Армированная графитовая фольга

Изобретение относится к материалам на основе терморасширенного графита, в частности к армированным листовым материалам, и может быть использовано в производстве прокладочных и других изделий, например гибких нагревателей, труб, футеровки для высокотемпературных печей и т.д. Армированная графитовая фольга в качестве армирующих элементов содержит по меньшей мере один площеный жгут из углеродных волокон, равномерно распределенный по ширине фольги. Удельная плотность жгута составляет от 10 до 70 г/м². Волокна в жгуте соединены между собой без образования тканого полотна. На жгут может быть нанесено клеевое покрытие. Техническим результатом изобретения является улучшение герметизирующих свойств фольги, в том числе в широком диапазоне температур (до 650°С на воздухе, выше 2000°С в инертной атмосфере) за счет улучшения прочности фольги при сохранении ее упругости. 5 з.п. ф-лы, 1 табл.

 

Область техники.

Изобретение относится к материалам на основе терморасширенного графита (ТРГ), в частности к армированным листовым материалам в виде фольги, и может быть использовано в производстве сальниковой набивки, а также других изделий, например гибких нагревателей, труб, футеровки для высокотемпературных (вакуумных или с инертной атмосферой) печей и т.д.

Предшествующий уровень техники.

В патенте RU 2114802 раскрывается армированная фольга на основе ТРГ, представляющая собой слоистую структуру, включающую полосу эластичного графита с армирующей металлической сеткой.

Поскольку известный материал содержит слой металлической сетки, то при его использовании в изделиях, подвергающихся трению, при прижатии возможен абразивный контакт, ухудшающий эксплуатацию изделия. Из данного материала, в частности, нельзя изготовить сальниковые плетеные уплотнения, а наличие металлической сетки не позволит использовать данный материал в качестве высокотемпературного материала для электронагревателей.

Наиболее близкая фольга к предложенной раскрыта в патенте GB 1312929.

Фольга представляет собой слоистый материал, содержащий два слоя из фольги на основе ТРГ с расположенной между ними тканью из углеродного волокна (УВ).

Углеродная ткань отличается высокой плотностью, более 200 г/м², и большой толщиной (до 0,2 мм) полотна. Такой «толстый» армирующий слой не способен обеспечить достаточной гибкости для армированной графитовой фольги, а сам материал имеет ярко выраженную слоистую структуру и может расслаиваться при эксплуатации.

Раскрытие изобретения.

Задачей изобретения является улучшение эксплуатационных свойств армированной фольги, включая ее герметизирующие свойства, в широком диапазоне температур (до 650°С на воздухе, до 3000°С - в инертной атмосфере) за счет улучшения ее прочности и упругости, а также получения однородной структуры фольги.

Поставленная задача решается армированной графитовой фольгой, включающей терморасширенный графит и армирующие элементы из углеродных волокон, при этом в качестве армирующих элементов она содержит, по меньшей мере, один площеный жгут из непрерывных углеродных волокон, равномерно распределенный по ширине фольги и ориентированный вдоль фольги, удельная плотность которого составляет от 10 до 70 г/м².

В частных воплощениях изобретения поставленная задача решается тем, что фольга содержит площеный жгут, в котором упомянутые непрерывные углеродные волокна соединены между собой без образования тканого полотна.

В частных воплощениях изобретения упомянутые волокна могут быть соединены по утку.

Упомянутые волокна могут быть соединены путем прошивки площеного жгута.

Фольга может содержать площеный жгут из непрерывных углеродных волокон с нанесенным на него клеевым покрытием.

Покрытие может быть нанесено дискретно.

Сущность изобретения состоит в следующем.

Заявленная армированная фольга представляет собой монолитный материал без четко выраженной слоистой структуры и содержит частицы ТРГ и армирующий элемент из УВ, представляющий собой площеный жгут УВ.

