CN110345250B - 一种耐高温高压的金属包覆平垫片及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种耐高温高压的金属包覆平垫片，包括填充物及包覆在所述填充物外的金属薄板，所述填充物由以下重量份数的原料组成：柔性石墨100份、单宁酸3～7份、丙烯酸甲酯0.5～1份、复合纤维3.5～15份、聚偏氟乙烯1.5～5份和复合笼型倍半硅氧烷6～15份。本发明通过含有离子液体的笼型倍半硅氧烷进行复合纤维的改性处理，协同笼型倍半硅氧烷接枝改性的聚偏氟乙烯和柔性石墨的作用，使制备得到的金属包覆平垫片具有耐高温高压性能，同时，还具有抗氧化和耐腐蚀等优良性能。本发明还公开了一种耐高温高压的金属包覆平垫片的制备方法。
Description
技术领域
本发明涉及密封垫片的技术领域，尤其涉及一种耐高温高压的金属包覆平垫片及其制备方法。
背景技术
密封垫片被广泛应用于现有石油化工、冶金、核能等工业生产的压力容器及管道上的螺栓法兰连接处，高温高压的工况环境对密封垫片的密封性能和可靠性有较高的要求，这些密封垫片的密封处出现泄漏，不仅费资源、污染环境，严重的还会发生燃烧爆炸，造成人员伤亡，给企业带来巨大的损失。
影响法兰高温高压密封性能的主要原因就是垫片的热力学性能不稳定，即不同垫片的性能随温度压力变化较大，导致密封泄漏。因此，设计具有优异密封性能和耐高温性能的密封垫片对于螺栓法兰连接的稳定使用极为重要。
鉴于此，亟需改进开发一种耐高温高压的金属包覆平垫片，使其具有更长的使用寿命，更好的保证设备正常运转，避免造成工厂车间正常生产秩序的停滞，进而避免造成严重的经济损失和人身危害。
发明内容
鉴于以上现有技术的不足之处，本发明要解决的技术问题就是针对现有金属包覆平垫片其耐高温高压、耐腐蚀和抗氧化性能差的不足，及使用寿命短的问题，提供一种耐高温高压的金属包覆平垫片及其制备方法，即提高了金属包覆平垫片耐高温高压、耐腐蚀和抗氧化性能等性能，同时使其具有稳定的性能，长使用寿命和可多次重复使用等诸多优势，更加利于大规模推广应用。
为达到以上目的，本发明采用的技术方案为：
一种耐高温高压的金属包覆平垫片，包括填充物及包覆在所述填充物外的金属薄板，所述填充物由以下重量份数的原料组成：柔性石墨100份、单宁酸3～7份、丙烯酸甲酯0.5～1份、复合纤维3.5～15份、聚偏氟乙烯1.5～5份和复合笼型倍半硅氧烷6～15份。
本发明首先利用水解反应制备八氯丙基POSS，并将其与N～烷基叔胺反应实现离子化，然后利用含有不同阴离子的盐(如四氟硼酸钠、六氟磷酸钾、双三氟甲基磺酰亚胺锂等)进行离子交换得到不同阴离子的POSS微球，实现POSS与离子液体的协同阻燃。
优选的，所述复合笼型倍半硅氧烷由质量比1：1的八乙烯基笼型倍半硅氧烷和含有离子液体的八苯基笼型倍半硅氧烷组成。
优选的，所述八乙烯基笼型倍半硅氧烷的8个顶角的取代基均为乙烯基，所述八苯基笼型倍半硅氧烷的8个顶角的取代基均为4-(氯甲基)苯基。
本发明通过碳化硅纤维和陶瓷纤维的改性处理，结合所添加的柔性石墨，使制备得到的平垫片具有较好的耐高温高压特性；同时，通过八乙烯基笼型倍半硅氧烷进行聚偏氟乙烯的接枝改性处理，提高了无机相和有机相间结合力，消除了无机粒子的团聚和两相界面结合力弱的问题，从而增加了平垫片的使用温度和压力；另外，采用离子液体使八苯基笼型倍半硅氧烷进行离子化处理，得到含有离子液体的笼型倍半硅氧烷，通过离子液体和八苯基笼型倍半硅氧烷的协同作用，进一步提高了平垫片的使用温度，使其具有更好的抗氧化和耐腐蚀性能。
优选的，所述含有离子液体的八苯基笼型倍半硅氧烷，通过以下方法制备得到：
