CN102939483A - 弹性密封垫片 - Google Patents

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Abstract

一种板式热交换器，所述板式热交换器包括一组板和一组密封垫片，所述一组密封垫片中的每个密封垫片被设置在所述一组板的相邻两个板之间。所述一组密封垫片中的密封垫片包括基体材料、设置在所述基体材料上的碳氟化合物涂层；以及设置在所述基体材料与所述碳氟化合物涂层之间的界面层。所述界面层包括从所述基体材料过渡到所述碳氟化合物涂层的材料梯度。所述碳氟化合物涂层化学结合到所述基体材料。

Description

弹性密封垫片
技术领域
本发明总体涉及一种密封垫片。更具体地，本发明涉及一种在板式热交换器中使用的经处理的密封垫片。
背景技术
通常人们知道板式热交换器在相对小的体积内提供从一种流体到另一种流体的有效热转移。通常，板式热交换器包括叠放在一起或密封在一起的几个板到一百或更多个板。例如，相对小的板式热交换器经常通过铜焊接永久地密封在一起。较大的板式热交换器更通常通过设置在板之间或每对板之间的密封垫片密封在一起。因为密封垫片围绕每个板的周边设置，并且因为板的数量，所以板式热交换器经常具有总长度在100米(m)至5千米(km)之间的密封垫片材料。一般来讲，渗漏是不可接受的。因此，用于板式热交换器的密封垫片必须是可靠的并且是以高精度制造的。
板式热交换器被配置为耐受宽范围内的多种流体并且可在几种不同的应用中使用。在板式热交换器中使用的流体的实例包括水、氨水、植物油、原油及其多种馏分、强酸及强碱等。板式热交换器具体应用的实例包括高温/高压蒸汽的冷凝、在碳氢化合物润滑剂存在下卤烃的蒸发、冷却硫酸、加热氢氧化纳溶液等。
一般来讲，密封垫片材料的有利的材料特征包括高的弹性度(例如，大于100％)以与任何不规则体相配合并形成密封。然而，由于板式热交换器可能暴露于相对高的压力下(例如：0.1千克每平方厘米(kg/cm2)至10kg/cm2或更高)，密封垫片材料不能太软，并且暴露于板式热交换器内的流体和/或暴露于诸如氧、臭氧、阳光等环境因素，密封垫片响应于热量变得太软也是不利的。不幸地是，抗化学老化且足够有弹性以形成充分密封的材料通常非常昂贵。
因此，需要提供一种至少在一定程度上能克服前述缺点的成本较低的用于板式热交换器的密封垫片材料。
发明内容
通过本发明在很大程度上满足了上述需求，其中，在一些实施方式中，提供了至少在一定程度上能克服前述缺点的成本较低的用于板式热交换器的密封垫片材料。
本发明的一个实施方式关于一种板式热交换器。所述板式热交换器包括一组板和一组密封垫片，所述一组密封垫片中的每一个密封垫片被设置在所述一组板的相邻两个板之间。所述一组密封垫片中的密封垫片包括基体材料、设置在所述基体材料上的碳氟化合物涂层；以及设置在所述基体材料与所述碳氟化合物涂层之间的界面层。所述界面层包括从所述基体材料过渡到所述碳氟化合物涂层的材料梯度。所述碳氟化合物涂层化学结合到所述基体材料。
本发明的另一实施方式涉及一种制造用于板式热交换器的密封垫片的方法。在该方法中，密封垫片芯被清洗、加热和涂布。所述密封垫片芯包括基体材料。涂层包括含碳氢化合物的液态混合物。该液态碳氢化合物混合物渗入(pemeate)所述密封垫片芯的外表面并且产生设置在所述基体材料与所述液态碳氢化合物混合物之间的界面层。所述界面层包括从所述基体材料过渡到所述液态碳氢化合物混合物的材料梯度。所述液态碳氢化合物混合物被固化成与所述基体材料化学结合的弹性涂层。
为了本文详细的描述可被更好地理解，并且为了对本领域的当前的贡献可被更好的领会，由此已经相当广泛地列出了本发明的特定实施方式。当然，还有将在下面描述的本发明的另外的实施方式，并且这些将形成本文所附权利要求的主题。
在这方面，在详细解释本发明的至少一个实施方式前，应当明白本发明在它的应用中不限于下面描述中列出的和附图中示例的构造的细节和组件的排列。除那些描述的外，本发明能具体化并且能以多种方式实践和实施。此外，应当明白本文中还有摘要中的用语和术语是为了描述的目的而不应视为限制。
