CN111534030A - 一种聚四氟乙烯纤维膜及含有其的密封系统 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种聚四氟乙烯纤维膜及含有其的密封系统，本发明制备得到的聚四氟乙烯纤维膜在现有技术的基础上，还经过了硅溶胶浸渍处理以及聚四氟硅烷浸渍处理，聚四氟乙烯纤维膜的疏水性得到了显著改善，通过在支撑弹片表面外侧的树脂中添加碳纤维、碳纳米管和石墨烯等填料可以达到防污的作用，用于储罐密封系统时可以达到贴壁排水的功能和自清洁功能，提高密封系统的密封可靠性。

Description

一种聚四氟乙烯纤维膜及含有其的密封系统
技术领域
本发明涉及能源储存技术领域，具体涉及一种用于储罐的聚四氟乙烯纤维膜及含有其的密封系统。
背景技术
当前石油化工行业内的浮顶常压储罐多使用碳钢式浮盘或拼接式浮盘，边缘采用海绵加橡胶带软密封，然而碳钢浮盘密封存在以下问题：(一)碳钢浮盘的应力大，受设计、施工、使用中的误差影响，易变形进而造成顶面、底面不平整，在储存介质和浮盘之间的部分区域形成气相空间，可能会引起卡盘等阻塞浮盘上下运行的严重问题，另一方面，碳钢浮盘自重大，浮力比低，运行过程中，由于腐蚀、变形、卡盘等原因，容易发生浮盘上油或沉盘事故；(二)碳钢易腐蚀，需要涂刷防腐蚀层，防腐蚀层也容易脱落，生产运行中需要定期检修维护，维护工作量大、费用高；(三)碳钢易产生铁锈，储存介质受限。而浮盘存在气象空间及浮盘缝隙，加上囊式密封固有的结构问题，无法从源头上阻止介质挥发，并导致储罐VOC超标排放，造成大量的介质挥发损耗。油品在存储过程中始终存在着蒸发损耗的问题，不仅带来非常严重的经济损失，对大气造成直接污染，容易形成光化学烟雾造成二次污染，油蒸汽中含有的大量烷烃、芳香烃和其他有害成分对人体也会造成损害，更重要的是，油品蒸发损耗易形成爆炸混合物，达到爆炸极限时遇火源会引起着火、爆炸等事故。
现有的浮盘边缘密封包括一级密封和二级密封，用于浮顶储罐的二级密封结构主要为舌形橡胶密封，依靠弹性舌片与罐壁滑动接触达到密封的作用。然而舌形密封与罐壁之间存在摩擦，舌形带随浮顶上下运动而翻转存在翻转应力损伤，严重影响密封的可靠性；弹性舌片的弹性易达到疲劳节点，且弹性舌片表面的防水性能也因为长期置于自然环境中达不到要求。
发明内容
针对现有技术中的缺陷，本发明提供一聚四氟乙烯纤维膜及含有其的密封系统。
为了实现上述目的，本发明采用了如下的技术方案：
本发明的一个目的是提供一种聚四氟乙烯纤维膜，制备所述聚四氟乙烯纤维膜的原料包括如下重量份的组分：聚四氟乙烯聚四氟乙烯树脂粉末80-100份、润滑剂10-20份、聚四氟乙烯超细短纤维5-15份、填料5-15份、表面活性剂5-15份和阻燃剂5-10份；所述聚四氟乙烯纤维膜利用以下方法制备得到：
(1)将聚四氟乙烯树脂粉末、聚四氟乙烯超细短纤维、填料和60-70％润滑剂混合均匀得第一混合物，将剩余润滑剂和表面活性剂、阻燃剂混合均匀得第二混合物，然后将第一混合物和第二混合物混合，将混合物在40-80℃的温度下静置10-20h，形成聚四氟乙烯物料；
(2)将所述聚四氟乙烯物料在35-45℃下使用压坯机压制成柱形毛坯，然后将毛坯送入挤压机在100-160℃下形成棒状物；挤出速度为150-200cm/min；
(3)将棒状物在硅溶胶中浸渍3-6h，取出，得到改性聚四氟乙烯料带，在220-280℃的烘箱中进行纵向拉伸1.5-5倍；纵向拉伸的条件为：拉力为3.5-5MPa、拉伸速率为6-10％/s；
