高耐热膨胀石墨板材及高耐热排气垫片 【技术领域】
本发明是有关于一种非常适合用于引擎排气垫片的膨胀石墨板材以及排气垫片。
现有技术
公知的膨胀石墨是采用文件一所述的方法来制造，例如是以硫酸、硝酸和磷酸(其为中间插入剂(intercalating agent)且制备成固态或溶液态)来处理天然石墨，以形成嵌入中间插入剂的石墨颗粒，其经由雷射热处理，可以沿着C轴(垂直)成长加压，形成预定的膨胀石墨板材。将前述膨胀石墨板材制成排气垫片时，膨胀石墨板材会被切断并加压塑形。
[文件一]国际公开号WO01/05703
通常，使用排气垫片的温度环境为摄氏600-700度，然而，公知的膨胀石墨在大约摄氏500度即会氧化，因此，公知膨胀石墨制成的排气垫片使用在摄氏600度或更高温的环境下，将因为氧化，而无法显现出良好的密封效果。
因此，目前正积极发展一种在摄氏600-700度的高温环境下能具有高耐热性的膨胀石墨。
【发明内容】
本发明的目的是提出一种高耐热膨胀石墨，以避免上述公知膨胀石墨板材所制成的排气垫片在密封时效能不佳的问题。
为达成上述目的，本发明提出一种高耐热膨胀石墨板材，其包括膨胀石墨，其作为主成分以及无机耐热颗粒，其中膨胀石墨为主成分，而无机耐热颗粒是选自于硼化铝(AlB2及/或AlB12)、硼化硅(Si1B6)、氧化锌硼酸(2ZO·3B2O3·3.5H2O)及硼化磷(PB)所组成的族群至少其中之一。
在本发明实施例中，可确知上述耐热膨胀石墨板材在摄氏600度或更高的温度下具有高耐热性。本发明并未界定膨胀石墨板材的高耐热性，但当无机热膨胀颗粒是由选自于硼化铝(AlB2及/或AlB12)、硼化硅(Si1B6)、氧化锌硼酸(2ZO·3B2O3·3.5H2O)及硼化磷(PB)所组成地族群至少其中之一所制成时，在环境温度升高到摄氏600度或更高的温度下，无机热膨胀颗粒会熔化、分散，而形成覆盖石墨颗粒的玻璃膜，由于波离膜能阻挡氧，因此可防止石墨颗粒氧化。故，本发明的膨胀石墨板材可以避免氧化。
本发明的耐热膨胀石墨制作成的排气垫片在高温的环境下的寿命较长且没有氧化。
在本发明的实施例中，膨胀石墨的含量为90-99wt％，无机耐热颗粒的含量为1-10wt％。膨胀石墨板材中的无机耐热颗粒含量超过10wt％，膨胀石墨板材的耐热性不但不会增加，但会破坏其可挠性(flexibility)。基于此点，无机耐热颗粒的含量以1-10wt％较佳。
【附图说明】
图1是依照本发明实施例所绘示的膨胀石墨板材的示意图。
图2绘示依照本发明的膨胀石墨板材所制成的排气垫片以及公知的膨胀石墨板材所制成的排气垫片的耐热性实验结果。
图3绘示依照本发明的膨胀石墨板材所制成的排气垫片以及公知的膨胀石墨板材所制成的排气垫片的耐久性实验结果。
图4(a)绘示将进行耐久实验的排气垫片的平面示意图。
图4(b)绘示进行耐久实验的说明图。
图5绘示依照本发明另一实施例的膨胀石墨板材的示意图。
主要组件符号说明
1：膨胀石墨层
2：无机耐热颗粒层
3：膨胀石墨
4：无机耐热颗粒
5：排气垫片
6：排气歧管
7：排气导管
8：触媒转换器
6：气体燃烧器
【具体实施方式】
为让本发明的上述和其它目的、特征和优点能更明显易懂，下文特举较佳实施例，并配合所附图式，作详细说明如下。
