專(zhuān)利名稱(chēng)：由碳化硅制成的樹(shù)脂浸漬體的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明的目的是由碳化硅制成的樹(shù)脂浸潰體，用于生產(chǎn)這種浸潰體的方法，及其作為換熱器中的管的用途。
背景技術(shù)：
換熱器管或塊通常包括石墨。石墨具有良好的導(dǎo)熱性，是堅(jiān)硬、抗壓的，并且耐熱負(fù)載和耐腐蝕。在很多技術(shù)應(yīng)用中也廣泛使用石墨與樹(shù)脂的復(fù)合材料。例如，在設(shè)備和壓カ容器的制造中，用酚醛樹(shù)脂浸潰石墨以形成防漏材料。在這種情況下，前述開(kāi)孔材料以塊、板或管的形式成為半成品。將酚醛樹(shù)脂用作浸潰劑，因?yàn)榉尤?shù)脂具有足夠的耐熱性并且在化 學(xué)上高度耐酸。經(jīng)歷這種后處理的物質(zhì)的缺點(diǎn)在于其不是非常耐腐蝕，因此僅可允許其以低流速用于流體應(yīng)用(例如，換熱器)。如果所述流體填充有磨粒，則進(jìn)一歩降低允許的流速。因此，由于可能填充有顆粒的快速流動(dòng)介質(zhì)而在換熱器管或塊中不發(fā)生或不能產(chǎn)生自?xún)粜ЧＨ欢?，這種自?xún)粜Ч麑⑹瞧谕牟⑶铱捎糜诶鐫饪sp205。這可能產(chǎn)生的優(yōu)點(diǎn)體現(xiàn)在較少的停エ時(shí)間，因?yàn)榍逑撮g隔將延長(zhǎng)或在最佳可能的情況下，可完全免去清洗。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是提供ー種材料，所述材料高度耐腐蝕以及對(duì)磨損和防漏而言是耐久的。這個(gè)目的用具有權(quán)利要求I的特征的浸潰體和具有權(quán)利要求9的特征的方法來(lái)解決。根據(jù)本發(fā)明，提供了一種浸潰體，其包含開(kāi)孔碳化硅并且至少部分地用樹(shù)脂浸潰。這種浸潰體高度耐腐蝕和耐磨損，并且防漏。這種浸潰體還是優(yōu)異的導(dǎo)熱體。碳化硅的導(dǎo)熱性不由樹(shù)脂浸潰而下降。優(yōu)選將所述樹(shù)脂熱固化。優(yōu)選以這種方式構(gòu)造所述浸潰體使得樹(shù)脂在開(kāi)孔碳化硅的開(kāi)孔中沉積。優(yōu)選在所述浸潰體的表面不存在樹(shù)脂膜。也就是說(shuō)，所述碳化硅不完全由樹(shù)脂覆蓋，而是碳化硅的開(kāi)孔容納樹(shù)脂，結(jié)果碳化硅和樹(shù)脂一起形成密封體。所述碳化硅具有開(kāi)孔。所述開(kāi)孔可以多種不同的方式相互連接。于是所述開(kāi)孔碳化硅包含多孔碳化硅骨架或網(wǎng)絡(luò)。在浸潰期間，樹(shù)脂通過(guò)相互連接的孔的這種網(wǎng)絡(luò)滲透碳化硅并且在合適的條件下還可完全將其填滿(mǎn)。于是孔的網(wǎng)絡(luò)成為樹(shù)脂網(wǎng)絡(luò)。以這種方式，所得的浸潰體包含兩種各自結(jié)合的網(wǎng)絡(luò)。第一網(wǎng)絡(luò)包含碳化硅的連續(xù)骨架。第二網(wǎng)絡(luò)包含滲透碳化硅的孔的樹(shù)脂。碳化硅網(wǎng)絡(luò)和樹(shù)脂網(wǎng)絡(luò)這兩種網(wǎng)絡(luò)一起提供本發(fā)明浸潰體的杰出特性。如果用固化樹(shù)脂完全填充碳化硅的孔網(wǎng)絡(luò)，則本發(fā)明的浸潰體對(duì)液體和氣體高度不可滲透。在優(yōu)選的實(shí)施方式中，所述樹(shù)脂代表熱固性塑料。熱固性塑料理想地適合密封碳化硅的開(kāi)孔。合適的熱固性塑料的實(shí)例包括酚醛樹(shù)脂和環(huán)氧樹(shù)脂。所述樹(shù)脂優(yōu)選代表酚醛樹(shù)脂。