CN101905532A - 一种使用大丝束碳纤维制造压力容器的方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种使用大丝束碳纤维制造压力容器的方法，其中选用粘度在3000mPa·s～13000mPa·s之间的环氧树脂作为树脂基体，在缠绕过程中，树脂基体的温度控制在25摄氏度至70摄氏度大丝束碳纤维的张力控制在50N至100N每股，线速度大于60米每分钟。本发明解决了大丝束碳纤维在缠绕工艺中遇到的浸胶工艺、缠绕速度、纤维张力以及纤维展纱宽度诸多难点问题，将其成功地应用于复合材料缠绕制品-压力容器的制造，实现大丝束碳纤维的高效生产，降低复合材料制品的成本。

Description

一种使用大丝束碳纤维制造压力容器的方法

技术领域

本发明涉及一种使用大丝束碳纤维制造压力容器的方法，尤其涉及一种使用40K至50K之间的大丝束碳纤维制造碳纤维复合材料压力容器的方法。

背景技术

碳纤维复合材料制品具有重量轻、强度高、失效形式安全等许多优点，被广泛应用于航空航天、化工、建筑、电子等领域。近年来，随着应用领域和市场需求的不断扩大，其制造过程的低成本、高效率成为各行业的研究热点。其中碳纤维缠绕复合材料制品是近年来应用研究的热点，成为先进复合材料发展最快的技术。

碳纤维缠绕复合材料主要应用于航空航天、压力容器以及化工等高新技术领域。影响其生产效率和制造成本的因素很多，其中原材料碳纤维及其工艺技术是主要的关键因素。在过去的20年里，大部分的碳纤维缠绕制品主要集中在小丝束碳。所谓碳纤维的丝束是指碳纤维在原丝制造阶段，每一股纤维丝束的根数，通常把1000根定义为1K。碳纤维的丝束到目前为止，基本集中在1K，3K，6K，12K，24K，48K，50K等数量级别。大丝束和小丝束碳纤维之间并无严格的界限和定义，但一般把24K以下的碳纤维叫做小丝束，把40K以上的碳纤维叫做大丝束。一般用于湿法缠绕工艺的主要集中在24K(含)以下的碳纤维，大丝束碳纤维基本用于拉挤工艺、预浸料以及短切模塑料等复合材料制品。仅仅从纤维的理化性能比较，大丝束碳纤维与小丝束碳纤维相比，大丝束碳纤维具有价格低廉(一般低于小丝束纤维的2倍到3倍)、力学性能相当(与小丝束纤维的拉伸强度和拉伸模量相当)等许多优点。在实际应用中，大丝束与小丝束碳纤维用于缠绕工艺成型制品，各有优缺点。大丝束用于缠绕最大的优点在于可以大幅度提高制品的生产效率，降低综合制造成本；其缺点主要是由于丝束较大在采用缠绕工艺制造复合材料时存在浸胶效果差、张力施加困难等诸多问题。

目前，小丝束碳纤维由于工艺性能好、使用经验丰富等特点，而被广泛用于碳纤维缠绕制品的制造。与此相反，大丝束碳纤维由于丝束较大，工艺性能较差，如在湿法缠绕过程中经常出现浸胶困难、胶含量不均匀、张力施加困难等问题，严重限制了大丝束碳纤维的推广应用。

发明内容

本发明的目的在于提供一种高效的使用大丝束碳纤维制造压力容器的方法。

本发明的目的通过提供以下技术方案来实现：

一种使用大丝束碳纤维制造压力容器的方法，其特征在于：选用粘度在3000mPa·s～13000mPa·s之间的环氧树脂作为树脂基体，在缠绕过程中，树脂基体的温度控制在25摄氏度至70摄氏度，大丝束碳纤维的张力控制在50N至100N每股，缠绕线速度大于60米每分钟；继而将缠绕完毕的压力容器固化。

进一步地，在缠绕过程中，纵向展纱与横向展纱交错，展纱宽度为10毫米每股至20毫米每股。

进一步地，在缠绕过程中，所述大丝束碳纤维在带胶液的胶辊表面过胶。

进一步地，所述树脂基体的粘度在4000mPa·s至7000mPa·s之间，在缠绕过程中所述树脂基体的温度控制在40摄氏度至65摄氏度。

进一步地，所述树脂基体和碳纤维的重量配比在35/65至32/68之间。

进一步地，选用40K至50K的大丝束碳纤维制造压力容器。

进一步地，所述压力容器的固化过程包括三个步骤，第一，将缠绕完成的大丝束碳纤维材料压力容器放置在室温下；第二，将大丝束碳纤维材料压力容器放入升温的固化炉固化；第三，进一步升高固化炉温度以充分固化大丝束碳纤维材料压力容器。

