KR20100100928A - 금속 간층을 갖는 ｐｖｃ／ｃｐｖｃ 복합 파이프 및 이의 제조 방법 - Google Patents

금속 간층을 갖는 ｐｖｃ／ｃｐｖｃ 복합 파이프 및 이의 제조 방법 Download PDF

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Abstract

복합 파이프는 PVC/CPVC의 내측 도관과 외측 도관 사이에 낀 금속 도관을 지니며, 각각의 내측 도관 및 외측 도관은, 금속과의 결합을 제공하는 열경화성 이층 접착제의 건조된 용매 비함유 박층을 지닌 사이에 있는 금속 도관에 접착제에 의해 고정되며, 이러한 결합은 점착성 결함이 없다. 알루미늄 간층을 지닌 구부러질 수 있는 복합 파이프를 제공하기 위한, 그리고 강철 간층을 지닌 강성의 구부러질 수 없는 복합 파이프를 제공하기 위한 각각의 도관의 두께에 대해 좁게 규정된 제한치를 찾게 되었다. 요구되는 ASTM 및 NSF 시험 고려사항에 부합하는 복합 파이프를 제조하는 것은 예상밖으로 중요한 공정 단계를 필요로 한다. 파이프의 제조 방법이 기술되고, 파이프의 길이가 그 안에서 용매-시멘트 접합되도록 하여 파이프내 가압 하에 유체의 침윤에 대항하여 파이프의 말단 단부를 밀봉함으로써 박리를 방지하는 PVC/CPVC 피팅도 기술된다.

Description

금속 간층을 갖는 ＰＶＣ／ＣＰＶＣ 복합 파이프 및 이의 제조 방법 {PVC/CPVC COMPOSITE PIPE WITH METAL INTERLAYER AND PROCESS FOR MAKING IT}
본 발명은 금속 도관(i), 금속 도관은, 금속 도관의 내측 표면에 접착제에 의해 고정된 폴리(비닐 클로라이드)("PVC") 또는 염소화된 폴리(비닐 클로라이드)("CPVC")의 내측 도관(ii)과, 금속 도관의 외측 표면에 접착제의 의해 고정된 PVC 또는 CPVC의 외측 도관(iii) 사이에 끼어 있도록 압출된 복합 파이프에 관한 것이다. PVC/CPVC(간단히 "폴리머"라 함)의 각각의 내측 및 외측 도관은 금속 도관의 내측 및 외측 표면에 매우 강력하게 접착되어 파이프가 가정용 온수 및 냉수용 CTS 및 IPS 파이프, 및 공정 유체의 취급용 산업용 장치를 위한, 그리고 자동소화장치를 위한 기준을 부합하도록 한다. 파이프 길이의 각각의 말단 단부의 원주 단면(파이프 말단 림의 표면을 형성하는)은 급격하게 테이퍼링된 부싱(bushing) 및 피팅으로 고정되어 폴리머와 금속 간의 환형 경계로 아주 미세한 유체 점적이 흘러가는 것을 막는다.
다층 금속 파이프라고도 언급되는 복합 파이프는 본원의 발명과 가장 관련된 문헌인 부시(Bushi) 등의 미국 특허 제6,293,311호("'311 특허")의 제 1 페이지 및 제 2 페이지에서 기재된 것들과 같은 많은 문헌에 개시되어 있다. '311 특허는 PVC/CPVC의 내측 도관을 압출하고, 이를 제 1 접착제 층으로 코팅하고; 금속 스트립을 2mm 미만의 갭을 제공하도록 아래로 당긴 후, 금속 스트립의 세로방향 에지를 맞대기-용접(butt-welding)에 의해 접착제 코팅된 내측 도관 위로 금속 도관을 형성시키고; 임의로, 금속 피복된(metal sheathed) 내측 도관을 가열하여 접착제를 활성화시키고; 금속 도관의 외측 표면의 제 2 접착제 층으로 코팅하고; 이후 제 2 접착제 층 상에서 PVC/CPVC의 외측 도관을 압출함으로써 형성된 복합 파이프를 교시하고 있다.
'311에서 접착제는 두 단계로 적용된다. 제 1 접착제 층은 가열되어 활성화함으로써 금속 도관이 아래로 당겨진 후, 위에 있는 금속 도관을 내측 CPVC 도관에 부착시켜서 3층으로 된 도관을 형성할 수 있다. 이후, 제 2 접착제 층이 적용된다(컬럼 10, 라인 21-31). 필요에 따라, 임의의 다양한 종류의 접착제를 활성화시키는 제안은 임의의 특정 접착제를 제안하지는 못하였다. 또한, 예시적인 예는 열가소성 비열활성 접착제인 Estane® 58271 폴리우레탄에 대한 것이었다. 도관으로 형성되기 전에 금속 스트립의 양면에 열경화성 이층 접착제가 사전코팅되고, 접착제가 제 1 프라이머 층과 제 2 탑코트 층의 조합으로부터 형성되고, 이러한 조합이 금속 스트립의 각각의 측면에 코팅되고, 건조되는 것은 제안되어 있지 않다. 하기에서 기술되는 이러한 2층 열경화성 접착제를 이후 "이층 접착제"라 칭한다.
금속성 중간층과 하부의 접착제 간의 갭이 2.0mm 미만에 근접하도록 금속을 아래로 당기고, 임의로 하부의 접착제를 가열하여 활성화하는 것에 관한 '311의 기재는 스트립의 아주 인접한 에지 간의 갭이, 0.5mm 미만(0.020"), 바람직하게는 0.25mm 미만이 되도록 하고, 또한 아주 인접한 에지 아래에 수직 공간(이는 금속 에지의 아래로부터 수직으로 측정하여, 0.25mm(0.010") 내지 0.75mm(0.030")이다)을 충분히 두어 하부 폴리머가 용접 레이저 빔에 의해 연소되지 않도록 내부 도관 둘레에 금속 스트립을 꼭 맞게 형성시키는 것의 중요성을 깨닫지 못하였다.
용어 "파이프"는 관(tubing)이거나 파이프거나 간에 CTS 또는 IPS 요건에 부합하는 복합 파이프를 나타낸다. 본원에서 사용되는 용어 "도관"은 압출된 내측 및 외측의 관형 폴리머 층, 및 이들 사이에 끼인 관형 금속을 나타내며; 금속 도관의 내측 및 외측 표면을 코팅하기 위해 사용되는 접착제는 내측 접착제 층 및 외측 접착제 층으로서 언급된다. "PVC/CPVC" 도관은 도관이 PVC 또는 CPVC, 또는 PVC와 CPVC의 블렌드일 수 있음을 의미한다. 복합 파이프에서, 내측 도관이 PVC인 경우, 외측 도관은 PVC 또는 CPVC일 수 있으며, 내측 도관이 CPVC인 경우, 외측 도관은 PVC 또는 CPVC일 수 있다. 즉, 폴리머는 각 층에서 동일하거나 상이할 수 있다("혼합 또는 일치함"). PVC 및 CPVC는 본원에 기술된 복합 파이프에 사용되는 주요 폴리머이다. PVC 및 CPVC 조성물은 둘 모두 충격 개질제, 가공 보조제 및 윤활제와 같은, 적정량의 그 밖의 폴리머 물질을 함유한다. 도관의 PVC 또는 CPVC 조성물은 50중량% 초과, 바람직하게는 70중량% 초과, 더욱 더 바람직하게는 80중량% 초과의 PVC 또는 CPVC 또는 PVD와 CPVC의 블렌드인 조성물을 지녀야 한다.
주간 통상(interstate commerce)에서, 본 발명의 복합 파이프는 본원에서 완전히 언급되는 것과 같이 참고문헌으로 통합되는 ASTM F1281, 섹션 9.3, 9.4, 9.5 및 ASTM D2846, ASTM D1785, AWWA C901, ASTM F493, PPI TR-3, 및 NSF/ANSI 스탠다드 14에 의해 명시되어 있는 시험 조건에 대한 요건을 부합하는 것이 중요하다. 상기 표준에 부합하는 파이프를 이후 "요구되는 시험 조건에 부합하는" 파이프라 칭한다. 요구되는 시험 조건에 부합하는 것 이외에, 복합 파이프는, 파이프가 실질적으로 비활성인 물, 수용액, 수성 현탁액 및 유체에 대해 작동가능한 배관 시스템에, 1.205MPa(175psi)와 같이 고압 및 82.2℃(18O℉)와 같은 고온에서 사용될 수있다. "비활성"은 폴리머가 그것을 통해 흐르는 유체와 유효한 반응을 하지 않고, 그러한 유체에 실질적으로 용해하지 않는 것을 의미한다.
