Композиционный материал
Изобретение относится к армированной волокнами пластмассовой структуре (композиционным материалам), изделиям, изготовленным из армированной волокнами пластмассовой структуры, описанной в данном изобретении, и использованию таких изделий. Композиционный материал включает армирующие волокна и матрицу, изготовленную из материала матрицы, окружающую указанные волокна, причем материал матрицы содержит фурановую смолу и возможно эпоксидную смолу, а армирующие волокна содержат полифениленсульфид. Композиционный материал применяют в качестве материала для труб, трубок и/или контейнеров, где указанные трубы, трубки и/или контейнеры находятся в контакте со щелочными жидкостями. Композиционный материал обладает устойчивостью к NaOH и другим щелочным жидкостям при температурах более 60°C. 5 н. и 12 з.п. ф-лы, 1 пр.
[0001] Изобретение относится к армированной волокнами пластмассовой структуре (композиционным материалам), изделиям, изготовленным из армированной волокнами пластмассовой структуры, описанной в данном изобретении, и использованию таких изделий.
[0002] Пластмассовые структуры такого сорта представляют собой материалы, которые состоят из армирующих волокон, заключенных в пластмассовой матрице. Их широко применяют в различных областях в виде армированных коротковолокнистым, длинноволокнистым или бесконечно длинным волокнистым наполнителем деталей.
[0003] Подгруппа «армированных стекловолокном пластиков» включает композиционные материалы, изготовленные из пластмассы, такой как полиэфирная смола, эпоксидная смола или полиамид, и стекловолокна. Армированные стекловолокном пластики являются стандартными промышленными материалами. Трубы такого сорта подчиняются стандарту DIN и находятся в продаже.
[0004] В области, в которой применяются щелочные жидкости, для вмещения или для переноса щелочных жидкостей в основном используют армированные стекловолокном пластики. Они обычно снабжены защитным химическим покрытием, в качестве которого применяют термопластичный материал, такой как полипропилен. Защитным химическим покрытием покрывают все поверхности, контактирующие со щелочными жидкостями с целью защиты армированного стекловолокном пластика. Это дополнительное защитное покрытие особенно необходимо, если температуры щелочных жидкостей составляют >40°C, что повышает их коррозионное действие и приводит к негативному воздействию на поверхности и их разрушению.
[0005] При температурах ниже 40°C и низких концентрациях щелочных жидкостей можно обойтись без термопластичного защитного покрытия и вместо него сделать покрытие из самой пластмассовой матрицы.
[0006] Недостатком армированных стекловолокном пластиков, известных в уровне техники, является то, что в случае повреждения защитного химического слоя, незащищенное стекловолокно подвергается прямому химическому воздействию со стороны щелочных жидкостей.
[0007] Стекло обладает высокой химической устойчивостью, но оно не устойчиво к щелочным жидкостям и подвергается сильнейшему негативному воздействию и разрушению щелочными жидкостями. Из-за разрушения армирующих волокон композиционный материал в целом подвергается негативному воздействию, поскольку его механическая стабильность обеспечивается армирующими волокнами. Потеря механической стабильности приводит к разрушению материала, поскольку он более не может сопротивляться давлению и термической нагрузке, которые существуют, например, во время работы промышленной установки.
[0008] Армированная стекловолокном пластиковая труба известна из уровня техники, например из DE 102008033577 А1. Это описание раскрывает, в частности, пластиковую трубу, которая по сравнению с известными в уровне техники, демонстрирует улучшенные свойства в отношении исключения протечек, жесткости, стабильности размеров и истирания. В то же время, стенку трубы формуют с помощью по меньшей мере одного слоя, производимого в центрифуге и/или методом литья в центрифуге, и по меньшей мере одного слоя, производимого методом намотки. Хотя такие трубы демонстрируют улучшенные свойства, они очень дороги в изготовлении.
[0009] Задачей данного изобретения является предоставить альтернативный композиционный материал, в котором как материал матрицы, так и материал волокна устойчивы к щелочным жидкостям при температурах >60°C, снижая таким образом вероятность разрушения, как описано выше. Задачей изобретения также является предоставить соответствующие изделия и применения композиционного материала.
[0010] Данная задача выполняется с помощью композиционного материала, включающего армирующие волокна и матрицу, изготовленную из материала матрицы, окружающую указанные волокна, причем материал матрицы содержит эпоксидную смолу и/или фурановую смолу, а армирующие волокна содержат полифениленсульфид.
