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JP6085181B2 - 多孔質水膨潤性弾性材料 - Google Patents

多孔質水膨潤性弾性材料 Download PDF

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Description

本発明は、多孔質水膨潤性弾性材料に関する。
従来から、止水材の材料とされる水膨潤性ゴムとして、(1)クロロプレンゴムやスチレン−ブタジエンゴム、ブチルゴムなど高い抗張力を示すゴム物質にアクリル酸系などの吸水性樹脂を混合した水膨潤性ゴムが広く知られている。
また、水膨潤性粘土を用いた水膨潤性組成物として、(2)未加硫ブチルに水膨潤性粘土を混合し成型した水膨潤性組成物、(3)水膨潤性粘土とゲル化基油もしくはアスファルト等を用いた粘着性組成物と混練・成形した水膨潤性組成物(例えば、特許文献1)が広く知られている。
これら水膨潤性ゴムおよび水膨潤性組成物のうち、前記(1)の水膨潤性ゴムは、主材となる弾性ゴムの抗張力により、形状安定性に非常に優れる。しかし、コンクリート打継部等の隙間を埋める止水材として用いた場合、水膨潤性ゴムを構成する吸水性樹脂の高い膨潤圧により膨張してしまい、コンクリート躯体にクラックを発生させる問題がある。
前記(2)の水膨潤性組成物は、抗張力の弱い未加硫ブチルを水膨潤性粘土と混合することで、水膨潤性組成物自体の膨潤圧が低くなり、止水材として用いた場合でも、コンクリート躯体にクラックが発生することはない。しかし、この水膨潤性組成物は抗張力が弱いため、外力等で容易に変形する問題がある。この変形で、止水材と止水対象物との間に隙間を生じ、このことが漏水の要因となりかねない。
前記(3)の水膨潤性組成物を止水材として用いた場合も、主材となるゲル化基油およびアスファルト等は抗張力が非常に弱いため、止水材の形状が外力等で容易に変形する問題がある。
なお、止水材における「抗張力」とは外力に抵抗する力であり、「膨潤圧」とは膨潤した際に周りを押す力である。
特開2003−213260号公報
上述のように、弾性ゴム、未加硫ブチル、吸水性樹脂、水膨潤性粘土、ゲル化基油およびアスファルト等を含有した水膨潤性ゴム及び水膨潤性組成物は、いずれも、抗張力及び膨潤圧のバランスに欠け、必ずしも止水材としての要求を満たすものではなかった。すなわち、抗張力は止水材の形状安定性の維持にとって必要な特性であるが、この抗張力によって止水材の膨潤率が低く抑えられ、吸水による止水効果が十分に得られないことがある。十分な膨潤率を得ようとすると、抗張力に抗し得る高い膨潤圧が必要となる。しかし、これでは、止水材の吸水による膨潤がコンクリート躯体など止水対象物への圧力となりクラックの発生をもたらしかねない。
本発明は、上記の点に鑑み、高い抗張力を有する弾性ゴムと膨潤圧の低い水膨潤性粘土を含有する水膨潤性材料を止水材として用いた場合であっても、十分な水膨潤性能を有しかつ、コンクリート躯体等の止水対象物のクラック発生を抑え、形状安定性に優れた多孔質水膨潤性弾性材料を提供することを目的とする。
本発明者らは、上記目的を達成するため鋭意研究の結果、高い抗張力を有する弾性ゴム及び膨潤圧の低い水膨潤性粘土を含有する多孔質水膨潤性弾性材料中に空孔(空隙)を所定量存在させることにより、多孔質水膨潤性弾性材料に水が浸透し易くなり、水膨潤性粘土のような膨潤圧の低い吸水性物質を用いても膨潤性を付与することが可能となることを見出した。また、空孔を微細にすることで抗張力の低下を防ぐことが可能となり、形状安定性と膨潤性を両立することが可能となることを見出した。本発明はこれらの知見に基づき完成されるに至ったものである。
本発明の課題は以下の手段により達成された。
