專利名稱:一種不含石棉的固化的整體充填體的制作方法
許多種氣體一般以液態貯存，或者是溶于一種溶劑中貯存。例如，氮氣通常是以液氮貯存，而乙炔則通常籍溶解于一種溶劑，如溶于丙酮中來貯存。不論是液化氣體還是氣體的溶液，它們均貯存于一種經熱固化與干燥過的硅酸鈣的整體式充填體中，此充填體含有非常細小的細氣孔，它們提供至少約85%，甚至還希望至少達88%的氣孔率。這意味著硅酸鈣充填體中有85%至88%的體積是由細氣孔構成的。此種整體式充填體是在金屬外殼中構成的。而整體充填體的細氣孔不是被液化氣體就是被氣體溶液所充滿，借此貯存和/或運送氣體。一般來說，多孔的整體式充填體是由氧化硅和生石灰(CaO)的水淤漿制成的，其配比為10份生石灰(CaO)對10至15份氧化硅(SiO2)。將此水淤漿灌注入金屬殼體中，并于高溫和飽和蒸汽壓下進行熱壓處理，以形成一種固體的、整體式硅酸鈣充填體。然后在爐內烘焙此固化的硅酸鈣充填體，以便脫除該固化硅酸鈣中的水分，由此即可獲得一定的氣孔率，并形成熱固化與干燥的硅酸鈣充填體。
作為液化氣體或溶于溶劑中氣體貯存用的充填體，它必需具備兩個最重要的性能，即充填體的氣孔率及充填體的抗壓強度。充填體氣孔率之所以重要，是由于氣孔率的多少直接關系到充填體能夠貯存的氣體量。充填體中氣孔率的小量增長將大大地增加充填體內能夠貯存的氣體量。除了氣孔率大小之外，形成該氣孔率的細孔之類型也是關鍵性的。乙炔氣溶于丙酮之類溶劑的情況時，該氣體溶液被貯存于整體式的，經熱固化的硅酸鈣充填體的氣孔中。如前所述，該充填體設置于通常是圓柱形的密封的金屬外殼內。充填體中的氣孔必須基本上均勻地分布于整個充填體中，而且孔徑一般都非常小，在0.05至大約25微米之間。
除了氣孔率之外，已固化且干燥的整體充填體的另一個很重要的要求是，它須有高的抗壓強度和抗拉強度，以使貯存容器能夠耐得住它所接受的粗處理。例如，氣體貯存器經常受到降落操作，如果充填體沒有高的抗壓或抗拉強度的話，這種降落操作勢必會引致充填體結構的破裂或毀壞。這種結構上的破損，在內裝有爆炸性氣體時，會是非常危險的。例如，這種結構破損的結果可以在充填體中產生會導致爆炸的大量空隙空間。此外，這種結構破損會堵塞貯存容器中的各種流體路徑，同時伴隨有壓力增加的現象，這也會引致爆炸。
因此，該領域的技術人員曾作過許多試驗，以增加結構強度，同時保持或增加硅酸鈣整體式充填體的氣孔率。例如，先有技術曾把石棉纖維加到硅酸鈣充填體中，以增加充填體的結構強度，同時保持鈣充填體所要求和需要的其它性質。參見如美國專利2，883，040。一般來說，整個硅酸鈣充填中任何部位都均勻地分布有10%(重量)至20%(重量)的石棉纖維，這種充填體已經令人滿意的使用。然而，這種硅酸鹽充填體的氣孔率雖然已令人滿意，但其抗壓強度并未達到該領域想要達到的那么高，此外，最近已顯示石棉對人體健康可能有害。因此，已經進行許多試驗，試圖使用石棉以外的其它纖維。就大多數來說，這種試驗均不成功，因為生產一種合格的硅酸鹽整體式充填體是一種“魔術”，而且不可能預測一種給定的纖維是否能生產出一種鈣的充填體，它需同時具備作為液化氣體或氣體溶液用的安全且有效的貯存容器必需的所有性質。所以，要評估種種纖維，以確定把這些纖維加入硅酸鈣充填體時，必能產生一種滿意的充填體，是非常困難與耗費時間的任務。
