特許 7515369 樹脂パイプ

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】特許公報(B2)

(11)【特許番号】

(24)【登録日】2024-07-04

(45)【発行日】2024-07-12

(54)【発明の名称】樹脂パイプ

(51)【国際特許分類】

   F16L 9/128 20060101AFI20240705BHJP

   F16L 9/133 20060101ALI20240705BHJP

   C08K 7/06 20060101ALI20240705BHJP

   C08L 23/26 20060101ALI20240705BHJP

   C08K 5/098 20060101ALI20240705BHJP

   C08K 5/20 20060101ALI20240705BHJP

   C08L 23/06 20060101ALI20240705BHJP

【ＦＩ】

F16L9/128

F16L9/133

C08K7/06

C08L23/26

C08K5/098

C08K5/20

C08L23/06

【請求項の数】 8

(21)【出願番号】P 2020182289

(22)【出願日】2020-10-30

(65)【公開番号】P2022072698

(43)【公開日】2022-05-17

【審査請求日】2023-04-21

(73)【特許権者】

【識別番号】508321823

【氏名又は名称】株式会社イノアック住環境

(73)【特許権者】

【識別番号】000119232

【氏名又は名称】株式会社イノアックコーポレーション

(74)【代理人】

【識別番号】110001519

【氏名又は名称】弁理士法人太陽国際特許事務所

(72)【発明者】

【氏名】落合 義人

(72)【発明者】

【氏名】沈 遒

【審査官】杉山 健一

(56)【参考文献】

【文献】特開２００１－３０４４６３（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開平０６－１９０９７９（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２００５－３０６９５０（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２０１５－０３８１８１（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２０１８－１０４６５８（ＪＰ，Ａ）

【文献】国際公開第２０１８／２１２０１６（ＷＯ，Ａ１）

【文献】特開２０１２－１０６４９４（ＪＰ，Ａ）

(58)【調査した分野】(Int.Cl.，ＤＢ名)

Ｆ１６Ｌ ９／１２８

Ｆ１６Ｌ ９／１３３

Ｃ０８Ｋ ７／０６

Ｃ０８Ｌ ２３／２６

Ｃ０８Ｋ ５／０９８

Ｃ０８Ｋ ５／２０

Ｃ０８Ｌ ２３／０６

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

炭素繊維と、ポリエチレン樹脂と、イミン変性ポリオレフィン樹脂を含む樹脂組成物からなる樹脂パイプ。

【請求項2】

前記樹脂組成物は、結晶核剤を含むことを特徴とする請求項１に記載の樹脂パイプ。

【請求項3】

前記結晶核剤は、脂肪酸アミドまたは脂肪酸金属塩の一方または両方であることを特徴とする請求項２に記載の樹脂パイプ。

【請求項4】

最内層にポリエチレン樹脂層を有することを特徴とする請求項１から３の何れか一項に記載の樹脂パイプ。

【請求項5】

前記炭素繊維の量は、前記ポリエチレン樹脂の配合重量部の１／５０～１／５であることを特徴とする請求項１から４の何れか一項に記載の樹脂パイプ。

【請求項6】

前記イミン変性ポリオレフィン樹脂の量は、前記炭素繊維の配合重量部の１／１０～２／３であることを特徴とする請求項１から５の何れか一項に記載の樹脂パイプ。

【請求項7】

前記炭素繊維は、再生炭素繊維であることを特徴とする請求項１から６の何れか一項に記載の樹脂パイプ。

【請求項8】

前記炭素繊維は、炭素繊維強化樹脂の熱分解物であることを特徴とする請求項１から７の何れか一項に記載の樹脂パイプ。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、給水、工場用用水、温調用システムなどの配管に使用される樹脂パイプに関する。

【背景技術】

【0002】

従来、樹脂パイプとして、ポリオレフィン系樹脂から形成された単層あるいは複層の樹脂パイプがある。
また、ポリオレフィン系樹脂にガラス繊維を配合した樹脂から形成された複層の樹脂パイプがある（特許文献１）。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0003】

