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FRP製マンホール蓋向けの ウレタンアクリレート 樹脂の適用拡大 Vol.156

2020-09-21

様々な機能性樹脂を販売するイギリスの SCOTT BADER の ウレタンアクリレート を、
マンホールの蓋を製造する Structural Science Composites Ltd (SSC) に提供することを目的に、
5年間の提携に合意したというリリースが出ていました。

Title: Scott Bader and Structural Science Composites sign new partnership
https://www.composites.media/scott-bader-structural-science-composites-08092020/

元々両企業には協力関係があったようですが、
2020年から2025年の5年間で売り上げを倍増させることを目標に、
SCOTT BADER が Crestapol(R) というブランド名で展開するウレタンアクリレート樹脂を安定的に提供する、ということのようです。

両企業の関係については、過去にもコラムで取り上げたことがあります。

※ Acrylic resin をマトリックスとした Manhole

マンホールのふたの上を車などが通過する際に発生する騒音の低減といった機能の発現に、
FRP製のマンホール蓋が活用されているというのは意外かもしれません。

 

SCOTT BADER はPP等のポリオレフィン向けの接着剤を販売する等、
比較的特殊な材料も含めて商品のラインナップをそろえる、
イギリスを代表する化学企業です。

製品のラインナップなどは以下で見ることができます。

https://www.scottbader.com/business/composites/

 

FRPの適用が期待されるマンホールの蓋

以前、以下のコラムでも述べている通り、
マンホールの蓋は機械的な負荷に対する耐久性はもちろんですが、
耐水性や耐候性、そして耐酸性や工場で使われる場合は耐アルカリ性などの耐薬品性も重要です。

※ High anti corrosive composite manhole
https://www.frp-consultant.com/2020/01/31/high-anti-corrosive-composite-manhole/

さらに、蓋の開閉における作業者への安全確保の観点からも軽量化が求められています。
最近は蓋が飛ばない様、固定機構がついていますが、
それでも万が一鉄砲水等で蓋が飛んでしまった際の被害をできるだけ低減するという観点からも、
軽量化は重要といえます。

 

そして上述の通り、騒音低減の効果も認められています。

 

Structural Science Composites Ltd でのマンホール蓋の製作方法

こちらはわかりやすい動画がありますので、
そちらをご覧いただくのが良いと思います。

まず、強化繊維であるガラス繊維(平織:Woven Fabrics)を予め規定したカットパターンで切り取り、
それをオレフィン樹脂(詳細は述べられていません)の型にホチキスのようなもので固定します。

その上から樹脂の流れ道となるキャリアーとみられる黒い不織布をかぶせ、
それを型に入れて型閉じをし、RTM、つまり型内にマトリックス樹脂を流し込み、
滑り止め面含め一体型として成形します。

成形後、上型と下型の間であるパーティングラインから出てくるバリを、
ハンドグラインダーによってトリミングしている、
という一連の様子が見て取れます。

肉盛りが必要な箇所にオレフィンブロックを用いているというのは良いコンセプトです。
本当に強度や剛性が必要なところにガラス繊維を用いていることがわかります。

上記動画の冒頭でもFEAを使っていると述べられていることから、
荷重がどのようにかかるのかということが概ねわかっているのだと思います。

比較的合理的な製造方法であり、興味深いですね。

尚、マンホールのふたは丸型だけでなく、
四角や楕円のものもあります。

概要はこちらのページから見ることができます。

 

使用される ウレタンアクリレート 樹脂

ウレタンアクリレートの分子設計コンセプトは、
アクリルで剛直部分を担保させ、
ウレタンのポリオール結合(酸素原子の結合)部分で柔軟性を持たせるという両輪の機能を融合させ、
強くてしなやかな材料にするというのがその根底にあります。

