DE3116309A1 - Graphitrohr - Google Patents

Description

Graphitrohr

Die Erfindung betrifft ein Graphitrohr, besonders ein mit einem Kunstharz imprägniertes Graphitrohr.

Graphit - unter dem Terminus werden im folgenden auch Kohlenstoff und Kohlenstoff-Graphitgemische verstanden - ist vergleichsweise gegen hohe; Temperaturen und aggresive Stoffe beständig und weist praktisch metallische Leitungseigenschaften auf und wird entsprechend - auch als Konstruktionsteil - oft unter Bedingungen verwendet, denen metallische und keramische Werkstoffe im allgemeinen nicht gewachsen sind. Graphitteile sind herstellungsbedingt porös und werden, falls eine Verminderung ihrer Permeabilität nötig ist, mit einem Kunstharz oder anderen durch die Anwendungsbedingungen bestimmte Mittel imprägniert. Imprügnicrte Graphite sind praktisch gegen Fluide undurchlässig und es ist bekannt, diese Graphite etwa in der Form von Rohren als Element von Chemieapparaten zu verwenden.

Eine oftmals weniger befriedigende Eigenschaft des Werkstoffs Graphit ist die verhältnismäßig kleine Festigkeit, besonders bei stoßartigen und schwellenden Belastungen. Seit einer Zeit sind faserförmige Graphite bekannt, die diesen Nachteil nicht aufweisen und zu den Werkstoffen mit der größten Festigkeit gehören. Graphitfasern werden vor-

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zugsweise zur Verstärkung von thermo- und duromeren Kunstharzen verwendet und zu diesem Zweck beispielsweise mil einer Kunstharz lösung beschichtet und in dicker Form v.w flächenhaften Gebilden ausgelegt oder gewickelt. Duromere Harze werden durch eine besondere Temperaturbehandlung gehärtet und gegebenenfalls auch durch Erhitzen dor Formlinge auf eine höhere Temperatur pyrolisiert. Im letzten Fall erhält man mit Kohlenstoffasern verstärkte Kohlenstoffkörper, die eine hohe Festigkeit und eine sehr günstige thermische Beständigkeit aufweisen. Der Faseranteil dieser Körper beträgt im allgemeinen mehr als 50 %. Es ist ebenfalls bekannt, Kohlenstoffasern in Form von Geweben, Bändern und dergleichen zu verarbeiten und entsprechend der erwarteten mechanischen Beanspruchung der fertigen Körper zu orientieren. Kohlenstof f aservorstäi-kl e Kohlenstoffkörper sind wegon des hohen Preises dcM- Graphitfasern und des verhältnismäßig aufwendigen Herstellungsverfahrens sehr teuer, so daß die Verwendung dieses Werkstoffs auf Gebiete beschränkt geblieben ist, in denen wie bei der Luftfahrt - Gewichtseinsparungen ein wesentlicher Vorteil sind.

Durch die DE-PS 19 33 369 ist es schließlich bekannt, metallische Konstruktionsteile, wie Bleche oder Rohre, zur Verbesserung der Korrosionsbeständigkext mit einer Graphit-Kurzschnittfasern enthaltenden Harzmasse zu beschichten. Die beschichteten Teile weisen unter bestimmten Bedingungen eine ausreichende Korrosionsfestigkeit auf, wegen der begrenzten thermischen Beständigkeit ist diese Lösung aber nicht immer befriedigend. Zudem wird durch die Beschichtung der thermische Widerstand erhöht, so daß bei einer Verwendung als wärmeaustauschendes Element verglichen mit einem Graphitrohr nur eine geringe Effektivität erreicht wird.

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Der Erfindung liegt entsprechend die Aufgabe zugrunde, die Festigkeit, vor allem die dynamische Festigkeit von Graphitrohren mit technisch einfachen Mitteln zu verbessern, ohne den thermischen Widerstand der Rohre zu erhöhen.

