CN103009716A - 一种碳纤维复合材料及其制备方法和槽罐 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种碳纤维复合材料，该碳纤维复合材料依次由金属内层、局部增强层、增强层和外保护层组成。其中增强层优选使用大丝束碳纤维缠绕成型。本发明还公开了所述碳纤维复合材料的制备方法。本发明进一步公开了由所述碳纤维复合材料制备的槽罐，该槽罐可用于运载液体、粉末、气体、浆状物等物质。与传统金属槽罐相比，本发明的碳纤维复合材料槽罐较金属槽罐减重50％以上；可以显著提高槽罐车的运载能力，降低油耗及二氧化碳排放，具有提高运营利润、减少环境污染的双重效益。

Description

一种碳纤维复合材料及其制备方法和槽罐

技术领域

本发明属于复合材料技术领域，具体涉及一种碳纤维复合材料及其制备方法和由其制备的槽罐。

背景技术

槽罐车是车体呈罐形的运输车辆，用来装运各种液体、液化气体、粉末状及浆状货物等，这些货物包括汽油、原油、各种粘油、植物油、液氨、酒精、水、各种酸碱类液体、水泥氧化铅粉等。槽罐车在运输中占有很重要的地位，约占货车总数的18％。现有槽罐车使用材质主要以金属为主，为保证槽罐车的运载能力，以钢为材质的槽罐车，设计容量为11m³，额定容量小于9.6m³时，最小壁厚不得低于5mm(带腐蚀附加量)，随载重容量的增加，罐体壁厚也随之增加，这使得钢材料运输罐自重大，运载能力降低，能耗大。

碳纤维复合材料具有强度高、比模量大、密度低、抗震动性好、抗疲劳性优越、环境耐受性好、设计自由度大等诸多卓越性能。但是目前，碳纤维价格仍十分昂贵，使用高品质碳纤维制造槽罐车将大大增加槽车的制造成本，经济效益不明显。

发明内容

为了解决上述技术问题，本发明提供一种轻质的、价格低的碳纤维复合材料。

本发明还提供所述碳纤维复合材料的制备方法。

本发明进一步提供由所述碳纤维复合材料制备的槽罐。

本发明提供的碳纤维复合材料，其依次由金属内层、局部增强层、增强层和外保护层组成。

根据碳纤维复合材料的不同用途，可以设计不同的厚度。例如，各层的厚度可以分别为：金属内层1～5mm，局部增强层1～15mm，增强层1～20mm，外保护层1～5mm。

所述金属内层为钢、铝或硬质合金材料。

所述局部增强层可以根据设计需要适当增加或删减，其可以是由全碳纤维织物与基体树脂固化而成的复合材料；或者，也可以是局部例如幅面1/4-3/4部分使用碳纤维织物与基体树脂固化复合进行增强，其余的部分使用碳纤维织物、玻璃纤维毡、短切玻璃纤维和/或短切碳纤维与基体树脂固化复合进行增强的复合材料，其中碳纤维织物复合材料以及其他纤维复合材料所占的比重可以根据本发明材料的不同用途来计算设定，例如，将本发明的材料用于槽罐车时，可以根据槽罐的载重容量及相关需求计算设定。

其中，所述碳纤维织物的使用形式为纤维毡、机织纤维布、针织纤维布、编织纤维布、缝织纤维布、斜纹布、平纹布或单向布。

所述增强层由长纤维浸润基体树脂后共同成型固化而成；或者，也可以由纤维预浸带固化而成；所述增强层中纤维含量为50％～90％。

当将碳纤维复合材料制成筒状时，该增强层可由长纤维浸润基体树脂后通过缠绕共同成型固化而成；或者，也可以由纤维预浸带缠绕固化而成。

其中，所述长纤维或纤维预浸带为碳纤维、芳纶纤维、玻璃纤维、玄武岩纤维、凯夫拉纤维或其预浸带。优选地，所述长纤维或纤维预浸带为24K以上大丝束碳纤维或其预浸带。

所述预浸带是将纤维浸渍在基体材料中制成的预浸料片材产品，是复合材料的中间材料，可市购获得。纤维主要有碳纤维、玻璃纤维、芳族聚酰胺纤维等。基体材料主要有环氧树脂、聚酯树脂、热可塑性树脂等。

