KR20180017092A - 부력 모듈 - Google Patents

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KR20180017092A
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latexes
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KR1020187000519A
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용 케이 우
지그문트 팹
앤드루 제이 피터슨
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쓰리엠 이노베이티브 프로퍼티즈 컴파니
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Abstract

부력 모듈(200)은, 낮은 밀도 및 고도의 압축 강도 둘 모두를 갖는 경질화된 신택틱 폼을 제공하는 방식으로 가열된, 열융해성 분말과 유리 미소구체의 조합을 포함하는 폼 조성물로 제조된다. 외측 장벽(220)은 부력 모듈을 둘러쌀 수 있다.

Description

부력 모듈
부력 모듈(buoyancy module) 및 이의 제조 방법이 제공된다. 더욱 상세하게, 제공된 부력 모듈은 신택틱 폼(syntactic foam) 재료를 함유하는 해저(subsea) 부력 모듈을 포함한다.
다양한 해저 응용은 라이저(riser), 엄빌리컬(umbilical), 및 케이블과 같은 가요성 도관(conduit)의 사용을 필요로 한다. 많은 경우에, 이들 도관은 해저 구조물과 해상 선박 또는 플랫폼 사이에서 연장하며 이러한 본체들 사이에서의 연통을 가능하게 한다. 도관 및 그의 관련 구조물의 완전성(integrity)을 보존하기 위하여, 일반적으로 도관은 이완되고 완만하게 구부러진 형태로 유지될 필요가 있다. 이는 도관을 상당한 장력 하에 두지 않으면서 합당한 범위의 이동을 가능하게 한다.
분포된 부력 모듈은 도관의 선택된 부분에 상향력(uplift)을 부여함으로써 이러한 해저 "요동(wave)" 형태를 유도하는 방식을 제공한다. 이러한 모듈은 전형적으로 2개의 주요 구성요소, 즉 부양 유닛(flotation unit) 및 부양 유닛을 도관에 결합시키기 위한 고정 기구를 갖는다. 부력 모듈은 해양 석유 및 가스 탐사와, 해저 원격 작동 운송수단에서 널리 사용된다. 해저 굴착 라이저와 함께 사용될 때, 이러한 부력 모듈은 굴착 리그(drilling rig)의 상부 장력을 감소시킬 수 있다.
현대의 해양 석유 및 가스 리그가 점점 더 심해로 이동함에 따라, 부력 모듈에 대한 기술적 요건이 더 엄격해지고 있다. 모듈의 일관된 물리적 치수를 가능하게 하기 위하여, 낮은 밀도와 함께 심해 응용을 위한 고도의 정수압 저항성(hydrostatic pressure resistance)을 제공하는 것이 바람직하다. 이러한 특성들은 종종 역의 관계이기 때문에, 둘 모두를 동시에 달성하는 것은 상당한 공학적 난제일 수 있다.
기존 부력 모듈에서, 부양 유닛은 중공 충전제(filler)를 함유하는 에폭시 신택틱 폼으로 제조되어 왔다. 일부 제조업체는 10 내지 100 밀리미터 범위의 직경을 갖는 복합 거대구체(composite macrosphere)로 제조된 폼을 사용하여 부력 모듈을 연구하였다. 그러한 폼은 낮은 밀도를 제공할 수 있지만, 거대구체가 비교적 불량한 압괴 강도(crush strength)를 갖기 때문에, 불량한 정수압 저항성을 갖는 경향이 있다.
다른 제조업체는 액체 에폭시 수지와 혼합된 경량 충전제로서 중공 유리 미소구체(hollow glass microsphere)를 사용하여 부력 모듈을 제작하였다. 이러한 더 작은 크기의 충전제는 거대구체와 비교하여 더 높은 압괴 강도를 갖지만, 그의 사용은 제조상의 문제로 이어질 수 있다. 이러한 유리 버블의 혼합은 액체 수지 혼합물의 점도를 증가시키고, 이는 용이한 가공을 위한 충분히 낮은 점도를 유지하면서 존재할 수 있는 충전제의 양을 제한할 수 있다. 이러한 문제는 반응성 희석제 중에 블렌딩함으로써 완화될 수 있으나, 이러한 희석제는 경화된 에폭시에서 취성 및 일반적으로 불량한 기계적 특성을 야기하는 것으로 관찰되었다. 액체 에폭시 수지의 추가의 단점은 일단 경화제와 혼합되었을 때 이러한 재료의 제한된 작업 수명이다.
제공된 부력 모듈은 낮은 밀도 및 고도의 압축 강도 둘 모두를 갖는 경질화된(hardened) 신택틱 폼을 제공하는 방식으로 가열된, 열융해성(thermally fusable) 분말과 유리 미소구체의 조합을 사용하여 제조된다.
제1 태양에서, 부력 모듈의 제조 방법이 제공된다. 이 방법은, 하기 성분들: 35 내지 60 부피%의 열융해성 분말, 및 40 내지 65 부피%의 유리 미소구체를 블렌딩하여 혼합물을 얻는 단계- 각각의 양은 혼합물의 전체 부피를 기준으로 함 -; 혼합물을 형상화하는 단계; 및 열융해성 분말을 진공 하에서 가열하여 경질화된 신택틱 폼을 제공하는 단계 - 진공은 유리 미소구체와 관련된 공극(void)을 제외하고는 경질화된 신택틱 폼 내의 실질적으로 모든 내장된(embedded) 공극을 제거하기에 충분함 - 를 포함한다.
제2 태양에서, 하기 성분들: 15 내지 60 부피%의 열융해성 분말, 및 40 내지 95 부피%의 유리 미소구체를 블렌딩하여 혼합물을 얻는 단계 - 각각의 양은 혼합물의 전체 부피를 기준으로 함 -; 혼합물을 형상화하는 단계; 열융해성 분말을 진공 하에서 가열하여 경질화된 신택틱 폼을 제공하는 단계; 및 경질화된 신택틱 폼의 적어도 일부분에 걸쳐 장벽(barrier) 층을 적용하는 단계를 포함하는, 부력 모듈의 제조 방법이 제공된다.
제3 태양에서, 35 내지 60 부피%의 열융해성 분말, 및 40 내지 65 부피%의 유리 미소구체를 포함하는 경질화된 신택틱 폼 - 각각의 양은 경질화된 신택틱 폼의 전체 부피를 기준으로 함 - 을 포함하는 부력 모듈이 제공되며, 경질화된 신택틱 폼은 유리 미소구체와 관련된 공극을 제외하고는 내장된 공극이 실질적으로 없다.