【文献】特許第６５２３０４５号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0004】

しかし、従来の樹脂パイプは、線膨張係数が大きいため、外気温やパイプ内を通る液体の影響等でパイプの伸縮量が大きい。それまでの鋼管から樹脂パイプに置き換えた場合、例えば吊り配管などは、樹脂パイプの大きな線膨張により撓みが大きくなる影響を抑えるため、短い樹脂パイプを支持金具（接続金具）で接続する必要がある。そのため、パイプ接続のための支持金具の固定ピッチ（間隔）が短くなって、作業に手間が掛かる問題がある。また、樹脂パイプの伸縮を吸収するための伸縮管継ぎ手が必要になり、コストがアップする問題もある。

【0005】

本発明は前記の点に鑑みなされたものであって、線膨張係数の小さい樹脂パイプの提供を目的とする。

【課題を解決するための手段】

【0006】

本発明は、炭素繊維と、ポリエチレン樹脂と、イミン変性ポリオレフィン樹脂を含む樹脂組成物からなる樹脂パイプである。

【発明の効果】

【0007】

本発明によれば、線膨張係数の小さい樹脂パイプが得られる。本発明の樹脂パイプは、線膨張係数が小さいため、配管時に、支持金具の固定ピッチ（間隔）を短くしなくてもよく、作業を簡略化することができ、かつ伸縮管継ぎ手を削減または不要にでき、コストを抑えることができる。

【図面の簡単な説明】

【0008】

【図1】本発明の第１実施形態の樹脂パイプの断面図である。

【図2】本発明の第２実施形態の樹脂パイプの断面図である。

【図3】実施例と比較例の構成及び線膨張係数等を示す表である。

【発明を実施するための形態】

【0009】

図１に示す第１実施形態の樹脂パイプ１０Ａは、炭素繊維と、ポリエチレン樹脂と、イミン変性ポリオレフィン樹脂を含む樹脂組成物から押出成形によって形成された炭素繊維強化樹脂層１１Ａの単層構造である。炭素繊維強化樹脂層１１Ａを有する樹脂パイプ１０Ａの厚み（肉厚）については、ＳＤＲ（パイプの基準外径と最小厚さの比 Ｄ／ｔ）が、９～１７に設定することが好ましい。またＳＤＲを９～１３．６に設定すれば更に好ましい。例えば、外径９０ｍｍの樹脂パイプにおいて、厚みは５．０～１０ｍｍが好ましい。また、樹脂パイプ１０Ａの外径が２５ｍｍの場合は、厚み２．５ｍｍ～３ｍｍが好ましい。

【0010】

炭素繊維は、バージン（未使用）の炭素繊維あるいはリサイクル処理（加熱処理）等がされた再生炭素繊維の何れでもよく、何れか一方のみ、あるいは両方を併用することもできる。

【0011】

再生炭素繊維の場合は、炭素繊維強化樹脂を加熱処理して得られる熱分解物が好ましい。熱分解される炭素繊維強化樹脂は、炭素繊維と樹脂とからなる炭素繊維強化樹脂（ＣＦＲＰ）成形体の廃棄物である。また、炭素繊維強化樹脂から再生炭素繊維を得るための加熱処理は、炭素繊維強化樹脂を加熱して樹脂を炭化物とし、その炭化物を酸化分解して炭素繊維（再生炭素繊維）を得る処理であり、公知の処理技術である。

【0012】

炭素繊維は、裁断されたチョップド炭素繊維または粉砕されたミルド炭素繊維の何れでもよい。
チョップド炭素繊維は、ミルド炭素繊維よりも、樹脂パイプの線膨張係数が小になる。チョップド炭素繊維の平均長さは１～７ｍｍ、好ましくは１～５ｍｍ、より好ましくは２～４ｍｍである。チョップド炭素繊維の平均長さが７ｍｍを越えると樹脂パイプの外観が悪くなる。
一方、ミルド炭素繊維は、平均長さが５μｍ～１００μｍ、好ましくは１０μｍ～５０μｍ、より好ましくは２０μｍ～３０μｍである。ミルド炭素繊維は、チョップド炭素繊維よりも、樹脂パイプの外観（平滑性）が良好になる。