<1>内部に空孔を有し、空孔率が1%以上、かつ、C型硬度が71以上80未満である、弾性ゴム及び水膨潤性粘土を含有する多孔質水膨潤性弾性材料。
<2>面積円相当径3μm〜2cmの空孔数が全空孔数の60%以上内部に有する前記<1>に記載の多孔質水膨潤性弾性材料。
<3>前記弾性ゴム20〜80質量部及び前記水膨潤性粘土20〜80質量部を含有する前記<1>または<2>に記載の多孔質水膨潤性弾性材料。
<4>前記水膨潤性粘土がベントナイト、スメクタイト、膨潤性雲母から選ばれる少なくとも1つ以上である前記<1>〜<3>のいずれか1項に記載の多孔質水膨潤性弾性材料。
<5>膨潤率が150%以上である前記<1>〜<4>のいずれか1項に記載の多孔質水膨張性弾性材料。
本願明細書において、「空孔」とは、多孔質水膨潤性弾性材料の内部に存在する空隙部分であり、独立孔及び連続孔の両方を含む。「連続孔」とは、任意の表面から細孔が通路状に他の表面まで連続しており、細孔が屈曲しながらある面から反対面に通じているものをいう。「独立孔」とは、外部と接しておらず、内包されているものをいう。
また、「空孔率」とは、多孔質水膨張性弾性材料を切断した任意の切断面の総面積に対する空孔箇所の総面積の割合をいう。多孔質水膨潤性弾性材料における「C型硬度」とは、JIS K 6301硬さ試験に記載されたC型硬さ試験機をいう。
本発明の多孔質水膨潤性弾性材料は、空孔を有することで内部まで水が浸入することが可能となり、十分な水膨潤性能を有しかつ、コンクリート躯体等の止水対象物のクラック発生を抑え、形状安定性に優れたものとなる。
C型硬度及び空孔率と、多孔質水膨潤性弾性材料の膨潤率の関係を表すグラフである。 実施例で作成した多孔質水膨潤性弾性材料の切断面のマイクロスコープ画像(全視野面)の模式図である。 実施例で作成した各試験体の膨潤率測定結果を表すグラフである。 (a)は、膨潤試験を行うための多孔質水膨潤性弾性材料からなる水膨潤性止水材の一例を模式的に示した平面図であり、(b)はその側面図である。 図4の水膨潤性止水材のII−II線断面を示す断面図である。
〈多孔質水膨潤性弾性材料〉
本発明の多孔質水膨潤性弾性材料は、弾性ゴムと水膨潤性粘土とを含有する。また、本発明の多孔質水膨潤性弾性材料は、内部に空孔を有し、空孔率が1%以上、かつ、C型硬
度が71以上80より低い値である。なお、多孔質水膨潤性弾性材料は、特定の形状に限定されず、例えば、板材、棒材、など任意の形状とすることができる。
以下、本発明の好ましい実施形態について説明する。まず、弾性ゴムと水膨潤性粘土について説明する。
[弾性ゴム]
本発明に用いられる多孔質水膨潤性弾性材料を構成する弾性ゴムとしては、例えば、岩波理化学辞典 第5版(1998年、岩波書店発行)に記載のゴム状弾性を示す物質であれば特に制限されるものではない。
弾性ゴムの具体例としては、天然ゴム、ブチルゴム、クロロプレンゴム、スチレン・ブタジエンゴム、ブタジエンゴム、アクリロニトリル・ブタジエンゴム、アクリルゴム、イソブチレンゴム、イソプレンゴム、エチレンプロピレンゴム、ポリエチレン、塩素化ポリエチレン、スルホン化ポリエチレン、塩素化ポリプロピレン、スルホン化ポリプロピレン、エチレン・酢酸ビニル共重合体、ポリ塩化ビニル又はその共重合体、ウレタンゴム、フッ素ゴム、シリコンゴム、スチレン・イソプレン・スチレンブロック共重合体又はその水添物、スチレン・イソプレン共重合体又はその水添物、スチレン・ブタジエンブロック共重合体又はその水添物、スチレン・ブタジエン・スチレンブロック共重合体又はその水添物などの一般的なものが挙げられる。
本発明において、前記弾性ゴムを1種単独で、または2種以上を組み合わせて用いることができる。