进一步地，在第一步骤中，将缠绕完成的大丝束碳纤维材料压力容器放置在室温下12至24小时；在第二步骤中，在120摄氏度至150摄氏度温度下固化6至8小时。

进一步地，上述使用大丝束碳纤维制造压力容器的方法适用于缠绕各种管道、航空航天涉及的回转成形制品、球形以及异型的复合材料制品、高压复合材料压力容器。

本发明的有益效果主要体现在：解决了大丝束碳纤维在缠绕工艺中遇到的浸胶工艺、缠绕速度、纤维张力以及纤维展纱宽度诸多难点问题，将其成功的应用于复合材料缠绕制品-压力容器的制造，实现大丝束碳纤维的高效生产，降低复合材料制品的成本。

本发明涉及的大丝束缠绕碳纤维缠绕复合材料制品具有重量轻、强度高、价格低廉和生产效率高的特点，其典型代表产品通过了国际最高标准的各项性能测试，其结果完全满足标准要求。本发明涉及大丝束缠绕碳纤维缠绕工艺技术的典型代表产品-复合材料压力容器可以用于充装高压气体、高压液体等介质。

附图说明

下面结合附图对本发明技术方案作进一步说明：

图1：本发明的具体实施例的最终产品示意图。

图中各附图标记的含义见下表：

附图标记	含义	附图标记	含义	附图标记	含义
						1	内胆层	2	复合材料层

具体实施方式

本发明的使用大丝束碳纤维制造压力容器的方法涉及缠绕技术的树脂体系、缠绕工艺参数以及固化工艺参数。

压力容器，即纤维缠绕复合材料制品一般有两种缠绕方式，一种为单纯的环向缠绕，即纤维的取向为缠绕制品的环向，与缠绕制品的轴线呈90°角度，这是一种常规的缠绕方式，主要用于缠绕管道等制品。一种为从0°到90°的多角度全缠绕，缠绕过程中角度发生变化，一般用于比较复杂的航空航天制品、压力容器制品等。这两种方式均可使用本发明的使用大丝束碳纤维制造压力容器的方法。为了使产品具有典型性，专利实施选择了使用多角度缠绕的车用铝内胆碳纤维全缠绕氢气瓶。这类产品与传统的纤维缠绕制品相比较，具有几个显著的特点：压力容器对安全可靠性要求极高，对工艺实施的技术要求较高，对纤维的张力、缠绕速度、树脂/纤维的比例等参数都相当严格，因此本专利的具体实施例选择了这类缠绕制品作为代表。

复合材料压力容器一般采用纤维缠绕工艺成型，即先将连续纤维浸渍胶液，通过特殊的缠绕设备，在内胆上进行纵向和环向缠绕，然后经固化成型。

以下具体描述制造大丝束碳纤维缠绕复合材料压力容器的大丝束碳纤维缠绕系统。

该大丝束纤维缠绕系统可以分为四个区域，即干纱区域、浸胶区域、纤维传递区域和绕丝头区域。为了适应大丝束碳纤维的缠绕，对每个区域均进行了改造。

干纱区域为纱束浸渍胶液以前的区域。对于较难浸胶的大丝束碳纤维，在该区域应尽量保证纱束的平整、舒展和松散。此外应注意防止干纱产生折断、起毛等缺陷，而影响纤维性能的发挥。在该区域设备中，采用了导向环，展纱棒等装置，使纤维纱能够平整均匀的进入浸胶区域。

浸胶区域是指纤维纱束浸渍胶液的区域。大丝束碳纤维浸渍胶液采用印胶方式，即纤维纱从胶辊的上部通过，带走表面的胶液。该区域由胶辊、刮刀、温控系统组成。胶辊在旋转过程中带起胶液，供纤维纱上胶。刮刀控制胶液含量大小，是保证纤维树脂含量的重要装置。温控系统由水浴加热套控制胶液温度。

纤维传递区域是指纤维通过浸胶机构后到绕丝头区域。该区域应尽量保持纤维纱的平整，防止纱片打捻。纤维传递区域通常采用竖直棒来实现纱片的水平和竖直的转换。

绕丝头区域，绕丝头是纤维纱的出纱机构，纤维纱通过绕丝头后按照规定的路径缠绕到芯模上。为了确保纱束平展的铺覆到芯模上，绕丝头中设置了依次展纱棒、月牙形棒和平辊，纱束穿过月牙形棒。

