複合材料用作低溫條件下的隔離件的應用的製作方法

2023-10-08 05:35:34

專利名稱：：複合材料用作低溫條件下的隔離件的應用的製作方法
技術領域：
：本發明涉及一種複合材料用作低溫條件下的隔離件的應用，特別涉及一種複合材料用作低溫條件下的流體隔離件的應用，該複合材料具有某些性能。本發明還涉及使用複合材料的夾層，以及使用複合材料的容納系統，比如容器、管路、罐、器皿、管道和洞穴。
背景技術：
：用於低溫條件下的流體隔離件，比如存儲罐和管路，用於防止低溫流體流向隔離件後的材料。通常，常規的流體隔離件基於具有類似性能的特殊材料，比如鎳-鋼或特殊的纖維增強複合材料。這種特殊的纖維增強複合材料的實例包括由通過結構纖維(比如石墨、玻璃(比如S2玻璃和E玻璃)和超高分子量聚乙烯)增強的熱固性塑性基質材料(比如環氧樹脂和聚亞安酯)構成的複合材料。作為一個實例，WO2006/003192Al描述了流體隔離件在用於存儲液化氣體(比如LNG(液化天然氣))、液化氮、液化氧或液化二氧化碳和液化氫等的絕熱容器中的應用。在WO2006/003192Al中公開的流體隔離件包括塑性材料，比如聚亞安酯或環氧樹脂或二者的組合。如果需要，流體隔離件可通過加入玻璃纖維來得到增強。儘管根據WO2006/003192Al的流體隔離件的功能已經令人滿意，但是已發現使用基於這種複合材料的流體隔離件可能導致引入高應力，該高應力不得不通過整體結構來承受。在一些情況下，這可能導致流體隔離件和/或整體結構的機械故障。
發明內容本發明的一個目的是使上述問題最小化。本發明的另一個目的是提供一種用作低溫條件下(比如低於-30。C、低於-100。C或甚至低於-150。C)的流體隔離件的替代材料。本發明還有一個目的是提供一種改進的容納系統，比如用於低溫流體的容器、管道、罐、器皿、管道和洞穴。根據本發明，通過提供用作低溫條件下的流體隔離件的複合材料，可以實現上述的一個或多個目的或實現其他目的，該複合材料具有(a)在環境條件下小於50GPa的拉伸楊氏模量；和(b)在環境條件下為至少5%的斷裂拉伸應變。EP0465252Al描述了一種用於壓縮^f氐溫氣體和/或^f氐溫氣體的容器或管道，包括形成氣體隔離件的不透氣體的合成聚合物。結構纖維可嵌入不透氣體的合成聚合物中以形成複合材料。通常，複合材料具有低應變和高模量。當使用該專利說明書中所提到的合適結構纖維進行製備時，通常複合材料的楊氏模量大於50GPa。US6，962，672描述了特別用於空間發動機的高壓容器。壓力容器的內表面可使用楊氏模量介於1到2Gpa之間的聚醯胺。該文獻沒有提到斷裂拉伸應變，此外，內表面不是複合物。增強線繞內表面盤繞，該增強線由比如碳纖維或以"Kevlar"名稱銷售的芳綸(aramide)纖維製成。增強線中的這些材料具有非常高的楊氏模量。優選地，拉伸楊氏模量小於40GPa，並且優選在l.OGPa以上，更優選在2.0GPa以上。優選地，環境條件下的拉伸楊氏模量根據DINENISO527測定，該環境條件下是根據ISO554的標準大氣條件，特別是推薦的大氣條件，即在23。C的溫度、50%的相對溼度和在86至106KPa之間的壓力下。優選地，環境條件下的斷裂拉伸應變在8%以上，更優選在10%以上，更優選在15%以上。通常，環境條件下的斷裂拉伸應變不大於75%。環境條件下的斷裂拉伸應變根據DINENISO527測定。材料的應力與其拉伸楊氏模量和其熱膨脹係數相關，對於低溫材料，迄今一直認為低應力材料由於在使用中經受顯著的溫度變化而不可能用於低溫流體。然而，本發明驚奇地發現具有較低拉伸楊氏模量的複合材料可用於低溫流體。這種複合材料的使用降低了在流體隔離件材料及任何支承結構上的熱誘發應力，從而使用於這種支承結構的材料選擇範圍更寬。