CN100491804C - 一种呼吸器用高压气瓶的生产方法 - Google Patents
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Abstract
本发明是一种呼吸器用高压气瓶的生产方法，它采用大丝束碳纤维为原料进行缠绕制作，采用了合理粘度的环氧树脂混合物体系，保证了大丝束碳纤维充分浸润，纤维与树脂的黏结性好，能充分发挥树脂基体有效传递载荷的作用；缠绕过程中采用分级张力控制手段，保证缠绕过程中大张力和张力控制的精度实现，提高缠绕层的强度；它利用大丝束碳纤维替代小丝束碳纤维生产高性能呼吸器用高压容器，成本比小丝束碳纤维全缠绕复合材料气瓶成本要低14%左右，产品的重量与同类小丝束碳纤维复合材料高压容器相当，性能满足代表国际先进水平的美国DOT-CFFC标准的要求。
Description
技术领域
本发明涉及一种高压容器的生产方法，特别是一种呼吸器用高压气瓶的生产方法。
技术背景
碳纤维全缠绕复合材料气瓶是近几年发展起来的一种新材料高压容器，其特点在于它与钢质气瓶相比具有重量轻、使用时间长、耐腐蚀、安全性好和使用寿命长等优点，将它用于自给正压式空气呼吸器，可大大减轻装具的自重。因此，在实际的使用过程中可直接降低佩带使用者的体力消耗。尤其适用于消防行业，可提高消防队员的战斗力。
碳纤维是指含碳量大于90％的特种纤维，可以用粘胶、聚丙烯腈以及沥青等有机纤维在高温下碳化制取。它与树脂等复合后具有模量高、强度高、重量轻、抗疲劳、耐腐蚀等特性，广泛应用于航天、航空、军工、航海、化工、电子、建筑以及体育休闲等领域，是军民两用的高技术纤维。目前碳纤维被划分为宇航级(Aerospace-grade)和工业级(Commercial grade)两类，亦称为小丝束(Small tow)和大丝束(Largetow)。目前生产碳纤维全缠绕复合材料气瓶均产用小丝束碳纤维，而由于大丝束碳纤维与树脂浸渍效果差、缠绕张力控制不均匀等方面的原因，在高性能的呼吸器用高压容器生产上难以使用。用小丝束碳纤维生产的高压容器，产品生产成本高，严重影响了高性能呼吸器用高压容器的应用推广。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是针对现有技术的不足，提供一种工艺简单、生产成本低的呼吸器用高压气瓶的生产方法。
本发明所要解决的技术问题是通过以下的技术方案来实现的。本发明是一种呼吸器用高压气瓶的生产方法，其特点是，它采用大丝束碳纤维为原料进行缠绕制作，其步骤如下，
(1)在气瓶内胆的外表面上涂上一层聚氨酯涂层作为防电腐蚀涂层并固化；
(2)用粘度为200—800mPa·s的环氧树脂与促进剂、固化剂、增韧剂的混合物浸渍大丝束碳纤维，然后将浸渍过的大丝束碳纤维缠绕在经上述处理的气瓶内胆上成型；大丝束碳纤维缠绕时每股纱的缠绕张力采用分级控制，分为2-5级，第一级的缠绕张力为设计张力的30—60％，然后逐级递减；
(3)将前述缠绕成型的气瓶放入加热炉中进行树脂固化处理，加热的温度为150-180℃，时间为8—10小时，然后再进行表面处理使其表面光滑；
(4)然后在其表面再缠绕一层纵向螺旋缠绕和一层环向缠绕的玻璃纤维层作为抗冲击保护层；
(5)将玻璃纤维缠绕层固化，再进行表面处理使其表面光滑，然后喷涂气瓶外涂层，固化外涂层，得成品。
本发明所要解决的技术问题还可以通过以下的技术方案来进一步实现。以上所述的一种呼吸器用高压气瓶的生产方法，其特点是，所述的大丝束碳纤维为48K-60K的大丝束碳纤维。
