CN107002873A - 压力容器、衬垫和压力容器的制造方法 - Google Patents

压力容器、衬垫和压力容器的制造方法 Download PDF

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Abstract

提供提高了阻气性的压力容器、衬垫、以及压力容器的制造方法。本发明的压力容器具有衬垫和前述衬垫的外层,前述外层由复合材料构成,所述复合材料包含连续纤维和浸渗于前述连续纤维的聚酰胺树脂,前述聚酰胺树脂包含源自二胺的结构单元和源自二羧酸的结构单元,前述源自二胺的结构单元中的50摩尔%以上源自苯二甲胺。

Description

压力容器、衬垫和压力容器的制造方法
技术领域
本发明涉及压力容器、衬垫和压力容器的制造方法。特别是涉及用于各种气体的压力容器和衬垫。
背景技术
一直以来,为了长时间保持氧气、二氧化碳、氮气、氩气、LPG(液化石油气;liquefied petroleum gas)、氟利昂替代物、甲烷、氢气等气体成分,使用了阻气性优异的压力容器。
例如,专利文献1中公开了一种压力容器,其是用由增强纤维和树脂形成的纤维增强塑料制的壳覆盖金属制或树脂制衬垫的外周而得到的压力容器,其特征在于,前述纤维增强塑料的压缩强度为1700MPa以上,且纤维正交方向的伸长率为1.2%以上。
另外,专利文献2中公开了一种压力容器,其特征在于,具备具有阻气性的内壳和以覆盖前述内壳的方式设置的耐压性的外壳,前述外壳由纤维增强塑料构成,所述纤维增强塑料包含具有1~3%的伸长率的增强纤维(X)、具有比前述增强纤维大1.3倍以上的伸长率的增强纤维(Y)以及树脂,前述增强纤维(Y)以束为单位而在容器的胴体部呈螺旋状回旋。
进而,专利文献3中公开了一种压力容器,其特征在于,具备:用于阻断规定的流体泄漏的树脂制的衬垫层、形成于比前述衬垫层靠外侧且具有耐压性的纤维增强塑料制的第1层、以及配置在前述衬垫层与前述第1层之间且由伸长率比前述第1层大的塑料形成的第2层。
另一方面,专利文献4中公开了一种储气罐,其特征在于,储气罐主体由塑料制内筒、薄层金属层和纤维增强塑料层构成。
现有技术文献
专利文献
专利文献1:日本特开2000-249294号公报
专利文献2:日本特开平9-280496号公报
专利文献3:日本特开2010-038216号公报
专利文献4:日本特开平1-105099号公报
发明内容
发明要解决的问题
如上所述,作为具有衬垫和外层的压力容器,从压力容器的轻量化的观点出发,已知在外层使用纤维增强树脂的压力容器。此处,若能进一步提高覆盖衬垫的外层的阻气性,则在衬垫破损或衬垫中存在针孔时也能够有效地抑制气体泄露。
本发明的第一课题的目的在于,以解决上述问题为目的,提供外层的阻气性高的压力容器。进而,提供新的压力容器的制造方法。
另外,从压力容器的轻量化的观点出发,研究了使用树脂制衬垫。此外,为了增强树脂制衬垫,进行了在树脂制衬垫的外周设置由纤维增强树脂形成的外层的举措。但是,衬垫为树脂制时,压力容器中存在的气体有时会穿透衬垫的壁。此时,在衬垫与外层之间存在间隙时,有时气体驻留在该间隙中,有时产生压力容器变形等问题。
本发明的第二课题的目的在于,以解决上述问题为目的,提供轻量且阻气性高的衬垫和具有前述衬垫的压力容器。
用于解决问题的方案
以上述状况为背景,本发明人进行了研究,结果发现,通过在压力容器的外层或衬垫中采用聚酰胺树脂、特别是包含源自二胺的结构单元和源自二羧酸的结构单元、且前述源自二胺的结构单元中的50摩尔%以上源自苯二甲胺的聚酰胺树脂,从而能够解决上述课题。具体而言,通过下述手段<1>,优选通过<2>~<25>,解决了上述课题。
<1>一种压力容器,其具有衬垫和前述衬垫的外层,前述外层由复合材料构成,所述复合材料包含连续纤维和浸渗于前述连续纤维的聚酰胺树脂,前述聚酰胺树脂包含源自二胺的结构单元和源自二羧酸的结构单元,前述源自二胺的结构单元中的50摩尔%以上源自苯二甲胺。
<2>根据<1>所述的压力容器,其中,前述外层在温度23℃、相对湿度50%下的透气系数为0.10ml·mm/m2·天·atm以下。
<3>根据<1>或<2>所述的压力容器,其中,前述外层的孔隙率为10%以下。
<4>根据<1>~<3>中任一项所述的压力容器,其中,前述源自二羧酸的结构单元中的70摩尔%以上源自碳原子数4~20的α,ω-直链脂肪族二羧酸。
<5>根据<1>~<4>中任一项所述的压力容器,其中,前述源自二胺的结构单元中的70摩尔%以上源自间苯二甲胺。
<6>根据<1>~<3>中任一项所述的压力容器,其中,前述源自二胺的结构单元中的70摩尔%以上源自间苯二甲胺,前述源自二羧酸的结构单元中的70摩尔%以上源自己二酸和癸二酸中的至少一者。
<7>根据<1>~<3>中任一项所述的压力容器,其中,前述源自二胺的结构单元中的70摩尔%以上源自间苯二甲胺,前述源自二羧酸的结构单元中的70摩尔%以上源自己二酸。
<8>根据<1>~<7>中任一项所述的压力容器,其中,前述连续纤维为选自碳纤维和玻璃纤维中的至少1种。
<9>根据<1>~<8>中任一项所述的压力容器,其中,前述外层中的连续纤维的比例为10~80V/V%。
<10>根据<1>~<9>中任一项所述的压力容器,其中,前述衬垫以树脂作为主要成分。
<11>根据<1>~<9>中任一项所述的压力容器,其中,前述衬垫以聚酰胺树脂作为主要成分。
<12>根据<1>~<9>中任一项所述的压力容器,其中,前述衬垫以聚酰胺树脂作为主要成分,该聚酰胺树脂包含源自二胺的结构单元和源自二羧酸的结构单元,前述源自二胺的结构单元中的50摩尔%以上源自苯二甲胺。
<13>一种压力容器的衬垫,其由使聚酰胺树脂浸渗于连续纤维而得到的复合材料构成。
<14>根据<13>所述的衬垫,其中,前述聚酰胺树脂包含源自二胺的结构单元和源自二羧酸的结构单元,前述源自二胺的结构单元的50摩尔%以上为苯二甲胺。
<15>根据<13>或<14>所述的衬垫,其中,前述衬垫在温度23℃、相对湿度50%下的透气系数为0.10cc·mm/m2·天·atm以下。
<16>根据<13>~<15>中任一项所述的衬垫,其中,前述衬垫的孔隙率为10%以下。
<17>根据<14>~<16>中任一项所述的衬垫,其中,前述源自二胺的结构单元中的70摩尔%以上源自间苯二甲胺。
<18>根据<14>~<17>中任一项所述的衬垫,其中,前述源自二羧酸的结构单元中的70摩尔%以上源自碳原子数4~20的α,ω-直链脂肪族二羧酸。
<19>根据<14>~<16>中任一项所述的衬垫,其中,前述源自二胺的结构单元中的70摩尔%以上源自间苯二甲胺,前述源自二羧酸的结构单元中的70摩尔%以上源自己二酸和癸二酸中的至少一者。
<20>根据<14>~<16>中任一项所述的衬垫,其中,前述源自二胺的结构单元中的70摩尔%以上源自间苯二甲胺,前述源自二羧酸的结构单元中的70摩尔%以上源自己二酸。