根據本發明，"複合材料"是一種工程材料，該工程材料由兩種或更多種具有不同物理或化學性能的組成材料製成，組成材料在最終結構中在肉眼可見的水平上保持分離和可區分。複合材料的拉伸楊氏模量值可根據所用材料的相對含量確定。本領域技術人員很容易理解如何改變複合材料的不同組分的體積分率來實現預期性能。在本發明的一個實施例中，複合材料是單一材料複合物，即複合材料由包括相同材料的兩層形成，例如兩層定向熱塑性材料，它們在升高的溫度和壓力下被融合到一起，從而形成在定向熱塑性材料層之間和定向熱塑性材料層中散布的熱塑性基質材料。如本領域技術人員所已知的，升高的壓力，特別是流體靜壓，對於控制定向熱塑性材料的熔化溫度來說是非常重要的。此外，一種或多種具有不同化學性能的添加劑也可結合到單一材料複合材料中。在本發明的另一個實施例中，複合材料是通過增強材料強化的塑性基質材料，優選增強材料至少一部分被結合在塑性基質材料中。塑性基質材料可作為連續固體相，增強材料嵌於該連續固體相中。對於塑性基質材料與增強材料的比例沒有特別限制。增強材料的形式可以是切段的或連續的纖維、切片或顆粒，但優選被轉化成具有織物狀結構的材料，比如氈、機織織物、粗紗、纖維織物、編織或縫合結構。此外，優選的是增強材料選自包括天然材料、熱塑性材料和它們的組合的組。天然材料可包括纖維，包括植物纖維和動物纖維，所述植物纖維比如椰殼纖維、棉、亞麻布、黃麻、胡麻、薴麻、劍麻和大麻；所述動物纖維比如綿羊毛、馬鬃和蠶絲。優選地，增強材料包括熱塑性材料。優選地，用於增強材料的熱塑性材料包括聚烯烴，聚烯烴選自包括聚乙烯、聚丙烯、聚丁烯、聚曱基戊烯、聚異丁烯、或上述物質的共聚物或三元共聚物的組，優選聚丙烯。增強材料還可從包括碳纖維、玻璃纖維和聚合纖維的很寬材料範圍內選擇，只要所得到的複合材料的拉伸楊氏模量小於50Gpa並且斷裂拉伸應變為至少5%即可。優選地，根據DINENIS0527測定，增強材料具有的環境條件下的斷裂拉伸應變為至少5%，更優選地，環境條件下的斷裂拉伸應變在8%以上，更優選在10%以上，最優選在15%以上。通常，環境條件下的斷裂拉伸應變不大於75%。根據本發明，要使用的塑性基質材料可以從比如聚合材料的很寬材料範圍中選擇，所述聚合材料包括聚酯、聚碳酸酯、乙烯基酯、環氧樹脂、酚醛樹脂、聚醯亞胺、聚醯胺及其他，只要所得到的複合材料的拉伸楊氏模量小於50GPa即可。然而，優選的是根據DINENIS0527測定，塑性基質材料具有的環境條件下的拉伸楊氏模量在0.1國5.0GPa之間。塑性基質材料優選包括熱塑性材料或熱固性材料。根據本發明的一個特別優選實施例，塑性基質材料是熱塑性材料。熱塑性材料的一個優點是其可易於成形。優選地，熱塑性材料包括聚烯烴，聚烯烴可選自包括聚乙烯、聚丙烯、聚丁烯、聚曱基戊烯、聚異丁烯、或上述物質的共聚物或三元共聚物(比如三元乙丙橡膠(EPDM))的組，優選聚丙烯。單一材料複合物優選是熱塑性材料，其中不僅定向熱塑性材料(比如增強纖維相)而且定向熱塑性材料之間的基質都包括相同的熱塑性聚合物，優選它們主要由相同的熱塑性聚合物組成，更優選它們由相同的熱塑性聚合物組成。由於定向熱塑性材料的受控表面溶化而實現結合。單一材料複合物的物理性能，比如拉伸楊氏模量和熱膨脹係數(CTE),可通過工藝中產生的熔化程度控制，其確定了定向/非定向熱塑性材料的體積比率，也稱作纖維/基質比。製造這些單一材料複合物的方法在本領域是已知的，例如在美國專利申請公開No.2005/0064163中；在B.Alcocketal.(2007)"JounalofAppliedPolymerScience",Vol.104，118-129;在B.Alcocketal.(2007)Composites:PartA(appliedscienceandmanufacturing(應用科學與製造))，Vol.38，147-161中都有描述，在此將這些文獻結合到本文以作參考。