更優(yōu)選地，所述樹(shù)脂代表甲階酚醛樹(shù)脂。所用的術(shù)語(yǔ)甲階酚醛樹(shù)脂是指通過(guò)堿與過(guò)量甲醛以縮合形式催化進(jìn)行交聯(lián)的酚醛樹(shù)脂。在這個(gè)過(guò)程中，樹(shù)脂依次經(jīng)過(guò)甲階酚醛樹(shù)脂、こ階酚醛樹(shù)脂和丙階酚醛樹(shù)脂的狀態(tài)，并且反應(yīng)的揮發(fā)性副產(chǎn)物逸出。在第一階段(狀態(tài)A)中，甲階酚醛樹(shù)脂，所述樹(shù)脂仍然是可溶和可熔的，在第ニ階段(狀態(tài)B)中，こ階酚醛樹(shù)脂，所述樹(shù)脂仍然是可溶脹的并且在加熱時(shí)軟化，但在第三階段(狀態(tài)C)中，丙階酚醛樹(shù)脂，發(fā)生完全地交聯(lián)并且所述樹(shù)脂是不溶和不熔的。所述浸潰體優(yōu)選包含固化的酚醛樹(shù)脂，特別是所述碳化硅的開(kāi)孔優(yōu)選包含固化的甲階酚醛樹(shù)脂。適合用作環(huán)氧樹(shù)脂的樹(shù)脂體系是包含雙酚A ニ縮水甘油醚或雙酚F ニ縮水甘油醚的樹(shù)脂體系。也可將聯(lián)三苯用于密封。優(yōu)選地，還可使用硅氮烷樹(shù)脂體系。在優(yōu)選的實(shí)施方式中，樹(shù)脂的重量比相對(duì)于浸潰體高達(dá)50%。這是指所述碳化硅能夠吸收高達(dá)其自身重量100%的樹(shù)脂。然而，在特別優(yōu)選的實(shí)施方式中，所述碳化硅能夠僅 吸收少量，例如相對(duì)于所述浸潰體自身重量?jī)H20重量％的樹(shù)脂。在優(yōu)選的實(shí)施方式中，所述開(kāi)孔碳化硅具有O至80體積％的開(kāi)孔率和I. 9至3. 5g/cm3的總密度。更優(yōu)選地，所述開(kāi)孔碳化硅具有5至15體積％的開(kāi)孔率和2. 5至3. lg/cm3的總密度。盡管優(yōu)選預(yù)定的孔徑的均勻分布，但碳化硅的孔徑可以變化。所述孔徑優(yōu)選在O. 05至I. 5 μ m的范圍內(nèi)、更優(yōu)選O. I至I. O μ m、還更優(yōu)選O. 2至O. 5 μ m。在優(yōu)選的實(shí)施方式中，所述碳化娃包含5%孔徑為I μ m的開(kāi)孔和8-10%孔徑為O. 2 μ m的開(kāi)孔。并且優(yōu)選開(kāi)孔碳化硅具有小于O. 50%、更優(yōu)選O. 35%的Si含量。還更優(yōu)選所述開(kāi)孔碳化硅是不包含開(kāi)孔Si的碳化硅。例如，所述開(kāi)孔碳化硅是重結(jié)晶的碳化硅(RSiC)?？蛇x地，所述開(kāi)孔碳化硅可以為氮化物結(jié)合的碳化硅(NSiC)。所述碳化硅可包含至少ー種陶瓷或礦物填料，在該情況下基于預(yù)期應(yīng)用而選擇所述填料。填料的實(shí)例包括來(lái)自天然存在的片狀石墨、合成的人造石墨、碳黑或碳、石墨或碳纖維的物質(zhì)。另外，可使用顆粒、薄片或纖維形式的陶瓷或礦物填料，例如硅酸鹽、碳酸鹽、硫酸鹽、氧化物、玻璃或其選定的混合物。特別優(yōu)選用碳纖維增強(qiáng)所述開(kāi)孔碳化硅，也就是說(shuō)其是“C/SiC材料”。在優(yōu)選的實(shí)施方式中，在用樹(shù)脂浸潰的碳化硅周?chē)辽侃`種碳纖維并增強(qiáng)所述碳化硅。優(yōu)選以在張カ下的網(wǎng)的形式在浸潰的碳化硅周?chē)辽僖环N碳纖維。這種包層用于提高所述浸潰體的抗壓性。所述浸潰體可以是任意形狀。所述浸潰體優(yōu)選具有塊、板或管的形式。在其它優(yōu)選的實(shí)施方式中，以管的形式構(gòu)建所述用樹(shù)脂浸潰的碳化硅。這種管本身很好地適合用作換熱器，因?yàn)槠涫莾?yōu)異的導(dǎo)熱體并且其在快速流動(dòng)的介質(zhì)下允許自浄。