氟塑料_石墨板式换热器板片材质的研究

氟塑料-石墨板式换热器板片材质的研究

易戈文刘　刚　牛　纹

(化工部化工机械研究院)

摘　要　通过对氟塑料-石墨板式换热器复合材料板片材质的选配,原材料的粒度、用量等对板材力学性能、导热性能、耐蚀性能的影响,以及增强材料的增强效果等方面的研究,获得了一种综合性能优良的新型氟塑料-石墨复合板材。

关键词　氟塑料-石墨　板式换热器　板片材质

氟塑料-石墨板式换热器是笔者研制的一种新型通用热交换设备,它具有耐强腐蚀、耐温高、传热效率高、装修方便、结构紧凑、占地面积小等优点。该产品在维纶厂和农药厂使用近两年,具有良好的性能和较长的使用寿命。

本文介绍了板片材质的选配,原材料的粒度、用量对板材力学性能、导热性能、耐蚀性能的影响,及增强材料等方面的研究。

1　试样及测试方法

1.1　试样制备

试样制备的步骤如图1所示。

1.2　测试项目及方法

1.2.1　线膨胀系数测定,按GB3074.4-82规定。

1.2.2　弯曲强度测定,按GB9341-88规定。

1.2.3　拉伸强度测定,按GB1040-79规定。

1.2.4　压缩强度测定,按GB1041-79规定。

1.2.5　冲击强度测定,按GB1043-79规定。

1.2.6　体积密度测定,按GB1033-86规定

。

图1

1.2.7　导热系数测定,按GJB1201.1-91和G JB330-87规定。

2　氟塑料的确定

2.1　氟塑料种类的确定

采用氟塑料F A和F B两种料分别复合,它们各自的力学性能测试见表1。

表1　氟塑料种类对试样强度的影响

试样号氟塑料

石墨粉

目

增强材料

%

冲击强度

J·cm-2

弯曲强度

M Pa

压缩强度

M Pa 1#F A16010.5858.7475.85 2#F B16010.4145.6061.60

第23卷　第6期 化　工　机　械 325易戈文,男,1968年5月生,助理工程师。甘肃省兰州市,730060。

从表1看,含F A 料的复合材料的机械强度比含F B 料的高。用F B 料时,成型工艺不好控制,F B 料易热分解,不及用F A 料时易成型。因此,本文采用F A 料进行试验。

2.2　F A 料含量对复合材料弯曲强度和压缩强度的影响

板式换热器工作时所受的力主要来自板片两边的压差引起的弯曲应力和板片密封周边上所承受的螺栓压紧力。板材试样通过万能材料试验机测试,结果绘成图2中的曲线。从图2上可看出,复合材料的弯曲和压缩强度随F A 料含量的增加而增大。其强度除了取决于石墨粉及F A 料本身的强度外,还取决于F A 料与石墨颗粒之间的粘结程度。随着F A 含量的增加,熔融的F A 包覆浸润石墨粒子及填充石墨内部孔隙微裂纹的程度增加

[1]

,料间的粘结力就增大

。

图2　F A 料含量对弯曲强度及

压缩强度的影响曲线

2.3　F A 料含量对复合材料线胀系数的影响非金属换热器长期使用在一定温度下的

工况中,板片会产生线性膨胀,其大小程度会影响板片间的密封性能。虽然石墨的线胀系数很小

[1]

,但F A 料的线胀系数很高(72～118

×10-6

℃-1

)

[2,3]

。

板片试样经化工部非金属材料和设备监

测中心按GB 3074.4-82规定测试,得到图3

中的曲线。从图3可知,复合材料的线性膨胀因F A 料含量的增加而增大

。

图3　F A 料含量对复合材料

线胀系数的影响曲线

3　石墨粉的确定

石墨与其他非金属材料相比具有一个最显著的特点,就是导热系数高达116.3～235W /(m ·K)

[4]

,以至超过了许多金属材料

(表2),所以采用石墨作为复合材料的导热

基体。

表2　几种常用材料的导热系数对比

材 料

导热系数W ·m -1·K -1

铜(纯)393钢(0.2%)50钛16Has telloye 12塑料(PV C)

0.17DIABON-F100板片[5]20氟塑料-石墨复合材料板片

17～65.21石墨116.3～235F A 、F B

0.17～0.19

石墨可分为天然石墨和人造石墨两种。通过腐蚀实验发现,采用天然石墨不及人造石墨的耐蚀性能好,这是因为天然石墨的杂质含量高于人造石墨,且人造石墨价格便宜,所以本研究采用人造石墨粉。其主要性能见表3。

3.1　石墨粉粒度配比对复合材料机械强度的影响

326 化　工　机　械 1996年

表3　人造石墨的主要性能

项 目

数 值熔点/℃

4000比热容/J ·kg -1·℃-1(20℃)711.8导热系数/W ·

m -1·

℃-1

116.3～235线膨胀系数/℃-1 1.98×10-6

比电阻/Ψ·mm (

8.35～10.3)×10-3

弹性模量/M Pa 10500体积密度/g ·cm -3

1.73孔隙率/%

23

抗压强度/M Pa 58.5弯曲强度/M Pa

6～28.1

为了使复合材料具有较高的密度、较小的孔隙度和较大的机械强度,笔者采用不同

目数的石墨颗粒,按一定的目数比例配比使用

,即大颗粒间的空隙由中等颗粒或细颗粒来填充。图4中的曲线是以80目的粒度为下限,逐项配入120目(A 1),140目(A 2),160目(A 3),180目(A 4),200目(A 5)的石墨粒子且F A 含量、增强材料含量一定的实验结果。

图4　石墨粉目数配比与试样强度的关系从图4可知,复合材料的强度除了取决于原材料本身的强度外,更重要的还取决于石墨粉的目数配比。结合复合材料断面的电子形貌图5、6,可分析如下[5]

:

a .目数大的石墨的作用是在复合材料中填充大颗粒间的空隙,并增加与F A 料之间的粘结作用,以提高试样的体积密度和强度。

b .目数小的石墨在复合材料中起骨架作用,提高制品的耐热震性,其用量合适,可

增大复合材料的内聚强度,降低复合材料板片出模时的弹性应力,防止裂纹产生。

图6　断面电子形貌 ×200

石墨粉:80～180目,增强材料≤1%

c .目数大的用量过多或全部用大目数石墨粉,则因颗粒表面积增大而所用的F A 料增加,复合材料的导热系数降低(图7);同时由于大小颗粒间相互咬合较少,内聚力较小,板片脱模时易开裂。同样,小目数石墨粉过多,则复合材料的孔隙相对增大,从图4上亦可见复合材料强度下降。

3.2　石墨粉含量对复合材料导热系数的影响

图7所示的是石墨粉含量不同的复合材料随温度变化时的导热系数拟合曲线。从曲线上可看出,试样的热导率随石墨粉的含量的提高而增大。其主要原因是石墨除了耐腐蚀性好外,其导热性也相当好,热导率高达

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