花費大量時間與經過許多努力之后，已明確到耐堿玻璃纖維能夠均勻地分布于整體式硅酸鈣充填體中，以制成一種合格的貯存容器，用以貯存液化氣體和溶液中的氣體(參見美國專利4，349，463的實施例)。此專利所公開的充填體雖然能令人滿意，但在其氣孔率和結構強度方面仍然可以再作改進。在這方面已注意到，一般來說，氣孔率的大小(即硅酸鈣充填體中氣孔所占體積的百分數)，通常決定于淤漿制備時所用的水量，以及其后在熱壓操作與烘干燥作過程中驅除的水量。不過，就某種程度而言，氣孔率也決定于為增加充填體的結構強度所用的纖維。
如前所述，貯存容器內一定不可有空隙空間，以避免因火和/或回火使乙炔在這些空隙空間中分解而造成的爆炸危險。因此，用充填體基本上完全充填于封閉的金屬殼體內(例如一種金屬圓柱體)是非常重要的。一般可以說，金屬外殼與整體式鈣充填體之間的總間隙必須不超過相應直徑或長度的1%的1/2，而且在徑向與軸向上測量的間隙都決不可超過1/8英寸。該技術領域：
已普遍認為，為安全計，硅酸鈣充填體與金屬外殼的間隙決不可大于1/8英寸。按照正規做法，在制造液化氣體和溶液中氣體的貯存容器時，先將一種氧化硅和生石灰(氧化鈣)的水淤漿裝入金屬殼體，然后進行熱壓處理和干燥，以便在金屬殼體內形成整體式充填體。由于外殼與充填體的間隙如上所述，決不可大于1/8英寸，所以在固化與干燥過程中，該充填體不可有明顯的收縮，這點非常重要。為了增強整體式充填體的結構強度而采用的任何纖維，必然會導致充填體在熱壓處理和加熱過程中發生很小的收縮。不過，在熱壓與加熱過程中允許有一些微小的間隙。其原因是，在充填體與金屬外殼之間需要有一些空隙，以便增加貯存容器的氣體排放性能。然而，一般認為收縮越小越好。
已固化的整體式硅酸鈣充填體除了上述要求之外，該充填體還須有至少50%(重量)結晶相(以硅酸鈣的重量為基準)，而且最好有至少65%(重量)或75%(重量)的結晶相。這點很重要，為的是有良好的抗壓強度，同時也是為了減低在制取充填體過程中的高溫收縮性。因此，為增加抗拉強度而采用纖維時，決不可對結晶相的生成有不利的影響。在這方面，一般都注意到在充填體熱壓處理和烘干期間，有各種晶相生成。這些結晶相是雪硅鈣石、硬硅鈣石和金剛石晶相。也會生成一種非晶相，必須盡量大可能使非晶相減至最少。
因此，本發明的一個目的是，提供一種不含石棉的，多孔的，經過熱固化和基本上干燥的整體式硅酸鈣充填體，用以貯存氣體溶液式液化氣體，該充填體有均勻分布的非常細小的，小于約25微米的氣孔，其氣孔率至少為約85%至88%，而且最好至少為90%(體積)，此外，當該充填體固體和干燥時，其收縮率要非常小，且抗拉強度須非常高。
本發明的另一個目的是，提供一種乙炔的貯存容器，該容器有一個金屬外殼，和配備于其中的一種不含石棉的，經熱固化的，整體式硅酸鹽充填體，該充填體有非常細小的氣孔，同時在該充填體或該貯存容器中，基本上沒有空隙。
本發明還有一個目的是，公開和提供一種乙炔貯存容器，用于貯存乙炔的氣體溶液，該貯存容器包括一個金屬外殼和配備于其中的一種不含石棉的、多孔的、經熱固化和干燥的整體硅酸鹽充填體，該金屬外殼與該充填體的間隙小于1/8英寸。