Площеный жгут - это расплющенный до плоского состояния жгут из непрерывных углеродных волокон, где, по меньшей мере, часть волокон, отделена друг от друга, при этом волокна расположены в плоскости, по существу, параллельно друг другу.

Площеный жгут получают раскаткой или раздувом объемного жгута с обеспечением разделения волокон и их однородного распределения по ширине.

Плотность площеного жгута составляет от 10 до 70 г/м². В этом интервале армирующий компонент и фольга из ТРГ обладают схожими свойствами для обеспечения необходимой эластичности (гибкости) графитового материала, достигается наилучшая плотность и упругость армированной фольги и оптимальное соотношение армирующий компонент - ТРГ.

Сырьем для получения армированной графитовой фольги является природный чешуйчатый графит, прошедший специальную химическую и термическую обработку и спрессованный до плотности ~0,2 г/см³.

Могут быть использованы любые углеродные волокна - из карбонизованного вискозного волокна, карбонизованного полиакрилонитрильного волокна, пекового волокна или их комбинации.

Для улучшения адгезии углеродных волокон к терморасширенному графиту на них наносят клеевое покрытие путем их предварительной пропитки клеем.

Пропитка позволяет более надежно закрепить армирующие нити и избежать их сдвига при совместной прокатке, при этом не является обязательной операцией.

Клеем в данном случае может быть любой клей, обеспечивающий адгезию нити из углеродных волокон к графиту и не влияющий на эксплуатационные свойства изделий.

В частности, может быть использован невысыхающий клей на акриловой основе.

Клеевое покрытие может быть также получено путем нанесения дискретных полос клея на площеный жгут. В этом случае клей наносится прерывистой линией в поперечном направлении площеного жгута или в диагональном направлении с образованием параллельных полос клея, расположенных на некотором расстоянии друг от друга.

Для удобства использования площеного жгута, а также для придания ему более равномерной структуры, целесообразно закрепить параллельную ориентацию волокон путем их соединения в направлении, перпендикулярном направлению волокна, но без образования тканого волокна. Под этим подразумевается либо достаточно редкое соединение непрерывных волокон по утку, либо прошивка волокон в направлении, перпендикулярном направлению площеного жгута. Оба этих приема позволяют площеному жгуту не развалиться на составные части и обеспечивают его равномерное распределение на графитовом слое.

Если используется несколько площеных жгутов для армирования, то такое соединение осуществляется для всех площеных жгутов.

В зависимости от ширины полотна графитовой фольги для армирования может быть использован один площеный жгут или более. Так, площеный жгут с плотностью 40 г/м² может быть распределен по фольге с шириной 620 мм. Соответственно для армирования фольги с шириной 1500 мм необходимы три жгута с такой плотностью.

Пример 1.

Окисленный (интеркалированный) графит (ОГ), полученный на основе нитрата графита, бисульфата графита или электрохимического нитрата графита, или комбинации разных типов ОГ, дозировали с помощью дозатора и транспортировали потоком воздуха в печь с трубчатым реактором, где при температуре 900-1100°С происходило его вспенивание. Далее смесь ТРГ и газов проходила через газоотделительное устройство и попадала в бункер, в котором терморасширенный графит равномерно распределялся по ширине и падал на транспортерную ленту прокатного стана. Проходя через валки прокатного стана, ТРГ спрессовывался до плотности 0,20 г/см³.

Площеный жгут с удельной плотностью 50 г/м² получали раздувом объемного жгута сжатым воздухом через форсунки.

Полученный площеный жгут, смотанный в виде рулона, располагали на сматывающем устройстве. Рулон пропускали через ванну с клеем, отжимали на специальных мягких валках, подсушивали, а затем прокладывали между двумя слоями ТРГ. Полученное таким образом трехслойное полотно проходило через ряд последовательно расположенных валков для достижения необходимой плотности 1,1 г/см³ и толщины 0,24 мм. В качестве клея использовали невысыхающий клей на акриловой основе. На выходе полученное полотно армированной графитовой фольги сматывали в рулон автоматическим намоточным устройством.

