大口徑長(zhǎng)尺寸碳碳復(fù)合材料管道及其制備方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種大口徑長(zhǎng)尺寸碳碳復(fù)合材料管道及其制備方法。大口徑長(zhǎng)尺寸碳碳復(fù)合材料管道，包括管道本體和位于管道本體內(nèi)表面上的致密層，所述管道本體由薄氈纏繞層疊而成，所述致密層由噴涂在管道本體上的硅溶膠溶液經(jīng)化學(xué)方法處理形成。所述薄氈由一層網(wǎng)胎、一層碳布、一層網(wǎng)胎依次疊層經(jīng)針刺制備而成。一種大口徑長(zhǎng)尺寸碳碳復(fù)合材料管道的制備方法，包括以下步驟：制作模具；針刺薄氈；制作預(yù)制；固化；裁切脫模；沉積增密；加工拋光；噴涂、致密化處理；成品。本發(fā)明采用高性能、新型的碳碳復(fù)合材料來制備大口徑長(zhǎng)尺寸的管道；制得的管道具備高強(qiáng)度、保溫性能優(yōu)異、使用壽命長(zhǎng)、抗老化、安全性能顯著提高。
【專利說明】大口徑長(zhǎng)尺寸碳碳復(fù)合材料管道及其制備方法

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及復(fù)合材料管道【技術(shù)領(lǐng)域】，利用碳碳復(fù)合材料制備技術(shù)制備碳碳復(fù)合材 料長(zhǎng)管，應(yīng)用于石油、化工、粉沫冶金行業(yè)。

【背景技術(shù)】
[0002] 隨著化工、高端粉沫冶金、石化工業(yè)的發(fā)展，利用長(zhǎng)距離管道輸送氣體、液體、混合 漿料的需求日益增加，尤其是在一些特殊行業(yè)，具有特殊性能的管道的需求相當(dāng)大，如耐高 溫、耐腐蝕、高強(qiáng)度、長(zhǎng)壽命的管道。如大型化工企業(yè)，就需要大口徑的、耐強(qiáng)酸或強(qiáng)堿的腐 蝕、耐超過l〇〇〇°C的溫度、具有比較好的強(qiáng)度的管道。此類管道通常采用工程塑料和橡膠材 料。可是此工程塑料和橡膠材料最大的弊端就是不耐高溫，遇高溫容易老化，老化后極容易 產(chǎn)生裂紋，從而導(dǎo)致泄露事故，會(huì)產(chǎn)生極大的安全隱患。
[0003] 在粉沫冶金行業(yè)里，硬質(zhì)合金熔煉爐內(nèi)、爐與爐之間也需要一些能耐高溫、高壓的 輸氣、輸送漿料的管道，同時(shí)此類管道還要能起保溫隔熱作用。這個(gè)問題，一般公司都是采 用石墨或其它金屬管道，可是石墨材料太脆，金屬不耐腐蝕，還都不具有保溫功能。
[0004] 現(xiàn)有技術(shù)的不足之處主要有：易老化、壽命偏短，安全系數(shù)低；低強(qiáng)度、抗強(qiáng)酸、強(qiáng) 堿能力差；保溫性能差。
[0005] 檢索到的部分相關(guān)現(xiàn)有專利技術(shù)：
[0006] 1、一種復(fù)合材料管道及其制備方法與應(yīng)用，申請(qǐng)?zhí)枮?01310028075. 6 ;
[0007] 2、一種纖維纏繞復(fù)合材料管道，申請(qǐng)?zhí)枮?00610031153. 8 ;
[0008] 3、一種修復(fù)管道碳纖維復(fù)合材料體系及應(yīng)用，申請(qǐng)?zhí)枮?01010550596. 4 ;
[0009] 4、樹脂基復(fù)合材料制成管道的固化方法，申請(qǐng)?zhí)枮?00910208930. 5 ;
[0010] 5、鋼骨架增強(qiáng)尼龍管道制作方法，申請(qǐng)?zhí)枮?01310231542. 5 ;