本発明の多孔質水膨潤性弾性材料は、前記弾性ゴムを20〜80質量部含有することが好ましく、30〜70質量部含有することがより好ましく、40〜65質量部含有することがさらに好ましい。
弾性ゴムの含有量が少なすぎると、多孔質水膨潤性弾性材料の抗張力が低くなり、多孔質水膨潤性弾性材料の形状安定性が不十分となる場合がある。一方、多すぎると、多孔質水膨潤性弾性材料の膨潤率が不十分となってしまう場合がある。
[水膨潤性粘土]
本発明の多孔質水膨潤性弾性材料に使用される水膨潤性粘土は、天然もしくは合成の水膨潤性粘土から選ばれた少なくとも1種類の粘土が用いられる。このような粘土としては、未変性のものでも変性したものでもよく、ベントナイト、ヘクトライト等スメクタイト系粘土、および膨潤性雲母から選ばれた少なくとも1種が好ましい。
このうち、ベントナイトは天然に産出する無機系の粘土であるため安全性に優れ、かつ土中の微生物に分解されることがなく長期的に安定で、高い止水効果を保持でき、また低価格であるため、特に好ましい粘土である。
本発明の多孔質水膨潤性弾性材料において、前記水膨潤性粘土から選ばれた1種の粘土を単独で、または2種以上の粘土を組み合わせて用いることができる。
本発明の多孔質水膨潤性弾性材料は、前記水膨潤性粘土を20〜80質量部含有することが好ましく、30〜70質量部含有することがより好ましく、40〜65質量部含有することがさらに好ましい。
水膨潤性粘土の含有量が少なすぎると、水膨潤性ゴムが充分な膨潤率を得られない場合がある。一方、多すぎると弾性ゴムの抗張力が不十分となり、形状安定性が低下する場合がある。
次に、本発明の多孔質水膨潤性弾性材料がその内部に有する空孔、本発明の多孔質水膨潤性弾性材料の空孔率及びC型硬度について説明する。
[空孔]
本発明の多孔質水膨潤性弾性材料の内部には、空孔が複数散在して配されている。これにより、多孔質水膨潤性弾性材料内部に水が浸入することが容易となる。また、空孔の隙間を利用して、膨潤圧の低い水膨潤性粘土が多孔質水膨潤性弾性材料の内部で十分に膨潤することができる。さらに、前記空孔を微細な空隙とすることで、多孔質水膨潤性弾性材料の抗張力が保持される。このようにして、本発明の多孔質水膨潤性弾性材料は、高い抗張力と水膨潤性機能を維持し、優れた形状安定性を奏する。
前記空孔は、前述のとおり、多孔質水膨潤性弾性材料の内部に複数散在して含有されている。この空孔の含有割合である空孔率は下記の方法により測定される。この空孔率は、例えば、ベントナイト等の水膨潤性粘土中の水分の発泡により調整することができる。また、成型時の加熱により熱分解し炭酸ガス等を発生する炭酸水素ナトリウム等を使用することも出来る。さらに、上記方法により成型前の水膨潤性ゴム中に空孔を設けた後、成型する方法や揮発性の高い溶剤を混合し空孔を設ける方法、液化ガスを混合し空孔を設ける方法、溶媒に溶解する素材を混合し、成形後その溶媒に浸せきさせ、素材を溶出することで空孔を設ける方法なども挙げられる。
(空孔率の測定方法)
前記空孔率は、次の方法により測定することができる。まず、多孔質水膨潤性弾性材料をカッターナイフを用い切断する。次いで、その断面をマイクロスコープ(キーエンス社製、DHX−2000にて観察する。具体的には、マイクロスコープの倍率を150倍に固定し、図2の模式図に示されるように、前記断面の全視野面積A(3,752,762μm2)に占める視野中の空孔箇所の総面積Bを測定し、視野中の空孔箇所の総面積B/全視野面積A×100より算出する。また、全視野面積Aおよび視野中の空孔箇所の面積測定は前記マイクロスコープDHX−2000に内蔵の計測ソフトを用いて行う。この測定を3回行い、計測された数値の平均を空孔率とする。