本发明碳纤维复合材料的局部增强层和增强层中所用的基体树脂为热固性树脂，选自环氧树脂、不饱和聚酯树脂、双马来酰胺树脂、聚酰亚胺树脂、乙烯基树脂和酚醛树脂中的一种或多种。

所述外保护层可以是胶衣层、耐磨涂料层或保温层中的一种。

本发明还提供一种制备上述碳纤维复合材料的方法，该方法包括如下步骤：1)制作金属内层；2)通过铺设、喷射或手糊方式在所述金属内层外成型局部增强层；3)将带有局部增强层的金属内层安装于缠绕支架上，将长纤维或其预浸带逐层缠绕于局部增强层外，固化成型，形成增强层；4)在增强层外部使用喷涂或涂刷方式涂装胶衣树脂、耐磨涂料或保温材料形成外保护层。

在本发明的一个实施方式中，步骤1)中可以进一步对金属内层进行基底处理，包括使用喷砂或钢丝刷等对金属内层表面进行打磨和去油处理。

在本发明的一个实施方式中，步骤2)中可以根据设计需要在金属内层外面局部例如幅面1/4-3/4部分铺覆碳纤维织物和基体树脂，逐层铺设并使用专用压辊沿铺设方向赶压气泡，使铺层紧致、密实且树脂含量均匀；其他部分使用喷射或手糊方式将含有短切纤维的树脂胶液均匀涂覆于金属内层上，形成局部增强层。

在本发明的一个实施方式中，步骤3)可以将铺设好局部增强层的金属内层安装于缠绕支架上，并根据设计使用缠绕机将长纤维或其预浸带以不同角度逐层缠绕于局部增强层外，在壁厚达到设计强度需求时，结束缠绕，然后持续旋转罐体，将多余树脂刮除，对罐体加热使之固化成型，形成增强层。

步骤3)中，缠绕时可以在金属内层的内部施加气压，气压的范围为0.15～0.5Mpa。

步骤3)中，将长纤维或其预浸带按照一定的角度(例如2-20°)及层数(根据用途需要，可以是多层)缠绕于局部增强层外；缠绕的方式可以采用螺旋缠绕、环向缠绕和/或轴向缠绕；缠绕的同时施加1～200N张力、优选40-120N张力，来控制长纤维或其预浸带的基体树脂含量及排布；控制所述基体树脂含量在5％～60％的范围内；优选地，控制所述基体树脂含量在10％～25％的范围内。

本发明进一步提供一种槽罐，其包括罐体，该罐体由本发明上述任一种碳纤维复合材料制成，形成碳纤维复合材料槽罐。该槽罐还可以包括金属嵌入件、输送管路、注入口和/或输出口等部件。

本发明的碳纤维复合材料槽罐可以为单室，也可以根据罐体长度及使用需要由内隔板隔为多个相通的仓室，或由多个独立的仓室拼装而成。

在罐体制作过程中，在增强层缠绕至1/3～2/3时，可以埋入罐体所需的金属嵌入件，例如槽罐支撑架、连接件、出入口连接法兰等，然后继续缠绕至缠绕结束。

本发明的碳纤维复合材料槽罐可以用于运载易燃易爆的液体、气体、粉体及浆状物，例如油和酒精等。

本发明的有益效果如下：

(1)由本发明的碳纤维复合材料制成的槽罐充分利用了纤维尤其是碳纤维复合材料优异的比强度(约为钢的7倍)、比模量(约为钢的2-3倍)等性能，不仅能够提高罐体的力学强度以及耐腐蚀的性能，在减少罐体金属材料用量的同时，大大减轻槽罐的自重，碳纤维复合材料槽罐较金属槽罐减重50％以上；可以显著提高槽罐车的运载能力，降低油耗及二氧化碳排放，具有提高运营利润，减少环境污染的双重效益。

(2)通过缠绕成型的增强层可使罐体具有极好的力学强度和密封性，降低了外力破坏作用下罐体破裂的可能性，同时也减少了日常运输过程中出现泄露和渗漏的几率，具有较高的安全性。