本发明将配合图标详细说明如下。图1为依照本发明实施例所绘示的膨胀石墨板材的示意图。标记1表示膨胀石墨层，标记2表示无机耐热颗粒层。
在实施例中，耐热膨胀石墨板材包括膨胀石墨层1以及包夹在膨胀石墨层1之间的无机耐热颗粒层2。图1所示的耐热膨胀石墨板材的制造方法，是先制备一般的膨胀石墨板材，然后，再将无机耐热颗粒堆迭在一般的膨胀石墨板材上，其中无机耐热颗粒是由选自于硼化铝(AlB2及/或AlB12)、硼化硅(Si1B6)、氧化锌硼酸(2ZO·3B2O3·3.5H2O)及硼化磷(PB)所组成的族群至少其中之一所制成。之后，再于无机耐热颗粒迭上另一层一般的膨胀石墨板材。然后，将所形成的积层板加压，亦即对无机耐热颗粒层以及膨胀石墨层加压，以形成预定的三层结构的膨胀石墨板材。无机耐热颗粒层2对膨胀石墨层1的含量比在1-10wt％之间，且膨胀石墨层1的残留含量比例(residual content ratio，Bal)在90-99wt％之间。
图2绘示依照本发明及公知膨胀石墨板材所制成的排气垫片的耐热性实验结果。进行耐热实验有A-E个样品。样品A为本发明的一种膨胀石墨板材，其无机耐热颗粒层2是以含量为5wt％的氧化锌硼酸(2ZO·3B2O3·3.5H2O)制成，且氧化锌硼酸中的结晶水加热去除。样品B(在实例1之后)为本发明的一种膨胀石墨板材，其无机耐热颗粒层2是以含量为10wt％的氧化锌硼酸(2ZO·3B2O3·3.5H2O)制成，且氧化锌硼酸中的结晶水加热去除。样品C为本发明的一种膨胀石墨板材，其无机耐热颗粒层2是以含量为5wt％的氧化锌硼酸(2ZO·3B2O3·3.5H2O)制成。样本D为本发明一种膨胀石墨板材，其无机耐热颗粒层2是以含量为10wt％的氧化锌硼酸(2ZO·3B2O3·3.5H2O)制成。样品E为一种公知的石墨板材。
耐热(抗氧化)实验是在摄氏750度持续供应空气的环境下进行2小时。其结果如图2所示，样品A-D重量的减少比例几乎是样品E的一半。因此，可确知样品A-D在低于750度的摄氏600-700度的温度下具有高耐热性。
表1是绘示本发明及公知膨胀石墨板材所制成的排气垫片的耐热性实验结果。本发明的膨胀石墨板材的耐热实验结果如表1例1-20所示；公知的膨胀石墨板材的耐热实验结果如表1比较例所示。例1-20中的无机耐热颗粒是选自于表1所示的硼化铝(AlB2)、硼化硅(SiB6)、氧化锌硼酸(2ZO·3B2O3·3.5H2O)及硼化磷(PB)所组成的族群中的至少一种成分。表1的耐热实验条件与上述的方法相同。表1的结果显示，本发明的例1-20的膨胀石墨板材相较于比较例的公知的膨胀石墨板材具有较高的耐热性。
表1 例 膨胀 石墨 氧化锌硼酸 (2ZO·3B2O3·3.5H2O) 硼化硅 (Si1B6) 硼化铝 (AlB12) 硼化磷 (PB) 高温氧化减少比例 (750℃、2小时) 1 Bal 10 0 0 0 12.0％ 2 Bal 5 0 0 0 11.9％ 3 Bal 1 0 0 0 14.5％ 4 Bal 8 2 0 0 10.1％ 5 Bal 8 0 2 0 15.1％ 6 Bal 8 0 0 2 8.5％ 7 Bal 5 2.5 2.5 0 10.6％ 8 Bal 5 2.5 0 2.5 7.3％ 9 Bal 5 0 2.5 2.5 9.4％ 10 Bal 2.5 2.5 2.5 2.5 6.8％ 11 