'311 특허에서 기술된 발명이 이루어진 때에는, 임의의 특정 ASTM 표준 요건에 부합하는 복합 파이프를 지정할 이유가 없었으며 복합 파이프의 성능 특성의 제한사항을 결정할 이유도 적었다. 그 후 곧, 시험 시에, '311 특허에서 제안된 여러 접착제로 형성된 복합 파이프는 20℃ 내지 25℃(68℉ 내지 77℉) 범위의 주위 온도, 및 790 내지 928KPa(100 내지 120psig) 범위의 낮은 압력에서 비교적 짧은 시간 동안 사용하는데에만 적합한 것이었음이 밝혀졌다.
더욱 구체적으로, 상기 파이프는 ASTM D2846/D 2846M 내지 06의 요구된 상승된 온도 및 압력 범위에 대한 요구된 시험 조건 및 본원에서 명시된 최소 링 박리 강도(minimum ring peel strength)에 부합하지 못하였다.
이후, 특히 PVC/CPVC와 관련하여 지난 6년에 걸친 지속적인 연구와 공정 조건의 시험을 포함하는 과다한 시행 착오 후에, 사용되는 수많은 접착제를 상이한 방식으로, 그리고 광범위한 조건에 대해 어렵게 시험하고, 복합물을 형성하는 공정에서 여러 기계를 시험함으로써, 좁게 특정된 공정 조건, 및 48.9℃(120℉) 초과로 가열되는 경우 PVC/CPVC에 대해 효과적인 접착제가 되어 금속, 알루미늄 또는 강철의 결합을 제공함으로써 파이프가 요구되는 ASTM 시험 조건에 부합하도록 하는, 매우 얇은 건조 코팅으로 금속 스트립 상의 프라이머로서, 이후에 탑코트 층으로서 코팅된 이층 접착제의 용도를 발견하였다.
문제점
'311 특허의 PVC/CPVC 복합 파이프는 적어도 두가지 이유, 즉, 폴리머와 금속 간의 불충분한 접착력 및 금속 도관을 형성시키기에 불충분한 용접으로 인해 요구되는 시험 조건 하에서 실패하였다. 또한, 모든 연결부가 용매 기재 시멘트로 용매-시멘트 접합되었음에도 불구하고, '311 특허에서 기술된 피팅으로 구성된 배관 시스템은 피팅이 각각의 말단 단부의 원주 단면(림, 또는 파이프 단부의 외주)을 밀봉하지 못하였기 때문에 접합부에서 누수되었으며, 여기서 상기 단면은 파이프의 단부가 피팅에 밀착되기 전에 순차적인 폴리머, 접착제, 금속, 접착제 및 폴리머 층들을 노출시킨다. 이층의 접착제는 실질적으로 육안으로 보이지 않을 정도로 매우 얇다.
폴리머와 금속 간의 불충분한 접착력은 (i) 연속되는 원주층의 경계에서의, 즉, 림 상의 폴리머/접착제/금속 계면에서의 폴리머와 금속 간의 분리; (ii) 65.5℃(15O℉)에서 1300KPa(175 psig) 압력 하에서의 파이프 파열; 및 (iii) 복합 파이프내 금속이 알루미늄이고, 파이프가 파이프 직경의 대략 6배 미만의 반경으로 180°도 구부러지면, 예를 들어 2.54cm(1")의 공칭 직경을 갖는 파이프가 벤딩(bending) 도구에 의해 또는 맨드렐(mandrel) 상에서 구부러져 약 15.24cm(6") 미만의 반경을 갖는 U자형 벤드(bend)를 형성하는 경우에 형성된 U자형 벤드에서 폴리머와 금속 간의 분리에 의해 입증되었다.
충분한 접착력 결여로 인한 결함은 일반적으로 폴리에틸렌(PE), 또는 내측 및 외측의 가교된 폴리에틸렌(PEX) 층을 갖는 복합 파이프에서는 일어나지 않는데, 그 이유는 사용된 접착제가 일반적으로 말레에이트화된 폴리올레핀 접착제이기 때문이다. 접착제의 구조는 가열되면, 접착제와 접촉하여 PEX의 표면에 혼입됨으로써, 금속 표면과 폴리올레핀에 탁월한 접착력을 제공하도록 되어 있다. 또한, PEX 복합물/다층 배관 시스템에서, 연결부는 기계적 피팅으로 이루어지기 때문에 누수가 최소화된다. 이러한 피팅은 연결부를 밀봉하는 내측 금속성 부싱 둘레에서 피팅내 파이프의 원주면을 압축한다. 이러한 선택은 모든 피팅이 용매-시멘트 접합되는 PVC/CPVC 배관 시스템에서는 이용할 수 없다. 당업자들이 과다한 정도의 시행착오 없이 그러한 접착제를 발견하고 이를 사용할 수 있도록 하는 방식으로 강철 또는 알루미늄에 대해 압출된 PVC/CPVC의 효과적인 접착제를 개시하거나 확인한 종래 기술 문헌은 존재하지 않는다. 금속과 내측 및 외측 PVC/CPVC 도관 간의 필요한 결합을 제공하며, 이러한 결합이 요구되는 ASTM 시험 조건을 부합하기에 충분히 강하고, 수십년 동안 지속적으로 사용할 수 있게 하는 접착제를 합당하게 확인한 종래 기술 문헌은 존재하지 않는다. 종래 기술의 예시적인 실시예에서 사용된 접착제는 당면한 목적에 비효과적이다.
하기 사실들이 밝혀졌다:
(i) 실질적으로 '311 특허에 어떠한 접착제가 유용한 것으로 개시되고 있지만, 특정 접착제의 용도만이 예시되어 있고, (i) 프라이머 층 및 열활성가능한, 가교성 폴리우레탄 탑코트를 위한 고분자량 폴리에스테르 접착제와 함께 열경화성 에폭시; 및 (ii) 임의로 에폭시로 개질된 아세토페논/-포름알데히드 수지; 및 (iii) 고분자량 가교된 코폴리에스테르-우레탄-폴리머를 기재로 하는 탑코트와 함께 에폭시-개질된 고분자량 코폴리에스테르-우레탄-폴리머를 기재로 하는 부식방지 프라이머로부터 선택된 이층 접착제인 것으로 여겨지는, 머큐랄 코포레이션(Mercural Corp., Colmar, France)로부터 구입가능한 CIRE-10B을 제외하고, 그 어느 것도 요구되는 시험 조건에 부합하는데 유효한 것은 없었다. 금속에 대한 CPVC용 접착제로서 사용하고, 요구되는 ASTM 시험 조건에 부합하는데 필요한 접착력을 제공하는데 효과적이고, 추가로 금속 스트립이 프라이머 층, 및 이후 피니시(finish) 층으로부터 형성되고, 사용되기 전에 건조되는 이층 접착제로 코팅되는 접착제는 종래 기술에 제안되어 있지 않다;
(ii) '311 특허에서 교시된 바와 같이, 내측 도관에 에폭시 접착제를 연속해서 코팅한 후, 형성된 금속 도관 상에 상기 접착제를 코팅하는 것은 요구되는 시험 조건에 부합하는 결합을 제공하지 못하였다;
(iii) 금속 스트립의 레이저 용접은 금속 스트립의 에지가 산화되었기 때문에 가압 하에서의 서비스를 보장하는데 요구되는 연속 용접을 제공하지 않았다;
(iv) 내측 도관 둘레에 스트립을 형성함으로써 형성되는, 스트립의 세로방향 에지 간의 갭이, 압출된 내측 도관의 외경이 이제 중요한 것으로 밝혀진 제한범위내에서 제어되지 않았기 때문에 제어될 수 없었다;
(v) 동시에 진공을 가하지 않고 새로 적용된 접착제에 대해 외층을 압출하여 금속 제조된 복합 파이프 상으로 외층을 가압하는 것은 요구되는 ASTM 시험 조건에 부합하지 않았다;
(vi) 구부릴 수 있는 파이프는 좁게 규정된 범위의 두께 및 직경을 갖는 알루미늄 도관으로만 제조될 수 있었다.