(3)本发明的制备方法组合工艺简单，生产周期短，能耗小，污染小，可有效的降低生产成本，适用于工业化生产。

(4)本发明使用的大丝束碳纤维，其力学性能良好且成本较低，与玻璃纤维等其他类型纤维增强材料一同使用，可以大大降低槽罐车的制造成本，能实现复合材料槽车罐体的工业化生产。

附图说明

图1是由碳纤维复合材料制成的罐体剖面图；

图2是槽罐的制造方法示意图；

其中，

1-内层，2-局部增强层，3-增强层，4-外保护层，5-缠绕旋转支撑，6-罐体，7-纤维或纤维预浸带，8-缠绕机头，9-纱锭。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明做进一步详细说明。以下实施例用于说明本发明，但不用来限制本发明的范围。

实施例1 碳纤维复合材料槽罐及其制备方法

1.如图1所示，本实施例的槽罐的罐体由碳纤维复合材料制成，包括金属内层1、局部增强层2、增强层3和外保护层4。各层的厚度分别为：金属内层3mm，局部增强层10mm，增强层15mm，外保护层3mm。

2.如图2所示，本实施例的槽罐的制备方法包括以下步骤：

1)根据槽罐结构设计，采用硬质合金材料制作金属内层；对金属内层进行基底处理，使用喷砂对内层表面进行打磨和去油处理。

2)在金属内层外部的下半部分铺覆由东丽T700型24K碳纤维编织的斜纹布和含有引发剂过氧化环己酮(CHP)的乙烯基树脂胶液，逐层铺设并使用专用压辊沿铺设方向赶压气泡，使铺层紧致、密实且树脂含量均匀；使用喷射成型工艺将短切纤维、含有引发剂CHP的乙烯基树脂胶液均匀涂覆于金属内层外部的上半部分，在金属内层外部形成局部增强层，室温固化48小时。

3)将铺设好局部增强层的金属内层装载在缠绕支撑架上，对金属内层的内部充气，施加0.15Mpa气压；将24K大丝束无捻碳纤维粗砂在含有引发剂CHP的乙烯基树脂胶液中浸润5min，以5.72°螺旋缠绕及环向缠绕，缠绕同时对纱线施加120N张力控制树脂含量为15±1％，张力随层数增加逐层减少至40N。在增强层缠绕至2/3时埋入罐体所需金属嵌入件，如槽罐支撑架、连接件、出入口连接法兰等，然后继续缠绕。缠绕结束后，持续旋转罐体，并将多余树脂刮除，对罐体加热至40℃固化48小时后成型，形成增强层，增强层中纤维含量为70％。

4)对成型的增强层打磨抛光，并通过喷涂工艺喷涂外层耐磨漆面，形成外保护层，最终得到碳纤维复合材料槽罐。

实施例2 碳纤维复合材料槽罐及其制备方法

1.如图1所示，本实施例的槽罐的罐体由碳纤维复合材料制成，包括金属内层1、局部增强层2、增强层3和外保护层4。各层的厚度分别为：金属内层5mm，局部增强层15mm，增强层20mm，外保护层5mm。

2.按实施例1同法制备本实施例的槽罐，不同之处在于：

1)采用钢材料制作金属内层；使用钢丝刷对内层表面进行打磨和去油处理。

2)局部增强层的3/4部分使用24K碳纤维编织的平纹布与双马来酰胺树脂预聚物逐层手糊铺设，其余1/4部分使用短切玄武岩纤维毡和双马来酰胺树脂预聚物手糊铺设，随后一同固化成型，以10℃/min升温速率升温至180℃并固化16小时。

3)对金属内层施加0.5Mpa气压；将24K大丝束碳纤维在含有二氨基二苯甲烷固化体系的TDE-85环氧树脂混合胶液中浸润8min，以9°螺旋缠绕及环向缠绕，缠绕同时对纱线施加160N张力控制树脂含量为25±1％，张力随层数增加逐层减少至80N，缠绕完毕后升温至60℃，固化48小时，增强层中纤维含量为90％。

4)通过涂刷方式刷保温材料，形成外保护层，最终得到碳纤维复合材料槽罐。

实施例3 碳纤维复合材料槽罐及其制备方法

1.如图1所示，本实施例的槽罐的罐体由碳纤维复合材料制成，包括金属内层1、局部增强层2、增强层3和外保护层4。各层的厚度分别为：金属内层1mm，局部增强层8mm，增强层10mm，外保护层1mm。