因此，本领域内技术人员将领会本公开所基于的概念可容易地用作用于实施本发明的几个目的的其他结构、方法和系统的设计的基础。因此，重要的是权利要求被视为包括那些等同的构造，只要它们不背离本发明的精神和范围。
附图说明
图1是适合与根据本发明实施方式的密封垫片一起使用的简化的板式热交换器的分解图。
图2是适合与根据本发明实施方式的密封垫片一起使用的板式热交换器的侧视图。
图3是根据图1的实施方式的设置在两个热交换板之间的密封垫片的截面图。
图4是根据图1的实施方式的密封垫片的外部的放大图。
具体实施方式
现在将参考附图描述本发明，其中全文中类似的附图标记指代类似的部件。根据本发明的实施方式提供一种抗由暴露于化学物质、温度极限、紫外光线等而导致的老化的改进的密封垫片。该改进的密封垫片进一步能提供优异的密封特性并且高度地抗材料疲劳。此外，与传统的密封垫片相比，与生产该改进的密封垫片相关的材料和劳力相关的费用大大降低。总之，本发明的密封垫片的实施方式的表现如果不比传统的密封垫片更好，至少与传统的密封垫片一样好，并且比传统的密封垫片相对更便宜。
本发明的另一实施方式提供一种适合与改进的密封垫片一起使用的板式热交换器。现在参考图1，示例了总体表示为10的一种板式热交换器的分解图。如图1所示，板式热交换器10包括多个设置在板式热交换器10的各个板之间的密封垫片12。在所示出的实例中，板式热交换器10包括从动件14和前部16以及热交换板18。组装时，第一流体可通过第一注入口20被引入到板式热交换器10。作为热交换板18和密封垫片12排列的结果，第一流体被配置为穿越第一流动路径22并且通过第一出口24流出板式热交换器10。此外，第二流体可通过第二注入口26被引入到板式热交换器10。作为热交换板18和密封垫片12排列的结果，第二流体被配置为穿越第二流动路径28并且通过第二出口30流出板式热交换器10。众所周知，热交换板18可包括金属或其他此类的热导材料。由于能提供用于热交换的相对大的表面积，板式热交换器10的效率可超过90％。
然而，减少或消除两种流体的交混通常是重要的。例如，第一流体可以是诸如牛奶等食品，而第二流体可包括没有批准能被人体摄取的乙二醇或其他抗冻剂和/或防垢剂。如果发生两种流体的任何混合，可能导致产品的巨大损失或导致更糟糕的后果。因为密封垫片12存在最大的渗漏的可能性，所以密封垫片12可包括几个特征以降低上述风险。例如，密封垫片12可包括在密封垫片12类型结构内的密封垫片32。
虽然图1中所示的板式热交换器10示例了具有一个热交换板18和两个密封垫片12，本发明的多种实施方式不限于这种方式，而可包括任何合适数量的热交换板18和密封垫片12。例如，如图2中所示，板式热交换器10可包括数十或数百个热交换板18和密封垫片12。为了使热交换板18和密封垫片12保持对齐，板式热交换器10可包括上支撑柱40和下支撑柱42。
为了在热交换板18之间压紧密封垫片12，板式热交换器10可包括被配置为分别与螺母48和50配对的螺纹系杆44和46。螺母48和50相对于从动件14被定位(capture)。驱动机构54被配置为使螺纹系杆44和46转动，通过螺母48和50沿螺纹系杆44和46的移动，从动件14被推向前部16。驱动机构54可被设置在外壳56内。虽然驱动机构54可包括任何合适的能将从动件14推向前部16的装置，特别合适的驱动机构描述在US专利6899163中，名为“PlateHeat Exchanger and Method for Using the Same”，该专利公开的内容在此通过参考的方式全文并入。