【0013】

炭素繊維の配合量は、ポリエチレン樹脂の配合重量部の１／５０～１／５（ポリエチレン樹脂１００重量部に対して２～２０重量部）が好ましく、より好ましくは３／１００～１／１０（ポリエチレン樹脂１００重量部に対して３～１０重量部）である。炭素繊維の配合量が少なすぎると樹脂パイプが撓みやすくなり、逆に多すぎると樹脂パイプの成形性が低下するようになる。

【0014】

ポリエチレン樹脂は、樹脂パイプに必要な剛性を付与するため、高密度ポリエチレン（ＨＤＰＥ）が好ましい。

【0015】

イミン変性ポリオレフィン樹脂は、ポリオレフィンにイミノ基を多数含有しているポリイミド化合物を、ラジカル発生剤の存在下でグラフト処理することによって得られるものである。ポリイミド化合物の基となるポリオレフィンとしては、ポリエチレン、ポリプロピレン、ポリ－１－ブテン、ポリイソブチレン等が挙げられる。

【0016】

イミン変性ポリオレフィン樹脂を樹脂組成物に配合することにより、炭素繊維とポリエチレン樹脂との接着性を高めるとともに、樹脂組成物の溶融押出時におけるメルトテンションの限界速度の値が大になり、樹脂パイプの外観（成形体表面の平滑性）を良好にできる。メルトテンションの限界速度は、樹脂の溶融押出時における増速引取による破断時の最大速度であり、ＪＩＳ Ｋ７１９９に基づいて測定される。メルトテンションの限界速度の値が大きいほど、溶融体の破裂を生じ難いため、得られる樹脂パイプの表面の平滑性が良好なものになる。

【0017】

イミン変性ポリオレフィン樹脂の配合量は、炭素繊維の配合重量部の１／１０～２／３が好ましい。イミン変性ポリオレフィン樹脂の配合量が少なすぎると、パイプの平滑性が悪くなるとともに線膨張係数も下げにくくなる。

【0018】

樹脂組成物には、結晶核剤を含むのが好ましい。
結晶核剤としては、オレイン酸アミド、エルカ酸アミド、ステアリン酸アミド、へベニン酸アミドなどの脂肪酸アミド、ステアリン酸マグネシウム、ステアリン酸亜鉛、１，２－シクロヘキサンジカルボン酸カルシウム塩、ステアリン酸カルシウムなどの脂肪酸金属塩が好ましい。結晶核剤は、これらの一つに限られず二以上でもよく、また脂肪酸アミドと脂肪酸金属塩の双方を組み合わせて使用してもよい。結晶核剤の配合により、樹脂パイプの線膨張係数をより小さくすることができる。

【0019】

結晶核剤は、ポリエチレン樹脂をベース樹脂（主成分）とするマスターバッチ（ＭＢ）を使用してもよい。市販されている結晶核剤のマスターバッチの例として、高密度ポリエチレン（ＨＤＰＥ）をベースとし、結晶核剤がステアリン酸亜鉛と１，２－シクロヘキサンジカルボン酸カルシウム塩である「リケマスターＣＮ－００２」は好適である。なお、「リケマスターＣＮ－００２」は、（結晶核剤）ステアリン酸亜鉛：１．３６％と１，２－シクロヘキサンジカルボン酸カルシウム塩：２．７２％となっている。
樹脂組成物における結晶核剤マスターバッチ（ＭＢ）の配合量は、ポリエチレン樹脂の配合重量部の１／２０以下（ポリエチレン樹脂１００重量部に対して５重量部）以下が好ましい。なお、樹脂組成物における結晶核剤の配合量は、結晶核剤のマスターバッチを使用する場合、マスターバッチにおける主成分を除いた結晶核剤単独の量となる。従って、リケマスターＣＮ－００２の場合、自身の配合量に対して４．０８％が結晶核剤単独の量となる。

【0020】

樹脂組成物には、その他適宜の添加剤を配合してもよい。添加剤としては、顔料、滑剤、酸化防止剤等を挙げることができる。

【0021】

樹脂組成物は、樹脂ペレットにされて樹脂パイプの製造に用いられる。
樹脂ペレットの製造は、樹脂組成物を混練押出機で混練りし、該混練物をストランド状に押出し、水中冷却槽に通して冷却硬化し、ペレタイザーで切断してペレットとすることにより行うことができる。なお、樹脂のペレット化は、公知の方法である。

