히 소모되는 것이 바람직하다. 화학 반응은, 코팅 재료의 성분들, 예들 들어 폴리우레아를 형성하도록 반응하는 폴리-다이아미드 및 폴리-다이아이소시아네이트가 도포되는 표면에서 이들이 만날 때에 일어난다. 두 성분들은, 바람직하게는 화학 반응 동안에 증기가 발생되지 않으면서, 바람직하게는 반응이 진행되는 적합한 고온에서, 일단 이들이 만나면 반응하여 가교결합되기 시작한다.
본 발명에서의 층(25)은 강한 내마모성 및 내충격성과 같은 소정의 기계적 특성을 가져야만 한다. 그렇지 않으면, 가스 실린더의 통상적인 운반, 취급 및 조작에서도, 절단 및 충돌이 실린더의 외부 표면 상에서 상흔을 유발할 수 있다. 보호받지 못하는 복합재 래핑 층(23) 또는 실린더 본체(21)가 기계적 충격에 의해 상흔을 받게 되면, 가압 가스 실린더의 무결성이 즉시 영향을 받을 가능성이 높다. 작은 손상에 대해서는 복합재 래핑 층(23)을 보수하는 것이 가능할 수 있지만, 심각한 손상에 대해서는 실린더가 폐기될 필요가 있을 가능성이 높을 것이다. 또한, 층(23)은 지속적인 UV 노출, 높은/낮은 온도, 습기, 화학적 부식 등과 같은 원인으로부터 다양한 환경적 손상을 경험할 수 있다. 그러한 환경적 요인은 탄소 섬유 복합재의 강도를 약화시켜 층(21)의 외부와 래핑(23) 사이의 분리를 유발할 수 있고, 이는 가스 실린더의 압력 무결성을 감소시킬 위험성을 갖는다. 따라서, 환경에 대한 비보호 섬유 복합재(23)의 직접적인 노출은 가스 실린더의 수명을 상당히 감소시킬 수 있다.
층(23) 및 실린더 본체(21)에 보호를 제공하는 이점 이외에, 본 명세서에 기술된 층(25)은 다른 이점을 제공한다. 예를 들어, 가스 실린더 또는 용기의 색상은 전형적으로 내부에 저장된 가스의 조성을 표시하지만, 탄소 섬유 래핑 자체는 다양한 색상을 쉽게 취하고 보유할 수 없다. 색상에 더하여, 라벨들이 대개 가스 실린더 상에 부착되어 그의 조성 및 건강/안전 요건에 관한 정보를 보여주지만, 이들은 본래 그대로의 탄소 섬유 복합재 래핑 상으로 적용될 수 없다. 본 명세서에 기술된 층(25)은 착색되고 층에 라벨이 부착되면서, 요구되는 색상 및 라벨을 보유할 수 있다.
본 발명에 대해 기술된 것과 같은 층(25)의 하나의 이점은 무시할만한 중량 및 두께 손실만을 가지고서 층이 강한 마모에 대해 견딜 수 있다는 것이다. 예를 들어, 본 명세서에 기술된 바와 같이 제조되는 용기에 대해 ASTM D4060 (14) 시험 절차를 사용하면, C-17 휠(wheel)이 1000g 부하 및 1000 회전인 경우에 중량 손실이 검출가능하지 않고, C-17보다 훨씬 더 거친 표면 마무리를 갖는 H-18 휠이 1000g 부하 및 1000 회전인 경우에는 중량 손실이 50 내지 300 mg, 바람직하게는 100 내지 200 mg 이하이고, 2000 회전 이하인 경우에는 중량 손실이 100 내지 500 mg, 바람직하게는 200 내지 300 mg 이하이다.
층(25)으로서 본 명세서에 기술된 코팅은 또한, 표면 재료 이동(migration) 또는 약간의 만입(indentation)만 있고, 더 바람직하게는 충격에 의해 초래되는 함몰(dent)이 없으면서, ASTM 절차에 의해 기술된 충격에 대해 견딘다. 예를 들어, ASTM G14 (04) 시험 절차를 사용하면, 코팅은 표면 재료 이동 또는 함몰이 없이 90 in-lb 초과, 더 바람직하게는 150 in-lb 초과의 큰 내충격성을 갖는다.
