CN108692180B - 具有阻隔涂层的压缩气体封闭制品 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了具有阻隔涂层的压缩气体封闭制品。一种用于容纳流体的封闭制品包括壁和纳米对齐的阻隔层，所述壁被构造和布置来容纳所述流体，所述纳米对齐的阻隔层与所述壁共同延伸，并被构造和布置来限制所述流体的渗透。

Description

具有阻隔涂层的压缩气体封闭制品
技术领域
本公开涉及一种封闭制品，并且更具体地涉及一种具有阻隔涂层的压缩气体封闭制品。
背景技术
封闭制品(诸如储罐、容器和导管)可被设计成储存压缩气体(诸如氢气、天然气和其他高压储能应用)。在一些应用中，制品可包括由复合材料制成的封闭壁，所述制品总体上比更传统的金属制品更轻。由复合材料制成的封闭制品的轻量属性使得制品对于航空和其他运输应用来说是理想的。
然而，复合制品(例如，容器)可能具有独特的挑战，其包括保持足够的强度，同时使密封的压缩气体的渗透性最小化。增加壁厚或在封闭制品内使用整体衬层可降低渗透性；然而，它也可能增加重量。期望进一步开发具有降低的渗透性的复合封闭制品。
发明内容
一种根据本公开的一个非限制性实施方案的用于容纳流体的封闭制品包括：壁，其被构造和布置来容纳所述流体；以及纳米对齐的阻隔层，其与所述壁共同延伸，并且被构造和布置来限制所述流体的渗透。
除了前述实施方案之外，所述流体是压缩气体。
替代或除了上述情况，在前述实施方案中，所述壁包括限定腔室的内表面，所述流体位于所述腔室中，并且所述纳米对齐的阻隔层是设置在所述内表面上的涂层。
替代或除了上述情况，在前述实施方案中，所述壁是复合壁。
替代或除了上述情况，在前述实施方案中，所述流体是压缩气体。
替代或除了上述情况，在前述实施方案中，所述壁包括限定腔室的内表面，所述流体位于所述腔室中，并且所述纳米对齐的阻隔层是设置在所述内表面上的涂层。
替代或除了上述情况，在前述实施方案中，所述壁包括限定腔室的内表面和外表面，并且其中所述纳米对齐的阻隔层是设置在所述外表面上的涂层。
替代或除了上述情况，在前述实施方案中，所述纳米对齐的阻隔层是具有分离在聚合物粘合剂中的对齐的纳米薄片的膜。
替代或除了上述情况，在前述实施方案中，所述膜被电接地以减少静电放电。
替代或除了上述情况，在前述实施方案中，所述膜包括在2纳米至500纳米的范围内的厚度，并且所述纳米薄片中的每一个包括是所述膜的所述厚度的至少一半的最大厚度。
替代或除了上述情况，在前述实施方案中，所述纳米薄片由石墨烯、氧化石墨烯、粘土、氮化硼和云母中的至少一个制成。
替代或除了上述情况，在前述实施方案中，所述壁包括内层和外层，并且所述纳米对齐的阻隔层设置在所述内层与所述外层之间。
替代或除了上述情况，在前述实施方案中，所述涂层作为水基系统来施加。
替代或除了上述情况，在前述实施方案中，所述涂层作为溶剂型系统来施加。
替代或除了上述情况，在前述实施方案中，所述纳米对齐的阻隔层由总计重量百分比在50%至99%之间的纳米薄片制成。
替代或除了上述情况，在前述实施方案中，所述纳米对齐的阻隔层由总计重量百分比在50%至99%之间的纳米薄片制成。
一种根据另一个非限制性实施方案的用于储存压缩气体的容器包括：复合壁，其具有总体限定腔室的内表面，其中所述压缩气体位于所述腔室中；以及阻隔涂层，其设置在所述内表面上，并且包括粘合聚合物、分散聚合物和对齐的纳米薄片。
除了前述实施方案之外，所述对齐的纳米薄片包括石墨烯、氧化石墨烯、粘土、氮化硼和云母中的至少一个。
替代或除了上述情况，在前述实施方案中，所述分散聚合物按重量计小于占所述阻隔涂层大约百分之五的所述聚合物粘合剂部分。
替代或除了上述情况，在前述实施方案中，所述阻隔涂层的厚度在2纳米至500纳米的范围内。
除非另外明确指出，否则在不排他的情况下，前述特征和元件可以各种组合来进行组合。根据以下描述和附图，这些特征和元件以及它们的操作将变得更加明显。然而，应理解，以下描述和附图意图在本质上是示例性的并且是非限制性的。
附图说明
各种特征通过公开的非限制性实施方案的以下详细描述对于本领域技术人员将变得明显。随附于详细描述的附图可简要描述如下：