本發明的再一個目的是，提供一種乙炔貯存容器，該容器有一金屬外殼，和一個不含石棉的，多孔的，經熱固化和干燥的整體式硅酸鈣充填體，該充填體由至少50%(重量)的結晶相(以硅酸鈣的重量為基準)組成，整個充填體中分布有非常細小的氣孔，但基本上沒有空隙，其抗壓強度非常高，而且有良好的充氣與排氣性能。
本發明的又一個目的是，提供氣體溶液和液化氣體貯存用的貯存容器和作同樣貯存用的充填體的制造方法，其中該充填體的制法是在飽和的蒸汽壓力下，對硅酸鹽和氧化鈣的一種水淤漿進行熱壓處理，然后進行干燥，以便基本上除去所有水分。
本發明的這些以及其它目的都是通過在整個鈣充填體中均勻地分布有碳纖維而達到的，碳纖維用量至少約0.5%(重量)(以充填體的重量為基準)。
為了更充分地理解本發明，下面將給出一些最佳實施例作詳細闡述，其中所有成分除另有說明外，均按重量計，而所有溫度除特別另有說明外，皆為華氏溫度。
唯一的附圖是貯存氣體溶液和液化氣體用的貯存容器的剖面示意圖，該貯存容器的充填體是一種不含石棉的，多孔的，經過熱固化和干燥的，整體的，硅酸鈣充填體，其中貫穿有均勻分布的碳纖維。
現在參照唯一的附圖，圖中所示的是貯存氣體溶液和液化氣體的一種貯存容器，它包括一個金屬外殼10，在最佳實施例中，10是封閉的圓柱形，它基本上為一個不含石棉的，多孔的，經過熱固化和干燥的，整體的硅酸鈣充填體11所充滿。金屬處殼10與充填體11之間存在的間隙12，它略小于1/8英寸。金屬外殼還裝配有一個閥13，幾個熔融塞，和一個腳環15。
上述不含石棉的，多孔的，經過熱固化的，整體式硅酸鈣充填體有至少50%(重量)是結晶相，而且最好是占65或75%(重量)。此外，該充填體有至少85至88%的氣孔率，而且甚至還希望至少約90%的氣孔率，這些非常細小的氣孔均勻地分布于整個充填體中，從而提供了上述氣孔率。而氣孔的孔徑約為0.05至25微米，最好是0.5至5微米。該充填體11有非常少的至少低于約25%(重量)的非晶相。
充填體的結晶相至少須是約50%(重量)，而且最好是以硬硅鈣石與雪硅鈣石為主。在充填體中最好沒有金鋼石晶相，雖然這并不特別重要，而且其含量范圍可以高達10或20%(重量)。最重要的是，充填體11需含有約0.5%(重量)至高達20%(重量)的碳纖維，這將使充填體有高的抗壓和抗拉強度，而且有低的收縮率，同時可使充填體保持高的氣孔率。例如，充填體可以有約85%至高達95%的氣孔率，而較好的范圍是88%與92%之間。這樣高的氣孔率若兼有高的抗壓強度時，將是非常理想的，因為這會增加容器能夠貯存的氣體量，而且同時能保證容器在粗處理時不會破損。一般來說，氣孔率的增加常導致充填體抗壓強度的降低。關于這一點，應該注意的是，從結構的觀點考慮，抗壓強度是最重要的性質。抗撓彎強度不像抗壓強度那么重要，其原因乃基于充填體一般被封裝在一個比較堅實的金屬外殼內的事實，在最佳實施例中金屬外殼是圓柱形。