图3是设置在热交换板18的组件(表示为热交换板18A和18B)中的一对密封垫片12(表示为密封垫片12A和12B)的截面图3-3。密封垫片12A以未被压紧的状态设置在热交换板18A的密封垫片通道内，而示出的密封垫片12B以被压紧的状态设置在热交换板18A和18B之间。如图3中所示，用足够的力量压紧密封垫片12B，以使密封垫片12B沿热交换板18A和18B的表面与任何不规则体相配合并且沿密封垫片/板的界面60形成密封。为了沿几十米或几十千米的密封垫片/板的界面60形成实质上的流体紧密密封，密封垫片12B承受足够的压力以迫使密封垫片12B如箭头62所示向外突出。这种突出可能负面地影响传统密封垫片的结构的完整性。例如，该突出可能导致外表面或涂层裂开或破裂。此外，密封垫片可能承受导致外表面或涂层从芯部分脱层的切应力。本发明的各种实施方式的优点是密封垫片12B被配置为耐受这些不利的力量并保持结构的完整性。
在各种实施方式中，热交换板18A和18B的组件可被焊接到一起或可被单独地组装在一起。在这点上，为了公开的目的，术语“热交换板”包括单个热交换板和热交换板的组件。热交换板的组件可以预组装单元包括任何合适数量的热交换板。在各种实例中，这些预组装的热交换板可被焊接在一起或用其他方式紧固在一起。
图4是截面图3-3的放大图。如图4中所示，密封垫片12包括芯材料66、涂层68以及界面层70。根据本发明的实施方式，界面层70通过渗入(permeation)或嫁接(grafting)产生，并且将涂层68化学结合到芯材料66上。这种嫁接特别产生从型芯材料66到涂层68的浓度梯度。该浓度梯度设置在界面层70内，并将界面层70限定为具有比传统获得的厚度相对更厚的厚度，并且不具有与粘附层相关的缺点。更具体地，界面层70是大约0.7密耳至大约1.0密耳厚(0.0178～0.0254毫米)。
本发明的实施方式的优点是该界面层70降低了芯材料66与涂层68之间的边界处的切应力。例如，切应力通常由公式τ＝F/A表示，其中τ是切应力，F是施加的力，及A是截面面积。在传统涂布的密封垫片中，在涂层与型芯材料之间的界面处的截面面积比界面层70相对较小，由此，在传统涂布的密封垫片中经受的切应力比由密封垫片12经受的切应力大。通常，在板式热交换器中使用的密封垫片在两个阶段(point)承受这些类型的高切应力。如上所述，第一阶段发生在挤压密封垫片的过程中。第二阶段发生在去挤压过程中。在这点上，周期性地拆卸板式热交换器以进行维护。在拆卸过程中，密封垫片被去挤压。如果芯材料比涂层更快地恢复到它的起始形状，则芯材料与涂层之间的界面可能经受大的切应力。相对于密封垫片12，传统涂布的密封垫片中的脱层进一步恶化，至少因为传统涂布的密封垫片的基体材料与涂层之间的键强度比密封垫片12中存在的化学键相对更弱。为了产生这种化学成键，制备了芯材料66的表面并且涂层与该制备的表面交联。
方法和结果
实施例1：用碳氟化合物涂层涂布三元乙丙橡胶(EPDM)和丁腈橡胶(NBR)密封垫片芯材料的方法
碳氟化合物混合物的氟含量(fluoric content)约为71％。通常，氟含量可包括任何合适的碳氟化合物，例如，聚四氟乙烯(PTFE)、全氟烷氧基(PFA)、氟化乙丙烯(FEP)(为六氟丙烯和四氟乙烯的共聚物)、聚乙烯四氟乙烯(ETFE)、聚氟乙烯(PVF)、聚乙烯三氟氯乙烯(ECTFE)、聚偏二氟乙烯(PVDF)、聚三氟氯乙烯(PCTFE)、全氟聚醚(PFPE)、六氟丙烯(HFP)的聚合物、四氟乙烯(TFE)等。除上述碳氟化合物外，碳氟化合物混合物还包括：
1.氧化镁
2.霞石正长岩
3.醋酸叔丁酯是溶剂
4.甲基异丁基酮(MIBK，methyl isobutyl ketane)
5.炭黑。
可选地加入氧化镁。通常，诸如金属氧化物等化合物在含氟弹性体聚合物中通过起酸接受体的作用来加速固化并且增加交联密度。因此，氧化镁可并入到含氟弹性体组合物中。氧化镁或其他此类的金属氧化物可以以含氟弹性体组分的大约5wt％至大约30wt％的比例并入到组合物中。用于本发明的组合物中的优选金属氧化物包括氧化镁、氧化锌、氧化铅及氢氧化钙。霞石正长岩是用于增加粘度的溶剂吸收力低(LSA)的填料。醋酸叔丁酯是溶剂。甲基异丁基酮(MIBK)是溶剂。炭黑是增加粘度的填料。用于帮助提供交联的催化剂组合物如下：
1.乙醇
2.甲醇
3.开他敏(ketamine)。
碳氟化合物涂层混合物以如下方式应用于芯材料。
1.将EPDM密封垫片芯加热至90°F(32.2℃)并且在超声波浴中用异丙醇清洗。
