Способ получения гибкого графитового полотна и гибкое графитовое полотно

Изобретение относится к производству графитовых материалов, а именно к способам получения гибкого полотна увеличенной ширины из терморасширенного графита (ТРГ), и может быть использовано в качестве герметичного разделительного слоя в футеровке ванн электролиза при производстве алюминия. Способ включает предварительное формирование лент из ТРГ с плотностью от 0,5 до 1,2 г/см³, укладку лент с нахлестом с перекрытием краев и последующую обработку области перекрытия давлением. Ленты укладывают с образованием перекрытия в виде нахлеста шириной 5-100 мм. Обработку области перекрытия проводят давлением 20-200 МПа для образования шва с увеличенной на 30-100% плотностью ТРГ графита. Конечная плотность соединяемого шва составляет 0,8 до 1,8 г/см³. Технический результат - создание сплошного, гибкого и прочного графитового полотна увеличенной ширины с обеспечением однородности свойств всего графитового полотна на уровне свойств исходного графита. 2 н. и 4 з.п. ф-лы.

 

Заявляемое изобретение относится к производству графитовых материалов, а именно к способам получения гибкого полотна увеличенной ширины из терморасширенного графита (ТРГ). Такое полотно может быть использовано в качестве герметичного разделительного слоя в футеровке ванн электролиза при производстве алюминия.

Аналогом заявляемого изобретения является способ получения ленты из расширенного графита путем прокатки порошка расширенного графита между двумя транспортерными лентами в пористый газопроницаемый мат и последующей прокатке в гибкую ленту - фольгу заданной плотности и толщины [патент РФ №2148568, С04В 35/536, 2000].

Основным недостатком данного способа является ограничение по ширине ленты, связанное с существенным увеличением массо-габаритных характеристик прокатного оборудования, требуемого для изготовления ленты увеличенной ширины.

Создание более габаритных изделий из нескольких исходных листовых или рулонных заготовок полученных из порошка расширенного графита различными способами, аналогичными вышеназванному, широко применяется в промышленности. Однако известные варианты соединения исходных листов и лент направлены на увеличение толщины графита.

При производстве листовых армированных материалов ТРГ применяется способ соединения двух и более слоев графитовой ленты перфорированной нержавеющей фольгой, где скрепление графита осуществляется за счет механического внедрения большого количества равномерно распределенных с разных сторон металлического листа заусенок [ТУ 5728-004-93978201-2007]. Такой способ соединения листовых материалов из графита возможен при условии, когда высота металлических заусенок меньше толщины соединяемых листов графита. В противном случае заусенки проткнут графит и материал станет проницаем. При этом химическая стойкость металла может быть хуже, чем у графита. Поэтому данный способ соединения графитовых лент для создания полотна большой ширины не приемлем.

При производстве листовых материалов также применяется метод склеивания (патент US 3494382). Этим методом сплошное графитовое полотно увеличенной ширины может быть получено с помощью склеивания внахлест нескольких параллельно расположенных лент графитовой фольги исходной ширины. Для склеивания могут использоваться различные клеевые составы, не снижающие гибкость графитовой фольги.

Однако, как правило, такие клеевые составы имеют весьма низкую температуру применения, а более термостойкие клеи после полимеризации становятся твердыми и хрупкими. Кроме этого клей может быть химически менее стойким, чем материал полотна. Таким образом обеспечить герметичность склеенного шва в графитовом полотне при совокупном воздействии повышенной температуры и химически активной среды невозможно.

Наиболее близким к заявляемому является способ получения гибкого графитового полотна, раскрытый в патенте RU 2429211 С1, опубл. 20.09.2011, который включает формирование первой ленты из ТРГ, покрытие ее по всей ширине наполнителем с пленочным клеем, формирование на полученной заготовке второй ленты из ТРГ путем нанесения ТРГ-пуха после расплавления клеевого состава и последующей обработки собранных лент давлением.

Существенный признак наиболее близкого аналога «обработка давлением» совпадает с существенным признаком заявляемого изобретения. Этим способом можно получить прочное гибкое соединение работоспособное до 250°С. Данный способ принят нами за прототип.

В прототипе ленты из ТРГ формируются между транспортерными лентами, поэтому получаемые ленты могут иметь ширину не больше ширины транспортерной ленты. В настоящее время в промышленности используются прокатные линии с шириной транспортерных лент до 1,5-2 метров, при этом дальнейшее увеличение ширины экономически не целесообразно, так как ведет к резкому увеличению массы и габаритов прокатного оборудования.

Кроме ограниченной ширины, к числу недостатков получаемого графитого полотна следует отнести низкую температуру эксплуатации, обусловленную наличием клея, при выгорании которого соединение графитовых лент перестает быть герметичным.

Задачей, на решение которой направлено заявляемое изобретение, является создание сплошного, гибкого и прочного графитового полотна шириной три, четыре и более метров и длиной до 100 метров, собранного из нескольких лент, с обеспечением однородности свойств всего графитового полотна на уровне свойств исходного графита, в том числе по термостойкости при температурах до 500°С на воздухе и до 2000°С в инертной среде, химической стойкости, прочности, гибкости и проницаемости.