图1是根据本发明的示例性实施方案的配置来储存和/或输送流体的封闭制品的横截面；并且
图2是封闭制品的第二实施方案的部分横截面。
详细描述参考附图以举例的方式来解释本发明的实施方案以及优点和特征。
具体实施方式
现参考图1，适于容纳流体的封闭制品20的实例被示出为容器或储罐组件。封闭制品20的另一个非限制性实例可以是能够容纳流体和/或使流体流动的导管或任何其他结构。在一个实施方案中，流体可以是压缩气体。然而，流体可以是任何气体或液体，所述任何气体或液体可以处于压力下或可以不处于压力下，并且所述流体易于受到渗透的影响。可储存在压力容器组件20内的示例性流体包括但不限于：压缩天然气(CNG)、氢气、丙烷、甲烷、空气、氩气、氮气、氦气、二氧化碳、液压流体、汽油、辛烷、庚烷、煤油、喷气燃料及其他。
封闭制品20可总体包括喷嘴22、壁24和可以是纳米对齐的阻隔层的阻隔层26。壁24包括外表面28和可总体限定用于储存流体的腔室32的内表面30。喷嘴22可总体提供进入和/或离开腔室32的流体流动。壁24可以是或可包括复合材料。在一个实例中，复合材料可以是连续纤维包装材料或预浸材料(即，具有树脂的纤维)，其提供期望的结构强度和内部应力分布。可替代地，复合壁24可以是编织物，或者可以是经树脂浸渍的短纤维。主加强件(即，纤维或编织物)可由碳纤维、玻璃纤维或芳族聚酰胺纤维制成。用于粘合连续纤维的基质材料或树脂可包括环氧树脂、乙烯基酯、氨基甲酸酯和其他树脂聚合物。应进一步设想和理解的是，壁24可包括其他材料和/或方法，所述材料和/或方法包括自动化纤维安置、卷绕的单纤维和/或连续纤维与非连续纤维的混合物。
在一个实施方案中，阻隔层26可被施加到壁24的内表面30。阻隔层26可以是纳米对齐(即，填充物对齐)的涂层，其提供复合封闭制品20的主要气体阻隔功能。填充物的优选对齐可以是与所施加的内表面平行。尽管没有必要具有完全平行的对齐，但是填充物与内表面越平行，阻隔性可越高。阻隔层26可以基本上包括利用适当的纳米填充的涂覆溶液通过一步溶液涂覆方法施加的膨胀石墨纳米薄片。可替代地，阻隔层26可通过多步方法来施加，所述多步方法可包括喷涂、浸渍、刮涂或洗涤方法。薄片的其他实例可包括石墨烯、氧化石墨烯、粘土、氮化硼、云母或其组合以实现期望的流体阻隔性。在一个实施方案中，阻隔层26可包含按重量计大约百分之五十(50%)至百分之九十九(99%)的薄片，另外的百分之五十(50%)至百分之一(1%)是聚合物粘合剂。聚合物粘合剂可以是单一聚合物材料或材料的组合，其中添加按重量计占阻隔涂层多达大约百分之五(5%)的聚合物粘合剂部分以帮助纳米薄片的分散。
阻隔层26总体上可以是薄膜，所述薄膜的厚度在大约两纳米(2 nm)至五百纳米(500 nm)的范围内。分散在膜中的单个纳米薄片的大小的最大厚度可以是所得膜的厚度的至少一半，并且优选地更小。每个纳米薄片还可具有垂直于厚度尺寸并且是厚度尺寸的大约两倍大的至少一个尺寸。较高宽高比填充物可以更有效地提高阻隔性。应设想和理解的是，阻隔层26还可以或可替代地施加到壁24的外表面28。
为了促进施加，阻隔层26可以是水基或溶剂型系统。作为水基系统，粘合剂聚合物可以是水溶性的。实例可包括聚乙二醇、聚乙烯醇、共聚乙酸酯、聚乙烯亚胺和聚丙烯酰胺。作为溶剂型系统，粘合剂聚合物可溶于相应的溶剂中。实例可包括聚氨酯、聚苯乙烯、聚丁二烯共聚物、聚苯乙烯、聚丁二烯、聚乙烯共聚物、聚氯乙烯、乙烯丙烯二烃单体(EPDM)和橡胶。
在一个实施方案中，封闭制品20可还包括电导体34，其可最小化或消除制品20上的任何潜在的静电荷累积。为了促进这个特征，导体34可电连接到阻隔层26和地面并且在阻隔层26与地面之间延伸。
参考图2，示出了封闭制品的第二实施方案，其中除了添加角分符号后缀，与第一实施方案相同的元件具有相同的识别数字。封闭制品20’包括壁24’，所述壁24’可包括具有总体限定腔室32’的内表面30’的内层36和承载外表面28’的外层38。纳米对齐的阻隔层26’可设置在层36与层38之间。