층(25)으로서 본 명세서에 기술된 코팅은 층이 도포되는 기재(substrate)(층(23) 또는 실린더(21))에 부착된 상태로 유지된다. 가스 용기의 반복된 충전 및 배출로 인해, 층(21)의 강철 또는 다른 재료는 층(23)이 겪는 것처럼 약간의 팽창 및 이완을 겪는다. 반복된 사이클의 팽창 및 이완은 층(23)의 복합재 래핑에 대해서는 그의 극히 높은 인장 강도로 인해 문제를 유발하지 않을 것이지만, 이는 층(21, 23)의 계면에서 결합해제를 유발할 수 있다. 일단 결합해제가 에지에서 일어나면, 수분 및 먼지가 계면 내로 들어가 층(23)의 수지를 침범할 수 있는 위험성을 가지고서, 계면이 외부 환경에 노출될 것이다. 층(25)으로서 사용된 코팅의 탄성중합체성 특성은, 탄성 계수(elastic modulus) 및 영구 변형에 대해, 소정의 범위 내에서 선택될 필요가 있다.
탄성 계수는 주어진 양의 변형을 달성하는 데 필요한 단위 면적당 힘(응력)의 양을 말한다. 더 높은 계수는 전형적으로 재료가 변형되기 더 어렵다는 것을 나타낸다. 그러나, 탄성 계수가 너무 높으면, 예를 들어 층(21)으로서 사용되는 금속 라이너 또는 층(23)으로서 사용되는 복합재 래핑보다 높으면, 팽창이 일어날 때, 층(25)의 변형이 층(23) 또는 층(21)의 변형보다 훨씬 더 작은데, 이는 층(25) 아래의 계면 내에서 일어나는 마찰 또는 응력을 유발한다. 반복된 팽창 및 이완에 의해, 이는 층(25) 아래에서 접촉하는 표면을 손상시킬 수 있고, 또한 패키지 무결성을 감소시킬 수 있다. ASTM D638 (14)에 따라 측정될 수 있는 층(25)의 탄성 계수는, 바람직하게는 0.1 내지 17일 것이고, 더 바람직하게는 0.5 내지 5일 것이다.
층(25)은 변형되기 쉬울 뿐만 아니라, 층은 응력이 제거된 후에 그의 원래의 형상으로 복귀할 필요가 있다. 다시 말하면, 층(25)은 층(23) 또는 층(21)과 함께 팽창 및 이완할 필요가 있다. 영구 변형은 주기적인 인장 및 이완으로부터 기인하는 탄성중합체성 재료의 길이의 증가를 말한다. 이러한 특성은 층(25) 내의 분자간 결합의 재정렬의 가시적 표시이다. 영구 변형 백분율이 너무 높으면, 층(25)으로서 사용된 코팅은 반복된 충전 및 배출 후에 팽창하지만, 소정의 시점에서 그의 원래의 구성으로 복귀하지 않을 것이다. 그러나, 층(23) 및 층(21)이 그들의 원래의 형상들로 복귀하는 경우, 아마도 층(25) 아래의 계면에서 간극을 발생시키고, 여기에서 먼지 및/또는 수분이 포획되어 보강된 층에 손상을 유발할 수 있다. 따라서, ASTM D2731 (15)에 따라 측정될 수 있는 층(25)의 영구 변형은, 바람직하게는 20% 미만일 것이고, 더 바람직하게는 10% 미만일 것이다.
주기적인 팽창 및 이완에서 존속하기 위해, 본 발명에서의 층(25)으로서 사용된 코팅은 래핑 표면(23) 상에 매우 양호하게 부착될 필요가 있다. 예를 들어, ASTM D4541 (09) 시험 절차를 사용하면, 부착 불량은 400 psi 초과, 더 바람직하게는 600 psi 초과에서 코팅과 복합재 래핑 사이에서 일어난다. 복합재 실린더 상에서의 탄성중합체성 코팅의 양호한 부착은 계면에서의 결합해제 및 래핑 표면으로부터의 코팅 박리의 가능성을 없앤다. 층(25)의 코팅은 바람직하게는 절단에 대한 내성을 나타낸다. 만능 칼(utility knife)은 코팅을 절단할 수 없고, 코팅 내에 절단부를 생성하기 위해서는 블레이드에 가해지는 고압 및 높은 속도가 필요하다. 일단 절단부가 생성되면, 코팅은 바람직하게는 박리될 수 없고, 더 바람직하게는 들어올려질 수 없다. 예를 들어, ASTM D6677 (07) 시험 절차를 사용하여, "X" 절단부를 생성하고 "X" 절단부를 프로빙하여(probe) 코팅을 해제시킬 것이다. 층(25)은 바람직하게는 제거하기 어려울 것(등급 8 또는 9)이거나, 더 바람직하게는 제거하기 극히 어려울 것(등급 10)이다. 작은 절단부가 생성되고 절단부에 의한 손상이 복합재 래핑 상에 없다면, 절단부 영역은 국소적으로 보수될 수 있다.