(4)将步骤(3)得到的料带进行横向拉伸和热定型，具体包括：在220-300℃下进行第一次横向拉伸，拉伸速率为50-60mm/s，拉伸倍数为8-12，然后在240-280℃下进行热定型；接着在在300-320℃下进行第一次横向拉伸，拉伸速率为70-80mm/s，拉伸倍数为100-120，然后在280-300℃下进行热定型，时间为20-80s；
(5)将步骤(4)得到的聚四氟乙烯纤维膜于全氟硅烷溶液中浸渍5-10h，在50-100℃下烘干20-100s，即得；
其中，所述硅溶胶的制备方法为：将质量分数为30％的氨水和无水乙醇按体积比1-10:50混合，在40-50℃下搅拌20-30分钟，形成氨水乙醇混合液，然后按体积比1-15:50滴加正硅酸乙酯到氨水乙醇混合液中，在60-70℃下搅拌60-100分钟，形成硅溶胶。
在本发明的一些实施例中，所述填料包括碳纤维、碳纳米管和石墨烯，且碳纤维、碳纳米管和石墨烯的质量比为1：1：2。
在本发明的一些实施例中，所述聚四氟乙烯树脂粉末的分子量为300-1000万。
在本发明的一些实施例中，所述润滑剂为液体石蜡和硫酸化蓖麻油的混合物，且质量比为1:1-3。
在本发明的一些实施例中，所述阻燃剂为含氮三嗪类化合物与十溴联苯醚的质量比为2:1的混合物，所述含氮三嗪类化合物为2,4,6-三(N-羟甲基氨基)-1,3,5-三嗪、2,4-二氨基-6-(3，3，3-三溴丙基)-1，3，5-三嗪中的一种或多种。
在本发明的一些实施例中，所述表面活性剂为阴离子表面活性剂和非离子表面活性剂的混合物。
本发明还提供了一种储罐密封系统，设于储罐内壁与浮盘之间，包括边缘适配组件、支撑组件以及与边缘适配组件连接的一次密封装置和二级密封组件；所述二级密封组件包括不锈钢膜密封结构和与储罐内壁抵持的不锈钢片；不锈钢膜密封结构包括支撑弹片以及设于所述支撑弹片两侧的聚四氟乙烯纤维膜；所述支撑弹片的内侧设置有上述的聚四氟乙烯纤维膜。
在本发明的一些实施例中，所述一次密封装置包括环形的不锈钢弹片、支撑条以及设于不锈钢碳弹片朝向液体一侧设置的密封膜。
在本发明的一些实施例中，不锈钢膜密封结构与不锈钢片一体成型。
在本发明的一些实施例中，所述不锈钢片包括钢片主体和设于钢片主体底部的折边，且钢片主体和折边平滑过渡连接。
在本发明的一些实施例中，二级密封组件上还连接有导静电片。
发明的附加方面和优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本发明的实践了解到。
附图说明
为了更清楚地说明本发明具体实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对具体实施方式或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍。在所有附图中，类似的元件或部分一般由类似的附图标记标识。附图中，各元件或部分并不一定按照实际的比例绘制。
图1为本发明一个实施例的高效全补偿密封系统的结构示意图；
图2为本发明一个实施例的一次密封结构的结构示意图。
具体实施方式
下面将结合附图对本发明技术方案的实施例进行详细的描述。以下实施例仅用于更加清楚地说明本发明的技术方案，因此只作为示例，而不能以此来限制本发明的保护范围。
需要注意的是，除非另有说明，本申请使用的技术术语或者科学术语应当为本发明所属领域技术人员所理解的通常意义。
