一种碳纤维增强聚苯硫醚纳米复合材料及制备方法和新型散热管应用技术

本发明专利技术公开了一种具有高强度、低比重、高导热、高阻燃、高防腐的碳纤维增强聚苯硫醚(PPS)纳米复合材料及制备方法和新型散热管应用。该新型复合材料可用在发电工厂中使用的脱硫减排、抗腐蚀新型散热管中，具有：强度高、比重小、韧性好、导热好、耐磨损、耐腐蚀、耐疲劳、生产工艺简单、制件加工成本低等优异性能与突出特点。

【技术实现步骤摘要】
一种碳纤维增强聚苯硫醚纳米复合材料及制备方法和新型散热管应用
本专利技术涉及一种具有高强度、低比重、高导热、高阻燃、高防腐的碳纤维增强聚苯硫醚(PPS)纳米复合材料及其制备方法，属于高性能化、轻量化、环保化、可回收循环使用的功能复合材料和新型散热管应用。
技术介绍
2014年5月，国家发改委、环保部和国家能源局联合印发发改能源【2014】2093号《煤电节能减：排升级与改造行动计划(2014-2020年)》，要求新建燃煤机组平均煤耗：≤300g/kWh，现役燃煤机组平均煤耗：≤310g/kWh，本行动计划实施后，节能减排成为各个火力发电企业亟待解决的迫切问题和工作重点。在火力发电中，锅炉的排烟损失占锅炉热损失的70％～80％，仅仅锅炉的排烟温度高所造成的能源损失相当可观，因此，回收烟气中的余热是火电厂节能减排的主要方式。在火电厂现有运行系统中进一步降低烟气温度，不但会回收大量的余热，而且会大大降低粉尘排放量，通过回收的余热提高净烟气排放温度，会明显改善火电厂周边的环境状况，其综合效益非常显著。近年来，各大电力企业正在致力于通过以下方式实现烟气余热的深度回收和再利用。1、在空气预热器后面增设低温省煤器(ND钢材质)，将空气预热器流出的约130℃的高温烟气冷却到约100℃，再进入电除尘设备；将烟气温度降低约30℃，这样可以大大提高电除尘效率，有助于实现超净排放；并且低温烟气对脱硫系统防腐材料的温度破坏也会大大降低，极大地延长了脱硫系统防腐体系的使用寿命与脱硫效率；与130℃的高温烟气相比，低温烟气对脱硫塔中的水分蒸发量大大降低；回收了大量余热，变废为宝，变有害为有益。2、在脱硫塔后面，烟囱前面增设一台烟气加热器，利用烟气冷却器回收的热能加热从脱硫塔中排出的低温烟气，温度从50℃加热到近80℃后排放。烟气温度提高后，烟气的大大减少，冷凝液对烟囱内壁的腐蚀破坏减小，烟囱使用寿命提高。烟气换热器是余热回收再利用系统中的关键设备，目前，主要有回转式换热器和管式换热器两种结构形式，与以前大量使用的回转式换热器相比，管式换热器具有运行费用低、没有烟气泄露、烟气阻力小、换热效率高的显著优点，但是，目前在低温烟气余热回收系统推广使用的进度非常缓慢，可靠性、换热效率还比较低，究其主要原因是换热器的关键部件——换热管的材料没有得到很好解决。烟气中含有大量的S、N、Cl、P、F的氧化物，当烟气温度降到露点以下时，烟气结露形成冷凝液，冷凝液中会含有硫酸、盐酸、硝酸、磷酸和氢氟酸五种腐蚀介质，这种混合酸液具有极强的腐蚀性，经电力系统多年现场使用验证，除哈氏合金外，其它金属材料均不耐烟气冷凝液的腐蚀破坏，哈氏合金由于价格极其昂贵而很难大量使用。目前，国内外有的企业采用改性聚四氟乙烯管(PFA管)或碳钢管外包(或涂)覆聚四氟乙烯等塑料材料作为换热管，虽然很好的解决了腐蚀问题，但是由于塑料材料的导热性差，导致整台设备的换热效率很低。聚四氟乙烯管换热器不但造价昂贵，而且，由于采用很薄的约0.2mm壁厚的PFA管作为换热管，其耐压性能低，长期耐磨性差，使用寿命短，烟气流通阻力大。