Bal 1 9 0 0 6.8％ 12 Bal 1 0 9 0 11.0％ 13 Bal 1 0 0 9 5.8％ 14 Bal 0 10 0 0 10.5％ 15 Bal 0 0 10 0 13.8％ 16 Bal 0 0 0 10 4.6％ 17 Bal 0 5 5 0 8.6％ 18 Bal 0 5 0 5 5.4％ 19 Bal 0 0 5 5 6.5％ 20 Bal 0 3 3 3 7.3％ 比较例 100 0 0 0 0 25.3％
图3是绘示例1的膨胀石墨板材所制成的排气垫片以及公知的石墨膨胀石墨板材所制成的排气垫片的耐久性实验结果。在耐久性实验中，排气垫片5是由图4(a)的膨胀石墨板材制成。耐久性实验所使用的实验设备及其排列方式如图4(b)所示，其中排气歧管(exhaust manifold)6、排导管(exhaust pipe)7及触媒转换器8其彼此连接，以构成汽车引擎的排气装置。在此例中，排气垫片5插在排气歧管6及排气导管7之间，且气体燃烧器6可吹出火焰送至排气歧管6之中，而将排气垫片5加热至约为摄氏600度。最大压力为0.34MPa的空气送入排气歧管6及排气导管7时，盖子将迅速密封盖住排气垫片5，藉以检查排气垫片5的密封极限压力。
如图3所示，公知膨胀石墨制成的排气垫片的密封极限压力在实验的360小时内几乎为0MPa，但，相对地，例1的膨胀石墨制成的排气垫片的密封极限压力在实验的80小时内持续增加，且即使实验持续500小时期间的最大压力仍可维持在0.34MPa。因此，由此可确知以本发明的膨胀石墨板材制成的排气垫片具有高耐热性。
因此，以本发明的膨胀石墨板材制成的排气垫片可用于高温的汽车引擎中，其可延长排气垫片的耐久性而不会氧化。而且，特别是上述的排气垫片，由于膨胀石墨板材中的无机耐热颗粒的含量在1-10wt％之间，膨胀石墨板材的膨胀石墨的含量为90-99wt％，因此，所形成的膨胀石墨板材具有足够的可挠性，故，可以避免模制排气垫片时破坏的情形发生，因此可以简化排气垫片的处理程序。
图5绘示依照本发明另一实施例的膨胀石墨板材的示意图。图式中的标记3表示膨胀石墨，标记4表示无机耐热颗粒。在图5所示的膨胀石墨板材中，无机耐热颗粒4分散于膨胀石墨3中。而图2所示的膨胀石墨板材的制造方法，则以普通的方法制成膨胀石墨3，并将选自于硼化铝(AlB2及/或AlB12)、硼化硅(Si1B6)、氧化锌硼酸(2ZO·3B2O3·3.5H2O)及硼化磷(PB)所组成的族群至少其中之一所制成的无机耐热颗粒4分散于膨胀石墨3之中。然后，再对所形成的结构加压，以形成预定的膨胀石墨板材。无机耐热颗粒4对于膨胀石墨层1的含量比例在1-10wt％之间，而膨胀石墨3的残留含量比例(ba 1)在90-99wt％之间。
图5的膨胀石墨板材显示具有和图1相同的功用和效果。在这一些实施例中，硼化铝可以是AlB2之外，也可以是AlB12。在此例中，其具有相同的功用和效果。
虽然本发明已以实施例揭露如上，然其并非用以限定本发明，任何熟习此技艺者，在不脱离本发明的精神和范围内，当可作些许的更动与润饰。
例如，将无机耐热颗粒分散于膨胀石墨中，以形成以无机耐热颗粒迭成的无机耐热颗粒分散层。此外，本发明的膨胀石墨板材可应用于排气垫片以外之处。
因此本发明的保护范围当视所附的权利要求书所界定者为准。