S1：向反应釜中加入甲醇，在磁力搅拌的条件下加入4-(氯甲基)苯基三甲氧基硅烷、盐酸；
S2：在80℃的温度条件下加热冷凝回流反应24h；
S3：反应结束后再加入四氢呋喃进行重结晶；
S4：采用甲醇清洗，50℃真空干燥24h，得到所述八苯基笼型倍半硅氧烷；
S5：将步骤S4得到的八苯基笼型倍半硅氧烷加入由四氟硼酸铵、1-(3-氯苯基)-3-甲基-哌嗪和甲苯组成的混合溶液中，70℃恒温磁力搅拌反应12h，真空抽滤后得到含有离子液体的八苯基笼型倍半硅氧烷。
优选的，所述甲醇、4-(氯甲基)苯基三甲氧基硅烷和盐酸的体积比为100：3～15：1～10。
优选的，所述四氟硼酸铵和1-(3-氯苯基)-3-甲基-哌嗪与所述八苯基笼型倍半硅氧烷的摩尔比为1.1～1.3：1.1～1.3：1，所述甲苯与八苯基笼型倍半硅氧烷的体积和质量比5～20：1ml/g。
优选的，所述复合纤维由3～12份碳化硅纤维和0.5～3份陶瓷纤维组成。
所述金属薄板的材质选用不锈钢316或316L中的一种。
相应的、一种如上述的耐高温高压的金属包覆平垫片的制备方法，其包括以下步骤：
S1：将复合纤维3.5～15份置于反应釜中，向所述反应釜中通入二氧化碳，加热升压使其保持在超临界状态1～15min，进行溶胀，泄压后，加入复合笼型倍半硅氧烷2～5份，再次通入二氧化碳并加热升压使其保持在超临界状态5～10min，得到改性复合纤维；通过超临界二氧化碳流体的溶胀和渗透作用，使复合笼型倍半硅氧烷更加充分均匀的渗透至复合纤维的内部；
S2：按重量份数计，称取柔性石墨100份、单宁酸3～7份、丙烯酸甲酯0.5～1份、聚偏氟乙烯1.5～5份、复合笼型倍半硅氧烷4～10份和步骤S1得到的改性复合纤维进行高速机械搅拌混合均匀，得到填充物；通过高速机械搅拌后得到的填充物，其中的有机组分和无机组分分布更加均匀，结合更加牢固，从而提高了其耐高温高压的性能；
S3：将冲孔翻边拉毛的金属薄板放置在模具中，然后将步骤S2的填充物铺设在所述金属薄板上，进行压片、滚压包边操作后，得到所述耐高温高压的金属包覆平垫片。
优选的，所述压片条件为操作温度50～60℃、操作压力15～20MPa和压片时间5～10min。
本发明的有益效果：
本发明通过含有离子液体的笼型倍半硅氧烷进行复合纤维的改性处理，协同笼型倍半硅氧烷接枝改性的聚偏氟乙烯和柔性石墨的作用，使制备得到的金属包覆平垫片具有耐高温高压性能，同时，还具有抗氧化和耐腐蚀等优良性能。
通过本发明的制备方法制备得到的金属包覆平垫片，其填充物中各有机和无机组分的化学键结合强度高，性能稳定，使用寿命长，可多次重复使用。
具体实施方式
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。
实施例1
一种耐高温高压的金属包覆平垫片，包括填充物及包覆在所述填充物外的金属薄板，所述填充物由以下重量份数的原料组成：柔性石墨100份、单宁酸3份、丙烯酸甲酯0.5份、复合纤维3.5份、聚偏氟乙烯1.5份和复合笼型倍半硅氧烷6份。
所述复合笼型倍半硅氧烷由质量比1：1的八乙烯基笼型倍半硅氧烷和含有离子液体的八苯基笼型倍半硅氧烷组成。
所述含有离子液体的八苯基笼型倍半硅氧烷，通过以下方法制备得到：
S1：向反应釜中加入甲醇，在磁力搅拌的条件下加入4-(氯甲基)苯基三甲氧基硅烷、盐酸；所述甲醇、4-(氯甲基)苯基三甲氧基硅烷和盐酸的体积比为100：3：2；
S2：在80℃的温度条件下加热冷凝回流反应24h；
S3：反应结束后再加入四氢呋喃进行重结晶；
S4：采用甲醇清洗，50℃真空干燥24h，得到所述八苯基笼型倍半硅氧烷；