Die Aufgabe wird mit einem Graphitrohr der eingangs genannten Art dadurch gelöst, daß das Rohr von wenigstens einer Schar Graphit-Faserbündel umspannt ist, die Faserbündel im Abstand voneinander angeordnet und kraftschlüssig mit dem Rohr verbunden sind.

Die Erfindung beruht auf der Erkenntnis, daß die Festigkeit von Graphitrohren mit einem wesentlich kleineren Faseranteil als in kohlenstoffaserverstärktem Kohlenstoff durch Umspannen der Rohre mit Faserbündeln erhöht werden kann. Der Verstärkungseffekt kann in einfacher Weise durch die Fasermenge und die Orientierung der Faserbündel relativ zur Belastungsrichtung den jeweiligen Bedingungen angepaßt werden, so daß auch bei sparsamer Faserverwendung eine technisch befriedigende Lösung erzielt wird. Hin zusatz1icher Vorteil ist die einfache Herstellung der Rohre.

Bevorzugt werden mehrere, gegeneinander geneigte Scharen von Faserbündeln, die ein das Graphitrohr umspannendes Netzwerk bilden. Die Faserbündel sind dabei beispielsweise um ± 80° gegen die Längsachse des Rohrs geneigt. Nach einer anderen Ausführung weisen die Faserbündel eine beim Wickeln erzeugte Vorspannung auf, wodurch die für Graphit besonders ungünstigen Zugspannungen wenigstens zu einem Teil unterdrückt werden. Besonders einfach sind Faserbündel in Form eines geflochtenen Schlauchs enthaltende Anordnungen.

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Das Verhältnis Abstand benachbarter Faserbündcl/Bündeldurchmesser ist eine Funktion der mechanischen Belastung des Rohrs und beträgt vorzugsweise 5 : 1 bis 10:1. Entsprechend folgen in jeder gegen die Längserstreckung der Faserbündel geneigten Richtung alternierend verhältnismäßig dünne Faserstreifen und verhältnismäßig breite unbedeckte Streifen der Rohroberfläche, so daß der dem Verhältnis proportionale thermische Widerstand der Rohre nur unwesentlich verändert und beispielsweise die Austauschleistung von derartige Rohre enthaltende Rohrbündelwärmeaustauscher nur geringfügig von nicht verstärkten Rohren verschieden ist. Wegen des hohen Festigkeitszuwachses der umspannten Rohre ist es zudem möglich, den geringen Verlust falls nötig ohne wesentliche Festigkeitseinbuße durch eine Verringerung der Rohrwandstärke auszugleichen. Die kraftschlüssige Verbindung zwischen dem Rohr und den Faserbündeln besteht aus dünnen Brücken eines gehärteten Harzes, das eine dem Verwendungs zweck entsprechende chemische und thermische Beständigkeit aufweist. Besonders geeignet sind die als Acrylharze bezeichneten Copolymerisate von Acryl- und Methacrylsäure mit z.B. Butadien, Styrol usw.

Zum Herstellen der erfindungsgemäßen Rohre werden Graphit faserbündel in Harz oder Harzlösungen getaucht und dann auf das Graphitrohr gewickelt. Der Abstand benachbarter Bündel und ihre Orientierung werden dabei so eingestellt, daß die nötige Festigkeit mit einer möglichst kleinen Bedeckung der Rohroberfläche erreicht wird. Bei der Verwendung flächenhafter Gebilde, z.B. netzartiger Gewebe oder Geflechte ist es zweckmäßig, die Gewebeart nach den gleichen Prinzipien auszuwählen. Vorspannungen können in bekannter Weise durch Aufziehen der Faserbündel unter einer Zugspannung erzeugt werden. Zur kraftschlüssigen Fixierung der Faserbündel wird das Rohr auf etwa 120 bis

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180 C erwärmt, wobei das Harz härtet und feste, Kräfte übertragende Brücken bildet. Für die Herstellung der Brücken eignen sich in bekannter Weise auch andere Harze als die oben beschriebenen Acrylharze; z.B. Epoxy-, Polyester- oder Phenolformaldehyd-Harze. Ein Vorspannungseffekt ergibt sich zwangsläufig beim Erhitzen der Rohre aufgrund der sehr kleineren Dehnung der Faserbündel und der wesentlich größeren Dehnung der Rohre senkrecht zur Rohrachse.
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Die Erfindung wird im folgenden beispielhaft erläutert:

Auf Graphitrohre mit einem Außendurchmesser von 50 mm und einem Innendurchmesser von 37 mm wurden Graphitfaserbündel aus ca. 6.000 Filamenten kreuzweise aufgewickelt.