本発明の多孔質水膨潤性弾性材料は、十分な膨潤性能を具備する観点から、前記空孔の面積円相当径が3μm〜2cmであり、好ましくは20μm〜1cmであり、より好ましくは50μm〜5mmである。この範囲より小さい場合、高い抗張力を維持したまま、優れた膨潤率を発揮することが困難となる場合がある。この範囲より大きい場合は比表面積が低下するため、膨潤率を発揮することが困難となることや多孔質水膨潤性組成物が脆くなる恐れがある。そのため、面積円相当径3μm〜2cmの空孔が全空孔の60%以上となることが好ましい。ここでいう「空孔の面積円相当径」とは、前記(空孔率の測定方法)で観察の対象とする切断面において、観察される空孔の面積より空孔を円に換算した場合の直径をいう。また、前記面積円相当径3μm〜2cmの空孔数が「全空孔数の60%以上」とは、前記観察対象の切断面における割合であり、前記(空孔率の測定方法)で用いた3つの切断面の平均割合である。
[空孔率及びC型硬度]
前述のとおり空孔は、多孔質水膨潤性弾性材料の膨潤性に寄与する。また、この空孔の含有割合である空孔率と、多孔質水膨潤性弾性材料の形状安定性を示すC型硬度との組み合わせが多孔質水膨潤性弾性材料の膨潤率に影響する。この関係をグラフで示すと図1のようになる。図1において、「○」は膨潤率が150%以上となる多孔質水膨潤性弾性材料を表し、「×」は膨潤率が150%に達しない多孔質水膨潤性弾性材料を表す。
図1に示すとおり、C型硬度が80以上となると、膨潤性能を示す膨潤率の低下をもたらす。一方、C型硬度が低くなっても膨潤には影響しないが、71より低くなると抗張力の低下をもたらし、荷重が長時間かかった場合に容易に変形・破断してしまう恐れがある。よって、本発明の多孔質水膨潤性弾性材料は、前記膨潤率を好適な範囲とし良好な抗張力を保持する観点から、C型硬度は71以上80未満である。より好ましくは、72以上79以下であり、さらに好ましくは73以上78以下である。
一方、C型硬度が80以下でも空孔率が低すぎると多孔質水膨潤性弾性材料は十分な膨潤性能を示さない。そのため、本発明の多孔質水膨潤性弾性材料は、空孔率が1%以上であり、より好ましくは、3%以上であり、さらに好ましくは5%以上である。空孔率の上限は特に制限されない。しかし、空孔率が40%より多くなると成型した止水材の形状安定性が悪くなる恐れがあるため、空孔率は40%以下であることが好ましく、35%以下であることがより好ましく、30%以下であることがさらに好ましい。
(C型硬度の測定方法)
前記C型硬度は、例えばC型硬度計(株式会社古里精機製作所製)を用いて測定することができる。この測定を多孔質水膨潤性弾性材料の表面の5箇所について測定し、その平均値をC型硬度とする。
[膨潤率]
本発明の多孔質水膨潤性弾性材料は、膨潤率が150%以上1,000%以下であることが好ましく、200%以上600%以下であることがより好ましい。この膨潤率とは、多孔質水膨潤性弾性材料の膨潤性能を示す数値であり、後述の測定方法で得られる体積の比率である。この膨潤率が小さすぎると十分な止水効果が得られない場合があり、大きすぎると前述のクラックの問題が生じてしまう場合がある。
また、本発明の多孔質水膨潤性弾性材料は、特に、止水材として使用を開始してから1か月後に膨潤率が上記範囲内にあり、1か月経過後も膨潤率が上記範囲内にあり続けることが好ましい。この場合、本発明の多孔質水膨潤性弾性材料は、水分を吸収して止水効果の高いものである一方、材料全体の急激な膨潤が抑えられ、膨潤性能を長期に亘って保持することができる。このような長期の膨潤性能は、前述の空孔率とC型硬度との数値範囲の組み合わせにより得られる。
(膨潤率の測定方法)