2.按实施例1同法制备本实施例的槽罐，不同之处在于：

1)采用铝材料制作金属内层；使用喷砂对内层表面进行打磨和去油处理。

2)局部增强层的2/3部分使用24K碳纤维的缝织纤维布与含有引发剂过氧化苯酰及促进剂二乙基苯胺固化体系的不饱和聚酯树脂混合胶液逐层手糊铺设，其余1/3部分使用短切玻璃纤维及上述不饱和聚酯树脂混合胶液喷射铺设，室温固化48小时成型。

3)对金属内层施加0.15Mpa气压；将芳纶纤维在上述不饱和树脂混合胶液中浸润3min，以12°螺旋缠绕及轴向缠绕，缠绕同时对纱线施加100N张力控制树脂含量为10±1％，张力随层数增加逐层减少至20N。增强层中纤维含量为50％。

4)通过涂刷方式刷胶衣树脂，形成外保护层，最终得到碳纤维复合材料槽罐。

由技术常识可知，本发明可以通过其它的不脱离其精神实质或必要特征的实施方案来实现。因此，上述公开的实施例，就各方面而言，都只是举例说明，并不是仅有的。所有在本发明范围内或在等同于本发明的范围内的改变均包含于本发明的保护范围内。

Claims (10)

1.一种碳纤维复合材料，其特征在于，其依次由金属内层、局部增强层、增强层和外保护层组成。

2.根据权利要求1所述的碳纤维复合材料，其特征在于，所述金属内层为钢、铝或硬质合金材料。

3.根据权利要求1所述的碳纤维复合材料，其特征在于，所述局部增强层由碳纤维织物和基体树脂固化而成；或者，所述局部增强层的幅面1/4-3/4部分由碳纤维织物和基体树脂固化而成，其余的部分由碳纤维织物、玻璃纤维毡、短切玻璃纤维和/或短切碳纤维与基体树脂固化而成。

4.根据权利要求1所述的碳纤维复合材料，其特征在于，所述增强层由长纤维浸润基体树脂后共同成型固化而成；或者，由纤维预浸带固化而成；所述增强层中纤维含量为50％～90％。

5.根据权利要求4所述的碳纤维复合材料，其特征在于，所述长纤维或纤维预浸带为碳纤维、芳纶纤维、玻璃纤维、玄武岩纤维、凯夫拉纤维或其预浸带；优选地，所述长纤维或纤维预浸带为24K以上大丝束碳纤维或其预浸带。

6.根据权利要求3或4所述的碳纤维复合材料，其特征在于，所述基体树脂为热固性树脂，选自环氧树脂、不饱和聚酯树脂、双马来酰胺树脂、聚酰亚胺树脂、乙烯基树脂和酚醛树脂中的一种或多种。

7.一种制备权利要求1-6任一项所述的碳纤维复合材料的方法，其特征在于，包括如下步骤：1)制作金属内层；2)通过铺设、喷射或手糊方式在所述金属内层外成型局部增强层；3)将带有局部增强层的金属内层安装于缠绕支架上，将长纤维或其预浸带逐层缠绕于局部增强层外，固化成型，形成增强层；4)在增强层外部使用喷涂或涂刷方式涂装胶衣树脂、耐磨涂料或保温材料形成外保护层。

8.根据权利要求7所述的方法，其特征在于，缠绕时在金属内层的内部施加气压，气压的范围为0.15～0.5Mpa。

9.根据权利要求7所述的方法，其特征在于，将所述长纤维或其预浸带按照2-20度的角度缠绕于局部增强层外；缠绕的方式采用螺旋缠绕、环向缠绕和/或轴向缠绕；缠绕的同时施加1～200N张力控制长纤维或其预浸带的基体树脂含量及排布；控制所述基体树脂含量在5％～60％的范围内；优选地，控制所述基体树脂含量在10％～25％的范围内。

10.一种槽罐，包括罐体，其特征在于，所述罐体由权利要求1-6任一项所述的碳纤维复合材料制成。

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