S5：将步骤S4得到的八苯基笼型倍半硅氧烷加入由四氟硼酸铵、1-(3-氯苯基)-3-甲基-哌嗪和甲苯组成的混合溶液中，70℃恒温磁力搅拌反应12h，真空抽滤后得到含有离子液体的八苯基笼型倍半硅氧烷。
所述四氟硼酸铵和1-(3-氯苯基)-3-甲基-哌嗪与所述八苯基笼型倍半硅氧烷的摩尔比为1.1：1.1：1，所述甲苯与八苯基笼型倍半硅氧烷的体积和质量比5：1ml/g。
所述复合纤维由1份碳化硅纤维和2.5份陶瓷纤维组成。
所述金属薄板的材质选用不锈钢316。
相应的、一种如上述的耐高温高压的金属包覆平垫片的制备方法，其包括以下步骤：
S1：将复合纤维3.5份置于反应釜中，向所述反应釜中通入二氧化碳，加热升压使其保持在超临界状态2min，进行溶胀，泄压后，加入复合笼型倍半硅氧烷2份，再次通入二氧化碳并加热升压使其保持在超临界状态3min，得到改性复合纤维；
S2：按重量份数计，称取柔性石墨100份、单宁酸3份、丙烯酸甲酯0.5份、聚偏氟乙烯1.5份、复合笼型倍半硅氧烷4份和步骤S1得到的改性复合纤维进行高速机械搅拌混合均匀，得到填充物；
S3：将冲孔翻边拉毛的金属薄板放置在模具中，然后将步骤S2的填充物铺设在所述金属薄板上，进行压片、滚压包边操作后，得到所述耐高温高压的金属包覆平垫片。
所述压片条件为操作温度60℃、操作压力15MPa和压片时间10min。
实施例2
一种耐高温高压的金属包覆平垫片，包括填充物及包覆在所述填充物外的金属薄板，所述填充物由以下重量份数的原料组成：柔性石墨100份、单宁酸5份、丙烯酸甲酯0.8份、复合纤维7.5份、聚偏氟乙烯3份和复合笼型倍半硅氧烷9份。
所述复合笼型倍半硅氧烷由质量比1：1的八乙烯基笼型倍半硅氧烷和含有离子液体的八苯基笼型倍半硅氧烷组成。
所述含有离子液体的八苯基笼型倍半硅氧烷，通过以下方法制备得到：
S1：向反应釜中加入甲醇，在磁力搅拌的条件下加入4-(氯甲基)苯基三甲氧基硅烷、盐酸；所述甲醇、4-(氯甲基)苯基三甲氧基硅烷和盐酸的体积比为100：8：5；
S2：在80℃的温度条件下加热冷凝回流反应24h；
S3：反应结束后再加入四氢呋喃进行重结晶；
S4：采用甲醇清洗，50℃真空干燥24h，得到所述八苯基笼型倍半硅氧烷；
S5：将步骤S4得到的八苯基笼型倍半硅氧烷加入由四氟硼酸铵、1-(3-氯苯基)-3-甲基-哌嗪和甲苯组成的混合溶液中，70℃恒温磁力搅拌反应12h，真空抽滤后得到含有离子液体的八苯基笼型倍半硅氧烷。
所述四氟硼酸铵和1-(3-氯苯基)-3-甲基-哌嗪与所述八苯基笼型倍半硅氧烷的摩尔比为1.2：1.2：1，所述甲苯与八苯基笼型倍半硅氧烷的体积和质量比12：1ml/g。
所述复合纤维由2份碳化硅纤维和5.5份陶瓷纤维组成。
所述金属薄板的材质选用不锈钢316L。
相应的、一种如上述的耐高温高压的金属包覆平垫片的制备方法，其包括以下步骤：
S1：将复合纤维7.5份置于反应釜中，向所述反应釜中通入二氧化碳，加热升压使其保持在超临界状态7min，进行溶胀，泄压后，加入复合笼型倍半硅氧烷3份，再次通入二氧化碳并加热升压使其保持在超临界状态5min，得到改性复合纤维；
S2：按重量份数计，称取柔性石墨100份、单宁酸5份、丙烯酸甲酯0.8份、聚偏氟乙烯3份、复合笼型倍半硅氧烷6份和步骤S1得到的改性复合纤维进行高速机械搅拌混合均匀，得到填充物；
S3：将冲孔翻边拉毛的金属薄板放置在模具中，然后将步骤S2的填充物铺设在所述金属薄板上，进行压片、滚压包边操作后，得到所述耐高温高压的金属包覆平垫片。
所述压片条件为操作温度60℃、操作压力20MPa和压片时间5min。
实施例3