[0011] Эпоксидная смола (для краткости обозначаемая ЕР) реагирует с отверждающим агентом, обычно известным как «отвердитель», с образованием термореактивного композиционного материала. Смола ЕР основана на различных составах, причем для использования в данном применении предпочтительна смола на основе бисфенола А или Novolak. Системы отвердителя предпочтительно основаны на аминных системах, причем используются как алифатические, так и ароматические амины. Однако могут также использоваться и ангидридные отвердители.
[0012] В предпочтительном варианте осуществления изобретения композиционный материал дополнительно включает добавки, которые влияют на свойства композиционного материала. Их выбирают из группы стабилизаторов, связывающих агентов и агентов, улучшающих скольжение, которые известны специалистам в данной области техники. Эти модификаторы основаны в основном на алифатических или на ароматических простых глицидиловых эфирах. Но для регулирования свойств используют также и алифатические сложноэфирные эпоксидные смолы или полиэпоксидные смолы. В качестве ускорителей используют имидазольные системы.
[0013] Композиционный материал предпочтительно включает добавки в количестве 0,05-35 весовых процентов. Они могут содержаться в материале матрице и/или в материале волокна. Согласно настоящему изобретению материал матрицы содержит 95-100 весовых процентов смолы и 0-5 весовых процентов добавок. Волокнистый материал предпочтительно содержит 65-100 весовых процентов полифениленсульфида и 0-35 весовых процентов добавок.
[0014] Преимуществом является то, что композиционный материал согласно данному изобретению устойчив к щелочным жидкостям с концентрацией >20%, в частности, указанная жидкость может содержать >20% NaOH. Само собой разумеется, что композиционный материал также демонстрирует устойчивость к другим химикатам.
[0015] Композиционный материал в соответствии с настоящим изобретением обладает устойчивостью к NaOH и другим щелочным жидкостям при температурах >60°C.
[0016] Настоящее изобретение также включает изделия для вмещения и/или переноса щелочных жидкостей, причем указанные изделия включают композиционный материал в соответствии с данным изобретением. Преимущественно, они представляют собой трубы или контейнеры.
[0017] Эти трубки/трубы и контейнеры производят из композиционных материалов, используя способ, известный специалистам в данной области техники. Такие известные способы подробно представляют собой:
- метод намотки: метод намотки объединяет вращательные (намоточная оправка) колебательные (основа) движения, чтобы обеспечить нанесение пропитанных смолой волокон на оправку согласно определенному рисунку намотки. Этот метод можно осуществлять механизированным образом или вручную, используя различные волокнистые структуры, такие, например, как непрерывные элементарные нити, такие как ровинг, изготовленные из рубленых волокон маты, маты со случайной ориентацией волокон, изготовленные из коротких и длинных волокон, тканый или вязаный материал;
- метод оплетки: в методе оплетки армирующие волокна наносят на закрепленный дорн с помощью движущегося оплеточного устройства с вращающейся оплеточной головкой, производя таким образом сходную с тканью структуру на неподвижном дорне, которую затем пропитывают смолой матрицы в последующем процессе;
- метод центрифугирования: в методе центрифугирования сначала вводят волокнистый армирующий агент в виде, например, матов или тканых материалов, или его вводят во вращающуюся пресс-форму в виде рубленого волокна вместе со смолой и любыми добавками через пистолет-распылитель-гибкий питающий рукав. Центробежная сила во время центрифугирования создает полые корпуса с внешними слоями, обогащенными армирующими агентами, и с внутренними химически устойчивыми слоями, обогащенными смолой.
[0018] Композиционный материал согласно данному изобретению в основном используют в качестве материала для труб, трубок и/или контейнеров, где указанные трубы, трубки и/или контейнеры находятся в контакте с щелочными жидкостями. Трубы, трубки и контейнеры также используют для щелочных жидкостей при повышенных температурах >60°C.
[0019] В предпочтительном применении композиционный материал используют в оборудовании для процесса электролиза, в котором производят и/или добавляют щелочные жидкости. Возможные использования - в основном для входов и выходов, а также в реакционных камерах электролизных ячеек.
[0020] Дополнительные возможности для использования композиционного материала согласно данному изобретению перечислены ниже. Они включают, например, оборудование для процесса концентрирования щелочных жидкостей, в котором изменяются концентрации щелочных жидкостей, или оборудование для металлургического процесса экстракции, в котором добавляют и/или используют щелочные жидкости, причем указанный процесс предпочтительно представляет собой экстракцию алюминия из бокситов. Кроме того, изобретение в достаточно общем случае относится к оборудованию для процессов, как известно в этом уровне техники, в которых используют и/или добавляют щелочные жидкости.
[0021] Изобретение подробно описано ниже с помощью варианта осуществления путем примера и содержит исследование устойчивости материалов труб в горячей щелочной жидкости.
