УГЛЕРОДНАЯ ТЕПЛОРАСПРЕДЕЛЯЮЩАЯ ПЛИТА ДЛЯ ИЗГОТОВЛЕНИЯ ПОТОЛОЧНЫХ И НАСТЕННЫХ СИСТЕМ НАГРЕВА И КОНДИЦИОНИРОВАНИЯ
CARBON HEAT-DISTRIBUTING PLATE FOR PRODUCTION OF CEILING AND WALL HEATING AND AIR CONDITIONING SYSTEMS

Область техники.
Изобретение относится к области получения низкоплотных прочных материалов на основе терморасширенного графита (ТРГ), которые могут использоваться в качестве распределителей тепла, в т.ч. в системах потолочного и стенового отопления и кондиционирования.
Предшествующий уровень техники
Графитовые материалы широко используются в качестве теплораспределяющих материалов в электронике и других областях промышленности. К их преимуществам можно отнести высокий коэффициент теплопроводности вдоль направления графеновых слоев, высокий коэффициент анизотропии (от 2 до 200), низкую пожароопасность (графит не горит, окисляется при температуре >450°С), низкий удельный вес.
Среди графитовых материалов можно выделить терморасширенный графит - легкие пеноподобные частицы, способные связываться между собой при компактировании и получать материалы в широком диапазоне плотностей от 0,02 до 1,7 г/см3. Материалы с низкой плотностью до 0,3-0,4 г/см3, преимущественно 0,05-0,1 г/см3, используются в качестве распределителей тепла в потолочных системах отопления и кондиционирования. Преимуществом таких панелей является малый вес и хорошие коэффициенты теплопроводности и теплораспределения.
В патенте компании SGL ЕР1512933 (В1) раскрывается плита для изготовления потолочных и настенных систем кондиционирования, выполненная из сжатого ТРГ без связующего, где материал имеет теплопроводность в направлении параллельном его поверхности, по меньшей мере, 5,5 Вт/м*К и на 50% выше, чем теплопроводность в перпендикулярном направлении, а толщина плиты составляет от 8 до 50 мм.
Как следует из описания данного технического решения, при использовании заявленной плиты достигается более быстрый нагрев и равномерное распределение температуры при меньшем количестве нагревательных элементов, чем в плитах из гипса. Кроме того, упрощается технология изготовления плиты по сравнению, например, с технологией изготовления изотропных материалов, которая требует всестороннего, а не одноосного сжатия ТРГ.
В данном патенте преследуется цель создания анизотропного материала с высокой теплопроводностью в одном предпочтительном направлении: параллельном его поверхности, что позволит использовать этот материал в качестве строительных элементов, таких как пол, потолок, стены и пр. При этом, в такие строительные элементы могут быть включены системы охлаждения или подогрева, включающие, например, радиаторные трубки, выполненные из теплопроводящего металла.
Существенным недостатком данной плиты является ее низкая прочность, которая сказывается как на технологичности (низкоплотные графитовые плиты ломаются при транспортировке и использовании), так и на эксплуатационных характеристиках - изломы пенографита уменьшают общую теплопередачу по материалу.
Одним из способов упрочнения является нанесение на поверхность низкоплотных графитовых плит полимерных и неорганических связующих либо использовать связующее на стадии изготовления данной плиты.
В заявке DE 102009055441 раскрывается такая плита для изготовления потолочных и настенных систем кондиционирования, размещенная в устройстве для управления температурой помещения. Один из вариантов плиты предусматривает ее выполнение из смеси расширенного графита и связующего, в качестве которого используют полимеры, эластомеры и пр. Доля связующего в составе плиты составляет от 5 до 50 масс.
Использование полимерных связующих - снижает пожаробезопасность (большинство полимерных материалов горят с выделением токсичных веществ HCL, HCN, СО и т.д.). Неорганические связующие компоненты увеличивают удельных вес материала и создают теплоизоляционный барьер на поверхности графитовых плит, что негативно сказывается на эксплуатационных характеристиках изделий и является технической проблемой известного технического решения.
Задачей изобретения является устранение всех недостатков, присущих известному техническому решению с одновременным улучшением эксплуатационных характеристик, таких, как прочность на изгиб при сохранении теплораспределительных свойств
Сущность изобретения.
3
Поставленная задача решается углеродной теплораспределяющей плитой для изготовления потолочных и настенных систем нагрева и кондиционирования, выполненной из сжатых частиц терморасширенного графита со связующим, в соответствии с которой, в качестве связующего она содержит частицы аморфного графита в количествах от 0,3 до 30,0 масс. %, где микроструктура упомянутых сжатых частиц терморасширенного графита со связующим представляет собой пачки упорядоченных графитовых слоев со слоем аморфного углерода на поверхности упомянутых графитовых слоев, при этом плотность плиты составляет от 0,05 до 0,3 г/см.
В частных воплощениях изобретения поставленная задача решается плитой, которая обладает теплопроводностью в направлении параллельном поверхности плиты не менее 1,6 Вт/мК
В других воплощениях изобретения поставленная задача решается плитой, которая обладает коэффициентом анизотропии теплопроводности в направлении параллельном поверхности плиты не менее 1,6.