製造工藝通常利用處於多種形式的定向熱塑性聚合纖維單向層合、機織織物或切段的纖維/非紡織氈等。如本領域所已知的，通過流體靜壓控制纖維的熔化溫度是非常重要的。在升高的壓力下，纖維被加熱到一定溫度，所述一定溫度低於升高的壓力下的熔點但高於低壓下的熔化溫度。在一段受控時間內降低壓力導致纖維從纖維表面開始熔化。在受控壓力下表面熔化後，結晶產生加固的結構。一種替代的已知工藝包括使用在定向熱塑性材料線(比如纖維)周圍對基質材料進行的特定共擠出法。該共擠出工藝和帶焊接由於焊接區間(sealingwindow)(130-138。C)大但沒有損失材料性能而優於常規焊接工藝。優選地，單一材料複合材料包括聚烯烴，更優選主要由聚烯烴組成，更加優選由聚烯烴組成，所述聚烯烴可選自包括聚乙烯、聚丙烯、聚丁烯、聚甲基戊烯、聚異丁烯，或上述物質的共聚物或三元共聚物(比如三元乙丙膠)的組，優選聚丙烯。複合材料用作低溫條件下的流體隔離件，所述低溫條件是指溫度低於-30。C，更優選低於-100。C，甚至低於-150。C。這樣的溫度(低於-100°C，優選低於-150'C,通常為-160'C)適合用於液化天然氣(LNG)。為此，在本說明書中，低溫液體是通過將溫度降低到低溫條件而被液化的液化氣體。低溫流體包括低溫液體、保持在低溫條件下的氣體、保持在低溫條件下的超臨界流體。流體隔離件是適用於低溫流體的隔離件。為此，本說明書中的低溫條件是指溫度低於-30。C,優選低於-100。C，更優選低於-150。C。複合材料優選用於低於-100。C的溫度下，更優選用於低於-150。C的溫度下，因為這樣能更充分地利用具有這些性能的複合材料的優點。優選地，根據DINENIS0527測定，複合材料在-196。C下(在液氮中)的斷裂拉伸應變為至少3%，更優選為至少5%，甚至更優選為至少6%，甚至更優選8%以上，甚至更優選10%以上。複合材料在40。C下的熱膨脹係數優選小於250xl(T6m/m/。C。更優選地，複合材料是定向的，並且複合材料在40。C下、在其定向方向上的熱膨脹係數小於250xl(T6m/m/°C。此外，優選地，複合材料在-60。C下的熱膨脹係數小於100xl(r6m/m/°C。更優選地，複合材料是定向的，並且複合材料在-60。C下、在其定向方向上的熱膨脹係數小於100xl(r6m/m/°C。通過熱機分析(TMA),在-60。C到+70。C溫度範圍內可根據ISO11359-2適當測量熱膨脹係數。在另一方面，本發明提供了流體隔離件在容納、儲存、處理、運輸或傳送低溫流體(比如液化氣體)中的應用，這些低溫流體包括但不限於LNG、液氮、液氧、液態二氧化碳和液態氫。這種應用可以是臨時的或永久性的，可以在岸上或離岸，可以在地面上、水上、水下或地下、或上述情況的組合。這些應用也可以在設備或i殳施的任何部分的其他裝備、裝置、單元或系統的上遊和/或下遊，用於盛裝、儲存、處理、運輸和/或傳送低溫流體。其包括一個或多個液化設備、輸出、裝載、運輸、卸載、輸入或最終用途設施，或上述各種設施的一部分。這些應用包括但不限於如下應用用於在低於-30。C的溫度下、優選低於-100'C的溫度下、更優選低於-150。C的溫度下儲存和運輸低溫流體(純流體或混合流體)，包括在輸出或輸入終端處的罐(即大容積儲罐)、運輸船和傳送部件(比如管路和軟管)；在各種幾何形狀的岸上和離岸罐中容納低溫流體，這些罐包括(立式)圓柱形罐、稜柱形罐、橢圓形罐和球形罐；在容器、可攜式容器、車間製造的容器、可攜式罐和油輪罐中進行低溫流體的岸上和離岸儲存或運輸；地下存儲，包括洞穴，比如巖洞或地下容器(在論文EricAmantini、EmmanuelChanfreauandHo-YeongKimentitled"TheLNGstorageinlinedrockcavern"inGastech(2005)(標題為"液化天然氣在襯砌巖洞中的儲存")中論述的實例，將其內容結合到本文以作參考)；臨時或永久地存儲低溫流體的加壓器皿或非加壓器皿；用於(在陸地、海上和空中以任何方式)運輸低溫流體的各種形狀的加壓器皿或非加壓器皿，包括但不限於(立式)圓柱形、稜柱形、橢圓形和球形；在包括岸上和離岸、水上、水中或水下的柔性管或剛性管中的流動運輸或傳送，包括管路、管段、管線、管路系統、軟管、立管和相關設備及零件。