2.将EPDM密封垫片芯在100°F(37.8℃)下干燥5～7分钟。
3.将EPDM密封垫片芯置于100°F(37.8℃)温度下20分钟。
4.将EPDM密封垫片芯放置在支架中悬挂，并且能接近EPDM密封垫片芯的所有侧边。
5.将EPDM密封垫片芯放置在受控环境中，其中相对湿度和气流以及温度在涂布碳氟化合物之前都已安排合适。
6.EPDM密封垫片芯被涂布(喷涂)有约4密耳(0.1016毫米)厚的碳氟化合物混合物的层。
7.测量上述涂层的厚度。
8.在200～225°F(93.3～107.2℃)下，将碳氟化合物混合物固化到EPDM密封垫片芯上20分钟。
9.在150°F(65.6℃)下，碳氟化合物混合物再固化延长的10小时时间以将碳氟化合物混合物交联到EPDM密封垫片芯上。
10.进行磨损试验以量化键的强度。
结果
碳氟化合物的整体技术性质如下：
1.粘度(cps)：                  2000
2.固体Wt(％)：                 30
3.密度(lb/gal)：               8.5
4.比重(SP gravity)(水＝1)：    1.02
5.抗张强度(psi)：              1000
6.延伸率(％)：                 250
使用诸如具有高动物脂肪的乳制品等极限流体的其他实验也是令人鼓舞的。制备了板式热交换器并且用处于高温并且干燥的蒸汽测试。结果描述在本文的表格形式中。通常，未经处理的密封垫片表现出因为氧气侵袭的明显的老化。然而，经处理的弹性体表现出惊人的好结果。
实施例2：产生用于EPDM和NBR密封垫片芯材料的碳氟化合物涂层的配方以及涂布EPDM密封垫片芯材料的方法
碳氟化合物混合物包括：
1.三乙胺                                      0.350％
2.硫化镉/硫化硒                               3.45％
3.硫化硒                                      1.5％
4.聚四氟乙烯                                  3.75％
5.硫酸钡                                      0.56％
6.异丙醇                                      15.35％
7.N-甲基吡咯烷酮(NMP)是偶极非质子性溶剂       4.3％
8.去离子水(余量)                              70.74％。
聚四氟乙烯用作碳氟化合物。N-甲基吡咯烷酮(NMP)是偶极非质子性溶剂。将碳氟化合物涂层混合物以下列方式涂布到芯材料上。
1.去油污
2.碱洗或热的次氯酸钠清洗
3.等离子体处理
4.在250°F(121℃)下第一次涂布10分钟
5.干燥15～20分钟并使冷却至能触摸(大约40℃)
6.在250°F(121℃)下第二次涂布10分钟
7.在350°F(176.7℃)下第三次涂布10分钟。
结果
碳氟化合物的整体技术性质如下：
1.粘度：                       15～25秒，在77°F(25℃)下用蔡恩杯2#杯测得
2.密度(lb/gal)：               9.4～9.8
3.比重(水＝1)：                1.10
4.挥发性有机化合物(VOC)：      2.53lb/gal
5.固体百分比：                 28.5～32.5wt％
6.延伸率(％)：                 ＞100。
实施例3：产生用于EPDM和NBR密封垫片芯材料的碳氟化合物涂层的配方以及涂布EPDM密封垫片芯材料的方法
碳氟化合物混合物包括：
1.γ-丁内酯(GBL)               0.15～2.5％
2.N-甲基吡咯烷酮(NMP)          17.37％
3.溶剂石脑油(重)               5.84％