"구부러질 수 있는"은 요구되는 시험 조건 하에서 성능에 악영향을 미치지 않도록 층을 박리하거나 파이프를 손상시키지 않으면서 파이프 직경의 6배가 되는 반경으로 180°구부러질 수 있음을 의미한다. 파이프 직경의 6배는 벤드의 직경이 파이프 직경의 6배임을 의미한다. 요구되는 시험 조건 하에서 성능에 악영향을 미치지 않도록 층을 박리하거나 파이프를 손상시키지 않으면서 기능하는 구부러질 수 있는 파이프는 파이프 직경의 6배보다 더 큰 반경을 갖는다.
'311 특허에서 기술된 피팅은 미세한 유체 점적을 침입시킴으로써 원주 경계에서 폴리머 및 금속 층의 박리를 방지하도록 의도적으로 구성된 것이다. 그러나, 박리는 일반적으로 수직 단면(파이프의 길이에 대해 수직이며, 또한 이는 파이프의 말단 단부에서의 림으로서 언급됨)의 표면에서 원주적 결합의 약화로 인해 발생한다.
'311 특허의 부싱(9)은 배럴로부터 방사상으로 연장되는 플랜지를 갖는 관형체(배럴)를 지닌다. 배럴은 복합 파이프의 말단 단부에 삽입되고, 파이프의 단부로 압착되는 경우, 부싱의 플랜지의 내측 원주면이 림에 인접한다. 부싱의 플랜지의 원주는 복합 파이프의 외경의 원주와 같은 직경을 지녀서, 삽입된 부싱을 지닌 파이프의 단부가 엘(ell), 커플링, 또는 그 밖의 피팅에 삽입될 수 있다. 그러나, '311 특허는 도 3a, 3b, 및 3c에서 본 발명 및 종래의 피팅(원뿔형 또는 실린더형)의 다층 복합 파이프를 결합시키는데 선택적으로 사용되는 인서트 또는 부싱(9)을 도시하고 있기는 하지만, 부싱의 중공체가 "방사상으로 (원문 그대로) 연장되는 플랜지를 갖는 실린더형"(참고: '311, 컬럼 8, 라인 59-64)이라고 기술하고 있다. 실린더형 배럴이 접착제 시멘트로 코팅되고, 파이프의 단부로 삽입되는 경우, 시멘트는 계면으로부터 부서져 떨어짐으로써 제거되고, 이로써 배럴의 외측 표면과 내측 도관의 내측 표면 간을 밀봉하기에 불충분한 접착제가 된다. 이에 따라, 파이프내 가압 하의 유체는 그 자체로 부싱과 내측 도관 사이의 (시멘트가 부서져 떨어짐으로 인해 남겨진) 최소 환형 공간을 뚫고 나아가, 파이프 림내 폴리머와 금속의 계면을 공격한다. 동일한 문제점이 '311 특허의 도 6a 및 6b에 도시된 커플링의 축상 연장되는 립부(lip portion)(8)에 대해서도 적용된다.
또한, '311 특허는 복합 파이프의 전체 직경이 ASTM D2846 표준 규격(Standard specification)에 의해 규정되었다고 인정받지 못하였다. 또한, PVC/CPVC의 여러 벽두께를 시험한 후, 약 0.6mm(0.025") 두께 미만의 PVC/CPVC 외층은 피팅에서 용매-시멘트 접합될 수 없었는데, 그 이유는 상기 층이 용매 기재 시멘트로 코팅되면, 금속에 대한 결합력 및 무결성 둘 모두가 소실되었기 때문이다.
발명의 개요
본 발명의 방법은 다양한 압출 공정에서 사용된 기본 단계와 본 방법에 대해 특이적인 단계를 조합하여 사용한다. 후자의 특이적인 단계는 먼저 프라이머 층을 도포한 후, 복합 파이프가 요구되는 ASTM 표준에 부합하도록 PVC/CPVC를 금속에 부착시키기에 충분한 양으로 피니시 층을 도포함으로써 금속 스트립의 양면에 상기 언급된 "이층 접착제"를 코팅하는 것을 요한다. 이층 접착제는 48.9℃(12O℉) 초과의 온도에서 반응하는 경화제를 함유하는 하나 이상의 코트를 제공한다. 건조 시, 형성된 접착제는 용매 비함유의 얇은 건조층을 제공한다. 접착제 코팅된 스트립이 매우 인접하는 에지를 갖는 금속 도관으로서 제 1 PVC/CPVC 압출물 둘레에 형성되기 전에 스트립의 세로방향 에지를 새롭게 잘라내고, 아래에 있는 제 1 압출물을 연소시키지 않고 에지를 레이저 용접하면서, 스트립을 상기 제 1 압출물에 부착시킴으로써 내측 도관이 금속 도관에 의해 꼭 맞게 둘러싸이게 된다. 이후 기술되는 추가 단계는 복합 파이프에 외측 도관을 제공하고, 내측 및 도관 둘 모두는 요구되는 ASTM 표준에 부합하도록 접착제에 의해 금속 도관에 견고히 접착된다.
전체 공정의 각 단계는 통상적인 PVC/CPVC 파이프에 대한 요구되는 시험 조건을 부합한다면, 상기 기술된 복합 파이프의 제조시에 중요한 것으로 밝혀진 공정 조건을 포함하도록 맞추어졌다. 공정 단계의 좁게 정의된 제한사항은, 내측 도관에 부착된 후에, 금속 피막의 외경이 요구되는 접착제의 결합 강도가 달성되도록 하는 특정 제한범위 내에서 원주적으로 압출되는 것을 요함을 포함한다. 압력이 높을 수록, 결합 강도는 우수하지만, 압력이 지나치면 내측 도관이 파괴된다. 단계의 조합이 예상치 못한 효과적인 결과를 낳았다.
본 공정의 결과는 이제 압력 설계에 기초하여, 요망에 따라, 모두 동일한 벽 두께를 갖거나, 상이한 벽 두께를 갖는 12.7mm(0.5") 내지 50.8mm(2") 범위의 직경을 갖는 코드-충족 복합 파이프가 제조될 수 있으며, 모든 사이즈가 요구되는 시험 조건에 부합한다는 것이다. 만족스러운 용매-시멘트 접합을 위해, 벽 두께는 0.635mm 초과, 바람직하게는 0.8128mm(0.032") 내지 1.626mm(0.064") 범위이다. 이 복합 파이프는 ASTM F1281, 섹션 9.3, 9.4, 9.5 및 ASTM D2846, 섹션 9.3.1의 요건에 부합하며; IPS 피팅은 ASTM F438 및 ASTM F439의 요건에 부합하며; CTS 피팅은 ASTM D2846의 요건에 부합한다.
특정 이층 접착제만이 요구되는 시험 조건을 통과할 복합 파이프를 형성시키기에 충분한, PVC/CPVC를 금속 스트립에 결합시키는데 요구되는 접착력을 제공하는데 효과적인 것으로 밝혀졌으며, 단 스트립의 각 면이 프라이머 및 탑코트 층으로 코팅되어 이중면(twin-sides) 코팅된 스트립을 형성한 후, 이층 접착제가 사용되기 전에 건조되어야 한다. 접착제 결합 강도는 예상 밖으로 너무 강하여 점착력 결함을 종종 발생시킨다. 이러한 결함은 금속으로부터 폴리머 층을 분리시키고자 하는 경우에 결합 계면에서 금속으로부터 폴리머를 분리하기보다는 폴리머에 결합된 금속층, 또는 폴리머의 인렬을 초래한다. 접착제와 금속 계면에서의 분리는 관찰되지 않는다.
금속이 압출된 내측 도관 상에 꼭 맞게 형성된 후 금속 스트립의 세로방향 에지가 가까이 인접해 있을 경우에 형성된 갭은 용접이 지속적이고, "돌출부(hump)"를 갖지 않아야 하는 것이 필수적이다. 돌출부는 그의 상부 표면이 금속 피막의 표면보다 0.51mm(0.020") 초과로 상승하여 있다면 바람직하지 않으며, 용접의 상부 표면이 금속 도관의 인접하는 원주 영역과 유연하게 맞춰지도록 0.254mm(0.010") 미만으로 상승하는 것이 바람직하다. 금속의 제한된 최대 두께는 외측 도관과 함께 금속 피복된 내측 도관을 코팅하기 전의 공정 단계에서 요구되는 바와 같이, 피복된 파이프를 원주적으로 압축하는 필요 단계를 허용한다.