<21>根据<13>~<20>中任一项所述的衬垫,其中,前述连续纤维为选自碳纤维和玻璃纤维中的至少1种。
<22>根据<13>~<21>中任一项所述的衬垫,其中,前述衬垫中的连续纤维的比例为10~80V/V%。
<23>一种压力容器,其具有<13>~<22>中任一项所述的衬垫。
<24>一种压力容器的制造方法,其包括:在衬垫的外周应用使聚酰胺树脂浸渗于连续纤维而得到的复合材料;以及,将复合材料在前述聚酰胺树脂的熔点以上的温度下进行加热,前述聚酰胺树脂包含源自二胺的结构单元和源自二羧酸的结构单元,前述源自二胺的结构单元中的50摩尔%以上源自苯二甲胺。
<25>根据<24>所述的压力容器的制造方法,其包括:在衬垫的外周应用使聚酰胺树脂浸渗于连续纤维而得到的复合材料后,将前述复合材料在前述聚酰胺树脂的熔点以上的温度下进行加热。
发明的效果
根据本发明,能够提供提高了外层的阻气性的压力容器、以及轻量且阻气性高的衬垫。另外,能够提供新的压力容器的制造方法。
附图说明
图1为示出本发明的第一方式的压力容器的结构的一例的截面示意图。
具体实施方式
以下,对本发明的内容进行详细说明。需要说明的是,本申请说明书中,“~”以包括其前后记载的数值作为下限值和上限值的含义来使用。
压力容器
本发明的第一方式为一种压力容器,其特征在于,具有衬垫和前述衬垫的外层,前述外层由复合材料构成,所述复合材料包含连续纤维和浸渗于前述连续纤维的聚酰胺树脂,前述聚酰胺树脂包含源自二胺的结构单元和源自二羧酸的结构单元,前述源自二胺的结构单元中的50摩尔%以上源自苯二甲胺。通过使用这种复合材料作为外层,能够提高外层的阻气性。
其机理尚不确定,推测聚酰胺树脂的间苯二亚甲基骨架更有利于提高阻气性。
以下,对于本发明的第一方式的构成,以图1为例进行详细说明。
<衬垫>
衬垫1在内部具备用于填充气体的空间,通常形成为中空状。衬垫的材质只要不超出本发明的主旨就没有特别规定,可例示出以树脂作为主要成分的衬垫(以下有时称为“树脂制衬垫”)和以金属作为主要成分的衬垫(以下有时称为“金属制衬垫”),优选树脂制衬垫。
此处,以树脂作为主要成分的衬垫是指,构成衬垫的材料之中,最多的成分是树脂,通常是指50质量%以上为树脂,优选是指80质量%以上为树脂。对于金属制衬垫中的主要成分,也是同样的意思。
作为金属制衬垫中使用的树脂,可例示出铝合金、镁合金等轻合金。
使用金属制衬垫时,在衬垫中存在针孔时等,若设有外层,则能够抑制气体从压力容器漏出,是优选的。
作为本发明的第一方式中使用的衬垫的优选实施方式,可列举出以聚酰胺树脂作为主要成分的衬垫。构成上述衬垫的聚酰胺树脂优选为包含源自二胺的结构单元和源自二羧酸的结构单元、且前述源自二胺的结构单元中的50摩尔%以上源自苯二甲胺的聚酰胺树脂。构成上述衬垫的聚酰胺树脂的优选范围与后述复合材料中使用的聚酰胺树脂同样。特别优选衬垫中使用的聚酰胺树脂与复合材料中使用的聚酰胺树脂的90质量%以上同为聚酰胺树脂。通过设为这种构成,能够进一步提高衬垫与外层的密合性。
<外层>
外层2以覆盖衬垫1的外周的方式形成,由复合材料构成,所述复合材料包含连续纤维和浸渗于前述连续纤维的聚酰胺树脂。即,本发明的第一方式的压力容器通常以复合材料无间隙地覆盖衬垫主体部分的方式形成。
外层通常仅由复合材料形成,但不排除在不超出本发明的主旨的范围内含有其它成分的情况。例如,可例示出用于粘贴复合材料的粘接剂等。作为粘接剂,可例示出环氧系粘接剂,作为市售品,可例示出ARALDITE、Huntsman制等。
本发明的第一方式的压力容器的外层在温度23℃、相对湿度50%下的透气系数优选为0.10ml·mm/m2·天·atm以下、也可以设为0.01ml·mm/m2·天·atm以下。下限值没有特别规定,若考虑实用性,也可以设为例如0.0001ml·mm/m2·天·atm以上。
透气系数所述的气体只要是能够封入到本发明的第一方式的压力容器中的气体就没有特别规定,通常是指在25℃、1atm下为气体的气体,优选反应性低的气体。具体而言,可例示出氧气、二氧化碳、氮气、氩气、LPG、氟利昂替代物、甲烷、氢气。
本发明的第一方式的压力容器的外层的孔隙率优选为15%以下、更优选为10%以下、进一步优选为8%以下、更加优选为6%以下、更进一步优选为5%以下、也可以设为4%以下。
本发明中的孔隙率是指,通过后述实施例中规定的方法而特定的值。实施例中记载的测定仪器等因绝版等而难以获取时,可以使用其它具有同等性能的测定仪器进行测定。对于以下的测定方法也同样。
通过降低孔隙率,能进一步提高阻气性。作为降低孔隙率的手段,可列举出降低复合材料的孔隙率。
外层的厚度没有特别规定,优选为100~4000μm、更优选为400~2000μm。
外层中的连续纤维的比例优选为10V/V%以上、更优选为20V/V%以上、进一步优选为30V/V%以上、进而也可以设为40V/V%以上、尤其也可以设为45V/V%以上。另外,优选为80V/V%以下、更优选为70V/V%以下、进而也可以设为60V/V%以下、尤其也可以设为55V/V%以下。
此处,V/V%是指,表示外层中的连续纤维的体积相对于该外层的体积的比例的单位,外层中的连续纤维的比例是指通过后述实施例中记载的方法测定得到的值。
本发明的第一方式的外层优选连续纤维规则排列。规则排列是指,外层所含的连续纤维的70质量%以上具有一定的方向性地排列。对于一定的方向性,可例示出螺旋状、纵向、横向或它们的组合。需要说明的是,本发明中所说的螺旋状、纵向、横向是在严格的螺旋状等的排列的基础上包含本领域技术人员普遍理解的程度的误差的意思。
<<复合材料>>
本发明的第一方式中使用的复合材料包含连续纤维和浸渗于前述连续纤维的聚酰胺树脂,也可以包含连续纤维和浸渗于连续纤维的聚酰胺树脂组合物。
本发明的第一方式中使用的复合材料优选连续纤维和聚酰胺树脂占据整体的80质量%以上。
本发明的第一方式中使用的复合材料可以将聚酰胺树脂或聚酰胺树脂组合物浸渗于连续纤维而得到。本发明的第一方式的复合材料只要在成为压力容器的状态时呈现聚酰胺树脂浸渗于连续纤维的状态即可。因此,可以将使聚酰胺树脂或聚酰胺树脂组合物浸渗于连续纤维的状态的复合材料应用于衬垫的外周来形成,也可以将由聚酰胺树脂纤维和连续纤维形成的织物、混纤丝等应用于衬垫的外周,然后进行加热,使聚酰胺树脂浸渗于连续纤维。进而,也可以是将连续纤维应用于衬垫的外周之后,使聚酰胺树脂浸渗的实施方式。
对于将使聚酰胺树脂或聚酰胺树脂组合物浸渗于连续纤维而得到的复合材料应用于衬垫的外周时的、复合材料的制造方法,可以采用公知的方法。具体而言,可例示出:一边将沿单方向拉齐的连续纤维开纤,一边使熔融聚酰胺树脂浸渗的方法、在沿单方向拉齐的连续纤维(例如,碳纤维片)上重叠聚酰胺树脂薄膜并加热使其浸渗的方法。浸渗温度需要设为聚酰胺树脂或聚酰胺树脂组合物熔融的温度以上,也根据聚酰胺树脂的种类、分子量而异,通常优选为(熔点+10℃以上)至(热解温度-20℃的温度)。另外,也可以加压,加压时的压制压力优选为1MPa以上、更优选为5MPa以上、特别优选为10MPa以上。加热加压优选在减压下、特别是在真空下进行。在这种条件下进行时,能够降低所得到的外层的孔隙率。
