一种用于冷凝器的高强度石墨复合垫片及其制备方法与流程

1.本发明涉及密封垫片的技术领域，尤其涉及一种用于冷凝器的高强度石墨复合垫片及其制备方法。


背景技术：

2.垫片被广泛应用于热交换器、压力容器、泵、阀及法兰面密封。对于冷凝器使用的密封垫片，往往需要垫片具有良好的耐高低温冲击性能，同时要求具有良好的耐腐蚀性能和弹性形变性能。尤其是大直径的密封垫片，其价格昂贵，更换操作繁琐，费时费力；如果由于垫片性能得不到保证，经常需要更换或每一次维护都需要更换，不仅增加了人工成本，而且严重时会导致冷凝器漏液，增加泄露风险，给设备的安全运行和人员健康安全带来巨大的潜在风险。


技术实现要素：

3.鉴于以上现有技术的不足之处，本发明提供了一种用于冷凝器的高强度石墨复合垫片，以解决现有石墨复合垫片无法兼顾耐高低温冲击及稳定性和回弹性等性能要求，进而难以满足在严苛条件下长期连续稳定和循环密封性使用的问题。
4.为达到以上目的，本发明采用的技术方案为：一种用于冷凝器的高强度石墨复合垫片的制备方法，所述制备方法包括以下步骤：s1：将石墨分散在粘土和有机硅氧烷的无水乙醇溶液中，在搅拌速度为1000～5000rpm的条件下搅拌10～60min使其均匀分散，然后进行低温冷冻处理，得到改性石墨凝胶体；本技术将石墨分散在添加有天然有机粘土和有机硅氧烷的无水乙醇溶液中，通过天然有机粘土和有机硅氧烷的协同作用，更加利于进行低温冷冻处理，进而得到凝胶体状的改性石墨；该改性石墨凝胶体具有高孔隙率、轻质、导热系数低等优异的特性，提高了石墨复合垫片的耐高低温冲击性能和回弹性；另外，通过改性处理后的石墨凝胶体也更加易于与步骤s2处理后的纳米碳纤维复合，进一步提高垫片的综合性能。
[0005] s2：将纳米碳纤维溶胀在由烯烃醇和长链烯烃组成的混合溶液中，然后加入步骤s1得到的改性石墨凝胶体和适量的去离子水，反应30～60min后得到纤维增强石墨复合物； 本技术通过在纳米碳纤维表面原位聚合接枝有机聚合物，进一步通过改性石墨凝胶体中有机硅氧烷的水解交联作用，使得改性石墨凝胶体与改性处理后的纳米碳纤维通过强化学键的形式有机复合，以提高石墨复合垫片的整体强度及耐高低温冲击和稳定性等性能；通过长链烯烃的分子缠绕作用，亦可进一步增加石墨复合垫片的整体强度及耐高低温冲击和稳定性等性能。
[0006]
s3：将步骤s2得到的纤维增强石墨复合物进行超临界二氧化碳发泡处理，再加入有机硼化物进行反应，得到石墨复合弹性材料； 进一步地，本技术通过超临界发泡处理，提高了石墨复合垫片的回弹性，进一步添加的有机硼化物，利用其所带的硼酸基团与步骤s2
中的羟基进行交联反应，以显著提升石墨复合垫片抗腐蚀性能及抗拉强度和弹性模量等机械性能。
[0007]
s4：将步骤s3得到的石墨复合弹性材料、碳酸钙晶须、丙烯酸甲酯和硅橡胶混合，在150～200℃条件下、熔融压力为1.5～3mpa范围内，通过双螺杆挤出机熔融挤出，压模得到所述高强度石墨复合垫片。通过合理添加各类原料，进一步提高石墨复合垫片的各项综合性能。
[0008]
优选地，所述粘土为有机膨润土、高岭土、蒙脱土中的至少一种。
[0009]
优选地，所述有机硅氧烷为乙烯基三甲氧基硅烷或3-(甲基丙烯酰氧)丙基三甲氧基硅烷。
[0010]
优选地，所述低温冷冻处理的操作温度为-20℃～-10℃，冷冻时间为0.5～1h。
[0011]
优选地，在步骤s2中，所述纳米碳纤维与烯烃醇的质量比为3～5：10～20，所述纳米碳纤维、改性石墨凝胶体和去离子水的质量比为5～10：50～60：1～5，所述烯烃醇和长链烯烃的摩尔比为5～10：1。
[0012]
优选地，所述烯烃醇为丙烯醇、丁烯醇、2-甲基烯丙醇中的至少一种。
