CN111003316A - 一种热塑性复合材料储水箱筒体、储水箱及其制备方法 - Google Patents

一种热塑性复合材料储水箱筒体、储水箱及其制备方法 Download PDF

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Abstract

本发明提供一种热塑性复合材料储水箱筒体、储水箱及其制备方法，热塑性复合材料储水箱筒体包括强度层，强度层由层叠设置的多个缠绕铺层熔融并固化成型得到，缠绕铺层由混合纤维螺旋缠绕而成，混合纤维包括体积比为1：(3‑5)的玻璃纤维和PET纤维，混合纤维的缠绕角度为25°‑65°。本发明的热塑性复合材料储水箱筒体、储水箱及其制备方法，储水箱筒体质量轻、耐腐蚀，具有很好的冲击强度，制备方法通过对PET纤维的短时间的高温熔融、冷却固化完成，固化速率快，生产效率高。

Description

一种热塑性复合材料储水箱筒体、储水箱及其制备方法
技术领域
本发明属于热水器设备技术领域，具体涉及一种热塑性复合材料储水箱筒体、储水箱及其制备方法。
背景技术
热水器是工业生产和居民生活中应用非常普遍的设备，储水箱是热水器的一个重要组成部分，目前，储水箱普遍采用不锈钢或搪瓷材料制作，重量较大，受自身重量以及墙体承重能力的影响，一旦发生脱落，容易发生安全事故，存在安全隐患，也因此决定了热水器的储水量不能很大，并且，金属或者搪瓷内胆的成本也很高。另外，由于热水器工作环境的复杂性，不论是金属内胆还是金属外壳都需要注意防腐蚀，可能会出现局部腐蚀对热水器本身造成损坏，而塑料外壳的承压性小，长时间使用容易老化。
近年来，国内外有不少公司在探索使用高分子复合材料制作储水箱。例如，一些公开的技术中，采用纯塑料方案，以聚乙烯、聚丁烯、聚碳酸酯或尼龙等材料为主要材料，采用吹塑工艺制作，也有的添加一些无机填料(如滑石粉、碳酸钙等)起到增强的作用，但是这种材料抗冲击性较差，容易损坏渗漏；也有技术中采用短切玻璃纤维增强塑料方法，例如南车集团采用短切玻璃纤维增强尼龙材料，通过高压挤出注塑工艺制作复合材料储水罐，但是仍存在冲击强度较低，容易损坏的问题，未获得广泛使用；还有采用双层塑料结构的方法，由内层的防渗层和外层的结构层组成，内层材料采用聚丙烯(PP)或聚丁烯(PB)，外层材料采用玻璃纤维增强聚酯树脂、环氧树脂等复合材料，尺寸稳定性好不易变形，但是加工制造周期长，成本较高。
发明内容
本发明解决的技术问题是提供一种热塑性复合材料储水箱筒体、储水箱及其制备方法，复合材料储水箱筒体质量轻、耐腐蚀，具有很好的冲击强度，制备方法通过对PET纤维的短时间的高温熔融、冷却固化完成，固化速率快，生产效率高。
为了解决上述问题，本发明提供一种热塑性复合材料储水箱筒体，包括强度层，强度层由层叠设置的多个缠绕铺层熔融并固化成型得到，缠绕铺层由混合纤维螺旋缠绕而成，混合纤维包括体积比为1：(3-5)的玻璃纤维和PET纤维，混合纤维的缠绕角度为25°-65°。
其中，PET即聚对苯二甲酸乙二酯，为一种热塑性材料。本发明的热塑性复合材料储水箱筒体，采用混合纤维螺旋缠绕成型，混合纤维为一定比例的玻璃纤维和PET纤维，通过加热熔融的方式使混合纤维中的PET纤维达到熔融温度熔融为液相，快速包裹玻璃纤维，形成致密层，经冷却固化后，形成玻璃纤维强化的PET复合材料强度层。该热塑性复合材料储水箱筒体解决了不锈钢或搪瓷材料的储水箱筒体的重量大、成本高、易腐蚀的问题，同时还具有很高的冲击强度，此外，采用热塑性材料为基体材料，通过短时间的高温使其熔融快速包裹增强材料，冷却后固化成型，固化过程快速，生产效率高。
需要说明的是，所述缠绕角度指混合纤维的缠绕方向与筒体的轴向方向的夹角。
优选地，每个缠绕铺层的厚度为0.15-0.5mm，缠绕铺层共9-15层。