제4 태양에서, 15 내지 60 부피%의 열융해성 분말; 및 40 내지 85 부피%의 유리 미소구체를 포함하는 경질화된 신택틱 폼 - 각각의 양은 경질화된 신택틱 폼의 전체 부피를 기준으로 함 -; 및 경질화된 신택틱 폼의 적어도 일부분 상에 배치된 장벽 층을 포함하는, 부력 모듈이 제공된다.
도 1은 하나의 예시적인 실시 형태에 따른 가요성 도관에 결합된 부력 모듈의 사시도.
도 2는 3가지 상이한 조립 단계에서의 도 1의 부력 모듈을 도시하는 사시도.
도 3은 다른 예시적인 실시 형태에 따른 부분적으로 분해된 부력 모듈의 사시도.
본 명세서 및 도면에서의 도면 부호의 반복된 사용은 본 발명의 동일한 또는 유사한 특징부 또는 요소를 나타내도록 의도된다. 본 발명의 원리의 범주 및 사상에 속하는 다수의 다른 변경 및 실시 형태가 당업자에 의해 창안될 수 있음을 이해하여야 한다. 도면은 일정한 축척으로 작성되지 않을 수 있다.
정의
본 명세서에서 사용되는 바와 같이:
"입자 직경"은 주어진 입자의 최장 치수를 의미한다.
"실질적으로 없는"은 주어진 조성물의 전체 중량에 대해 2 부피% 미만을 가짐을 의미한다.
발명을 실시하기 위한 구체적인 내용
심해 응용에서 사용될 수 있는 부력 모듈의 구조적 및 조성적 태양이 본 명세서에서 설명된다. 이러한 설명은 다양한 부력 모듈 구성, 폼 조성물, 장벽 층 조성물, 및 이의 제조 및 조립 방법을 다룰 것이다.
부력 모듈 구성
하나의 예시적인 실시 형태에 따른 부력 모듈이 도 1에 도시되어 있으며 본 명세서에서 부호 100으로 지시된다. 이 도면에서, 부력 모듈(100)은 완전히 조립된 때에 대체로 원통형 형상을 가지며, 도관(102)에 해제가능하게 결합된다. 도관(102)은 대체로 가요성이며, 일 단부에서 수면에서의 플랫폼 또는 다른 구조물에 연결될 수 있고 반대편 단부에서 해저 장치에 연결될 수 있지만, 그러한 연결은 여기에 예시되어 있지 않다.
부력 모듈(100)은 둘러싸는 관계로 도관(102)에 맞물리는 본체(104), 및 본체(104)를 에워싸서 본체(104)를 도관(102)에 고정하는 데 도움을 주는 한 쌍의 벨트(106)를 포함한다. 벨트(106)는, 의류에 사용되는 벨트 버클과 유사한 목적으로, 벨트(106)의 단부들을 서로에 상호 결합하는 각각의 래치(latch)(108)들을 사용하여 고정 및 해제될 수 있다.
도 2는, 부력 모듈(100)이 도관(102)에 결합될 때 보이는 바와 같은, 부력 모듈(100)의 내부 요소들을 예시한다.
도 2의 우측에 도시된 바와 같이, 부력 모듈(100)은 완전히 조립된 채로 도시되어 있다. 도시된 바와 같이, 본체(104)는 둘러싸는 관계로 도관(102) 둘레에 정합하는 클램 셸(clam shell) 형태로 함께 합쳐진 2개의 대칭 부분(110)(이 경우에, 반부(half))으로 구성된다. 부분(110)들은 용이하게 분리되어, 부력 모듈(100)의 제거 또는 도관(102)을 따른 그의 위치의 길이방향 조정을 허용한다. 대안적으로, 본체(104)는 3개 이상의 섹션으로 나누어질 수 있다.
부력 모듈(100)을 소정 길이의 도관(102)에 부착하기 위하여, 작업자는 도관(102)에 단단히 클램핑하여 도관(102)을 따른 길이방향 활주를 구속할 수 있는 (도 2에 또한 도시된) 연결식 크림핑 기구(jointed crimping mechanism)(112)를 사용할 수 있다. 도면에 추가로 도시된 바와 같이, 본체(104)의 각각의 부분(110)은 부력 모듈(100)이 조립될 때 크림핑 기구(112)가 놓이는 상보적 함몰부(complemental recess)(114)를 갖는 채널(113)을 갖는다. 따라서 크림핑 기구(112)는 본체(104) 내에 억지 끼워맞춤(interference fit)을 제공하며, 이는 모듈(100)이 제자리에 단단히 고정되게 하면서, 필요에 따라, 작업자에 의해 또한 용이하게 제거 또는 조정되게 한다.
도 3은 예시적인 도관(202) 상의 대안적인 부력 모듈(200)을 도시한다. 이 실시 형태는 전술된 부력 모듈(100)의 특징부들, 예를 들어 도관(202)에 직접 결합된 크림핑 기구(212) 및 상보적 부분(210)들로 분할된 본체(204)를 공유한다.
소정의 차이점이 또한 분명하다. 예를 들어, 본체(204)의 각각의 부분(210)은 반대편 부분(210)(도 3에는 도시되지 않음) 상의 상보적 특징부와 정합하도록 형상화된 하나 이상의 정렬(registration) 특징부(216)를 가져서, 서로 고정될 때 인접한 부분(210)들 사이의 상대적 활주를 방지한다.
도 3에 추가로 예시된 바와 같이, 본체(204)의 각각의 부분(210)은 내측 코어 부재(218) 및 외측 장벽 층(220)을 포함한다. 바람직한 실시 형태에서, 내측 코어 부재(218)는 본 명세서에 개시된 폼 조성물로 제조된다. 폼 조성물은 모듈(200)의 부력의 주된 원인이다. 외측 장벽 층(220)은, 특별히 제한되지는 않지만, 유리하게는 코어 부재(218)보다 인성, 내구성 및/또는 내수성이 더 큰 재료로 제조될 수 있다.