Der Filamentdurchmesser betrug etwa 8 ,um und die Zug-

festigkeit des Bündels ca. 3.000 N/mm . Die Faserbündel waren zuvor durch ein Bad aus styrolmodifiziertem Acrylharz gezogen worden und wiesen an der Oberfläche eine dünne Harzschicht auf. Das Harz wurde durch Erhitzen des umwickelten Rohrs auf 120°C gehärtet. Ca. 20 % der Rohroborf lache war von Fasern eingenommen, die in einem Winkel von ± 84° gegen die Längsachse des Rohrs geneigt waren und deren .gegenseitiger Abstand ca. 10 mm betrug.

In einem ersten Versuch wurden diese und übliche Graphitrohre bis zum Bersten mit Druck beaufschlagt. Die Berstdrücke betrugen 105 bzw. 75 bar. Die normalen Graphitrohre waren nach diesem Versuch bei jedem überdruck undicht, wohingegen die erfindungsgemäßen Rohre bis zu einem Druck von ca. 8 bar keine Undichtigkeiten äufwie-SLMi und sich nicht von umjeschädigtcn Rohren unterschieden . Die "Ausheilung" von Undichtigkeiten ist besonders wertvoll für in Rohrbündelwärmeaustauschern verwendeten Rohren, die unvermeidbaren Druckstößen ausgesetzt sind und deren Betriebsdruck· weniger als 8 bar beträgt. Rohre

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für Rohrbündelwu'rineaiiij Launcher werden -/.weck nun Iq hi:; zu den Rohrenden -umspannt, so daß die Faserbündel durch das Einkitten der Rohre in Rohrboden fixiert werden.

In einem zweiten Versuch wurde die Änderung der Wärmeleitfähigkeit bei einer vorgegebenen Wärmeleistung bestimmt. Die relative Leitfähigkeit bezogen auf übliche Graphitrohre betrug 0,96 für erfindungsgemäße Rohre und 0,64 für Graphitrohre, die an der äußeren Oberfläche einen durchgehenden dünnen etwa 60 Vol.?. Graphit.fasern enthaltenden Harzfilm aufwiesen.

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Claims (7)

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   Patentansprüche

   Graphitrohr/ vorzugsweise ein mit einem Kunstharz imprägniertes Graphitrohr, dadurch g e k e η η zeichnet, daß das Rohr von wenigstens einer Schar Graphit-Faserbündel umspannt ist, die Faserbündel in Abstand voneinander angeordnet und kraftschlüssig mit dem Rohr verbunden sind.
2. 2. Graphitrohr nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet , daß die Faserbündel ein das Rohr umspannendes Netzwerk bilden.
3. 3. Graphitrohr nach Anspruch 1 und 2, dadurch g e kennzeichnet, daß die Fasern in Form eines Schlauchs das Rohr umspannen.
4. 4. Graphitrohr nach Anspruch 1 und 3, dadurch gekennzeichnet., daß das Verhältnis Abstand benachbarter Faserbündel/Durchmesser der Faserbündel 5 : 1 bis 10 : 1 beträgt.
5. 5. Graphitrohr nach Anspruch 1 bis 4, dadurch g e ke'nnzeichnet , daß die Faserbündel vorgespannt sind.
6. 6. Graphitrohr nach Anspruch 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet , daß die kraftschlüssige Verbindung zwischen Faserbündeln und Rohr aus Acrylharzbrücken besteht.
7. 7. Verwendung eines Graphitrohrs nach Anspruch 1 als Austauschelement in einem Rohrbündelwärmeaustauscher.

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