本發明中的碳纖維最好要有高強度，其長度和直徑并不特別嚴格。本發明中所用碳纖維的長度范圍可以較大地改變，以適應現有的需要;有代表性的長度為約1/8英寸和3英寸之間，而較好的長度范圍在1/4英寸與1英寸之間。纖維的粗細也可以有較寬的變化范圍，但一般可以說，粗細必須在約5微米至約25或50微米之間，而較好的范圍是在約7微米與10微米之間。碳纖維可以得自多種來源和多種式樣(如消光類)。通常，人們除了可獲得所需直徑的碳纖維以外，還可以獲得幾乎任何所需長度的纖維。美國專利3，454，362號指出的高抗拉強度的耐熔碳纖維都可適用于本發明。
通過混合生石灰(CaO)和氧化硅(SiO2)的水淤漿，可以制成硅酸鈣充填體(其中均勻分布有碳纖維)以及本發明的貯存容器。CaO對SiO2的重量比可有較大的變化范圍，不過，若重量比約為0.6至1.0時，可以制成令人滿意的產品;較好的范圍大約0.8至1.0。
可以用熟石灰〔Ca(OH)2〕代替生石灰。使用熟石灰時，Ca(OH)2用量應相當于上述CaO的量，以確保CaO對SiO2必需有的配料比。當然，若采用生石灰本身，就需用少量水以熟化生石灰。所用的水量隨所需的氣孔率而改變。通常水的容量就是為取得88%式大于88%氣孔率(較好是88%至92%)所需的容量。為了獲得含碳纖維約0.5至20%(重量)的硅酸鈣充填體，必須將碳纖維的這個含有量(按照它在淤漿中的固體量計)加到水淤漿中。最可取的是，水淤漿中碳纖維的含量需在約1%(重量)至10%(重量)之間(其上限值主要是基于經濟上的考慮)。
制淤漿所用的氧化硅，以磨細的氧化硅為宜，其顆粒大小須小于300篩目。不過，可以按照所用氧化硅的類型以及所需最終產品的特點來改變顆粒大小。
用于生產整體式硅酸鈣充填體的水淤漿，其制法一般已公諸于先有技術中，而且高溫下用水熟化生石灰(每磅石灰用6.5至10.5磅水)即可制成水淤漿。然后向此熟化過的石灰添加氧化硅和消光碳纖維，其粗細在7微米與9微米之間。必須注意，在把它們添加到水淤漿之前，不需要像加石棉纖維時的情況那樣，將碳纖維預先分散于水中。攪拌淤漿，使碳纖維均勻分散于整個淤漿中，把已冷卻的淤漿導入金屬殼體，使它基本上充滿此金屬殼體。在導入淤漿時，淤漿中決不可有空隙或氣囊，這點至為重要。
然后在金屬殼體中對淤漿進行熱壓處理。為了進行熱壓處理，金屬外殼需安裝一種熱壓處理配件，例如裝一個卸壓閥和過濾器，代替附圖中所示的閥13。然后把已裝滿淤漿混合料的貯存容器放在爐中，并于飽和蒸汽壓和高溫下進行熱壓處理，所說的高溫以至少約250°F為好，在約360°F與約450°F之間更好。熱壓處理的時間可以改變，但一般約為20至60小時，而且取決于容器的大小;容器越大，所需時間越長。熱壓處理之后，讓容器冷卻至室溫，并拆除熱壓處理的配件。然后將容器置于爐中進行干燥。干燥溫度不特別嚴格，可以在200°F與100°F之間變動。
一般來說，第一次干燥或烘干是在230°F進行約兩小時，然后升溫至400°F與700°F之間約30小時。貯存容器冷卻以后，將液化氣體或氣體溶液裝入容器。
為了更充分地說明本發明，下面舉出一些實施例，其中所有成份皆以重量份表示(除另有說明外)，而且所有溫度皆指華氏溫度。下述每一個實施例中，都采用生石灰和氧化硅(如石英粉未)，CaO對SiO2的重量比是0.8。每一實施例都使用足夠的水量，以使水分在所用固體的體積中占有91%(體積)(在每個實施例中，每磅石灰配的水重可在8磅至9磅中變動)。