폼 조성물
제공된 폼 조성물은 중합체 매트릭스 재료 내에 캡슐화된 중공 유리 미소구체 (때때로 유리 버블 또는 마이크로벌룬(microballoon)으로도 지칭됨)로 제조된 신택틱 폼 조성물을 포함한다. 중합체 매트릭스 재료는 열융해성 분말로부터 유래된다. 폼 조성물의 바람직한 실시 형태는 폼의 물리적 특성을 저하시키는 경향이 있는 어떠한 반응성 희석제도 함유하지 않는다.
바람직한 조성물에서, 유리 미소구체는 낮은 밀도와 높은 강도의 조합을 갖는다 - 즉, 이러한 미소구체는 고도의 부력을 제공하는 동시에, 굴곡 또는 압출될 때 균열에 저항하여야 한다. 특히 적합한 유리 미소구체는 중위 직경이 10 마이크로미터 이상, 12 마이크로미터 이상, 또는 15 마이크로미터 이상인 것으로 밝혀졌다. 상한으로, 적합한 유리 미소구체는 중위 직경이 70 마이크로미터 이하, 45 마이크로미터 이하, 또는 35 마이크로미터 이하일 수 있다.
유리 미소구체는 또한 다양한 입자 직경 분포를 가질 수 있으며, 이는 연속 매트릭스 재료 내에서의 그의 패킹 밀도(packing density)에 영향을 준다. 크기 분포를 특별히 제한할 필요는 없지만, 유리 미소구체의 양호한 패킹은 5 이상, 7 이상, 또는 10 이상의 D80 - D20 직경 비 (80번째 및 20번째 백분위수 입자 직경들 사이의 비율)를 사용하여 달성될 수 있다. 동일한 또는 대안적인 실시 형태에서, D80 - D20 직경 비는 20 이하, 30 이하, 또는 50 이하일 수 있다.
유리 미소구체 성분은 폼 조성물의 전체 부피를 기준으로 40 부피% 이상, 45 부피% 이상, 50 부피% 이상, 55 부피% 이상, 또는 60 부피% 이상의 양으로 존재할 수 있다. 유용한 실시 형태에서, 유리 미소구체는 폼 조성물의 전체 부피를 기준으로 85 부피% 이하, 80 부피% 이하, 75 부피% 이하, 70 부피% 이하, 또는 65 부피% 이하의 양으로 존재할 수 있다.
열융해성 분말은 하나 이상의 열가소성 재료를 포함할 수 있다. 적합한 열가소성 재료에는, 예를 들어, 초고분자량 폴리에틸렌, 폴리아미드, 폴리페닐렌 설파이드, 폴리이미드, 폴리 에테르 에테르 케톤, 폴리카르보네이트, 폴리아미드이미드, 폴리에테르이미드, 및 폴리에테르케톤케톤과 함께, 이들의 공중합체 및 혼합물이 포함될 수 있다.
대안적으로 또는 조합으로, 열융해성 분말은 열경화성 재료, 또는 가교결합성 재료를 또한 포함할 수 있다. 특히 유용한 열경화성 재료에는 1액형 가교결합성 에폭시 수지, 페놀 수지, 에폭시 수지, 개질된 폴리에스테르, 우레탄 아크릴, 우레탄 폴리에스테르, 에폭시 작용화된 아크릴, 글리시딜 메타크릴레이트 아크릴, 폴리에스테르 트라이글리시딜 아이소시아누레이트, 및 이들의 공중합체 및 혼합물이 포함된다.
열융해성 분말은 경질화된 폼 조성물이 정상적인 설치 및 작동 조건 하에서 응집적으로 함께 결합하게 하기에 충분한 연속성을 제공하는 양으로 존재하여야 한다. 예시적인 실시 형태는 혼합물의 전체 부피를 기준으로 15 부피% 이상, 20 부피% 이상, 25 부피% 이상, 30 부피% 이상, 또는 35 부피% 이상을 갖는다. 그러한 실시 형태는 혼합물의 전체 부피를 기준으로 60 부피% 이하, 55 부피% 이하, 50 부피% 이하, 45 부피% 이하, 또는 40 부피% 이하를 가질 수 있다.
열융해성 분말은, 유리 미소구체와의 효율적인 혼합을 가능하게 하기에는 충분히 크지만, 혼합물이 가열 및/또는 경화될 때 수지 성분이 용이하게 분산될 수 있고 유리 미소구체 주위의 틈새 공간을 충전할 수 있기에는 충분히 작은 입자 직경을 갖는 것이 바람직하다. 선택적으로, 열융해성 분말은 중위 입자 직경이 1 마이크로미터 이상, 5 마이크로미터 이상, 또는 10 마이크로미터 이상이다. 선택적으로, 열융해성 분말은 중위 입자 직경이 200 마이크로미터 이하, 100 마이크로미터 이하, 또는 40 마이크로미터 이하이다.
열융해성 분말에 대한 입자 직경의 바람직한 범위는, 부분적으로는, 유리 미소구체의 조도(coarseness)에 따라 좌우된다. 두 미립자 성분들 사이의 상당한 불일치는 혼합 효능을 상당히 곤란하게 하거나 해칠 수 있다. 바람직한 실시 형태에서, 열융해성 분말 및 유리 미소구체는 중위 입자 직경 비가 0.5:1 이상, 0.75:1 이상 또는 0.85:1 이상이다. 바람직한 실시 형태에서, 열융해성 분말 및 유리 미소구체는 중위 입자 직경 비가 1.25:1 이하, 1.15:1 이하 또는 1.05:1 이하이다.
장벽 층 조성물
장벽 층은 해저 물체 또는 도관 그 자체에 의한 마모 또는 충격으로 인한 손상으로부터 폼 조성물을 보호하는 목적에 기여한다. 장벽 층은 또한, 시간 경과에 따라 소정 중합체를 열화시키고 부서지기 쉽게 할 수 있는, 자외광과 같은 광선으로부터의 손상에 대한 장벽을 제공할 수 있다. 마지막으로, 장벽 층은 물, 오일, 또는 심지어 용매와 같은 액체가 폼 내로 침투하는 것을 방지하는 것에 유리할 것이다.
바람직하게는, 장벽 층은 인성 경질 재료로 제조된다. 일부 실시 형태에서, 장벽 층은 중합체로 구성된다. 적합한 중합체에는 실리콘, 폴리우레탄, 에폭시, 폴리프로필렌, 폴리에틸렌, 폴리카르보네이트, 폴리아크릴레이트, 폴리에스테르, 플루오로중합체, 폴리비닐 클로라이드, 아크릴로니트릴 부타디엔 스티렌이 포함된다.
