CN108193338A - 一种全缠绕复合气瓶用玄武岩纤维纱 - Google Patents

一种全缠绕复合气瓶用玄武岩纤维纱 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种全缠绕复合气瓶用玄武岩纤维纱，所述玄武岩纤维纱单丝直径7～16μm，本发明所述的玄武岩纤维纱线密度600～3600，所述的玄武岩纤维纱合股后的拉伸强度大于0.58N/tex，所述的玄武岩纤维纱合股后的弹性模量大于85GPa，所述的玄武岩纤维纱密度小于2650kg/m3。用这种玄武岩纤维制备得到的全缠绕气瓶，重量可比玻璃纤维全缠绕气瓶低12％以上，价格比碳纤维气瓶低30％，而且耐候性好、使用寿命长、安全稳定，性价比突出。

Description

一种全缠绕复合气瓶用玄武岩纤维纱
技术领域
本发明属于复合材料领域，特别是涉及一种全缠绕复合气瓶用玄武岩纤维纱。
背景技术
近年来，我国的机动车保有量逐年上升，石油进口比例不断攀升，带来严重的能源安全问题。同时，机动车排放的汽车尾气引起的空气污染问题也频繁发生，危害人们的生存健康。荷兰、印度、德国和法国等都已明确2025年开始逐步禁售燃油车，取而代之的是污染物排放少的新能源汽车。新能源汽车中的热门，电动汽车，因为锂离子电池的能量密度低带来的“里程焦虑”问题一直未能突破，近两年在政府补贴下滑的情况下发展缓慢。天然气汽车技术原理与燃油汽车类似，技术成熟，并且天然气燃烧无氮氧化物和硫化物的排放，绿色环保，具有较好的推广前景。
天然气汽车中的储气瓶，根据材料和结构不同，分为CNG-1、CNG-2、CNG-3和CNG-4四种。CNG-1由纯钢或铝制成，但重量大、储气量少，续航里程短。CNG-2是在金属内胆外环向缠绕一层纤维复合材料，可大大增强气瓶的储气压力，增加储气量，但安全稳定性差，在欧洲被禁止使用。CNG-3是在金属内胆外全缠绕多层纤维复合材料，气瓶的爆破强度和稳定性大大增加，重量明显减小。CNG-4是在塑料内胆外全缠绕多层碳纤维复合材料，轻量化效果最好，但技术尚未成熟。因此，CNG-3全缠绕复合气瓶具有较好的发展前景。
现有的全缠绕气瓶用纤维纱有玻璃纤维和碳纤维，玻璃纤维强度低、密度大，减重效果有限；碳纤维强度高、密度小，但价格高，市场接受程度低。玄武岩纤维采用天然的玄武岩矿石在1450℃下熔融拉丝而成，拉伸强度比玻璃纤维高10～20％，密度与玻璃纤维类似，价格不及碳纤维的1/8，具有较高的性价比，市场前景广阔。
使用常规的玄武岩纤维纱缠绕而得的全缠绕气瓶，气瓶爆破强度可达70MPa以上，但由于树脂在纤维表面的浸润效果差，气瓶的水压疲劳寿命仅1万次左右，无法满足ISO11439-2013标准要求。因此，为解决玄武岩纤维全缠绕复合气瓶的疲劳寿命问题，开发一种可制作高疲劳寿命的全缠绕复合气瓶的玄武岩纤维，降低天然气气瓶的重量和成本，对我国汽车轻量化和节能减排具有非常重要的现实意义。
现有的全缠绕气瓶，使用碳纤维和玻璃纤维作为增强纤维。碳纤维全缠绕气瓶，重量轻、强度高，但成本高，难广泛应用到普通乘用车，而且层间剪切性能差，尤其是受冲击后强度下降明显；玻璃纤维全缠绕气瓶，成本低廉，但重量大、强度低，而且玻璃纤维耐久性差，影响气瓶的长期安全性。
发明内容
针对现有技术中存在的不足，本发明提供结构一种全缠绕复合气瓶用玄武岩纤维纱，兼顾碳纤维和玻璃纤维的优点。
本发明是通过如下技术方案实现的：一种全缠绕复合气瓶用玄武岩纤维纱，所述玄武岩纤维纱单丝直径7～16μm，本发明所述的玄武岩纤维纱线密度600～3600，所述的玄武岩纤维纱合股后的拉伸强度大于0.58N/tex，所述的玄武岩纤维纱合股后的弹性模量大于85GPa，所述的玄武岩纤维纱密度小于2650kg/m3。用这种玄武岩纤维制备得到的全缠绕气瓶，重量可比玻璃纤维全缠绕气瓶低12％以上，价格比碳纤维气瓶低30％，而且耐候性好、使用寿命长、安全稳定，性价比突出。
上述技术方案中国，优选的，所述的玄武岩纤维纱使用硅烷偶联剂、环氧成膜剂、助成膜剂、润滑剂和PH调节剂作为纤维表面处理剂。
上述技术方案中国，优选的，所述的玄武岩纤维纱含油率在0.4～1.5％之间。
本发明具有如下有益效果：用玄武岩纤维制备得到的全缠绕气瓶，重量可比玻璃纤维全缠绕气瓶低12％以上，价格比碳纤维气瓶低30％，而且耐候性好、使用寿命长、安全稳定，性价比突出。