优选地，多个缠绕铺层的总厚度为3-5mm。
优选地，还包括防渗层，防渗层叠合设于强度层的内侧，防渗层的厚度为1-2mm，防渗层为胶衣树脂。
具体地，胶衣树脂可以是邻苯二甲酸型胶衣树脂、间苯二甲酸型胶衣树脂、双酚A型胶衣树脂或乙烯基酯型胶衣树脂，优选地，胶衣树脂为间苯二甲酸型胶衣树脂。
优选地，还包括保温层，保温层叠合设于强度层的外侧，保温层的厚度为3-4mm，保温层为泡沫塑料。
优选地，相邻的缠绕铺层的混合纤维的缠绕角度不同。相比于单一螺旋角度成型的复合材料筒体，通过不同的缠绕角度的缠绕铺层层叠交错缠绕，形成筒体的强度层，遇到冲击力时，能够逐层破坏，失效方式由整体破坏变为渐进失效，吸收冲击能量，且筒体在各不同受力方向上的强度均得到增强，筒体整体的冲击强度得到显著提升。
本发明的另一目的是提供一种复合材料储水箱，包括上述的热塑性复合材料储水箱筒体。
优选地，还包括上端盖、下端盖和隔板；上端盖和下端盖分别设于热塑性复合材料储水箱筒体的两端；隔板设于热塑性复合材料储水箱筒体内部；上端盖、下端盖和隔板由玻璃纤维增强PET材料熔融并固化成型得到。
优选地，热塑性复合材料储水箱筒体与上端盖、下端盖之间还设置密封圈，密封圈的材质为硅橡胶、氟橡胶或乙丙橡胶。
本发明的再一目的是提供一种制备上述热塑性复合材料储水箱筒体的方法，包括以下步骤：在模具表面以选定的缠绕角度螺旋缠绕多层混合纤维，然后经高温熔融、降温固化成型，得到热塑性复合材料储水箱筒体。
本发明的制备上述热塑性复合材料储水箱筒体的方法，通过短时间的高温加热使混合纤维中PET纤维熔融，迅速包裹玻璃纤维，形成致密层，经冷却固化后，形成玻璃纤维强化的PET复合材料强度层，固化过程快速，加工周期短，生产效率高。
优选地，熔融温度为285-325℃，熔融时间为2-5min。
优选地，还包括：在缠绕混合纤维之前，在模具表面喷涂胶衣树脂，形成防渗层。
优选地，还包括：在固化成型之后，在强度层包裹一层泡沫塑料，形成保温层，得到热塑性复合材料储水箱筒体。
本发明与现有技术相比，具有以下有益效果：
1.本发明的热塑性复合材料储水箱筒体，采用一定比例的玻璃纤维与PET纤维混合的混合纤维，通过螺旋缠绕成型，经高温熔融、冷却固化后形成的复合材料强度层具有轻质、耐腐蚀、强度高的特点，热塑性复合材料储水箱筒体作为热水器的储水箱筒体，在保证材料具有较高的冲击强度的条件下，解决了搪瓷材料、不锈钢材料、塑料筒体的重量大、易腐蚀、成本高的问题；
2.本发明的热塑性复合材料储水箱筒体及其制备方法，以混合的玻璃纤维为强化材料，PET纤维为基体材料，通过短时间的高温熔融的方式，使PET纤维熔融，迅速将玻璃纤维包裹，形成致密层，经冷却后固化成型，固化时间极短，生产效率更高；
3.本发明的热塑性复合材料储水箱筒体，强度层由多个不同缠绕角度的缠绕铺层层叠交错缠绕形成，相比于单一螺旋角度成型的筒体，能够逐层破坏，失效方式由整体破坏变为渐进失效，吸收冲击能量，且可使复合材料筒体在各不同受力方向上的强度均得到增强，筒体整体的冲击强度得到显著提升；
4.本发明的复合材料储水箱，由热塑性复合材料储水箱筒体、上端盖、下端盖和隔板组成，热塑性复合材料储水箱筒体、上端盖、下端盖和隔板均采用复合材料制成，重量轻、耐腐蚀、成本低，且具有很强的冲击强度。
附图说明
图1是本发明实施例所述的复合材料储水箱的结构示意图。
其中：1-防渗层；2-强度层；3-保温层；4-上端盖；5-下端盖；6-隔板。
具体实施方式
下面将结合本发明的实施例，对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
