CN103112181B - 一种玻璃纤维全缠绕铝内胆复合气瓶及其制造工艺 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种玻璃纤维全缠绕铝内胆复合气瓶及其制造工艺，工艺包括如下步骤：（1）将玻璃纤维进行干燥处理；将环氧树脂基体进行消泡处理后与固化剂混合均匀，得树脂基体，对树脂基体进行水浴保温；（2）将干燥处理后的玻璃纤维在水浴保温的树脂基体中浸润，得玻纤增强树脂基体复合材料；（3）将玻纤增强树脂基体复合材料在铝合金内胆表面缠绕2~5层，每缠绕完一层后对该层进行消泡、固化和表面打磨处理；（4）缠绕完最后一层后进行后固化、水自压紧处理。本发明工艺相比碳纤维全缠绕铝内胆气瓶的生产工艺省去了铝内胆表面的绝缘层、气瓶表面的保护层，使成型工艺简化，效率得到提高。

Description

一种玻璃纤维全缠绕铝内胆复合气瓶及其制造工艺

技术领域

本发明涉及复合材料高压气瓶领域，具体涉及一种玻璃纤维全缠绕铝内胆复合气瓶及其制造工艺。

背景技术

目前，市场应用的气瓶可按照根据国际标准ISO11119《复合结构气瓶规范和试验方法》对气瓶分为四类，主要有Ⅰ型金属气瓶、Ⅱ型金属内胆环向缠绕复合气瓶、Ⅲ型金属内胆全缠绕复合气瓶和Ⅳ型塑料内胆全缠绕复合气瓶。

Ⅰ型金属气瓶价格低廉，但安全性低，纵向强度得不到发挥，质量中，寿命低。钢质高压气瓶如遇到意外事故，其破裂属突发性破片模式，其产生的碎片对人具有很大伤害力。

Ⅱ型金属内胆环向缠绕复合气瓶主要为玻璃纤维环向缠绕钢内胆气瓶，应用于车载压缩天然气领域，纤维承载环向部分应力，其安全性低，易受天然气硫化物腐蚀，质量中。

Ⅲ型气瓶主要为碳纤维全缠绕铝内胆气瓶，其综合了复合材料的高比强度、可设计性以及内衬的良好气密性、优良的耐蚀性等诸多优点，使其达到高承压能力、高疲劳寿命、容重比大、耐腐蚀、未爆破先泄露等优良性能的完美结合。但是价格高、成型工艺复杂，限制了推广使用。

例如，公告号为CN202327635U的中国实用新型专利公开了一种高强玻璃纤维增强铝内胆全缠绕复合气瓶，包括铝内胆，铝内胆上设置有高强度玻璃纤维缠绕层、高强度玻璃纤维缠绕层上设置有高强度玻璃纤维保护层；其铝内胆与高强度玻璃纤维缠绕层以缠绕的方式相连接，高强度玻璃纤维缠绕层与高强度玻璃纤维保护层以粘接的方式相连接。

例如，公开号为CN102748584A的中国发明专利申请公开了一种铝内胆碳纤维全缠绕复合气瓶制造工艺方法，该复合气瓶的主要承载结构是铝内胆和碳纤维缠绕层，其筒体部分上的碳纤维缠绕层是由纵向螺旋缠绕纤维层和环向缠绕纤维层按优化设计所得的铺层次序交替缠绕而成，碳纤维全缠绕层的表面上缠绕玻璃纤维层作为复合气瓶的抗冲击保护层。经该工艺方法生产的铝内胆全缠绕复合气瓶主要技术指标为：安全系数n≥3.4，疲劳循环次数N≥10000次，满足了合理的应力场分布，保证复合气瓶在使用最少的纤维用量的条件下能够承受最大的爆破压力，使其破裂位置位于气瓶筒体部位、无碎片，并在给定的工作压力下复合气瓶的铝内胆始终处于弹性变形状态，保证复合气瓶具有持久、良好的气密性能和最佳安全性能。

Ⅳ型塑料内胆全缠绕复合气瓶技术尚未成熟，在国内高压气瓶领域尚未得到使用。

发明内容

本发明提供了一种玻璃纤维全缠绕铝内胆复合气瓶及其制造工艺，采用“分层加工、多次固化”技术研发的Ⅲ型玻璃纤维全缠绕铝内胆复合气瓶，克服了Ⅲ型碳纤维全缠绕铝内胆气瓶的原材料国外垄断、价格高、成型工艺复杂的缺点，并采用对玻纤进行干燥处理、对树脂进行加温消泡处理、对配好的树脂进行水浴保温处理三项工艺保证树脂对纤维的浸润以提高纤维强度的发挥系数，新型玻纤的使用相比碳纤维全缠绕铝内胆气瓶的生产工艺省去了铝内胆表面的绝缘层、气瓶表面的保护层，使成型工艺简化，效率得到提高。

