NO339228B1 - Varmeisolerende flerlagsstruktur samt fremgangsmåte for dets fremstilling og fremgangsmåte for fremstilling av varmeisolasjonselement derfra - Google Patents

Description

Den foreliggende oppfinnelse vedrører ildfaste karbonholdige materialer og deres fremstilling, som kan anvendes som varmeisolasjon ved høy temperatur i ovner som drives ved høye temperaturer og under en ikke-oksiderende atmosfære.

Mere spesielt, vedrører den foreliggende oppfinnelse en varmeisolerende flerlagsstruktur omfattende i det minste ett fleksibelt lag basert på komprimerte ekspanderte grafittpartikler.

Oppfinnelsen vedrører også en fremgangsmåte for fremstilling av en varmeisolerende struktur.

Oppfinnelsen vedrører også en fremgangsmåte for fremstilling av en blokk av et varmeisolerende element.

Oppfinnelsen vedrører også en fremgangsmåte for fremstilling av et varmeisolerende element.

Oppfinnelsen vedrører også en fremgangsmåte for fremstilling av et varmeisolerende element som er utformet til å anbringes på ovner som drives i en ikke-oksiderende atmosfære ved en temperatur som er høyere enn 800°C.

Utstyr som virker ved høy temperatur innen en rekke forskjellige områder slik som produksjon av elektroniske komponenter, optiske fibere, reaktorblad osv. anvender forskjellige former for karbonbasert varmeisolasjon. Årsakene til dette valget er: - den ildfaste naturen til karbon, som er fast opp til 3000°C; - den lave varmeledningsevnen hos lavdensitet-karbon-basismaterialer; - en relativt lav produksjonskostnad; - muligheten for å oppnå svært rent karbon og følgelig begrenset mulig kontaminering av elementer som bearbeides ved høy temperatur som er et vesentlig aspekt for

prosesser som er relatert til den elektroniske industrien.

De mest hyppig anvendte former for karbonbasert varmeisolasjon er: - blokker basert på karbonpulver bundet sammen ved hjelp av et bindemiddel avledet fra karbonisering av en væske som er rik på karbonholdig material (f.eks. bek, fenolisk harpiks osv.). Disse blokkene er svært økonomiske og er alminnelig anvendt innen metallurgi (masovner, ovner med atmosfære mettet med CO); - såkalte fleksible karbonfiber-filter dannet fra karbon og/ eller grafittfibre dannet til filter med lav densitet, typisk med en densitet på 0,1 g/cm<3>(100 kg/m3) ; - såkalt rigide karbonfiber-filter, dannet fra karbon og/ eller grafittfibre, bundet sammen med hjelp av binde-midler avledet fra karbonisering av en væske som er rik på karbonholdig material, eller ved avsetning av et pyro-karbon i gassfasen på en fibrøs preform som skal konsolideres. Densitetene til disse rigide filter er mellom 0,1 g/cm<3>(100 kg/m<3>) og 0,3 g/cm3 (300 kg/m3) ; - kjønrøk, inneholdt i et kammer for å danne en kompaktert pulvervegg mellom det varme området som skal isoleres og en kald omgivelse. Densiteter for kompaktert kjønrøk varierer typisk mellom 0,05 g/cm<3>(50 kg/m<3>) og 0,2 g/cm<3>(200 kg/m3) ; - endelig består den siste familien av materialer som spesielt er beskrevet i US patent 3 404 061, og omfatter partikler av ekspandert grafitt komprimert i fravær av et karbonholdig bindemiddel for å oppnå faste strukturer med densiteter som typisk er mellom 5 og 137 pounds per cubic foot, med andre ord mellom omtrent 80 kg/m<3>og 2300 kg/m<3>. Der er en rekke midler for å oppnå ekspanderte grafitt-materialer. De er f.eks. beskrevet i US patent 3 404 061 (maling, angrep på rom mellom heksagonale retikulære plan ved oksidasjonsmiddel eller halogenert middel, vannimpregnering, oppvarming til en temperatur på mer enn 100°C) eller i US patent 5 582 781 (maling, nedsenking i

flytende nitrogen og deretter termisk sjokk). Generelt anvendes ekspandert naturlig grafitt. Når kompresjonen anvendt på ekspanderte grafittpartikler resulterer i en densitet på mer enn omtrent 0,4 g/cm<3>(400 kg/m<3>), oppnås fleksible grafittbånd med en god mekanisk styrke.

Hver type av varmeisolasjon som angitt over har fordeler og mangler som gjør bruken derav mer eller mindre passende for de spesielle behovene i hver prosess.

Oppfinnelsen vedrører spesielt varmeisolasjonsstrukturer basert på komprimerte ekspanderte grafittpartikler. Disse strukturer er nå ikke svært vanlig anvendt, sammenlignet med strukturer basert på karbonfibre. Der er to typer av grunner mot en bred utbredelse av disse produkter, til tross for deres svært kompetitive termiske egenskaper: 1) strukturer basert på komprimerte ekspanderte grafittpartikler er svært fragile dersom deres densitet er mindre enn omtrent 0,2 g/cm<3>(200 kg/m<3>), strukturer med densiteter som er lavere enn denne verdi er ekstremt fragile og er i praksis umulig å bruke; 2) den mest naturlige løsning for å overvinne dette problem med ekstrem fragilitet er å øke densitetene oppnådd etter kompresjon, men resultatet er da tap av isolerende funk-sjon; 3) teknikker for å produsere denne typen av struktur er ikke svært produktive. De involverer generelt de etterfølgende trinn: et ekstremt lett ekspandert grafittpulver produseres,

typisk med en densitet fra 0,003 g/cm<3>(3 kg/m<3>) til 0,005 g/cm<3>(5 kg/m3) ;

dette pulver anbringes i et kompresjonskammer med en

passende geometri for å oppnå de påkrevde former;

pulveret komprimeres inntil det oppnås et faststoff med den påkrevde densitet.