바람직하게는, 층(25)의 코팅의 최내측 표면은 층(23)의 외측 표면 내로(아래로) 연장된다. 이는, 예를 들어 코팅 재료를 분무하는 동안에 고압을 이용하여 층(23)의 외측 표면 내로의 층(25)의 재료의 침투를 촉진함으로써, 코팅 도포 공정 동안에 달성될 수 있다. 층(23) 내로의 코팅 재료의 적절한 침투는 박리에 대항한 층(23) 상에서의 층(25)의 부착을 개선하면서, 전체 패키지의 무결성을 유지할 수 있다. 깊이가 너무 작으면, 이는 충분히 강한 부착을 제공하지 못하지만; 깊이가 너무 크면, 이는 아마도 층(23)의 수지를 손상시켜 층(23)의 강도를 감소시킬 수 있다. 침투 깊이는 바람직하게는 50 내지 300 μm(마이크로미터)일 것이고, 더 바람직하게는 100 내지 200 μm일 것이다.
본 발명의 이러한 태양이 도 6에 도시되어 있는데, 여기서 층(21, 23, 25)들은 본 명세서에 기술된 바와 같다. 그러나, 이러한 실시 형태에서, 층(23)은 어떠한 탄성중합체도 포함하지 않고, 층(25)은 섬유-보강 중합체 중 어떤 것도 포함하지 않고, 층(23, 25)들 사이에는 층(23, 25)들을 형성하는 재료들의 혼합물로 구성되는 영역(24)이 있다. 영역(24)은 본 명세서에 기술된 보강 섬유들을 포함할 수 있다. 영역(24)은 층(23)의 재료 내로의 층(25)의 재료의 침투에 의해 형성된다. 영역(24)의 두께는 전형적으로 50 내지 300 마이크로미터, 바람직하게는 100 내지 200 마이크로미터이다. 따라서, 본 발명의 이러한 태양은, 층(23)이 상기 탄성중합체를 포함하지 않는 영역을 포함하는 섬유-보강 중합체의 층(23)을 포함하는 것, 그리고 상기 섬유-보강 중합체를 포함하지 않는 영역을 포함하는 탄성중합체의 층(25)을 포함하는 것, 그리고 상기 탄성중합체 및 상기 섬유-보강 중합체의 혼합물을 포함하는 층(23, 25)들 사이에 있고 50 내지 300 마이크로미터의 두께, 바람직하게는 100 내지 200 마이크로미터의 두께를 갖는 층(24)을 포함하는 것으로서 특징지어질 수 있다.
도 7a 및 도 7b는 본 발명의 이러한 태양을 추가로 도시한다. 탄성중합체 층(25)(색조에 있어서 보다 밝은 회색으로 보임) 및 섬유-보강 중합체 층(23)(색조에 있어서 보다 어두운 회색으로 보임)이 둘 모두의 도면에 도시되어 있다. 도 7a에 보이는 층(24)은 중합체 층(23) 내로 침투된 층(25)의 탄성중합체 재료의 일부가 중합체 층(23) 내에 존재하는 영역이다.