前記膨潤率は、次の方法により測定することができる。すなわち、多孔質水膨潤性弾性材料の浸せき前の空気中(気温23±2℃、湿度40±10%)での質量(W1)を量り、次に23±2℃の水中の質量(W2)を量る。次に水中に浸せきした後、速やかに取り出し、ろ紙等で軽くふいて水分を除き、多孔質水膨潤性弾性材料の空気中での質量(W3)を量り、次にさらに23±2℃の水中の質量(W4)を量る。膨潤率は「JIS K 6301 浸せき試験」に記載された方法の体積変化率の式に基づき、{(W3−W4)−(W1−W2)}÷(W1−W2)×100により比重差を体積換算することにより算出できる。
また、本発明の多孔質水膨潤性弾性材料は上記必須成分の他に、本発明の目的を損なわない範囲で、必要に応じ従来止水材料に用いられている種々の添加成分を任意成分として配合することが出来る。この添加剤としては、例えば軟化剤(例えば鉱油、合成油、脂肪性油等の油)、安定剤、日興や熱による老化を防止するための老化防止剤、補強剤、凍結防止剤、酸化防止剤、着色剤などを挙げることが出来る。
本発明の多孔質水膨潤性弾性材料は、この種の材料の製造方法として採用される方法により製造することができる。多孔質水膨潤性弾性材料を製造するにあたり、各成分を添加、混合する順序、方法について特に制限はない。本発明の多孔質水膨潤性弾性材料は、水膨潤性粘土、弾性ゴムを十分に混合することにより均一な混合物として得られる。本発明の多孔質水膨潤性弾性材料の好ましい製造方法の一例として以下の方法が挙げられる。
弾性ゴムとしてブチルゴム20〜80質量部及び水膨潤性粘土としてベントナイト20〜80質量部を用いた場合、これらをニーダーを用いて20〜100℃で15〜120分間混練する。その後、120〜200℃で3〜15分間加硫成型することにより、所定の形状及び大きさを有する多孔質水膨潤性弾性材料を得ることができる。
なお、多孔質水膨潤性弾性材料内部の空孔率の調整は前述したいずれかの方法を組み合わせることにより行なうことができる。
本発明の多孔質水膨潤性弾性材料は、止水材として配置する部分の形状や求められる機能に応じて任意の形状として用いることができる。その使用例としては、前記多孔質水膨潤性弾性材料の一部を、必要な形状や大きさに適宜切り出して止水箇所に設置することが挙げられる。また、あらかじめ、多孔質水膨潤性弾性材料の製造時に、止水材として要求される形状の金型を用いて加硫成型したものとすることもできる。あらかじめ成型したものとして、例えば、図4及び5のように、直径60〜500mm、厚み2〜15mmの円板状の板状本体と、中央に直径10〜40mm、高さ5〜40mmの円錐状の突起部と、突起部の中央に直径5〜20mm、深さ5〜40mmの穴を有するものとすることが挙げられる。
以下、実施例に基づいて本発明をさらに詳細に説明するが、本発明はこれらに限定されるものではない。
(実施例1)
ベントナイト(クニミネ工業株式会社製;商品名:クニゲルVA)50質量部、ブチルゴム硬度40度50質量部、添加剤(オイル 商品名:コスモピュアセーフティー150 コスモ石油ルブリカンツ製)6.5質量部をニーダーを用いて60℃で40分間混練した。その後、金型を用いて160℃で6分間加硫成型し、直径約80mm、厚み7mmの円板状の板状本体と、中央に直径40mm、高さ10mmの円錐状の突起部と、突起部の中央に直径20mm、深さ10mmの穴を有する多孔質水膨潤性弾性材料を得た(図4及び5参照)。
使用したベントナイトの水分は11.2質量%であった。また、空孔率:24.80%、面積円相当径:1.89〜494.9μmであった。
(実施例2)
実施例1において、ベントナイトの水分を5.7質量%、加硫成型時間を5分間とした以外は、実施例1と同様にして、実施例2の多孔質水膨潤性弾性材料を得た。空孔率:10.51%、面積円相当径:18.74〜539.58μmであった。
(実施例3)
実施例1において、ベントナイトの水分を5.7質量%、加硫成型時間を6分間とした以外は、実施例1と同様にして、実施例3の多孔質水膨潤性弾性材料を得た。空孔率:10.28%、面積円相当径:19.71〜439.48μmであった。