在一个实施方案中，内层36和外层38都可以由复合材料制成。在另一个实施方案中，内层36可以是衬层。作为衬层，层36可以是具有最小壁厚的成型囊状物。衬层36可以由以下的任何材料和壁厚制成，所述材料和壁厚能够提供必要的结构刚度，同时最小化重量，降低成本并满足具体施加所需的其他参数。衬层材料的实例可包括塑料(例如，热塑性塑料、热固性塑料和其他聚合物材料)、弹性体材料和其他弹性衬层材料。衬层36可通过任何种类的技术(包括吹塑塑料、注塑塑料及其他)制造。应进一步设想和理解的是，衬层36可具有必要的结构完整性，以保持自己本身或在制造过程期间预先形成的形状，所述制造过程为了结构强度用可以是复合材料的附加层38来添加或包封衬层。应进一步设想和理解的是，阻隔层26’可被施加到衬层36的内表面30’。
本公开的优点和益处包括具有改进的阻隔性能的能够储存和/或输送压缩流体的轻量封闭制品。其他优点可包括因为可胜过两至三倍数量级的改进的阻隔性能而淘汰更传统的衬层。此外，本公开可减小体积并有助于降低成本。
虽然已经参考示例性实施方案描述了本公开，但是本领域的技术人员将理解，在不脱离本公开的精神和范围的情况下，可进行各种更改并且可用等效物进行替换。此外，在不脱离本公开的基本范围的情况下，可应用各种修改来使本公开的教义适应于具体情况、应用和/或材料。本公开因此不限于本文所公开的具体实例，但是包括落入所附权利要求书的范围内的所有实施方案。

Claims (19)

1.一种用于容纳流体的封闭制品，所述封闭制品包括：
壁，其被构造和布置来容纳所述流体；以及
纳米对齐的阻隔层，其与所述壁共同延伸，并且被构造和布置来限制所述流体的渗透，所述阻隔层的厚度在2纳米至500纳米的范围内；
所述封闭制品还包括电连接到阻隔层和地面的电导体，以最小化或消除所述封闭制品上的任何潜在的静电荷累积。
2.如权利要求1所述的封闭制品，其中所述流体是压缩气体。
3.如权利要求1所述的封闭制品，其中所述壁包括限定腔室的内表面，所述流体位于所述腔室中，并且所述纳米对齐的阻隔层是设置在所述内表面上的涂层。
4.如权利要求1所述的封闭制品，其中所述壁是复合壁。
5.如权利要求4所述的封闭制品，其中所述流体是压缩气体。
6.如权利要求5所述的封闭制品，其中所述壁包括限定腔室的内表面，所述流体位于所述腔室中，并且所述纳米对齐的阻隔层是设置在所述内表面上的涂层。
7.如权利要求5所述的封闭制品，其中所述壁包括限定腔室的内表面和外表面，并且其中所述纳米对齐的阻隔层是设置在所述外表面上的涂层。
8.如权利要求1所述的封闭制品，其中所述纳米对齐的阻隔层是具有分离在聚合物粘合剂中的对齐的纳米薄片的膜。
9.如权利要求8所述的封闭制品，其中所述膜被电接地以减少静电放电。
10.如权利要求8所述的封闭制品，其中，所述纳米薄片中的每一个的最大厚度是所述膜的所述厚度的一半。
11.如权利要求8所述的封闭制品，其中所述纳米薄片由石墨烯、氧化石墨烯、粘土、氮化硼和云母中的至少一个制成。
12.如权利要求1所述的封闭制品，其中所述壁包括内层和外层，并且所述纳米对齐的阻隔层设置在所述内层与所述外层之间。
13.如权利要求6所述的封闭制品，其中所述涂层作为水基系统来施加。
14.如权利要求6所述的封闭制品，其中所述涂层作为溶剂型系统来施加。
15.如权利要求1所述的封闭制品，其中所述纳米对齐的阻隔层由总计重量百分比在50%至99%之间的纳米薄片制成。
16.如权利要求6所述的封闭制品，其中所述纳米对齐的阻隔层由总计重量百分比在50%至99%之间的纳米薄片制成。
17.一种用于储存压缩气体的容器，所述容器包括：
复合壁，其具有总体限定腔室的内表面，其中所述压缩气体位于所述腔室中；以及
阻隔涂层，其设置在所述内表面上，并且包括粘合聚合物、分散聚合物和对齐的纳米薄片，所述阻隔涂层的厚度在2纳米至500纳米的范围内；
所述容器还包括电连接到阻隔层和地面的电导体，以最小化或消除所述容器上的任何潜在的静电荷累积。
18.如权利要求17所述的容器，其中所述对齐的纳米薄片包括石墨烯、氧化石墨烯、粘土、氮化硼和云母中的至少一个。
19.如权利要求17所述的容器，其中所述分散聚合物按重量计小于占所述阻隔涂层百分之五的所述粘合聚合物。
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