본 발명의 압축 가스 용기는 100 F 초과의 고온, -20 F 미만의 저온, 지속적인 일광 조사(sun burning), 극적인 온도 변화 및 폭우를 포함한 다양한 유형의 날씨를 겪을 수 있다. 모든 가혹한 환경적 조건은, 층(23)이 코팅으로 덮이지 않은 상태로 남아 있으면 층(23)의 섬유 복합재 래핑 내의 수지를 열화시켜 가압 실린더의 무결성을 해칠 수 있다. 그러나, 본 발명에서의 코팅(25)은 순환적인 환경, 예를 들어 온도, UV 및 습기에 걸쳐 안정적이고 내구적이다. 상기 코팅은 -20 F 내지 100 F, 바람직하게는 -40 F 내지 120 F, 그리고 더 바람직하게는 -60 F 내지 160 F의 순환적인 온도 후에도 높은 수준의 내마모성, 내충격성, 절단 및 박리 내성, 및 복합재 래핑 상에서의 부착의 기계적 특성을 유지할 것이다. 상기 코팅은 500 시간, 바람직하게는 1000 시간 동안의 지속적인 UV 노출 및 순환적인 40% 내지 100% 습도 후에도 양호한 기계적 특성을 유지할 것이다.
UV 방사선에 대한 노출 후의 변색에 대한 내성 때문에, 지방족 폴리우레탄 및 폴리우레아 코팅 재료가 본 발명에서 바람직하다. UV 방사선에 대한 노출이 없거나 제한되는 경우에, 그리고 UV 방사선에 대한 통상의 노출의 경우에서의 UV 내성 페인트의 추가 층과 함께, 방향족 폴리우레탄 및 폴리우레아 재료가 또한 사용될 수 있다.
본 발명에 따른 층(25) 내에 선택적으로 포함되는 다른 화학물질은 프라이머(primer) 및 UV-내성 페인트이다. 프라이머는, 특히 실린더의 기부 및 목부(neck) 영역이 코팅될 필요가 있다면, 인접한 층(21과 23, 및/또는 21과 25, 및/또는 23과 25)들 사이의 부착을 향상시키는 데 사용된다. 프라이머의 화학적 성질은 에폭시계 또는 규소계일 수 있고, 이는 복합재 층(23) 내에 있는 중합체 수지와 화학적으로 상용성일 필요가 있다. UV-내성 페인트는 층(25)의 상부 상에 도포되어 UV 노출에 의해 유발되는 열화를 감소시킬 수 있다. 페인트는 바람직하게는 수성이고, 분무가능하거나 붓질가능하고, 주변 온도에서 건조될 수 있다. 페인트는 또한 강철 실린더(21)의 녹 발생(rusting)의 가능성을 감소시키는 데 사용된다.
층(25)은 응용 및 고객 요구에 근거하는 색상으로 될 수 있다. 더 바람직하게는, 색상은 하부 층(21, 23)들과 대비되어, 층(25)에 대한 임의의 절단부 또는 다른 손상을 더 명확하게 보여준다. 예를 들어, 층(23) 또는 실린더(21)로서의 흑색 탄소 섬유 복합재가 바람직하게는 층(25)으로서 더 밝은 색상의 재료로 코팅되는데, 이때 더 밝은 색상의 층(25)은 선택적으로 어두운 색상으로 상부가 페인팅된다.
실제로, 밸브(15)는 본 발명의 용기 상에 설비된다. 이어서, 요구되는 가스가 밸브를 통해 용기 내로 공급된다. 따라서, 바람직하게는, 밸브는 이러한 분야에서 알려진 유형의 것인데, 용기 내의 가스가 공급이 중단되는 점인 요구된 압력을 나타낼 때까지 가스가 밸브를 통해 용기 내로 공급될 수 있고, 밸브는 가스를 그 압력에서 용기 내에 보유한다. 이때, 결과는 본 명세서에 기술된 특징을 갖고, 바람직하게는 1000 psig 이상, 더 바람직하게는 4000 psig 이상, 전형적으로 8000 psig 이하인 압력으로 가스를 수용하는 용기이다. 용기 내의 가스는 주변 조건(25℃ 및 1 기압)에서 기체인 임의의 생성물일 수 있거나, 둘 이상의 그러한 생성물들의 혼합물일 수 있다. 예는 공기, 질소, 산소, 수소, 헬륨, 아르곤, 이산화탄소, 염화수소, 암모니아, 메탄, 질소 산화물, 육불화황, 및 이들의 혼합물을 포함한다. 용기 내의 가스가 가스들의 혼합물일 때, 이 혼합물은 용기 내로 공급되기 전에 형성될 수 있거나, 요구된 혼합물의 성분들이 용기 내로 개별적으로 순차적으로 공급됨으로써 용기 내로 공급되기 전이 아니라 용기 내에서 혼합물이 형성된다.