加热加压时,例如使用辊时,可以构成带状的复合材料。带状的复合材料的带宽度例如可以设为120~250mm。
对于在衬垫的外周应用复合材料之后,使聚酰胺树脂浸渗于连续纤维的实施方式,在后述的压力容器的制造方法的说明中描述。
以下,对于本发明的第一方式的聚酰胺树脂和连续纤维进行说明。
<<聚酰胺树脂>>
本发明的第一方式的复合材料所含的聚酰胺树脂包含源自二胺的结构单元和源自二羧酸的结构单元,源自二胺的结构单元中的50摩尔%以上源自苯二甲胺。
源自二胺的结构单元优选70摩尔%以上为源自苯二甲胺的结构单元、进一步优选80摩尔%以上为源自苯二甲胺的结构单元。苯二甲胺可以为间苯二甲胺、对苯二甲胺和它们的混合物中的任一者,优选至少包含间苯二甲胺,优选源自二胺的结构单元中的70摩尔%以上为源自间苯二甲胺的结构单元,进一步优选80摩尔%以上为源自间苯二甲胺的结构单元。
作为构成源自二胺的结构单元的除苯二甲胺以外的二胺,可例示出四亚甲基二胺、五亚甲基二胺、2-甲基戊二胺、六亚甲基二胺、七亚甲基二胺、八亚甲基二胺、壬亚甲基二胺、癸亚甲基二胺、十二亚甲基二胺、2,2,4-三甲基-六亚甲基二胺、2,4,4-三甲基六亚甲基二胺等的脂肪族二胺、1,3-双(氨基甲基)环己烷、1,4-双(氨基甲基)环己烷、1,3-二氨基环己烷、1,4-二氨基环己烷、双(4-氨基环己基)甲烷、2,2-双(4-氨基环己基)丙烷、双(氨基甲基)十氢萘、双(氨基甲基)三环癸烷等脂环式二胺、双(4-氨基苯基)醚、对苯二胺、双(氨基甲基)萘等具有芳香环的二胺等,可以使用1种或混合使用2种以上。
作为二胺成分,使用除苯二甲胺以外的二胺时,其比例不足全部源自二胺的结构单元的50摩尔%,优选以30摩尔%以下、更优选以1~25摩尔%、特别优选以5~20摩尔%的比例使用。
源自二羧酸的结构单元优选50摩尔%以上为源自碳原子数4~20的α,ω-直链脂肪族二羧酸的结构单元、更优选70摩尔%以上为源自碳原子数4~20的α,ω-直链脂肪族二羧酸的结构单元、进一步优选80摩尔%以上为源自碳原子数4~20的α,ω-直链脂肪族二羧酸的结构单元。
关于碳原子数4~20的α,ω-直链脂肪族二羧酸,更优选源自碳数6~9的α,ω-直链脂肪族二羧酸的结构单元。作为碳原子数4~20的α,ω-直链脂肪族二羧酸的具体例,可例示出琥珀酸、戊二酸、庚二酸、辛二酸、壬二酸、己二酸、癸二酸、十一烷二羧酸、十二烷二羧酸等脂肪族二羧酸,可以使用1种或混合使用2种以上,这些之中,从聚酰胺树脂的熔点成为适于成形加工的范围的方面出发,优选己二酸或癸二酸、特别优选己二酸。
作为除上述碳原子数4~20的α,ω-直链脂肪族二羧酸以外的二羧酸成分,可例示出间苯二甲酸、对苯二甲酸、邻苯二甲酸等苯二甲酸化合物、1,2-萘二羧酸、1,3-萘二羧酸、1,4-萘二羧酸、1,5-萘二羧酸、1,6-萘二羧酸、1,7-萘二羧酸、1,8-萘二羧酸、2,3-萘二羧酸、2,6-萘二羧酸、2,7-萘二羧酸之类的异构体等萘二羧酸等。
这些二羧酸成分可以使用1种或混合使用2种以上。
进而,除了二胺成分、二羧酸成分以外,作为构成聚酰胺树脂的成分,在不损害本发明的效果的范围内ε-己内酰胺、十二内酰胺等内酰胺类、氨基己酸、氨基十一烷酸等脂肪族氨基羧酸类也可以用作共聚成分。
作为本发明的第一方式中使用的聚酰胺树脂的第一实施方式,可例示出:源自二胺的结构单元中的70摩尔%以上源自间苯二甲胺、且源自二羧酸的结构单元中的70摩尔%以上源自己二酸和癸二酸中的至少一者(进一步优选己二酸)的聚酰胺树脂。通过设为这种构成,具有阻气性提高的倾向。
另外,作为本发明的第一方式中使用的聚酰胺树脂的第二实施方式,可例示出:源自二胺的结构单元中的70摩尔%以上源自苯二甲胺、源自二羧酸的结构单元中的70摩尔%以上源自碳原子数4~20的α,ω-直链脂肪族二羧酸和/或间苯二甲酸、源自碳原子数4~20的α,ω-直链脂肪族二羧酸的结构单元与源自间苯二甲酸的结构单元的摩尔比率为30:70~100:0的聚酰胺树脂。通过设为这种构成,成形加工性进一步提高。包含源自间苯二甲酸的结构单元时,其比例优选为全部源自二羧酸的结构单元的1~30摩尔%、特别优选为5~20摩尔%的范围。
另外,作为本发明的第一方式中使用的聚酰胺树脂的第三实施方式,可例示出:在上述第一或第二实施方式中,聚酰胺树脂的数均分子量(Mn)为6000~30000、聚酰胺树脂的0.5~5质量%是分子量为1000以下的聚酰胺树脂的实施方式。
通过将数均分子量(Mn)设为6000~30000的范围,能提高复合材料的强度。优选的数均分子量(Mn)为8000~28000、更优选为9000~26000、进一步优选为10000~24000、特别优选为11000~22000、特别优选为12000~20000。为这种范围时,耐热性、弹性模量、尺寸稳定性、成形加工性良好。
需要说明的是,此处所说的数均分子量(Mn)是由聚酰胺树脂的末端氨基浓度[NH2](μ当量/g)和末端羧基浓度[COOH](μ当量/g)按照下述式算出的。
数均分子量(Mn)=2000000/([COOH]+[NH2])
另外,第三实施方式的聚酰胺树脂优选含有0.5~5质量%的分子量为1000以下的成分。通过以规定的范围含有这种低分子的聚酰胺树脂成分,聚酰胺树脂的浸渗性变得良好,聚酰胺树脂的增强纤维间的流动性变得良好,因此在成形加工时能够抑制孔隙的产生。
分子量为1000以下的成分的优选含量为0.6~4.5质量%、更优选为0.7~4质量%、进一步优选为0.8~3.5质量%、特别优选为0.9~3质量%、更加优选1~2.5质量%。
分子量为1000以下的低分子量成分的含量的调整可以调节聚酰胺树脂聚合时的温度、压力、二胺的滴加速度等熔融聚合条件来进行。特别是可以在熔融聚合后期将反应装置内减压而去除低分子量成分,从而调节为任意的比例。另外,也可以对于通过熔融聚合制造的聚酰胺树脂进行热水提取,从而去除低分子量成分,也可以在熔融聚合后进一步在减压下进行固相聚合来去除低分子量成分。固相聚合时,可以调节温度、减压度,从而将低分子量成分控制为任意的含量。另外,也可以通过后来向聚酰胺树脂中添加分子量为1000以下的低分子量成分,来进行调节。
需要说明的是,分子量1000以下的成分量的测定可以使用东曹株式会社(TOSOHCORPORATION)制“HLC-8320GPC”,通过由凝胶渗透色谱(GPC)测定得到的标准聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)换算值求出。需要说明的是,可以使用2根“TSKgel SuperHM-H”作为测定用柱,溶剂使用三氟乙酸钠浓度10mmol/l的六氟异丙醇(HFIP),以树脂浓度0.02质量%、柱温度为40℃、流速0.3ml/分钟、折射率检测器(RI)的条件进行测定。另外,标准曲线是将6个级别的PMMA溶解于HFIP并测定而制作的。