[0013]
优选地，所述长链烯烃为2-辛基丙烯酸酯、甲基丙烯酸辛基酯、丙烯酸辛基酯中的至少一种。
[0014]
优选地，在步骤s3中，所述发泡处理时间为10～60s，所述纤维增强石墨复合物与有机硼化物的质量比为90～110：2～7。
[0015]
优选地，所述有机硼化物为苯硼酸、乙基苯硼酸、乙烯基苯硼酸、羧基苯硼酸中的至少一种。
[0016]
本发明的另外一方面是提供一种用于冷凝器的高强度石墨复合垫片，所述复合垫片采用如上述用于冷凝器的高强度石墨复合垫片的制备方法制备得到。
[0017]
本发明的有益效果：本发明制备得到的石墨复合垫片，综合机械性能好，不仅具有优异的耐腐蚀和耐高低温冲击性能，而且具有良好的稳定性和回弹性能，可满足严苛工况下的长期稳定密封使用和循环使用密封性能要求。
具体实施方式
[0018]
以下描述用于揭露本发明以使本领域技术人员能够实现本发明。以下描述中的优选实施例只作为举例，本领域技术人员可以想到其他显而易见的变型。
[0019]
实施例1本实施例用于冷凝器的高强度石墨复合垫片的制备方法，其包括以下步骤：s1：称取50重量份的石墨分散在100重量份由有机膨润土和乙烯基三甲氧基硅烷复配的无水乙醇溶液中，其中有机膨润土和乙烯基三甲氧基硅烷的质量浓度分别为30%和2.5%，在搅拌速度为1000rpm的条件下搅拌30min使其均匀分散，然后进行低温冷冻处理，所述低温冷冻处理的操作温度为-20℃，冷冻时间为0.5h，得到改性石墨凝胶体；s2：将纳米碳纤维溶胀在由丙烯醇和2-辛基丙烯酸酯组成的混合溶液中，然后加入步骤s1得到的改性石墨凝胶体和适量的去离子水，反应30min后得到纤维增强石墨复合物；改性石墨凝胶体、纳米碳纤维和去离子水的质量比为100：25：3；所述纳米碳纤维与烯烃
醇的质量比为3：10，所述纳米碳纤维、改性石墨凝胶体和去离子水的质量比为5：50：1，所述烯烃醇和长链烯烃的摩尔比为5：1；s3：将步骤s2得到的纤维增强石墨复合物进行超临界二氧化碳发泡处理，所述发泡处理时间为15s，再加入苯硼酸进行反应，得到石墨复合弹性材料；所述纤维增强石墨复合物与有机硼化物的质量比为90：2；s4：将100重量份步骤s3得到的石墨复合弹性材料、3.5重量份碳酸钙晶须、15重量份丙烯酸甲酯和5重量份硅橡胶混合，在150℃条件下、熔融压力为3mpa范围内，通过双螺杆挤出机熔融挤出，压模得到所述高强度石墨复合垫片。
[0020]
实施例2本实施例用于冷凝器的高强度石墨复合垫片的制备方法，其包括以下步骤：s1：称取50重量份的石墨分散在100重量份由高岭土和3-(甲基丙烯酰氧)丙基三甲氧基硅烷复配的无水乙醇溶液中，其中高岭土和3-(甲基丙烯酰氧)丙基三甲氧基硅烷的质量浓度分别为35%和3%，在搅拌速度为3000rpm的条件下搅拌30min使其均匀分散，然后进行低温冷冻处理，所述低温冷冻处理的操作温度为-15℃，冷冻时间为1h，得到改性石墨凝胶体；s2：将纳米碳纤维溶胀在由丁烯醇和甲基丙烯酸辛基酯组成的混合溶液中，然后加入步骤s1得到的改性石墨凝胶体和适量的去离子水，反应50min后得到纤维增强石墨复合物；改性石墨凝胶体、纳米碳纤维和去离子水的质量比为100：30：4；所述纳米碳纤维与烯烃醇的质量比为4：15，所述纳米碳纤维、改性石墨凝胶体和去离子水的质量比为7：60：3，所述烯烃醇和长链烯烃的摩尔比为8：1；s3：将步骤s2得到的纤维增强石墨复合物进行超临界二氧化碳发泡处理，所述发泡处理时间为30s，再加入乙基苯硼酸进行反应，得到石墨复合弹性材料；所述纤维增强石墨复合物与有机硼化物的质量比为100：5；s4：将100重量份步骤s3得到的石墨复合弹性材料、3.5重量份碳酸钙晶须、15重量份丙烯酸甲酯和5重量份硅橡胶混合，在170℃条件下、熔融压力为2mpa范围内，通过双螺杆挤出机熔融挤出，压模得到所述高强度石墨复合垫片。