Указанный технический результат достигается тем, что в способе получения гибкого графитового полотна, включающем формирование лент из ТРГ, укладку лент с перекрытием и последующую обработку области перекрытия давлением, согласно изобретению, предварительно отдельно формируют каждую из графитовых лент с плотностью от 0,5 до 1,2 г/см³, ленты укладывают с образованием перекрытия в виде нахлеста шириной 5-100 мм, а обработку области перекрытия проводят давлением 20-200 МПа для образования шва с увеличенной на 30-100% плотностью ТРГ графита и получением конечной плотности соединяемого шва от 0,8 до 1,8 г/см³.

Ограничение по нижнему пределу плотности предварительно формируемых (исходных) лент ниже 0,5 г/см³ связано со значительным снижением прочности получаемой графитовой фольги, не позволяющей в дальнейшем монтировать графитовое полотно.

Превышение плотности исходных лент выше 1,2 г/см³ приводит к уменьшению прочности получаемого шва ниже прочности исходных графитовых лент.

Ограничение по нижнему пределу плотности шва связано с уменьшением его прочности ниже прочности исходных графитовых лент.

Ограничение по верхнему пределу плотности шва связано с необоснованно высокими усилиями обжатия.

Существенными отличительными от наиболее близкого аналога признаками является бесклеевое соединение графитовых лент, значительная разница в начальной и конечной плотности обрабатываемого материала и обработка давление только области перекрытия лент.

Предлагаемый способ позволяет получить новое гибкое графитовое полотно, включающее соединенные между собой ленты из ТРГ, которое отличается тем, что ленты из ТРГ выполнены с плотностью от 0,5 до 1,2 г/см³ и соединены друг с другом посредством давления прилагаемого к области перекрытия с образованием стыковочного шва, имеющего ширину, равную 5-100 мм, и плотность от 0,8 до 1,8 г/см³.

Однородность, целостность и прочность соединения достигается за счет механического сцепления и когезии огромного количества объемно расширенных частиц графита под воздействием давления.

Для формирования качественного шва величина нахлеста при укладке лент должна варьироваться в пределах от 5 до 100 мм.

Нижний предел величины нахлеста обусловлен точностью позиционирования и недостаточной прочностью шва.

Верхний предел величины нахлеста обусловлен нерациональным уменьшением ширины получаемого полотна и необоснованно высокими усилиями обжатия.

Для распределения разрывной и изгибающей нагрузки, возникающей при монтаже полотна, шов может быть выполнен зигзагообразной или волновой формы для чего смежным краям соединяемых лент придается требуемая форма путем предварительной обрезки.

Способ реализуется следующим образом.

Например, ТРГ графит предварительно формуется между двумя транспортерными лентами и раскатывается в графитовую ленту шириной 1,5 метра и плотностью в пределах 0,5 до 1,2 г/см³. Затем две полученных указанным способом ленты размещают на поверхности рядом друг с другом с образованием по длинной стороне нахлеста 5-100 мм. Полученную сборку пропускают через устройство, с помощью которого уплотняют только область перекрытия лент за счет воздействия на нее давления в интервале 20-200 МПа с тем, чтобы получить шов, имеющий плотность 0,8 до 1,8 г/см³ в зависимости от начальной плотности. К полученной состыкованной полосе полотна для увеличения ширины может быть аналогичным образом присоединена одна или несколько дополнительных лент.

Таким образом, предлагаемый способ отличается технологичностью и позволяет получить качественное полотно увеличенной ширины из ТРГ со свойствами, аналогичными свойствам исходных графитовых лент.

1. Способ получения гибкого графитового полотна, включающий формирование лент из терморасширенного графита (ТРГ), укладку лент с перекрытием и последующую обработку области перекрытия давлением, отличающийся тем, что ленты из ТРГ формируют предварительно с плотностью от 0,5 до 1,2 г/см³, ленты укладывают с образованием перекрытия в виде нахлеста шириной 5-100 мм, а обработку области перекрытия проводят давлением 20-200 МПа для образования шва с увеличенной на 30-100% плотностью ТРГ графита и получением конечной плотности соединяемого шва от 0,8 до 1,8 г/см³.

2. Способ получения гибкого графитового полотна по п. 1, отличающийся тем, что ширину полотна увеличивают посредством присоединения дополнительных лент из ТРГ.

3. Гибкое графитовое полотно, включающее соединенные между собой ленты из ТРГ, отличающееся тем, что ленты из ТРГ выполнены с плотностью от 0,5 до 1,2 г/см³ и соединены друг с другом посредством давления, прилагаемого к области перекрытия с образованием стыковочного шва, имеющего ширину, равную 5-100 мм, и плотность от 0,8 до 1,8 г/см³.

4. Гибкое графитовое полотно по п. 3, отличающееся тем, что плотность стыковочного шва выше плотности исходных графитовых лент на 30-100%.

5. Гибкое графитовое полотно по п. 3, отличающееся тем, что шов выполнен волновой или зигзагообразной формы.

6. Гибкое графитовое полотно по п. 3, отличающееся тем, что оно расширено посредством присоединения дополнительных лент из ТРГ.