本发明的第一方式中使用的聚酰胺树脂的分子量分布(重均分子量/数均分子量(Mw/Mn))优选为1.8~3.1。分子量分布更优选为1.9~3.0、进一步优选为2.0~2.9。通过将分子量分布设为这种范围,存在容易得到机械特性优异的复合材料的倾向。
聚酰胺树脂的分子量分布例如可以通过适当选择聚合时使用的引发剂、催化剂的种类、量及反应温度、压力、时间等聚合反应条件等来调整。另外,也可以通过将根据不同聚合条件而得到的重均分子量或数均分子量不同的多种聚酰胺树脂混合、或使聚合后的聚酰胺树脂分别沉淀,来调整。
分子量分布可以通过GPC测定求出,具体而言,作为装置使用东曹制“HLC-8320GPC”,作为柱使用2根东曹制“TSK gel Super HM-H”,以洗脱液三氟乙酸钠浓度10mmol/l的六氟异丙醇(HFIP)、树脂浓度0.02质量%、柱温度40℃、流速0.3ml/分钟、折射率检测器(RI)的条件进行测定,以标准聚甲基丙烯酸甲酯换算值的形式求出。另外,标准曲线是将6个级别的PMMA溶解于HFIP并测定而制作的。
本发明的第一方式中使用的聚酰胺树脂在100μm单层薄膜时依据JISK-7127的拉伸模量优选为1.2GPa以上、更优选为1.5~4.0GPa。
另外,100μm单层薄膜时的依据JIS K-7127的拉伸断裂强度优选为3MPa以上、更优选为5~100MPa。
从耐热性及熔融成形性的观点出发,聚酰胺树脂的熔点优选为170~330℃的范围、更优选为200~320℃的范围。
需要说明的是,熔点是指,通过DSC(差示扫描量热)法观测的升温时的吸热峰的峰顶温度。另外,玻璃化转变温度是指,将试样暂时加热熔融而消除由热历程对结晶性造成的影响之后,再次升温并测定的玻璃化转变温度。测定中使用例如株式会社岛津制作所(SHIMADZU CORPORATION)制“DSC-60”,试样量设为约5mg,作为气氛气体以30ml/分钟流通氮气,以升温速度为10℃/分钟的条件从室温加热至预想的熔点以上的温度而使其熔融,可以由此时观测的吸热峰的峰顶温度求出熔点。接着,将熔融的聚酰胺树脂用干冰骤冷,以10℃/分钟的速度再次升温至熔点以上的温度,可以求出玻璃化转变温度。
聚酰胺树脂的制造没有特别限定,可以通过任意的方法、聚合条件来进行。例如,通过将由二胺成分(间苯二甲胺等二胺)与二羧酸成分(碳数4~20的α,ω-直链脂肪族二羧酸等二羧酸)形成的盐在水的存在下以加压状态升温,一边去除添加的水及缩合水一边以熔融状态使其聚合的方法,从而可以制造聚酰胺树脂。另外,通过将二胺成分(苯二甲胺等二胺)直接添加于熔融状态的二羧酸成分(碳数4~20的α,ω-直链脂肪族二羧酸等二羧酸),在常压下进行缩聚的方法,也可以制造聚酰胺树脂。此时,为了将反应体系保持在均匀的液体状态,将二胺成分连续添加到二羧酸成分中,在此期间,以反应温度不低于所生成的低聚酰胺及聚酰胺的熔点的方式使反应体系升温,同时推进缩聚。
本发明的第一方式中使用的复合材料也可以是将包含除上述苯二甲胺系聚酰胺树脂以外的其它聚酰胺树脂、弹性体成分的所谓聚酰胺树脂组合物浸渗于连续纤维而得到的。
作为其它聚酰胺树脂,可列举出聚酰胺66、聚酰胺6、聚酰胺46、聚酰胺6/66、聚酰胺10、聚酰胺612、聚酰胺11、聚酰胺12、由六亚甲基二胺、己二酸和对苯二甲酸形成的聚酰胺66/6T、由六亚甲基二胺、间苯二甲酸和对苯二甲酸形成的聚酰胺6I/6T等。作为其它树脂,在配混时,优选聚酰胺66和聚酰胺6中的至少1种。
聚酰胺树脂组合物包含其它聚酰胺树脂时,关于其含量,上述苯二甲胺系聚酰胺树脂与其它聚酰胺树脂的质量比优选为95:5~25:75、更优选为95:5~51:49、进一步优选为95:5~60:40、特别优选为90:10~70:30。
另外,作为其它实施方式,也可以设为聚酰胺树脂组合物实质上不含其它聚酰胺树脂的构成。实质上不含是指,例如为聚酰胺树脂组合物所含的聚酰胺树脂的5质量%以下,进而是指为1质量%以下。
作为弹性体成分,例如可以使用聚烯烃系弹性体、二烯系弹性体、聚苯乙烯系弹性体、聚酰胺系弹性体、聚酯系弹性体、聚氨酯系弹性体、氟系弹性体、硅系弹性体等公知的弹性体,优选为聚烯烃系弹性体及聚苯乙烯系弹性体。作为这些弹性体,也优选为了赋予对于聚酰胺树脂的相容性而在自由基引发剂的存在下或不存在下用α,β-不饱和羧酸及其酸酐、丙烯酰胺以及它们的衍生物等改性而得到的改性弹性体。
聚酰胺树脂组合物包含弹性体时,弹性体的配混量优选为聚酰胺树脂组合物的5~20质量%、更优选为10~15质量%。
另外,作为其它实施方式,聚酰胺树脂组合物也可以设为实质上不含弹性体的构成。实质上不含是指,例如为聚酰胺树脂组合物的3质量%以下,进而是指为1质量%以下。
另外,上述聚酰胺树脂组合物可以将一种或多种聚酰胺树脂共混来使用。本发明的第一方式的聚酰胺树脂组合物优选包含源自二胺的结构单元和源自二羧酸的结构单元、且前述源自二胺的结构单元的50摩尔%以上为苯二甲胺的聚酰胺树脂占据整体的30质量%以上、更优选占据50质量%以上、进一步优选占据70质量%。
进而,在不损害本发明的目的/效果的范围内,本发明的第一方式中使用的聚酰胺树脂组合物中也可以共混一种或多种的聚酯树脂、聚烯烃树脂、聚苯硫醚树脂、聚碳酸酯树脂、聚苯醚树脂、聚苯乙烯树脂等树脂。它们的配混量优选为聚酰胺树脂组合物的10质量%以下、更优选为1质量%以下。
进而,在不损害本发明的目的/效果的范围内,本发明的第一方式中使用的聚酰胺树脂组合物中可以添加抗氧化剂、热稳定剂等稳定剂、耐水解性改良剂、耐候稳定剂、消光剂、紫外线吸收剂、成核剂、增塑剂、分散剂、阻燃剂、抗静电剂、防着色剂、抗胶凝剂、着色剂、脱模剂等添加剂等。它们的详情可以参照日本特许第4894982号公报的第0130~0155段的记载,这些内容并入本申请说明书中。
<<连续纤维>>
本发明的第一方式中使用的复合材料包含连续纤维。连续纤维是指,具有超过10cm的纤维长度的纤维束。本发明中使用的连续纤维束的平均纤维长度没有特别限制,从使成形加工性良好的观点出发,优选为1~10000m的范围、更优选为100~10000m、进一步优选为1000~7000m。
连续纤维束的平均纤度优选为50~2000tex(g/1000m)、更优选为60~800tex、进一步优选为60~500tex。通过设为这种范围,加工变得更容易,所得到的织物的弹性模量/强度变得更优异。
连续纤维束的平均拉伸模量优选为50~1000GPa。通过设为这种范围,成形品的强度变得更优异。
连续纤维束的平均拉伸模量优选为50~1000GPa、更优选为200~700GPa。