Forholdet mellom densiteten for det initiale og densiteten for det ferdige produkt gjør det nødvendig å stable pulver til en høyde på minst 40 ganger større enn tykkelsen av det påkrevde isolerende produkt. Således, dersom formålet er å oppnå et 10 mm tykt varmeisolerende produkt (typisk verdi for kabonfiber-filter), må en form med en minimumshøyde på 400 mm fylles og langsom kompresjon må anvendes over en avstand på minst 390 mm. Metoden er derfor ikke svært produktiv og kvalitetsdefekter dannes lett, bevirket ved problemer med "avgassing" av pulveret under kompresjonsfasen og ved materialheterogenitet. 4) på grunn av deres fragilitet, har strukturer basert på ekspanderte grafittpartikler som er blitt komprimert med et lavt kompresjonsforhold den defekt at de frigir grafittpartikler som ikke er godt bundet til material-massen. Dette fører til uønsket forurensning i kamrene som skal isoleres og denne forurensning er et særlig alvorlig handikap i industrier slik som dem som er spesialisert for produksjon av halvledere, hvori renhet er av altoverveiende viktighet.

For å oppnå varmeisolerende materialer som er særlig egnet for høytemperaturovner som drives i en ikke-oksiderende atmosfære, omhandler enkelte patenter anvendelsene av flerlagssjikt som omfatter minst ett fleksibelt lag dannet av et material basert på komprimerte ekspanderte grafittpartikler.

US patent 4 279 952 beskriver således en komposittstruktur inneholdende to av formene av karbonholdig isolasjon som nevnt over, ett fleksibel karbonfiber-filtlag (densitet mellom 60 og 100 kg/m<3>) er bundet til minst ett fleksibelt sjikt dannet av et material basert på komprimerte ekspanderte grafittpartikler med en densitet på mellom 600 og 1600 kg/m<3>. Bindingen mellom de to lagene er dannet ved hjelp av et karbonbasert bindemiddel, f.eks. en karboniserbar polymer-harpiks. Denne komposittstruktur har imidlertid skuffende varmeisoleringsegenskaper tatt i betraktning av den relativt høye kostnad, og risikoen for forurensning i kammeret er ikke helt eliminert da fleksible filter er kilder for store mengder støv. Spesielt vil fibriller som stammer fra de synlige kantene i filtene løsne og de føres lett med luften fordi de er så små.

En annen struktur er foreslått i US patent 4 888 242. I dette patentet er lagene i multilaget ikke inngående bundet til hverandre over hele overflaten da noen av lagene (dannet av materialer basert på komprimerte ekspanderte grafittpartikler) er korrugert før de forbindes med andre lag som forblir flate, idet kontaktflateområdene mellom lagene er små, som forbedrer de termiske isoleringsegenskapene til det således dannede multilag. Denne strukturtype er imidlertid vanskelig å fremstille. Dersom den skal inneholde et lite antall lag, da er store amplitudekorrugeringer nødvendige som for det første er vanskelig å produsere og for det andre svekker strukturen på grunn av kompresjonskrefter anvendt perpendikulært på de flate overflatene. I praksis er små-amplitudekorrugeringer nødvendige, og der vil derfor være et stort antall korrugerte lag som skal stables i strukturen, som innebærer mye liming. Strukturen som til sist oppnås har en relativt høy gjennomsnittlig densitet og relativt skuffende varmeisolerende egenskaper, sett på bakgrunn av dens høye produksjonskostnad.

Patentsøknad US-A-6 413 601 beskriver en varmeisolerende ovnskappe oppnådd ved å anvende et fleksibelt bånd dannet av et material basert på komprimerte ekspanderte grafittpartikler, hvor det nevnte bånd er spiralviklet i flere lag. Lagene er bundet til hverandre ved hjelp av et bindingsmaterial, typisk en fenolisk harpiks. Harpiks-avgassingsproblemer under karbonisering unngås ved å innføre et material som nedbrytes under effekten av varme mellom de to lagene til spiralen som er belagt med fenolisk harpiks. Et papirark anvendes typisk, og når papiret nedbrytes danner det diffusjonsåpninger gjennom hvilke gasser avledet fra karbonisering av harpiksen vil unnslippe.

US patentsøknad US2002/182387 beskriver et laminat som inneholder to fleksible grafittlag, hvorav ett har en tykkelse på 1 mm og en densitet på 0,75 g/mm<3>. Lagene er bundet ved hjelp av harpiksimpregnering.

Søkerne har forsøkt å fremstille, under tilfredsstillende økonomiske forhold, en varmeisolerende struktur som ikke har de ufordelaktighetene som er nevnt over og som kan anvendes i produksjonen av varmeisolerende elementer, særlig for isole-ring av ovner som virker ved høye temperaturer og i en ikke-oksiderende atmosfære.

Et første formål med oppfinnelsen er en varmeisolerende flerlagsstruktur omfattende i det minste ett fleksibelt lag basert på komprimerte ekspanderte grafittpartikler, hvori densiteten til det nevnte fleksible lag, betegnet kompakt komprimert ekspandert grafittlag, er mellom 0,5 og 1,6 g/cm<3>(500 og 1600 kg/m<3>) og idet den varmeisolerende strukturen også omfatter et annet lag betegnet sub-kompakt komprimert ekspandert grafittlag, basert på komprimerte grafittpartikler med en lavere densitet, som er mellom 0,05 og 0,3 g/cm<3>(50 og 300 kg/m<3>), hvori nevnte kompakte og sub-kompakte lag er tilstøtende og bundet til hverandre.