下面的实施例中的实验方法，如无特殊说明，均为常规方法。下述实施例中所用的试验材料，如无特殊说明，均为自常规生化试剂商店购买得到。以下实施例中的定量试验，均设置三次重复实验，数据为三次重复实验的平均值或平均值±标准差。
本发明的储罐密封系统用于拼接式或一体式全液接浮盘，浮力单元为箱式或蜂窝式。
该储罐密封系统设于储罐内壁400与浮盘500之间，包括边缘适配组件100、支撑组件200以及与边缘适配组件100连接的二级密封组件300。
二级密封组件300包括不锈钢膜密封结构310和与储罐内壁抵持的不锈钢片。
不锈钢膜密封结构310包括支撑弹片以及设于支撑弹片两侧的聚四氟乙烯纤维膜和设于支撑弹片的第二聚四氟乙烯纤维膜，其中，具体包括设于支撑弹片内侧的第一聚四氟乙烯纤维膜，优选地，该第一聚四氟乙烯纤维膜具有耐油耐H2S、CO2腐蚀的功能，第二聚四氟乙烯纤维膜具有防紫外线的功能。
不锈钢片包括钢片主体321和设于钢片主体底部的折边322，且钢片主体321和折边322平滑过渡连接。具体地，不锈钢片的内侧还设有防腐蚀树脂。
需要说明的是，支撑弹片与不锈钢片一体成型，也可以通过设置在端部的螺栓连接。
若支撑弹片与不锈钢片通过螺栓锁紧，二级密封组件还包括密封加强组件，密封加强组件包括密封胶条和及密封压板，密封胶条设于不锈钢膜密封结构310两侧，且密封压板通过螺栓螺母配合使密封胶条与不锈钢膜密封结构、不锈钢片紧密接触，以防挥发性气体从一级密封空间进入二级密封体系。
本发明中的一级密封空间通过一次密封装置实现，一次密封装置包括不锈钢弹片610(如图2所示)、支撑条以及设于不锈钢碳弹片朝向液体一侧设置的密封膜，而且密封膜设置在支撑条和不锈钢弹片之间。
支撑组件200包括金属弹片210和支撑臂220，且金属弹片210与支撑臂220之间通过螺栓锁紧。金属弹片210由16层不同金属材质挤压而成，其弹性疲劳强度为终身制，使用材料的特殊性，保证密封的同时也不会使其压力过大。金属弹片的弹力作用支撑臂，支撑臂会使不锈钢片与罐壁紧密贴合。该金属弹片使二级密封的补偿范围为R(-x/+3x)x，其中，R是指浮盘与罐壁之间环形间距；x是指该油罐的变形校正尺寸。
本发明的二级密封组件上还连接有导静电片。
为了强化本发明中二级密封组件的的综合性能，本发明支撑弹片表面外侧设置的聚四氟乙烯纤维膜经过改性处理。
本发明改性聚四氟乙烯纤维膜的原料包括如下重量份的组分：聚四氟乙烯聚四氟乙烯树脂粉末80-100份、润滑剂10-20份、聚四氟乙烯超细短纤维5-15份、填料5-15份、表面活性剂5-15份和阻燃剂5-10份。
作为一个具体的实施例，制备改性聚四氟乙烯纤维膜的原料包括：聚四氟乙烯聚四氟乙烯树脂粉末90份、润滑剂15份、聚四氟乙烯超细短纤维10份、填料10份、表面活性剂10份和阻燃剂6份。
优选地，润滑剂选自煤油、液体石蜡和硫酸化蓖麻油中的一种或多种。特别优选地，润滑剂为液体石蜡和硫酸化蓖麻油的混合物，且质量比为1:3。特别优选地，填料包括碳纤维、碳纳米管和石墨烯，且质量比为1：1:：2。
优选地，表面活性剂为阴离子表面活性剂和非离子表面活性剂的混合物。
优选地，阻燃剂为含氮三嗪类化合物与十溴联苯醚的质量比为2:1的混合物。具体地，含氮三嗪类化合物为2,4,6-三(N-羟甲基氨基)-1,3,5-三嗪、2,4-二氨基-6-(3，3，3-三溴丙基)-1，3，5-三嗪中的混合物，且质量比为1：1：1。
该改性聚四氟乙烯纤维膜的制备方法包括步骤：