本發明還提供了用於低溫流體的容納系統，其包括至少一個由上述複合材料構成的層，所述容納系統優選包括下述組中一個或多個設備，所述組包括容器、罐、管、器皿、管道和洞穴。這些容納系統的實例及其應用在此前已描述過。管包括呈連續長度或離散長度的管線或管段。容納系統的一個特定實例是一種用於儲存低溫流體的容器，所述容器至少包括-承載結構外殼-在承載結構外殼內部上的一個或多個包括上述複合材料的流體隔離件。容納系統的另一個特定實例是一種運輸低溫流體的管，其至少包括承載結構外殼，優選是由塑性材料製成的承載結構外殼；在外殼內側的流體隔離件，流體隔離件包括上述複合材料，特別是根據DINENIS0527測定的在環境條件下拉伸楊氏模量小於50Gpa的複合材料。特別地，這樣的管路可包括圍繞中央流體通道的一個或多個同心內流體隔離件；外同心層；和任選的在至少一個內流體隔離件和外同心層之間的至少一個環形空間，所述環形空間(40)填充有一種或多種絕熱材料。這種管道可包括二個、三個或四個流體隔離件，環形空間位於每個相鄰組的兩個內流體隔離件之間和位於最外層內流體隔離件與外同心層之間，優選環形空間種的至少兩個填充有兩種或多種不同的絕熱材料。適合的絕熱材料是本領域已知的，包括各種泡沫和凝膠，如微凝膠或低溫植物(一種由陶資粉末與纖維構成的多微孔混合物)。在這種管路的一個實施例中，至少一個內流體隔離件是可拉長的，優選所有內流體隔離件都是可拉長的，以適應在存在低溫流體時由於溫度變化而引起的管路的縱向變化。本發明還提供了一種用作低溫條件下的隔離件的夾層，特別是用作低溫條件下的流體隔離件的夾層，所述夾層包括結構支承層和在此所限定的複合材料。這種夾層可以包括任意多層，通常是兩層或三層，本發明的容納系統可包括一個或多個具有相同或不同構造(比如材料和寬度)的此類夾層。本發明夾層的適合寬度可在l-50mm的範圍內。本發明還提供了一種用作低溫條件下的隔離件的夾層，特別是用作低溫條件下的流體隔離件的夾層，所述夾層包括一層絕熱材料和包括此前限定的複合材料的隔離件。絕熱材料優選是一種或多種在此所提到的絕熱材料。通過參照下述非限制性附圖來描述和說明本發明的實施例，其中圖1是用於運輸低溫流體(比如LNG)的根據本發明的管路的示意性剖視圖2至圖4是用於運輸低溫流體(比如LNG)的根據本發明的其它實施例的另外三種管路的示意性剖視圖；圖5是用於儲存低溫流體的容器的示意性剖視圖；以及圖6是根據本發明的夾層的示意性剖視圖。相同的附圖標記表示相同的結構部件。具體實施例方式現在參考圖1。圖1示意性顯示了用於運輸低溫流體(比如LNG、LPG和液氮)的管路2的剖視圖。管路2包括承載外殼30、和在承載外殼30內部同心地環繞著中央流體通道100的流體隔離件10。承載外殼30可由金屬性材料製成，比如鎳鋼或混凝土，但優選由剛性塑性材料製成，比如碳增強的環氧樹脂或玻璃增強的環氧樹脂。流體隔離件由拉伸楊氏模量小於50GPa的複合材料製成。一個用於流體隔離件10的適合材料的實例是由聚丙烯纖維強化的聚丙烯基質材料組成的複合材料，即單一聚合物複合材料。這種複合材料可從比如CurvTMC100A(可從德國Gronau的PropexFabrics公司獲得)獲得並且根據DINENISO527測定的其在環境條件下的拉伸楊氏模量為3.2GPa。適合的複合材料的另一個實例是一種由聚丙烯纖維與聚乙烯-聚丙烯混合物共擠壓構成的複合材料。