缠绕过程中，线速度为60m/min，纱团数量为2团，纤维展纱宽度为10mm/股，张力为5kg/股。

通过该系统制备的大丝束碳纤维缠绕复合材料压力容器，其树脂重量含量30±3％，纤维强度发挥率大于85％。

下面详细描述本发明的使用大丝束碳纤维制造压力容器的方法中涉及到的具体工艺，主要包括树脂基体选择、缠绕工艺参数调整、成型工艺优化等方面。

首先是树脂基体的选择。

树脂基体的种类和粘度是影响纤维浸渍胶液的关键因素。其选择依据与纤维型号密切相关，传统的小丝束专用的树脂体系，已不能直接用于大丝束纤维的缠绕。本发明的具体实施例采用低粘度环氧树脂作为大丝束碳纤维的基体材料，该树脂体系的粘度范围为3000mPa·s～13000mPa·s，优选的在4000mPa·s～7000mPa·s之间。试验证明在该粘度范围内能够满足大丝束碳纤维快速缠绕的需要。同时，树脂粘度与温度有直接关系，因此，如下所述的，在缠绕过程中应将胶液温度控制在25～70℃范围内，优选的，在40～65℃范围内。

第二是缠绕参数要求。本发明的缠绕工艺参数包括浸胶参数、展纱宽度、缠绕线速度、强度利用率、树脂/纤维比例以及大丝束碳纤维展纱工艺。

缠绕张力控制

普通小丝束碳纤维在缠绕过程中，其张力大小可以根据丝束的大小进行适当比例的调整，大丝束碳纤维由于丝束的大小是传统丝束的2-4倍甚至以上，其张力大小已经不能根据丝束的大小进行比例调整。本专利经过试验研究，证明40K～50K的碳纤维可以把缠绕过程中的张力控制在50～100N/股，具体的张力大小调整要根据产品的长径比以及产品的直径大小。

缠绕树脂/纤维的比例

要保证制品的理化性能、最佳的重量以及较好的外观，需要对树脂/纤维的比例进行最佳配比。树脂含量过低，导致纤维的浸胶效果不佳，强度发挥不利，同时制品的成本上升(树脂的价格仅为纤维价格的十分之一)；外观效果不好。相反，树脂含量过高，制品的强度难以保证。本专利经过研究表明，树脂/纤维的重量配比在35/65～32/68范围内最佳，其调整范围根据制品的复合材料厚度、制品的大小进行调整。

缠绕纤维线速度

小丝束碳纤维的缠绕线速度一般都低于30m/min，原因在于其纤维束展纱的宽度以及纤维直径均区别于大丝束碳纤维，以及设备针对小丝束的装置发生变化，传统的缠绕线速度一方面满足不了大丝束缠绕的需求。大丝束碳纤维的直径一般大于7um，小丝束碳纤维的直径一般在5-6um，快速缠绕导致纤维断裂。通过对大丝束碳纤维的研究证明，大丝束碳纤维在缠绕过程中，通过调整合适的浸胶时间以及确保完全浸胶，可以最终实现大于60m/min的缠绕线速度。

缠绕纤维展纱宽度

展纱宽度是保证纤维缠绕效果重要参数之一。展纱工艺是大丝束碳纤维的关键技术之一，一方面要确保大丝束的纤维展开后获得小丝束纤维同样的浸胶效果，另外一方面是提高缠绕效率的重要指标，防止纤维在缠绕过程中发生堆积。传统的小丝束12K碳纤维的展纱宽度基本控制在3～5mm/股，但是对于大丝束而言，展纱宽度非常重要，防止过宽，纤维与制品的环向角度过大，纤维强度损失较大，在缠绕过程中容易发生滑线，中止作业，或是调低线速度以防滑线。一般40～50K的丝束，展纱宽度基本控制10～20mm/股，根据制品的直径或是长径比大小进行适当调整。

缠绕浸胶

大丝束的关键之一还在于浸胶。纤维丝束越大，浸胶越难。因此选择合适的浸胶长度、浸胶时间以及纤维浸胶方式都是大丝束碳纤维的浸胶关键。经过研究证明，大丝束碳纤维浸胶需要采用纤维在带胶液的胶辊表面过胶的方式进行浸胶，一方面可以防止碳纤维的含胶量过高，还可以通过装置控制胶液在胶辊表面的数量，从而精确控制纤维的含胶量。为了适应高速的缠绕工艺要求，还需要采取其他方式使浸胶后的碳纤维充分展开，使得胶液从内到外与每一根纤维浸润，确保纤维的浸润效果，保证纤维的强度利用率。通过一定的方式，确保纤维到达制品表面之前，有足够的浸胶时间，使得胶液的浸润效果复合固化工艺的要求。一般浸胶要求胶液在制品表面没有流胶现象，手接触不沾手为最佳效果。