[0011] 6、多層管道制造的優(yōu)化方法，申請(qǐng)?zhí)枮?00980105596. 9。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0012] 本發(fā)明所要解決的技術(shù)問題是，提供一種大口徑長(zhǎng)尺寸碳碳復(fù)合材料管道及其制 備方法，采用此方法制備的管道具備高強(qiáng)度、保溫性能優(yōu)異。
[0013] 本發(fā)明的技術(shù)方案是：一種大口徑長(zhǎng)尺寸碳碳復(fù)合材料管道，包括管道本體和位 于管道本體內(nèi)表面上的致密層，所述管道本體由薄氈纏繞層疊而成，所述致密層由噴涂在 管道本體上的硅溶膠溶液經(jīng)化學(xué)方法處理形成。
[0014] 所述薄氈包括上層、中層和下層；上層和下層均是網(wǎng)胎，中層是碳布；所述薄氈由 一層網(wǎng)胎、一層碳布、一層網(wǎng)胎依次疊層經(jīng)針刺制備而成；所述碳布是平紋碳布，碳布的面 密度為200-800g/m 2,所述網(wǎng)胎是通過纖維短切、機(jī)械梳理成網(wǎng)制備而成的短纖維網(wǎng)胎。
[0015] 所述大口徑長(zhǎng)尺寸碳碳復(fù)合材料管道的內(nèi)徑為Φ20ΦΙΟΟΟι?πι，長(zhǎng)度為 500-3000mm，壁厚為 3 - 120mm，密度為 0· 9-1. 5g/cm3。
[0016] 所述致密層厚度為l〇um----500um。
[0017] 所述大口徑長(zhǎng)尺寸碳碳復(fù)合材料管道的一端設(shè)有內(nèi)螺紋，另一端設(shè)有與內(nèi)螺紋相 配合的外螺紋；所述同樣規(guī)格的二根管道能通過其端部的內(nèi)螺紋和外螺紋拼接在一起。
[0018] 一種大口徑長(zhǎng)尺寸碳碳復(fù)合材料管道的制備方法，包括以下步驟：
[0019] A、制作模具：按需制備管道的預(yù)定設(shè)計(jì)規(guī)格制作出相應(yīng)的專用模具；
[0020] B、針刺薄氈：先制備碳布和網(wǎng)胎，采用編織方法制備幅寬與管道長(zhǎng)度相匹配的平 紋碳布，采用纖維短切、機(jī)械梳理、成網(wǎng)的技術(shù)制備短纖維網(wǎng)胎；然后一層網(wǎng)胎加一層碳布 加一層網(wǎng)胎疊層經(jīng)針刺制備成薄氈；
[0021] C、制作預(yù)制件：將薄氈與網(wǎng)胎交替疊層、纏繞在模具上，經(jīng)針刺制成需要厚度的碳 纖維預(yù)制件；
[0022] D、固化：將上述碳纖維預(yù)制件浸漬粘結(jié)劑，然后固化，得到成型的管道毛坯；
[0023] E、裁切脫模：用端面裁切設(shè)備對(duì)管道毛坯裁切端面，并將模具脫出毛坯；
[0024] F、沉積增密：將已脫模的管道毛坯放入化學(xué)氣相沉積爐中沉積增密，緩慢加熱升 溫到沉積溫度，通入碳?xì)錃怏w和稀釋氣體進(jìn)行化學(xué)氣相沉積增密；
[0025] G、加工拋光：待管道毛坯密度達(dá)到預(yù)定的密度時(shí)，再進(jìn)行內(nèi)、外表面加工，拋光；
[0026] H、噴涂、致密化處理：將拋光后的管道進(jìn)行致密化處理：先用硅溶膠溶液均勻噴 涂在管道的內(nèi)表面，晾干，再放入化學(xué)氣相多功能爐中，升溫至1700--1950°C，保持3-5小 時(shí)，再降溫至1000--145(TC，通入碳?xì)錃怏w和稀釋氣體，時(shí)間為3 -15小時(shí)，得到致密層；
[0027] I、成品：在管道的一端制作內(nèi)螺紋，另一端制作與內(nèi)螺紋相配合的外螺紋，完成大 口徑長(zhǎng)尺寸碳碳復(fù)合材料管道的制備。