以高張カ網(wǎng)的形式在所述管周?chē)辽侃`種碳纖維，從而進(jìn)ー步提高了其抗壓性。碳纖維的特定性能確保甚至在管上的負(fù)載變化和/或上升非常大時(shí)，所述包層保持非常緊地包裹在所述管周?chē)Ｒ驗(yàn)樘祭w維具有熱膨脹的負(fù)系數(shù)，隨溫度上升，所述包層甚至變得包裏地更緊，其破裂壓カ和泄露壓力在升溫下比在室溫下更大。如下，所述碳纖維增強(qiáng)改進(jìn)了樹(shù)脂浸潰的碳化硅管的特性升高破裂壓力，所述管變得較不容易受蒸氣沖擊以及其中超過(guò)工作壓カ的條件的影響，因?yàn)樵谑覝叵滤龉艿钠屏褖亥Q于管維度比未增強(qiáng)管的破裂壓カ高30至40%。
可通過(guò)如下方法生產(chǎn)本發(fā)明的浸潰體，該方法包括如下步驟a)提供開(kāi)孔碳化硅，b)用樹(shù)脂至少部分地浸潰所述開(kāi)孔碳化硅，和c)使所述樹(shù)脂固化。該方法確保了通過(guò)用樹(shù)脂浸潰碳化硅而實(shí)現(xiàn)裝置構(gòu)造中通常要求的浸潰體的密封性。在本發(fā)明的方法中，優(yōu)選以真空加壓法迫使樹(shù)脂進(jìn)入碳化硅中的開(kāi)孔中，將其完全填充。然后在升溫下使樹(shù)脂固化。用樹(shù)脂浸潰和樹(shù)脂的固化用于使所述浸潰體的強(qiáng)度與浸潰前的碳化硅相比提高到其2至3倍，而不損失其導(dǎo)熱性。本發(fā)明方法的步驟a)特別包括提供重結(jié)晶的碳化硅。所提供的碳化硅優(yōu)選具有
I.9至3. 5g/cm3之間的總密度。并且優(yōu)選，步驟a)中提供的碳化硅具有5至15體積％的開(kāi)孔率。特別是，所述碳化硅以待制造組件所期望的形式存在。優(yōu)選以管或換熱器板的形式提供所述碳化硅。本發(fā)明方法步驟b)特別包括將碳化硅的開(kāi)孔填充。一旦將其引入碳化硅的孔中，所述樹(shù)脂就不容易再次跑出。除其涂覆性能之外，特別重要的是以下方面I.優(yōu)選將特別的技術(shù)用于浸潰，例如真空或真空壓カ浸潰。通過(guò)使用這種技術(shù)僅可能填充部分存在的孔，例如因此可克服在流經(jīng)狹窄孔喉時(shí)遭遇的填充阻力。如果不使用特殊措施，則一旦將其引入所述浸潰體中，所述樹(shù)脂就不能再次溢出。2.如果使用甲階酚醛樹(shù)脂，如前所解釋?zhuān)S著其經(jīng)過(guò)階段A至C，其逐漸變得更粘。在低溫下，這種粘度的增加較低(存儲(chǔ)穩(wěn)定性，狀態(tài)A，甲階酚醛樹(shù)脂)，但在較高溫度下，其變得非常顯著，所述樹(shù)脂凝膠化(狀態(tài)B，こ階酚醛樹(shù)脂)。以這種方式凝膠化的樹(shù)脂基本不可能再次從碳化硅的孔中跑出。通過(guò)交聯(lián)獲得的不溶和不熔的樹(shù)脂(狀態(tài)C，丙階酚醛樹(shù)脂)也不能從碳化硅的孔中溢出。步驟b)中所用的樹(shù)脂優(yōu)選具有5至4000mPa ·S范圍內(nèi)的粘度?？蓪⑺鰳?shù)脂以其純形式用于浸潰或可將其溶于合適的溶劑中。例如，可將所述樹(shù)脂溶于可能與醇組合的水中。溶劑中樹(shù)脂的含量取決于待用于浸潰的樹(shù)脂的期望稠度以及碳化硅中開(kāi)孔的孔徑?？稍诮⑦^(guò)程中進(jìn)行本發(fā)明方法步驟b)中進(jìn)行的碳化硅的浸潰。所述碳化硅優(yōu)選在浸潰前經(jīng)歷脫氣處理。也可使可能已經(jīng)溶解的樹(shù)脂在浸潰前經(jīng)歷脫氣過(guò)程。例如，浸潰過(guò)程可通過(guò)抽空含有碳化硅的容器，并用可能溶于溶劑中的樹(shù)脂淹沒(méi)所述抽空的容器，從而將碳化硅浸潰或浸沒(méi)在樹(shù)脂中而進(jìn)行。在用樹(shù)脂將其淹沒(méi)后，還可用氣壓填充所述容器。