本发明所要解决的技术问题还可以通过以下的技术方案来进一步实现。以上所述的一种呼吸器用高压气瓶的生产方法，其特点是，在步骤(2)中，内胆筒体部分的碳纤维缠绕层是由纵向螺旋缠绕纤维层——纤维增强方向和复合气瓶纵向对称轴的夹角小于20°——和环向缠绕纤维层——纤维增强方向和复合气瓶纵向对称轴的夹角等于90°——按铺层次序交替缠绕而成，在筒体中间0.68L1部分采用环向等厚缠绕，在与椭圆曲面尾端和椭圆曲面颈部连接处的筒体两端部L4＝0.16L1区域采用环向增厚缠绕，内胆的尾端和颈部的椭圆曲面仅有沿曲面测地线纵向螺旋缠绕的纤维层，其铺层次序与筒体的纵向螺旋缠绕纤维层一致。
本发明所要解决的技术问题还可以通过以下的技术方案来进一步实现。以上所述的一种呼吸器用高压气瓶的生产方法，其特点是，在步骤(2)中，所述的环氧树脂与促进剂、固化剂、增韧剂的混合物是由双酚A型环氧树脂、季胺盐促进剂、甲基四氢邻苯二甲酸酐固化剂、CMP-410增韧剂按100:(0.5-2.0):(70-85):(5-20)的比例混合的混合物。
本发明所要解决的技术问题还可以通过以下的技术方案来进一步实现。以上所述的一种呼吸器用高压气瓶的生产方法，其特点是，在步骤(2)中，所述的环氧树脂与促进剂、固化剂、增韧剂的混合物是由双酚A型环氧树脂、季胺盐促进剂、甲基四氢邻苯二甲酸酐固化剂、CMP-410增韧剂按100:0.8:75:8的比例混合的混合物。
本发明所要解决的技术问题还可以通过以下的技术方案来进一步实现。以上所述的一种呼吸器用高压气瓶的生产方法，其特点是，在步骤(2)中，所述的环氧树脂与促进剂、固化剂、增韧剂的混合物的粘度为300—600mPa·s。
本发明所要解决的技术问题还可以通过以下的技术方案来进一步实现。以上所述的一种呼吸器用高压气瓶的生产方法，其特点是，在步骤(2)中，大丝束碳纤维缠绕时每股纱的缠绕张力分3级控制，第1级的缠绕张力为设计张力的50％，第2级的缠绕张力为设计张力的30％，第3级的缠绕张力为设计张力的10％。
本发明所要解决的技术问题还可以通过以下的技术方案来进一步实现。以上所述的一种呼吸器用高压气瓶的生产方法，其特点是，在步骤(2)中，大丝束碳纤维缠绕时每股纱的缠绕张力分2级控制，第1级的缠绕张力为设计张力的60％，第2级的缠绕张力为设计张力的40％。
本发明所要解决的技术问题还可以通过以下的技术方案来进一步实现。以上所述的一种呼吸器用高压气瓶的生产方法，其特点是，在步骤(2)中，大丝束碳纤维缠绕时每股纱的缠绕张力分4级控制，第1级的缠绕张力为设计张力的40％，第2级的缠绕张力为设计张力的30％，第3级的缠绕张力为设计张力的20％，第4级的缠绕张力为设计张力的10％。
本发明所要解决的技术问题还可以通过以下的技术方案来进一步实现。以上所述的一种呼吸器用高压气瓶的生产方法，其特点是，在步骤(2)中，大丝束碳纤维缠绕的最大张力值为30—45牛顿/股。
与现有技术相比，本发明及其改进具有以下优点：
1、本发明采用了合理粘度的环氧树脂混合物体系，保证了大丝束碳纤维充分浸润，纤维与树脂的黏结性好，能充分发挥树脂基体有效传递载荷的作用。
2、缠绕过程中采用分级张力控制手段，保证缠绕过程中大张力和张力控制的精度实现，提高缠绕层的强度。
3、本发明对碳纤维全缠绕复合气瓶进行铺层次序的优化设计，并严格的按照理论最优张力制度的递减梯度施加方法缠绕，并且每一级采用张力闭环监控，由计算机对缠绕张力进行实时检测、实时反馈、实时显示、实时控制调节，使张力误差值不超过1％，提高了缠绕过程中缠绕张力的控制精度和纱束中每股纱缠绕张力的均匀性，保证了高压容器的强度和耐疲劳性能。
4、采用了两次表面处理，产品外观好，并且抗冲击性好。
5、本发明利用大丝束碳纤维替代小丝束碳纤维生产高性能呼吸器用高压容器，成本比小丝束碳纤维全缠绕复合材料气瓶成本要低14％左右，产品的重量与同类小丝束碳纤维复合材料高压容器相当，性能满足代表国际先进水平的美国DOT-CFFC标准的要求。