Плита может дополнительно содержать, по меньшей мере, одну запрессованную теплообменную трубку, выполненную с возможностью прохождения по ней согревающей или охлаждающей среды.
Плита может содержать трубку, выполненную в виде меандра.
Плита может дополнительно содержать каркас.
Каркас может быть смонтирован по периметру плиты из металлических балок с h-образным поперечным сечением.
Либо каркас может быть выполнен в виде металлической кассеты.
Плита может дополнительно содержать защитное покрытие, выполненное, по меньшей мере, на одной из ее сторон.
Сущность изобретения состоит в следующем.
Предложенная углеродная теплораспределяющая плита для изготовления потолочных и настенных систем кондиционирования выполнена из материала на основе ТРГ с распределенным по всему объему аморфным углеродом.
Аморфный углерод получается в процессе проведения реакций интеркалирования графита и термического расширения интеркалированного графита с учетом глубины окисления графитовой матрицы.
Нами было установлено, что содержание аморфного углерода зависит от температуры нагрева при термическом расширении ИГ и для каждой определенной глубины окисления имеет свои значения.
В случае химического синтеза ИСГ глубина окисления возрастает с уменьшением номера ступени, т.е. с увеличением количества окислителя, используемого для окисления графитовой матрицы в ходе синтеза ИСГ, от которого зависит величина положительного заряда графитовой матрицы ИСГ.
В случае электрохимического синтеза ИСГ глубина окисления возрастает с увеличением количества электричества, используемого для электрохимического окисления графитовой матрицы в ходе синтеза ИСГ, от которого зависит величина положительного заряда графитовой матрицы ИСГ и ИГ после гидролиза и соответственно количество кислородосодержащих групп на поверхности ИГ, которые компенсируют положительный заряд графитовой матрицы.
На фиг. 1 приведены снимки микроструктуры ТРГ с аморфным углеродом, полученные методом просвечивающей электронной микроскопии.
Микроструктурный анализ (см. фиг. 1) показал, что структура ТРГ в плите представляет собой пачки в виде параллельно упорядоченных графитовых слоев. Аморфный углерод (см. АУ на снимках) выглядит как область с разупорядоченной структурой, в которой отсутствует дальний порядок расположения углеродных слоев. Области с разупорядоченной структурой аморфного углерода расположены между областями с относительно высоким упорядочением углеродной структуры графитовыми пачками (см. Гр на снимках): аморфный углерод, представляет собой множество разупорядоченных углеродных частиц, он обладает достаточно высокой удельной поверхностью. Благодаря этому увеличивается адгезионное взаимодействие на границе графитовых пачек и аморфного углерода, что приводит к увеличению числа контактов между данными пачками и их лучшему «склеиванию». Таким образом, аморфный углерод выполняет роль связующего. Получается более монолитная структура, чем в традиционных плитах из ТРГ без аморфного углерода.
Такая монолитная структура приводит к улучшению эксплуатационных свойств плит, в частности, прочность на изгиб, при сохранении теплораспределяющих свойств.
Содержание аморфного углерода составляет от 0,3 до 30,0 масс. %. В этих пределах содержания аморфного углерода реализуются его функции как связующего компонента. При выходе за нижний заявленный предел содержание аморфного углерода недостаточно для улучшения свойств, а при выходе за верхний предел значительно снижается теплопроводность плит из ТРГ, до 0,2-0,8 Вт/м*К.
3
Полученная в соответствии с изобретением плита для выполнения функций теплораспределения в потолочных и стеновых отопительных и кондиционирующих системах должна обладать низкой плотностью, поскольку только низкая плотность обеспечивает возможность ее совмещения с медной трубкой и каркасом. Наилучшие эксплуатационные характеристики достигаются при плотности плит от 0,05 до 0,3 г/см.
Соответственно, также желательно, чтобы теплопроводность плиты в направлении параллельном поверхности плиты была не менее 1,5 Вт/мК.
Кроме того, наилучшими свойствами будет обладать плита, у которой коэффициент анизотропии теплопроводности составляет не менее 1,6.
Поскольку данные плиты используются в качестве теплораспределяющих плит для систем нагрева и кондиционирования, то непосредственно в плиту может быть запрессована одна или несколько теплообменных трубок, по которым осуществляется подвод охлаждающей или нагревающей среды.
Данное воплощение изобретения является наиболее желательным, но не обязательным для всех реализаций изобретения - трубки могут быть смонтированы и вне плит, например, на потолке или стенах и контактировать с плитой.
Если трубка/трубки проложены непосредственно в плитах, то желательно выложить ее в виде меандра для экономии места и материала.
Для удобства крепления плит к стенам и потолку, а также придания дополнительной прочности, плита может дополнительно содержать каркас.
В этом случае каркас может быть смонтирован по периметру плиты из металлических балок с h-образным поперечным сечением.