此共擠壓材料被熔化以形成複合材料的基質，其以商標"PURE，，銷售(可從荷蘭Sneek的LankhorstPureCompositeB.V.公司獲得)。該複合材料在環境條件下的拉伸楊氏模量為約6.4Gpa並且斷裂拉伸應變是10%。其他適合的複合材料在A.Pegoretti等人發表在CompositeScienceandTechnology(複合材料科學與技術)66(2006),pp.1953-1962的"Flexuralandinterlaminarmechanicalpropertiesofunidirectionalliquidcrystallinesingle-polymercomposites"(單向性液晶單一聚合物複合材料的柔性和層間機械性能)中進行了描述，在此結合其內容以作參考。下表I列出了上述複合材料CurvTMC100A的一些性能。表Itableseeoriginaldocumentpage13通過熱機分析(TMA)，根據ISOU359-2測定了在-60。C至+70。C之間的溫度範圍中的熱膨脹係數。既在纖維方向上又在垂直纖維方向上進行測量。根據本文上述的方法進行其他測量。本領域技術人員都應理解，除了外殼30和流體隔離件IO之外，管路組件2還可包括其它部件，比如位於外殼30和流體隔離件10之間的其它層，在外殼30上的外塗層等等。圖2給出了一個這樣的實例，如圖2所示，管路具有與中央流體通道IOO同心的第一流體隔離件10、第一環形空間40和外同心層30，所述外同心層30通常是管2a的內部部件的結構支承件。環形空間40可填充有一種或多種絕熱材料，通常是泡沫或凝膠，比如氣凝膠、微孔泡沫等。圖3給出了管路2b的另一個實例，管路2b具有與中央流體通道100同心的第一流體隔離件10、第一環形空間40、第二流體隔離件11、第二環形空間41和外同心層30。第一流體隔離件IO和第二流體隔離件11可具有相同或不同的組成，並且第一環形空間40和第二環形空間41可包括相同或不同的絕緣材料。圖4給出了管路2c的又一個實例，從中央流體通道100開始，管路2c同心地包括第一、第二和第三流體隔離件10、11、12和外同心層30,以及位於其間的第一、第二和第三環形空間40、41、42。通常，如圖2所示例的管2a至少同心地包括中央流體通道100，其直徑範圍是50-1500mm，優選250-1000mm，更優選500-900mm;第一內部流體隔離件IO，其具有l-10mm的厚度範圍；第一環形空間40，其具有25-250mm的厚度範圍；以及外同心層30，其具有25-250mm的厚度範圍。圖5示意性顯示了用於存儲低溫流體的絕熱容器200的剖視圖。容器200包括承載結構外殼215，所述承載結構外殼215包括底板220和側壁230。在圖5的實施例中，底板220和側壁230由混凝土製成。為了完整起見，可注意到容器200包括頂部(未示出)，所述頂部是絕熱的而且可形成結構外殼215的一部分容器200還包括至少兩個絕熱容納層，即"內容納層240"和"外容納層250"，它們固定至結構外殼215的內表面。容納層240和250的每一個包括由絕熱材料(例如，泡沫塑性材料，比如PVC或PUR)製成的板。容器200還包括兩個密封蒸汽和密封液體的流體隔離件210，一個與容納在容器200中的液態氣體205接觸，一個位於內容納層240和外容納層250之間。流體隔離件210由在此所限定的複合材料製成，在上表I中給出了一個適合的實例。流體隔離件210、容納層240、250和外殼210可通過任何適合的方法彼此固定，所述方法為如本領域已知的比如噴塗、粘合、機械固定、熔焊等。圖6示意性顯示了本發明的夾層300的剖視圖，所述夾層300可用於上述圖1到圖5所示的管路組件2、2a、2b、2c或存儲罐200。