一种耐高温高压的金属包覆平垫片，包括填充物及包覆在所述填充物外的金属薄板，所述填充物由以下重量份数的原料组成：柔性石墨100份、单宁酸7份、丙烯酸甲酯1份、复合纤维15份、聚偏氟乙烯5份和复合笼型倍半硅氧烷15份。
所述复合笼型倍半硅氧烷由质量比1：1的八乙烯基笼型倍半硅氧烷和含有离子液体的八苯基笼型倍半硅氧烷组成。
所述含有离子液体的八苯基笼型倍半硅氧烷，通过以下方法制备得到：
S1：向反应釜中加入甲醇，在磁力搅拌的条件下加入4-(氯甲基)苯基三甲氧基硅烷、盐酸；所述甲醇、4-(氯甲基)苯基三甲氧基硅烷和盐酸的体积比为100：15：10；
S2：在80℃的温度条件下加热冷凝回流反应24h；
S3：反应结束后再加入四氢呋喃进行重结晶；
S4：采用甲醇清洗，50℃真空干燥24h，得到所述八苯基笼型倍半硅氧烷；
S5：将步骤S4得到的八苯基笼型倍半硅氧烷加入由四氟硼酸铵、1-(3-氯苯基)-3-甲基-哌嗪和甲苯组成的混合溶液中，70℃恒温磁力搅拌反应12h，真空抽滤后得到含有离子液体的八苯基笼型倍半硅氧烷。
所述四氟硼酸铵和1-(3-氯苯基)-3-甲基-哌嗪与所述八苯基笼型倍半硅氧烷的摩尔比为1.3：1.3：1，所述甲苯与八苯基笼型倍半硅氧烷的体积和质量比20：1ml/g。
所述复合纤维由4份碳化硅纤维和11份陶瓷纤维组成。
所述金属薄板的材质选用不锈钢316。
相应的、一种如上述的耐高温高压的金属包覆平垫片的制备方法，其包括以下步骤：
S1：将复合纤维15份置于反应釜中，向所述反应釜中通入二氧化碳，加热升压使其保持在超临界状态15min，进行溶胀，泄压后，加入复合笼型倍半硅氧烷5份，再次通入二氧化碳并加热升压使其保持在超临界状态10min，得到改性复合纤维；
S2：按重量份数计，称取柔性石墨100份、单宁酸7份、丙烯酸甲酯1份、聚偏氟乙烯5份、复合笼型倍半硅氧烷10份和步骤S1得到的改性复合纤维进行高速机械搅拌混合均匀，得到填充物；
S3：将冲孔翻边拉毛的金属薄板放置在模具中，然后将步骤S2的填充物铺设在所述金属薄板上，进行压片、滚压包边操作后，得到所述耐高温高压的金属包覆平垫片。
所述压片条件为操作温度50℃、操作压力20MPa和压片时间5min。
实施例4
本实施例耐高温高压的金属包覆平垫片，其组成及其制备方法基本与实施例1相似，其主要不同之处在于，一种耐高温高压的金属包覆平垫片，包括填充物及包覆在所述填充物外的金属薄板，所述填充物由以下重量份数的原料组成：柔性石墨100份、单宁酸5份、丙烯酸甲酯1份、复合纤维12份、聚偏氟乙烯3.5份和复合笼型倍半硅氧烷15份。
实施例5
本实施例耐高温高压的金属包覆平垫片，其组成及其制备方法基本与实施例2相似，其主要不同之处在于，一种耐高温高压的金属包覆平垫片，包括填充物及包覆在所述填充物外的金属薄板，所述填充物由以下重量份数的原料组成：柔性石墨100份、单宁酸6份、丙烯酸甲酯0.5份、复合纤维5.5份、聚偏氟乙烯5份和复合笼型倍半硅氧烷8份。
实施例6
本实施例耐高温高压的金属包覆平垫片，其组成及其制备方法基本与实施例3相似，其主要不同之处在于，一种耐高温高压的金属包覆平垫片，包括填充物及包覆在所述填充物外的金属薄板，所述填充物由以下重量份数的原料组成：柔性石墨100份、单宁酸5份、丙烯酸甲酯0.7份、复合纤维9份、聚偏氟乙烯3份和复合笼型倍半硅氧烷10份。
将实施例1～6制备得到的平垫片和市售平垫片作为对比例进行性能测试，其性能结果如表1所示：
表1
抗氧化性能测试：通过将实施例1～6和对比例的平垫片放入马弗炉中进行高温灼烧，在800℃氧化时效8h的条件下，通过测定平垫片的氧化失重率来评估其抗氧化性能；