본 발명은 하기의 실시예들에 의해 예시된다. 표 1, 표 2, 표 3 및 표 5에서, "바람직한 코팅" 또는 "특히 바람직한 코팅"을 제목으로 하는 열(column)은 특히 만족스러운 성능을 위한 목표 값을 표시한다.
실시예
실린더 코팅 공정
코팅 A 및 코팅 B가 여기에서 구체적으로 평가된다. 이들 둘 모두를, 1:1 또는 1:2의 비로, 두 성분들, 즉 폴리-다이아민 및 폴리-다이아이소시아네이트의 반응에 의해 형성하였다. 두 성분들을 2개의 별개의 용기들 내에 저장하였고, 사전-설계된 비를 사용하여 분무 부스(booth) 내로 펌핑하였고, 가열하였으며, 분무하면서 혼합하였다. 이 두 성분들은 복합재 실린더의 표면에서 만났고, 고온에서 반응이 일어났다. 완전히 반응한 후, 실온에서의 매우 짧은 경화 시간 후에 코팅이 생성되었다. 복합재 실린더 또는 완전 코팅된 복합재 실린더의 코팅된 쿠폰(coupon)들에서 시험을 수행하였다.
실시예 1 - 내마모성
시험 방법 1 - 내마모성
절차 ASTM D4060 (14)를 따라, 코팅의 내마모성을 결정하기 위해 테이버(Taber) 마모를 사용하였다.
시험 시편, 즉 재료 A 또는 B 코팅된 강철 샘플의 최초 중량을 측정 및 기록한다. 1000 그램의 부하를 가하도록 테이버 연마기(abrader), 즉 휠 H-18을 선택한다. 시험 시편을 연마 시험기 상에 배치하고, 이어서 각각 500, 1000, 1500, 및 2000 사이클로 회전하게 한다. 각각의 실행 후에 시험 시편의 중량을 측정 및 기록하였다. 내마모성을 중량 측정으로 평가하였다.
코팅 A 및 코팅 B에 대한 내마모성 값, 및 본 발명에 따른 바람직한 코팅에 대한 값은 표 1에 나타낸 바와 같았다.
[표 1]
Figure 112017046186119-pct00001
실시예 2 - 내충격성
시험 방법 2 - 내충격성
절차 ASTM G14 (04)에 따라, 충격을 제공하기 위해 특정 중량 및 직경을 갖는 낙하 터브(tup)를 사용하였다. 터브를 수직방향으로 제한하였고 이어서 다양한 높이로부터 낙하하게 하여 시험 시편에 대한 충격 에너지를 생성하였다. 코팅 상에서의 결과적인 파손을 검출하는 검사를 사용한다.
코팅된 복합재 실린더 쿠폰을 충격 장치 상에 설치하였다. 터브는 중량 3.2 lb 및 5/8" 반구형 개구를 갖는, 본체 및 돌출부(nose)로 구성되었다. 장치는 터브를 10" 내지 최대 58"의 범위의 거리로부터 떨어뜨렸다. 터브의 중량과 터브가 이동하는 거리를 곱함으로써 충격 값을 결정하였다. 내충격성은 파괴가 시작되는 충격 값인 것으로 간주되었다.
코팅 A 및 코팅 B에 대한 내충격성 값, 및 본 발명에 따른 바람직한 코팅에 대한 값은 표 2에 나타낸 바와 같다.
[표 2]
Figure 112017046186119-pct00002
실시예 3 - 인장 부착
시험 방법 3 - 인장 부착
절차 ASTM D4541 (09)에 따라 코팅의 박리 강도를 결정하기 위해 인장 부착을 수행하였다.
