Способ изготовления химически стойкого к агрессивным жидкостям слоистого изделия

 

Использование: изобретение относится к технологии производства слоистых изделий при изготовлении химически стойких внутренних стенок контейнера при перевозке агрессивных жидкостей. Сущность изобретения: для соединения слоя термопластичного материала со слоем термореактивной смолы с волокнистым наполнителем используется промежуточный элемент в виде ткани, нити которой выполнены как из волокон слоя термореактивной смолы, так и из термопластичного полимерного материала другого слоя. Соединение слоя термопластичного полимерного материала с промежуточным элементом в виде ткани производят в процессе термообработки при температуре и давлении, достаточном для плавления термопластичного полимерного материала. Затем на полученную заготовку накладывают слой неотвержденной термореактивной смолы с волокнистым наполнителем. Полученный пакет термообрабатывают при температуре и под давлением, достаточным для отверждения. 4 з.п. ф-лы, 1 ил.

Изобретение относится к технологии производства слоистых изделий и может быть использовано при изготовлении химически стойких внутренних стенок контейнеров для перевозки химически стойких агрессивных жидкостей.

Исследование химической стойкости и проницаемости конструкционных материалов, используемых в агрессивных средах, показали, что главной причиной снижения их физико-механических свойств является проникновение агрессивных сред в толщу материала.

В настоящее время снижение проникновения активной среды достигается применением различного рода слоистых структур или специальных систем, содержащих слои материалов, инертных к агрессивной среде и увеличивающих диффузный путь проникающих частиц.

Известен способ соединения двух материалов (тканей) [1] при котором используют промежуточный слой клеющую пленку. Пленку располагают между этими двумя материалами и полученный пакет подвергают термообработке под давлением. Однако нужное герметичное соединение углепластика и фторопласта не получится по двум причинам: во-первых, о недостатке клеевых соединений говорилось выше, во-вторых, нет полимерного материала, пленка которого качественно скрепляла бы углепластик и фторполимер.

Наиболее близким по технической сущности к заявляемому способу (прототипом) является способ соединения полимерных слоев, например полиолефиновых [2] при котором в качестве промежуточного элемента используют сита или ткани и полученный пакет термообрабатывают под давлением. Однако при соединении таким способом углепластика и фторполимера это соединение не будет полностью герметичным и механически прочным, так как соединение будет осуществляться лишь механическим сцеплением указанных полимеров с волокнами ткани.

Техническим результатом заявленного изобретения является обеспечение надежного соединения друг с другом несовместимых материалов с достижением требуемой механической прочности, герметичности и химстойкости зоны места их сцепления.

Технический результат достигается тем, что в качестве материала одного из слоев используют термореактивную смолу с волокнистым наполнителем, в качестве материала другого слоя используют термопластичный полимерный материал, в качестве указанной ткани используют ткань, нити которой образованы как из волокон слоя термореактивной смолы, так и из термопластичного полимерного материала другого слоя, а соединение слоев и их термообработку производят в два этапа, при этом на первом этапе соединяют слой термопластичного полимерного материала с указанной тканью и термообрабатывают при температуре и давлении, достаточном для оплавления термопластичного полимерного материала, а на втором этапе на полученную заготовку накладывают слой неотвержденной термореактивной смолы с волокнистым наполнителем и полученный пакет термообрабатывают при температуре и давлении, достаточном для отверждения этой смолы. В качестве фторполимеров, используемых для изготовления заявленного химически стойкого слоистого изделия, применяются термопластичные фторопласты. Они обладают способностью течь выше температуры плавления, что делает возможным их переработку методом плавления. Это, например, такие фторопласты, как фторопласт 4МБ, тефлон, афлон и другие марки. Однако теpмопластичные фторопласты обладают высокой температурой плавления (200-350^оС) и температура их плавления близка к температуре разложения (деструкции). Поэтому нужно при переработке каждого конкретного фторполимера очень строго соблюдать температурный режим.