장벽 재료는 또한 금속 재료, 예를 들어 알루미늄, 강, 및 이들의 합금을 포함할 수 있다.
향상된 강도를 추가로 제공하기 위하여, 장벽 층은 하나 이상의 강화 첨가제, 예를 들어 섬유 첨가제를 추가로 포함할 수 있다. 별개의(discrete) 섬유 첨가제들이 중합체 내에 배합될 수 있거나 중합체 내에 별개의 층 또는 층들로서 형성될 수 있다. 이러한 목적에 유용한 섬유 재료에는, 예를 들어, 유리, 카본, 중합체, 세라믹, 미네랄, 및 금속이 포함된다.
경질화된 신택틱 폼의 전반적인 강도는 높은 정수압에서의 압괴, 및 부력 모듈과 해양의 다른 물체 사이의 사소한 충돌의 결과로서의 찌그러짐(denting)에 저항하기에 충분히 높아야 한다. 바람직한 실시 형태에서, 경질화된 신택틱 폼은 30 MPa 이상, 50 MPa 이상, 또는 60 MPa 이상의 정수압 강도(hydrostatic strength)를 나타낸다. 바람직한 실시 형태에서, 경질화된 신택틱 폼은 170 MPa 이하, 140 MPa 이하, 또는 100 MPa 이하의 정수압 강도를 나타낸다.
경질화된 신택틱 폼의 부력은 그의 밀도에 의해 반영된다. 더 낮은 밀도는 더 높은 부력을 제공하며, 예를 들어 유리 미소구체의 로딩을 증가시킴으로써 달성될 수 있다. 이러한 밀도는 0.45 g/㎤ 이상, 0.50 g/㎤ 이상, 또는 0.55 g/㎤ 이상일 수 있다. 경질화된 신택틱 폼의 밀도는 0.80 g/㎤ 이하, 0.70 g/㎤ 이하, 또는 0.66 g/㎤ 이하일 수 있다.
제조 방법
제공된 부력 모듈은, 융해성 수지 분말과 유리 미소구체를, 임의의 다른 선택적인 첨가제와 함께 혼합하고, 혼합된 복합 재료를 원하는 형상으로 성형하고, 이어서 열을 가하여 성형된 신택틱 폼 재료를 형성함으로써 제조될 수 있다. 존재하는 경우, 외측 장벽 층이 이어서 폼 상에 배치될 수 있다. 중합체 장벽 층의 경우에, 이는 라미네이팅, 중합체 용액으로부터의 디핑(dipping) 또는 코팅, 열성형, 또는 임의의 다른 공지된 방법에 의해 달성될 수 있다. 장벽 층이 금속으로 제조되는 경우, 금속이 밀봉 가능한 인클로저(enclosure)로 예비-성형되고, 폼이 인클로저 내에 수용될 수 있으며, 후속하여 인클로저가 밀봉될 수 있다.
유리하게는, 이러한 방법을 사용하여, 잘 혼합된 채로, 매트릭스 재료와 혼합된 중공 미소구체의 양이 매우 넓은 범위에 걸쳐 변화할 수 있다. 이는 높은 강도와 낮은 밀도 둘 모두를 나타내는 신택틱 폼의 제조를 가능하게 한다.
대조적으로, 액체 에폭시계 시스템은 종종 더 높은 미소구체 로딩에서는 제조하기가 어려운데, 복합 혼합물의 점도가 증가하고 그러한 혼합물을 배합하는 능력이 불완전하기 때문이다. 심지어 그러한 배합이 가능한 경우에도, 높은 점도가 미소구체의 분산 혼합을 방해하고 탈기 공정을 지체시킬 수 있으며, 이는 최종 폼 재료에서 공극을 생성할 수 있다. 적은 정도의 공극은 용인될 수 있지만, 공극은 일반적으로 바람직하지 않은데, 폼 강도에 악영향을 주고 물이 폼 내로 침투하게 하는 경향이 있어서, 부력을 감소시키기 때문이다.
이어서, 미경화 복합 분말 혼합물을 원하는 형상으로 성형하거나 달리 형성한다. 성형 공정 동안 열을 가하여, 열융해성 분말이 유리 미소구체 주위로 들어가게 하여, 신택틱 폼을 생성한다. 분말 혼합물이 잘 분산되고 분포된다면, 혼합물의 틈새에 위치된 공극은 현재-유동성인 수지로 충전됨에 따라 실질적으로 사라질 수 있다.
바람직한 실시 형태에서, 분말 혼합물의 가열은 감압 또는 진공 하에서 일어난다. 유리하게는, 진공 하에서 분말 혼합물을 가열 및 성형하는 것은, 폼이 경질화되거나 경화될 때 폼으로부터 포획된 공극을 제거하는 데 추가로 도움이 될 수 있다. 그로부터 유래된 경질화된 신택틱 폼은 (유리 미소구체와 관련된 것을 제외하고는) 임의의 내장된 공극이 실질적으로 없이 제조될 수 있다. 선택적으로, 경질화된 폼은 1.5 부피%, 1 부피%, 또는 0.5 부피% 이하의 그러한 내장된 공극을 갖는다.
선택적으로, 수지 제조업체의 권장된 경화 스케줄에 기초하여 폼의 균일한 경화를 촉진하기 위해, 다양한 온도 및 다양한 기간의 다수의 가열 단계가 또한 사용될 수 있다. 이들은 신택틱 폼의 원하는 특성을 달성하도록 추가로 조정될 수 있다. 바람직한 실시 형태에서, 에폭시 분말 경화를 위한 권장 온도는 100℃ 내지 170℃이다.
제공된 부력 모듈 및 제조 방법은 망라한 것이 아닌 하기 실시 형태에 의해 추가로 예시될 수 있다:
1. 부력 모듈의 제조 방법으로서,
하기 성분들:
35 내지 60 부피%의 열융해성 분말, 및
40 내지 65 부피%의 유리 미소구체
를 블렌딩하여 혼합물을 얻는 단계 - 각각의 양은 혼합물의 전체 부피를 기준으로 함 -; 혼합물을 형상화하는 단계; 및 열융해성 분말을 진공 하에서 가열하여 경질화된 신택틱 폼을 제공하는 단계 - 진공은 유리 미소구체와 관련된 공극을 제외하고는 경질화된 신택틱 폼 내의 본질적으로 모든 내장된 공극을 제거하기에 충분함 -
를 포함하는, 부력 모듈의 제조 방법.