以下各实施例和对比例中，塑性复合材料储水箱筒体的直径均为330mm，长度为800mm；玻璃纤维购自泰山玻璃纤维有限公司，规格型号为ECR468-240；PET纤维购自美国杜邦公司，规格型号为Rynite PET 545；短切玻璃纤维增强PET材料购自美国杜邦公司，规格型号为FR543。
实施例一
如图1所示，本实施例所述的热塑性复合材料储水箱筒体，包括由内向外叠合设置的防渗层1、强度层2和保温层3。防渗层1为间苯二甲酸型胶衣树脂，厚度为1mm；强度层2由层叠设置的多个缠绕铺层熔融并固化成型得到，缠绕铺层由混合纤维螺旋缠绕而成，混合纤维包括体积比为1：3的玻璃纤维和PET纤维；保温层3为泡沫塑料，厚度为3mm。
具体地，本实施例的热塑性复合材料储水箱筒体中，强度层各缠绕铺层的缠绕角度、缠绕铺层厚度具体如下表1(缠绕铺层按由内向外的顺序计算)：
表1
Figure BDA0002304195920000051
本实施例的热塑性复合材料储水箱筒体的制备方法，具体如下：
S1.准备模具，在模具表面打脱模蜡或涂脱模剂；
S2.用喷枪在模具表面均匀喷涂胶衣树脂，固化后形成防渗层；
S3.按照选定的体积比，将玻璃纤维放置到纱架滚轴上，纱束≤240tex，将PET纤维放置在纱架的其他滚轴上，数量为3～5团，经过混纱器形成一束，得到混合纤维，将混合纤维，约6～10束，按照表1选定的角度在防渗层上进行螺旋缠绕，直至布满防渗层表面为一层，然后按照表1选定的角度，继续在该层混合纤维上螺旋缠绕形成下一层；
S4.采用工频加热设备，将金属模具快速加热到285-325℃，并保持2-5min，PET材料达到熔融温度后，快速浸渍包覆玻璃纤维，并在防渗层表面形成致密层；
S5.用高纯氮气将产品表面吹冷降温，待产品表面温度降至150℃即可从模具表面脱除，脱模完成后，采用高压水切割设备，按照需要的长度对两端进行切除；
S6.在强度层外表面包裹一层泡沫塑料，形成保温层，得到热塑性复合材料储水箱筒体。
实施例二
如图1所示，本实施例所述的复合材料储水箱，包括实施例一中的热塑性复合材料储水箱筒体，还包括上端盖4、下端盖5和隔板6；上端盖4和下端盖5分别设于热塑性复合材料储水箱筒体的两端，上端盖4、下端盖5与热塑性复合材料储水箱筒体的连接处设有密封圈；隔板6设于热塑性复合材料储水箱筒体内部；上端盖4、下端盖5和隔板6由短切玻璃纤维增强PET材料熔融并固化成型得到；密封圈材质为硅橡胶。将本实施例所述的复合材料储水箱用于热水器等设备，重量轻、成本低，且耐腐蚀，具有很高的冲击强度，加工制造周期短。
实施例三
本实施例所述的热塑性复合材料储水箱筒体，包括由内向外叠合设置的防渗层1、强度层2和保温层3。防渗层1为邻苯二甲酸型胶衣树脂，厚度为2mm；强度层2由层叠设置的多个缠绕铺层熔融并固化成型得到，缠绕铺层由混合纤维螺旋缠绕而成，混合纤维包括体积比为1：4的玻璃纤维和PET纤维；保温层3为泡沫塑料，厚度为4mm。本实施例所述的热塑性复合材料储水箱筒体的制备方法与实施例一中相同。
具体地，本实施例的热塑性复合材料储水箱筒体中，强度层各缠绕铺层的缠绕角度、缠绕铺层厚度具体如下表2(缠绕铺层按由内向外的顺序计算)：
表2
Figure BDA0002304195920000061
实施例四
本实施例所述的热塑性复合材料储水箱筒体，包括由内向外叠合设置的防渗层1、强度层2和保温层3。防渗层1为间苯二甲酸型胶衣树脂，厚度为1mm；强度层2由层叠设置的多个缠绕铺层熔融并固化成型得到，缠绕铺层由混合纤维螺旋缠绕而成，混合纤维包括体积比为1：5的玻璃纤维和PET纤维；保温层3为泡沫塑料，厚度为3mm。本实施例所述的热塑性复合材料储水箱筒体的制备方法与实施例一中相同。
具体地，本实施例的热塑性复合材料储水箱筒体中，强度层各缠绕铺层的缠绕角度、缠绕铺层厚度具体如下表3(缠绕铺层按由内向外的顺序计算)：