Oppfinnelsen vedrører også en fremgangsmåte for fremstilling av en varmeisolerende struktur, som omfatter de etterfølgende trinn: a) fremstilling av minst ett "tykt" sub-kompakt bånd med en tykkelse som er mindre enn 40 mm, typisk mellom 5 og 20

mm, ved å begrense densiteten oppnådd ved kompresjon av grafittpartikler til små verdier innen området fra 0,05

g/cm<3>(50 kg/m<3>) til 0,30 g/cm<3>(300 kg/m3) ;

b) fremstilling av et "tynt" kompakt bånd med en tykkelse som er mindre enn 2 mm med en densitet innen området fra 0,5

til 1,6 g/cm<3>(500 til 1600 kg/m3) ;

c) sammenføying av de to båndene, typisk ved ko-laminering, for å danne flerlagsstrukturer som omfatter en

alternering av tilstøtende tykke sub-kompakte/tynne

kompakte lag, med minst to elementer, hvor nevnte

sammenstilling fremstilles som følger:

cl) det sub-kompakte tykke båndet belegges med en flytende oppløsning som er rik på karbon, typisk en fenolisk

harpiks, en furfurylharpiks eller bek;

c2) nesten alle løsningsmidler i oppløsningen, om noen,

elimineres deretter ved sakte tørking;

c3) det kompakte tynne båndet tilføyes deretter til den

belagte overflaten;

c4) varmebehandling av de således sammenføyde båndene under en ikke-oksiderende atmosfære ved en temperatur som er lavere enn 800°C.

Oppfinnelsen vedrører også en fremgangsmåte for fremstilling av en blokk av et varmeisolerende element, hvori en varmeisolerende struktur fremstilles i henhold til fremgangsmåten som angitt i krav 13, og at de således dannede strukturene deretter skjæres til de ønskede dimensjoner.

Oppfinnelsen vedrører også en fremgangsmåte for fremstilling av et varmeisolerende element, som omfatter de etterfølgende trinn: a) en varmeisolerende struktur fremstilles i henhold til fremgangsmåten som angitt i krav 12, hvor strukturen er tilstrekkelig fleksibel slik at den kan spiralvikles på en sylindrisk bærer etterpå; b) før vikling blir det sub-kompakte tykke laget av strukturen belagt med en flytende oppløsning som er rik på karbon, typisk en fenolisk harpiks, en furfurylharpiks eller bek, og deretter blir nesten alle løsningsmidler i oppløsningen, om noen, eliminert ved sakte tørking; c) den således oppnådde strukturen spiralvikles på flere lag for å oppnå en sylindrisk kappe med den påkrevde tykkelsen; d) den sylindriske flaten til den sylindriske kappen som er okkupert av det sub-kompakte laget dekkes med et fleksibelt bånd dannet av kompakt komprimert ekspandert grafitt; e) kappen varmebehandles under en ikke-oksiderende atmosfære ved en temperatur som er lik i det minste den

temperaturen som varmeisolasjonen vil behøve å motstå under bruk, typisk 800°C, foretrukket 1000°C eller høyere.

Oppfinnelsen vedrører også en fremgangsmåte for fremstilling av et varmeisolerende element som er utformet til å anbringes på ovner som drives i en ikke-oksiderende atmosfære ved en temperatur som er høyere enn 800°C, som omfatter de etter-følgende trinn: a) fremstilling av et sub-kompakt komprimert ekspandert grafittlag med en densitet mellom 0,05 og 0,3 g/cm<3>(50 og 300 kg/m<3>) og med en tykkelse som er mindre enn 25 mm, b) det nevnte bånd kurves slik at det er i form av en del av en sylinder,

c) etter bøying, limes båndet,

d) et forsterkende lag, fremstilt av et kompakt komprimert ekspandert grafitt, med en densitet mellom 0,5 og 1,6

g/cm<3>(500 og 1600 kg/m<3>), anvendes direkte på en eller to

av flatene av det kurvede båndet,

e) sammenstillingen varmebehandles deretter mens den holdes i form ved hjelp av en grafitt-tilpasningsjigg som omgir

produktet.

De to lagene i den varmeisolerende flerlagsstrukturen ifølge oppfinnelsen er foretrukket tilstøtende og er bundet til hverandre ved en binder oppnådd ved karbonisering av et bindemiddel, typisk en væske som er rik på karbonholdig material, f.eks. en fenolisk harpiks, en furfurylharpiks, en bek, osv. Disse lagene kan ha diskontinuerlige kontaktoverflater som i US patent 4 888 242, men de to tilstøtende lag er foretrukket intimt bundet sammen over hele deres kontaktoverflate ved den karbonholdige binder. For enkelthets skyld vil vi betegne det første laget det "kompakte ekspanderte grafittlag" og det andre laget det "sub-kompakte ekspanderte grafittlag" i resten av denne beskrivelsen.

Den foreliggende oppfinnelse gjør det således mulig å oppnå varmeisolerende strukturer som er dannet ved en kombinasjon av lag basert på ekspanderte grafittpartikler komprimert til forskjellige densiteter og bundet sammen, idet denne løsning unngår problemene som nevnt over og gjør det til og med mulig å dra fordel av de utmerkede varmeisolerende egenskapene til ekspandert grafitt når den anvendes ved en svært lav densitet.