연속적인 세로방향 용접이 되도록 하기 위해, 스트립의 두 에지는 각각 알루미늄이거나, 강철과 같이 철계 금속이거나 간에, 내측 도관 둘레에 형성되기 전에 10분 이하로, 바람직하게는 1분 이하로 트리밍된다. 에지에서의 산화는 불량한 용접이 원인이다. 새로 절삭된 에지를 용접함으로써 이러한 산화를 최소화하며, 또한 용접은 본원에서 언급된 바와 같이 수직으로 이격된 하부의 내측 도관을 연소시키기에 불충분한 강도를 갖는 레이저로 수행되어야 하고, 내측 도관의 원주 표면에 대해 접착제 결합 강도를 감소시켜야 한다.
이층 접착제가 우수한 접착제임에도 불구하고, 접착제 결합의 강도는 금속 외피를 지닌 복합체가 내측 도관의 직경을 감소시키고 금속 도관의 외측 직경을 ±0.08 mm(0.003")의 특정 범위내로 유지시키도록 원주적으로 압축되고 가열될 때까지는, 점착 결합으로 완전히 발달하지 않는다.
임의 길이의 복합 파이프를 제조 방법은, 약 182℃(360℉) 내지 215℃(420℉) 범위의 온도에서 제 1 압출기에서 폴리(비닐 클로라이드) 또는 염소화된 폴리(비닐 클로라이드)의 제 1 도관을 압출하여, 두께가 0.8mm(0.032") 내지 l.0mm(0.040") 범위이고, 직경이 ±0.08mm(0.003") 내에서 조절되는, 복합 파이프용의 고온의 내측 도관을 제공하고; 고온의 내측 도관을 진공 사이징하고, 21℃(70℉) 내지 37.74℃(100℉) 범위의 온도로 냉각시키고, 그 직경을 사이징 슬리브를 사용하여 ±0.08mm(0.003")의 허용치 내로 조절하고;
용매 비함유 이층 접착제로 양면이 코팅되고 건조된, 두께가 0.2mm(0.008") 내지 1.2mm(0.048")인 알루미늄 또는 철 함유 금속의 코팅된 스트립을 에지-트리머(edge-trimmer)에 공급하여 10㎛ 내지 50㎛ 범위의 두께의 이층 접착제로 코팅된 이중면 코팅된 스트립을 형성하고; 0.5mm(0.020")의 허용치를 갖는 소정 폭을 갖도록 이중면 코팅된 스트립을 트리밍하고;
트리밍된 이중면 코팅된 스트립을 내측 도관에 세로방향으로 인접하고 매우 가깝게 공급하고, 내측 도관 둘레로 스트립을 꼭 맞게 형성시켜서 0.5mm(0.020") 미만의 소정 폭의 갭을 갖는 매우 인접한 에지를 제공하고;
아래에 있는 내측 도관을 연소시키지 않고 갭을 폐쇄하기 위해 스트립을 레이저 용접하여 내측 도관을 꼭 맞게 둘러싸는 연속적으로 용접되는 금속 도관을 제공하고;
용접된 금속 도관을 원주적으로 압축하여 0.8% 내지 1.5% 범위로 내측 도관의 외경을 감소시키고;
피복된, 압출된 파이프를 약 149℃(300℉) 내지 171℃(34O℉) 범위의 온도로 인덕턴스(inductance) 가열하고;
약 30.5 내지 55.9cm (12 내지 22") 수은주의 범위로 진공을 가하여 접착제 코팅된 금속과 형성되는 외측 도관 간의 환형 공간을 가압하면서 제 2 압출기에서 약 182℃(36O℉) 내지 215℃(42O℉) 범위의 온도로 폴리(비닐 클로라이드) 또는 염소화된 폴리(비닐 클로라이드)의 제 2 도관을 압출시켜서, 두께가 0.8mm(0.032") 내지 1.0mm(0.040")이고, 직경이 ±0.08mm(0.003") 내로 조절되는 고온의 외측 도관을 금속에 접착제로 고정시키고;
복합 파이프를 냉각시키는 것을 포함한다.
각각 0.813mm + 0.203mm(0.032"+0.008")의 바람직한 벽 두께를 갖는 내측벽 및 외측벽과, 그 사이에 0.2mm(0.008") 내지 1.2mm(0.047") 범위의 두께를 갖는 금속 도관을 지닌 상기 방법에 의해 형성된 복합 파이프는 12.54mm(0.5") 내지 50.8mm(2")의 공칭 직경을 갖는 모든 파이프에 대해 요구되는 시험 조건에 부합하는 것으로 나타났다. 상응하는 금속 파이프보다 벽 두께가 얇은 이러한 파이프는 배관시스템에 보다 빠른 흐름과 보다 낮은 압력 강하를 가능하게 한다. 금속이 알루미늄인 경우, 복합 파이프는 구부러질 수 있는 것이 요구되고, 파이프는 요망되는 굴곡을 유지하는 것이 요구된다. 알루미늄 도관은 용이하게 구부러질 수 있기 때문에, 내측 및 외측 도관의 두께가 휨성(bendability)을 조절한다. 두께가 0.064"인 각각의 도관은 파이프를 손상시키지 않거나, 구부러진 파이프가 허용불가능하게 큰 정도로 구부러지기 전의 위치로 되돌아가게 하지 않고 휨성의 허용치를 제공한다. 복합 강철 파이프가 구부러지지 않기 때문에, 보다 두꺼운 금속층 및 보다 두꺼운 폴리머층이 강철 도관 상에 사용될 수 있다.
상술된 발명은 유사한 도면 부호가 유사한 구성 요소를 나타내는 개략도와 함께, 공정 단계, 및 피팅과 복합 파이프 간의 누수방지 연결을 형성하기 위해 사용되는 것들 중 대표적인 특정 피팅에 대한 하기 상세한 설명을 참조함으로써 가장 잘 이해될 것이다:
도 1a는 복합 파이프의 세로방향 단면의 투시도이다.
도 1b는 90°구부러진 파이프 길이의 단면에서의 부분 투시도이다.
도 2는 ASTM D2846, 섹션 6.1.3.3에 따라서 각각 치수화된 반대 방향으로 외측으로 테이퍼링된 단부(또는 소켓)를 지닌 종래의 커플링을 나타내는 커플링의 단면에서의 부분 측면도이다(커플링의 각각의 전방 및 후방 단부 또는 소켓의 테이퍼는 도면에 도시되어 있지 않다).
도 3a는 '311 특허에서 도시된 바와 같이 실린더형 배럴을 지닌 종래의 PVC/CPVC 부싱의 측면도이다.
도 3b는 특정된 것보다 작은 치수를 갖는 테이퍼링된 배럴을 지닌 신규한 부싱의 단면도이다(도시된 테이퍼는 크게 확대된 것임).
도 3c는 도 3b에 도시된 신규한 부싱의 테이퍼링된 배럴, 및 윤곽선으로 '311 특허에서 언급된 부싱의 실린더형 배럴을 도시한 도 3b의 3C-3C 면을 따른 단면도이다.
도 4는 도 3에 도시된 신규한 부싱이 삽입된 복합 파이프의 단면도이다. 편의상, 부싱에서의 테이퍼는 도시되지 않았다.
도 5a는 각 파이프의 단부에 도 3에 도시된 부싱의 삽입 없이 두 개의 길이 또는 코일의 파이프를 결합시키기 위한 바람직한 커플링의 투시 단면도이며, 커플링은 배럴 단부의 중간에 방사상으로 연장되는 내측 플랜지에 의해 파이프의 내측 벽으로부터 이격된 내측의 동축 배럴을 지니며, 각각의 배럴은 반대로 테이퍼링되어 있다(이 도면에서 테이퍼는 도시되어 있지 않음).
도 5b는 반대로 테이퍼링된 배럴을 도시한, 도 5a에 도시된 커플링의 단면도이다(테이퍼는 크게 확대됨).