Либо каркас может быть выполнен в виде сплошных металлических кассет: под кассетой в уровне техники понимается стандартное по форме устройство, вмещающее какие-либо детали или материалы, в нашем случае таким устройством является металлический короб, выполненный с возможностью размещения в нем углеродной плиты.
Каркас может быть изготовлен из обычной или нержавеющей стали с помощью гибки, резки и/или сварки. Каркас должен обеспечивать крепление как углеродной плиты, так и дополнительных элементов - трубок, подвесов, декоративных панелей и других необходимых для использования элементов.
Плита может дополнительно содержать защитное или функциональное покрытие, выполненное, по меньшей мере, на одной из ее сторон.
Защитное покрытие может придать дополнительную плите и предохранить ее от повреждений в процессе монтажа. Защитное покрытие может быть выполнено из полимерной пленки, металлической фольги, из ткани или нетканого материала на основе полимерных и неорганических волокон, бумаги и пр.
Функциональное покрытие может улучшить какие-либо характеристики плиты. Так, например, алюминиевая фольга снизит тепловые потери, а покрытие из ткани на основе стеклянного, базальтового или кремнеземного волокна, пропитанного полимерным связующим, не только повысит прочность плиты, но и улучшит противопожарные свойства.
Пример 1.
Графит массой 100 грамм смешивали с 4,5 грамм бихромата калия и 2000 грамм серной кислоты, и перемешивали в течение 2 часов. По данным рентгенофазового анализа была получена 4 ступень бисульфата графита. Полученный материал промывали водой объемом 15 литров и высушивали до сыпучего состояния. Интеркалированный графит вспенивали при температуре 600°С с получение пенографита. Пенографит спрессовывали в пластину толщиной 10 мм, плотностью 0,101 г/см 3.
Содержание аморфного углерода определяли при помощи спектроскопии характеристических потерь энергии электронов. Содержание аморфного углерода составило 0,1%.
Прочность на изгиб определяли при помощи трехточечного метода. Прочность составила 15 кПа.
Теплопроводность определяли методом лазерной вспышки. Коэффициент теплопроводности вдоль направления прессования составила 8,1 Вт/мК, поперек направления прессования 13,9 Вт/мК. Коэффициент анизотропии 1,7.
Пример 2.
Графит массой 100 грамм смешивали с 17,3 грамм бихромата калия и 2000 грамм серной кислоты, и перемешивали в течение 2 часов. По данным рентгенофазового анализа была получена 1 ступень бисульфата графита. Полученный материал промывали водой объемом 15 литров и высушивали до сыпучего состояния. Интеркалированный графит вспенивали при температуре 1000°С с получение пенографита. Пенографит спрессовывали в пластину толщиной 10 мм, плотностью 0,1 г/см3.
Содержание аморфного углерода определяли при помощи спектроскопия характеристических потерь энергии электронов. Содержание аморфного углерода составило 8%.
Прочность на изгиб определяли при помощи трехточечного метода. Прочность составила 218 кПа.
Теплопроводность определяли методом лазерной вспышки. Коэффициент теплопроводности вдоль направления прессования составила 5,0 Вт/мК, поперек направления прессования 10,8 Вт/мК. Коэффициент анизотропии 2,16.
Пример 3
Графит массой 500 г смешивали с 500 г дымящей азотной кислоты в течение 1 часа. По данным рентгенофазового анализа была получена 2 ступень нитрата графита. Полученный материал промывали водой объемом 5 литров и высушивали до сыпучего состояния. Интеркалированный графит вспенивали при температуре 1100°С с получение пенографита. Пенографит спрессовывали в пластину толщиной 10 мм, плотностью 0,098 г/см3.
Содержание аморфного углерода определяли при помощи спектроскопия характеристических потерь энергии электронов. Содержание аморфного углерода составило 1,9%.
Прочность на изгиб определяли при помощи трехточечного метода. Прочность составила 101 кПа
Теплопроводность определяли методом лазерной вспышки. Коэффициент теплопроводности вдоль направления прессования составила 4,9 Вт/мК, поперек направления прессования 9,1 Вт/мК. Коэффициент анизотропии 1,86.
Пример 4.
В электрохимическую ячейку с платиновыми электродами помещали 5 г графита и приливали 40 мл азотной кислоты с концентрацией 98%. Через ячейку пропускали ток силой 0,1 мА в течении 3 часов. По данным рентгенофазового анализа была получена 1 ступень нитрата графита. Полученный материал промывали водой объемом 1 литр и высушивали до сыпучего состояния. Интеркалированный графит вспенивали при температуре 600°С с получение пенографита. Пенографит спрессовывали в пластину толщиной 10 мм, плотностью 0,05 г/см3.
Содержание аморфного углерода определяли при помощи спектроскопия характеристических потерь энергии электронов. Содержание аморфного углерода составило 23%.
Прочность на изгиб определяли при помощи трехточечного метода. Прочность составила 382 кПа
Коэффициент теплопроводности вдоль направления прессования составила 1,0 Вт/мК, поперек направления прессования 1,6 Вт/мК. Коэффициент анизотропии 1,60.