견인 스터브(pull stub)에 가까운 직경을 갖는 홀쏘(hole saw)를 사용하여 코팅에 먼저 새김눈을 내었다. 이어서, 견인 스터브를 에폭시 접착제를 통해 코팅 표면에 부착시켰고, 에폭시 접착제를 실온에서 24시간 동안 경화되게 하였다. 엘코미터 공압 시험기(Elcometer pneumatic tester)를 사용하여 스터브를 견인하여 스터브를 범위 10 내지 3000 psi 내에서 기재로부터 분리하였다. 코팅과 탄소 섬유 복합재의 계면에서 파괴가 일어난 경우, 견인 압력 값을 인장 부착 강도로서 기록하고; 파괴가 코팅 층 내에서 또는 접착제로부터 일어난 경우, 응집 파괴 및 접착제 파괴가 있으며, 이는 인장 부착을 나타내지 않는다.
코팅 A 및 코팅 B에 대한 인장 부착 값, 및 본 발명에 따른 바람직한 코팅에 대한 값은 표 3에 나타낸 바와 같다.
[표 3]
Figure 112017046186119-pct00003
실시예 4 - 박리에 대항한 부착
시험 방법 4 - 박리에 대항한 부착
절차 ASTM D6677 (07)에 따라 코팅의 박리 난이도를 결정하기 위해 박리에 대항한 부착을 수행하였다.
코팅에 먼저 코팅 및 복합재 래핑 층의 계면 내로 "X" 절단부를 생성하였고, 이어서 "X" 절단부를 만능 칼 또는 심지어 프라이(pry)로 프로빙함으로써 해제시켰다. 코팅이 너무 두꺼우면, "X" 절단부를 만들기 위해 드릴에 부착되는 원형 블레이드를 사용할 수 있다. 코팅을 "X" 절단부로부터 박리시키고, 부착을 0 내지 10의 등급으로 등급을 평가하였는데, 이때 0은 "쉽게 제거됨"이고, 10은 "제거하기 극히 어려움"이다.
코팅 A 및 코팅 B를 제거하는 등급 평가 결과는 표 5에 나타낸 바와 같다.
[표 4]
Figure 112017046186119-pct00004
실시예 5
시험 방법 5 - UV 및 습기 내성
실외 날씨를 시뮬레이션하기 위해, QUV 챔버를 사용하여 UV 노출 및 습기에 대한 코팅의 내성을 시험하였다. 직사 태양광 및 비오는 날씨를 시뮬레이션하는 QUV 시험기는 코팅을 UV 광 및 수분의 교번하는 사이클들에 노출시킨다.
시험 방법 1, 2 및 3에 따라, 소정의 기간, 여기서는 500 및 1000 시간 동안의 QUV 노출 후에 기계적 특성들을 시험하였다. 시험 결과를 기초로 하여 UV 및 습기 내성을 평가하였다.
적용된 환경에 대한 내성을 결정하기 위해 UV 및 습기 노출 후의 색상 및 광택 변화를 또한 기록하였다.
코팅 A 및 코팅 B에 대한 내마모성, 내충격성 및 인장 부착 값은 표 5에 나타낸 바와 같다. 게다가, 코팅 A 및 코팅 B 둘 모두는 QUV의 1000 시간 후에 광택성 외관을 유지하였지만, 코팅 A의 색상은 500 시간 QUV 후에 백색으로부터 황색으로 변한 반면, 코팅 B의 색상은 변하지 않은 상태로 남는다.
[표 5]
Figure 112017046186119-pct00005
실시예 6
시험 방법 6 - 열 사이클링
실외 온도 변화를 시뮬레이션하기 위해, 오븐 및 냉동기를 사용하여 코팅을 -50 C 내지 +60 C의 범위 내의 온도에 노출시켰다. 시험 방법 1, 2 및 3에 따라, 소정의 기간, 여기서는 30일 후에 열 사이클링 후 기계적 특성들을 시험하였다. 시험 결과를 기초로 하여 내열성을 평가하였다.
적용된 환경에 대한 내성을 결정하기 위해 열 사이클링 후의 색상 및 광택 변화를 또한 기록하였다.
코팅 A 및 코팅 B에 대한 내마모성, 내충격성 및 인장 부착 값은 표 6에 나타낸 바와 같았다. 게다가, 코팅 A 및 코팅 B 둘 모두는 열 사이클링 시험의 30일 후에 이들의 원래의 색상 및 광택을 보유하였다.