(実施例4)
実施例1において、ベントナイトの水分を2.4質量%、加硫成型条件を140℃で4分間とした以外は、実施例1と同様にして実施例4の多孔質水膨潤性弾性材料を得た。空孔率:1.43%、面積円相当径:17.2〜112.5μmであった。
(実施例5)
実施例1において、ベントナイトの水分を11.2質量%、加硫成型条件を、140℃で4分間とした以外は、実施例1と同様にして実施例5の多孔質水膨潤性弾性材料を得た。空孔率:4.30%、面積円相当径:17.3〜212.2μmであった。
(比較例1〜3)
実施例1において、ベントナイトの水分を2.4質量%、加硫成型時間を、ぞれぞれ、5分間、5分30秒間、6分間とした以外は、実施例1と同様にして、比較例1〜3の多孔質水膨潤性弾性材料を得た。空孔率:1.19%、0.96%、0.86%、面積円相当径:19.0〜111.0μm、19.0〜453.09μm、16.3〜134.7μmであった。
(比較例
実施例1において、ベントナイトの水分を11.2質量%、加硫成型条件を、120℃で4分間とした以外は、実施例1と同様にして比較例5の多孔質水膨潤性弾性材料を得た。空孔率:18.75%、面積円相当径:19.1〜523.0μmであった。
実施例1〜5及び比較例1〜で得た多孔質水膨潤性弾性材料について、前述の(空孔率の測定方法)、(C型硬度の測定方法)、及び(膨潤率の測定方法)に基づき測定した。その結果を下記表1に示す。表1に示す膨潤率の欄において、水膨潤性止水材として1か月後に膨潤倍率が1.5倍未満の場合、膨潤し空孔を閉塞する時間が長くなってしまい、初期止水効果を得にくいことから膨潤率が1か月後に1.5倍以上になるものを良品:「○」、それ未満のものを膨潤率不足品:「×」とした。また、形状安定性は形状が安定するC型高度71以上のものを「○」、71より低くなるものを「×」とした。
また、実施例及び比較例の試料について測定した膨潤率の経時変化を図3に示す。なお、1か月後の膨潤率とは、作製した各多孔質水膨潤性弾性材料を1ヶ月間水中に完全浸せきした状態で23±2℃で保管した後、前記(膨潤率の測定方法)に基づいて測定したものである。また、図3に示す経過日数における膨潤率も同様にして行った。
Figure 0006085181
各実施例の試料はいずれも、膨潤率が良好であった。また、各実施例の試料は、空孔率1%以上、C型硬度が71以上80未満にあり、良好な膨潤率とともに良好な抗張力を保持して形状安定性に優れるものであった。一方、比較例1〜はいずれも抗張力が高く形状安定性に優れるものの、膨潤率が悪いものであった。比較例は、膨潤率に優れるものの、抗張力が低く形状安定性の劣るものであった。
1 止水材
3 板状本体
4 突起部
5 穴
6 多孔質水膨潤性弾性材料の切断面における全視野面
7 多孔質水膨潤性弾性材料の切断面における空孔以外の部分
8 空孔部分

Claims (5)

  1. 内部に空孔を有し、空孔率が1%以上、かつ、C型硬度が71以上80未満である、弾性ゴム及び水膨潤性粘土を含有する多孔質水膨潤性弾性材料。
  2. 面積円相当径3μm〜2cmの空孔数が全空孔数の60%以上内部に有する請求項1に記載の多孔質水膨潤性弾性材料。
  3. 前記弾性ゴム20〜80質量部及び前記水膨潤性粘土20〜80質量部を含有する請求項1または2に記載の多孔質水膨潤性弾性材料。
  4. 前記水膨潤性粘土がベントナイト、スメクタイト、膨潤性雲母から選ばれる少なくとも1つ以上である請求項1から3のいずれか1項に記載の多孔質水膨潤性弾性材料。
  5. 膨潤率が150%以上である請求項1〜4のいずれか1項に記載の多孔質水膨張性弾性材料。
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