實施例1本實施例中有采用石棉纖維作為增強劑的示例，目的是為了比較它與本發明物的性能。
用水熟化石灰，水量為總水容量的60-65%，將10%(重量)石棉(以生石灰、氧化硅和石棉的總量為基準計算)分散于剩余量的水中。然后把氧化硅和石棉纖維，連同剩余的水量一起加入到已熟化的石灰中，并攪拌整個水淤漿。接著把由此形成的水淤漿(含石棉、石灰和氧化硅)注入一個反應器中，之后密封之，并在飽和蒸汽壓下，于400°F熱壓處理16小時。16小時以后，將該反應器冷卻至室溫，開封，將此已固化的整體式硅酸鈣充填體(其中有均勻分布的石棉)于230°F烘烤二小時，接著在590°F烘烤118小時。
如此制成的硅酸鈣充填體具有下面表1中列出的性質。
表1縱向收縮率(%) 0.07徑向收縮率(%) 0.12抗壓強度(磅/英寸2) 386氣孔率(體積%) 90.5孔徑(微米) 0.53結晶相(重量%) 66
實施例Ⅱ本實施例中采用耐堿玻璃纖維(已公開于美國專利，4，349，643號)2%(重量)，制成一種整體式多孔狀熱固化的硅酸鈣充填體。所用的耐堿玻璃纖維含17.8%(重量)鋯。按上述實施例Ⅰ的方法熟化石灰，但用的是全部水量，因為不需要預先將耐堿玻璃纖維分散于水中。此后，運用實施例Ⅰ的步驟，把氧化硅和耐堿纖維(短型，長度約為1至2英寸)加到已熟化的石灰和水中，表Ⅱ列出由此制成的多孔充填體的性質。
表Ⅱ縱向收縮率(%) 0.08徑向收縮率(%) 0.11抗壓強度(磅/英寸2) 477氣孔率(體積%) 89.6孔徑(微米) 0.53結晶相(重量%) 89實施例Ⅲ本實施例中，按照本發明制成一種整體式多孔狀熱固化硅酸鈣充填體，它含有均勻分布于其中的碳2%(重量)。該碳纖維是索爾內爾(“Thornel”，高模量石墨纖維，商名，美國制造)纖維，消光碳纖維的長度約為1/2英寸，纖維粗細在約7與9微米之間。產品的操作步驟與實施例Ⅱ相同，其性質則示于表Ⅲ。
表Ⅲ縱向收縮率(%) 0.01徑向收縮率(%) 0.05抗壓強度(磅/英寸2) 499氣孔率(體積%) 90孔徑(微米) 0.57結晶相(重量%) 77
如性質比較所示，產品含碳的，其收縮性較好，而且用碳纖維制成的多孔充填體，其抗壓強度比用石棉或用耐堿玻璃纖維制的都好。上述三種充填體的氣孔率皆令人滿意。
權利要求
1.一種用于貯存氣體溶液或液化氣體的，不含石棉的，多孔的，經熱固化和干燥的整體式硅酸鈣充填體，該充填體包括至少約0.5%(重量)增強作用的碳纖維，它們均勻地分散于該硅酸鈣中，該充填體有許多均勻分布的小于約25微米的非常細小的氣孔，而且基本上沒有空隙，且氣孔率至少約85%。
2.按照權利要求
1的不含石棉的，多孔的，經熱固化和干燥的整體式硅酸鈣充填體，其中硅酸鈣充填體含有約0.5%(重量)與20%(重量)之間的碳增強纖維。
3.按照權利要求
1的不含石棉的，多孔的，經熱固化和干燥的整體式硅酸鈣充填體，其中所說的充填休有至少50%(重量)的結晶相(以硅酸鈣的重量為基準計)。
4.一種不含石棉的，多孔的，經熱固化與干燥的整體式硅酸鈣充填體，其中所述的碳增強纖維的長度為約1/8英寸至約3英寸。
5.按照權利要求