2. 실시 형태 1에 있어서, 경질화된 신택틱 폼의 적어도 일부분에 걸쳐 장벽 층을 배치하는 단계를 추가로 포함하는, 부력 모듈의 제조 방법.
3. 부력 모듈의 제조 방법으로서,
하기 성분들:
15 내지 60 부피%의 열융해성 분말, 및
40 내지 95 부피%의 유리 미소구체
를 블렌딩하여 혼합물을 얻는 단계 - 각각의 양은 혼합물의 전체 부피를 기준으로 함 -; 혼합물을 형상화하는 단계; 열융해성 분말을 진공 하에서 가열하여 경질화된 신택틱 폼을 제공하는 단계; 및 경질화된 신택틱 폼의 적어도 일부분에 걸쳐 배리어 층을 적용하는 단계
를 포함하는, 부력 모듈의 제조 방법.
4. 실시 형태 1 내지 실시 형태 3 중 어느 한 실시 형태에 있어서, 경질화된 신택틱 폼은 유리 미소구체와 관련된 공극을 제외하고는 내장된 공극이 실질적으로 없는, 부력 모듈의 제조 방법.
5. 실시 형태 2 내지 실시 형태 4 중 어느 한 실시 형태에 있어서, 장벽 층은 실리콘, 폴리우레탄, 폴리아미드, 에폭시, 페놀계, 폴리프로필렌, 폴리에틸렌, 폴리카르보네이트, 폴리아크릴레이트, 폴리에스테르, 플루오로중합체, 폴리비닐 클로라이드, 아크릴로니트릴 부타디엔 스티렌으로부터 선택되는 중합체를 포함하는, 부력 모듈의 제조 방법.
6. 실시 형태 5에 있어서, 장벽 층은 섬유 첨가제를 추가로 포함하는, 부력 모듈의 제조 방법.
7. 실시 형태 6에 있어서, 섬유 첨가제는 유리, 카본, 중합체, 세라믹, 미네랄, 및 금속 섬유 중 하나 이상을 포함하는, 부력 모듈의 제조 방법.
8. 실시 형태 2 내지 실시 형태 4 중 어느 한 실시 형태에 있어서, 장벽 층은 알루미늄, 강, 또는 이들의 합금을 포함하는 금속성 재료를 포함하는, 부력 모듈의 제조 방법.
9. 실시 형태 1 내지 실시 형태 8 중 어느 한 실시 형태에 있어서, 열융해성 분말은 초고분자량 폴리에틸렌, 폴리아미드, 폴리페닐렌 설파이드, 폴리이미드, 폴리 에테르 에테르 케톤, 폴리카르보네이트, 폴리아미드이미드, 폴리에테르이미드, 폴리에테르케톤케톤, 및 이들의 공중합체 및 혼합물로부터 선택되는 열가소성 물질을 포함하는, 부력 모듈의 제조 방법.
10. 실시 형태 1 내지 실시 형태 8 중 어느 한 실시 형태에 있어서, 열융해성 분말은 1액형 가교결합성 에폭시 수지, 페놀 수지, 에폭시 개질된 폴리에스테르, 우레탄 아크릴, 우레탄 폴리에스테르, 에폭시 작용화된 아크릴, 글리시딜 메타크릴레이트 아크릴, 폴리에스테르 트라이글리시딜 아이소시아누레이트, 및 이들의 공중합체 및 혼합물로부터 선택되는 열경화성 물질을 포함하는, 부력 모듈의 제조 방법.
11. 실시 형태 1 내지 실시 형태 10 중 어느 한 실시 형태에 있어서, 유리 미소구체는 혼합물의 전체 부피를 기준으로 50 내지 65 부피%의 범위의 양으로 존재하는, 부력 모듈의 제조 방법.
12. 실시 형태 11에 있어서, 유리 미소구체는 혼합물의 전체 부피를 기준으로 55 내지 65 부피%의 범위의 양으로 존재하는, 부력 모듈의 제조 방법.
13. 실시 형태 1 내지 실시 형태 12 중 어느 한 실시 형태에 있어서, 유리 미소구체는 중위 직경 D50이 10 마이크로미터 내지 70 마이크로미터의 범위인, 부력 모듈의 제조 방법.
14. 실시 형태 13에 있어서, 유리 미소구체는 중위 직경 D50이 15 마이크로미터 내지 45 마이크로미터의 범위인, 부력 모듈의 제조 방법.
15. 실시 형태 14에 있어서, 유리 미소구체는 중위 직경 D50이 15 마이크로미터 내지 35 마이크로미터의 범위인, 부력 모듈의 제조 방법.
16. 실시 형태 1 내지 실시 형태 15 중 어느 한 실시 형태에 있어서, 유리 미소구체는 D80 - D20 직경 비가 5 마이크로미터 내지 50 마이크로미터의 범위인, 부력 모듈의 제조 방법.
17. 실시 형태 16에 있어서, 유리 미소구체는 D80 - D20 직경 비가 10 내지 30의 범위인, 부력 모듈의 제조 방법.
18. 실시 형태 17에 있어서, 유리 미소구체는 D80 - D20 직경 비가 10 내지 20의 범위인, 부력 모듈의 제조 방법.
19. 실시 형태 1 내지 실시 형태 18 중 어느 한 실시 형태에 있어서, 열융해성 분말은 중위 입자 직경이 1 마이크로미터 내지 200 마이크로미터의 범위인, 부력 모듈의 제조 방법.
20. 실시 형태 19에 있어서, 열융해성 분말은 중위 입자 직경이 5 마이크로미터 내지 100 마이크로미터의 범위인, 부력 모듈의 제조 방법.
21. 실시 형태 20에 있어서, 열융해성 분말은 중위 입자 직경이 10 마이크로미터 내지 40 마이크로미터의 범위인, 부력 모듈의 제조 방법.
22. 실시 형태 1 내지 실시 형태 21 중 어느 한 실시 형태에 있어서, 열융해성 분말과 유리 미소구체는 중위 입자 직경 비가 0.5:1 내지 1.25:1의 범위인, 부력 모듈의 제조 방법.
23. 실시 형태 22에 있어서, 열융해성 분말과 유리 미소구체는 중위 입자 직경 비가 0.75:1 내지 1.15:1의 범위인, 부력 모듈의 제조 방법.