4.萘(napthalene)               2.12％
5.氟化乙丙烯                   4.3％
6.国际颜色索引(C.I.)颜料蓝28   2.67％
7.去离子水(余量)               67.55～65.2％。
氟化乙丙烯用作碳氟化合物。γ-丁内酯(GBL)是溶剂。N-甲基吡咯烷酮(NMP)是偶极非质子性溶剂。将碳氟化合物涂层混合物以下列方式涂布到芯材料上。
1.等离子体处理
2.从基底除去残屑
3.用MEK/丙酮清洗
4.在基底上喷涂至大约0.5密耳(0.0127毫米)厚度的第一次涂布
5.在200～400°F(93.3～204.4℃)下干燥15～20分钟
6.冷却至能触摸(大约40℃)
7.在基底上喷涂至大约0.5密耳(0.0127毫米)厚度的第二次涂布
8.在200～400°F(93.3～204.4℃)下干燥15～20分钟
9.在400°F(204.4℃)下闪蒸出溶剂10分钟
10.在750°F(399℃)下固化10分钟。
大约0.8～1.0密耳(0.0203～0.0254毫米)的厚度被涂布于芯材料上。
结果
碳氟化合物的整体技术性质如下：
1.粘度：                   35～45秒，在77°F(25℃)下用蔡恩杯3#杯测得
2.密度(lb/gal)：           9.5
4.挥发性有机化合物(VOC)：  6.90lb/gal
5.固体百分比：             29.40wt％
6.闪点：                   149°F(65℃)
6.延伸率(％)：             ＞100。
表1：在环境温度下的ASTM#3试验
Figure BDA00002521904900101
表2：键强度试验
Figure BDA00002521904900111
被涂布的密封垫片被刮擦和带测试(应用和除去粘附带)以测试涂层破坏。
表3：加热的、加压的板式热交换器中的测试
天数 温度(℃) 压力psi(kgf/cm2) 渗漏/不渗漏
0 152 53(3.73) 不渗漏
1 153 50(3.52) 不渗漏
2 150 50(3.52) 不渗漏
3 154 52(3.66) 不渗漏
4 152 53(3.73) 不渗漏
5 156 53(3.73) 不渗漏
6 150 52(3.66) 不渗漏
7 154 50(3.52) 不渗漏
8 150 53(3.73) 不渗漏
9 158 52(3.66) 不渗漏
10 156 52(3.66) 不渗漏
11 152 53(3.73) 不渗漏
12 158 52(3.66) 不渗漏
13 160 52(3.66) 不渗漏
表4：将密封垫片样品(每种5个)安装到加热的、加压的板式热交换器中，并置于150～160℃下13天，测试硬度(国际硬度“IRHD”级别的硬度)
样品材料 描述 硬度 评述
1 EPDM(过氧化物) 未经处理 75、77、78、79、79 有点僵硬/硬
2 EPDM(树脂) 未经处理 78、77、79、77、78 好
3 EPDM(过氧化物) 用EX1处理 76.5、77、78、77、77.5 易弯曲且平滑
4 EPDM(树脂) 用EX1处理 77、76.5、79、76.5、76 不僵硬-易弯曲
5 NBR(过氧化物) 未经处理 79.5、79、78.5、80 稍微僵硬/硬
6 NBR(过氧化物) 用EX1处理 77、77.5、79、78、77 平滑且易弯曲
7 EPDM(过氧化物) PTFE涂布 79、79.5、79、78.5 涂层剥离
8 EPDM(树脂) PTFE涂布 79、78.5、80、79、78.5 涂层剥离
如上述表1至4中所示，与未经处理的密封垫片和传统的PTFE涂布的密封垫片相比，根据本发明实施方式的经涂布的密封垫片表现出显著改进的性能。
本发明的许多特征和优点在详细的说明书中是明显的，由此，将通过所附权利要求来涵盖落入本发明的真实精神和范围内的本发明的所有这些特征和优点。进一步，因为对于本领域技术人员容易进行很多的修改和变型，所以不期望将本发明限制为示例的和描述的确切的构造和操作，因此，可采用的所有合适的修改和等价替换都落于本发明的范围内。