作为连续纤维,可列举出玻璃纤维、碳纤维、金属纤维、硼纤维、陶瓷纤维等无机纤维、或芳纶纤维、聚氧亚甲基纤维、芳香族聚酰胺纤维、聚对亚苯基苯并二噁唑纤维、超高分子量聚乙烯纤维等有机纤维等,优选无机纤维。其中,由于具有轻量且高强度、高弹性模量这样的优异特征,优选使用碳纤维和玻璃纤维,更优选碳纤维。碳纤维可以优选地使用聚丙烯腈系碳纤维、沥青系碳纤维。另外,也可以使用木质素、纤维素等植物来源的原料的碳纤维。
本发明的第一方式中使用的连续纤维可以用处理剂进行过处理。关于处理剂,可例示出表面处理剂或上浆剂。前述处理剂的量优选为连续纤维的0.001~1.5质量%、更优选为0.1~1.2质量%、进一步优选为0.5~1.1质量%。通过设为这种范围,更有效地发挥本发明的效果。
作为表面处理剂,例如可列举出包含环氧系化合物、丙烯酸类化合物、异氰酸酯系化合物、硅烷系化合物、钛酸酯系化合物等官能性化合物的表面处理剂,例如有硅烷系偶联剂、钛酸酯系偶联剂等,优选硅烷系偶联剂。
作为硅烷系偶联剂,可列举出氨基丙基三乙氧基硅烷、苯基氨基丙基三甲氧基硅烷、缩水甘油基丙基三乙氧基硅烷、甲基丙烯酰基丙基三甲氧基硅烷、乙烯基三乙氧基硅烷等三烷氧基或三芳氧基硅烷化合物、脲基硅烷、硫醚硅烷、乙烯基硅烷、咪唑硅烷等。
作为上浆剂,有双酚A型的环氧树脂等环氧系树脂、1分子中具有丙烯酰基或甲基丙烯酰基的环氧丙烯酸酯树脂,优选列举出双酚A型的乙烯基酯树脂、酚醛清漆型的乙烯基酯树脂、溴化乙烯基酯树脂等乙烯基酯系树脂。另外,也可以为环氧系树脂、乙烯基酯系树脂的氨基甲酸酯改性树脂。
处理剂可以仅使用1种,也可以使用2种以上。
连续纤维的基于处理剂的处理方法可以采用公知的方法。例如,可列举出:将连续纤维浸渍于包含处理剂的液体(例如,水溶液),在连续纤维的表面附着处理剂。另外,也可以将处理剂吹送至连续纤维的表面。进而,也可以使用用处理剂进行过处理的连续纤维的市售品,还可以将市售品的处理剂洗掉之后再次预先以期望的量进行处理。
<管头、阀、凸台>
管头3例如呈大致圆筒状,嵌入至衬垫1与外层2之间而被固定。管头3的大致圆筒状的开口部作为压力容器10的开口部发挥功能。管头3可以由不锈钢、铝等金属形成,也可以为树脂制。阀5例如为在圆柱状的部分形成有外螺纹的形状,通过与形成于管头3的内侧面的内螺纹进行螺纹结合,可以利用阀5关闭管头3的开口部。凸台4例如由铝形成,以一部分露出至外部的方式组装,发挥将罐内部放热和吸热导出至外部的作用。需要说明的是,本发明中,管头3、凸台4、阀5也可以被公知的其它构件替换,并不是本发明的第一方式的压力容器的必需构成要素。
<衬垫与外层之间的层>
本发明的第一方式的压力容器也可以在衬垫1与外层2之间包含1层或2层以上的层。作为这种层,可例示出用于增强衬垫的金属层、用于提高衬垫与外层的密合性的层等。
<外层的外侧的层>
本发明的第一方式的压力容器也可以在外层的外侧进一步包含1层或2层以上的层。作为这种层,可例示出包含涂料和/或防腐剂的层、用于隔热或隔冷的保护层等。
压力容器的制造方法
第一方式中记载的压力容器的制造方法没有特别规定,可以采用公知的技术。
以下,对于本发明的第一方式的压力容器的制造方法的优选实施方式进行说明,但自不用说本发明不限定于这些实施方式。
本发明的第一方式的压力容器的制造方法的第一实施方式为一种压力容器的制造方法,其包括:在衬垫的外周应用使聚酰胺树脂浸渗于连续纤维而得到的复合材料,前述聚酰胺树脂包含源自二胺的结构单元和源自二羧酸的结构单元,前述源自二胺的结构单元中的50摩尔%以上源自苯二甲胺。
本实施方式中,通常对复合材料进行加热。通过进行加热,外层沿着衬垫进行固化,能够提高压力容器的强度。另外,衬垫为树脂制的情况下、衬垫的表面设有热塑性树脂层的情况下,通过与它们的热熔接,能提高衬垫与外层的密合性。
对于加热的时机,没有特别规定。可以在衬垫的外周应用复合材料之后进行加热,也可以将复合材料加热后紧跟着应用于衬垫的外周。另外,也可以在应用于衬垫的外周的前后对复合材料进行加热。此处,紧跟着是指,聚酰胺树脂维持熔融状态的时间,例如可例示出1分钟以内。
本发明的第一方式中,优选的是,在衬垫的外周应用使聚酰胺树脂浸渗于连续纤维而得到的复合材料之后,在前述聚酰胺树脂的熔点以上的温度下加热前述复合材料。
另外,将复合材料加热后紧跟着应用于衬垫的外周的方法由于也可以在将复合材料应用于衬垫的外周之后不进行加热,因此在衬垫为不耐热的材料的情况下是优选的。
作为热熔接手段,可例示出超声波焊接、振动焊接、激光焊接。
加热温度优选为聚酰胺树脂的熔点以上、更优选为聚酰胺树脂的熔点+10℃以上、进一步优选为熔点+20℃以上。作为加热温度的上限值,更优选为聚酰胺树脂的熔点+100℃以下、进一步优选为熔点+80℃以下。此处的聚酰胺树脂为构成复合材料的聚酰胺树脂。
加热时间没有特别规定,通常为10秒~10分钟。
另外,在衬垫的外周应用复合材料后加热复合材料时,也优选一边自衬垫的内侧进行冷却一边加热外层。特别是在使用容易受热熔融的树脂制衬垫的情况下是有益的。
另外,加热时也可以进行加压,压制压力优选为1MPa以上、更优选为5MPa以上、特别优选为10MPa以上。加热加压优选在减压下、特别优选在真空下进行。在这种条件下进行时,能够降低所得到的外层的孔隙率。
作为在衬垫的外周应用复合材料的方法,只要用复合材料覆盖衬垫的外周,其方法就没有特别规定,优选复合材料中的连续纤维以呈螺旋状、或者具有纵向和/或横向等一定的方向性的方式应用。
作为具体的应用方法,优选将复合材料卷绕于衬垫的外周的方法。作为卷绕方法,根据复合材料的实施方式,可以采用长丝缠绕法、带缠绕法。它们的详情可以参照日本特开平09-280496号公报的第0031~0037段的记载,这些内容并入本申请说明书中。
作为此时的复合材料的实施方式,可列举出带状的材料。另外,也可以将后述的对织物、编织物、混纤丝进行加热使聚酰胺树脂浸渗于连续纤维而得到的材料应用于衬垫的外周。当然,也可以将带状的复合材料与编织物等组合使用。
另外,应用这些复合材料时,也可以使用粘接剂等。
复合材料可以应用于衬垫的表面,也可以在衬垫的表面设置1层或2层以上的其它层,并在其它层的表面应用复合材料。
例如,可列举出:为了提高衬垫与复合材料的密合性,在衬垫的表面设置树脂层,对前述树脂层的表面进行酸性处理。上述树脂层优选为热塑性树脂层。
在树脂制衬垫的表面应用复合材料时,也可以对树脂制衬垫的表面进行酸性处理。
另外,在金属制的衬垫的表面应用复合材料时,可以调整复合材料所使用的聚酰胺树脂的末端氨基浓度,提高与金属制衬垫的密合性。例如,可以使用末端氨基浓度([NH2])为5≤[NH2]≤150(单位:μeq/g)的聚酰胺树脂。另外,也可以对金属制衬垫的表面进行粗糙化处理来提高密合性。通过对金属制衬垫的表面进行粗糙化处理,聚酰胺树脂变得容易浸透,而且金属制衬垫与聚酰胺树脂的接触面积提高,能够提高密合性。