具体实施方式
下面结合具体实施方式对本发明作进一步详细描述：
实施例1
一种全缠绕复合气瓶用玄武岩纤维纱，是在天然玄武岩矿石在1450℃下熔融拉丝，经纤维表面处理、烘干和合股制成。
上述的全缠绕复合气瓶用玄武岩纤维纱，具有以下特点：
(1)纤维单丝直径7μm。
(2)纱线线密度800
(3)拉伸强度0.7N/tex。
(4)弹性模量90GPa。
(5)密度2650kg/m3。
(6)使用KH-560硅烷偶联剂、E44环氧成膜剂、水溶性聚氨酯助成膜剂、7607和6706润滑剂及冰醋酸作为纤维表面处理剂。
(7)纱线含油率1.3％。
实施例2
一种全缠绕复合气瓶用玄武岩纤维纱，是在天然玄武岩矿石在1450℃下熔融拉丝，经纤维表面处理、烘干和合股制成。
上述的全缠绕复合气瓶用玄武岩纤维纱，具有以下特点：
(1)纤维单丝直径9μm。
(2)纱线线密度1200
(3)拉伸强度0.68N/tex。
(4)弹性模量89GPa。
(5)密度2650kg/m3。
(6)使用KH-560硅烷偶联剂、E51环氧成膜剂、水溶性聚氨酯助成膜剂、7607和6706润滑剂及冰醋酸作为纤维表面处理剂。
(7)纱线含油率1.05％。
实施例3
一种全缠绕复合气瓶用玄武岩纤维纱，是在天然玄武岩矿石在1450℃下熔融拉丝，经纤维表面处理、烘干和合股制成。
上述的全缠绕复合气瓶用玄武岩纤维纱，具有以下特点：
(1)纤维单丝直径11μm。
(2)纱线线密度1200
(3)拉伸强度0.63N/tex。
(4)弹性模量84GPa。
(5)密度2650kg/m3。
(6)使用KH-550硅烷偶联剂、E44环氧成膜剂、水溶性聚氨酯助成膜剂、7607和6706润滑剂及冰醋酸作为纤维表面处理剂。
(7)纱线含油率0.76％。
实施例4
一种全缠绕复合气瓶用玄武岩纤维纱，是在天然玄武岩矿石在1450℃下熔融拉丝，经纤维表面处理、烘干和合股制成。
上述的全缠绕复合气瓶用玄武岩纤维纱，具有以下特点：
(1)纤维单丝直径16μm。
(2)纱线线密度2400
(3)拉伸强度0.60N/tex。
(4)弹性模量85GPa。
(5)密度2650kg/m3。
(6)使用KH-560硅烷偶联剂、E44环氧成膜剂、水溶性聚氨酯助成膜剂、7607和6706润滑剂及冰醋酸作为纤维表面处理剂。
(7)纱线含油率0.43％。
上述的全缠绕复合气瓶用玄武岩纤维纱制造方法，包括以下步骤：
(1)选择合适的玄武岩矿石，通过筛选除去杂物；
(2)将筛选后的玄武岩矿石进行粉碎处理，料粒直径不超过2cm；
(3)将粉碎后的玄武岩矿石加入到拉丝炉，升温至1350～1550℃下熔融，得到玄武岩熔体；
(4)熔融后的熔体在1450℃下，通过铂铑合金漏板快速拉丝；
(5)铂铑合金漏板下方设置单丝涂油器，在拉丝过程中对纤维进行表面处理；
(6)拉丝得到的玄武岩纤维原纱在130℃下烘干，除去浸润剂中的水，并使其中的表面处理剂在纤维表面固化；
(7)烘干后的原纱在无捻合股机中进行并股，制得最终产品。
应该理解，在本发明的权利要求书、说明书中，所有“包括……”均应理解为开放式的含义，也就是其含义等同于“至少含有……”，而不应理解为封闭式的含义，即其含义不应该理解为“仅包含……”。
本文中所描述的具体实施例仅仅是对本发明精神作举例说明。本发明所属技术领域的技术人员可以对所描述的具体实施例做各种各样的修改或补充或采用类似的方式替代，但并不会偏离本发明的精神或者超越所附权利要求书所定义的范围。

Claims (3)

1.一种全缠绕复合气瓶用玄武岩纤维纱，其特征在于：所述玄武岩纤维纱单丝直径7～16μm，本发明所述的玄武岩纤维纱线密度600～3600，所述的玄武岩纤维纱合股后的拉伸强度大于0.58N/tex，所述的玄武岩纤维纱合股后的弹性模量大于85GPa，所述的玄武岩纤维纱密度小于2650kg/m3。
2.根据权利要求1所述的一种全缠绕复合气瓶用玄武岩纤维纱，其特征在于：所述的玄武岩纤维纱使用硅烷偶联剂、环氧成膜剂、助成膜剂、润滑剂和PH调节剂作为纤维表面处理剂。
3.根据权利要求1所述的一种全缠绕复合气瓶用玄武岩纤维纱，其特征在于：所述的玄武岩纤维纱含油率在0.4～1.5％之间。
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