密封性能测试：在介质压力为5MPa，平垫片比压为30MPa的条件，测试其回弹率和压缩率，以评价其压缩回弹性能，并通过测试实施例1～6和对比例的平垫片的泄漏率来评价其密封性能。
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。本发明要求的保护范围由所附的权利要求书及其等同物界定。
Claims (9)
1.一种耐高温高压的金属包覆平垫片，包括填充物及包覆在所述填充物外的金属薄板，其特征在于：所述填充物由以下重量份数的原料组成：柔性石墨100份、单宁酸3～7份、丙烯酸甲酯0.5～1份、复合纤维3.5～15份、聚偏氟乙烯1.5～5份和复合笼型倍半硅氧烷6～15份。
2.如权利要求1所述的耐高温高压的金属包覆平垫片，其特征在于，所述复合笼型倍半硅氧烷由质量比1：1的八乙烯基笼型倍半硅氧烷和含有离子液体的八苯基笼型倍半硅氧烷组成。
3.如权利要求2所述的耐高温高压的金属包覆平垫片，其特征在于，所述八乙烯基笼型倍半硅氧烷的8个顶角的取代基均为乙烯基，所述八苯基笼型倍半硅氧烷的8个顶角的取代基均为4-(氯甲基)苯基。
4.如权利要求2所述的耐高温高压的金属包覆平垫片，其特征在于，所述含有离子液体的八苯基笼型倍半硅氧烷，通过以下方法制备得到：
S1：向反应釜中加入甲醇，在磁力搅拌的条件下加入4-(氯甲基)苯基三甲氧基硅烷、盐酸；
S2：在80℃的温度条件下加热冷凝回流反应24h；
S3：反应结束后再加入四氢呋喃进行重结晶；
S4：采用甲醇清洗，50℃真空干燥24h，得到所述八苯基笼型倍半硅氧烷；
S5：将步骤S4得到的八苯基笼型倍半硅氧烷加入由四氟硼酸铵、1-(3-氯苯基)-3-甲基-哌嗪和甲苯组成的混合溶液中，70℃恒温磁力搅拌反应12h，真空抽滤后得到含有离子液体的八苯基笼型倍半硅氧烷。
5.如权利要求4所述的耐高温高压的金属包覆平垫片，其特征在于，所述甲醇、4-(氯甲基)苯基三甲氧基硅烷和盐酸的体积比为100：3～15：1～10。
6.如权利要求4所述的耐高温高压的金属包覆平垫片，其特征在于，所述四氟硼酸铵和1-(3-氯苯基)-3-甲基-哌嗪与所述八苯基笼型倍半硅氧烷的摩尔比为1.1～1.3：1.1～1.3：1，所述甲苯与八苯基笼型倍半硅氧烷的体积和质量比5～20：1ml/g。
7.如权利要求1所述的耐高温高压的金属包覆平垫片，其特征在于，所述复合纤维由3～12份碳化硅纤维和0.5～3份陶瓷纤维组成。
8.一种如权利要求1所述的耐高温高压的金属包覆平垫片的制备方法，其特征在于，所述制备方法包括以下步骤：
S1：将复合纤维3.5～15份置于反应釜中，向所述反应釜中通入二氧化碳，加热升压使其保持在超临界状态1～15min，进行溶胀，泄压后，加入复合笼型倍半硅氧烷2～5份，再次通入二氧化碳并加热升压使其保持在超临界状态5～10min，得到改性复合纤维；
S2：按重量份数计，称取柔性石墨100份、单宁酸3～7份、丙烯酸甲酯0.5～1份、聚偏氟乙烯1.5～5份、复合笼型倍半硅氧烷4～10份和步骤S1得到的改性复合纤维进行高速机械搅拌混合均匀，得到填充物；
S3：将冲孔翻边拉毛的金属薄板放置在模具中，然后将步骤S2的填充物铺设在所述金属薄板上，进行压片、滚压包边操作后，得到所述耐高温高压的金属包覆平垫片。
9.一种如权利要求8所述的耐高温高压的金属包覆平垫片的制备方法，其特征在于，所述压片条件为操作温度50～60℃、操作压力15～20MPa和压片时间5～10min。
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