夾層300包括由絕熱材料(比如PVC、PUR等)製成的層320和由在此所述的複合材料製成的流體隔離件310。流體隔離件310可通過粘接、焊接或熔焊、或其他本領域已知的任何適合的方法連接到板310上。本領域技術人員容易理解的是，可做進行很多修改而並不偏離本發明的範圍。權利要求1、複合材料作為在低溫條件下的流體隔離件的應用，所述複合材料具有(a)在環境條件下小於50GPa的拉伸楊氏模量；和(b)在環境條件下為至少5％的斷裂拉伸應變。2、如權利要求l所述的應用，其中所述複合材料在40。C下的熱膨脹係數小於250xl(T6m/m/°C。3、如權利要求1或2所述的應用，其中所述複合材料在-196。C下的斷裂拉伸應變為至少3%。4、如前述權利要求中的任一項或多項所述的應用，其中所述複合材料在-60。C下的熱膨脹係數小於100xlO-6m/m/°C。5、如前述權利要求中的任一項或多項所述的應用，其中所述複合材料包括單一材料複合物或由增強材料增強的塑性基質材料。6、如權利要求5所述的應用，其中所述單一材料複合物是熱塑性材料，其中比如增強纖維相的定向熱塑性材料和位於定向熱塑性材料之間的基質都包括相同的熱塑性聚合物。7、如權利要求5所述的應用，其中所述複合材料包括由增強材料增強的塑性基質材料，並且所述增強材料的斷裂拉伸應變為至少5%。8、如前述權利要求中的任一項或多項所述的應用，用於低溫流體的容納、存儲、處理、運輸或傳送。9、一種用作低溫條件下的隔離件的夾層，特別是用作低溫條件下的流體隔離件的夾層，所述夾層包括結構支承層和如權利要求1至7中的任一項或多項所述的複合材料。10、一種用作低溫條件下的隔離件的夾層(300),特別是用作低溫條件下的流體隔離件的夾層，所述夾層包括絕熱材料層(320)和包括如權利要求1至7中的任一項或多項所述的複合材料的隔離件(310)。11、一種用於低溫流體的容納系統，包括至少一個如權利要求1至7中的任一項或多項所述的複合材料構成的層。12、如權利要求11所述的容納系統，所述容納系統是用於存儲低溫流體(205)的容器(200)，所述容器(200)至少包括-承載結構外殼(215);-在外殼(215)內側上的一個或多個包括如權利要求1至7中的任一項或多項所述的複合材料的流體隔離件(210)。13、如權利要求11所述的容納系統，所述容納系統是用於輸送低溫流體的管(2)，所述管至少包括一個或多個圍繞中央流體通道(100)的同心內流體隔離件(10),所述內流體隔離件或每一個內流體隔離件(10)包括如權利要求l至7中的任一項或多項所述的複合材料；外同心層(30)，和可選地，位於至少一個內流體隔離件(10)和外同心層(30)之間的至少一個環形空間(40)，所述至少一個環形空間(40)填充有一種或多種絕熱材料。14、如權利要求13所述的容納系統，其包括兩個、三個或四個內流體隔離件(10、11、12、13)，環形空間(40、41、42、43)位於至少一個相鄰組的兩個內流體隔離件之間和/或位於最外層內流體隔離件(11、12、13)與外同心層(30)之間。15、如權利要求14所述的容納系統，其包括兩個、三個或四個內流體隔離件(10、11、12、13),環形空間(40、41、42、43)位於每一個相鄰組的兩個內流體隔離件之間並且位於最外層內流體隔離件(11、12、13)與外部同心層(30)之間。全文摘要本發明涉及一種複合材料用作低溫條件下的流體隔離件的應用，複合材料在環境條件下具有(a)小於50Gpa的拉伸楊氏模量和(b)為至少5％的斷裂拉伸應變。本發明還涉及一種包括複合材料的用於低溫流體的夾層和容納系統。文檔編號F17C1/16GK101548129SQ200780045071公開日2009年9月30日申請日期2007年12月6日優先權日2006年12月6日發明者F·A·H·揚森,L·M·德米爾申請人:國際殼牌研究有限公司