[0022] Материалы труб, используемые в эксперименте, представляли собой армированные волокном пластики. Сначала испытывали только чистые основные компоненты. Материалы матрицы представляли собой эпоксидные и виниловые сложноэфирные смолы, а также типы смол, которые изменяются по своей структуре. Различные стеклянные и полимерные волокна, такие как AR (щелочестойкое) стекло, полиамидное волокно и волокна из полифениленсульфида предназначены для использования в качестве волокнистого материала. Образцы для испытаний, изготовленные исключительно из смолы и волокон, были предоставлены коммерческими производителями. Квадратные образцы для испытаний имели ребро длиной 30 мм. Индивидуальные волокна (без смолы) использовали в том виде, в котором они были получены от поставщика.
[0023] Образцы для испытаний и волокна выдерживали в растворе 32%(вес.) NaOH в контейнерах из PFA с закручивающимися крышками в сушильном шкафу в течение 10 дней при 90°C с целью установить исходную устойчивость используемых образцов. После 10 дней температуру повышали до 250°C. При этом водный раствор 32% (вес.) NaOH полностью испарился до сухого 100% NaOH. Все образцы для испытаний таким образом подвергали воздействию NaOH в интервале концентраций от 32% до 100% при температуре вплоть до 250°C.
[0024] Некоторые образцы разрушились вследствие высокой температуры и/или химического воздействия. Однако материалы согласно данному изобретению, т.е. материалы матрицы на основе эпоксидной смолы и фурановой смолы, а также армирующие волокна из полифениленсульфида, выдержали особо жесткие условия эксперимента и, следовательно, полностью выполнили первоначальную задачу.
[0025] Преимущества, создаваемые данным изобретением:
- Композиционный материал с хорошей стойкостью к щелочам
- Композиционный материал, устойчивый к высоким температурам даже в присутствии щелочных жидкостей.
1. Композиционный материал, включающий армирующие волокна и матрицу, изготовленную из материала матрицы, окружающую указанные волокна, в качестве материала для труб, трубок и/или контейнеров, причем материал матрицы содержит фурановую смолу и возможно эпоксидную смолу, а армирующие волокна содержат полифениленсульфид.
2. Композиционный материал по п.1, отличающийся тем, что композиционный материал дополнительно включает в качестве модификаторов добавки, выбранные из группы, состоящей из стабилизаторов, связывающих агентов и агентов, улучшающих скольжение.
3. Композиционный материал по п.2, отличающийся тем, что композиционный материал включает добавки в количестве 0,05-35 вес.%.
4. Композиционный материал по п.2, отличающийся тем, что материал матрицы содержит 95-100 вес.% смолы и 0-5 вес.% добавок.
5. Композиционный материал по п.2, отличающийся тем, что материал армирующих волокон предпочтительно содержит 65-100 вес.% полифениленсульфида и 0-35 вес.% добавок.
6. Композиционный материал по п.1, отличающийся тем, что композиционный материал устойчив к щелочным жидкостям с концентрацией более 20%.
7. Композиционный материал по п.6, отличающийся тем, что композиционный материал устойчив к NaOH с концентрацией более 20%.
8. Композиционный материал по п.1, отличающийся тем, что композиционный материал устойчив к щелочным жидкостям при температурах более 60°С.
9. Изделие для вмещения и/или переноса щелочных жидкостей, причем указанное изделие включает композиционный материал по п.1.
10. Изделие для вмещения и/или переноса щелочных жидкостей по п.9, отличающееся тем, что указанное изделие представляет собой трубу или трубку.
11. Изделие для вмещения и/или переноса щелочных жидкостей по п.9, отличающееся тем, что указанное изделие представляет собой контейнер.
12. Применение композиционного материала по п.1 в качестве материала для труб, трубок и/или контейнеров, где указанные трубы, трубки и/или контейнеры находятся в контакте со щелочными жидкостями.
13. Применение композиционного материала по п.1 в качестве материала для труб, трубок и/или контейнеров, где указанный композиционный материал находится в контакте со щелочными жидкостями при температуре более 60°С.
14. Применение композиционного материала по п.1 в оборудовании для процессов, в которых добавляют и/или используют щелочные жидкости.
15. Применение композиционного материала по п.14, где указанное оборудование представляет собой оборудование для процесса электролиза, в котором производят и/или добавляют щелочные жидкости.
16. Применение композиционного материала по п.14, где указанное оборудование представляет собой оборудование для процесса концентрирования щелочной жидкости, в котором изменяются концентрации щелочных жидкостей.
17. Применение композиционного материала по п.14, где указанное оборудование представляет собой оборудование для металлургического процесса экстракции, в котором добавляют и/или используют щелочные жидкости.