一种玻璃纤维全缠绕铝内胆复合气瓶的制造工艺，包括如下步骤：

（1）将玻璃纤维进行干燥处理；将环氧树脂基体进行消泡处理后与固化剂混合均匀，得树脂基体，对所述树脂基体进行水浴保温；

（2）将步骤（1）中干燥处理后的玻璃纤维在水浴保温的树脂基体中浸润，得玻纤增强树脂基体复合材料；

（3）取铝合金内胆作为内衬，将所述玻纤增强树脂基体复合材料在铝合金内胆表面缠绕3~4mm为一层，每缠绕完一层后对该层进行消泡、固化和表面打磨处理；

（4）缠绕完最后一层后对缠绕有玻纤增强树脂基体复合材料的铝合金内胆进行后固化、水自压紧处理。

作为优选，所述铝合金内胆表面缠绕2~5层玻纤增强树脂基体复合材料，更优选地，为3层。

步骤（3）中每层的缠绕厚度为3~4mm，更优选为3mm。

作为优选，步骤（3）中的消泡和固化处理过程为：在固化炉中于75~85℃消泡1~1.5小时，消泡后升温至115~125℃固化1~1.5小时；更优选地，在固化炉中于80℃消泡1小时，消泡后升温至120℃固化1小时。

作为优选，步骤（3）中每一层的缠绕方式为：纵向缠绕与环向缠绕交替进行。

作为优选，步骤（1）中所述的干燥处理为：在75~85℃的烘箱中烘烤4~8小时；更优选地，在80℃的烘箱中烘烤4小时。

作为优选，步骤（1）中所述消泡处理为：在35~45℃的烘箱中烘烤2~4小时；更优选地，在40℃的烘箱中烘烤2小时。

作为优选，步骤（1）中水浴保温的温度为35~45℃；更优选地，为40℃。

作为优选，步骤（1）中所述的固化剂为甲基六氢苯酐或芳香胺与聚醚胺混合物。

步骤（4）中所述的后固化为：在固化炉中145~155℃固化2.5~3.5小时；更优选地，在固化炉中150℃固化3小时。

本发明采用铝合金内胆作为内衬，因玻纤增强树脂基体复合材料属于绝缘材料，在内胆表面直接缠绕玻纤增强的复合材料；纤维缠绕设计了纵向缠绕和环向缠绕两种方式，并且纵向缠绕与环向缠绕交替进行，以利于纤维强度的发挥；在厚度方向上，纤维缠绕受张力作用使内部纤维径向压缩而松弛、外部纤维受拉伸作用，将降低纤维发挥强度系数，随着缠绕厚度的增加，固化放热反应产生的热量无法散出易造成过烧报废，并且气泡在缠绕层不易排出而产生空隙不利于纤维强度的发挥，因此本发明采用“分层加工、多次固化”，每缠绕3~4毫米厚度为一层，每缠绕一层固化一次，可有效解决上述难题；因惰性组分、小分子、气泡等在固化过程中向气瓶外表面游离，作为“分层加工”技术的一部分，每一层固化后须将气瓶表面打磨，以确保层间剪切强度；每层材料的固化前设置中温消泡工艺，以排除纤维增强树脂复合材料中的气泡，降低气瓶复合材料部分的空隙率，提高纤维的强度发挥系数及气瓶的耐疲劳性能；对玻纤进行干燥处理、对树脂进行加温消泡处理、对配好的树脂进行水浴保温处理三项工艺保证树脂对纤维的浸润以提高纤维强度的发挥系数。

本发明还提供了一种玻璃纤维全缠绕铝内胆复合气瓶，包括铝合金内胆，所述铝合金内胆外表面设有依次叠置的2~5层玻纤增强树脂基体复合材料缠绕层，所述玻纤增强树脂基体复合材料缠绕层的厚度为3~4mm。