用樹(shù)脂浸潰的碳化硅也可經(jīng)歷脫氣處理以在減壓下抽空樹(shù)脂和碳化硅中的氣相組分。可將脫氣處理重復(fù)數(shù)次。如果僅g在浸潰近表面的區(qū)域或進(jìn)行碳化硅的部分浸潰，則可縮短浸潰持續(xù)時(shí)間或可從將要發(fā)生浸潰的區(qū)域相應(yīng)地掃掠或噴霧，或可僅浸潰部分碳化硅。在這種處理后，例如通過(guò)擦拭將過(guò)量樹(shù)脂從表面除去。 需要時(shí)可重復(fù)本發(fā)明方法的步驟b)。在本發(fā)明的過(guò)程中，取決于碳化硅的孔隙率和與其相關(guān)的開(kāi)孔體積，碳化硅能夠吸收高達(dá)其自身重量100%的樹(shù)脂?？紤]開(kāi)孔的較小體積，所述碳化硅還僅能夠吸收少量，例如相對(duì)于其自身重量?jī)H20重量％的樹(shù)脂。然后將樹(shù)脂固化。優(yōu)選在120至180°C下在高達(dá)兩個(gè)小時(shí)的時(shí)間內(nèi)，在不加壓環(huán)境中或在O. 5至I. 5巴的壓カ下進(jìn)行步驟C)的固化過(guò)程。在升溫下，也就是說(shuō)在170至180°C下，高達(dá)15分鐘的固化時(shí)間一般是足夠的。所述溫度越高，固化時(shí)間越短。根據(jù)本發(fā)明方法生產(chǎn)的浸潰體不包含瑕疵，例如氣泡或裂紋，所述瑕疵可能通過(guò)樹(shù)脂在其固化時(shí)的反應(yīng)而引起。還能夠以低成本生產(chǎn)所述浸潰體。其是耐腐蝕的，是熱的良導(dǎo)體，并且取決于密封程度，可將其歸類(lèi)于從技術(shù)上液體可滲透至技術(shù)上氣體不可滲透的范圍內(nèi)的任意處。本發(fā)明方法的優(yōu)選實(shí)施方式包括步驟c)之后的其它步驟步驟d)在所述浸潰體周?chē)辽侃`種碳纖維。因此用至少ー種碳纖維增強(qiáng)用樹(shù)脂浸潰的碳化硅。這轉(zhuǎn)而提高所述浸潰體的抗壓性。將以網(wǎng)的形式的至少ー種碳纖維優(yōu)選非常緊地包裹在樹(shù)脂浸潰的碳化硅周?chē)?。在根?jù)本發(fā)明的方法中，優(yōu)選將酚醛樹(shù)脂用作所述樹(shù)脂。酚醛樹(shù)脂具有足夠的耐 熱性并且極度耐酸，因此其代表由其制造本發(fā)明浸潰體的理想的材料。在本發(fā)明方法的優(yōu)選實(shí)施方式中，在步驟a)中提供包含至少ー種陶瓷或礦物填料的開(kāi)孔碳化硅。優(yōu)選地，提供碳纖維增強(qiáng)的碳化硅(C/SiC)。本發(fā)明的浸潰體可以是例如用于暴露于高機(jī)械負(fù)載和/或極度腐蝕性介質(zhì)和溶劑的換熱器以及其它暴露于高熱和高壓カ負(fù)載的組件的管、塊或管板。特別是，其是用于構(gòu)建換熱器的理想材料，因?yàn)槠涫莾?yōu)異的導(dǎo)熱體并且是防漏的。本發(fā)明的浸潰體特別良好地適用于用作換熱器管道，因?yàn)槠涓裢饽透g，因此其能夠承受流速并因此所述管道在可能填充有顆粒的快速流動(dòng)介質(zhì)下可經(jīng)歷自?xún)暨^(guò)程。包含本發(fā)明浸潰體的換熱器例如如下構(gòu)建所述換熱器包括罩，所述罩包括流體的進(jìn)口和出口。還可在換熱器內(nèi)部布置隔板以從所述罩開(kāi)始凸出至所述罩的內(nèi)部，并且以這種方式相互平行配置從而有助于罩內(nèi)的流體循環(huán)。另外，在罩內(nèi)布置至少ー個(gè)管束。在管片上布置管束中管的末端，所述管片以液體不可滲透的方式與罩連接。所述管片具有用于另一流體的至少ー個(gè)進(jìn)口和ー個(gè)出口，所述另一流體在管束的管中循環(huán)并且出于在兩種流體之間傳遞熱的目的，處于與罩中的流體不同的溫度下。本發(fā)明的浸潰體特別適用于用作換熱器的管束中的管。因?yàn)槠浣艹龅膹?qiáng)度，由本發(fā)明浸潰體制備的管能夠在可能填充有顆粒的快速循環(huán)流體下維持自?xún)暨^(guò)程。在上文中所述的其它組件或如果適用，其它的安裝組件由石墨、涂覆的石墨、金屬板或橡膠處理的金屬板制備。現(xiàn)在將參考如下實(shí)施例解釋本發(fā)明的其它特征和優(yōu)點(diǎn)，但不限于此。