[0028] 在步驟B中，所述碳布的面密度為200_800g/m2 ;根據(jù)管道的厚度要求制作薄氈的 長(zhǎng)度為50m/卷；
[0029] 在步驟C中，所述預(yù)制件尺寸為內(nèi)徑Φ20-Φ1000πιπι，長(zhǎng)度500-3000mm，壁厚3- 120mm〇
[0030] 在步驟D中，所述粘結(jié)劑的主要成份是水溶性或非水溶性熱固性樹脂或浙青或多 羥基粘結(jié)劑；固化時(shí)，溫度為150_400°C。
[0031] 在步驟F中，所述沉積溫度為850-1200°C ;通入碳?xì)錃怏w和稀釋氣體進(jìn)行化學(xué)氣 相沉積增密，時(shí)間為70-300小時(shí)。
[0032] 在步驟G中，管道毛坯密度達(dá)到的合適密度是0. 9-1. 5g/cm3 ;
[0033] 在步驟Η中，所述硅溶膠溶液是0. 07-0. 5mol/l的硅溶膠溶液；所述致密層厚度 為 10um-500um。
[0034] 本發(fā)明采用高性能、新型的碳碳復(fù)合材料來制備大口徑長(zhǎng)尺寸的管道；制得的管 道具備高強(qiáng)度、保溫性能優(yōu)異、使用壽命長(zhǎng)、抗老化、安全性能顯著提高。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0035] 圖1是大口徑長(zhǎng)尺寸碳碳復(fù)合材料管道的剖面結(jié)構(gòu)示意圖。
[0036] 圖2是大口徑長(zhǎng)尺寸碳碳復(fù)合材料管道的制備方法的流程圖。

【具體實(shí)施方式】
[0037] 實(shí)施例一：
[0038] 如圖1所示，一種大口徑長(zhǎng)尺寸碳碳復(fù)合材料管道，包括管道本體1和位于管道本 體內(nèi)表面上的致密層2,所述管道本體由薄氈纏繞層疊而成，所述致密層由噴涂在管道本體 上的硅溶膠溶液經(jīng)化學(xué)方法處理形成。所述薄氈由一層網(wǎng)胎、一層碳布、一層網(wǎng)胎依次疊層 經(jīng)針刺制備而成；所述碳布是平紋碳布，碳布的面密度為200_800g/m 2,所述網(wǎng)胎是通過纖 維短切、機(jī)械梳理成網(wǎng)制備而成的短纖維網(wǎng)胎。大口徑長(zhǎng)尺寸碳碳復(fù)合材料管道的內(nèi)徑為 Φ 1000mm，長(zhǎng)度為3000mm，壁厚為120mm，密度為1.5g/cm3。致密層厚度為500um。大口徑 長(zhǎng)尺寸碳碳復(fù)合材料管道的一端設(shè)有內(nèi)螺紋，另一端設(shè)有與內(nèi)螺紋相配合的外螺紋；同樣 規(guī)格的二根管道能通過其端部的內(nèi)螺紋和外螺紋拼接在一起。
[0039] 如圖2所示，大口徑長(zhǎng)尺寸碳碳復(fù)合材料管道的制備工藝步驟如下：
[0040] 1、設(shè)計(jì)制作需要尺寸的模具，該模具能滿足薄氈纏繞針刺要求，并方便操作使 用；
[0041] 2、采用編織方法制備幅寬與管道長(zhǎng)度相匹配的平紋碳布，碳布的面密度為 200-800g/m 2 ;采用纖維短切、機(jī)械梳理、成網(wǎng)的技術(shù)制備短纖維網(wǎng)胎，然后一層網(wǎng)胎+ -層 碳布+ -層網(wǎng)胎疊層經(jīng)針刺制備成薄氈，薄氈的長(zhǎng)度可以做到50m/卷，根據(jù)管道的厚度要 求制作；
[0042] 3、采用薄氈與網(wǎng)胎交替疊層、纏繞在模具上，經(jīng)針刺制成需要厚度的碳纖維預(yù)制 件，預(yù)制件尺寸為內(nèi)徑Φ 1000mm，長(zhǎng)度3000mm，壁厚120mm ;