Strukturen ifølge oppfinnelsen drar fordel av de komplemen-tære egenskapene til de to lagene. Laget basert på komprimerte grafittpartikler med en høyere densitet (det kompakte ekspanderte grafittlaget) har en god mekanisk styrke og den egenskapen er også gitt til den resulterende struktur. Laget basert på komprimerte grafittpartikler med en lavere densitet (det sub-kompakte grafittlaget) er signifikant mere fragilt enn det første laget men det har bedre varmeisolerende egenskaper, slik at den resulterende struktur kan anvendes for produksjonen av varmeisolerende elementer slik som kapper for høytemperaturovner. Dessuten, siden det er porøst, muliggjør det diffusjon av gasser avgitt under fasen hvori den karbonholdige binder som binder de to lagene karboniseres, som unngår dannelsen av defekter i det nevnte bindingslaget.

Sammenføying og liming av de to kompakte lagene til hverandre introduserer avgassingsproblemer og spesielle løsninger må tas i bruk slik som dem beskrevet i US patent 6 413 601. Således vil kombinasjonen av et ikke-kompakt material og et kompakt material muliggjøre at gasser som avgis under vann-behandlingsfasen som stammer fra nedbrytningen av bindings-materialet lett kan evakueres ved diffusjon gjennom det ikke-kompakte materialet som har bibeholdt en svært høy permeabilitet overfor gasser. Derfor, ifølge den foreliggende oppfinnelse, er det viktig å opprettholde tilstedeværelsen av et sub-kompakt lag av ekspandert grafitt nær binderen oppnådd ved karbonisering.

Strukturen ifølge den foreliggende oppfinnelse har i det minste en alternering av tilstøtende kompakte og sub-kompakte lag med forskjellige fysiske egenskaper og forskjellige tykkelser, idet laget basert på komprimerte grafittpartikler med en høyere densitet (det kompakte ekspanderte grafittlaget) også kan være så tynt som mulig, men tilstrekkelig kompakt til å gi den globale strukturen den nødvendige fleksibilitet og den mekaniske styrken. Laget basert på komprimerte grafittpartikler med en lavere densitet (det sub-kompakte ekspanderte grafittlaget) kan også være så tykt som mulig for å øke den globale varmeisoleringen av strukturen.

En typisk to-lagstruktur ifølge oppfinnelsen omfatter de etterfølgende to tilstøtende lag: a) et "tykt" lag som foretrukket har en tykkelse som er mindre enn 40 mm, typisk mellom 5 og 20 mm, som ikke er veldig kompakt, ved å begrense densiteten oppnådd ved kompresjon av grafittpartikler til små verdier i stør-relsesorden 0,1 g/cm<3>(100 kg/m<3>) og innen området fra 0,05 g/cm<3>(50 kg/m<3>) til 0,30 g/cm<3>(300 kg/m<3>), idet det nevnte laget er upassende for anvendelse som varmeisolering i seg selv på grunn av dets usedvanlig store

fragilitet;

b) et "tynt" lag, foretrukket med en tykkelse som er mindre enn 2 mm og typisk mellom 0,15 og 1,5 mm tykkelse, med en

densitet som er innen området fra 0,5 til 1,6 g/cm<3>(500 til 1600 kg/m3) .

Den elementære strukturen som består av de to tilstøtende lagene dannet av ekspandert grafitt komprimert til ulike densitet og bundet til hverandre ved hjelp av en karbonholdig binder kan anvendes direkte for å danne isolerende elementer for høytemperaturovner. I dette tilfellet vil en orientert struktur foretrukket anvendes slik at dens flate ("face") okkupert av det kompakte laget av ekspandert grafitt omgir ovnskammeret og beskytter det sistnevnte fra eventuell emisjon av partikler som stammer fra det sub-kompakte laget. Denne typen av elementær struktur kan også være stablet flere ganger på hverandre for å oppnå en struktur med alternerende kompakte og sub-kompakte lag som kan gi en konsistent og tykk varmeisolerende sammenstilling. I dette tilfellet, er de elementære tykkelser av kompakte og sub-kompakte ekspanderte grafittlag forskjellige, men den totale tykkelsen for hvert er foretrukket i overensstemmelse med verdiene for den typiske to-lags strukturen som er tilveiebrakt over.

For å unngå eventuell forurensning ved emisjon av partikler som stammer fra det sub-kompakte laget med en lav mekanisk styrke, har det varmeisolerende element oppnådd ved stabling av elementærstrukturen ifølge oppfinnelsen også foretrukket alle sine utvendige flater dekket med et lag av ekspandert grafitt komprimert til en densitet som er høyere enn 0,4 g/cm<3>(400 kg/m<3>), og foretrukket mellom 0,5 og 1,6 g/cm<3>(500 til 1600 kg/m3) .

Den varmeisolerende strukturen ifølge oppfinnelsen kan anvendes for å danne isolerende elementer med forskjellige former ved å anvende forskjellige metoder: et tykt flerlagsbånd dannes ved laminering/liming/

karbonisering av bindemiddelet. Elementærblokker dannes ved å skjære dem ut av båndet. Former tilpasset den

aktuelle anvendelsen kan også skjæres ut direkte;

minst to tynne to-lags bånd dannes ved laminering og liming. To bånd settes sammen ved ko-laminering, hvori en flate av minst ett bånd består av et sub-kompakt lag og hvor grenseflaten limes ved anvendelse av en karboniserbar flytende binder. Denne operasjonen gjentas så mange ganger som nødvendig for å oppnå et flerlagsbånd med den påkrevde tykkelsen. Binderen karboniseres, og elementærblokkene skjæres deretter ut eller de skjæres

til en form, som i det foregående eksempel;

et flerlagsbånd dannes ved laminering/liming/karbonisering av bindemiddelet og en sylindrisk kappe dannes deretter ved spiralvikling av det nevnte bånd på ett eller flere lag, etter liming av i det minste en av flatene med