24. 실시 형태 22에 있어서, 열융해성 분말과 유리 미소구체는 중위 입자 직경 비가 0.85:1 내지 1.05:1의 범위인, 부력 모듈의 제조 방법.
25. 실시 형태 1 내지 실시 형태 24 중 어느 한 실시 형태에 있어서, 혼합물은 임의의 반응성 희석제가 본질적으로 없는, 부력 모듈의 제조 방법.
26. 실시 형태 1 내지 실시 형태 25 중 어느 한 실시 형태에 있어서, 혼합물을 형상화하는 단계는 혼합물을 주형 내에 주입하는 단계를 포함하는, 부력 모듈의 제조 방법.
27. 실시 형태 1 내지 실시 형태 26 중 어느 한 실시 형태에 있어서, 형상화된 혼합물은 해저 도관의 적어도 일부분을 수용하기 위한 함몰부 또는 구멍을 한정하는, 부력 모듈의 제조 방법.
28. 실시 형태 1 내지 실시 형태 27 중 어느 한 실시 형태에 있어서, 형상화된 혼합물은 해저 도관과 둘러싸는 관계로 서로 해제가능하게 결합하도록 구성된 형태를 갖는 둘 이상의 별개의 부분들을 구성하는, 부력 모듈의 제조 방법.
29. 실시 형태 1 내지 실시 형태 28 중 어느 한 실시 형태의 방법을 사용하여 제조되는 부력 모듈.
30. 실시 형태 29에 있어서, 경질화된 신택틱 폼은 30 MPa 내지 170 MPa의 범위의 정수압 강도를 나타내는, 부력 모듈.
31. 실시 형태 30에 있어서, 경질화된 신택틱 폼은 50 MPa 내지 140 MPa의 범위의 정수압 강도를 나타내는, 부력 모듈.
32. 실시 형태 31에 있어서, 경질화된 신택틱 폼은 60 MPa 내지 100 MPa의 범위의 정수압 강도를 나타내는, 부력 모듈.
33. 실시 형태 29 내지 실시 형태 32 중 어느 한 실시 형태에 있어서, 경질화된 신택틱 폼은 밀도가 0.45 g/㎤ 내지 0.80 g/㎤의 범위인, 부력 모듈.
34. 실시 형태 33에 있어서, 경질화된 신택틱 폼은 밀도가 0.50 g/㎤ 내지 0.70 g/㎤의 범위인, 부력 모듈.
35. 실시 형태 34에 있어서, 경질화된 신택틱 폼은 밀도가 0.55 g/㎤ 내지 0.66 g/㎤의 범위인, 부력 모듈.
36. 부력 모듈로서,
35 내지 60 부피%의 열융해성 분말, 및
40 내지 65 부피%의 유리 미소구체
를 포함하는 경질화된 신택틱 폼 - 각각의 양은 경질화된 신택틱 폼의 전체 부피를 기준으로 함 - 을 포함하며,
경질화된 신택틱 폼은 유리 미소구체와 관련된 공극을 제외하고는 내장된 공극이 실질적으로 없는, 부력 모듈.
37. 실시 형태 36에 있어서, 경질화된 신택틱 폼의 적어도 일부분 상에 배치된 장벽 층을 추가로 포함하는, 부력 모듈.
38. 부력 모듈로서,
15 내지 60 부피%의 열융해성 분말, 및
40 내지 85 부피%의 유리 미소구체
를 포함하는 경질화된 신택틱 폼 - 각각의 양은 경질화된 신택틱 폼의 전체 부피를 기준으로 함 -; 및
경질화된 신택틱 폼의 적어도 일부분 상에 배치된 장벽 층
을 포함하는, 부력 모듈.
39. 실시 형태 38에 있어서, 경질화된 신택틱 폼은 유리 미소구체와 관련된 공극을 제외하고는 내장된 공극이 실질적으로 없는, 부력 모듈.
40. 실시 형태 36 내지 실시 형태 39 중 어느 한 실시 형태에 있어서, 열융해성 분말은 초고분자량 폴리에틸렌, 폴리아미드, 폴리페닐렌 설파이드, 폴리이미드, 폴리 에테르 에테르 케톤, 폴리카르보네이트, 폴리아미드이미드, 폴리에테르이미드, 폴리에테르케톤케톤, 및 이들의 공중합체 및 혼합물로부터 선택되는 열가소성 물질을 포함하는, 부력 모듈.
41. 실시 형태 36 내지 실시 형태 39 중 어느 한 실시 형태에 있어서, 열융해성 분말은 1액형 가교결합성 에폭시 수지를 포함하는, 부력 모듈.
42. 실시 형태 37 내지 실시 형태 41 중 어느 한 실시 형태에 있어서, 장벽 층은 실리콘, 폴리우레탄, 에폭시, 폴리프로필렌, 폴리에틸렌, 폴리카르보네이트, 폴리아크릴레이트, 폴리에스테르, 플루오로중합체, 폴리비닐 클로라이드, 아크릴로니트릴 부타디엔 스티렌, 및 이들의 공중합체 및 혼합물로부터 선택되는 중합체를 포함하는, 부력 모듈.
43. 실시 형태 37 내지 실시 형태 41 중 어느 한 실시 형태에 있어서, 장벽 층은 알루미늄, 강, 또는 이들의 합금을 포함하는 금속성 재료를 포함하는, 부력 모듈.
44. 실시 형태 36 내지 실시 형태 43 중 어느 한 실시 형태에 있어서, 경질화된 신택틱 폼은 해저 도관의 적어도 일부분을 수용하도록 구성된 함몰부 또는 구멍을 갖는, 부력 모듈.
45. 실시 형태 29 내지 실시 형태 44 중 어느 한 실시 형태에 있어서, 경질화된 신택틱 폼을 해저 도관에 해제가능하게 결합하기 위한 래치를 추가로 포함하는 부력 모듈.
본 발명의 목적 및 이점이 하기의 비제한적인 실시예에 의해 추가로 예시되지만, 하기 실시예에서 언급된 특정 재료 및 그의 양뿐만 아니라 다른 조건 및 상세 사항은 본 발명을 부당하게 제한하는 것으로 해석되어서는 안 된다.