[0043] 4、碳纖維預(yù)制件浸漬粘結(jié)劑，粘結(jié)劑主要成份可以是水溶性或非水溶性熱固性 樹脂或浙青以及其它多羥基粘結(jié)劑，然后固化，固化溫度為150-400°C，得到成型的管道毛 坯；
[0044] 5、采用端面裁切設(shè)備對(duì)管道毛坯裁切端面，并將模具脫出毛坯；
[0045] 6、將已脫模的管道毛坯放入化學(xué)氣相沉積爐中沉積增密，緩慢加熱升溫到沉積溫 度，溫度為850-1200°C，通入碳?xì)錃怏w和稀釋氣體進(jìn)行化學(xué)氣相沉積增密，時(shí)間70-300小 時(shí)；
[0046] 7、待管道毛坯密度達(dá)到合適的密度（0. 9-1. 5g/cm3)時(shí)，再進(jìn)行內(nèi)、外表面加工，拋 光；
[0047] 8、將拋光后的管道進(jìn)行致密化處理：先用0. 07-0. 5mol/l的硅溶膠溶液均勻噴 涂在管道的內(nèi)表面，晾干，再放入化學(xué)氣相多功能爐中，升溫至1700--1950°C，保持3-5小 時(shí)，再降溫至1000--145(TC，通入碳?xì)錃怏w和稀釋氣體，時(shí)間為3 -15小時(shí)，得到致密層，致 密層厚度為500um ;
[0048] 9、在管道的一端制作內(nèi)螺紋，另一端制作與內(nèi)螺紋相配合的外螺紋。
[0049] 實(shí)施例二：
[0050] 與實(shí)施例一不同的地方是，所述大口徑長(zhǎng)尺寸碳碳復(fù)合材料管道的內(nèi)徑為 Φ 20mm，長(zhǎng)度為500mm，壁厚為3mm，密度為0· 9g/cm3。致密層厚度為10um。其他與實(shí)施例 一相同。
[0051] 相應(yīng)地，大口徑長(zhǎng)尺寸碳碳復(fù)合材料管道的制備方法中，與實(shí)施例一不同的地方 是，制作的碳纖維預(yù)制件尺寸為內(nèi)徑 φ20πιπι，長(zhǎng)度500mm，壁厚3mm ;制備的致密層厚度為 10um。其他與實(shí)施例一相同。
[0052] 實(shí)施例三：
[0053] 與實(shí)施例一不同的地方是，所述大口徑長(zhǎng)尺寸碳碳復(fù)合材料管道的內(nèi)徑為 Φ500mm，長(zhǎng)度為2000mm，壁厚為60mm，密度為1. 2g/cm3。致密層厚度為250um。其他與實(shí) 施例一相同。
[0054] 大口徑長(zhǎng)尺寸碳碳復(fù)合材料管道的制備工藝步驟如下：
[0055] 1、設(shè)計(jì)制作需要尺寸的模具，該模具能滿足薄氈纏繞針刺要求，并方便操作使 用；
[0056] 2、采用編織方法制備幅寬與管道長(zhǎng)度相匹配的平紋碳布，碳布的面密度為 200_800g/m 2 ;采用纖維短切、機(jī)械梳理、成網(wǎng)的技術(shù)制備短纖維網(wǎng)胎，然后一層網(wǎng)胎+ -層 碳布+ -層網(wǎng)胎疊層經(jīng)針刺制備成薄氈，薄氈的長(zhǎng)度可以做到50m/卷，根據(jù)管道的厚度要 求制作；
[0057] 3、采用薄氈與網(wǎng)胎交替疊層、纏繞在模具上，經(jīng)針刺制成需要厚度的碳纖維預(yù)制 件，預(yù)制件尺寸為內(nèi)徑Φ500mm，長(zhǎng)度2000mm，壁厚60mm ;
[0058] 4、碳纖維預(yù)制件浸漬粘結(jié)劑，粘結(jié)劑主要成份可以是水溶性或非水溶性熱固性樹 脂或浙青以及其它多羥基粘結(jié)劑，然后固化，固化溫度為300°C，得到成型的管道毛坯；
[0059] 5、采用端面裁切設(shè)備對(duì)管道毛坯裁切端面，并將模具脫出毛坯；