有的企业还采用搪瓷管，由于生产这种搪瓷管用的瓷釉的耐腐蚀性能较差，且搪瓷厚度薄，0.2mm，关键是这种管的搪瓷层会存在针孔，通不过高电压检测，因此当管表面结露形成酸液时会很快腐蚀穿孔。换热管材料的耐腐蚀性能成为管式换热器大量推广使用的最大障碍。针对烟气冷凝液腐蚀介质多样、腐蚀机理复杂、腐蚀性强、以及换热面积大的特点，通过调整配方、改进设备、提升工艺等方法，突破常规的生产技术，研制出强度高、换热性能好的耐腐蚀、高效换热的碳纤维增强聚苯硫醚(PPS)纳米复合材料。表2.碳纤维增强聚苯硫醚(PPS)纳米复合材料的主要技术参数指标：高效换热的碳纤维增强聚苯硫醚(PPS)纳米复合材料的研发成功，彻底解决了管式换热器换热管材料导热性能差、不耐烟气冷凝液腐蚀、以及耐磨性能差的问题，与哈氏合金管、钛合金管、双相不锈钢管、聚四氟乙烯管、金属外包聚四氟乙烯管等相比较，具有很大的性能和价格优势。高效换热的碳纤维增强聚苯硫醚(PPS)纳米复合材料是由无机和有机材料通过复合而成的新材料，通过大量的腐蚀、高温、高温急变、磨损等试验验证，通过各项严格的腐蚀、温度、力学破坏试验验证，具有以下优良性能：1)、优良的耐腐蚀性，可在170℃15％的盐酸、45％的硫酸、15％的硝酸和磷酸、5％的氢氟酸介质中长期无腐蚀；2)、优良的耐温性能，最高使用温度300℃，长期可靠使用温度260℃；3)、优良的导热性能，导热系数可达5-20W/(m.K)，不锈钢材料为16.3W/(m.K))；4)、强度高，通过高温高压成型，使材料的致密性和结合强度大大提高，从而大幅提高换热管的强度和承压性能。最高使用压力可达2.0MPa，长期可靠使用压力可达1.6MPa。5)、优良的阻垢性和较好的耐磨性能，由于成型工艺的改进，新研制的换热管表面光滑，而且在高温、高压成型时，形成的表面层非常致密。另外，配方中添加的无机材料又具有优良耐磨性能，所以，这种换热管不但具有优良的耐磨性，由于表面光滑，阻垢性也特别好，表面不易结垢。特别在腐蚀环境下使用，比碳钢管的阻垢性能更加优良。6)、优良的抗折性能，由于添加了一定比例的微米级碳纤维作为增强材料，而且通过高温、高压成型，提高了有机材料和碳纤维的结合强度，使换热管具有优良的抗折强度。7)、抗渗性，换热管内打1.0MPa水压，保压24小时，观察管子外表，没有发现渗漏现象，表压没有变化。8)、质量轻，碳纤维增强聚苯硫醚纳米复合材料制作的耐腐蚀、高效换热管的比重为1.2～1.85g/cm3，碳钢为7.8g/cm3，316L为7.98g/cm3。9)、环保优势，复合材料可回收重复利用。碳纤维增强聚苯硫醚(PPS)纳米复合材料换热管的重要意义与应用1、MGGH系统采用碳纤维增强聚苯硫醚(PPS)纳米复合材料换热管的MGGH系统，在脱硫前可以把烟气温度降低至60°，烟气进入脱硫系统后，无需淋水降温，可大幅度减少脱硫用水；脱硫后的烟气再热器根据需求可以加热烟气至80°以上。复合材料换热管组成的MGGH系统，在低温烟气环境完全不会腐蚀，且耐磨性好，无结垢，寿命预计可达30年以上。2、加热冷凝水或进炉空气碳纤维增强聚苯硫醚(PPS)纳米复合材料换热管可以完全取代目前的低温省煤器换热管，并且可以降低烟气温度至60°甚至更低(海水脱硫)，热水可以加热冷凝水或进炉空气。换热器不会产生腐蚀，可以大幅度提高节能降耗的效果。