具體實(shí)施例方式實(shí)施例使用維度為035 X 30mm的SiC管。名稱(chēng)Halsic-R的管購(gòu)自摩根高級(jí)陶瓷海登皇格技術(shù)陶瓷有限公司(Morgan Advaned Ceramics W Haldenwanger Technische KeramikGmbH & Co KG),瓦爾德克賴(lài)堡(Waldkraiburg),德國(guó)(Germany)。在用酹醒樹(shù)脂浸潰碳化娃管之前分析5個(gè)樣本。這些樣本的測(cè)量特性與標(biāo)準(zhǔn)偏差s—起概括在表I中。根據(jù)DIN測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)測(cè)定所述特性。因?yàn)樗霾牧咸幻芊猓荒軠y(cè)試樣品的滲透性。表I[004權(quán)利要求
1.ー種具有開(kāi)孔碳化硅網(wǎng)絡(luò)的換熱器管或換熱器板，所述開(kāi)孔碳化硅網(wǎng)絡(luò)的孔至少部分用固化的酚醛樹(shù)脂浸潰。
2.如權(quán)利要求I所述的換熱器管或換熱器板，其特征在于所述酚醛樹(shù)脂已經(jīng)被浸潰以使得所述換熱器管或換熱器板在其表面不具有封閉的樹(shù)脂膜。
3.如權(quán)利要求I或2所述的換熱器管或換熱器板，其特征在于所述酚醛樹(shù)脂的重量比高達(dá)50%。
4.如權(quán)利要求I至3中的任一項(xiàng)所述的換熱器管或換熱器板，其特征在于所述開(kāi)孔碳化硅具有O至80體積％的開(kāi)孔率和I. 9至3. 5g/cm3的總密度。
5.如權(quán)利要求I至4中的任一項(xiàng)所述的換熱器管或換熱器板，其特征在于所述碳化硅包含至少ー種礦物填料。
6.如權(quán)利要求I至5中的任一項(xiàng)所述的換熱器管或換熱器板，其特征在于將其用樹(shù)脂浸潰并通過(guò)至少一種碳纖維將其包裹和增強(qiáng)。
7.一種用于生產(chǎn)換熱器管或換熱器板的方法，其中提供開(kāi)孔碳化硅網(wǎng)絡(luò)，所述碳化硅網(wǎng)絡(luò)的孔用酚醛樹(shù)脂浸潰，并且將所述酚醛樹(shù)脂固化。
8.如權(quán)利要求7所述的方法，該方法還包括其中在將所述酚醛樹(shù)脂固化后在所述換熱器管或換熱器板周?chē)辽侃`種碳纖維的步驟。
9.根據(jù)權(quán)利要求7或8所述的方法，其特征在于所述碳化硅包含至少ー種礦物填料。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種包含開(kāi)孔碳化硅的浸漬體，所述開(kāi)孔碳化硅至少部分用樹(shù)脂浸漬。本發(fā)明還涉及一種生產(chǎn)浸漬體的方法，該方法包括如下步驟a)提供開(kāi)孔碳化硅，b)用樹(shù)脂至少部分地浸漬所述開(kāi)孔碳化硅和c)將所述樹(shù)脂固化。本發(fā)明還涉及本發(fā)明的浸漬體作為換熱器中的管的用途。
文檔編號(hào)C04B41/83GK102695937SQ201080056150
公開(kāi)日2012年9月26日 申請(qǐng)日期2010年11月18日 優(yōu)先權(quán)日2009年12月11日
發(fā)明者奧斯溫·奧廷格, 馬庫(kù)斯·弗蘭茲 申請(qǐng)人:西格里碳素歐洲公司