АРМИРОВАННАЯ ГРАФИТОВАЯ ФОЛЬГА
REINFORCED GRAPHITE FOIL

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).
2
Углеродная ткань отличается высокой плотностью, более 200 г/м, 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.
2
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/м.
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.
2
Плотность площеного жгута составляет от 10 до 70 г/м. 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.
3
Сырьем для получения армированной графитовой фольги является природный чешуйчатый графит, прошедший специальную химическую и термическую обработку и спрессованный до плотности ~0,2 г/см.
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.
2
В зависимости от ширины полотна графитовой фольги для армирования может быть использован один площеный жгут или более. Так, площеный жгут с плотностью 40 г/м 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.
3
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/см.
2
Площеный жгут с удельной плотностью 50 г/м получали раздувом объемного жгута сжатым воздухом через форсунки.
3
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/см 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
3
Плотность фольги 0,9-1,3 г/см
2
Удельная плотность площеного жгута - 10-70 г/м
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, ГПа<sup>1</sup>
Удельная плотность жгута, г/м<sup>2</sup>
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