[0060] 6、將已脫模的管道毛坯放入化學(xué)氣相沉積爐中沉積增密，緩慢加熱升溫到沉積溫 度，溫度為KKKTC，通入碳?xì)錃怏w和稀釋氣體進(jìn)行化學(xué)氣相沉積增密，時(shí)間200小時(shí)；
[0061] 7、待管道毛坯密度達(dá)到合適的密度1. 2g/cm3時(shí)，再進(jìn)行內(nèi)、外表面加工，拋光；
[0062] 8、將拋光后的管道進(jìn)行致密化處理：先用0. 3mol/l的硅溶膠溶液均勻噴涂在 管道的內(nèi)表面，晾干，再放入化學(xué)氣相多功能爐中，升溫至1800°C，保持4小時(shí)，再降溫至 1200°C，通入碳?xì)錃怏w和稀釋氣體，時(shí)間為9小時(shí)，得到致密層，致密層厚度為250um ;
[0063] 9、在管道的一端制作內(nèi)螺紋，另一端制作與內(nèi)螺紋相配合的外螺紋。
[0064] 實(shí)施例四：
[0065] 制作長(zhǎng)度超過單根管道長(zhǎng)度的管道。將上述實(shí)施例一、實(shí)施例二或?qū)嵤├兄?得的單根管道進(jìn)行連接，其具體方法是：將一根管道的具有內(nèi)螺紋的一端與另一根管道的 具有外螺紋的一端對(duì)應(yīng)連接，如此類似進(jìn)行拼接即可。也可在管道與管道之間采用連接件 進(jìn)行連接。
[〇〇66] 以上所述僅為本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施例，本發(fā)明還可以有各種更改和變化。凡在本發(fā) 明的精神和原則之內(nèi)，所作的任何修改、等同替換、改進(jìn)等，均包含在本發(fā)明的保護(hù)范圍之 內(nèi)。
【權(quán)利要求】
1. 一種大口徑長(zhǎng)尺寸碳碳復(fù)合材料管道，其特征是，包括管道本體和位于管道本體內(nèi) 表面上的致密層，所述管道本體由薄氈纏繞層疊而成，所述致密層由噴涂在管道本體上的 硅溶膠溶液經(jīng)化學(xué)方法處理形成。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的大口徑長(zhǎng)尺寸碳碳復(fù)合材料管道，其特征是，所述薄氈包括 上層、中層和下層；上層和下層均是網(wǎng)胎，中層是碳布；所述薄氈由一層網(wǎng)胎、一層碳布、一 層網(wǎng)胎依次疊層經(jīng)針刺制備而成；所述碳布是平紋碳布，碳布的面密度為200-800g/m 2,所 述網(wǎng)胎是通過纖維短切、機(jī)械梳理成網(wǎng)制備而成的短纖維網(wǎng)胎。
3. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的大口徑長(zhǎng)尺寸碳碳復(fù)合材料管道，其特征是，所述大口徑長(zhǎng) 尺寸碳碳復(fù)合材料管道的內(nèi)徑為Φ20-Φ1000πιπι，長(zhǎng)度為500-3000mm，壁厚為3 - 120mm， 密度為 〇· 9-1. 5g/cm3。
4. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的大口徑長(zhǎng)尺寸碳碳復(fù)合材料管道，其特征是，所述致密層厚 度為 10um-500um。
5. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的大口徑長(zhǎng)尺寸碳碳復(fù)合材料管道，其特征是，所述大口徑長(zhǎng) 尺寸碳碳復(fù)合材料管道的一端設(shè)有內(nèi)螺紋，另一端設(shè)有與內(nèi)螺紋相配合的外螺紋；所述同 樣規(guī)格的二根管道能通過其端部的內(nèi)螺紋和外螺紋拼接在一起。