bindemiddel, foretrukket en flate som er okkupert av et sub-kompakt lag. Den sylindriske kappen oppnås ved å vikle det antall lag som er nødvendig for å oppnå den påkrevde tykkelsen i spiralform. Båndet er tilstrekkelig fleksibelt til å akseptere den pålagte bøyning uten skade under vikling. Dersom det sub-kompakte laget er tynt

nok, kan det spiralvikles med det sub-kompakte laget på ytterflaten (den konvekse siden), selv om det sub-kompakte laget ikke er svært resistent mot strekkbelastninger. En sylindrisk kappe med diameter 200 mm ble f.eks. dannet ved vikling av en to-lags struktur bestående av et 5 mm tykt sub-kompakt lag med en densitet på 0,15 g/cm<3>limt på et 0,5 mm tykt kompakt lag med en densitet på 1 g/cm<3>. Dersom det sub-kompakte laget er tykkere eller til og med mindre kompakt, vil det kompakte laget som har bedre motstand mot strekkbelastninger generert ved binding under vikling, foretrukket anbringes mot yttersiden av sylinderen (den konvekse siden). Uten hensyn til posisjonen av det sub-kompakte laget (på en konkave siden eller den konvekse siden) er den sylindriske flaten av den oppnådde sylindriske kappen som er okkupert av det sub-kompakte laget foretrukket selv f.eks. dekket med et fleksibelt bånd av kompakt komprimert ekspandert grafitt, om nødvendig limt med et bindemiddel. Når viklingen er fullstendig og det limte kompakte fleksible bånd er blitt avsatt på flaten okkupert av det sub-kompakte laget, varmebehandles kappen for å karbonisere bindemiddelet lokalisert mellom de viklede lagene. Dette gjennomføres vanligvis ved å anvende en varmebehandling under en ikke-oksiderende atmosfære ved en temperatur som er lik minst de temperaturene som varmeisolasjonen vil behøve å motstå under bruk (typisk 800°C, foretrukket 1000°C eller

høyere);

et ikke-kompakt bånd velges med en tilstrekkelig densitet og/eller et tilstrekkelig tynt bånd for å kunne motstå forming ved bøying uten skade, lim anvendes deretter på minst en flate, som deretter dekkes med et tynt kompakt

lag og en termisk karboniseringsbehandling gjennomføres

til sist på bindemiddelet;

for komplekse former, gjennomføres forming til den påkrevde formen ved å anvende ekspandert grafitt som er litt komprimert å oppnå den sub-kompakte kvaliteten med de påkrevde varmeisolerende egenskaper og overflaten av den formede delen limes deretter, dekkes med et tynt kompakt lag og en karboniserings-varmebehandling gjennomføres på bindemiddelet. I det sistnevnte tilfellet, er tykkelsen på det sub-kompakte ekspanderte grafittlaget ikke nødvendigvis homogen.

Uavhengig av den anvendte fremstillingsprosess, har det varmeisolerende element dannet ved å anvende en isolerende struktur ifølge oppfinnelsen innovative og attraktive egenskaper. Eksempel 1 illustrerer et isolerende element oppnådd fra en struktur ifølge oppfinnelsen og presenterer de fordeler som er oppnådd sammenlignet med isolerende elementer i henhold til den kjente teknikk. Oppfinnelsen dekker også et varmeisolerende element av denne type som utgjør en del av veggen i kammeret til en ovn som drives ved høye temperaturer, typisk høyere enn 800°C, og i en ikke-oksiderende atmosfære. Det kan være i form av blokker, slik at sammenstillingen av flere av disse blokkene danner overflaten av ovnskammeret, eller i form av en sylindrisk vegg i en eller flere deler som utgjør ovnsforbrenningskammeret.

Et annet formål med oppfinnelsen er en fremgangsmåte for fremstillingen av den nevnte struktur ifølge oppfinnelsen.

Det første trinnet omfatter fremstilling av minst to komponenter basert på komprimerte grafittpartikler i henhold til den kjente teknikk, slik som fremgangsmåten beskrevet i US patent 3 404 061 (maling, angrep av rommene mellom heksagonale retikulære plan ved et oksydasjonsmiddel eller halogenert middel, impregnering med vann, oppvarming til en temperatur som er høyere enn 100°C) eller fremgangsmåten beskrevet i US patent 5 582 781 (maling, neddypping i flytende nitrogen og deretter termisk sjokk).

Et "tykt" og ikke veldig kompakt bånd dannes med en tykkelse som er mindre enn 40 mm, typisk mellom 5 og 20 mm tykt, ved å begrense densiteten oppnådd ved kompresjon til lave verdier (i størrelsesorden 0,1 g/cm<3>(100 kg/m<3>og innen området fra 0,05 g/cm<3>(50 kg/m<3>) til 0,30 g/cm<3>(300 kg/m<3>). Et "tynt" kompakt bånd med en tykkelse på mindre enn 2 mm, og typisk mellom 0,15 og 1,5 mm, og en densitet som er innen området fra 0,5 til 1,6 g/cm<3>(500 til 1600 kg/m<3>) fremstilles også. Disse to produkter kan fremstilles i form av et kontinuerlig bånd, ved å anvende typisk utstyr som benyttes for å fremstille fleksible grafittsjikt (valselinjer), ved å ta båndet enten fra delen av oppstrømsiden av valselinjene (anvendt for å forme fleksible grafittsjikt) for å oppnå det "tykke" sub-kompakte laget, eller i delen på nedstrømsiden av de nevnte valselinjer for å oppnå det kompakte tynne laget. Prosessen er hurtig og økonomisk, men den er kun egnet for produksjon av kontinuerlige bånd med fast bredde (bredde typisk 1 m eller 1,50 m) som deretter må kuttes for å oppnå komplekse former om påkrevd.