关于衬垫和复合材料的详情,与上述的压力容器的说明中的、衬垫和复合材料的记载为相同含义,优选范围也同样。
压力容器的制造方法的第二实施方式的特征在于,其包括:将包含聚酰胺树脂纤维和连续纤维的织物、编织物或混纤丝应用于衬垫的外周,在前述聚酰胺树脂的熔点以上的温度下进行加热,使前述聚酰胺树脂浸渗于连续纤维,包含源自二胺的结构单元和源自二羧酸的结构单元,前述源自二胺的结构单元的50摩尔%以上为苯二甲胺。
作为织物,可例示出经纱和纬纱中的一者为由聚酰胺树脂组合物形成的连续聚酰胺树脂纤维、另一者为连续纤维的织物。作为混纤丝,可列举出由连续聚酰胺树脂纤维和连续纤维形成的混纤丝。上述混纤丝优选进行了加捻。另外,也可以优选地采用使用了混纤丝的织物、编织物。对于其它要素,与上述压力容器的制造方法的第一实施方式同样,优选范围也同样。
本发明的第一方式的压力容器的制造方法的第三实施方式为一种压力容器的制造方法,其包括:在衬垫的外周应用连续纤维后使聚酰胺树脂浸渗的工序,前述聚酰胺树脂包含源自二胺的结构单元和源自二羧酸的结构单元,前述源自二胺的结构单元的50摩尔%以上为苯二甲胺。
作为在衬垫的外周应用连续纤维后使聚酰胺树脂浸渗的方法,可以采用:在仅缠绕连续纤维之后,使聚酰胺树脂在真空下等浸渗的树脂传递模塑(RTM)法。对于其它要素,与上述压力容器的制造方法的第一实施方式同样,优选范围也同样。
衬垫
本发明的第二方式为一种压力容器的衬垫,其特征在于,由使聚酰胺树脂浸渗于连续纤维而得到的复合材料构成。本实施方式的压力容器的衬垫通常仅由复合材料形成,但不排除在不超出本发明的主旨的范围内含有其它成分的情况。
本发明的第二方式的衬垫在温度23℃、相对湿度50%下的透气系数与上述本发明的第一方式中记载的压力容器的外层在温度23℃、相对湿度50%下的透气系数为相同含义,优选范围也同样。
本发明的第二方式的衬垫的孔隙率与上述本发明的第一方式中记载的压力容器的外层的孔隙率为相同含义,优选范围也同样。
本发明的第二方式的衬垫的厚度没有特别规定,优选为100~6000μm、更优选为400~4000μm。
本发明的第二方式的衬垫中的连续纤维的比例与上述本发明的第一方式中记载的压力容器的外层中的连续纤维的比例为相同含义,优选范围也同样。
本发明的第二方式的衬垫优选连续纤维规则排列。规则排列是指,衬垫所含的连续纤维的70质量%以上具有一定的方向性地排列。对于一定的方向性,可例示出螺旋状、纵向、横向或它们的组合。需要说明的是,本发明中所说的螺旋状、纵向、横向是在严格的螺旋状等的排列的基础上包含本领域技术人员普遍理解的程度的误差的意思。
<复合材料>
本发明的第二方式中使用的复合材料也可以包含连续纤维和浸渗于前述连续纤维的聚酰胺树脂,由连续纤维和浸渗于连续纤维的聚酰胺树脂组合物形成。
本发明的第二方式中使用的复合材料优选连续纤维和聚酰胺树脂占据整体的80质量%以上。
<<聚酰胺树脂>>
本发明的第二方式中使用的复合材料包含聚酰胺树脂。作为聚酰胺树脂,可列举出聚酰胺66、聚酰胺6、聚酰胺46、聚酰胺6/66、聚酰胺10、聚酰胺612、聚酰胺11、聚酰胺12、由六亚甲基二胺、己二酸和对苯二甲酸形成的聚酰胺66/6T、由六亚甲基二胺、间苯二甲酸和对苯二甲酸形成的聚酰胺6I/6T、源自二胺的结构单元中含有至少一个芳香环的聚酰胺树脂等。
本发明的第二方式中,优选源自二胺的结构单元中含有至少一个芳香环的聚酰胺树脂,更优选包含源自二胺的结构单元和源自二羧酸的结构单元、且源自二胺的结构单元的50摩尔%以上为苯二甲胺的聚酰胺树脂。上述聚酰胺树脂与第一方式中使用的复合材料中记载的聚酰胺树脂为相同含义,优选范围也同样。
关于上述以外的方面,本发明的第二方式中使用的复合材料与本发明的第一方式中使用的复合材料为相同含义,优选范围也同样。
<衬垫的制造方法>
作为本发明的第二方式的衬垫可以通过公知的方法制造。本发明的第二方式的衬垫只要由使聚酰胺树脂浸渗于连续纤维而得到的复合材料构成即可,即,只要在成为衬垫的状态时呈现聚酰胺树脂浸渗于连续纤维的状态即可。因此,关于将聚酰胺树脂或聚酰胺树脂组合物浸渗于连续纤维的状态的复合材料,例如,可以将带状的复合材料配置成衬垫的形状并进行加热成形,也可以将由聚酰胺树脂纤维和连续纤维形成的织物、混纤丝等配置成衬垫的形状之后进行加热,使聚酰胺树脂浸渗于连续纤维,同时进行成形。进而,也可以是将连续纤维配置成衬垫的形状之后使聚酰胺树脂浸渗的实施方式。
带状的复合材料可以通过如下方法制造:一边将沿单方向拉齐的连续纤维开纤,一边使熔融聚酰胺树脂浸渗的方法;在沿单方向拉齐的连续纤维上重叠聚酰胺树脂薄膜,并进行加热使其浸渗的方法。
作为织物,可例示出经纱和纬纱中的一者为由聚酰胺树脂组合物形成的连续聚酰胺树脂纤维、另一者为连续纤维的织物。作为混纤丝,可列举出由连续聚酰胺树脂纤维和连续纤维形成的混纤丝。上述混纤丝优选进行了加捻。另外,优选采用使用了混纤丝的织物、编织物。
本发明的第二方式中,优选如下方法:通过长丝缠绕法、带缠绕法等,将复合材料、织物、混纤丝卷绕在模具的外周,进行加热成形,然后去除模具的方法。另外,也可以如下制造:通过树脂传递模塑(RTM)法等,在模具的外周应用连续纤维之后,在真空下等使聚酰胺树脂浸渗,从而制造。
此处,在制造衬垫时,可以使用筒状的模具,对于衬垫的上部及下部分开进行加热加工,从而形成;也可以将衬垫一体成形之后从衬垫的开口部去除模具,从而成形。
从衬垫的开口部去除模具时,可例示出像陶瓷的模具那样能通过破坏等而去除的模具。
加热温度需要设为聚酰胺树脂或聚酰胺树脂组合物发生熔融的温度以上,也根据聚酰胺树脂的种类、分子量而异,更优选为聚酰胺树脂的熔点+10℃以上、进一步优选为熔点+20℃以上。作为加热温度的上限值,更优选为聚酰胺树脂的熔点+100℃以下、进一步优选为熔点+80℃以下。此处的聚酰胺树脂为构成复合材料的聚酰胺树脂。
加热时间没有特别规定,通常为10秒~10分钟。
另外,可以进行加压,加压时的压制压力优选为1MPa以上、更优选为5MPa以上、特别优选为10MPa以上。加热加压优选在减压下、特别优选在真空下进行。在这种条件下进行时,能够降低所得到的衬垫中的孔隙率。
本发明的第二方式的衬垫可以用作压力容器的衬垫。例如,在上述图1中,作为1衬垫,可以使用本发明的第二方式的衬垫,作为2外层,可以使用保护层等。另外,管头3、凸台4、阀5分别可以使用与图1的说明中所记载的构件同样的构件。
保护层为用于隔热或隔冷的保护层,但并不是本发明的第二方式的压力容器中必需的构成要素。另外,作为设置在衬垫1的外侧的层,不限于保护层,也可以为包含涂料、防腐剂的层。
另外,第二方式中,作为外层,也可以使用本发明的第一方式中记载的外层。此时,构成衬垫的复合材料与构成外层的复合材料可以彼此相同,但通常不同。
外层可以为仅1层,也可以为2层以上。另外,也可以在衬垫的表面不具有任何层。