Для соединения слоев, один из которых выполнен из термопластичного фторопласта, а другой из углепластика на основе углеродных волокон с полупроводниковыми свойствами и связующим на основе термореактивной смолы, по заявленному изобретению используется промежуточный элемент в виде ткани. Эта ткань выполнена из двух видов нити углеродных волокон с полупроводниковыми свойствами (эти же волокна входят в состав углепластика) и нитей из термопластичного фторопласта (материала другого из соединяемых слоев). Нити из различных указанных материалов в этой ткани могут быть расположены перпендикулярно друг к другу и их может быть одинаковое количество. Можно каждую нить сплести из двух волокон этих материалов, а затем уже изготовить из них ткань. Вариантов здесь много.

Проникновение агрессивной среды уменьшается или даже практически исключается за счет использования активных армирующих компонентов (волокон, тканей), взаимодействие которых с химически активной средой приводит к образованию в поверхностном слое композита электрического барьера, уравновешивающего диффузию.

По данному изобретению в качестве химически стойкого внутреннего слоя контейнера применяются углепластики на основе углеродных волокон и тканей, прошедших специальную термическую обработку и активацию и обладающих полупроводниковыми свойствами. Эти волокна получают из гидратцеллюлозы или из полиакрилонитрила термообработкой их в инертной среде и активацией. В качестве конкретного примера термообработку осуществляют при следующих конкретных параметрах: термообработку при 800 1200^оС, активацию в паровоздушной смеси при 80-120^оС. Этими операциями достигается то, что углеродные во- локна приобретают полупроводниковые свой- ства (электропроводность 10^-1-10^-3 Ом˙см и энергия активации Ea= 0,05-0,35 эВ). Термообработку и активацию ведут, контролируя эти параметры, и прекращают при достижении этими параметрами указанных величин. Углепластик на основе указанных волокон обладает полупроводниковыми свойствами и оптимально подходит для внутреннего химически стойкого контейнера для перевозки химически активных жидкостей.

Однако для изготовления углепластика, обладающего полупроводящими свойствами, необходимо указанные углеродные волокна с полупроводящими свойствами соединить с полимерным материалом. Этот материал должен обладать высокими химстойкими свойствами, так как среди грузов, предназначаемых к перевозке танк-контейнерами, присутствуют соляная, серная, полифосфорная, плавиковая и другие кислоты, а также другие типы агрессивных жидкостей. Можно для изготовления углепластика пропитать углеродные волокна химически стойкими термореактивными связующими, например связующими эпоксидного, фенольного, эпоксифенольного типов, а также других типов, и отвердить. Однако эти смолы стойки не только ко всему ряду перевозимых на танк-контейнерах агрессивных жидкостей при прямом с ними контакте. Поэтому для обеспечения полного исключения проникновения химически активных жидкостей в толщу стенки резервуара для их перевозки (танк-контейнера) и в результате этого его разрушения рекомендуется не допускать непосредственного контакта этих слоев с перевозимыми агрессивными жидкостями.

Лучший материал, который можно применить для этой цели, фторполимеры. На фторполимеры (фторопласты) совершенно не действуют кислоты, щелочи, окислители и растворители. Отмечено лишь воздействие щелочных металлов. В целом фторполимеры являются уникальными по свойствам химстойкости. Поэтому конструкция внутреннего химически стойкого слоя стенки танк-контейнера в оптимальном виде должна представлять собой слой углепластика на основе углеродных волокон с полупроводниковыми свойствами и слой фторполимера, непосредственно контактирующий с агрессивной средой. В этом случае внутренний слой стенки танк-контейнера будет полностью химически стоек ко всему диапазону перевозимых на нем агрессивных жидкостей.

Однако существует проблема соединения слоев углепластика и фторполимера. Эта проблема заключается в следующем. Фторполимеры практически невозможно соединить химическими способами с другими полимерами, в данном случае с указанным углепластиком. Можно применять клеи, но соединение углепластика с фторопластом посредством клея будет очень непрочным, притом клеи, которые можно применить в этом случае, не будут стойки ко всем перевозимым на танк-контейнере химически агрессивным жидкостям. В результате этого будет расслаивание этой слоистой конструкции и нарушение герметичности.