そして、重合形態は主にラジカル重合であるため、
エポキシなどの一般的な熱硬化性樹脂と比べ、硬化スピードを高めることも可能です。

SCOTT BADER の製品ラインナップ(以下のURL参照)の中から Crestapol(R)を見ると、
様々な特性を有する製品があることがわかります。

https://www.scottbader.com/business/composites/

これは推測ですが、恐らく今回のマンホールの蓋に使われているマトリックス樹脂は、
Rapid de-mould urethane acrylate resin for closed mould と書かれている、
CRESTAPOL(R) 1210 ではないかと考えます。

RTMでは樹脂の含浸に低粘度が求められること、
成形におけるタクトタイムを上げるために硬化速度を高めたい、
という狙いを考量すると上のもの(または類似製品)が妥当とみるべきでしょう。

データシートの中身を見てみます。

https://www.scottbader.com/wp-content/uploads/8937_crestapol-1210-and-crestapol-1210a-crestapol-en-mar16.pdf

まず注目すべきは Pot Life のカスタム可という機能です。

促進剤と Trigonox 44B という添加剤の添加量によって、
硬化速度を色々と変化させることができると書かれています。

これは大変興味深い材料設計思想で、
何故かというとこのように硬化速度をユーザーが調整できると、
成形工程の最適化に向けた柔軟性を手に入れるということになるからです。

例えば単純形状で小型であれば早く硬化してほしいですし、
複雑形状、または大型成形体で樹脂が末端まで浸透するのに時間が必要であれば、
硬化速度を抑制して低粘度を維持してほしいと考えるのが一般的です。

このようなユーザー側でカスタムできるという観点は大変面白いと思います。

尚、促進剤の主成分はスチレンに溶解した DMA (dimethyl amine)溶液、
または同溶媒に溶解したコバルトのようです。

 

未硬化の特性を見てみます。

まず見るべきは粘度でしょう。

1.75 Poise(0.175 Pa・s)となっています。

かなり低いですね。

0℃における水の粘度が0.0179 Poiseくらい(出典:理科年表2020)ですのでそれの100倍くらいですが、
使用感としては若干の粘性はあるものの、水と大きくは変わらないと想像します。

促進剤を後から添加する形なので、
室温で日光の当たらないところであれば6カ月は持つようです。

その一方で加熱減量が36%とのことで、
重量減少がそれなりにあるようです。

どのくらいの温度範囲から重量減少が始まるのか、そして実際に使ったことは無いので何とも言えませんが、成形物内部の気泡が多くなる可能性を頭に入れておく必要があるかと思います。

 

硬化物の特性は全体を通じて一般的といえます。
Barcol硬さは44とのことでASTMベースになっていますが、
ロックウェル硬さと概ね同じ値と想定するとやや柔らかめです。

弾性率は3.5GPa、強度は79MPaと一般的なアクリル樹脂と比較すると高めです。

引張伸びは3.3%とのことで、思ったよりも破断伸びは低い印象です。

チョップドストランドマットのGFと組み合わせたFRPの特性についても述べられています。

450g/sqm目付のガラス繊維が30%になるように調整したFRPで、
引張強度は128MPa、弾性率は8GPaくらいを示しています。

一般的な不飽和ポリエステルやビニルエステルのそれに比べると、
若干低い印象ですが顕著な低下が認められないことから、
樹脂と繊維の相溶性と接着性に問題はないと考えられます。

 

上記の通り、今回マンホール蓋に適用されたウレタンアクリレート樹脂は、
一般的な不飽和ポリエステルやビニルエステルとそん色がない一方、
顕著な低粘度と硬化速度をカスタムできるという機能性が強みであることがわかります。

 

 

いかがでしたでしょうか。

FRPは最近になってインフラへの適用拡大やその検討がますます進んできている印象です。

もちろん、従来の構造部材への検討も進められていますが、
インフラは景気の上下に関わらず継続して更新していかなくてはいけないという性格上、
着実に進んでいる印象です。

 

FRPの適用拡大を考えるにあたっては、
このような幅広い業界に対するアンテナが必要不可欠といえます。

 

ご参考になれば幸いです。

 

 

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