特别是,本发明的第二方式的衬垫由于衬垫自身具有高阻气性,因此也可以采用在压力容器的主体部分不设置除衬垫以外的、在温度23℃、相对湿度50%下的透气系数为0.10cc·mm/m2·天·atm以下的层的构成。因此,能减少构成压力容器的层数,也能够达成压力容器的轻量化。
实施例
以下举出实施例来进一步具体说明本发明。以下的实施例中示出的材料、用量、比例、处理内容、处理步骤等可以在不超出本发明的主旨的范围内进行适当变更。因此,本发明的范围不限定于以下示出的具体例。
<聚酰胺树脂MXD6的合成>
在具备搅拌机、分凝器、全凝器、温度计、滴液漏斗和氮气导入管、线料模头的内容积50升的反应容器中加入精确称量的己二酸15000g(102.6mol)、进而以次磷酸钠一水合物的配混量12978mg(122.5mmol、以聚酰胺中的磷原子浓度计151ppm)及乙酸钠的配混量6914mg(84.29mmol)的方式添加,充分氮气置换后,进而在少量的氮气气流下一边搅拌体系内一边加热至170℃。在搅拌下向其中滴加间苯二甲胺13895g(102.0mol),一边去除生成的缩合水至体系外一边将体系内连续升温。间苯二甲胺的滴加结束后,将内温设为260℃,继续反应40分钟。然后,用氮气将体系内加压,从线料模头去除聚合物并将其粒料化,得到约24kg的聚酰胺树脂MXD6。
<聚酰胺树脂MXD6I的合成>
作为二羧酸成分,添加己二酸14094.3g(96.444mol)和间苯二甲酸1022.8g(6.156mol)来代替仅己二酸,除此之外与上述聚酰胺树脂MXD6的合成同样地进行熔融聚合,得到聚酰胺树脂MXD6I。
<聚酰胺树脂MP10的合成>
在具备搅拌机、分凝器、冷却器、温度计、滴下装置及氮气导入管、线料模头的内容积50升的反应容器中称量并投入经精确称量的癸二酸(伊藤制油制、癸二酸TA)8950g(44.25mol)、次磷酸钙12.54g(0.074mol)、乙酸钠6.45g(0.079mol)。将反应容器内充分氮气置换后,用氮气加压至0.4MPa,一边搅拌一边从20℃升温至190℃,用55分钟将癸二酸均匀熔融。接着,在搅拌下滴加间苯二甲胺4172g(30.63mol)和对苯二甲胺1788g(13.13mol%)的混合二胺。在此期间,反应容器内温连续上升至293℃。在滴加工序中将压力控制在0.42MPa,生成水通过分凝器及冷却器去除到体系外。分凝器的温度控制在145~147℃的范围。混合二胺滴加结束后,在反应容器内压力0.42MPa下继续20分钟缩聚反应。在此期间,反应容器内温上升至296℃。然后,用30分钟将反应容器内压力从0.42MPa减压至0.12MPa。在此期间,内温升温至298℃。然后,以0.002MPa/分钟的速度进行减压,用20分钟减压至0.08MPa,调整分子量1000以下的成分量。减压结束时的反应容器内的温度为301℃。然后,用氮气将体系内加压,在反应容器内温度301℃、树脂温度301℃下从线料模头以线料状去除聚合物,用20℃的冷却水冷却,将其粒料化,得到约13kg的聚酰胺树脂。
<其它聚酰胺树脂>
PA6:宇部兴产株式会社制造、尼龙6、UBE Nylon 1022B。
<连续纤维>
CF:碳纤维、东丽株式会社制造、使用用环氧系树脂进行了表面处理的碳纤维。
<其它复合材料>
浸渗有聚酰胺6(PA6)的单向碳纤维带(carbon fiber unidirectional tape)、TenCate PERFORMANCE COMPOSITES公司制造、TenCate Cetex(注册商标)TC910 NYLON6
<实验例1-1>
利用具有的螺杆和T模头的单螺杆挤出机将聚酰胺树脂MXD6挤出成形,得到20μm厚的流延薄膜。
作为连续纤维束,将碳纤维一边以在从与空气流动方向大致正交的方向通过空气流中时相对于沿着通过方向的长度30mm松弛60mm(相对于10mm,松弛20mm)的方式施加松弛,一边向以平均流速20m/秒流动的空气流中导入,从而实施开纤处理,得到碳纤维片。
将所得到的碳纤维片一边加热至280℃(以下将该温度称为“浸渗温度”)一边连续地与前述流延薄膜粘贴,得到宽度200mm的带状的复合材料。
将聚酰胺树脂MXD6吹塑成形,成形为外径100mm、全长300mm、壁厚3mm的衬垫。
通过带缠绕法将上述带状的复合材料以螺旋状卷绕在所得到的衬垫的周围。带卷成2层以上。然后,在280℃下加热,得到压力容器主体。在所得到的压力容器主体的上部和下部安装金属盖,得到压力容器。
通过以下的方法,测定外层的孔隙率、外层中的连续纤维的比例、外层的氧气透过系数、外层的氩气透过系数、外层的氮气透过系数、外层的水浸渍1个月后的弯曲强度保持率。
<<外层的孔隙率的测定方法>>
通过以下方法测定外层的孔隙率。
切取外层的一部分,用环氧树脂包埋,以外层的沿着厚度方向的截面(本实验例中设为图1所示的截面)露出的方式进行研磨,对于截面图,使用超深度彩色3D形状测定显微镜VK-9500(控制器部)/VK-9510(测定部)(KEYENCE制造)进行摄影。对于所得到的截面照片,使用图像分析软件ImageJ选择孔隙区域,测定其面积。基于测定值,算出(外层的截面的孔隙区域/外层的截面积)×100。在1个外层中,在3处进行上述测定,将其平均值四舍五入至小数点后一位,作为孔隙率(单位%)。
<<外层中的连续纤维的比例的测定方法>>
外层中的连续纤维的比例通过以下的方法测定。
外层中的连续纤维的比例通过JIS 7075燃烧法测定。
外层中的连续纤维的比例的单位由V/V%表示。
<<外层的氧气透过系数的测定方法>>
通过以下的方法测定上述得到的复合材料在温度23℃、相对湿度50%下的氧气透过系数。
1/R1=DFT/P
P=R1*DFT
此处,
R1=复合材料的酸素透过率(ml/m2·天·MPa)
DFT=复合材料的厚度(mm)
P=复合材料的氧气透过系数
透气系数的单位由换算为ml/m2·天·MPa和ml·mm/m2·天·atm的值表示。透气系数为材料固有的值,是与厚度无关的值。因此,复合材料的透过系数与外层的透气系数相等。
<<外层的氩气透过系数的测定方法>>
使用气体透过测定装置(GTR Tec Corporation制造)在温度23℃、相对湿度50%的气氛下按照JIS K7126-1:2006压差法求出复合材料的氩气透过率,按照上述外层的氧气透过系数的算出方法测定氩气透过系数。
<<外层的氮气透过系数的测定方法>>
使用气体透过测定装置(GTR Tec Corporation制造)在温度23℃、相对湿度50%的气氛下按照JIS K7126-1:2006压差法求出复合材料的氮气透过,按照上述外层的氧气透过系数的算出方法测定氮气透过系数。
<<水浸渍1个月后的弯曲强度保持率>>