4的不含石棉的，多孔的，經熱固化的整體式硅酸鈣充填體，其中所述碳增強纖維的粗細在約5微米與50微米之間。
6.按照權利要求
1的不含石棉的，多孔的，經熱固化的整體式硅酸鈣充填體，其中所說充填體的氣孔率至少有90%。
7.一種用于貯存乙炔氣體溶液的的乙炔貯存容器，該貯存容器包括一個金屬外殼，其中配置有一種不含石棉的，多孔的，經熱固化與干燥的，整體式硅酸鈣充填體，該金屬外殼與該充填體間的間隙小于約1/8英寸，該硅酸鈣充填體有至少0.5%(重量)碳增強纖維，它們均勻分布于該充填體中，該充填體有均勻分布的很多約小于25微米的非常細小的氣孔，氣孔率至少約為85%(體積)，而且基本上無空隙。
8.按照權利要求
1的乙炔貯存容器，其中所說充填體含有約0.5%(重量)至約20%(重量)的碳纖維。
9.按照權利要求
7的乙炔貯存容器，其中所說硅酸鈣充填體含50%(重量)結晶相。
10.按照權利要求
7的乙炔貯存容器，其中所述碳增強纖維的長度范圍為1/8英寸至3英寸。
11.按照權利要求
10的乙炔貯存容器，其中所述碳增強纖維有5微米至50微米的粗細。
12.按照權利要求
7的乙炔貯存容器，其中所述的硅酸鈣充填體有至少約90%(體積)的氣孔率。
13.一種配置有不含石棉的，多孔的，經熱固化的，整體式硅酸鈣充填體的乙炔貯存容器的制法包括a)提供一種不含石棉的水淤漿，它包括至少約85%(體積)水，CaO和SiO2，其中CaO對SiO2的重量比大約為0.6至1.0左右，還有均勻分布于水淤漿內，至少有約0.5%(重量)(以該淤漿中的固體重量為基準計)的碳纖維，(b)將上述不含石棉的水淤漿混合料灌注入一個金屬殼體中，使它基本上充滿該金屬殼體，(c)在飽和蒸汽壓力下，熱壓處理上述金屬殼體中的上述淤漿，以制取一種不含石棉的硅酸鈣充填體，(d)烘焙上述金屬殼體內的硅酸鈣充填體，以便在該硅酸鈣充填體中形成均勻分布的，小于約25微米的非常細小的氣孔，而且有至少約85%(體積)的氣孔率，該金屬殼體與所說的不含石棉的、多孔的、經熱固化和干燥的整體式硅酸鈣充填體之間的間隙小于約1/8英寸。
14.按照權利要求
13的方法，其中所說的碳纖維存在于所述硅酸鈣充填體中，其量約為0.5%(重量)至20%(重量)。
15.按照權利要求
13的方法，其中所說硅酸鈣充填體有50%(重量)結晶相。
16.按照權利要求
13的方法，其中所說的碳纖維長度為大約1/8英寸至約3英寸。
17.按照權利要求
16的方法，其中所說碳纖維的粗細約為5微米至約50微米。
18.按照權利要求
13的方法，其中所說硅酸鈣充填體的氣孔率約為90%(體積)。
專利摘要
本發明公開了一種貯存氣體溶液或液化氣體的硅酸鈣充填體，它有高抗壓強度，并含有均勻公布于該充填體的至少0.5％(重量)碳增強纖維，該充填體有均勻分布的，小于約25微米的很細的氣孔，基本上無空隙，氣孔率至少約85％。本發明還公開了貯存乙炔氣溶液的乙炔貯存容器(它包括配置于金屬外殼內的硅酸鹽充填體)及其制法。
文檔編號F17C11/00GK87105482SQ87105482
公開日1988年4月27日 申請日期1987年8月6日
發明者伊迪絲·M·弗拉尼根 申請人:N·I·工業公司導出引文BiBTeX, EndNote, RefMan