Formings-/kompresjons-fyllteknikken vil også klart kunne anvendes for å danne disse produkter for å oppnå den påkrevde densitet, men denne prosess er mere kostbar med hensyn til syklustid og arbeidstid, og er også mere fleksibel med hensyn til de oppnådde formene.

De to lagene med forskjellige naturer forenes deretter eller sammenføyes ved liming for å danne sandwich-strukturer eller flerlagstrukturer, som vil omfatte alternerende ikke-kompakte tykke lag og kompakte tynne lag, med et minimum på minst to elementer.

Limeteknikken består typisk av belegging av det ikke-kompakte tykke laget med en karbonrik flytende oppløsning, f.eks. en fenolisk harpiks, en furfurylharpiks, bek osv. Nesten alle løsningsmidler i oppløsningen, om noen, elimineres deretter ved sakte tørking. Det neste trinnet er å anbringe et kompakt tynt lag på den belagte overflaten etterfulgt av en varmebehandlingsprosess under en ikke-oksiderende atmosfære og ved en temperatur som i det minste er lik de temperaturene som varmeisoleringen må motstå under bruk (typisk 800°C og foretrukket 1000°C eller høyere).

En ytterligere utførelsesform for å produsere et isolerende element med en struktur ifølge oppfinnelsen er fremstilling av et tynt ikke-kompakt lag som etterpå konsolideres med et kompakt lag addert dertil, idet søkerne har vist at det er mulig å bøye tykke ikke-kompakte lag før liming for bånd-tykkelser opp til 25 mm. Etter bøying blir disse båndene, plassert i formen av en bue, limt og kompakte forsterkende lag anvendes på den ene eller begge flatene. Sammenstillingen varmebehandles deretter mens den holdes i (bøyd) form ved hjelp av en grafitt tilpasningsjigg som omslutter produktet. Strukturen for utbyttet fra varmebehandlingen er kurvet, og geometrisk stabil i form av en bue. En kombinasjon av disse buer kan gi sirkulære sylindrisk varmeisolerende sammen-stillinger, og denne formen anvendes i en rekke ovner som drives under et vakuum og ved høye temperaturer.

I en annen variant produseres fleksible tynne flerlagssjikt som består av alternerende kompakte ekspanderte grafittlag og ikke-kompakte ekspanderte grafittlag. Det er blitt vist at ett av disse sjikt kan vikles på seg selv rund en spiral uten å anvende bøyeteknikken. Sammenstillingen varmebehandles i en passende sammenstiller som holder spiralen på plass. Strukturen resulterende fra behandlingen er en geometrisk stabil sylindrisk struktur som består av et kontinuerlig sjikt som kan anvendes som sirkulært varmeisolerende element for ovner. Det fleksible båndet som anvendes er foretrukket et kompakt/sub-kompakt to-lag eller et sub-kompakt/kompakt/ sub-kompakt tre-lag material, slik at gasser som avgis under den endelige karboniseringsbehandlingen av bindemiddelet kan diffundere uten å generere eventuelle defekter. Dets indre flate (kjernen) og den ytre flaten er foretrukket dekket med et tynt lag av kompaktekspandert grafitt, for å gi den således dannede sylindriske strukturen en god mekanisk styrke og for å forhindre uønsket forurensing av ovnen.

Eksempel

Søkerne fremstilte en elementærblokk med en struktur bestående av et 10 mm tykt ikke-kompakt lag (0,1 g/cm<3>(100 kg/m<3>)) som var innskutt mellom to kompakte lag (1 g/cm<3>(1000 kg/m<3>)) som hver hadde en tykkelse på 0,5 mm, idet den fullstendige sammenstilling er fremstilt i form av et bord med dimensjoner 500 mm x 500 mm x 11 mm.

Et "tykt", ikke-kompakt 10 mm tykt bånd oppnås ved å begrense densiteten ved kompresjon til 0,1 g/cm<3>(100 kg/m3) . To "tynne", kompakte, 0,5 mm tykke bånd oppnås ved å komprimere de ekspanderte grafittpartiklene inntil en densitet på 1 g/cm<3>(1000 kg/m<3>) er oppnådd.

Disse båndene oppnås ved å anvende en konvensjonell installasjon for å den kontinuerlige produksjon av fleksible grafittsjikt betegnet "Papyex" (registrert handelsnavn) og fremstilt av søkeren. Denne konvensjonelle installasjon omfatter valselinjer som er i stand til å danne bånd med en bredde på opp til 1,5 m. Dette tykke båndet tas fra oppstrømsiden av valselinjene og de tynne båndene tas fra nedstrømsiden.

Begrensningen på tykkelse og densitet som kreves for det ikke-kompakte element gjør det mulig å anvende disse konvensjonelle installasjoner som er stand til å produsere bånd med vekt per enhetsareal som typisk er mellom 500 og 3000 g/m<2>(hvis tykkelse vil variere under de forskjellige valsetrinn), med andre ord som er i stand til å kontinuerlig produsere bånd med en densitet på 0,1 g/cm<3>(100 kg/m<3>) og tykkelser opp til 30 mm.

Denne typen av kontinuerlig produksjon kan svært signifikant redusere omkostninger sammenlignet med formings-/kompresjons- prosesser, idet kostnadsforholdet for et gitt volum av produ-sert varmeisolering er i størrelsesorden 2,5 eller høyere, hvor den kontinuerlige løsning er mindre kostbar. Endelig er det viktig å nevne fordelen med den kontinuerlige prosessen med hensyn til stabiliteten av egenskapene til de oppnådde produktene, som er betydelig lettere å garantere enn med produksjon ved forming av individuelle deler.