도 6은 도 1에 도시된 복합 파이프를 제조하는 방법에서의 대표적인 단계를 개략적으로 도시한 것이다.
도면, 특히 도 1a와 관련하면, 일반적으로 부호(10)로 표시된 복합 파이프가 도시되어 있으며, 복합 파이프(10)는 PVC/CPVC의 압출된 내측 도관(12); 바람직하게는, 내측 도관(12) 위에 형성되어 있고 위에 놓인, 알루미늄 또는 철 함유 금속의 금속 도관(13); 및 금속 도관(13) 상에 압출되어 있으며, 위에 놓인 PVC/CPVC의 외측 도관(14)을 포함한다. 이층 접착제의 내측 접착제 층(15)은 금속 도관(13)을 내측 도관(12)에 점착 결합시키고; 이층 접착제의 외측 접착제 층(16)은 금속 도관(13)을 외측 도관(14)에 점착 결합시킨다. 내측 도관 및 외측 도관은 동일하거나 상이한 폴리머로부터 압출될 수 있다.
도 1b와 관련하면, 소정 길이의 파이프(20)가 도시되어 있으며, 내측 폴리머 도관 및 외측 폴리머 도관은 공칭 직경이 19.05mm(0.75")이고, 각각의 폴리머 도관은 벽두께가 0.813mm(0.032")이고; 알루미늄 간층(interlayer)은 두께가 0.4mm(0.016")이다. 상기 파이프는 구부러진 것의 반경이 11.43cm(4.5")인 벤딩기를 사용하여 90°로 구부러져 있다. 비특정 기한 동안 90°형태를 유지할 안정하게 90°구부리기 위해, 파이프를 약 100°로 구부린다. 벤딩기로부터 분리되면, 아암은 1시간 미만의 단시간에 90°로 탄력있게 물러나고, 그 상태로 유지된다. 특정된 반경에 대해 90°구부림은 도면에 도시된 바와 같이 심하게 구부러진 것이지만, 내측 도관도 외측 도관이 박리되지 않았으며, 구부러진 것의 반경에서 인렬도 없다.
내측 도관 또는 외측 도관의 벽 두께는 좁게 제한되는데, 그 이유는 0.635mm (0.025") 미만의 두께가 지나치게 얇아서 신뢰성있게 용매-시멘트 접합이 이루어지지 않으며, 3.18mm(0.125") 초과의 두께는 도관이 금속에 점착 결합되는 경우에도 구부러진 것의 반경에 크랙이 형성되는 경향이 있기 때문이다.
도관이 PVC로 제조되어야 하는 경우, 압출가능한 PVC는 전세계적으로 광범위하게 입수가능한 아주 흔한 화합물이며, 요구되는 시험 조건에 부합하는 매우 다양한 성형품 및 파이프를 제조하는데 사용된다. 도관이 CPVC로 제조되어야 하는 경우, 압출가능한 CPVC 또한 전세계적으로 광범위하게 입수가능하고, 주로 요구되는 시험 조건에 부합하는 파이프를 제조하는데 사용된다. 매우 자세히 기술될 필요는 없을 것이나, 필수 사항은 하기에서 기술된다.
ASTM-D1243에 대해 고유 점도("I.V.") 측정에 의한 PVC의 분자량은 약 0.2 내지 약 2.0, 바람직하게는 약 0.4 내지 1.6, 가장 바람직하게는 약 0.7 내지 1.2의 범위일 수 있다. 압출 등급 PVC는 가공 보조제, 안정화제, 충격 보강제 등과 같은 다수의 첨가제를 포함한다. 가장 바람직한 구입가능한 PVC는 옥시비닐(Oxyvinyl)사의 Geon® 1344이다.
압출가능한 CPVC는 일반적으로 밀도가 25℃에서 약 1.45 내지 약 1.67g/cc 범위, 바람직하게는 25℃에서 약 1.51 내지 1.58g/cc 범위이고, 유리 전이 온도(Tg)가 시차주사열량계(differential scanning calorimeter: DSC)로 측정하여 11O℃ 내지 15O℃ 범위, 바람직하게는 약 12O℃ 내지 140℃ 범위이다. 압출 등급 PVC와 같이, 압출 등급 CPVC는 가공 보조제, 안정화제, 충격 보강제 등을 포함하는 다수의 첨가제를 포함한다. 파이프를 압출하는데 가장 바람직한 구입가능한 CPVC는 루브리졸 어드밴스드 머티리얼스, 인코포레이티드(Lubrizol Advanced Materials, Inc)로부터 입수가능한 Temprite® 88620 TAN 309이다.
도 2와 관련하면, 배럴(31)을 갖는 PVC/CPVC의 커플링(30)과 커플링되는, 각 단부가 동일한 공칭 직경을 갖는 두개의 복합 파이프(10)(하나의 파이프만 도시됨)중 어느 하나의 말단 단부가 개략적으로 도시되며, 배럴(31)의 각각 대립되는 전방부 및 후방부(32 및 33)는 각각 바깥쪽으로 테이퍼링되어 배럴의 각 말단 단부의 직경이 본원에서 충분히 언급되는 것과 같이 본원에 참고로 통합되는 ASTM 2846 섹션 6.1.3.1.에 기재된 바와 같이 제공된다(배럴의 전방부 및 후방부의 바깥쪽 테이퍼는 도면에 도시되어 있지 않다).
배럴(31)내, 대략 중간 지점에는, 파이프의 단부의 외측 표면이 접착제 시멘트로 코팅되어 파이프의 단부가 커플링에 용매-시멘트 접합된 후(제 2 파이프의 말단 단부는 도시되지 않음), 파이프 단부의 림(17)이 단단히 압착되는, 방사상으로 연장되는 내측 플랜지(34)가 있다. 플랜지(34)에 매우 인접한, 전방부 및 후방부의 각각의 내측 단부는 배럴부에 삽입되는 파이프의 외경보다 약 0.025 내지 0.25mm (0.001 내지 0.010") 범위로 더 크다. 파이프(10)의 말단 단부가 배럴(31)의 전방부(32)에 삽입되기 전, 파이프의 단부는 자유롭게 접착제 시멘트로 코팅되어 단부의 외측 표면 및 림 둘 모두가 코팅된다.
방사상 플랜지(34)는 플랜지(31)의 외측 직경과 도관(12)의 내측 직경 사이의 길이와 적어도 동등하거나, 바람직하게는 10% 더 긴 길이로 안쪽으로 방사상으로 연장된다. 배럴내 테이퍼는 약하지만, 플랜지(34)에 대해 가압될 때까지 림(17) 상에서, 그리고 말단 단부의 외측 단부(14)의 외측 표면 상에서 충분한 접착제 시멘트가 보유되도록 하기에 충분하다. 이에 따라 내측 도관 및 외측 도관(12 및 14) 각각의 원주 말단은 플랜지(34)에 대해 용매-시멘트 접합되기 때문에, 내측 도관(12)과 금속 도관(13) 간의 경계, 및 외측 도관(14)과 금속 도관(13)과의 경계가, 각각 파이프(10)의 가압 하에 물 또는 다른 유체의 미세 점적이 침투되지 않도록 밀봉된다.
파이프(10)의 말단 단부는 유사하게 용매 기재 시멘트에 의해, 파이프의 크기에 대해 적절하게 치수화된 캡, 엘, 스트리트 엘(street ell), 또는 티(tee)와 같은 하나 이상의 파이프 수용 배럴을 지닌 PVC/CPVC 피팅으로 용매-시멘트 접합될 수 있다. 엘의 각각의 배럴은 외측으로 테이퍼링되고, 벤드에 인접한 배럴의 내측부는 파이프의 외경보다 약 0.025mm 내지 0.25mm (0.001" 내지 0.010") 범위로 더 큰 직경을 갖는다. 파이프와 파이프 피팅의 조립체는 도 2에 도시된 것과 유사하기 때문에, 이에 대한 예시적인 도면은 제공되지 않는다.
도 3 및 특히 도 3a와 관련하면, 예컨대 PEX 파이프에 사용되는 것과 같은 방사상 외측으로 연장되는 말단 플랜지(41) 및 실린더형 배럴(42)을 지닌 종래의 금속 부싱(40)이 도시되어 있다. 금속 부싱은 용매-시멘트 접합형이 아니기 때문에, 본원에 사용하기 위해서는, 지금까지 제조된 바 없는 PVC/CPVC 부싱을 제공할 필요가 있다.