表3
Figure BDA0002304195920000071
实施例五
本实施例所述的热塑性复合材料储水箱筒体，包括由内向外叠合设置的防渗层1、强度层2和保温层3。防渗层1为间苯二甲酸型胶衣树脂，厚度为1mm；强度层2由层叠设置的多个缠绕铺层熔融并固化成型得到，缠绕铺层由混合纤维螺旋缠绕而成，混合纤维包括体积比为1：3的玻璃纤维和PET纤维；保温层3为泡沫塑料，厚度为3mm。本实施例所述的热塑性复合材料储水箱筒体的制备方法与实施例一中相同。
具体地，本实施例的热塑性复合材料储水箱筒体中，强度层各缠绕铺层的缠绕角度、缠绕铺层厚度具体如下表4(缠绕铺层按由内向外的顺序计算)：
表4
Figure BDA0002304195920000081
实施例六
本实施例所述的热塑性复合材料储水箱筒体，包括由内向外叠合设置的防渗层1、强度层2和保温层3。防渗层1为间苯二甲酸型胶衣树脂，厚度为1mm；强度层2由层叠设置的多个缠绕铺层熔融并固化成型得到，缠绕铺层由混合纤维螺旋缠绕而成，混合纤维包括体积比为1：3的玻璃纤维和PET纤维；保温层3为泡沫塑料，厚度为3mm。本实施例所述的热塑性复合材料储水箱筒体的制备方法与实施例一中相同。
具体地，本实施例的热塑性复合材料储水箱筒体中，强度层各缠绕铺层的缠绕角度、缠绕铺层厚度具体如下表5(缠绕铺层按由内向外的顺序计算)：
表5
Figure BDA0002304195920000082
Figure BDA0002304195920000091
实施例七
本实施例所述的热塑性复合材料储水箱筒体，包括由内向外叠合设置的防渗层1、强度层2和保温层3。防渗层1为间苯二甲酸型胶衣树脂，厚度为1mm；强度层2由层叠设置的多个缠绕铺层熔融并固化成型得到，缠绕铺层由混合纤维螺旋缠绕而成，混合纤维包括体积比为1：3的玻璃纤维和PET纤维；保温层3为泡沫塑料，厚度为3mm。本实施例所述的热塑性复合材料储水箱筒体的制备方法与实施例一中相同。
具体地，本实施例的热塑性复合材料储水箱筒体中，强度层各缠绕铺层的缠绕角度、缠绕铺层厚度具体如下表6(缠绕铺层按由内向外的顺序计算)：
表6
Figure BDA0002304195920000092
实施例八
本实施例所述的热塑性复合材料储水箱筒体，包括由内向外叠合设置的防渗层1、强度层2和保温层3。防渗层1为间苯二甲酸型胶衣树脂，厚度为1mm；强度层2由层叠设置的多个缠绕铺层熔融并固化成型得到，缠绕铺层由混合纤维螺旋缠绕而成，混合纤维包括体积比为1：3的玻璃纤维和PET纤维；保温层3为泡沫塑料，厚度为3mm。本实施例所述的热塑性复合材料储水箱筒体的制备方法与实施例一中相同。
具体地，本实施例的热塑性复合材料储水箱筒体中，强度层各缠绕铺层的缠绕角度、缠绕铺层厚度具体如下表7(缠绕铺层按由内向外的顺序计算)：
表7
Figure BDA0002304195920000101
实施例九
本实施例所述的热塑性复合材料储水箱筒体，包括由内向外叠合设置的防渗层1、强度层2和保温层3。防渗层1为间苯二甲酸型胶衣树脂，厚度为1mm；强度层2由层叠设置的多个缠绕铺层熔融并固化成型得到，缠绕铺层由混合纤维螺旋缠绕而成，混合纤维包括体积比为1：3的玻璃纤维和PET纤维；保温层3为泡沫塑料，厚度为3mm。具体地本实施例所述的热塑性复合材料储水箱筒体中，强度层2为混合纤维以54°的缠绕角度缠绕形成10层缠绕铺层得到，每层缠绕铺层的厚度为0.34mm。本实施例所述的热塑性复合材料储水箱筒体的制备方法的其余步骤与实施例一中相同。
对比例一
本实施例所述的储水箱筒体为使用搪瓷材料制成的与实施例一中的热塑性复合材料储水箱筒体的强度层直径、长度相同的筒体。
对比例二