(1)将聚四氟乙烯树脂粉末、聚四氟乙烯超细短纤维、填料和60-70％润滑剂混合均匀得第一混合物，将剩余润滑剂和表面活性剂、阻燃剂混合均匀得第二混合物，然后将第一混合物和第二混合物混合，将混合物在40-80℃的温度下静置10-20h，形成聚四氟乙烯物料；
(2)将聚四氟乙烯物料在35-45℃下使用压坯机压制成柱形毛坯，然后将毛坯送入挤压机在100-160℃下形成棒状物；挤出速度为150-200cm/min；
(3)将棒状物在硅溶胶中浸渍3-6h，取出，得到改性聚四氟乙烯料带，在220-280℃的烘箱中进行纵向拉伸1.5-5倍；纵向拉伸的条件为：拉力为3.5-5MPa、拉伸速率为6-10％/s；
(4)将步骤(3)得到的料带进行横向拉伸和热定型，具体包括：在220-300℃下进行第一次横向拉伸，拉伸速率为50-60mm/s，拉伸倍数为8-12，然后在240-280℃下进行热定型；接着在在300-320℃下进行第一次横向拉伸，拉伸速率为70-80mm/s，拉伸倍数为100-120，然后在280-300℃下进行热定型，时间为20-80s；
(5)将步骤(4)得到的聚四氟乙烯纤维膜于全氟硅烷溶液中浸渍5-10h，在50-100℃下烘干20-100s，即得。
其中，所述硅溶胶的制备方法为：将质量分数为30％的氨水和无水乙醇按体积比1-10:50混合，在40-50℃下搅拌20-30分钟，形成氨水乙醇混合液，然后按体积比1-15:50滴加正硅酸乙酯到氨水乙醇混合液中，在60-70℃下搅拌60-100分钟，形成硅溶胶。
具体地，全氟硅烷为全氟辛基三氯硅烷、全氟癸基三氯硅烷、全氟辛基三乙氧基硅烷、全氟辛基三甲氧基硅烷、全氟癸基三甲氧基硅烷或全氟癸基三乙氧基硅烷中的一种或多种。
优选地，全氟硅烷为全氟辛基三氯硅烷和全氟辛基三甲氧基硅烷的混合物，重量比为1:2。
作为一个具体的优选实施例，该改性聚四氟乙烯纤维膜的制备方法包括步骤：
(1)将聚四氟乙烯树脂粉末、聚四氟乙烯超细短纤维、填料和65％的润滑剂混合均匀得第一混合物，将剩余润滑剂和表面活性剂、阻燃剂混合均匀得第二混合物，然后将第一混合物和第二混合物混合，将混合物在60℃的温度下静置15h，形成聚四氟乙烯物料；
(2)将聚四氟乙烯物料在40℃下使用压坯机压制成柱形毛坯，然后将毛坯送入挤压机在150℃下形成棒状物；挤出速度为180cm/min；
(3)将棒状物在硅溶胶中浸渍5h，取出，得到改性聚四氟乙烯料带，在250℃的烘箱中进行纵向拉伸3.5倍；纵向拉伸的条件为：拉力为4MPa、拉伸速率为8％/s；
(4)将步骤(3)得到的料带进行横向拉伸和热定型，具体包括：在260℃下进行第一次横向拉伸，拉伸速率为55mm/s，拉伸倍数为10，然后在260℃下进行热定型；接着在在300℃下进行第一次横向拉伸，拉伸速率为75mm/s，拉伸倍数为110，然后在280℃下进行热定型，时间为60s；
(5)将步骤(4)得到的聚四氟乙烯纤维膜于全氟硅烷溶液中浸渍8h，在80℃下烘干100s，即得。
经过上述方法制备得到的聚四氟乙烯纤维膜与水的接触角大于151度。
最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围，其均应涵盖在本发明的权利要求和说明书的范围当中。

Claims (10)

1.一种聚四氟乙烯纤维膜，其特征在于，制备所述聚四氟乙烯纤维膜的原料包括如下重量份的组分：聚四氟乙烯聚四氟乙烯树脂粉末80-100份、润滑剂10-20份、聚四氟乙烯超细短纤维5-15份、填料5-15份、表面活性剂5-15份和阻燃剂5-10份；所述聚四氟乙烯纤维膜利用以下方法制备得到：