3、工业锅炉及供热锅炉低温烟气余热回收系统(填补国内空白)由于现有换热器材料的耐腐蚀性能不能满足余热回收的要求，导致目前工业及供热锅炉尾部烟气进入环保处理设备前的排放温度普遍在120℃以上，该部分余热无法回收再利用造成了巨大的能源浪费。采用本专利技术复合材料换热管可以有效解决上述问题，可将120℃的烟气换热降温至80℃再排放进入环保处理设备，这部分的余热回收可用于加热回水或进炉空气，得以再利用。每利用10～15℃的热量可以节约燃煤1～2克，这对提升企业的经济效益会产生很大帮助，同时对环保产生积极影响。4、石油化工耐强腐蚀工况的换热元器件由于本专利技术的复合材料换热管具有超强的耐腐蚀性能和力学性能，可本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种具有高强度、低比重、高导热、高防腐、高阻燃的碳纤维增强聚苯硫醚(PPS)纳米复合材料及制备方法，其特征在于，所述复合材料中包含：短切碳纤维、热塑性树脂基体、填充料和加工助剂，且组成的多尺度、多相态、多组份的共混物复合体系；其中，聚苯硫醚(PPS树脂粉料)重量含量为：35‑45wt％；碳纤维(CF)重量含量为：5‑15wt％；填充料(导电石墨)重量含量为：25‑40wt％；各种添加剂的总重量为：5‑35wt％。

【技术特征摘要】
1.一种具有高强度、低比重、高导热、高防腐、高阻燃的碳纤维增强聚苯硫醚(PPS)纳米复合材料及制备方法，其特征在于，所述复合材料中包含：短切碳纤维、热塑性树脂基体、填充料和加工助剂，且组成的多尺度、多相态、多组份的共混物复合体系；其中，聚苯硫醚(PPS树脂粉料)重量含量为：35-45wt％；碳纤维(CF)重量含量为：5-15wt％；填充料(导电石墨)重量含量为：25-40wt％；各种添加剂的总重量为：5-35wt％。2.根据权利要求1所述的碳纤维增强聚苯硫醚(PPS)纳米复合材料，其特征在于，所述的复合材料粒料的长度尺寸为：3-12mm，其中优选的粒料长度尺寸为：5-8mm，直径尺寸为：3-6mm。3.根据权利要求1-2所述的碳纤维增强聚苯硫醚(PPS)纳米复合材料，其特征在于，在加工成形部件制品中的碳纤维(CF)保留长度尺寸为：0.2-12mm，其中优选的碳纤维(CF)保留长度尺寸为：5-8mm，且满足正态分布要求≥75％。4.根据权利要求1-3所述的碳纤维增强聚苯硫醚(PPS)纳米复合材料，其特征在于，所述复合材料粒料的比重为：1.20-1.89g/cm3。5.根据权利要求1-4所述的碳纤维增强聚苯硫醚(PPS)纳米复合材料，其特征在于，所述热塑性树脂包括：聚苯硫醚(PPS)及其与聚酰胺(PA)、聚碳酸酯(PC)、聚对苯二甲酸丁二醇酯(PBT)、聚对苯二甲酸乙二醇酯(PET)、聚甲醛(POM)、聚酮(POK)、聚醚酮(PEK)、聚醚醚酮(PEEK)、聚苯硫醚(PPS)、聚砜(PSU)、聚醚砜(PES)、聚苯砜(PPSF)、聚硫醚砜(PTES)、聚芳硫醚(PAS)、聚酰亚胺(PI)、聚酰胺酰亚胺(PAI)、聚醚酰亚胺(PEI)、热塑性聚酯(TPEE)、热塑性聚氨酯(TPU)等中的一种或两种以上品种，再经过物理机械共混或化学改性形成的多相态、多组份聚合物共混物。6.根据权利要求1-5任一项所述的碳纤维增强聚苯硫醚(PPS)纳米复合材料，其特征在于，所述的填充料(导电石墨)之中含有：15-40wt％微米级导电石墨填充料、0.3-5....

【专利技术属性】
技术研发人员：方鲲，
申请(专利权)人：青岛创合新材料有限公司，
类型：发明
国别省市：山东,37