本实施例所述的储水箱筒体为使用不锈钢材料制成的与实施例一中的热塑性复合材料储水箱筒体的强度层直径、长度相同的筒体。
对比例三
本实施例所述的储水箱筒体为使用纯塑料制成的与实施例一中的热塑性复合材料储水箱筒体的强度层直径、长度相同的筒体。
储水箱筒体强度层破坏强度性能测试
依照标准QB/T4101-2010储水式电热水器内胆对各实施例和对比例中的储水箱筒体的强度层进行水压强度测试，各实施例和对比例中的储水箱筒体的强度层的厚度、重量、水压破坏强度、脉冲压力试验结果如下表8。
由测试结果可以看出本发明的热塑性复合材料储水箱筒体，相比于现有技术中的搪瓷筒体、不锈钢筒体、塑料筒体，在保证一定的水压破坏强度和脉冲强度的前提下，质量大大降低，成本降低；其中，根据实施例一与实施例九的对比可以得出，在保持总厚度不变的情况下，由不同的缠绕角度的缠绕铺层形成的强度层的破坏强度强于单一缠绕角度的；根据实施例一与实施例七、八的对比可以得出，实施例七缠绕铺层数为20层，虽然其破坏强度更高，但同时其质量也大大增加，而实施例八缠绕铺层数少，其质量更轻，但其破坏强度也显著降低，因此，本发明的热塑性复合材料储水箱筒体中，缠绕铺层优选每个缠绕铺层的厚度为0.15-0.5mm，缠绕铺层优选9-15层。
表8
Figure BDA0002304195920000111
Figure BDA0002304195920000121
显然，上述实施例仅仅是为清楚地说明所作的举例，而并非对实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。而由此所引伸出的显而易见的变化或变动仍处于本发明创造的保护范围之中。

Claims (10)

1.一种热塑性复合材料储水箱筒体，其特征在于：包括强度层，所述强度层由层叠设置的多个缠绕铺层熔融并固化成型得到，所述缠绕铺层由混合纤维螺旋缠绕而成，所述混合纤维包括体积比为1：(3-5)的玻璃纤维和PET纤维，所述混合纤维的缠绕角度为25°-65°。
2.根据权利要求1所述的热塑性复合材料储水箱筒体，其特征在于：每个所述缠绕铺层的厚度为0.15-0.5mm，所述缠绕铺层共9-15层。
3.根据权利要求1所述的热塑性复合材料储水箱筒体，其特征在于：还包括防渗层，所述防渗层叠合设于所述强度层的内侧，所述防渗层的厚度为1-2mm，所述防渗层为胶衣树脂。
4.根据权利要求1所述的热塑性复合材料储水箱筒体，其特征在于：还包括保温层，所述保温层叠合设于所述强度层的外侧，所述保温层的厚度为3-4mm，所述保温层为泡沫塑料。
5.根据权利要求1所述的热塑性复合材料储水箱筒体，其特征在于：相邻的所述缠绕铺层的所述混合纤维的缠绕角度不同。
6.一种复合材料储水箱，包括如权利要求1-5任一所述的热塑性复合材料储水箱筒体。
7.根据权利要求6所述的复合材料储水箱，其特征在于：还包括上端盖、下端盖和隔板；所述上端盖和所述下端盖分别设于所述热塑性复合材料储水箱筒体的两端；所述隔板设于所述热塑性复合材料储水箱筒体内部；所述上端盖、所述下端盖和所述隔板由玻璃纤维增强PET材料熔融并固化成型得到。
8.一种制备如权利要求1-5任一所述的热塑性复合材料储水箱筒体的方法，其特征在于，包括以下步骤：在模具表面以选定的缠绕角度螺旋缠绕多层所述混合纤维，然后经高温熔融、降温固化成型，得到所述热塑性复合材料储水箱筒体。
9.根据权利要求8所述的制备热塑性复合材料储水箱筒体的方法，其特征在于，熔融温度为285-325℃，熔融时间为2-5min。
10.根据权利要求8所述的制备热塑性复合材料储水箱筒体的方法，其特征在于，还包括：在缠绕所述混合纤维之前，在所述模具表面喷涂胶衣树脂，形成防渗层。
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