도 3b와 관련하면, 내측으로 테이퍼링된 배럴(51) 및 방사상 외측으로 연장되는 플랜지(52)를 갖는 신규한 부싱(50)의 단면도가 도시되어 있다. 배럴(51)은 수직으로부터 테이퍼링되어, 플랜지(52)로부터 원위에 있는 배럴 단부(53)의 내경이 0.5" CTS, 0.75" CTS 및 1" CTS의 파이프 직경에 대한 하기 언급되는 치수 요건에 부합하도록 한다. 보다 큰 파이프에 대한 치수는 유사한 계산법에 의해 측정된다.
Figure pct00001
상기 치수는 배럴의 안쪽으로의 테이퍼가 배럴이 방사상 플랜지와 만나는 지점에서 수평선에 대해 0.4°초과 내지 4°미만의 범위에 있도록 한다.
도 3c와 관련하면, 도 3b에서의 부싱의 C-C면에 따른 횡단면도이다. 종래의 부싱(40)의 실린더형 배럴(42)은 팬텀 아웃라인(phantom outline)으로 도시되어 있고, 테이퍼링된 배럴(51)은 팬텀 라인으로 도시되어 있지 않다. 플랜지(52)에서 배럴(51)의 외경은 파이프(10)의 내측 도관의 내측 직경에 상응한다. 플랜지(52)가 파이프(10)의 말단 단부의 림(17)에 대해 가압되면(도 2 참조), 배럴(52)이 내측으로 테이퍼링되기 때문에, 부싱의 외측 표면 상에 코팅된 접착제 시멘트가 플랜지(52)에 대해서 림(17)을 밀봉하고, 파이프내의 압력 하에서의 복합 파이프 경계로의 유체 침윤을 방지한다. 배럴(53)의 단부는 테이퍼임을 보여준다.
도 4와 관련하면, 파이프의 말단 단부에 삽입된 부싱(50)과 복합 파이프(10)의 말단 단부(17)의 조립체를 도시한 것이다. 부싱의 배럴에서의 내측 방향의 테이퍼로 인해, 배럴이 파이프에 삽입되기 전, 배럴(51)의 외측 표면 상에, 그리고 플랜지(52)의 접하는 표면 상에 코팅된 용매 기재 시멘트(54)는 부스러지지 않는다. 시멘트(54)의 일부는 내측 도관(12)의 내측 표면의 코팅된 표면 및 또한 파이프의 림(17) 상에 잔류하여 가압 하의 미소 점적 유체의 침윤에 대해 폴리머 도관(12 및 14)과 금속 도관(13) 간의 경계를 밀봉한다. 플랜지(52)의 원주 표면 및 외측 도관(14)의 외측 표면은 동일한 직경을 갖기 때문에, 조립체는 표준 피팅에 삽입될 수 있다.
도 5a와 관련하면, 배럴(61)의 대략 중간지점에 위치한 방사상 내측으로 연장되는 플랜지(62)를 지니며, 0.4°초과 내지 4°미만 범위의 테이퍼로 중심 쪽으로 수렴하는, 대립하는 전방 단부 및 후방 단부(64 및 65)를 갖는 테이퍼링된 내측 배럴 형상 부재(63)을 동축으로 지지하고 있는 바람직한 커플링(60)이 도시되어 있다. 테이퍼링된 배럴의 각각의 단부가 부싱(50)의 테이퍼링된 배럴(51)로서의 기능하고(도 4 참조), 플랜지(62)가 부싱(50)의 플랜지(51)로서 기능하나, 단 플랜지(62)는 파이프의 각 단부가 인접할 수 있는 공통의 플랜지로서 작용한다. 파이프(10)의 말단 단부의 표면이 접착제 시멘트로 코팅되고, 부싱(60)의 한 단부에 삽입되는 경우, 접착제는 이 단부의 표면 상에 잔류하게 되고, 플랜지(62)에 대해 압박한다. 도 5b는 테이퍼링된 단부(64 및 65)를 지닌 바람직한 커플링(60)을 도시하고 있으며, 여기서 테이퍼는 확대된 것이다. 도 4에서와 같이, 파이프(10)의 말단 단부가 플랜지(62)에 인접하는 경우, 접착제 시멘트는 용매-시멘트 접합된 유체 기밀 상태를 제공하고, 이는 또한 가압 하에 미세 점적 유체의 침윤에 대해 폴리머 도관(12 및 14)과 금속 도관(13) 간의 경계를 밀봉한다.
도 6과 관련하면, 복합 파이프(10)를 제조하기 위한 공정 단계가 개략적으로 도시되어 있다. 상기에서 기술된 각각의 커플링 및 부싱, 및 외측으로 테이퍼링된 개구를 갖도록 제조되는, 그 밖의 다른 피팅, 예컨대, 엘, 스트리트 엘(street ell), 티 등은 적합하게 구성된 다이를 사용하여 통상적인 방법으로 사출 성형될 수 있다. PVC 또는 CPVC에 대한 공정 단계는, 공정 조건이 압출되는 폴리머의 물성에 맞추어 변경되는 것을 제외하고는 동일하다. 하기에서 제시되는 공정 조건은 CPVC에 대한 것이며, 더욱 구체적으로는, 두께가 0.813mm(0.032")인 각각의 내측 및 외측 도관을 지니고, 이들 사이에 두께가 4mm(0.016:)인 알루미늄 도관이 끼어있는, 공칭 직경이 12.54mm(0.50")인 복합 파이프를 제조하는 것에 대한 것이다.
다른 가공 단계와 별도로 수행될 수 있는, 양면이 코팅된 접착제 코팅된 금속 스트립의 에지를 트리밍하는 단계를 제외하고(단, 스트립은 이를 금속 형성 및 용접 단계로 공급하기 직전에 트리밍됨), 공정 단계는 순차적이며, 하기와 같다:
(1) 내측 도관을 압출한다:
Temprite®88620 TAN 309 CPVC의 분체를 호퍼로부터 193℃ 내지 204℃(380℉ 내지 400℉) 범위의 온도에서 작동하는 이중 나사 압출기에 공급하여 외경이 15.9mm(0.625")인 압출물을 생성한다.
(2) 내측 도관을 냉각한다:
고온의 내측 도관을 사이징 다이 및 슬리브에서 진공 사이징하여 ±76.2㎛(0,003") 허용치 내로 내측 도관의 외경을 제어하고, 파이프 다이를 통해 압출하여, +0.008mm(0.0003")로 조절되는 0.8mm(0.032") 두께의 얇은 벽을 갖는 파이프를 제조한다. 이후, 사이징된 도관을 21℃(70℉) 내지 37.74℃(100℉) 범위의 온도로 냉각한다. 바람직하게는, 냉각된 내측 도관은 댄싱 롤(dancing roll)을 통해 인발하여 내측 도관이 금속 형성 및 용접기에 제공되기 전에 도관의 직경 및 두께를 조절한다.
(3) 알루미늄 스트립을 트리머에 제공한다:
이층 접착제로 양면이 코팅되고, 건조되어 두께가 10㎛ 내지 50㎛ 범위인 건조된 박층을 형성하는, 5.7cm(2.25") 폭 및 0.4mm(0.016") 두께의 알루미늄 스트립을 ±50.8㎛(0.002")의 허용 오차로 5.0cm(1.97")의 폭이 되도록 새롭게 트리밍한다.
(4) 금속 스트립을 형성하고 용접하여 금속 도관을 형성한다:
트리밍된 금속 스트립을 금속 형성 및 용접기에 도입함에 따라 즉시 내측 도관 아래에 공급한다. 금속 도관을 형성하기 위해, 트리밍된 에지가, 충분히 작아서 스트립을 세로방향으로 연속해서 맞대기 용접(butt-weld)하기에 충분한 세기의 레이저를 제공할 수 있는 약 0.25mm(0.010")의 갭을 제공하도록 스트립을 내측 도관 둘레에 형성한다. 레이저의 세기는 피복된 내측 도관을 과열시킴으로써 내층의 폴리머를 손상하지 않으나, 금속 두께를 완전히 관통하는 용접을 제공하도록 선택된다.