具体实施方式
实施例1。一种呼吸器用高压气瓶的生产方法，它采用大丝束碳纤维为原料进行缠绕制作，其步骤如下，
(1)在气瓶内胆的外表面上涂上一层聚氨酯涂层作为防电腐蚀涂层并固化；
(2)用粘度为500mPa·s的环氧树脂与促进剂、固化剂、增韧剂的混合物浸渍大丝束碳纤维，然后将浸渍过的大丝束碳纤维缠绕在经上述处理的气瓶内胆上成型；大丝束碳纤维缠绕时每股纱的缠绕张力采用分级控制，分为3级，第一级的缠绕张力为设计张力的60％，然后逐级递减；
(3)将前述缠绕成型的气瓶放入加热炉中进行树脂固化处理，加热的温度为170℃，时间为9小时，然后再进行表面处理使其表面光滑；
(4)然后在其表面再缠绕一层纵向螺旋缠绕和一层环向缠绕的玻璃纤维层作为抗冲击保护层；
(5)将玻璃纤维缠绕层固化，再进行表面处理使其表面光滑，然后喷涂气瓶外涂层，固化外涂层，得成品。
实施例2。一种呼吸器用高压气瓶的生产方法，它采用48K大丝束碳纤维为原料进行缠绕制作，其步骤如下，
(1)在气瓶内胆的外表面上涂上一层聚氨酯涂层作为防电腐蚀涂层并固化；
(2)用粘度为300mPa·s的环氧树脂与促进剂、固化剂、增韧剂的混合物浸渍大丝束碳纤维，然后将浸渍过的大丝束碳纤维缠绕在经上述处理的气瓶内胆上成型；大丝束碳纤维缠绕时每股纱的缠绕张力分3级控制，第1级的缠绕张力为设计张力的50％，第2级的缠绕张力为设计张力的30％，第3级的缠绕张力为设计张力的10％；
(3)将前述缠绕成型的气瓶放入加热炉中进行树脂固化处理，加热的温度为150℃，时间为10小时，然后再进行表面处理使其表面光滑；
(4)然后在其表面再缠绕一层纵向螺旋缠绕和一层环向缠绕的玻璃纤维层作为抗冲击保护层；
(5)将玻璃纤维缠绕层固化，再进行表面处理使其表面光滑，然后喷涂气瓶外涂层，固化外涂层，得成品。
本实施例所述的环氧树脂与促进剂、固化剂、增韧剂的混合物是由双酚A型环氧树脂、季胺盐促进剂、甲基四氢邻苯二甲酸酐固化剂、CMP-410增韧剂按100:0.8:75:8的比例混合的混合物。
实施例3。一种呼吸器用高压气瓶的生产方法，60K它采用大丝束碳纤维为原料进行缠绕制作，其步骤如下，
(1)在气瓶内胆的外表面上涂上一层聚氨酯涂层作为防电腐蚀涂层并固化；
(2)用粘度为600mPa·s的环氧树脂与促进剂、固化剂、增韧剂的混合物浸渍大丝束碳纤维，然后将浸渍过的大丝束碳纤维缠绕在经上述处理的气瓶内胆上成型；大丝束碳纤维缠绕时每股纱的缠绕张力分2级控制，第1级的缠绕张力为设计张力的60％，第2级的缠绕张力为设计张力的40％；大丝束碳纤维缠绕的最大张力值为45牛顿/股。
(3)将前述缠绕成型的气瓶放入加热炉中进行树脂固化处理，加热的温度为180℃，时间为8小时，然后再进行表面处理使其表面光滑；
(4)然后在其表面再缠绕一层纵向螺旋缠绕和一层环向缠绕的玻璃纤维层作为抗冲击保护层；
(5)将玻璃纤维缠绕层固化，再进行表面处理使其表面光滑，然后喷涂气瓶外涂层，固化外涂层，得成品。
本实施例所述的环氧树脂与促进剂、固化剂、增韧剂的混合物是由双酚A型环氧树脂、季胺盐促进剂、甲基四氢邻苯二甲酸酐固化剂、CMP-410增韧剂按100:2.0:85:20的比例混合的混合物。
实施例4。一种呼吸器用高压气瓶的生产方法，它采用52K大丝束碳纤维为原料进行缠绕制作，其步骤如下，
(1)在气瓶内胆的外表面上涂上一层聚氨酯涂层作为防电腐蚀涂层并固化；
