[发明专利]一种热解石墨复合涂层及其应用

说明书

【技术领域】

本发明涉及聚磷酸铵设备技术领域，具体地说，是一种热解石墨复合涂层及其应用。

【背景技术】

聚磷酸铵(简称APP)分子通式(NH₄)_n+2P_nO_3n+1，含磷量30～32％，含氮量14～16％，这类阻燃剂最突出的特征是燃烧时生烟量极低，磷氮体系产生协同效应，阻燃性好，阻燃过程中不产生卤化氢。APP热稳定性好，产品近于中性，并可与其它阻燃剂混用，分散性较好，消烟，毒性较低，使用安全，因此广泛应用于配制膨胀型阻燃剂、防火涂料、电缆防火处理、橡胶制品和塑料制品的阻燃。

对于结晶II型APP的制备方法，大多以P₂O₅和磷酸铵盐为起始原料，并在氨气气氛下进行，并大多以尿素为缩聚剂。P₂O₅化学性质活泼，对人体有一定的危险，且从黄磷工艺生产五氧化二磷能耗高、价格贵。

以磷酸或磷酸铵盐为起始原料，通过高温聚合反应制备结晶II型聚磷酸铵，一是因为传统的生产工艺，以磷酸或磷酸铵盐为原料的生产工艺大多只能生产低聚合度的结晶I型APP，二是因为高温磷酸或高温磷酸铵盐对设备的腐蚀性大，难以找到合适的反应器材质。

在中国专利公开CN101428780及中国专利申请200910048945.X中，提出了一种高聚合度结晶II型聚磷酸铵的制备方法，分别是以磷酸和磷酸氢二铵为初始原料，通过高温聚合反应制备高聚合度结晶II型聚磷酸铵。在上述二个专利的制备方法中，采用湿法磷酸和磷酸铵盐在高温条件下聚合，由于高温磷酸或高温磷酸铵盐对设备具有很强的腐蚀性，通过高温聚合反应制备结晶II型聚磷酸铵的设备，设备材质应满足如下性能要求：

(1)良好的热化学稳定性，防止磷酸与涂层反应；

(2)良好的抗高温性能，防止高温下分解或熔化；

(3)良好的抗腐蚀性能，防止高温下被磷酸腐蚀而影响反应；

(4)良好的导热性能，便于高温热传导。

石墨的化学性质稳定，耐腐蚀，与酸、碱等不易发生反应，具有良好的导热导电特性，耐高温3000℃、不软化、不熔融，热膨胀系数小，在高温下尺寸和机械性能稳定，耐热冲击性好，耐低温-204℃，抗氧化，不会因腐蚀而生成氧化层。但是石墨属于层状结构物质，层与层间距离大，层间范德华结合力小，各层间可以滑动，因此采用石墨制作的反应器，在与固体物质磨擦过程中，石墨表面石墨屑粉易于滑落而混入固体物质中，影响产品外观。

采用化学气相沉积(Chemical Vapor Deposition，简称CVD)是反应物质在气态条件下发生化学反应，生成固态物质沉积在加热的固态基体表面，进而制得固体材料的工艺技术，它本质上属于原子范畴的气态传质过程。热解石墨是一种新型炭素材料，工业化生产热解涂层石墨管是在炉温保持1800～2000℃和一定的真空度，在抽气的条件下，通入用氩气或氮气稀释的烃类化合物气体(如甲烷，丙烷)，这些气体裂解后在石墨基体上，经化学气相沉积出的较高结晶取向的热解碳，由此制备复合涂层具有高温下强度高和刚度高、耐烧蚀、耐腐蚀、尺寸稳定性高、化学惰性、耐核辐射、耐疲劳、抗热震、磨擦系数稳定、低热膨胀系数以及良好的生物相容性等特点，是一种在航空、航天、电子材料、半导体、化工医药、生物医学等工业中有着广泛用途的石墨材料。

根据周序科(碳素，2000，(2)：16-22)的描述，热解石墨复合涂层通过以下过程形成：

(1)碳氢化合物气体分子在高温区域(1800～1900℃)进行热分解，离解成自由基或碳氢化合物基团，并进行气态聚合反应，这些反应反复进行而生成各种各样的高聚合芳香化合物；

(2)在气相中生成的芳香化合物簇团，在超饱和蒸汽压状态下经数次合成反应成核，若晶核是稳定的，它将形成聚集体；

(3)这些可变形的球状生长单元的聚集体沉积到基体表面上以后，经过脱氢、熔化、结晶、凝固等过程，最终形成热解石墨。

热解石墨复合涂层具有以下特点：

(1)表面致密，无气孔，高密度(2.20g/cm³)；

(2)高纯度(总杂质含量小于20ppm)，气密性好；

(3)耐高温，强度随使用温度的升高而增加，2750℃时强度达到最高值，3600℃升华；