실시예
이러한 실시예에서, 양은, 언급된 바와 같이, 중량부 또는 부피부로 표시될 수 있다. 약어는 하기를 포함한다: HGM = 중공 유리 미소구체, eq= 당량, g= 그램, hr= 시간, rpm= 분당 회전수, wt = 중량, P= 푸아즈, 및 psi = 제곱인치당 파운드.
재료 목록
Figure pct00001
HGM/분말형 에폭시 분말의 제조
상이한 등급의 3M HGM 및 미경화 분말형 에폭시를 8 온스 (237 밀리리터) 유리병에 첨가하였다. 혼합물을 1분 동안 60% 강도 및 60 ㎐로 설정된 레소다인(Resodyne) 진동식 혼합기를 사용하여 혼합하였다. 하기 표 1은 제조된 일련의 샘플, 및 분말형 에폭시에 대한 1.16 g/cc의 밀도에 기초하여 계산된 그의 이론적 밀도를 나타낸다.
[표 1]
Figure pct00002
HGM/분말형 에폭시 분말의 경화
2 내지 4 g의 상기에서 제조된 "HGM/분말형 에폭시 분말"을, 1 인치 (2.54 cm)의 직경을 갖는 스테인리스 주형에 첨가하였다. 주형을 320℉의 진공 오븐에 넣었다. 주형에 15 psi (103 ㎪)의 상부 하중 압력을 가하고 28 psi (193 ㎪) 진공 압력을 90분 동안 유지하였다. 이어서 주형 조립체를 오븐에서 꺼내고 20℃로 냉각되게 한 후에 경화된 부품을 인출하였다.
일축 압축 시험
일축 압축 시험은 ASTM D695-10에 따라 수행하였다. 원통 형상 플러그를 칭량하고 물리적 치수를 측정하고 평행판들 사이에 이들 판의 중심에 배치하였다. 이어서 시편을 약간의 접촉 압력 하에 놓고 시험 하중을 기록하면서 시편이 항복될 때까지 2 mm/min의 속도로 압축 시험을 개시하였다. 이 시점에, 시험을 중지하였다.
정수압 압축 시험
정수압 압축 시험은 오일을 유압 유체로서 사용하여 최대 30,000 psi (207 MPa)의 압력을 생성할 수 있는 유압 시험 챔버를 사용하여 수행하였다. 시험 절차는, 경화된 신택틱 폼 샘플을 유압 시험 챔버 내에 직접 배치하는 점을 제외하고는 ASTM D3102-78과 유사하였다.
이 시험에서는, 지정된 압력에 도달할 때까지 압력을 계속 기록하면서, 용적형 펌프가 정밀 부피로 유압 유체를 시험 챔버 내로 전달한다. 유체 그 자체의 압축성을 차감하여, 압력 하에서 붕괴된 부피의 퍼센트를 계산한다. 경화된 신택틱 폼 부품의 중량 및 치수를 측정하였다. 부품을 강도 시험기의 챔버 내에 배치하고 유압 유체 중에 담갔다. 이어서 압력의 함수로서 부피 유지율을 기록하였다 정수압 저항성은 90% 부피 유지율이 측정된 압력으로서 정의하였다.
물 침지 압력(Water Immersion Pressure) 시험
최대 75 부피%의 유리 미소구체의 다양한 로딩으로 신택틱 폼의 샘플을 제조하고 4주 동안 5500 psi의 압력에서 20℃의 물에 담갔다. 신택틱 폼 샘플의 측정된 초기 및 최종 중량 및 치수에 기초하여, 초기 중량에 대한 백분율뿐만 아니라 밀도 변화로서 물 흡수성을 측정하였다.
비교예 A 및 비교예 B
대략 0.6 g/cc의 경화 밀도를 달성하기 위해 HGM2의 양을 59 부피%로 조정한 제형에 따라 액체 에폭시로 2개의 비교예를 제조하였다. 이 제형이 하기 표 2에 제공되어 있다:
[표 2]
Figure pct00003
액체 수지 성분을 혼합 컵에 첨가하고 플랙텍 스피드 믹서(Flacktek Speed Mixer)를 사용하여 3000 rpm으로 1분 동안 예비 혼합하였다. 이어서 HGM2를 첨가하고 동일한 혼합 속도에서 추가로 1분 동안 혼합을 계속하였다. 이어서 샘플을 70℃의 진공 오븐에 넣고 15 내지 30분 동안 탈기시켰고, 다시 탈기시킴이 없이 상기와 같이 다시 혼합하였다. 이어서 탈기된 샘플을 스테인리스강 원통형 주형으로 옮겼다. 주형을 진공 오븐에 넣고 15 psi (103 ㎪)의 사하중 압력을 주형의 상부에 가하였다. 이어서 샘플을 진공 하에 110℃에서 2시간 동안, 140℃에서 4시간 동안, 및 마지막으로 160℃에서 4시간 동안 경화시켰다. 샘플을 실온으로 냉각한 후에 주형으로부터 빼내었다.
비교예 A 및 비교예 B는 복제품이었고 일축 및 정수압 압축 시험 데이터를 얻는 데 각각 사용하였다.
실시예 1 및 실시예 2
하기 표 3에 제공된 양에 기초하여 HGM 2를 분말형 에폭시와 혼합하여 실시예 1 및 실시예 2를 제조하였다. 대략 0.6 g/cc의 경화 밀도를 달성하기 위해 HGM의 양을 59 부피%로 조정하였다.
[표 3]
Figure pct00004
50% 강도에서 1분 동안 혼합하는 레소다인 음파 혼합기를 사용하여 2개의 분말 성분을 혼합하였다. 분말 혼합물을 원통형 스테인리스강 주형으로 옮기고, 이어서 진공 오븐에 넣었다. 15 psi (103 ㎪)의 사하중 압력을 주형의 상부에 가하고, 샘플을 진공 하에 160℃에서 4 hr 동안 경화시켰다. 샘플을 실온으로 냉각한 후에 주형으로부터 빼내었다.
실시예 1 및 실시예 2는 복제품이었고 일축 및 정수압 압축 시험 데이터를 얻는 데 각각 사용하였다. 일축 및 정수압 압축 하에서의 실시예 및 비교예에 대한 통합 시험 데이터가 표 4에서 하기에 제공되어 있다.