(5) 피복된 내측 도관을 압축한다:
피복된 내측 도관의 외경이 ±0.254mm(±0.010") 내로 유지되도록, 각각 연속되는 반대로 배치된 그루브가 형성된 롤러 사이에서 원주적으로 압축되며; 계산에 의해, 외경의 허용치를 내측 도관의 외경을 0.8% 내지 1.5%의 범위로 감소시킴으로써 유지시킨다.
(6) 압축된, 피복된 내측 도관을 가열한다:
압축된, 피복된 내측 도관을 인덕턴스 가열기에서 약 149℃(300℉) 내지 171℃(34O℉) 범위의 온도로 가열하여 이층 접착제를 활성화시켜서, 얻어진 접착제 결합이 단지 점착성 결함을 없게 하고, 금속 표면을, 금속이 다음의 폴리머 외층으로 코팅되게 되는 소정 온도로 예열한다.
(7) 외측 도관을 압출한다:
가열된, 피복된 내측 도관을 크로스헤드 다이(crosshead die)의 밀폐된 예연실로 유도하고, 여기에서 외측 도관이 가열된 접착제 코팅된 금속 상으로 압출되기 직전에 진공을 가한다. 31 내지 56cm(12 내지 22") 범위의 수은 진공이 금속 도관 주위에 음압을 생성시켜서 그 위로 압출되는 폴리머를 접착제 코팅된 금속 위로 강제 흡인되도록 함으로써, 폴리머가 193℃ 내지 204℃(380℉ 내지 400℉) 범위의 온도에서 접착제를 코팅하는 경우 접착제의 활성화 및 점착 결합을 보장한다. 다이는 외측 도관의 두께가 ±50.8㎛(0.002") 내로 조절되는 0.032"이도록 한다.
(8) 완성된 복합 파이프를 냉각시킨다:
크로스헤드 다이로부터의 고온의 복합 파이프를 선택된 길이로 자르거나, 선택된 길이의 파이프의 코일로 감기 전에 냉각수 탱크에서 실온으로 냉각시킨다. 시험 시, 파이프가 배관 시스템의 수십 여가지 서비스를 제공하도록 계산된 요구되는 시험 조건에 부합하는 것으로 밝혀졌다.
상기로부터 종래 기술에서의 광범위한 요망하는 기재는 요구되는 시험 조건에 부합하는 복합 파이프를 제조하는데 요구되는 좁게 규정된 단계를 제안하는 것에는 크게 미치지 못함이 명백할 것이다.
접착제 결합의 강도에 대한 중요성은, 종래 기술에서 암시 또는 확인된 접착제를 사용한 상기 언급된 금속에 대한 PVC 또는 CPVC 접착력이 점착 결합을 제공하지 못함을 보여주는 데이타에 의해 입증된다. 요구되는 시험 조건에 부합하는 복합 파이프에 있어서, 각각의 폴리머 도관이 금속 도관에 허용가능하게 결합되는 것이 필수적이다. "허용가능하게 결합되는"은 금속에 대한 폴리머의 결합이 폴리머와 금속의 어떠한 기계적 결합 또는 인터로킹(interlocking) 없이, 90°필(박리) 및 2 ins/min의 변형 속도(strain rate)로 측정하여, 0.9kg/cm(5lb.ft/inch) 이상인 것을 의미한다.
각각 두께가 1.016mm(0.040")인 CPVC의 내측 도관 및 외측 도관을 지니며, 알루미늄 간층의 두께가 1.016mm(0.040")인, 2.54cm (1")의 공칭 직경의 파이프에 대한 최소 박리 강도가 상업적으로 입수가능한 폴리올레핀 기재 접착제인 Bynel® 40-E529에 대해 세가지 상이한 온도에서의 lb.ft/in(N/ram)로 제시되며, 특히 효과적인 머큐랄(Mercural) 이층 접착제가 하기 표 1에서 제시된다:
표 1
Figure pct00002
여러 접착제로의 추가의 링 박리 시험
하기 상업적으로 입수가능한 접착제를 각각, 접착제를 블러싱함으로써 19.05mm(0.75") 공칭 직경의 알루미늄 파이프에 박층으로 도포하였다. 이후, Temprite® 88620 TAN 309 CPVC의 외층(약 1.016mm(0.040"))을 알루미늄 파이프 상에서 압출하였다. 이후, 냉각된, 코팅된 파이프를, ASTM D3167에 보다 상세히 언급된 바와 같이 적어도, 길게 잘라진 폴리머의 한 에지를 잡을 수 있기에 충분한 짧은 거리에 대해 세로방향으로 길게 자르고, 파이프의 원주 표면으로부터 박리하였다. 합격 여부를 결정하기 위해 82℃에서의 시험만을 수행하였다. 이 시험의 실패는 접착제를 사용할 수 없게 한다.
Figure pct00003
PVC/CPVC 도관의 두께의 중요성이, 3.18mm(0.125") 초과의 두께는 이층 접착제에 의해 신뢰성 있는 점착 결합을 제공하지 못하였고, 0.635mm(0.025") 미만의 두께는, 접착제 시멘트가 적용된 외측 도관의 얇은 원주 층이 시멘트 코팅된 파이프의 말단 단부가 피팅의 배럴에 삽입되는 경우 금속 도관으로부터 슬라이딩하거나 변위되는 경향이 있기 때문에 용매-시멘트 접합된 도관을 제공하지 못함을 보여주는 하기 데이타에 의해 입증된다. 하기 제시된 데이타는 육안으로 관찰된 것이며, 이는 파이프의 말단 단부에서 외측 도관이 변위되었는 지를 나타낸다. 어떠한 변위는 요구되는 시험 조건 하에서 접합부의 결함을 초래할 것이다.
각각 세개의 샘플이 시험될 수 있다. 데이타는 하기와 같다:
Figure pct00004
조립된 파이프 및 피팅의 지속된 정수압(Hydrostatic Sustained Pressure):
6세트의, 용매-시멘트 접합된 피팅과, 벽두께가 각각 1.016mm(0.040")인 CPVC 내측 및 외측 도관, 및 두께가 1.0mm(0.040")인 알루미늄 도관을 지니고, 엘(ell)로 삽입되기 전에 부싱으로 피팅된 말단 단부를 지닌 19.05mm(0.75")의 공칭 직경의 파이프를 6분 동안 82.2℃(18O℉)에서 3.9MPa(551psi)로 가압하였다.
모든 샘플이 합격하였다.
추가의 6세트의 용매-시멘트 접합된 피팅과, 상기 사용된 것들과 유사한 19.05mm(0.75")의 공칭 직경의 복합 CPVC 파이프를 82.2℃(18O℉)에서 4시간 동안 2.88MPa(403psi)로 가압하였다.
모든 샘플이 합격하였다.
용매-시멘트 접합된 피팅과 PVC 내측 및 외측 도관, 및 혼합된 내측 및 외측 PVC/CPVC 도관의 세트로 유사한 결과가 예상될 수 있다.
본 발명의 특징, 발견, 및 원리, 본 발명이 구성되고 작동되는 방식, 달성된 유용한 결과가 기술되었으며, 새롭고 유용한 구조, 장치, 요소, 배열, 부품, 조합, 시스템, 장비, 작동, 방법 및 관계는 첨부되는 특허청구범위에서 언급된다.