На чертеже изображено готовое химически стойкое к агрессивным жидкостям слоистое изделие, включающее слой 1 из термопластичного полимера, промежуточный элемент 2, выполненный в виде ткани, нити которой выполнены из углеродных волокон с полупроводниковыми свойствами с наполнителем из термореактивной смолы и из волокон термопластичного полимерного материала 4 фторопласта, второй слой 5 углепластика.

Пример реализации способа изготовления химически стойкого к агрессивным жидкостям слоистого изделия.

На слой 1 термопластичного полимера, например фторопласта, укладывается промежуточный элемент 2 в виде ткани из комбинированных нитей, где 3 нити из углеродных волокон с полупроводниковыми свойствами, а 4 нити из термопластичного фторопласта. Затем полученный пакет термообрабатывают под давлением при температуре, достаточной для плавления фторопласта, т. е. 200-350^оС в зависимости от сорта фторопласта. После этого полученную заготовку охлаждают до температуры окружающей среды. В результате этого получается прочное соединение фторопластовых нитей 4 промежуточного элемента 2 в виде ткани с фторопластовым слоем. После этого на полученную заготовку со стороны промежуточного элемента 2 в виде ткани накладывают другой слой 5 углепластика, представляющего собой углеродные волокна с полупроводниковыми свойствами, предварительно пропитанные неотвержденным термореактивным связующим. Затем полученную заготовку нагревают под давлением до температуры 150-160^оС до полного отверждения термореактивного связующего и отверждают связующее. В результате этого углеродные волокна ткани сцепляются со связующим углепластика. Температуру проведения этого процесса выбирают достаточной для отверждения термореактивного связующего в зависимости от вида связующего.

В результате выполнения предложенного способа операций получают монолитное химически стойкое слоистое изделие, идеально подходящее для химически защитных слоев стенок контейнера для транспортировки химически агрессивных жидкостей.

Формула изобретения

1. СПОСОБ ИЗГОТОВЛЕНИЯ ХИМИЧЕСКИ СТОЙКОГО К АГРЕССИВНЫМ ЖИДКОСТЯМ СЛОИСТОГО ИЗДЕЛИЯ путем соединения под давлением с одновременной термообработкой слоев из различных полимерных материалов через промежуточный элемент, выполненный в виде ткани, с последующим охлаждением, отличающийся тем, что в качестве материала одного из слоев используют термореактивную смолу с волокнистым наполнителем, в качестве материала другого слоя - термопластичный полимерный материал, ткань промежуточного элемента образована нитями из волокон наполнителя термореактивной смолы и из волокон термопластичного полимерного материала, а процесс соединения слоев осуществляют в два этапа, на первом из которых на слой из термопластичного полимерного материала накладывают ткань из волокон наполнителя термореактивной смолы и волокон термопластичного полимерного материала и подвергают воздействию давлением при температуре 200 350^oС, после чего охлаждают до температуры окружающей среды, а на втором этапе слой из термореактивной смолы с волокнистым наполнителем обрабатывают неотвержденным термореактивным связующим и накладывают на полученную после охлаждения заготовку из термопластичного полимерного материала с тканью промежуточного элемента, затем подвергают воздействию давлением при температуре 150 160^oС до отверждения связующего слоя термореактивной смолы с волокнистым наполнителем.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что в качестве материала волокнистого наполнителя слоя термореактивной смолы используют углепластиковые волокна с полупроводниковыми свойствами или ткань, выполненную на основе углепластиковых волокон с полупроводниковыми свойствами.

3. Способ по п.1, отличающийся тем, что в качестве пластичного полимерного материала используют термопластичный фторопласт.

4. Способ по п.1, отличающийся тем, что ткань промежуточного элемента выполнена так, что ее нити из волокнистого наполнителя слоя термореактивной смолы расположены перпендикулярно к нитям из термопластичного полимерного материала.

5. Способ по п.1 или 4, отличающийся тем, что ткань промежуточного элемента содержит одинаковое количество нитей из волокнистого материала наполнителя термореактивной смолы и нитей из термопластичного полимерного материала.

РИСУНКИ

Рисунок 1