与现有技术相比，本发明的有益效果：

随着玻纤技术的发展，高强特种玻纤的强度、模量、耐腐蚀性能与耐疲劳性能都有了大幅度的提升，是传统的无碱E玻纤无法比拟的，这也为特种高强玻纤的推广应用创造了条件。

与钢质气瓶相比具有高承压能力、高疲劳寿命、容重比大、未爆破先泄露、耐腐蚀、安全性好和使用寿命长等优点。

与铝内胆碳纤维全缠绕复合气瓶相比较，更具有经济性，并且生产工艺简单，在保证应用功能的前提下，可提供成本相对较低的装备，促进推广使用。

本发明生产工艺与传统的工艺比，“分层加工、多次固化”技术、玻纤干燥处理、树脂加温消泡处理、树脂水浴保温处理、固化前消泡工艺等可有效提高纤维强度的发挥系数、降低气瓶复合材料部分空隙率、提高产品的疲劳寿命、避免因固化反应过烧造成的产品报废和次品产生。

附图说明

图1是本发明的工艺流程图。

图2是本发明复合气瓶的结构示意图。

图3是图2中A部分的放大图。

具体实施方式

如图2和图3所示，一种玻璃纤维全缠绕铝内胆复合气瓶，包括铝合金内胆1和全缠绕在铝合金内胆1外表面的玻纤增强树脂基体复合材料缠绕层2。

铝合金内胆1采用一次成型的常规铝合金内胆，为瓶胆状结构，由筒体部分、瓶底部分、瓶肩部分和瓶口部分组成。玻纤增强树脂基体复合材料缠绕层2设置为相互叠置固定连接的2~5层，本图中，为3层，每一层玻纤增强树脂基体复合材料缠绕层中，玻璃纤维的缠绕方向为纵向缠绕和环向缠绕，纵向缠绕和环向缠绕交替进行，每层玻纤增强树脂基体复合材料缠绕层为薄膜状结构，厚度为3~4mm。

纵向缠绕时，玻璃纤维与复合气瓶的纵向对称轴的夹角为9~17°，环向缠绕时，玻璃纤维与复合气瓶的纵向对称轴的夹角为85~89°，玻璃纤维的带宽为9-15mm，该缠绕过程本身可以采用现有技术。

如图1所示，为本发明的玻璃纤维全缠绕铝内胆复合气瓶的加工工艺流程图，原材料准备（包括玻璃纤维、环氧树脂基体和固化剂的准备）→原材料预处理（包括玻璃纤维的干燥处理，环氧树脂基体和固化剂的混合、消泡、水浴保温处理）→缠绕（纵向缠绕和环向缠绕交替进行）→消泡→固化→打磨（缠绕→消泡→固化→打磨过程重复进行2~5次，即分层加工、多次固化）→后固化→水压自紧，最后得到玻璃纤维全缠绕铝内胆复合气瓶。