Når disse bånd er blitt fremstilt og samlet, er det neste trinn å ko-laminere et tykt bånd som er innskutt mellom de to tynne båndene, idet hver grenseflate først er belagt med en fenolisk harpiks, som er et karboniserbart flytende bindemiddel. Sammenstillingen oppvarmes deretter til en temperatur som er nær 1000°C som bevirker karbonisering av bindemiddelet. Blokkene skjæres deretter til de påkrevde dimensjoner .

Denne blokktypen har de etterfølgende fordelaktige egenskaper : 1) avgivelse av partikler gjennom flatene til strukturen: denne er typisk for partikkelavgivelser gjennom fleksible grafittsjikt. De komprimerte ekspanderte grafittsjikt avgir nesten ingen partikler når densiteten er større en 1 g/cm<3>(fleksible grafittsjikt). De avgir noen få relativt store partikler når densiteten er mindre enn 0,2 g/cm<3>. Sammenlignet med strukturer som inkluderer karbonfiberfilter, som dem beskrevet i US patent 4 279 952, vil strukturer som omfatter lav-densitet komprimert ekspandert grafitt ikke representere uønskede støvkilder i en slik grad, da antallet avgitte partikler er lite og deres store dimensjoner gjør ikke deres fordeling lettere, de "faller" i stedet for å "fly"; 2) mekanisk bøyestyrke som motstår en belastning anvendt perpendikulært på hovedflåtene; maksimal styrke 3 MPa, for sammenligning med 0,7 MPa for strukturer basert på ekspanderte grafittpartikler komprimert til 0,2 g/cm<3>(200 kg/ m<3>) og ikke bundet til kompakte lag; 3) termisk ledningsevne ved lav temperatur målt ved resistens mot passeringen av en varmefluks perpendikulært på hoved-flatene: med en varm flate holdt ved 200°C: 0,35 W/m.K for sammenligning med 0,6 W/m.K målt under de samme betingelser på en struktur basert på ekspanderte grafittpartikler komprimert til 0,2 g/cm<3>(200 kg/m<3>) (fordel av den lave densiteten i tilfellet av komposittstrukturen); 4) lav kjemisk reaktivitet for sandwichen, f.eks. sammenlignet med karbonfilt, på grunn av bruken av et lag av kompakt komprimert ekspandert grafitt med svært lav permeabilitet overfor gasser og en svært god kjemisk inerti, på flatene. Dette siste punktet viser fordelen med denne strukturtypen sammenlignet med f.eks. strukturen beskrevet i US patent 4 279 952, hvori komposittstrukturen inneholder en karbonfiber-filt som er kjemisk mere reaktiv enn den komprimerte ekspanderte grafitt.

Fordeler

Rigide varmeisolerende strukturer ifølge oppfinnelsen kan fremstilles fra et rikelig og billig råmaterial (kompleks-dannet naturlig grafitt som er oppnådd i den fasen som går foran ekspansjonstrinnet som resulterer i ekspandert naturlig grafitt). Andre typer av rigid isolasjon som hovedsakelig er basert på karbonfibre starter fra et signifikant mere edelt råmaterial, som er fra fem til ti ganger mere kostbart. Dersom bearbeidingskostnader er inkludert, er der ingen over-drivelse i å si at varmeisolering ifølge oppfinnelsen er omtrent 30% mindre kostbar å fremstille enn mere konvensjonelle varmeisoleringssysterner for den samme varmeisolerende funk-sjon, unntatt kjønrøk-baserte systemer, men for disse er der andre alvorlige problemer med systemer dannet fra kjønrøk som til og med kan gjøre dem uakseptable, og særlig renhetsegen-skaper.

Claims (17)

1. Varmeisolerende flerlagsstruktur omfattende i det minste ett fleksibelt lag basert på komprimerte ekspanderte grafittpartikler karakterisert vedat densiteten til det nevnte fleksible lag, betegnet kompakt komprimert ekspandert grafittlag, er mellom 0,5 og 1,6 g/cm<3>(500 og 1600 kg/m<3>) og at den varmeisolerende strukturen også omfatter et annet lag betegnet sub-kompakt komprimert ekspandert grafittlag, basert på komprimerte grafittpartikler med en lavere densitet, som er mellom 0,05 og 0,3 g/cm<3>(50 og 300 kg/m<3>), hvori nevnte kompakte og sub-kompakte lag er tilstøtende og bundet til hverandre.

2 . Varmeisolerende struktur som angitt i krav 1 hvori de kompakte og sub-kompakte lagene dannet av komprimert ekspandert grafitt er tilstøtende og er bundet til hverandre ved karbonisering av et karboniserbart bindemiddel, typisk fenolisk harpiks, furfurylharpiks eller bek.

3. Varmeisolerende struktur som angitt i krav 2, hvori de tilstøtende kompakte og sub-kompakte lagene dannet av komprimert ekspandert grafitt er inngående bundet sammen over hele deres kontaktflate.

4. Varmeisolerende struktur som angitt i ett eller flere av kravene 1 til 3 som er oppnådd ved stabling av de tilstøtende kompakte og sub-kompakte lagene, med en alternering av kompakte og sub-kompakte lag dannet av komprimert ekspandert grafitt.

5. Varmeisolerende struktur som angitt i ett eller flere av kravene 1 til 4 hvori det eller de sub-kompakte lagene dannet av komprimert ekspandert grafitt har en total tykkelse på mindre enn 40 mm, og typisk mellom 5 og 20 mm.

6. Varmeisolerende struktur som angitt i ett eller flere av kravene 1 til 5 hvori det eller de kompakte lagene dannet av komprimert ekspandert grafitt har en total tykkelse som er mindre enn 2 mm, og typisk mellom 0,5 og 1,5 mm.