6. -種大口徑長(zhǎng)尺寸碳碳復(fù)合材料管道的制備方法，其特征是，包括以下步驟： A、 制作模具：按需制備管道的預(yù)定設(shè)計(jì)規(guī)格制作出相應(yīng)的專用模具； B、 針刺薄氈：先制備碳布和網(wǎng)胎，采用編織方法制備幅寬與管道長(zhǎng)度相匹配的平紋碳 布，采用纖維短切、機(jī)械梳理、成網(wǎng)的技術(shù)制備短纖維網(wǎng)胎；然后一層網(wǎng)胎加一層碳布加一 層網(wǎng)胎疊層經(jīng)針刺制備成薄氈； C、 制作預(yù)制件：將薄氈與網(wǎng)胎交替疊層、纏繞在模具上，經(jīng)針刺制成需要厚度的碳纖維 預(yù)制件； D、 固化：將上述碳纖維預(yù)制件浸漬粘結(jié)劑，然后固化，得到成型的管道毛坯； E、 裁切脫模：用端面裁切設(shè)備對(duì)管道毛坯裁切端面，并將模具脫出毛坯； F、 沉積增密：將已脫模的管道毛坯放入化學(xué)氣相沉積爐中沉積增密，緩慢加熱升溫到 沉積溫度，通入碳?xì)錃怏w和稀釋氣體進(jìn)行化學(xué)氣相沉積增密； G、 加工拋光：待管道毛坯密度達(dá)到預(yù)定的密度時(shí)，再進(jìn)行內(nèi)、外表面加工，拋光； H、 噴涂、致密化處理：將拋光后的管道進(jìn)行致密化處理：先用硅溶膠溶液均勻噴涂在 管道的內(nèi)表面，晾干，再放入化學(xué)氣相多功能爐中，升溫至1700--1950°C，保持3-5小時(shí)，再 降溫至1000--145(TC，通入碳?xì)錃怏w和稀釋氣體，時(shí)間為3 -15小時(shí)，得到致密層； I、 成品：在管道的一端制作內(nèi)螺紋，另一端制作與內(nèi)螺紋相配合的外螺紋，完成大口徑 長(zhǎng)尺寸碳碳復(fù)合材料管道的制備。
7. 根據(jù)權(quán)利要求6所述的大口徑長(zhǎng)尺寸碳碳復(fù)合材料管道的制備方法，其特征是，在 步驟B中，所述碳布的面密度為200-800g/m 2 ;根據(jù)管道的厚度要求制作薄氈的長(zhǎng)度為50m/ 卷； 在步驟C中，所述預(yù)制件尺寸為內(nèi)徑Φ20-Φ1000πιπι，長(zhǎng)度500-3000mm，壁厚3- 120mm〇
8. 根據(jù)權(quán)利要求6所述的大口徑長(zhǎng)尺寸碳碳復(fù)合材料管道的制備方法，其特征是，在 步驟D中，所述粘結(jié)劑的主要成份是水溶性或非水溶性熱固性樹脂或浙青或多羥基粘結(jié) 齊U ;固化時(shí)，溫度為150-400°C。
9. 根據(jù)權(quán)利要求6所述的大口徑長(zhǎng)尺寸碳碳復(fù)合材料管道的制備方法，其特征是，在 步驟F中，所述沉積溫度為850-1200°C ;通入碳?xì)錃怏w和稀釋氣體進(jìn)行化學(xué)氣相沉積增密， 時(shí)間為70-300小時(shí)。
10. 根據(jù)權(quán)利要求6所述的大口徑長(zhǎng)尺寸碳碳復(fù)合材料管道的制備方法，其特征是，在 步驟G中，管道毛坯密度達(dá)到的合適密度是0. 9-1. 5g/cm3 ; 在步驟Η中，所述硅溶膠溶液是0. 07-0. 5mol/l的硅溶膠溶液；所述致密層厚度為 10um-500um〇
【文檔編號(hào)】F16L9/14GK104086204SQ201410355329
【公開日】2014年10月8日 申請(qǐng)日期:2014年7月24日 優(yōu)先權(quán)日:2014年7月24日
【發(fā)明者】陳旭軍, 陳湘 申請(qǐng)人:湖南金石新材料有限公司