第三是固化工艺控制。以下详述大丝束碳纤维缠绕系统制备的大丝束碳纤维缠绕复合材料压力容器的固化工艺。

大丝束碳纤维缠绕复合材料压力容器的固化工艺与小丝束不同，除了要保证树脂能够完全固化外，还应该保证树脂凝胶前能够完全浸润纤维。本发明的具体实施方式将大丝束碳纤维缠绕制品的固化过程分三个阶段进行。首先，将缠绕完成的容器在室温下一定时间，按照厚度不同通常放置12小时～24小时进行凝胶固化，以便纤维进一步浸润。然后，放入固化炉在120～150℃的温度下固化6～8小时。该阶段的主要作用是，树脂在较高温度下粘度变小，使纤维充分浸润树脂。第三阶段是升高到更高温度，使树脂充分固化。在温度低于80℃条件下从固化炉取出。

通过上述工艺措施的实施，基本解决了大丝束碳纤维缠绕复合材料压力容器的关键技术问题。制备得到的容器工作压力为35MPa，容积/重量比达到0.5，与采用小丝束碳纤维相比，成本可降低20％左右，生产一只容器约300分钟，可节省时间30％左右。其具有生产效率高、成本低、市场竞争力强的特点，使得制造低成本、高效率的大丝束碳纤维复合材料压力容器成为可能。

图1为本发明的使用大丝束碳纤维制造压力容器的方法制造的一种具体产品。

该产品具体为大丝束碳纤维缠绕155L高压容器，用于充装压缩天然气。其由内外双层结构组成，即内胆层1和复合材料层2。内层的内胆层1主要起气密作用，采用铝合金内衬；外层的复合材料2是容器的强度层，承担绝大部分的内压载荷。复合材料层采用美国Zoltek公司生产的50K大丝束碳纤维浸渍环氧树脂成型。内衬外径389mm，制品碳纤维复合材料厚度12mm。缠绕过程中，线速度为60m/min，纱团数量为2团，纤维展纱宽度为10mm/股，张力为5kg/股。缠绕基体材料采用美国壳牌公司的EPON828型环氧树脂。

制品具有生产效率高、成本低、市场竞争力强的特点。容器各项试验指标均达到了相关国际标准要求。

车用铝内胆碳纤维全缠绕氢气瓶的相关指标如下：

本发明的使用大丝束碳纤维制造压力容器的方法既可以用于环向缠绕，又可以用于全缠绕的复合材料制品，可以用于缠绕各类管道、航空航天涉及的回转成形制品、球形以及异型的复合材料制品、高压复合材料压力容器。

以上实施例，并非对本发明组合物的限制，故凡依本发明之原理、技术实质、构造、形状所做的等效变化、细微修改与修饰，均仍属于本发明的保护范围内。

Claims (9)

1.一种使用大丝束碳纤维制造压力容器的方法，其特征在于：

选用粘度在3000mPa·s～13000mPa·s之间的环氧树脂作为树脂基体，在缠绕过程中，树脂基体的温度控制在25摄氏度至70摄氏度，大丝束碳纤维的张力控制在50N至100N每股，缠绕线速度大于60米每分钟；进而将所述缠绕完毕后的压力容器固化。

2.根据权利要求1所述的使用大丝束碳纤维制造压力容器的方法，其特征在于：在缠绕过程中，纵向展纱与横向展纱交错，展纱宽度为10毫米每股至20毫米每股。

3.根据权利要求1所述的使用大丝束碳纤维制造压力容器的方法，其特征在于：在缠绕过程中，所述大丝束碳纤维在带胶液的胶辊表面过胶。

4.根据权利要求1所述的使用大丝束碳纤维制造压力容器的方法，其特征在于：所述树脂基体的粘度在4000mPa·s至7000mPa·s之间，在缠绕过程中所述树脂基体的温度控制在40摄氏度至65摄氏度。

5.根据权利要求1所述的使用大丝束碳纤维制造压力容器的方法，其特征在于：所述树脂基体和碳纤维的重量配比在35/65至32/68之间。

6.根据权利要求1所述的使用大丝束碳纤维制造压力容器的方法，其特征在于：选用40K至50K的大丝束碳纤维制造压力容器。

7.根据权利要求1所述的使用大丝束碳纤维制造压力容器的方法，其特征在于：所述压力容器的固化过程包括三个步骤，

第一，将缠绕完成的大丝束碳纤维材料压力容器放置在室温下；

第二，将大丝束碳纤维材料压力容器放入升温的固化炉固化；

第三，进一步升高固化炉温度以充分固化大丝束碳纤维材料压力容器。

8.根据权利要求7中所述的使用大丝束碳纤维制造压力容器的方法，其特征在于：在第一步骤中，将缠绕完成的大丝束碳纤维材料压力容器放置在室温下12至24小时；在第二步骤中，在120摄氏度至150摄氏度温度下固化6至8小时。

9.根据权利要求1所述的使用大丝束碳纤维制造压力容器的方法，其特征在于：适用于缠绕管道、航空航天涉及的回转成形制品、球形以及异型的复合材料制品、高压复合材料压力容器。

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