将复合材料以连续纤维大致正交的方式交替层叠,在下述表所述的卷绕于衬垫后的浸渗温度下加热,制作10mm×80mm×厚度4mm的试验片。对于所得到的试验片,按照JISK6911用Autograph(株式会社岛津制作所制造、AG5000B)在常温下测定弯曲强度(MPa)。另外,将试验片在常温常压下在水中浸渍1个月后,同样地操作来测定弯曲强度。将水浸渍前的弯曲强度/水浸渍后的弯曲强度×100设为水浸渍1个月后的弯曲强度保持率(%)。
<实验例1-2~1-8>
实验例1-1中,将树脂的种类、浸渗温度、卷绕于衬垫后的加热温度变更为下述表1所示那样,其它同样地进行,得到实验例1-2~1-8的压力容器。实验例1-7和实验例1-8除了用具备的螺杆和T模头的单螺杆挤出机将由聚酰胺树脂MXD6和PA6以粒料状态混合而成的物质挤出成形而得到20μm厚的流延薄膜之外与实验例1-1同样地操作来实施。
<实验例1-9>
实验例1-1中,作为复合材料,使用TenCate Cetex TC910 NYLON6,其它同样地进行,得到压力容器。
将结果示于下述表1。
[表1]
由上述结果明显可见,本发明的第一方式的压力容器的外层的透气系数低。特别是通过将孔隙率设为10%以下,能够显著降低透气系数,并且将水浸渍一个月后的弯曲强度保持率维持得较高。
进而,本发明的第一方式的压力容器由于衬垫与复合材料使用了相同的聚酰胺树脂,因此衬垫与外层的密合性也高。
<实验例2-1>
将上述实验例1-1中制作的带状的复合材料通过带缠绕法以螺旋状卷绕在陶瓷制的模具的周围。带从2个方向以螺旋状卷绕成2层以上。然后,在280℃下加热,熔融成形。将陶瓷制的模具打碎来去除,得到衬垫。
关于衬垫的孔隙率、衬垫中的连续纤维的比例、衬垫的氧气透过系数、衬垫的氩气透过系数、衬垫的氮气透过系数、衬垫的水浸渍1个月后的弯曲强度保持率的测定,分别在上述实验例1-1中的各测定方法中将实验例1中制作的外层变更为实验例2-1中制作的衬垫,其它与实验例1-1所述的测定方法同样地进行。
<实验例2-2~2-8>
实验例2-1中,将树脂的种类、浸渗温度、卷绕于衬垫后的加热温度变更为下述表2所示那样,其它同样地进行,得到实验例2-2~2-8的衬垫。实验例2-7和实验例2-8除了用具有的螺杆和T模头的单螺杆挤出机将由聚酰胺树脂MXD6和PA6以粒料状态混合而得到的物质挤出成形而得到20μm厚的流延薄膜之外与实验例2-1同样地进行来测定。
<实验例2-9>
实验例2-1中,作为复合材料,使用TenCate Cetex TC910 NYLON6,其它同样地进行,得到衬垫。
将结果示于下述表2。
[表2]
由上述结果明显可见,本发明的第二方式的衬垫的透气系数低。
附图标记说明
1 衬垫
2 外层
3 管头
4 凸台
5 阀
10 压力容器

Claims (25)

1.一种压力容器,其具有衬垫和所述衬垫的外层,
所述外层由复合材料构成,所述复合材料包含连续纤维和浸渗于所述连续纤维的聚酰胺树脂,
所述聚酰胺树脂包含源自二胺的结构单元和源自二羧酸的结构单元,所述源自二胺的结构单元中的50摩尔%以上源自苯二甲胺。
2.根据权利要求1所述的压力容器,其中,所述外层在温度23℃、相对湿度50%下的透气系数为0.10ml·mm/m2·天·atm以下。
3.根据权利要求1或2所述的压力容器,其中,所述外层的孔隙率为10%以下。
4.根据权利要求1~3中任一项所述的压力容器,其中,所述源自二羧酸的结构单元中的70摩尔%以上源自碳原子数为4~20的α,ω-直链脂肪族二羧酸。
5.根据权利要求1~4中任一项所述的压力容器,其中,所述源自二胺的结构单元中的70摩尔%以上源自间苯二甲胺。
6.根据权利要求1~3中任一项所述的压力容器,其中,所述源自二胺的结构单元中的70摩尔%以上源自间苯二甲胺,所述源自二羧酸的结构单元中的70摩尔%以上源自己二酸和癸二酸中的至少一者。
7.根据权利要求1~3中任一项所述的压力容器,其中,所述源自二胺的结构单元中的70摩尔%以上源自间苯二甲胺,所述源自二羧酸的结构单元中的70摩尔%以上源自己二酸。
8.根据权利要求1~7中任一项所述的压力容器,其中,所述连续纤维为选自碳纤维和玻璃纤维中的至少1种。
9.根据权利要求1~8中任一项所述的压力容器,其中,所述外层中的连续纤维的比例为10~80V/V%。
10.根据权利要求1~9中任一项所述的压力容器,其中,所述衬垫以树脂作为主要成分。
11.根据权利要求1~9中任一项所述的压力容器,其中,所述衬垫以聚酰胺树脂作为主要成分。
12.根据权利要求1~9中任一项所述的压力容器,其中,所述衬垫以聚酰胺树脂作为主要成分,该聚酰胺树脂包含源自二胺的结构单元和源自二羧酸的结构单元,所述源自二胺的结构单元中的50摩尔%以上源自苯二甲胺。
13.一种压力容器的衬垫,其由使聚酰胺树脂浸渗于连续纤维而得到的复合材料构成。
14.根据权利要求13所述的衬垫,其中,所述聚酰胺树脂包含源自二胺的结构单元和源自二羧酸的结构单元,所述源自二胺的结构单元中的50摩尔%以上为苯二甲胺。
15.根据权利要求13或14所述的衬垫,其中,所述衬垫在温度23℃、相对湿度50%下的透气系数为0.10cc·mm/m2·天·atm以下。
16.根据权利要求13~15中任一项所述的衬垫,其中,所述衬垫的孔隙率为10%以下。
17.根据权利要求14~16中任一项所述的衬垫,其中,所述源自二胺的结构单元中的70摩尔%以上源自间苯二甲胺。
18.根据权利要求14~17中任一项所述的衬垫,其中,所述源自二羧酸的结构单元中的70摩尔%以上源自碳原子数为4~20的α,ω-直链脂肪族二羧酸。
19.根据权利要求14~16中任一项所述的衬垫,其中,所述源自二胺的结构单元中的70摩尔%以上源自间苯二甲胺,所述源自二羧酸的结构单元中的70摩尔%以上源自己二酸和癸二酸中的至少一者。
20.根据权利要求14~16中任一项所述的衬垫,其中,所述源自二胺的结构单元中的70摩尔%以上源自间苯二甲胺,所述源自二羧酸的结构单元中的70摩尔%以上源自己二酸。
21.根据权利要求13~20中任一项所述的衬垫,其中,所述连续纤维为选自碳纤维和玻璃纤维中的至少1种。
22.根据权利要求13~21中任一项所述的衬垫,其中,所述衬垫中的连续纤维的比例为10~80V/V%。
23.一种压力容器,其具有权利要求13~22中任一项所述的衬垫。
24.一种压力容器的制造方法,其包括:
在衬垫的外周应用使聚酰胺树脂渗透于连续纤维而得到的复合材料;以及,将复合材料在所述聚酰胺树脂的熔点以上的温度下进行加热,
所述聚酰胺树脂包含源自二胺的结构单元和源自二羧酸的结构单元,所述源自二胺的结构单元中的50摩尔%以上源自苯二甲胺。
25.根据权利要求24所述的压力容器的制造方法,其包括:在衬垫的外周应用使聚酰胺树脂浸渗于连续纤维而得到的复合材料后,将所述复合材料在所述聚酰胺树脂的熔点以上的温度下进行加热。
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