(2)用粘度为200mPa·s的环氧树脂与促进剂、固化剂、增韧剂的混合物浸渍大丝束碳纤维，然后将浸渍过的大丝束碳纤维缠绕在经上述处理的气瓶内胆上成型；大丝束碳纤维缠绕时每股纱的缠绕张力分4级控制，第1级的缠绕张力为设计张力的40％，第2级的缠绕张力为设计张力的30％，第3级的缠绕张力为设计张力的20％，第4级的缠绕张力为设计张力的10％；大丝束碳纤维缠绕的最大张力值为30牛顿/股。
(3)将前述缠绕成型的气瓶放入加热炉中进行树脂固化处理，加热的温度为160℃，时间为8.5小时，然后再进行表面处理使其表面光滑；
(4)然后在其表面再缠绕一层纵向螺旋缠绕和一层环向缠绕的玻璃纤维层作为抗冲击保护层；
(5)将玻璃纤维缠绕层固化，再进行表面处理使其表面光滑，然后喷涂气瓶外涂层，固化外涂层，得成品。
本实施例所述的环氧树脂与促进剂、固化剂、增韧剂的混合物是由双酚A型环氧树脂、季胺盐促进剂、甲基四氢邻苯二甲酸酐固化剂、CMP-410增韧剂按100:0.5:70:5的比例混合的混合物。
实施例5。在实施例2的步骤(2)中，内胆筒体部分的碳纤维缠绕层是由纵向螺旋缠绕纤维层—纤维增强方向和复合气瓶纵向对称轴的夹角小于20°—和环向缠绕纤维层——纤维增强方向和复合气瓶纵向对称轴的夹角等于90°—按铺层次序交替缠绕而成，在筒体中间0.68L1部分采用环向等厚缠绕，在与椭圆曲面尾端和椭圆曲面颈部连接处的筒体两端部L1＝0.16L1区域采用环向增厚缠绕，内胆的尾端和颈部的椭圆曲面仅有沿曲面测地线纵向螺旋缠绕的纤维层，其铺层次序与筒体的纵向螺旋缠绕纤维层一致。
实施例6。一种呼吸器用高压气瓶的生产方法，它采用80K大丝束碳纤维为原料进行缠绕制作，其步骤如下，
(1)在气瓶内胆的外表面上涂上一层聚氨酯涂层作为防电腐蚀涂层并固化；
(2)用粘度为800mPa·s的环氧树脂与促进剂、固化剂、增韧剂的混合物浸渍大丝束碳纤维，然后将浸渍过的大丝束碳纤维缠绕在经上述处理的气瓶内胆上成型；大丝束碳纤维缠绕时每股纱的缠绕张力分5级控制，第1级的缠绕张力为设计张力的30％，第2级的缠绕张力为设计张力的25％，第3级的缠绕张力为设计张力的20％，第4级的缠绕张力为设计张力的15％；第5级的缠绕张力为设计张力的10％，大丝束碳纤维缠绕的最大张力值为40牛顿/股。
(3)将前述缠绕成型的气瓶放入加热炉中进行树脂固化处理，加热的温度为165℃，时间为9.5小时，然后再进行表面处理使其表面光滑；
(4)然后在其表面再缠绕一层纵向螺旋缠绕和一层环向缠绕的玻璃纤维层作为抗冲击保护层；
(5)将玻璃纤维缠绕层固化，再进行表面处理使其表面光滑，然后喷涂气瓶外涂层，固化外涂层，得成品。
本实施例所述的环氧树脂与促进剂、固化剂、增韧剂的混合物是按100:1:75:10的比例混合的混合物。
实施例7。一种呼吸器用高压气瓶的生产方法，它采用100K大丝束碳纤维为原料进行缠绕制作，其步骤如下，
(1)在气瓶内胆的外表面上涂上一层聚氨酯涂层作为防电腐蚀涂层并固化；
(2)用粘度为400mPa·s的环氧树脂与促进剂、固化剂、增韧剂的混合物浸渍大丝束碳纤维，然后将浸渍过的大丝束碳纤维缠绕在经上述处理的气瓶内胆上成型；大丝束碳纤维缠绕时每股纱的缠绕张力分3级控制，第1级的缠绕张力为设计张力的40％，第2级的缠绕张力为设计张力的35％，第3级的缠绕张力为设计张力的25％，大丝束碳纤维缠绕的最大张力值为35牛顿/股。
(3)将前述缠绕成型的气瓶放入加热炉中进行树脂固化处理，加热的温度为175℃，时间为9小时，然后再进行表面处理使其表面光滑；
(4)然后在其表面再缠绕一层纵向螺旋缠绕和一层环向缠绕的玻璃纤维层作为抗冲击保护层；
(5)将玻璃纤维缠绕层固化，再进行表面处理使其表面光滑，然后喷涂气瓶外涂层，固化外涂层，得成品。
本实施例所述的环氧树脂与促进剂、固化剂、增韧剂的混合物是按100:1.5:80:15的比例混合的混合物。