[0021]
实施例3本实施例用于冷凝器的高强度石墨复合垫片的制备方法，其包括以下步骤：s1：称取50重量份的石墨分散在100重量份由蒙脱土和乙烯基三甲氧基硅烷复配的无水乙醇溶液中，其中蒙脱土和乙烯基三甲氧基硅烷的质量浓度分别为40%和3.5%，在搅拌速度为5000rpm的条件下搅拌60min使其均匀分散，然后进行低温冷冻处理，所述低温冷冻处理的操作温度为-10℃，冷冻时间为1h，得到改性石墨凝胶体；s2：将纳米碳纤维溶胀在由2-甲基烯丙醇和丙烯酸辛基酯组成的混合溶液中，然后加入步骤s1得到的改性石墨凝胶体和适量的去离子水，反应60min后得到纤维增强石墨复合物；改性石墨凝胶体、纳米碳纤维和去离子水的质量比为100：35：5；所述纳米碳纤维与烯烃醇的质量比为5：20，所述纳米碳纤维、改性石墨凝胶体和去离子水的质量比为10：60：5，所述烯烃醇和长链烯烃的摩尔比为10：1；s3：将步骤s2得到的纤维增强石墨复合物进行超临界二氧化碳发泡处理，所述发泡处理时间为60s，再加入乙烯基苯硼酸进行反应，得到石墨复合弹性材料；所述纤维增强
石墨复合物与有机硼化物的质量比为110：7；s4：将100重量份步骤s3得到的石墨复合弹性材料、3.5重量份碳酸钙晶须、15重量份丙烯酸甲酯和5重量份硅橡胶混合，在200℃条件下、熔融压力为1.5mpa范围内，通过双螺杆挤出机熔融挤出，压模得到所述高强度石墨复合垫片。
[0022]
对比例1本对比例用于冷凝器的高强度石墨复合垫片的制备方法，其原料组成与制备步骤基本与实施例1相同，不同之处在于，本对比例度石墨复合垫片的制备方法，石墨未经步骤s1的改性处理。
[0023]
对比例2本对比例用于冷凝器的高强度石墨复合垫片的制备方法，其原料组成与制备步骤基本与实施例1相同，不同之处在于，本对比例度石墨复合垫片的制备方法，步骤s2中的纳米碳纤维未溶胀在由烯烃醇和长链烯烃组成的混合溶液中，而是直接与步骤s1得到的改性石墨凝胶体进行混合。
[0024]
对比例3本对比例用于冷凝器的高强度石墨复合垫片的制备方法，其原料组成与制备步骤基本与实施例1相同，不同之处在于，本对比例度石墨复合垫片的制备方法，步骤s3中未添加有机硼化物进行反应。
[0025]
将实施例1～3和对比例1～3制备得到的用于冷凝器的高强度石墨复合垫片进行性能测试，其性能结果如表1所示：表1密封性能测试：在介质压力为5mpa，石墨复合垫片比压为30mpa的条件，测试其回弹率和压缩率，以评价其压缩回弹性能，并通过测试石墨复合垫片的泄漏率来评价其密封性能。
[0026]
耐高低温冲击性测试：将样品在105℃的试验箱中存放4h，转移至-20℃的试验箱中存放4h，以此为一个周期，循环进行7个周期后，再次测试其泄漏率，以此评价其耐高低温冲击性能。
[0027]
循环性能测试：将样品保持在介质压力为5mpa，石墨复合垫片比压为30mpa的条件下20h，取下静置4h，以此为一个周期，循环进行7个周期后，再次测试其泄漏率，以此评价其
循环性能。
[0028]
耐腐蚀性测试：将实施例1～3和对比例1～3制备得到的样品，各取3份分别置于浓度为10wt％的盐酸、氢氧化钠和氯化钠溶液中，浸渍72h，观察表面变化情况。
[0029]
以上显示和描述了本发明的基本原理、主要特征和本发明的优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明的范围内。