【0022】

樹脂パイプ１０Ａの製造に使用される押出成形では、樹脂ペレットを、押出機に投入して溶融し、溶融樹脂をダイスから押し出してダイス形状の長尺品からなる樹脂パイプを形成する。

【0023】

図２に示す第２実施形態の樹脂パイプ１０Ｂは、外層１１Ｂと内層１５Ｂとの二層構造からなる。外層１１Ｂと内層１５Ｂは、何れか一方の層が炭素繊維強化樹脂層、他方の層がポリエチレン樹脂層である。

【0024】

炭素繊維強化樹脂層は、前記第１実施形態の樹脂パイプ１０Ａにおける炭素繊維強化樹脂層１１Ａと同様の構成からなる。

【0025】

ポリエチレン樹脂層は、ポリエチレン樹脂から形成される。ポリエチレン樹脂としては、樹脂パイプに必要な剛性を付与するため、高密度ポリエチレン（ＨＤＰＥ）が好ましい。

【0026】

外層１１Ｂを炭素繊維強化樹脂層とし、内層１５Ｂをポリエチレン樹脂層とした場合、内層１５Ｂの耐塩素水性が向上し、塩素が含まれる水道水にも好適な樹脂パイプになる。

【0027】

炭素繊維強化樹脂層の厚みは樹脂パイプの厚みの３０％以上、ポリエチレン樹脂層の厚みは樹脂パイプの厚みの７０％以下が好ましい。また、炭素繊維強化樹脂層の厚み：ポリエチレン樹脂層の厚みは、３：７～９：１が好ましい。
二層構造の樹脂パイプ１０Ｂの外径は、特に限定されないが、例として２０ｍｍ～２５０ｍｍを挙げる。
なお、二層構造の樹脂パイプ１０Ｂにおいても、樹脂パイプの厚み（肉厚）は、ＳＤＲ（パイプの基準外径と最小厚さの比 Ｄ／ｔ）を９～１７に設定することが好ましい。

【0028】

二層構造の樹脂パイプ１０Ｂの製造は、公知の多層共押出成形で行うことができる。なお、炭素繊維強化樹脂層の押出成形は、第１実施形態の樹脂パイプ１０Ａで説明した樹脂組成物の樹脂ペレットが使用され、一方、ポリエチレン樹脂層の押出成形は、ポリエチレン樹脂のペレットが使用される。

【実施例】

【0029】

図３に、各実施例及び各比較例の樹脂パイプにおける層構造及び樹脂組成物の配合を示す。
炭素繊維が配合された樹脂組成物の樹脂ペレットは、混練押出機（品名：ＫＴＸ－３０、神戸製鋼製）で溶融混練し、直径３ｍｍのストランド状で水中冷却層に押し出し、ペレタイザー（品名：ストランドカッター、タナカ社製）で長さ３～４ｍｍに切断して製造した。溶融混練条件はバレルおよびダイ温度２００℃、スクリュー回転数４００ｒｐｍ、吐出量２０ｋｇ／ｈである。
また、ポリエチレン樹脂のペレットは、購入品である。

【0030】

炭素繊維強化樹脂層の単層からなる樹脂パイプの製造は、炭素繊維を含む樹脂組成物のペレットを汎用押出成形機に投入し、押出成形によって、外径３２ｍｍ、内径２６ｍｍからなるパイプを製造した。成形条件は、ダイ温度２２０～２３０℃、スクリュー回転数５５ｒｐｍ、引取速度２ｍ／ｍｉｎである。

【0031】

ポリエチレン樹脂の単層からなる樹脂パイプの製造は、ポリエチレン樹脂のペレットを汎用押出成形機に投入し、押出成形によって、外径３２ｍｍ、内径２６ｍｍからなるパイプを製造した。成形条件は、ダイ温度２００℃、スクリュー回転数３０ｒｐｍ、引取速度１．８５ｍ／ｍｉｎである。