Claims (10)
1、一种呼吸器用高压气瓶的生产方法，其特征在于，它采用大丝束碳纤维为原料进行缠绕制作，其步骤如下，
(1)在气瓶内胆的外表面上涂上一层聚氨酯涂层作为防电腐蚀涂层并固化；
(2)用粘度为200—800mPa·s的环氧树脂与促进剂、固化剂、增韧剂的混合物浸渍大丝束碳纤维，然后将浸渍过的大丝束碳纤维缠绕在经上述处理的气瓶内胆上成型；大丝束碳纤维缠绕时每股纱的缠绕张力采用分级控制，分为2-5级，第一级的缠绕张力为设计张力的30—60％，然后逐级递减；
(3)将前述缠绕成型的气瓶放入加热炉中进行树脂固化处理，加热的温度为150-180℃，时间为8—10小时，然后再进行表面处理使其表面光滑；
(4)然后在其表面再缠绕一层纵向螺旋缠绕和一层环向缠绕的玻璃纤维层作为抗冲击保护层；
(5)将玻璃纤维缠绕层固化，再进行表面处理使其表面光滑，然后喷涂气瓶外涂层，固化外涂层，得成品。
2、根据权利要求1所述的一种呼吸器用高压气瓶的生产方法，其特征在于，所述的大丝束碳纤维为48K-60K的大丝束碳纤维。
3、根据权利要求1所述的一种呼吸器用高压气瓶的生产方法，其特征在于，在步骤(2)中，内胆筒体部分的碳纤维缠绕层是由纵向螺旋缠绕纤维层——纤维增强方向和复合气瓶纵向对称轴的夹角小于20°——和环向缠绕纤维层——纤维增强方向和复合气瓶纵向对称轴的夹角等于90°——按铺层次序交替缠绕而成，在筒体中间0.68L1部分采用环向等厚缠绕，在与椭圆曲面尾端和椭圆曲面颈部连接处的筒体两端部L4＝0.16L1区域采用环向增厚缠绕，内胆的尾端和颈部的椭圆曲面仅有沿曲面测地线纵向螺旋缠绕的纤维层，其铺层次序与筒体的纵向螺旋缠绕纤维层一致。
4、根据权利要求1所述的一种呼吸器用高压气瓶的生产方法，其特征在于，在步骤(2)中，所述的环氧树脂与促进剂、固化剂、增韧剂的混合物是由双酚A型环氧树脂、季胺盐促进剂、甲基四氢邻苯二甲酸酐固化剂、CMP-410增韧剂按100:0.5-2.0):(70-85):(5-20)的比例混合的混合物。
5、根据权利要求1所述的一种呼吸器用高压气瓶的生产方法，其特征在于，在步骤(2)中，所述的环氧树脂与促进剂、固化剂、增韧剂的混合物是由双酚A型环氧树脂、季胺盐促进剂、甲基四氢邻苯二甲酸酐固化剂、CMP-410增韧剂按100:0.8:75:8的比例混合的混合物。
6、根据权利要求1所述的一种呼吸器用高压气瓶的生产方法，其特征在于，在步骤(2)中，所述的环氧树脂与促进剂、固化剂、增韧剂的混合物的粘度为300—600mPa·s。
7、根据权利要求1所述的一种呼吸器用高压气瓶的生产方法，其特征在于，在步骤(2)中，大丝束碳纤维缠绕时每股纱的缠绕张力分3级控制，第1级的缠绕张力为设计张力的50％，第2级的缠绕张力为设计张力的30％，第3级的缠绕张力为设计张力的10％。
8、根据权利要求1所述的一种呼吸器用高压气瓶的生产方法，其特征在于，在步骤(2)中，大丝束碳纤维缠绕时每股纱的缠绕张力分2级控制，第1级的缠绕张力为设计张力的60％，第2级的缠绕张力为设计张力的40％。
9、根据权利要求1所述的一种呼吸器用高压气瓶的生产方法，其特、征在于，在步骤(2)中，大丝束碳纤维缠绕时每股纱的缠绕张力分4级控制，第1级的缠绕张力为设计张力的40％，第2级的缠绕张力为设计张力的30％，第3级的缠绕张力为设计张力的20％，第4级的缠绕张力为设计张力的10％。
10、根据权利要求1所述的一种呼吸器用高压气瓶的生产方法，其特征在于，在步骤(2)中，大丝束碳纤维缠绕的最大张力值为30—45牛顿/股。
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