实施例1

1）将高强玻纤置于80℃的烘箱中烘烤4小时进行干燥处理；

2）用20公斤的金属桶敞口盛装环氧树脂基体，置于40℃的烘箱中烘烤2小时进行消泡处理；

3）取进行过消泡处理的环氧树脂（陶氏化学der331）与固化剂（意大利波林MMHPA）进行混合，在气动搅拌机以90r/min的转速下进行搅拌10分钟；

4）将搅拌好的树脂基体倒入胶槽，干燥处理后的玻璃纤维从胶槽中浸润树脂，树脂需40℃水浴保温，以保证低粘度下良好的浸润效果；

5）采用铝合金内胆作为内衬，因玻纤增强树脂基体复合材料属于绝缘材料，在缠绕机上安装工艺顶块后直接缠绕玻纤增强树脂基体复合材料；

6）玻璃纤维的缠绕方向按纵向缠绕和环向缠绕交替进行（每一层中均是纵向和横向交替缠绕），缠绕厚度达到3mm厚后进入固化炉于80℃消泡1小时；

7）消泡后升温至120℃固化1小时；

8）气瓶固化后放置冷却至室温，用打磨机对气瓶表面打磨；

9）气瓶打磨后取出表面灰尘，进行下一轮缠绕直至缠绕至设计厚度结束（步骤（6）~（9）重复进行三次）；

10）产品生产结束后去进行后固化，于固化炉当中150℃固化3小时；

11）将最终产品进行水压自紧处理，得到玻璃纤维全缠绕铝内胆复合气瓶。

由本实施方式加工得到的玻璃纤维全缠绕铝内胆复合气瓶的性能参数如表1所示：

表1

实施例2

1）将高强玻纤置于75℃的烘箱中烘烤8小时进行干燥处理；

2）用20公斤的金属桶敞口盛装环氧树脂基体，置于35℃的烘箱中烘烤4小时进行消泡处理；

3）取进行过消泡处理的环氧树脂（陶氏化学der331）与固化剂（意大利波林MMHPA）进行混合，在气动搅拌机以90r/min的转速下进行搅拌10分钟；

4）将搅拌好的树脂基体倒入胶槽，干燥处理后的玻璃纤维从胶槽中浸润树脂，树脂需35℃水浴保温，以保证低粘度下良好的浸润效果；

5）采用铝合金内胆作为内衬，因玻纤增强树脂基体复合材料属于绝缘材料，在缠绕机上安装工艺顶块后直接缠绕玻纤增强树脂基体复合材料；

6）玻璃纤维的缠绕方向按纵向缠绕和环向缠绕交替进行，缠绕厚度达到3.5mm厚后进入固化炉于75℃消泡1.5小时；

7）消泡后升温至115℃固化1.5小时；

8）气瓶固化后放置冷却至室温，用打磨机对气瓶表面打磨；

9）气瓶打磨后取出表面灰尘，进行下一轮缠绕直至缠绕至设计厚度结束（步骤（6）~（9）重复进行三次）；

10）产品生产结束后去进行后固化，于固化炉当中145℃固化3.5小时；

11）将最终产品进行水压自紧处理，得到玻璃纤维全缠绕铝内胆复合气瓶。

由本实施方式加工得到的玻璃纤维全缠绕铝内胆复合气瓶的性能参数如表2所示：

表2

容积	公称工作压力	直径	爆破压力	疲劳测试
					1.6L	20MPa	112mm	69MPa	12139次（未泄露）

实施例3

1）将高强玻纤置于85℃的烘箱中烘烤4小时进行干燥处理；

2）用20公斤的金属桶敞口盛装环氧树脂基体，置于45℃的烘箱中烘烤4小时进行消泡处理；

3）取进行过消泡处理的环氧树脂（陶氏化学der331）与固化剂（意大利波林MMHPA）进行混合，在气动搅拌机以90r/min的转速下进行搅拌10分钟；

4）将搅拌好的树脂基体倒入胶槽，干燥处理后的玻璃纤维从胶槽中浸润树脂，树脂需45℃水浴保温，以保证低粘度下良好的浸润效果；

5）采用铝合金内胆作为内衬，因玻纤增强树脂基体复合材料属于绝缘材料，在缠绕机上安装工艺顶块后直接缠绕玻纤增强树脂基体复合材料；

6）玻璃纤维的缠绕方向按纵向缠绕和环向缠绕交替进行，缠绕厚度达到4mm厚后进入固化炉于85℃消泡1小时；

7）消泡后升温至125℃固化1小时；

8）气瓶固化后放置冷却至室温，用打磨机对气瓶表面打磨；

9）气瓶打磨后取出表面灰尘，进行下一轮缠绕直至缠绕至设计厚度结束（步骤（6）~（9）重复进行三次）；

10）产品生产结束后去进行后固化，于固化炉当中155℃固化2.5小时；

11）将最终产品进行水压自紧处理，得到玻璃纤维全缠绕铝内胆复合气瓶。

由本实施方式加工得到的玻璃纤维全缠绕铝内胆复合气瓶的性能参数如表3所示：

表3

容积	公称工作压力	直径	爆破压力	疲劳测试
					1.6L	20MPa	112mm	79MPa	13042次（未泄露）

由实施例1~3制备得到的玻璃纤维全缠绕铝内胆复合气瓶的结构如图2和图3所示。

实施例4

1）将高强玻纤置于80℃的烘箱中烘烤4小时进行干燥处理；