[표 6]
Figure 112017046186119-pct00006
실시예 7
복합재 래핑 층 내로의 코팅의 침투
합당한 깊이 범위 내에서의 복합재 래핑 층 내로의 코팅 재료의 침투가 부착을 촉진시킬 수 있다. 도 7a 및 도 7b에 도시된 주사 전자 현미경(SEM) 이미지는 섬유-보강 중합체 표면의 동일한 표면 상에서의 코팅 A 및 코팅 B의 비교이다. 약 100 내지 150 마이크로미터의 더 양호한 침투 깊이를 갖는 코팅 A에 의해 제공되는 박리에 대항한 부착은 50 마이크로미터 미만의 침투 영역을 갖는 코팅 B의 박리에 대항한 부착보다 상당히 더 크다. 실시예 4에 나타낸 바와 같이, 코팅 A에 대한 박리에 대항한 부착은 10, 즉 "제거하기 극히 어려움"으로서 등급 평가되는 반면, 코팅 B는 0, 즉 "쉽게 제거됨"인 것으로 등급 평가된다. 한편, 인장 부착은 실시예 3에 나타낸 바와 같이 코팅 A 및 코팅 B에 대해 비교적 동일하다.
본 발명에 따른 표면에 도포되는 각각의 코팅 재료는 도포(예컨대, 분무 또는 다른 도포 기술) 동안에 액체 상태로 있을 필요가 있다. 따라서, 도포되는 재료는 주변 조건에서 액체일 수 있거나, 이 재료는 적합한 용매 내에 용해 또는 현탁될 수 있는데, 용매는 이어서 도포 후에 증발된다. 이어서, 액체 코팅이 고화 또는 완전히 경화될 기간이 주어진다. 게다가, 탄성중합체성 재료가 도포되는 중합체 재료의 표면 내로의 그리고 그 표면을 통한 탄성중합체성 코팅 재료의 요구되는 침투 정도는 중합체 층 내로 침투하는 코팅 재료의 분무 동안에 충분히 높은 압력을 채용함으로써 달성된다.

Claims (16)

  1. 압력 하에 가스를 수용하기 위한 용기의 본체로서,
    외부 표면을 갖고 개구를 갖는 중공 용기 본체 - 상기 개구를 통해 가스가 중공 용기 본체의 내부에 들어가거나 중공 용기 본체의 내부를 빠져나갈 수 있음 -;
    용기 본체의 외부 표면 주위에 있고, 용기 본체의 외부 표면에 부착되며, 외부 표면을 갖는 섬유-보강 중합체의 층; 및
    섬유-보강 중합체의 층의 외부 표면 주위에 있고 섬유-보강 중합체의 층의 외부 표면에 대해 밀봉되는 탄성중합체의 층을 포함하고,
    상기 섬유-보강 중합체의 층은 상기 탄성중합체를 포함하지 않고, 상기 탄성중합체의 층은 상기 섬유-보강 중합체를 포함하지 않고, 상기 탄성중합체 및 상기 섬유-보강 중합체의 혼합물을 포함하는 층이 상기 섬유-보강 중합체의 층과 상기 탄성중합체의 층 사이에 존재하는, 용기의 본체.
  2. 삭제
  3. 제1항에 있어서, 상기 탄성중합체는 폴리우레탄 및 폴리우레아로 이루어진 군으로부터 선택되는, 용기의 본체.
  4. 압력 하에 가스를 수용하는 데 유용한 용기로서,
    제1항의 용기의 본체를 포함하고,
    상기 개구에 연결되고 상기 개구를 통한 가스의 통과를 선택적으로 방지할 수 있으며 상기 개구를 통한 가스의 유동을 제어할 수 있는 밸브를 추가로 포함하는, 용기.
  5. 삭제
  6. 제4항에 있어서, 상기 탄성중합체는 폴리우레탄 및 폴리우레아로 이루어진 군으로부터 선택되는, 용기.
  7. 제4항에 있어서, 가스를 1000 파운드/제곱 인치 내지 8000 파운드/제곱 인치의 압력으로 상기 중공 용기 본체 내에 수용하는, 용기.
  8. 제4항에 있어서, 가스를 1000 파운드/제곱 인치 이상의 압력으로 상기 중공 용기 본체 내에 수용하는, 용기.
  9. 제4항에 있어서, 가스를 4000 파운드/제곱 인치 이상의 압력으로 상기 중공 용기 본체 내에 수용하는, 용기.
  10. 삭제
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