[표 4]
Figure pct00005
실시예 3 내지 실시예 14
하기 표 5에 제공된 유리 미소구체 조성물을 사용한 점을 제외하고는, 실시예 1 및 실시예 2를 제조하는 데 사용된 동일한 방법을 사용하여 실시예 3 내지 실시예 5를 제조하였다. 동일한 표가 상이한 유리 버블로부터의 신택틱 폼 밀도의 함수로서 정수압 저항성을 나타낸다.
[표 5]
Figure pct00006
비교예 C 및 실시예 15 내지 실시예 18
공극 형성을 유도하지 않으면서 밀도가 감소될 수 있는 정도를 결정하기 위하여, 폼 내의 HGM2 유리 미소구체의 부피%가 증가함에 따라 수분 흡수성을 측정하는 추가적인 일련의 측정을 행하였다. 이 데이터에서, 상당한 수분 흡수성은 물 침투 및 부력 감소를 나타낸다. 결과는 하기 표 6에 보고되어 있다.
[표 6]
Figure pct00007
특허증을 위한 상기 출원에서의 모든 인용된 참고 문헌, 특허, 및 특허 출원은 전체적으로 일관된 방식으로 본 명세서에 참고로 포함된다. 본 출원과 포함되는 참고 문헌들 사이에 불일치 또는 모순이 있는 경우, 본 출원에서의 정보가 우선할 것이다. 당업자가 청구되는 발명을 실시할 수 있게 하기 위해 주어진 전술한 설명은, 청구범위 및 그에 대한 모든 동등물에 의해 한정되는 본 발명의 범주를 제한하는 것으로 해석되지 않아야 한다.

Claims (15)

  1. 부력 모듈(buoyancy module)의 제조 방법으로서,
    하기 성분들:
    35 내지 60 부피%의 열융해성(thermally fusable) 분말, 및
    40 내지 65 부피%의 유리 미소구체(microsphere)
    를 블렌딩하여 혼합물을 얻는 단계 - 각각의 양은 혼합물의 전체 부피를 기준으로 함 -;
    혼합물을 형상화하는 단계; 및
    열융해성 분말을 진공 하에서 가열하여 경질화된 신택틱 폼(hardened syntactic foam)을 제공하는 단계 - 진공은 유리 미소구체와 관련된 공극(void)을 제외하고는 경질화된 신택틱 폼 내의 실질적으로 모든 내장된(embedded) 공극을 제거하기에 충분함 -
    를 포함하는, 부력 모듈의 제조 방법.
  2. 제1항에 있어서, 경질화된 신택틱 폼의 적어도 일부분에 걸쳐 장벽(barrier) 층을 배치하는 단계를 추가로 포함하는, 부력 모듈의 제조 방법.
  3. 부력 모듈의 제조 방법으로서,
    하기 성분들:
    15 내지 60 부피%의 열융해성 분말, 및
    40 내지 95 부피%의 유리 미소구체
    를 블렌딩하여 혼합물을 얻는 단계 - 각각의 양은 혼합물의 전체 부피를 기준으로 함 -;
    혼합물을 형상화하는 단계;
    열융해성 분말을 진공 하에서 가열하여 경질화된 신택틱 폼을 제공하는 단계; 및
    경질화된 신택틱 폼의 적어도 일부분에 걸쳐 장벽 층을 적용하는 단계
    를 포함하는, 부력 모듈의 제조 방법.
  4. 제1항 또는 제2항에 있어서, 경질화된 신택틱 폼은 유리 미소구체와 관련된 공극을 제외하고는 내장된 공극이 실질적으로 없는, 부력 모듈의 제조 방법.
  5. 제1항 또는 제2항에 있어서, 열융해성 분말은 1액형 가교결합성 에폭시 수지, 페놀 수지, 에폭시 개질된 폴리에스테르, 우레탄 아크릴, 우레탄 폴리에스테르, 에폭시 작용화된 아크릴, 글리시딜 메타크릴레이트 아크릴, 폴리에스테르 트라이글리시딜 아이소시아누레이트, 및 이들의 공중합체 및 혼합물로부터 선택되는 열경화성 물질을 포함하는, 부력 모듈의 제조 방법.
  6. 제1항 또는 제2항에 있어서, 유리 미소구체는 중위 직경 D50이 10 마이크로미터 내지 70 마이크로미터인, 부력 모듈의 제조 방법.
  7. 제1항 또는 제2항에 있어서, 유리 미소구체는 D80 - D20 직경 비가 5 마이크로미터 내지 50 마이크로미터인, 부력 모듈의 제조 방법.
  8. 제1항 또는 제2항에 있어서, 열융해성 분말은 중위 입자 직경이 10 마이크로미터 내지 100 마이크로미터의 범위인, 부력 모듈의 제조 방법.
  9. 제1항 또는 제2항에 있어서, 열융해성 분말과 유리 미소구체는 중위 입자 직경 비가 0.5:1 내지 1.25:1의 범위인, 부력 모듈의 제조 방법.
  10. 제1항 또는 제2항에 있어서, 형상화된 혼합물은 해저 도관(subsea conduit)의 적어도 일부분을 수용하기 위한 함몰부(recess) 또는 구멍을 한정하는, 부력 모듈의 제조 방법.
  11. 제1항 또는 제2항의 방법을 사용하여 제조되는 부력 모듈.
  12. 부력 모듈로서,
    35 내지 60 부피%의 열융해성 분말, 및
    40 내지 65 부피%의 유리 미소구체
    를 포함하는 경질화된 신택틱 폼 - 각각의 양은 경질화된 신택틱 폼의 전체 부피를 기준으로 함 - 을 포함하며,
    경질화된 신택틱 폼은 유리 미소구체와 관련된 공극을 제외하고는 내장된 공극이 실질적으로 없는, 부력 모듈.
  13. 제12항에 있어서, 경질화된 신택틱 폼의 적어도 일부분 상에 배치된 장벽 층을 추가로 포함하는 부력 모듈.
  14. 부력 모듈로서,
    15 내지 60 부피%의 열융해성 분말, 및
    40 내지 85 부피%의 유리 미소구체
    를 포함하는 경질화된 신택틱 폼 - 각각의 양은 경질화된 신택틱 폼의 전체 부피를 기준으로 함 -; 및
    경질화된 신택틱 폼의 적어도 일부분 상에 배치된 장벽 층
    을 포함하는, 부력 모듈.
  15. 제14항에 있어서, 경질화된 신택틱 폼은 유리 미소구체와 관련된 공극을 제외하고는 내장된 공극이 실질적으로 없는, 부력 모듈.
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