2）用20公斤的金属桶敞口盛装环氧树脂基体，置于40℃的烘箱中烘烤2小时进行消泡处理；

3）取进行过消泡处理的环氧树脂（陶氏化学der331）与固化剂（意大利波林MMHPA）进行混合，在气动搅拌机以90r/min的转速下进行搅拌10分钟；

4）将搅拌好的树脂基体倒入胶槽，干燥处理后的玻璃纤维从胶槽中浸润树脂，树脂需40℃水浴保温，以保证低粘度下良好的浸润效果；

5）采用铝合金内胆作为内衬，因玻纤增强树脂基体复合材料属于绝缘材料，在缠绕机上安装工艺顶块后直接缠绕玻纤增强树脂基体复合材料；

6）玻璃纤维的缠绕方向按纵向缠绕和环向缠绕交替进行，缠绕厚度达到3mm厚后进入固化炉于80℃消泡1小时；

7）消泡后升温至120℃固化1小时；

8）气瓶固化后放置冷却至室温，用打磨机对气瓶表面打磨；

9）气瓶打磨后取出表面灰尘，进行下一轮缠绕直至缠绕至设计厚度结束（步骤（6）~（9）重复进行四次）；

10）产品生产结束后去进行后固化，于固化炉当中150℃固化3小时；

11）将最终产品进行水压自紧处理，得到玻璃纤维全缠绕铝内胆复合气瓶。

由本实施方式加工得到的玻璃纤维全缠绕铝内胆复合气瓶的性能参数如表4所示：

表4

容积	公称工作压力	直径	爆破压力	疲劳测试
					1.6L	20MPa	112mm	75MPa	11854次（未泄露）

实施例5

1）将高强玻纤置于80℃的烘箱中烘烤4小时进行干燥处理；

2）用20公斤的金属桶敞口盛装环氧树脂基体，置于40℃的烘箱中烘烤2小时进行消泡处理；

3）取进行过消泡处理的环氧树脂（陶氏化学der331）与固化剂（意大利波林MMHPA）进行混合，在气动搅拌机以90r/min的转速下进行搅拌10分钟；

4）将搅拌好的树脂基体倒入胶槽，干燥处理后的玻璃纤维从胶槽中浸润树脂，树脂需40℃水浴保温，以保证低粘度下良好的浸润效果；

5）采用铝合金内胆作为内衬，因玻纤增强树脂基体复合材料属于绝缘材料，在缠绕机上安装工艺顶块后直接缠绕玻纤增强树脂基体复合材料；

6）玻璃纤维的缠绕方向按纵向缠绕和环向缠绕交替进行，缠绕厚度达到3mm厚后进入固化炉于80℃消泡1小时；

7）消泡后升温至120℃固化1小时；

8）气瓶固化后放置冷却至室温，用打磨机对气瓶表面打磨；

9）气瓶打磨后取出表面灰尘，进行下一轮缠绕直至缠绕至设计厚度结束（步骤（6）~（9）重复进行五次）；

10）产品生产结束后去进行后固化，于固化炉当中150℃固化3小时；

11）将最终产品进行水压自紧处理，得到玻璃纤维全缠绕铝内胆复合气瓶。

由本实施方式加工得到的玻璃纤维全缠绕铝内胆复合气瓶的性能参数如表5所示：

表5

容积	公称工作压力	直径	爆破压力	疲劳测试
					1.6L	20MPa	112mm	74MPa	18742次（未泄露）

由以上表1~表5的结果可知，由本发明制备工艺制备得到的复合气瓶具有高承压能力、高疲劳寿命、安全性好和使用寿命长等优点。

Claims (6)

1.一种玻璃纤维全缠绕铝内胆复合气瓶的制造工艺，其特征在于，包括如下步骤：

(1)将玻璃纤维进行干燥处理；将环氧树脂基体进行消泡处理后与固化剂混合均匀，得树脂基体，对所述树脂基体进行水浴保温；

(2)将步骤(1)中干燥处理后的玻璃纤维在水浴保温的树脂基体中浸润，得玻纤增强树脂基体复合材料；

(3)取铝合金内胆作为内衬，将所述玻纤增强树脂基体复合材料在铝合金内胆表面缠绕3～4mm为一层，每缠绕完一层后对该层进行消泡、固化和表面打磨处理；所述铝合金内胆表面缠绕2～5层玻纤增强树脂基体复合材料，缠绕方式为：纵向缠绕与环向缠绕交替进行；

(4)缠绕完最后一层后对缠绕有玻纤增强树脂基体复合材料的铝合金内胆进行后固化、水压自紧处理。

2.根据权利要求1所述的制造工艺，其特征在于，步骤(3)中的消泡和固化处理过程为：在固化炉中于75～85℃消泡1～1.5小时，消泡后升温至115～125℃固化1～1.5小时。

3.根据权利要求1所述的制造工艺，其特征在于，步骤(1)中所述的干燥处理为：在75～85℃的烘箱中烘烤4～8小时。

4.根据权利要求1所述的制造工艺，其特征在于，步骤(1)中所述消泡处理为：在35～45℃的烘箱中烘烤2～4小时。

5.根据权利要求1所述的制造工艺，其特征在于，步骤(1)中水浴保温的温度为35～45℃。

6.根据权利要求1所述的制造工艺，其特征在于，步骤(4)中所述的后固化为：在固化炉中145～155℃固化2.5～3.5小时。