(1)将聚四氟乙烯树脂粉末、聚四氟乙烯超细短纤维、填料和60-70％润滑剂混合均匀得第一混合物，将剩余润滑剂和表面活性剂、阻燃剂混合均匀得第二混合物，然后将第一混合物和第二混合物混合，将混合物在40-80℃的温度下静置10-20h，形成聚四氟乙烯物料；
(2)将所述聚四氟乙烯物料在35-45℃下使用压坯机压制成柱形毛坯，然后将毛坯送入挤压机在100-160℃下形成棒状物；挤出速度为150-200cm/min；
(3)将棒状物在硅溶胶中浸渍3-6h，取出，得到改性聚四氟乙烯料带，在220-280℃的烘箱中进行纵向拉伸1.5-5倍；纵向拉伸的条件为：拉力为3.5-5MPa、拉伸速率为6-10％/s；
(4)将步骤(3)得到的料带进行横向拉伸和热定型，具体包括：在220-300℃下进行第一次横向拉伸，拉伸速率为50-60mm/s，拉伸倍数为8-12，然后在240-280℃下进行热定型；接着在在300-320℃下进行第一次横向拉伸，拉伸速率为70-80mm/s，拉伸倍数为100-120，然后在280-300℃下进行热定型，时间为20-80s；
(5)将步骤(4)得到的聚四氟乙烯纤维膜于全氟硅烷溶液中浸渍5-10h，在50-100℃下烘干20-100s，即得；
其中，所述硅溶胶的制备方法为：将质量分数为30％的氨水和无水乙醇按体积比1-10:50混合，在40-50℃下搅拌20-30分钟，形成氨水乙醇混合液，然后按体积比1-15:50滴加正硅酸乙酯到氨水乙醇混合液中，在60-70℃下搅拌60-100分钟，形成硅溶胶。
2.根据权利要求1所述的聚四氟乙烯纤维膜，其特征在于，所述填料包括碳纤维、碳纳米管和石墨烯，且碳纤维、碳纳米管和石墨烯的质量比为1：1：2。
3.根据权利要求1所述的聚四氟乙烯纤维膜，其特征在于，所述聚四氟乙烯树脂粉末的分子量为300-1000万；所述润滑剂为液体石蜡和硫酸化蓖麻油的混合物，且质量比为1:1-3。
4.根据权利要求1所述的聚四氟乙烯纤维膜，其特征在于，所述阻燃剂为含氮三嗪类化合物与十溴联苯醚的质量比为2:1的混合物，所述含氮三嗪类化合物为2,4,6-三(N-羟甲基氨基)-1,3,5-三嗪、2,4-二氨基-6-(3，3，3-三溴丙基)-1，3，5-三嗪中的一种或多种。
5.根据权利要求1所述的聚四氟乙烯纤维膜，其特征在于，所述表面活性剂为阴离子表面活性剂和非离子表面活性剂的混合物。
6.一种储罐密封系统，其特征在于，设于储罐内壁与浮盘之间，包括边缘适配组件、支撑组件以及与边缘适配组件连接的一次密封装置和二级密封组件；所述二级密封组件包括不锈钢膜密封结构和与储罐内壁抵持的不锈钢片；不锈钢膜密封结构包括支撑弹片以及设于所述支撑弹片两侧的聚四氟乙烯纤维膜；所述支撑弹片的外侧设置有权利要求1-4任意一项所述的聚四氟乙烯纤维膜。
7.根据权利要求6所述的储罐密封系统，其特征在于，所述一次密封装置包括环形的不锈钢弹片、支撑条以及设于不锈钢碳弹片朝向液体一侧设置的密封膜。
8.根据权利要求6所述的储罐密封系统，其特征在于，不锈钢膜密封结构与不锈钢片一体成型。
9.根据权利要求6所述的储罐密封系统，其特征在于，所述不锈钢片包括钢片主体和设于钢片主体底部的折边，且钢片主体和折边平滑过渡连接。
10.根据权利要求6所述的储罐密封系统，其特征在于，所述二级密封组件上还连接有导静电片。
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