【0032】

炭素繊維強化樹脂層とポリエチレン樹脂層との二層構造の樹脂パイプの製造は、炭素繊維を含む樹脂組成物のペレットとポリエチレン樹脂のペレットを用い、汎用押出成形機によって、外径３２ｍｍ、内径２６ｍｍ、炭素繊維強化樹脂層の厚み１ｍｍ、ポリエチレン樹脂層の厚み２ｍｍからなる二層構造の樹脂パイプを製造した。成形条件は、ダイ温度２２０～２３０℃、スクリュー回転数は、炭素繊維強化樹脂層側が３４ｒｐｍでポリエチレン樹脂層側が５０ｒｐｍ、引取速度２ｍ／ｍｉｎである。

【0033】

使用した原料を以下に示す。
・ポリエチレン：高密度ポリエチレン（ＨＤＰＥ）、品名；ハイゼックス７７００Ｍ、株式会社プライムポリマー製
・再生炭素繊維（ミルド）：炭素繊維強化樹脂の熱分解物からなる平均繊維長２５μｍの再生炭素繊維、品名；ミルド再生ＣＦ繊維、カーボンファイバーリサイクル工業株式会社製
・再生炭素繊維（チョップド）：炭素繊維強化樹脂の熱分解物からなる平均繊維長３ｍｍの再生炭素繊維、品名；チョップド再生ＣＦ繊維、カーボンファイバーリサイクル工業株式会社製
・酸変性ポリオレフィン：マレイン酸変性ポリオレフィン、品名；ユーメックス、三洋化成株式会社製
・イミン変性ポリオレフィンＡ：品名；アドマーＩＰ（登録商標）ＡＴ３０９６、三井化学株式会社製
・イミン変性ポリオレフィンＢ：品名；アドマーＩＰ（登録商標）ＡＴ３３４６、三井化学株式会社製
・結晶核剤：（結晶核剤）ステアリン酸亜鉛１．３６％、１，２－シクロヘキサンジカルボン酸カルシウム塩：２．７２％／（主成分）高密度ポリエチレン（ＨＤＰＥ）マスターバッチ、品名；リケマスターＣＮ－００２、理研ビタミン社製

【0034】

各実施例及び各比較例に対し、以下の方法によって線膨張係数を測定した。各実施例及び各比較例の樹脂パイプを１０１０ｍｍの長さで切断してサンプルを作製し、サンプルを２０℃に設定した恒温層に２時間保管した。２０℃の恒温層から取り出したサンプルの表面に、間隔１０００ｍｍで標線を針で罫書き、標線記入後のサンプルを６０℃に設定した恒温層に２時間保管した。６０℃の恒温層からサンプルを取り出して標線間の距離をメジャーによって測定した。
６０℃における標線間距離と２０℃における標線間距離の差によってサンプルの伸び（ｍｍ）を算出し、線膨張率を［サンプルの伸び÷１０００÷４０］によって算出する。

【0035】

各実施例及び各比較例の構成と線膨張係数の測定結果について説明する。
・実施例１
実施例１は、炭素繊維強化樹脂層の単層構造である。炭素繊維強化樹脂層は、ポリエチレン樹脂９５重量部と、再生炭素繊維（チョップド）５重量部と、イミン変性ポリオレフィンＡの２．５重量部が配合された樹脂組成物から形成されている。
実施例１は、線膨張係数測定時の伸びが２．５ｍｍ、線膨張係数が６．３×１０^－５／℃であり、線膨張係数の小さいものである。

【0036】

・実施例２
実施例２は、外層がポリエチレン樹脂層、内層が炭素繊維強化樹脂層の二層構造である。外層のポリエチレン樹脂層は、ポリエチレン１００重量部から形成されている。内層の炭素繊維強化樹脂層は、ポリエチレン樹脂９５重量部と、再生炭素繊維（チョップド）５重量部と、イミン変性ポリオレフィンＡの２．５重量部が配合された樹脂組成物から形成されている。
実施例２は、線膨張係数測定時の伸びが３．０ｍｍ、線膨張係数が７．５×１０^－５／℃であり、炭素繊維強化樹脂層の外層にポリエチレン樹脂層を有するため、実施例１の炭素繊維強化樹脂層の単層と比べて、若干繊維膨張係数の値が大になったが、それでも十分に線膨張係数の小さいものである。