7. Varmeisolerende element som er utformet til å anbringes på ovner som opereres i en ikke-oksiderende atmosfære og ved en temperatur som er høyere enn 800°C,karakterisert vedat det omfatter en varmeisolerende struktur som angitt i ett eller flere av kravene 1 til 6.

8. Varmeisolerende struktur som angitt i krav 7, som utgjør en del av veggen i kammeret til en ovn som opereres ved temperaturer som er høyere enn 800°C og i en ikke-oksiderende atmosfære.

9. Varmeisolerende element som angitt i krav 8, som er i form av en blokk, slik at sammenstillingen av flere av disse blokkene danner overflaten av forbrenningskammeret til ovnen.

10. Varmeisolerende element som angitt i krav 8, som er i form av en sylindrisk vegg i en eller flere deler som utgjør forbrenningskammeret av ovnen.

11. Varmeisolerende element som angitt i ett eller flere av kravene 7 til 10, hvori dets synlige overflate er dekket med et kompakt komprimert ekspandert grafittlag med en densitet som er høyere enn 0,4 g/cm<3>(400 kg/m<3>), typisk mellom 0,5 og 1,6 g/cm<3>(500 og 1600 kg/m3) .

12. Fremgangsmåte for fremstilling av en varmeisolerende struktur, karakterisert vedat den omfatter de etterfølgende trinn: a)fremstilling av minst ett "tykt" sub-kompakt bånd med en tykkelse som er mindre enn 40 mm, typisk mellom 5 og 20 mm, ved å begrense densiteten oppnådd ved kompresjon av grafittpartikler til små verdier innen området fra 0,05 g/cm<3>(50 kg/m<3>) til 0,30 g/cm<3>(300 kg/m3) ; b) fremstilling av et "tynt" kompakt bånd med en tykkelse som er mindre enn 2 mm med en densitet innen området fra 0,5 til 1,6 g/cm<3>(500 til 1600 kg/m3) ; c) sammenføying av de to båndene, typisk ved ko-laminering, for å danne flerlagsstrukturer som omfatter en alternering av tilstøtende tykke sub-kompakte/tynne kompakte lag, med minst to elementer, hvor nevnte sammenstilling fremstilles som følger: cl) det sub-kompakte tykke båndet belegges med en flytende oppløsning som er rik på karbon, typisk en fenolisk harpiks, en furfurylharpiks eller bek; c2) nesten alle løsningsmidler i oppløsningen, om noen, elimineres deretter ved sakte tørking; c3) det kompakte tynne båndet tilføyes deretter til den belagte overflaten; c4) varmebehandling av de således sammenføyde båndene under en ikke-oksiderende atmosfære ved en temperatur som er lavere enn 800°C.

13. Fremgangsmåte som angitt i krav 12, som er modifisert slik at to kompakte tynne bånd dannes i trinn b) og slik at et sub-kompakt tykt bånd anbringes, typisk ved ko-laminering, mellom de to tynne båndene i trinn c).

14. Fremgangsmåte som angitt i krav 12, som er modifisert slik at to sub-kompakte tykke bånd dannes i trinn b) og at et kompakt tynt bånd anbringes, typisk med ko-laminering, mellom de to sub-kompakte tykke båndene i trinn c).

15. Fremgangsmåte for fremstilling av en blokk av et varmeisolerende element, karakterisert vedat en varmeisolerende struktur fremstilles i henhold til fremgangsmåten som angitt i krav 13, og at de således dannede strukturene deretter skjæres til de ønskede dimensjoner.

16. Fremgangsmåte for fremstilling av et varmeisolerende element, karakterisert vedat den omfatter de etter-følgende trinn: a) en varmeisolerende struktur fremstilles i henhold til fremgangsmåten som angitt i krav 12, hvor strukturen er tilstrekkelig fleksibel slik at den kan spiralvikles på en sylindrisk bærer etterpå; b) før vikling blir det sub-kompakte tykke laget av strukturen belagt med en flytende oppløsning som er rik på karbon, typisk en fenolisk harpiks, en furfurylharpiks eller bek, og deretter blir nesten alle løsningsmidler i oppløsningen, om noen, eliminert ved sakte tørking; c) den således oppnådde strukturen spiralvikles på flere lag for å oppnå en sylindrisk kappe med den påkrevde tykkelsen; d) den sylindriske flaten til den sylindriske kappen som er okkupert av det sub-kompakte laget dekkes med et fleksibelt bånd dannet av kompakt komprimert ekspandert grafitt; e) kappen varmebehandles under en ikke-oksiderende atmosfære ved en temperatur som er lik i det minste den temperaturen som varmeisolasjonen vil behøve å motstå under bruk, typisk 800°C, foretrukket 1000°C eller høyere.

17. Fremgangsmåte for fremstilling av et varmeisolerende element som er utformet til å anbringes på ovner som drives i en ikke-oksiderende atmosfære ved en temperatur som er høyere enn 800°C, karakterisert vedat den omfatter de etter-følgende trinn: a) fremstilling av et sub-kompakt komprimert ekspandert grafittlag med en densitet mellom 0,05 og 0,3 g/cm<3>(50 og 300 kg/m<3>) og med en tykkelse som er mindre enn 25 mm, b) det nevnte bånd kurves slik at det er i form av en del av en sylinder, c) etter bøying, limes båndet, d) et forsterkende lag, fremstilt av et kompakt komprimert ekspandert grafitt, med en densitet mellom 0,5 og 1,6 g/cm<3>(500 og 1600 kg/m<3>), anvendes direkte på en eller to av flatene av det kurvede båndet, e) sammenstillingen varmebehandles deretter mens den holdes i form ved hjelp av en grafitt-tilpasningsjigg som omgir produktet.