Результат интеллектуальной деятельности: АРМИРОВАННАЯ ГРАФИТОВАЯ ФОЛЬГА

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.