Claims (20)

1.一种板式热交换器，所述板式热交换器包括：
一组板；
一组密封垫片，所述一组密封垫片中的每一个密封垫片被设置在所述一组板的相邻两个板之间，所述一组密封垫片中的密封垫片包括：
基体材料；
设置在所述基体材料上的碳氟化合物涂层；以及
设置在所述基体材料与所述碳氟化合物涂层之间的界面层，所述界面层包括从所述基体材料过渡到所述碳氟化合物涂层的材料梯度，其中，所述碳氟化合物涂层化学结合到所述基体材料。
2.根据权利要求1所述的板式热交换器，其中，所述碳氟化合物涂层是大约4密耳(0.1mm)厚。
3.根据权利要求1所述的板式热交换器，其中，所述碳氟化合物涂层具有大约60wt％至大约75wt％的氟含量。
4.根据权利要求1所述的板式热交换器，其中，所述碳氟化合物涂层包括：
含氟聚合物；
氧化镁；
霞石正长岩；
醋酸叔丁酯；
甲基异丁基酮(MIBK)；以及
炭黑。
5.根据权利要求4所述的板式热交换器，其中，所述碳氟化合物涂层进一步包括：
乙醇；
甲醇；以及
开他敏。
6.根据权利要求1所述的板式热交换器，其中，所述基体材料包括三元乙丙橡胶(EPDM)过氧化物。
7.根据权利要求1所述的板式热交换器，其中，所述基体材料包括三元乙丙橡胶(EPDM)树脂。
8.根据权利要求1所述的板式热交换器，其中，所述基体材料包括丁腈橡胶(NBR)。
9.根据权利要求1所述的板式热交换器，其中，所述碳氟化合物涂层包括：
三乙胺；
硫化镉/硫化硒；
硫化硒；
聚四氟乙烯；
硫酸钡；
异丙醇；以及
N-甲基吡咯烷酮(NMP)。
10.根据权利要求1所述的板式热交换器，其中，所述碳氟化合物涂层包括：
γ-丁内酯(GBL)是溶剂；
N-甲基吡咯烷酮(NMP)是偶极非质子性溶剂；
溶剂石脑油；
萘；
氟化乙丙烯；以及
国际颜色索引(C.I.)颜料蓝28。
11.一种生产用于板式热交换器的密封垫片的方法，所述方法包括下列步骤：
清洗密封垫片芯，所述密封垫片芯包括基体材料；
加热所述密封垫片芯；
用液态碳氢化合物混合物涂布所述密封垫片芯，所述液态碳氢化合物混合物渗入所述密封垫片芯的外表面并且产生被设置在所述基体材料与所述液态碳氢化合物混合物之间的界面层，所述界面层包括从所述基体材料过渡到所述液态碳氢化合物混合物的材料梯度；
将所述液态碳氢化合物混合物固化成弹性涂层，其中，所述弹性涂层化学结合到所述基体材料。
12.根据权利要求11所述的方法，所述方法进一步包括：
在超声波浴中用异丙醇清洗所述密封垫片芯。
13.根据权利要求12所述的方法，所述方法进一步包括：
将所述密封垫片芯预加热至90°F(32.2℃)。
14.根据权利要求11所述的方法，所述方法进一步包括：
将所述密封垫片芯预加热至100°F(37.8℃)保持20分钟。
15.根据权利要求11所述的方法，所述方法进一步包括：
在所述密封垫片芯上将所述液态碳氢化合物混合物喷涂为大约4密耳(0.1m)的厚度。
16.根据权利要求11所述的方法，所述方法进一步包括：
在200～225°F(93.3～107.2℃)下，将所述液态碳氢化合物混合物固化20分钟成为弹性涂层。
17.根据权利要求16所述的方法，所述方法进一步包括：
在150°F(65.6℃)下，固化所述弹性涂层10小时。
18.根据权利要求11所述的方法，所述方法进一步包括：
喷涂具有大约60wt％至大约75wt％氟含量的所述液态碳氢化合物混合物。
19.根据权利要求11所述的方法，所述方法进一步包括：
制备所述液态碳氢化合物混合物，所述液态碳氢化合物混合物包括：
含氟聚合物；
氧化镁；
霞石正长岩；
醋酸叔丁酯；
甲基异丁基酮(MIBK)；以及
炭黑。
20.根据权利要求19所述的方法，其中，所述液态碳氢化合物混合物进一步包括：
乙醇；
甲醇；以及
开他敏。
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