Claims (13)

  1. 임의 길이의 복합 파이프를 제조하는 방법으로서,
    (a) 폴리(비닐 클로라이드)(PVC) 또는 염소화된 폴리(비닐 클로라이드)(CPVC)의 제 1 도관을 제 1 압출기에서 약 182℃ 내지 215℃(360℉ 내지 420℉) 범위의 온도에서 압출하여, 두께가 0.635mm 초과 내지 3.18(0.025" 내지 0.125") 범위이고, 직경이 ±76.2㎛(0.003") 내에서 조절되는, 복합 파이프용의 고온의 내측 도관을 제공하고;
    (b) 고온의 내측 도관을 진공 사이징하고, 21℃ 내지 37.74℃(70℉ 내지 100℉) 범위의 온도로 냉각시키고, 그 직경을 사이징 슬리브를 사용하여 ±76.2㎛(0.003")의 허용치내로 조절하고;
    (c) 프라이머 층 및 피니시 층으로서 사용되는 이층 접착제로 양면이 코팅되고 건조된, 두께가 0.2mm 내지 1.2mm(0.008" 내지 0.048")인 알루미늄 또는 철 함유 금속의 코팅된 스트립을 에지-트리머(edge-trimmer)에 공급하여 요구되는 ASTM 표준에 부합하는 접착력을 제공하기에 충분한 양의 용매 비함유 접착제로 코팅된 이중면 코팅된 스트립을 형성하고;
    (d) 이중면(twin-sides) 코팅된 스트립의 세로방향 양측면 모두를 트리밍하여 ±0.08mm(0.003")의 허용치내로 소정의 폭을 갖는 트리밍된 이중면 코팅된 스트립을 제공하고;
    (e) 내측 도관 아래쪽으로 트리밍된 이중면 코팅된 스트립을 공급하고, 스트립의 인접하는 세로방향 에지 사이에 0.5mm(0.020") 미만의 소정 폭의 갭을 제공하도록 스트립을 내측 도관 둘레에 꼭 맞게 형성시키고;
    (f) 내측 도관 아래쪽을 연소시키지 않고 갭을 폐쇄하도록 스트립을 레이저 용접하여 내측 도관을 꼭 맞게 둘러싸는 연속적으로 용접된 금속 도관을 제공하고;
    (g) 용접된 금속 도관을 원주적으로 압축하여 0.8% 내지 1.5% 범위로 내측 도관의 외경을 감소시키고;
    (h) 피복된, 압출된 파이프를 약 149℃(300℉) 내지 171℃(34O℉) 범위의 온도로 인덕턴스(inductance) 가열하고;
    (i) 38 내지 51cm (15 내지 20") 수은주의 범위로 진공을 가하여, 접착제 코팅된 금속과 형성되는 외측 도관 간의 환형 공간을 감압시키면서, PVC 또는 CPVC의 제 2 도관을 제 2 압출기에서 약 182℃(36O℉) 내지 215℃(42O℉) 범위의 온도에서 압출시켜서, 두께가 0.635mm(0.025") 내지 3.18mm(0.125")이고, 직경이 ±50.8㎛(0.002") 내로 조절되는 고온의 외측 도관을 접착제에 의해 금속에 고정시키고;
    (j) 복합 파이프를 냉각시키는 것을 포함하는 방법.
  2. 제 1항에 있어서, 단계(b)에서 내측 도관을 댄싱 롤 중개 사이징(dancing roll intermediate sizing)하고, 냉각하고,
    트리밍된 이중면 코팅된 스트립을 금속 형성 및 용접 단계(e)에 공급하는 것을 포함하는 방법.
  3. 제 1항에 있어서, 이층 접착제가 10㎛ 내지 50㎛ 범위의 두께로 코팅되고, (i) 프라이머 층, 및 열활성가능하고, 가교가능한 폴리우레탄 탑코트(top coat)를 위한 고분자량 폴리에스테르 접착제와 함께 열경화성 에폭시; (ii) 임의로 에폭시로 개질되는, 아세토페놀/-포름알데히드 수지; 및 (iii) 고분자량의 가교된 코폴리에스테르-우레탄-폴리머를 기재로 하는 탑코트와 함께 에폭시 개질된 고분자량의 코폴리에스테르-우레탄-폴리머를 기재로 하는 부식방지 프라이머로 이루어진 군으로부터 선택되는 방법.
  4. (a) 복합 파이프의 내측 도관으로서 기능하기 위한, 두께가 0.813mm 내지 3.18mm(0.032" 내지 0.125") 범위이고, 직경이 12.54mm 내지 50.8mm(0.5" 내지 2/0") 범위의 공칭 직경인 폴리(비닐 클로라이드)(PVC) 또는 염소화된 폴리(비닐 클로라이드)(CPVC)의 제 1 도관;
    (b) 두께가 10㎛ 내지 50㎛ 범위인 건조된, 용매 비함유 이층 접착제 층으로 양면이 코팅되고, 두께가 0.2mm 내지 1.2mm 범위인 금속 도관의 인접하는 원주 영역에 잘 맞는 세로방향 용접을 지니며, 내측 도관을 원주적으로 꽉 맞게 둘러싸고, 내측 도관에 점착 결합되는, 알루미늄 또는 철 함유 금속의 제 2 금속 도관; 및
    (c) 복합 파이프의 외측 도관으로서 기능하는, 두께가 0.635mm 내지 3.18mm(0.025" 내지 0.125") 범위이고, 직경이 12.54mm 내지 50.8mm(0.5" 내지 2/0") 범위의 공칭 직경이고, 점착 결합으로 금속 도관에 접착 고정되는, PVC 또는 CPVC의 제 3 도관을 포함하는, 임의 길이의 복합 파이프로서,
    복합 파이프가 ASTM F1281, 섹션 9.3, 9.4, 9.5 및 ASTM D2846, 섹션 9.3.1의 요건에 부합하는, 복합 파이프.
  5. 제 4항에 있어서, 파이프-수용 배럴을 지니며, 이에 파이프의 말단 단부가 피팅되고, 용매 기재 시멘트로 용매-시멘트 접합되어 유체 기밀 연결부를 제공하는 PVC/CPVC 파이프를 포함하는 조립체에서, 파이프-수용 배럴 및 피팅이 ASTM D2846, ASTM F438 및 ASTM F439의 요건에 따라 치수화되는, 복합 파이프.
  6. 제 5항에 있어서, 이층 접착제가 (i) 프라이머 층, 및 열활성가능하고, 가교가능한 폴리우레탄 탑코트(top coat)를 위한 고분자량 폴리에스테르 접착제와 함께 열경화성 에폭시; (ii) 임의로 에폭시로 개질되는, 아세토페놀/-포름알데히드 수지; 및 (iii) 고분자량의 가교된 코폴리에스테르-우레탄-폴리머를 기재로 하는 탑코트와 함께 에폭시 개질된 고분자량의 코폴리에스테르-우레탄-폴리머를 기재로 하는 부식방지 프라이머로 이루어진 군으로부터 선택되는, 복합 파이프.
  7. 제 6항에 있어서, 전방 및 후방 배럴부 각각이 ASTM D2846의 요건에 따라 반대로 외측으로 테이퍼링된, 파이프 수용 배럴을 지닌 PVC/CPVC 커플링과 조립되고, 배럴이 대략 중간 지점에 위치한 방사상 내측으로 연장되는 플랜지를 지니며, 제 4항에 따른 복합 파이프가 삽입되고, 배럴의 일부 또는 전체에 용매 기재 시멘트로 용매-시멘트 접합된, 복합 파이프.
  8. 제 6항에 있어서, 대립되는 전방 및 후방 실린더형 배럴부를 갖는 파이프 수용 실린더형 외측 배럴을 지닌 PVC/CPVC 커플링과 조립되고, 배럴이 대략 중간 지점에 위치한 방사상 내측으로 연장되는 플랜지 및 플랜지에 의해 동축으로 지지되는 내측 배럴을 지니며, 제 4항에 따른 복합 파이프가 삽입되고, 배럴의 일부 또는 전체에 용매 기재 시멘트로 용매-시멘트 접합된, 복합 파이프.
  9. 제 6항에 있어서, 파이프의 한 단부로 삽입되는 PVC/CPVC 부싱과 조립되고, 부싱이 테이퍼링된 배럴, 및 배럴의 한 전방 단부에 방사상 외측으로 연장되는 플랜지를 지니며, 플랜지의 외경은 파이프의 외경과 실질적으로 동일하고, 배럴의 다른 후방 단부에서의 배럴의 외경은 배럴의 전방 단부의 직경보다 작아서, 배럴의 내측 테이퍼가 수평에 대해 0.4°초과 내지 4° 미만의 범위이며, 배럴이 파이프의 한 단부로 용매 기재 시멘트로 용매-시멘트 접합된, 복합 파이프.
  10. 제 6항에 있어서, 금속 스트립이 강철(steel)인, 복합 파이프.
  11. 제 7항에 있어서, 금속 스트립이 강철인, 복합 파이프.
  12. 제 8항에 있어서, 금속 스트립이 강철인, 복합 파이프.
  13. 제 9항에 있어서, 금속 스트립이 강철인, 복합 파이프.
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