В таблице приведены примеры получения армированной графитовой фольги и получаемые свойства фольги.

Как следует из представленных данных, при наличии всех этих факторов получается прочная и однородная по структуре фольга, которая при дальнейшей эксплуатации не расслаивается, а изделия, полученные из данной фольги, обладают улучшенными эксплуатационными характеристиками.

Получаемая таким образом фольга отличается следующими характеристиками:

Длина фольги - до 250 м

Ширина фольги - до 1500 мм

Толщина фольги - не менее 0,22 мм

Плотность фольги 0,9-1,3 г/см³

Удельная плотность площеного жгута - 10-70 г/м²

Упругость 8-15%

Прочность на разрыв, измеренная по методике для неармированной фольги - не менее 30 МПа

Температура эксплуатации (в изделии) - до 650°С на воздухе, до 3000°С в вакууме

Давление в процессе эксплуатации (в изделии) до 35МПа (подвижные части), до 60 МПа (неподвижные части).

Армированная графитовая фольга может быть использована для производства плетеной сальниковой набивки, применяемой в герметизации штоков арматуры и вращающихся узлов насосов, турбин и т.д.

Использование ориентированного армированного элемента - площеного жгута из непрерывных углеродных волокон, позволяет эффективно перерабатывать графитовую фольгу в ленты и графитовые нити для последующего получения плетеной сальниковой набивки и сальниковых колец.

Плетеные сальниковые набивки на основе графитовой фольги, армированной углеродными волокнами, превосходят по эксплуатационным характеристикам все набивки на основе армированных другими нитями графитовых фольг: обладают наибольшим температурным интервалом эксплуатации, имеют низкий коэффициент трения (до 0,11), не абразивные, химически инертны, выдерживают высокие давления (до 60 МПа) и могут использоваться для герметизации узлов с высокими скоростями вращения валов.

Предложенная армированная фольга может быть использована, в том числе, и в изделиях для вакуумных и газонаполненных высокотемпературных печей различного назначения - прежде всего в изделиях для эксплуатации в условиях высоких температур до 3000°С, а именно гибких нагревателях, теплоотражающих экранах, теплоизоляционных щитах и т.д., что в целом обеспечивает эффективную термическую обработку материалов и изделий.

Многосторонность применения - одно из основных преимуществ заявляемой армированной фольги, эксплуатационные и функциональные возможности которой настолько широки, что ограничиваются лишь потребностями промышленности, квалификацией инженеров и технологов.

Таблица
№	Параметры армирующего площеного жгута	Параметры армированной фольги
Прочность элементарного волокна, ГПа1	Удельная плотность жгута, г/м2	Прочность на разрыв, не менее МПа	Упругость, не менее %
1.	1	10	30	10
2.	1,5	60	36	14
3.	2	40	34	9
4.	2,8	70	38	11

1. Армированная графитовая фольга, включающая терморасширенный графит и армирующие элементы из углеродных волокон, отличающаяся тем, что в качестве армирующих элементов она содержит по меньшей мере один площеный жгут из непрерывных углеродных волокон, равномерно распределенный по ширине фольги и ориентированный вдоль фольги, удельная плотность которого составляет от 10 до 70 г/м².

2. Фольга по п.1, отличающаяся тем, что она содержит площеный жгут, в котором упомянутые непрерывные углеродные волокна соединены между собой без образования тканого полотна.

3. Фольга по п.2, отличающаяся тем, что упомянутые волокна соединены по утку.

4. Фольга по п.2, отличающаяся тем, что упомянутые волокна соединены путем прошивки площеного жгута.

5. Фольга по п.1, отличающаяся тем, что она содержит площеный жгут из непрерывных углеродных волокон с нанесенным на него клеевым покрытием.

6. Фольга по п.5, отличающаяся тем, что покрытие нанесено дискретно.