高温抗氧化柔性石墨密封材料的制备和性能研究

12FLUID MACHINERY Vol. 45,No.2,2017文章编号：1005 -0329(2017)02-0012-05

高温抗氧化柔性石墨密封材料的制备和性能研究

谢苏江，朱宗亮

(华东理工大学，上海200237)

摘要：柔性石墨作为密封材料广泛应用于石油、汽车、化工、核电等密封领域，但其高温抗氧化性能差大大限制了它 的使用范围和应用寿命。本文采用浸渍法制备了高温抗氧化柔性石墨密封材料，系统研究了制备工艺等对其密度、抗拉 强度、热失重、压缩回弹性能及密封性能的影响，结果表明所制备的高温抗氧化柔性石墨密封材料具有较好的高温抗氧 化性能，同时具有较好的压缩回弹性能和优异的密封性能，可以广泛应用于高温氧化场合。

关键词：柔性石墨;抗氧化;密封性能

中图分类号：TH136 ;TB302 文献标志码： A d〇i：10. 3969/j. issn. 1005 -0329. 2017. 02. 003

The Preparation and Performance Research of High Temperature Oxidation Resistance of Graphite

XIE Su-jiang,ZHU Zong-liang

(East China University of Science and Technology,Shanghai 200237,China)

Abstract：Flexible graphite is widely used in petrochemical,automotive,nuclear power and other fields. As a sealing material, the easy oxidation of flexible graphite under the condition of high temperature and oxygen enrichment of weightlessness disadvanta­ges limits the scope of its use. This paper adopts the impregnation method for the high temperature oxidation resistant flexible graphite ； at the same time, the change rules of density, tensile strength, compression resilience and sealing performance of high temperature oxidation resistant flexible graphite were studied by experiments. High temperature oxidation resistant flexible graphite prepared by the whole impregnation process can be used as a substitute for domestic and foreign products.

Key words ：flexible graphite ； oxidation resistant ； sealing performance

i前言

柔性石墨（Flexible Graphite,简称F G)通常由 天然鳞片石墨制备成的石墨层间化合物经高温膨 化而成，与金刚石、碳60、多孔碳、碳纳米管、石墨 烯等互为同素异形体[1]。柔性石墨不仅保持了 天然石墨优异的物理化学特性，同时又具有其特 有的高压缩变形和回弹能力、低应力松弛性能和 较好的柔软性及密封性，是石油、化工、汽车、核电 等领域高温、极低温、强辐射等极端工况下的首选 密封材料[2’3]。

但是柔性石墨和其他碳材料一样都存在着高 温富氧条件下易氧化腐蚀的缺点，而且由于其比 表面积大、孔隙率高等特点，其高温抗氧化性能比 一般碳材料更差。研究表明，在空气中当温度超

收稿日期：2016 -07 -22过450°C时，柔性石墨就会发生较严重的氧化失 重，且随着温度的升高和时效时间的增加，氧化失 重越明显[4]。氧化失重使柔性石墨的结构受到 严重的破坏，性能受到影响，这大大限制了柔性石 墨的使用范围和应用寿命。因此，解决柔性石墨 高温抗氧化性能差的问题就显得尤为重要。

近年来，碳石墨材料的抗氧化研究和应用取 得了不断发展，不同领域及学科的科技工作者研 究开发了多种碳石墨材料的抗氧化方法，具体的 技术途径主要有:溶液浸渍法、基体改性法和表面 涂覆抗氧化涂层法[4~7]，但对柔性石墨密封材料 的抗氧化研究相对较少。

本文主要通过溶液浸渍法制备了一种高温抗 氧化柔性石墨密封材料，并对其相关性能进行了 较系统的研究。

2017年第45卷第2期

流体机械

13

〇1 ：——

w

500

700 900

温度（°c )

图3

柔性石墨在不同氧化温度下的氧化失重率

由图3可见，经表面浸渍和整体浸渍处理的 柔性石墨的氧化失重率明显低于未经处理的柔性 石墨的氧化失重率，即经过浸渍处理后，柔性石墨 的高温抗氧化性明显提高。且在同一温度下，整 体浸渍工艺制备的抗氧化柔性石墨的氧化失重率 略低于表面浸渍工艺制备的抗氧化柔性石墨，即 整体浸渍工艺优于表面浸渍工艺。

3.2氧化时间对抗氧化柔性石墨氧化失重率的

影响

实际应用中，材料抗氧化性能的好坏与其时

图2

梯度升温曲线

3高温抗氧化柔性石墨密封材料的性能研究以一^定温度和一^定时间时效后柔性石墨的氧

化失重为评定指标，对所制备的高温抗氧化柔性 石墨的相关性能进行了一系列研究，并与相关材 料进行对比分析。

3.1氧化温度对抗氧化柔性石墨氧化失重率的

影响

将不同的柔性石墨放入马弗炉中进行高温灼

烧，测定在不同氧化温度下的氧化失重率0图3 示出了不同柔性石墨分别在500，600，700，800， 900 °C 下氧化时效1 h 的氧化失重率。

2

高温抗氧化柔性石墨密封材料的制备

2.1 试验原料

试验原料如表1所示。

表1

主要试验原料

名称主要性能与规格生产厂家柔性石墨含碳量参98% 密度 0• 91 (g/cm 3 )上海骏焱化工材料

有限公司无水乙醇入11，纯度>99.9%

上海凌峰化学试剂

有限公司磷酸AR ，纯度彡85%上海凌峰化学试剂

有限公司四硼酸钠AR ，纯度 >99%无锡展望化工试剂

有限公司磷酸二氢钾

A R ，纯度彡99.5%

天津鼎盛鑫化工

有限公司

2.2 制备工艺

采用整体浸渍和表面浸渍2种制备工艺制备 高温抗氧化柔性石墨密封材料，具体工艺如图1 所示。

1预处理I

— 1 ! ：

\ \

表

|柔性石墨板材|!|浸渍剂配置|1|柔性石墨粉末|丨

整面、与

：体、与=>

I 浸渍处理M 浸渍处理剂浸渍处_ ^

淸

处\ \

\

1 !

处理

1烘干1 !

! |烘干成型| !理

_____________」

：_____________」

I 梯度升温处理I I 高温抗氧化柔性石墨I

图1

高温抗氧化柔性石墨密封材料的制备工艺

2.3 浸渍剂的配制

浸渍法制备高温抗氧化柔性石墨密封材料的 关键在于浸渍剂的配置，本文采用四硼酸钠、磷酸 和磷酸二氢钾为主要原料按一定比例均勻混合配 置成抗氧化浸渍剂，并通过正交试验法优化了浸 渍剂的配方^l f l ]s

2.4 浸渍与后处理工艺

将配置好的浸渍剂按图1的程序分别对柔性 石墨板材和粉末进行表面和整体浸渍处理，浸渍 时间约3 h ，然后按图2进行梯度升温处理，从而 获得处理好的抗氧化柔性石墨制品。

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