【0037】

・実施例３
実施例３は、炭素繊維強化樹脂層の単層構造である。炭素繊維強化樹脂層は、ポリエチレン樹脂９０重量部と、再生炭素繊維（チョップド）５重量部と、イミン変性ポリオレフィンＢの３重量部と、結晶核剤（マスターバッチ）２．５重量部が配合された樹脂組成物から形成されている。
実施例３は、線膨張係数測定時の伸びが２．０ｍｍ、線膨張係数が５．０×１０^－５／℃であり、線膨張係数の小さいものである。結晶核剤を含むため、実施例１の炭素繊維強化樹脂層の単層と比べ、繊維膨張係数の値がさらに小になった。

【0038】

・実施例４
実施例４は、外層が炭素繊維強化樹脂層、内層がポリエチレン樹脂層の二層構造である。外層の炭素繊維強化樹脂層は、ポリエチレン樹脂９０重量部と、再生炭素繊維（チョップド）５重量部と、イミン変性ポリオレフィンＢの３．０重量部と、結晶核剤（マスターバッチ）２．５重量部が配合された樹脂組成物から形成されている。内層のポリエチレン樹脂層は、ポリエチレン１００重量部から形成されている。
実施例４は、線膨張係数測定時の伸びが２．５ｍｍ、線膨張係数が６．３×１０^－５／℃であり、線膨張係数の小さいものである。また、ポリエチレン樹脂層の内層を有するため、内層の耐塩素水性が向上し、塩素が含まれる水道水にも好適である。

【0039】

・比較例１
比較例１は、ポリエチレン樹脂層の単層構造である。ポリエチレン樹脂層は、ポリエチレン１００重量部から形成されている。
比較例１は、線膨張係数測定時の伸びが４．５ｍｍ、線膨張係数が１１．３×１０^－５／℃であり、線膨張係数が大きいものである。

【0040】

・比較例２
比較例２は、酸変性ポリオレフィンを配合した炭素繊維強化樹脂層の単層構造である。炭素繊維強化樹脂層は、ポリエチレン９５重量部と、再生炭素繊維（ミルド）５重量部と、酸変性ポリオレフィン１重量部が配合された樹脂組成物から形成されている。
比較例２は、線膨張係数測定時の伸びが３．５ｍｍ、線膨張係数が８．８×１０^－５／℃であり、線膨張係数の大きいものである。

【0041】

・比較例３
比較例３は、再生炭素繊維（ミルド）及び酸変性ポリオレフィンの量を比較例２よりも減らした例である。炭素繊維強化樹脂層は、ポリエチレン樹脂９７．５重量部と、再生炭素繊維（ミルド）２．５重量部と、酸変性ポリオレフィン０．５重量部が配合された樹脂組成物から形成されている。
比較例３は、線膨張係数測定時の伸びが４．０ｍｍ、線膨張係数が１０．０×１０^－５／℃であり、比較例２よりも線膨張係数がさらに大きいものである。

【0042】

・比較例４
比較例４は、ポリエチレンと再生炭素繊維（ミルド）のみからなる炭素繊維強化樹脂層の単層構造である。炭素繊維強化樹脂層は、ポリエチレン９０重量部と再生炭素繊維（ミルド）１０重量部が配合された樹脂組成物から形成されている。
比較例４は、線膨張係数測定時の伸びが３．５ｍｍ、線膨張係数が８．８×１０^－５／℃であり、線膨張係数が大きいものである。

【0043】

このように、本発明によれば、線膨張係数の小さい樹脂パイプを得ることができる。さらに、最内層にポリエチレン樹脂層を設けることにより、内層の耐塩素性が向上し、塩素が含まれる水道水用にも使用することができる。
なお、本発明は実施例に限定されず、発明の趣旨を逸脱しない範囲で変更可能である。例えば、実施例では、単層構造と２層構造の場合を示したが、３層構造の複層構造であってもよい。また、炭素繊維と、ポリエチレン樹脂と、イミン変性ポリオレフィン樹脂を含む樹脂組成物からなる炭素繊維強化樹脂層は、少なくとも１層有するものであればよい。

【符号の説明】

【0044】

１０Ａ、１０Ｂ 樹脂パイプ
１１Ａ 炭素繊維強化樹脂層
１１Ｂ 外層
１５Ｂ 内層

【図1】

【図2】

【図3】